高机动平台电缓速匹配技术综述_宁克焱.pdf

第 卷第 期 年 月兵工学报 ：高机动平台电缓速匹配技术综述宁克焱，李德胜，田金山，盖江涛，欧阳巍，兰海，庞惠仁（中国北方车辆研究所 车辆传动重点实验室，北京；北京工业大学 材料与制造学部，北京）摘要：高机动平台的发展表明，高速行驶等机动性能提升导致持续制动功率不断增加、采用单一机械制动其摩擦部件温升过高，亟需加强制动系统缓速匹配的研究。通过分析高机动平台典型制动工况，明确了缓速匹配的设计输入；对多类型缓速技术的发展现状和特性进行分析，提出一种适合高机动制动匹配的新型电缓方案，分析研究了新型电缓的主要关键技术；以 级高机动平台为背景进行新型缓速性能研究，为高机动平台缓速制动研发提供一种新的技术途径。关键词：高机动平台；制动；电缓速；特种车辆 中图分类号：.文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；车辆传动重点实验室基金项目（）引言随着动力传动、行走系统的不断创新发展和性能提升，有人、无人等高机动平台的加速、转向和持续越野速度等机动性能显著提升，制动需求日渐迫切，要求高机动平台制动研发向系统层面实现更高、更快、更好的发展。近年来，车辆在高机动使用和机动能力两个方兵 工 学 报第 卷面都有了明显提升，尤其是涉及热载荷的持续制动功率：）车辆实战化使用的基本特点是高机动使用。以 级车辆为例，动力推进系统改进前的越野平均车速在 左右，改进后显著提升，由于实战化高机动使用其制动持续功率由不足 提高至 以上，并在近年内，随发动机、传动和制动的针对性改进提高至 以上，由此带来了严重的机械制动高温问题（见图），芯板骨架体积温升达，持续高温导致支撑回位不畅、磨损加剧和周边部件热烧损故障等系列问题。图 频繁制动（次持续功率 ）累积温升试验 （，）新型高机动平台的机动能力将显著提升。新装备越野平均速度将从 提升至 ，在制动距离指标持平的前提下，其制动速度、制动强度和制动功率（发热量）也将分别显著提升、，为实现同样机动性安全性制动响应时间也需要缩短。综上，高机动平台随机动性能不断提升，制动匹配需求日渐突出。以分担持续制动功率为优化目标的制动缓速技术，需要进一步结合各种缓速的研发现状和相关研发工作进展，对近期可行缓速研发方案的匹配效果进行评估，为高机动平台缓速制动技术提供新的技术途径。高机动平台缓速匹配设计的输入分析车辆制动基本需求有行车、驻车两类，机械制动是其基本、安全保障，缓速起辅助、改善作用。行车制动具有大能量 功率的特点，从安全角度设计需要机械制动满足基本的行车制动需求（包括紧急制动），从改善机械制动的磨损寿命、温升和制动性能的角度，需要低空损、易控的缓速匹配起效。对于驻车制动，一般缓速不起作用。缓速匹配研究需要紧密对接行车制动载荷的匹配设计需求，建立缓速匹配指标体系，并在工程层面不断提升主要匹配适用性指标。.车辆行车制动典型制动工况与载荷谱分析对车辆行车制动 种典型制动工况和制动载荷谱进行分析，车辆行车制动工况分为 类，分别是 全寿命当量化制动、下坡稳速制动、紧急制动，其中全寿命当量化制动包括常规停车制动、常规减速制动、实战化高机动行驶等。该分析为制动缓速匹配研发明确了基础需求牵引，尤其是载荷谱以其多工况特点对缓速匹配计算的作用最为突出。一般情况下高机动行驶制动载荷在全寿命中有限使用。作为全寿命考核用载荷谱，按 的 体现高机动行驶综合制动，其各减速度区间制动综合频次统计分布如图 所示。将制动载荷各速度段分布频次与加速度段分布频次根据隶属度函数关系进行计算，获得 类工况下制动载荷谱如表 所示（总制动次数 次，总制动能量 ）。图 各减速度区间制动综合频次分布图 表 全寿命行驶综合制动载荷谱 减速度（）速度当量（）次 次 次 次.缓速匹配指标体系在满足综合传动集成布置需求的前提下，基于已有高速高能容机械制动系统和联合制动总体匹配 第 期高机动平台电缓速匹配技术综述设计研究进展，形成简化后的缓速匹配指标体系如表（指标值为 目标）所示。