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车辆液力缓速器对整车制动稳定性影响分析

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第8期 2016年8月 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 145 车辆液力缓速器对整车制动稳定性影响分析 赵胤 (辽宁机电职业技术学院,辽宁丹东118000) 摘要:液力缓速器作为重要的车辆辅助制动装置,其对整车制动稳定性具有较大影响。根据液力缓速器的结构特点和 工作原理,制定液力缓速器对整车制动稳定性影响评价指标,选取理想制动力分配曲线(,曲线)和加装缓速器之后实际 制动力分配曲线 曲线)作为定性分析指标,分析液力缓速器对整车制动性能的影响。通过分析可知,通过调节液力缓速 器制动力矩可以达到车辆制动中卢曲线逼近,曲线,更充分利用液力缓速器的缓速制动力矩,降低行车制动的负担,且尽 量降低缓速器的使用对行车制动稳定性的影响。对整车制动性能影响的研究可以为产品设计提供参考,研究内容和研究 成果可以作为此类设计研究的参考依据。 关键词:车辆;液力缓行器;制动性能;制动力;辅助制动装置;稳定性 中图分类号:U463.53 文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2016)08—0145—05 Effect Analysis of Hydraulic Retarder on the Vehicle Braking Stability ZHAO Yin (Liaoning Meehatronics College,Liaoning Dandong 1 18000) Abstract:Hydraulic retarder aS 021 important vehicle(E£‘ n braking device,has a greater impact On vehicle braking stability.Accordingto the structural characteristcis and workingprinciple ofthe hydrulaci retrader,it chooses ideal brkeforace distribution curve(,curve)and ctaud brkiangforce distirbution curve under instlaltaion the hydrulaci retrder(a/3 c e)as 《 c‘assessment index.It analyzes the efect of hydrulaci retrdera Dn the vehicle brkiang stbiality.Through analysis,by adjusting the hydrulaci retrdaer brkiang torque it can achieve vehicle braking curve卢cu,ve arpproximating,c e to more tiulize^ retrader brkiang torque,and reduce the buren on sdervice brkes,aand reduce the efect ftohe e of hydraulci retrdaer on brke astbiality.Vehicle brkiangpe 功硼 ce impact on the research canprovide a referenceforproduct design,research and research results colt be sed us arefereueeforthis type fstoudy design. Key Words:Vehicle;Hydraulic Retarder;Braking Performance;Braking Force;Auxiliary Braking Equipment;Sta_ bmty 1引言 液力机械式自动变速器在车辆上的应用越发广泛,在很大程 了广泛的应用11]。 