负荷试验车参数

1 设计条件

1）福田底盘4×2驱动形式，安装洒水车罐体；

2）负荷试验时在18km/h至80km/h车速范围内提供≥100kw制动功率。

3）上装主要材质：

  罐体及封头材质：Q235-B(抗拉强度Rm=370MPa；屈服强度Rel=235MPa)。罐体材料不与装运介质发生危险化学反应，腐蚀速率不大于0.5mm/年。

  罐体的材料符合相应国家标准或行业标准的规定，具有良好的耐腐蚀性能、力学性能、焊接性能及其他工艺性能。满足罐体的制造、检验及安全使用等基本要求。  

2 缓速器类型确定

根据负荷试验参数要求：

2.1、试验车制动功率≥100kw。

2.2、缓速器长时间使用时，制动力矩热衰退应≤10%。

根据以上要求，选择4000NM型液力缓速器，液力缓速器是利用液体阻力产生缓速作用的装置。液力缓速器的定子又是缓速器壳体，与变速器后端或车架连接，转子通过空心轴与传动轴相连，转子和定子上均铸出叶片。工作时转子旋转时通过工作液对定子作用一个转矩，而定子的反转矩即成为转子的制动转矩。汽车动能消耗于工作液的摩擦和对定子的冲击而转换为热能，使工作液温度升高。工作液被引入热交换器中循环流动，将热传给冷却水，再通过发动机冷却系统散出。

液力缓速器通过将整车的机械能转化为工作介质的热能实现制动，可有效解决连续制动导致的刹车片过热、刹车失灵等问题，延长制动器的使用寿命，同时提高运行效率，降低司机的劳动强度，大幅提升车辆的安全性、经济性和舒适性。

而电涡流缓速器的自重大，制动扭矩小，工作温度高等缺点。电涡流缓速器最严重的问题是散热效果差，制动力矩热衰退严重。无法长时间工作。

因此选用液力缓速器特别合适负荷试验车长时间大功率制动需求。

3 液力缓速器选型计算

3.1 机械接口

按照在整车传动系上的布置方式，将液力缓速器分为串联缓速器和并联缓速器两种。

串联缓速器的轴线与传动轴的轴线共线，通常直接装配在传动轴上，通过法兰与传动轴连接。缓速器装配时整车上需要提供支撑点以固定缓速器在整车上的位置，使之能承受车辆运行时的剧烈振动。

并联缓速器的轴线与传动轴的轴线平行，并联缓速器通常安装在变速箱后端，通过缓速器前端的驱动齿轮与变速箱中的配合齿轮啮合来传递制动扭矩。并联缓速器装配时不需要增加额外支架，只需要将缓速器的壳体固定到变速箱后端与缓速器结合处的壳体上即可。

根据底盘配置，该底盘配备5T20型变速箱，该变速器最大扭矩200N.M。无合适匹配的并联式缓速器。而串联缓速器安装在传动轴上，不受变速箱影响，因此选用串联液力缓速器。

3.2 制动力计算

液力缓速器的制动力矩大小与缓速器的输入转速有关，而缓速器的输入转速取决于传动轴转速。下图为4000NM液力缓速器的转速-扭矩特性曲线，从图中可以看到，在传动轴转速较低的范围内，液力缓速器的制动力矩随着传动轴转速的升高迅速增大，当传动轴转速持续升高至1500 时制动力矩达到峰值4400，之后随着传动轴转速增大，制动力矩维持在相对稳定的一个水平。因此在整车匹配液力缓速器时，要使液力缓速器的制动力矩得到更好的发挥，就要避开低传动轴转速段使用液力缓速器，即设置合理的驱动桥速比，使得整车在常用的车速段行驶时，传动轴转速刚好在液力缓速器制动力矩较大的区域。

 