表 缓速匹配指标体系 编号参数数值累积制动能量分担比例 坡降制动能量分担比例 峰值缓速功率.响应时间.本体匹配功率密度（）匹配扭矩比例控制范围 匹配转速范围占比 自主可控性 按照表 指标体系可实现缓速匹配的对比评价，确定目前的缓速匹配研制主线，实现好用、耐用、实用的缓速匹配系统研发。缓速技术性能分析.缓速技术.液缓技术液力缓速器（简称液缓）是一种利用液力耗能原理将转子动能转化为液体内能的装置，用于消耗车辆机械能，为车辆减速制动，其主要由动轮、定轮、散热器和控制系统组成。当液缓工作时，控制系统将油液注入动轮和定轮组成的循环圆腔内，接着动轮带动油液进行涡流和环流运动，从而将动轮的动能转换为流体能量，同时高温油液流经散热器，其热量被耗散在周围空气中。液缓按照控制方式可分为闭式、开式；按照叶片类型可分为弧形叶片、倾斜叶片。根据液力制动原理，德国福伊特（）公司于 年推出第一款用于 柴油火车的液缓，年首次将液缓应用于车辆上。福伊特公司的液缓产品已成系列化，目前超过 万台欧美、日本等国的商用车辆安装了该公司产品。此外，著名的液缓厂商还有德国采埃弗（）公司、瑞典斯堪尼亚（）公司和美国艾里逊（）公司。国内对于液缓的研究虽然起步晚，但经过多所大学科研团队的不懈努力，已经对液缓的制动性能、控制方法进行了大量研究。国内液缓生产厂家如法士特、特尔佳、苍泰等公司，目前已初具规模。当前液缓的前沿发展方向为并联式高速液缓、水介质液缓和变速箱集成式液缓。.并联式高速液缓技术按照缓速器的安装位置，可以分为串联型缓速器和并联型缓速器（见图）。安装于驱动线上的液缓被称为串联式液缓（见图（）型），但当车速较低时液缓扭矩较小。为解决上述问题，出现了并联式液缓，该型液缓的转子轴与变速箱传动轴通过齿轮机构连接，实现增速。从而利用液缓高速段的大扭矩特性进行制动，液缓结构更小巧、紧凑，在传动轴转速仅为 时，制动扭矩也可达到 。为解决液缓低速扭矩不足的问题，研究人员还推出了将液缓与低速大扭矩的发动机制动或摩擦制动器联合使用等方案。图 液缓产品图 .水介质液缓技术传统液缓采用油作为工作液。福伊特公司生产的 系列液缓（见图（）和苍泰公司生产的液缓均采用水作为工作介质。由于液缓制动扭矩与工作介质密度呈正比，且水的密度和比热容大于油，能够提高液缓制动功率和热容量。此外还可省去原液缓系统中的油水交换器，直接利用发动机冷却液和车上原有的冷却系统，从而降低成本。.变速箱集成式液缓技术国内的变速箱集成式液缓研发历经近 年，分为两个方向：一是从开始按照西方国家的大扭矩比例控制（如具备变速箱生产设计能力的厂家德国 伦 克（）公 司 将 高 功 率 液 缓 集 成 到兵 工 学 报第 卷 型传动箱内，如图 所示，主要满足最高车速紧急制动所需）；二是采用类似俄罗斯 坦克等适度液缓匹配方式，在降低对液力、液压等工业加工条件要求的基础上开展机液联合所需缓速系统研制，主要由兵器第一研究院开展相关研发工作，形成了获发明奖的“高效能机械液力联合制动技术”。这两个研制方向目前情况：前者能够实现 等级的额定制动扭矩，但最低制动扭矩难以控制在 以下，比例控制效果不理想，响应时间在.左右；后者能够实现 左右的额定制动扭矩，但也存在比例控制效果不理想的问题（更低制动扭矩控制困难），响 应 时 间 在.左右。图 中，为液力变矩器，为液力缓速器，为汇流排，为停车制动器，为侧减速器。图 型传动箱 .电缓技术电涡流缓速器（简称电缓）是一种利用电涡流制动原理将机械能转换为热能的非接触式缓速制动元件。重载车辆在其传动系统中安装电缓，持续下坡路段或非紧急制动时，依靠电缓消耗传动轴的动能，满足车辆对制动的需求。电缓按照励磁可分为永磁、电磁；按照散热方式可分为风冷和水冷。年出现了世界首个关于电涡流制动的专利，年起，电缓技术被逐步应用于汽车。电缓著名厂商有法国 公司、西班牙 公司和 公司、德国 公司，以及日本 公司和 公司等。