液力缓速器结构及其制动性能,一直是研究的重点。文献日设 可以将大量的动能转变成热 度上提高了车辆的经济性、动力性等性能,而且减轻了驾驶员的 计缓速器配有自身的供油系统,驾驶疲劳程度,提高了行车安全性。液力缓速器与液力机械式自 能并排出,不会成为额外热负荷。文献日提出一种新型两级输出液 克服了输出端单纯叶轮式液力缓速器在车辆低速时无 动变速箱整合为一体,可以很大程度上提高车辆的综合性能,尤 力缓速器,其是对于载重质量较大、工况较复杂的车辆,能显著提高行驶安 法提供较大制动力矩的缺陷。文献 采用经验公式建立整车传动 并做了缓 全性及经济性。液力缓速器和自动变速箱整合使用,可以利用变 系数学模型对液力缓速器的制动性能进行了仿真研究,生束流理论分析基础上 速箱齿轮变速机构提高转子转速,在缓速器尺寸结构紧凑的前提 速器对整车制动性能的影响分析。文献 i下提供足够的的制动力矩。并能通过对变速箱的换挡控制与缓速 的理式对缓速器制动性能做了相应的研究。文献 对整合于 获得不同档位不同转速下的制动力矩 器充液率的联合控制得到大范围车速下的合适制动力矩。液力缓 变速箱的缓速器进行试验, 速器以其高速制动力矩大、制动平稳、噪声小、寿命长、体积较小 数据。等优点,使其在军用车辆、重型载货车以及工程机械等领域得到 来稿日期:2016-01—15 基金项目:辽宁省教育厅重点资助科研项目(I_,2013512) 车辆安装液力缓速器,首要是利用其缓行功能在下坡工况中 作者简介:赵胤,(1983一),男,辽宁辽阳人,硕士研究生,讲师,主要研究方向:车辆工程及应用等; 146 赵胤:车辆液力缓速器对整车制动稳定性影响分析 第8期 稳定车速,其缓速力矩应该能使车辆在较大坡度上下坡行驶时稳 外缘运动,同时油液还绕轴心做圆周运动,因此油液形成螺旋形 油液就会反向冲击转 定在安全车速。如果和行车制动联合使用,必然会对车辆原有制 的高速液流冲击定子,由于定子固定不动,形成较大阻力矩,消耗涡轮轴的动能,从而来达到降低车速的 动I生能产生影响。为充分利用缓速器的缓速制动功能,有必要考 子,察缓速器和行车制动的联合作用情况,并在基础上考察安装缓速 效果。油液实际在液力缓速器内部做循环圆运动,当油液充满工 液力缓速器内部油液产生的热量将通 器后对行车制动的影响。根据液力缓速器结构特点和工作原理, 作腔时,阻力矩达到最大,制定其对整车制动性能影响的评价指标,选取理想制动力分配曲 过散热器带走。液力缓速器结构图,如图2所示。 线(州扭线)和加装缓速器后实际制动力分配曲线( 曲线)作为定 正常情况下驱动时的动力传递路径为:发动机一自动变速箱 性分析指标,分析液力缓速器对整车制动性能的影响,并通过试 (液力变矩器一液力缓速器—行星齿轮系)—传动轴一主减一差 验对理论分析进行验证。 2缓速器结构 这里所研究的为整体式液力液力缓速器,即减速器和液力自 动变速器整合在一起,公用一套供油及冷却系统。此种布置结构 紧凑,安装布置方便,目前被广泛使用。结构,如图1所示。 1.液力变矩器2.涡轮轴总成3.主油泵总成 4.液力缓速器5.行星齿轮变速器 图1液力机械自动变速器结构图 Fig.1 Hydraulic Mechanical Automatic Transmission Chart 1缓速器定子II 2.缓速器转子3.缓速器定子 4.主轴5.主油泵及变矩器I 6-离合器 图2液力缓速器结构图 Fig.2 Hydraulic Retarder Chart 该款变速箱的液力缓速器是输入制动式液力减速器,它位于 变矩器和变档齿轮之间。液力缓速器就是一个特殊的液力偶合 器,其主要结构都是基本相同,液力缓速器主要有转子(泵轮),定 子(涡轮),壳体,传动轴、散热器等部件组成f7】。定子和壳体是固定 不动的,转子与传动轴相连,在传动轴的带动下进行旋转。本文研 究的液力缓速器即置于变速器前端,采用的是液压控制,就是靠 液压泵来带动油液的运动,通过液压元件来直接控制油液的工作 压力,这类控制方式液力缓速器和液力变矩器以及变速器箱的其 他工作元件共用一套液压系统,使变速箱的结构比较紧凑,但是 这类控制缓速器的响应时间较气压控制长。