液力缓速器性能的台架测试

魏 琼

Wei Qiong

（陕西国防工业职业技术学院 汽车工程学院，陕西 西安 710300）

0 引 言

传统的汽车制动方法是将机械摩擦制动器安装在轮毂上，通过制动踏板张合作用于轮毂实现制动，由于制动过程中产生的大量热能无法充分释放，轮毂及摩擦衬片会出现过热、龟裂、烧损，从而使制动失效，严重时会导致轮胎过早爆裂，引发严重的交通事故[1]。为了改善车辆的制动安全性，尤其对于长途大客车及城市公共汽车，可在车辆上加装发动机缓速器、液力缓速器、电涡流缓速器等辅助制动设备。液力缓速器具有高速制动力矩大、制动平稳、噪声小、寿命长和体积较小等优点，被广泛应用于内燃机车、重型载货车、军用车辆以及工程机械等领域。

液力缓速器的使用工况十分复杂，例如在城市道路上进行持续制动并要求快速响应、在山区道路上恒速下坡或长时间下坡、在接近收费站或其他障碍物时单独制动、在高速行驶时进行紧急制动等[2]；所以，使用寿命长、扭矩特性稳定、制动平稳、响应迅速是对液压缓速器的基本要求。

本文对某型液压缓速器进行台架测试，对其特性进行分析，为该型液压缓速器的合理配装提供经验借鉴。

1 液力缓速器结构

液力缓速器结构如图1 所示。

图1 液力缓速器结构

在液力缓速器中，定轮与缓速器壳体相连，动轮通过空心轴、凸缘与车辆传动轴连接，动轮和定轮上均铸有叶片。车辆制动时控制阀向油箱施加气压，使油液冲入动轮和定轮间的工作腔，动轮叶片高速旋转时，工作腔中油液在离心力和压力的共同作用下冲向定子，定子承受油液正向冲击，同时对于油液起着反向作用，部分油液被反向打回转子，从而对转子产生反向作用，降低转速，并将转子动能转化为热能，再通过热交换器散热的方式实现车辆制动。液力缓速器不工作时，控制系统将油液释放出油箱，保证工作腔无油，不会在车辆行驶时产生阻力。

2 液力缓速器性能测试

2.1 台架试验工作原理

液力缓速器的试验台架如图2 所示。缓速器前端连接陪试变速器，陪试变速器空套在辅助支撑的花键套上，缓速器后端通过传动轴连接电机，由电机驱动缓速器运转，使定子、转子产生相对转动。缓速器工作时产生的扭矩可通过后端扭矩仪测得。

图2 液力缓速器的试验台架

2.2 外特性的台架试验

液力缓速器起作用的车速范围为20～100 km/h，在车辆实际运行中，液力缓速器通常工作在40～80 km/h。以商用车平均后桥速比4.5（通常后桥速比为2.8～6.7）进行计算，则传动轴转速为900～1 700 r/min，从散热功率角度考虑，较低车速时液力缓速器工作时间可以略长，较高车速时工作时间要求缩短[3]。

液力缓速器的外特性试验主要分析制动扭矩随转速的变化关系，反映扭矩输出特性。液力缓速器可用的最高车速所对应的传动轴转速约为1 700 r/min，其外特性试验曲线如图3 所示，各恒定控制气压下转速由1 700 r/min 降至0 的过程中缓速器输出扭矩不断变化。

图3 缓速器不同控制气压下外特性曲线

从图3 可以看出，随着传动轴转速下降，每条外特性曲线均呈现先上升后下降趋势，即每条外特性曲线均出现一个峰值扭矩，并且随着控制气压降低，峰值扭矩及峰值扭矩所对应的传动轴转速均逐渐减小。例如，2.2 bar 控制气压的峰值扭矩为4 600 Nm，而2.0 bar 控制气压的峰值扭矩为4 000 Nm；2.2 bar 控制气压的峰值扭矩对应的传动轴转速为1 300 r/min，而2.0 bar 控制气压的峰值扭矩对应的传动轴转速为1 200 r/min。

2.3 内特性的台架试验

液力缓速器的内特性试验主要分析恒速状态下缓速器的输出扭矩和内部压力变化，可以为恒速制动和内部检测提供参考。

2.3.1 扭矩的变化

图4 为液力缓速器在传动轴1 200 r/min 恒速状态下不同控制气压所对应的扭矩曲线，传动轴恒速下扭矩均呈现先快速上升后趋于稳定的趋势，随着控制气压增大，趋于稳定的扭矩值也不断增大。不同气压下缓速器的运转时间不同，主要与缓速器的散热功率有关。控制气压较低时所产生的制动扭矩小，缓速器可以长时间运转，控制气压较高时缓速器运转时间相对较短。

图4 传动轴恒转速下不同控制气压的扭矩曲线

2.3.2 内部压力的变化

图5 为液力缓速器内部压力在传动轴1 200 r/min 恒速状态下跟随控制气压变化的过程，缓速器定子背面、热交换器进油口、内部工作腔和转子背面的压力均随着控制气压增大而增大。

图5 控制气压对缓速器内部压力的影响

液力缓速器正常工作过程中控制气压将油槽中的油液压入工作腔，控制气压越大则进入工作腔的油液越多。动轮叶片高速旋转时，工作腔中油液在离心力和压力的共同作用下冲向定子，定子承受油液正向冲击，所承受的压力最大，部分油液被反向打回转子，从而产生阻止转子正常工作的制动扭矩，工作腔中的油液越多则缓速器产生的制动扭矩越大。到达定子的另一部分油液沿叶片流入出油口进入热交换器进行冷却，由于油路管道出油口孔径较小，会产生很大的压降，所以热交换器的进油口压力偏小。

2.4 响应时间的台架试验

液力缓速器的响应时间反映其动态响应能力。开启响应时间是从空挡直接切换至最高制动挡时开始计时，当液力缓速器产生额定输出扭矩的90%时停止计时；关闭响应时间是液力缓速器达到额定输出扭矩并稳定后，从最高制动挡直接切换至空挡时开始计时，当液力缓速器输出扭矩衰减至额定输出扭矩的20%时停止计时。由图3液力缓速器的外特性曲线可知，当控制气压为2.0 bar 时，在传动轴转速1 200 r/min 附近，输出扭矩最大。为了测试缓速器的响应时间，将传动轴转速设置为1 200 r/min，并开启缓速器，待输出扭矩稳定后关闭缓速器，得到如图6 所示输出扭矩随挡位变化曲线。

图6 制动挡位对缓速器内特性的影响

图6 中缓速器的额定输出扭矩为4 000 Nm，额定输出扭矩的90%为3 609 Nm，对应的时间点为第33.91 s，制动挡位开启时间点为第31.89 s，则开启响应时间为二者之差，即2.02 s。缓速器由最高制动挡切换至空挡所对应的时间点为第41.31 s，输出扭矩衰减至额定扭矩20%所对应的时间点为第42.01 s，则关闭响应时间为二者之差，即0.7 s。

液力缓速器制动扭矩开启响应时间越短越好，同时避免冲击和波动，否则车辆制动时会引起驾乘人员不适；当退出制动挡位时，需尽快消除制动扭矩，方便车辆进行加速。

3 结束语

液力缓速器目前已经在货车上得到广泛应用，在整车设计匹配过程中，缓速器的性能指标是一个重要参数。本文基于试验台架对于缓速器的外特性、内特性以及响应时间进行测试，为与整车合理匹配提供参考。