其中 公司是世界上最大电缓制造商，产品被广泛安装在雷诺、戴姆勒 奔驰、曼、沃尔沃、依维柯、斯堪尼亚、尼奥普兰等著名汽车公司生产的重型汽车和大中型客车上。近年来，随着我国汽车工业的蓬勃发展，国内多家企业开展电缓研制与生产，如深圳特尔佳公司、洛阳南峰机电公司、江苏淮安惠民公司、扬州洪泉公司、浙江瑞立公司和嘉兴纽曼公司等。.传统风冷电缓技术图 电缓产品图 应用最广泛的电缓主要有盘式和毂式，如图 所示，两种电缓结构不同、原理相似。电缓主体包括两个相对运动部件（定子与转子）和多组励磁线圈，相邻的励磁线圈反向通电产生磁场，定子与转子之间形成闭合磁路。转子旋转时，转子产生电涡流。电涡流激励出的感应磁场抑制原磁场的变化，表现为转子阻力矩。电涡流引起电阻热，热通过强制对流散热的方式扩散到周围空气中。盘式电缓电涡流产生在转子侧面，毂式电缓电涡流产生在转子内圆面。电涡流产生在转子上，转子上集成散热风道，对高温转子进行对流散热。对电缓研究集中在电缓制动扭矩理论计算和仿真模拟，利用现代设计优化方法对电缓磁路进行优 第 期高机动平台电缓速匹配技术综述化，提升电缓功率密度。优化风道结构，改善材料特性，降低高温转子在高速离心力作用下的崩裂风险。图 描述了转子温度升高时扭矩不断下降的特性，从中可见当温度升高时间至 时，制动扭矩从 下降至 。这是因为高温下转子的电导率和磁导率下降，导致电缓扭矩下降 以上。图 电缓制动扭矩受热衰退特性 .新型液冷电缓技术图 水冷内嵌式电涡流缓速器结构 为了解决电缓热衰退问题，近年国内出现了利用单个环形线圈励磁、形成横向磁通的新型电涡流缓速：采用单个环形线圈励磁，形成横向磁通磁场；电涡流产生在定子；定子集成水套、湿式冷却结构散热。以内嵌式电涡流缓速器为例（见图），单个环形励磁线圈安装在定子上，励磁线圈被软磁材料包裹。图 中 为转速。当线圈通电时，线圈周围产生环形磁场，在定子、转子形成闭合磁路。转子内外圈分布齿结构聚磁，当转子旋转时定子表层磁感应强度发生周期变化，电涡流产生在定子表层。与传统电缓相比，由于电涡流产生部位由转子转化到定子上，新 型 电 缓 方 便 对 高 温 定 子 进 行 液 冷 散热。新型缓速功率密度提高 以上，提高了电缓持续制动能力。目前北京工业大学与兵器第一研究院和清研瑞能公司、扬州安行公司、旭升电器公司等单位在研发该类产品。.液缓和电缓国内研发可行性对比基于相同综合传动集成布置边界约束，对两类缓速的匹配功率密度对比计算分析见表，因为响应速度快，.电缓速研发目标优于原有 联合制动液缓指标。表 缓速研发指标对比 参数传统液缓基于液缓的高机动缓速匹配要求电缓研制目标匹配功率密度（）名义.峰值缓速功率 扭矩（）最高转速（）截止转速（）非匹配转速占比缓速起效时间.综合以上国内液缓、电缓研发历史和现状，综合指标对比分析如表 所示。以上分析表明，预期新型高功率密度电缓在满足综合传动集成设计的前提下，能够实现联合制动总体匹配设计指标要求，具有更好地满足新型综合传动缓速匹配设计需求的可行性。电缓发展的关键技术综合分析与优化.电缓制动理论模型电缓一般由转子、定子和线圈组成，如图 所示：电缓安装在密封齿轮箱中，转子随驱动轴旋转；线圈圆周方向由转子和定子包围，并固定在定子上。当线圈通电时，线圈周围产生环形磁场（磁感应强度）；凸极分布在转子的外环上用于集磁。定子的表面在圆周方向上以强弱顺序交替分布。根据电磁感应定律，当转子旋转时，定子上的磁场会随时间变化，因此在定子中会产生涡流。由定子上的涡流激发的感应磁场（磁感应强度）抑制了原始磁场的变化，表现为制动扭矩。当转子旋转时，瞬态磁感应强度 为 和 之和。由式（）中获得在定子上产生的涡流密度。根据趋肤效应的原理，在定子的表面层产生涡流并引起电阻加热。假设定子的外径是无限大的，定子内表面的最兵 工 学 报第 卷表 缓速研发近况综合对比分析 参数电缓速研制目标常规液力缓速现状和高机动缓速匹配预期匹配功率密度（）.响应时.空损（）匹配扭矩受控范围 （难度大）匹配用转速占比 能耗比（缓速功率 相关消耗）含压力油箱维持所需能