当液力缓速器工作 时,控制系统就会向比例阀控制系统发出信号,将压缩空气充人 油槽内,在气压的作用下,缓速器内腔就开始充液,转子在传动轴 的带动下强烈的搅拌油液,油液在离心力的作用下沿转子叶片向 速器—半轴一轮边减速器一轮胎。缓速器工作时,传递路线相反, 由轮胎传至缓速器进行缓速制动。 3影响评价指标 液力缓速器的加装使得原车制动力发生改变,从而影响到整 车的制动稳定性。在选配液力缓速器时应当依据持续制动要求或 强度进行稳定性校核。目前许多文献在对制动力分配的研究中只 考虑了满载工况,或将满载与空载使用概率等同考虑。对理想的 制动力分配曲线(,曲线)和加装缓速器之后的实际制动力分配曲 线(口曲线)做定性分析,综合满载和空载两种工况,对加装液力 缓速器的车辆进行制动稳定性影像的分析,并提出措施改进车辆 制动稳定性。 3.1车辆,曲线 车辆在任何附着系数路面上制动时前后车轮同时抱死的必 要条件是:前后车轮的制动器制动力之和等于路面所能提供的附 着力,并且前后轮制动器制动力分别等于各自的附着力I81,即 l+ 2= G 1 一 } (1) J 式中: —前轮制动力; ~后轮制动力;‘ —路面的附着系数。 加装液力缓速器后,后轮制动力为后轮制动器制动力与液 力缓速器制动力的合成力。 车辆在水平路面上制动时的受力分析,不考虑车辆滚动阻力 矩、空气阻力矩及旋转质量减速时的惯性力偶矩。可以得出前后 车轮都抱死时的地面作用于前后车轮的法向反作用力为: 2= (6+ ^ )【} (2) = (a- ̄h )【 式中: 、 一地面对前后车轮的法向反作用力;G一车辆重力;o、 6一车辆质心位置到前后车轴中心线的距离;^ 一车辆质心 高度,其中L=a+b。 理想的制动力分配特性是要使车辆在制动过程中的总制动 力凡达到最大时,应使前后车轴的制动力 、 :在同时达到最 大值 ,即前后车轮同时抱死191。得出: 。= 。= := = (3) 式(2)人得: Fxbl ̄- (6+争)=争( ) Fxb2- ̄ (叶 )= (a+qhg) (4) No.8 Aug.2016 q=j/g为制动强度。前后车轮同时抱死时: = 。+ :=G‘q=G‘ 机械设计与制造 147 后轮抱死为不稳定工况,应尽量避免,前轮抱死虽然也是稳定工 (5) 况,但是由于失去转向能力,也应减少。 即q=tp,此时前后轮制动力即为理想制动力。由前述分析可 知,只要知道车辆总质量、汽车质心位置就可以做出车辆的,曲 线。车辆参数,如表1所示。由以上公式利用Matlab得出车辆满 蚕 载和空载,曲线,如图3所示。 表1车辆参数 Tab.1 Vehicle Parameters 参数 数值 满载质心位置(m) 空载质心位置(m) 轴距(m) 一O 0 m啪 一 猫姗猫 一主传动比 轮边减速比 额定功率(kW,r.min ’ 最大扭矩(N·rrgr.min ’ 满载轴荷分布 最高车速(km/h) 轮距(m) 最大爬坡度 货箱最大侧倾角(。) Z 耔 器 11垡 前轮制动力(KN) 图3车辆满载及空载I曲线 Fig.3 Vehicles Loaded and Unloaded I Curve 图3可知,车辆满载及空载的理想的制动力分配曲线(,曲 线)并非直线,满载时前后轮制动力最大可达270kN和160kN, 空载时前后轮制动力最大可达210kN和60kN。前后轮制动力分 配与车辆载荷、路面附着系数等关系较大。 3_2车辆 曲线 对很多双轴车辆其前后轮的制动力之比为一固定比值,分析 中可以将车辆简化为两轮模型,忽略左右车轮载荷的不同 。制 动器制动力分配系数为: 卢专 (6) 这里前后轴制动力采用固定比值分配,则/3线为一条直线, 不考虑液力缓速器的情况下,取同步附着系数 。为0.6,可以得 出前后制动力比值为0.8。由此得出行车制动的,曲线及/3线,如 图4所示。 由图4可知,当 。,3/曲线位于川訇线下方,制动时总是前 轮先抱死,它是一种稳定工况,但会使车辆丧失转向能力;当妒> 妒。,3/曲线位于川由线上方,制动时总是后轮先抱死,这时容易发 生后轴侧滑使车辆失去方向稳定性,为不稳定工况,应尽量避免; 当 ̄p-=tp。,制动时车辆前后轮同时抱死,对路面附着系数利用程度 最高,制动效果最好,是一种理想工况。