图 2  液力缓速器的转速-扭矩特性曲线图

制动功率设计：

后桥选用BJ212型，后桥减速比4.333。

轮胎选用6.00-15型，名义轮胎外直径685.8mm，充气外直径705mm。

当车速v=18km/h时，传动轴转速：

N1=v/(60×2π×r)×i=18*1000/(60×2×3.14×0.352)×4.333=588 r/min

根据缓速器曲线查得制动扭矩T1=1700N.M

最大制动功率P1=T1*N1/9550=110 kW，满足要求。

当车速v=80km/h时：传动轴转速：

n=v/(60×2π×r)×i=80*1000/(60×2×3.14×0.352)×4.333=2613 r/min

根据缓速器曲线查得制动扭矩T1=2000N.M

最大制动功率P1=T1*N1/9550=547 kW，满足要求。

因此选用该型号可以满足设计要求。

 

图 3  液力缓速器性能参数图

3.3 散热系统设计

液力缓速器的工作原理从能量转换的角度来讲，是将车辆缓速制动时的动能转换为缓速器工作介质的热能，利用发动机冷却液循环将热量散发，实现车辆减速，因此整车冷却系统的散热能力直接决定液力缓速器持续制动能力的发挥。液力缓速器对整车的散热能力要求较高，与整车散热系统的匹配是液力缓速器与整车匹配的关键部分。

液力缓速器的冷却可与发动机的冷却系统共用，此时需使用外置节温器，冷却水流向为水箱→发动机→缓速器→水箱，即保证发动机出来的冷却水全部进入缓速器之后，再经过节温器和水箱。匹配液力缓速器的整车冷却系统布置可参照图 4。

  

图 4  散热系统原理图

在负荷试验车项目中，考虑到液力缓速器会长时间工作，通过缓速器消耗的能量将全部通过整车散热系统进行消耗,从理论上来讲它的持续制动性能受整车散热能力的影响。仅仅依靠底盘水箱散热远远不够，不能满足使用要求。

冷却系统的散热功率可用下式表示:

P=CPQρΔt

式中:P为散热水箱的散热功率(W);

CP为冷却介质比热容[J/(kg·℃)];

Q为流经散热水箱的水的流量(m3/s);

ρ为冷却介质的密度(kg/m3);

Δt为散热水箱进出口温差(℃)。

从公式来看,在冷却介质确定的情况下,冷却系统散热功率与流经散热水箱的水的流量Q及散热水箱进出口温差Δt有关,应从这两方面着眼提高散热功率。

具体措施如下:

(1)加大整车散热水箱。散热水箱的大小会直接影响进出口水温Δt,加大整车水箱可以获得更大的温差,提高整车的散热能力。

(2)适当加大水泵的排量。水泵的大小会直接影响冷却水路中冷却液的流量,整车匹配时适当加大水泵排量可以更有效地提高整车散热效果。

(3)合理设计水路。首先缓速器内冷却液尽快进入换热器。避免发生局部开锅现象。其次,水路的布置好坏影响水路中的水阻,水阻过大将影响冷却液的流量,水路设计中应尽量避免,管路直径应尽量选择大一些,管路的布置应尽量避免存在直径过小的弯折。

最终解决方法是在原车散热系统中增加一套单独的散热水箱，独立散热系统可以利用上装洒水车罐体。在罐体底部安装换热管道。这样缓速器的热量可以和洒水车罐体内清水进行热交换。相当于加大整车的散热能力, ,整车冷却系统的散热功率得到提高,使缓速器制动过程中产生的热量更利于散发到空气中, 大大提高了散热能力。

利用洒水车罐体冷却系统的散热功率计算:

P=CPQρΔt=4200*0.00833*1000*10=350Kw，满足要求。

4.4 液力缓速器原理图

 

4.5控制软件设计

4.5.1适应操作系统 Windows 7。

4.5.2能设置拉力、速度目标值，能实时显示拉力、速度当前值，能以execl兼容格式输出拉力、速度的时间序列。

能根据拉力、速度的目标值和实时值调整缓速器制动力矩以快速达到该目标值。能对速度和拉力信号进行闭环控制。控制精度满足：车速偏差在±2km/h以内，拉力偏差在±5%以内。响应时间≤1s。

4.5.3有“载荷突卸”功能，并配备开关或按钮支持该功能。

4.5.4在变速箱、缓速器、驱动桥安装温度传感器，控制软件能实时监控。

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