由图3和图4分析可知, 一 需 磊 觯  ∞一姗~姗前轮制动力(KN) 0 ∞ 图4车辆,及|B曲线 Fig.4 Vehicle I Curve and 8 Curve 4影响分析 4.1未对行车制动系前后制动力分配调整 以液力缓速器转子最高转速2000r/min计算可以得出各档 位日掳劬啼 上的最大制动力矩(以充液率95%i-I-),如表2所示。 表2各档位下缓速器提供给后轮最大制动力 Tab.2 Maximum Braking Force of the Rear Wheels Under Each Gear fr0m Retarder 表2得出的是各档在最高转速且最大充液率情况下的制动 力矩,大多数情况下实际制动力矩会低于上述各值。由表中数据 在上节,及口的基础上得出加装缓速器之后的车辆/3曲线,如图 5所示。 Z 播 器 1l娶 前轮制动力(KN) 图5加装缓速器之后的车辆I及B曲线 Fig.5 Vehicle I Curve and 13 Curve Under Retarder 图5中曲线是由各档的最大值得出的,实际工作中对于档位 的选择会避开较高的几个值。但从图中也可以看出,在原有行车 制动前后轴制动力分配设计的基础上加装缓速器后对车辆的制 动稳定性带来了不利影响,使车辆更趋于出现后轮先抱死的危险 状况。 另外可以看出,此缓速器由于安装于变速机构前端,使得实 际加载到后轴上的制动力可以达到很高的值,这说明此缓速器的 制动力矩依然是偏大的。 4_2利用缓速器实时调整前后轮制动力分配比 要实现行车制动与缓速器缓速制动的联合使用,单靠调整行 车制动系前后制动力分配是不够的,在转子2000r/min的转速下 一No.8 148 机械设计与制造 Aug.2016 3曲线与J曲线更为接近,利于提高行车制动稳定性,并减 的制动力矩,选择最接近的档位并不能提供合适的制动力矩,还 下的/ 需档位或充液率的调整来得到满足。现在不考虑缓速器充液率调 轻行车制动系负担。整滞后性的前提下提出通过高档位调整充液率的方式来使实际 图7中可以看出,调整后各档位下的 曲线与州由线更为接 近,且 曲线位于州 线下方,制动时避免出现后轮先抱死的状 前后轮制动力比值趋近州扫线。 制动时车辆更容易出现前后轮同时抱死,对路面附着系数利 根据制动系压力实时得出前后轮制动器制动力,沿,曲线可 况,利于提高行车制动稳定性,并减轻行车制动系负担。 以得出理想的后轴实时制动力,将差值部分反馈至缓速器,通过 用程度最高,调整充液率来实现对差值部分的补充,从而使车辆在任何路面上 4.4试验对比分析 都能达到最佳制动效果。反馈制动系制动压力,得出前后车轮制 建立试验台,如图8所示。主要包括:发动机、液力缓速器、传 变速箱、速度传感器、测功机等。模拟车辆以30km/h初速制 动器制动力 、 ,由州丑线得出此前轮制动力下的理想后轮制 动轴、过程中前后车轮制动力分配。获得安装液力缓速器后,调整行 动力 ,则可以计算得出后轮欠缺的制动力△ =‰一 并换 动,算出缓速器应提供的制动力矩,根据反馈的车轮实时转速对照缓 速器制动力矩曲线得出提供所需制动力矩下的充液率,然后由控 制系统调整相应充液率来实现相应后轮制动力的补偿。控制过 程,如图6所示。 蜒 蛊 差值 卜 一 辩 l Ful 充液率 图6控制过程图 Fig.6 Control Process Diagram 4.3对行车制动系前后制动力分配调整 从上文分析可以看出,在不改变原车制动力分配设计的车辆 上加装缓速器制动并采用联合制动时会使后轮制动力过大,致使 增大了后轮抱死的可能性,影响到车辆行驶的稳定性。显然,对于 要安装液力缓速器的车辆来说,有必要对行车制动系的制动力分 配做出调整,以和缓速器匹配,从而可以在保证车辆制动稳定性 的前提下,减少行车制动器的负担,提高车辆行驶安全性与经济 性 Z 幅 磊 辞 前轮制动力(KN) 图7车辆,曲线及调整后的 曲线 Fig.7 Vehicle,卢Curve and Adjusted卢Curve 由于缓速器缓速制动力直接作用在后轴上,联合制动中即相 当于在后轮行车制动力的基础上又曾加了缓速器制动力,所以对 安装液力缓速器的车辆为提高制动时的稳定性应适当降低车辆 后轮制动力分配,不足部分由缓速器补充。假设取行车制动系前 后制动力分配比为2:1,得出调整后的JB曲线族。调整后各档位 车制动系前后制动力分配与否的制动力分配曲线,如图9所示。 图8台架试验整体布置图 Fig.8 The Whole Layout of the Bench Test Z 需 磊 前轮制动力(KN) 图9车辆口曲线 Fig.9 Vehicle Curve 由图9可知,车辆实际制动力分配曲线与理论分析B曲线 变化趋势一致,并且对制动系数进行调整之后,实际值与理论分 析值更为接近。试验数据相比理论分析值略大的原因主要是加工 安装等引起的机械损失;试验中省去缓速器启动阀,改用外部阀 控制,将原有油路改为管路连接,造成部分压力提升。对比分析表 明液力缓速器的使用利于提高行车制动稳定性,通过调整制动力 分配系数,可以有效减轻行车制动系负担,同时验证理论分析的 准确性和可靠性。 5结论 液力缓速器作为重要的车辆辅助制动装置,其的使用会对整 车原有的制动稳定性产生较大的影响。根据液力缓速器的结构特 点和工作原理,制定液力缓速器对整车制动性能影响的评价指 标,选取理想的制动力分配曲线(州 线)和加装缓速器之后的实 际制动力分配曲线(JB曲线)作为定性分析指标,分析液力缓速器 对整车制动性能的影响。制定利用缓速器实时调整前后轮制动力 分配比控制策略,对安装液力缓速器后,调整行车制动系前后制 No.8 Aug.2016 机械设计与制造 149 动力分配与否进行对比分析。通过对比分析可知,未调整时,对车 (Wang Ya—qing,Zhang Dai—sheng,Shen Gu0一qin昏0ptimizing desing and 辆的制动稳定性带来了不利影响,使车辆更趋于出现后轮先抱死 simulative calculation of braking force distribution ratio of vehicles[J] 的危险状况,此缓速器由于安装于变速机构前端,使得实际加载 Journal ofHefei University ofTechnology:Naturla Science,2005,28(11): 到后轴上的制动力可以达到很高的值,这说明液力缓速器的制动 1393—1396.) 力矩依然是偏大的。而通过调节液力缓速器制动力矩可以达到车 [6]严军,过学迅,谭罡风.基于联合仿真的液力缓速器液压控制系统研究 辆制动中口曲线逼近川訇线,更充分利用液力缓速器的缓速制动 [J].系统仿真学报,2011,23(6):1244—1250. 力矩,降低行车制动的负担,且尽量降低缓速器的使用对行车制 (Yan Jun,Guo Xue-xnn,Tan Gang-feng.Research on hydraulic retarder control system basde on co-simulation[JIJournal fo System Simulation, 动稳定性的影响。试验对比分析表明理论分析的准确性和可靠 2011,23(6):1244—1250.) 性。对整车制动性能影响的研究可以为产品设计提供参考,研究 [7]黄俊刚,李长友,童军.液力缓速器制动扭矩的关键影响因素分析[J].机 内容和研究成果可以作为此类设计研究的参考依据。 床与液压,2010,38(15):77—80. 参考文献 (HuangJun-gang,LiChang—you,TongJunStudyonpivotlafactorsinflueneing [I]李淑梅,罗卫东,柳慧谱加装液力缓速器商用车的制动稳定性控制研究 breakingtorqueofhydrodynamicretrader[J].MachineTool&Hydraulics, [J].机械设计与制造,2014(8):137—139. 2010,38(15):77—80,) (Li Shu-mei,Luo Wei-dong,Liu Hui—pu.Study on control of commercial [8]赵鑫鑫,杨耀东.液力机械自动变速器Maplesim仿真研究[J].机械设计 vehicle。s brake stability equipped with hydraulic retarder[Jj_Machinery 与制造,2013(8):57—60. 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