1、电涡流缓速器论文讲解分类号 密级 U D C 编号 本科毕业论文（设计）题 目 汽车电涡流缓速器的控制系统研究 院 （系） 机械与汽车工程学院 专 业 车辆工程 年 级 0911 学生姓名 余借光 学 号 2009138060 指导教师 邓利军 二一三 年 五 月湖北文理学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保
2、障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）学位论文作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要电涡流缓速器利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能而发掉，从而实现减速和制动作用的装置。实际的使用效果表明它可显着提高汽车的行驶安全性。本文针对有自主知识产权的车用电涡流目前
3、国内开发电涡流缓速器缺乏成熟理论的指导，以电涡流缓速器的工作原理和控制系统为重点研究内容,对其作了有益的探索，以期为国内开发缓速器提供理论方法的支持。本文建立了比较完整的电涡流缓速器理论体系。对电涡流缓速器的设计与制造具有一定的指导意义。 关键词：电涡流缓速器 磁场分析AbstractThe eddy current retarder(ECR)is an auxiliary braking device that transforms kinetic energy of moving automobile into thermal energy and dissipates it into a
4、tmosphere according electromagnetics principleThrough practice use，ECR Can remarkably improve the security of automobileThe design method of ECR and its performance analysis is the main content of research in this thesisThe purpose of the paper in fact is to give asupport in both theory and technolo
5、gy for incountry enterprises to develop the ECR that have their intellectual and their propertyThis article has established quite complete theory system ofeddy current retardeprovideall important basis for the design and manufacture Keywords：Eddy current retarder；kinematic simulation第一章 绪论11安装缓速器的必要
6、性 良好的制动性能是汽车在安全行驶的重要保障。传统汽车制动方式采用在车轮上安装机械式摩擦制动器，但这种摩擦式车轮制动器存在一个重大缺陷：频繁或长时间制动会造成制动鼓(盘)和摩擦片(即制动衬片)过热，导致制动效能衰退，甚至制动失效，从而引起重大交通事故。这个问题对城市公交车和长年行驶在山区的载重汽车和长途大客车尤为突出。另外，由于制动器过热，不仅使摩擦片磨损加剧，使用寿命减短，而且也会造成轮胎早期爆裂，从而使运营成本大增。要使车轮制动器保持良好的制动性能和长时间使用寿命，关键是要控制好制动器的温度，使之不至于上升到危害摩擦片的程度。一直以来人们对汽车制动性能的改进，大多是围绕车轮制动器本身来进行
7、的，如加宽制动鼓和摩擦片的尺寸，改变摩擦片材料配方，由鼓式制动改为盘式制动等。但这些都不能够从根本上解决问题。因为受到空间尺寸的限制，现有的车轮制动器的散热能力始终是有限的，频繁或长时间制动后温升过高将不可避免。 要想解决这些问题，比较切实可行的办法就是加装辅助制动装置，将车轮制动的负荷进行分流，使车轮制动器温度控制在安全范围以内。采用缓速器是解决这些问题的一个理想方案。“缓速器一词来源于英文单词 “RETARDER，国内多译作缓速器，也有的译作缓行器。它是用以使行驶中车辆(特别是下长坡的车辆)速度减低或稳定在一定速度范围，而不是用以使车辆停驶的机构。1.1.1汽车电涡流缓速器的诞生 1855
8、 年，法国物理学家LeonFoucauit先生发现了电涡流现象。1903年，法国工程师STECKEL先生申报了世界上第一个电涡流缓速器专利。从20 世纪30年代开始，欧洲一些厂商对山区和事故多发地区行驶的商用车使用缓速器的必要性已非常重视。但直到1936 年，法国JOURDAIN MONNERET 公司才根据法国工程师RaoulSARAZIN的另一项电涡流缓速器专利生产了世界上第一台电涡流缓速器。由于第二次世界大战的原因，缓速器的研发和应用被迫停止。战后，法国TELMA公司正式购买了Raoul SARAZIN的电涡流缓速器专利并开始大批量生产电涡流缓速器。而且先后推出了装在传动轴上的A系列缓速
9、器和装在变速箱和后桥上的F系列缓速器，使缓速器不仅通过对汽车行驶的安全可靠性，也通过减少汽车刹车蹄块和轮毂的磨损及维修费用的降低所展示的经济性，从而得到汽车厂家和汽车用户的接受、认可和欢迎。而JOURDAIN MONNERET 公司因为专利侵权行为受到司法判决，于1951年停止生产缓速器。与此同时，在欧美国家，其它形式的汽车辅助制动装置如发动机缓速器和液力缓速器也相继问世并得到发展和应用。 对汽车而言，随着汽车发动机功率的增高、发动机转速的降低、车速的加快和车载质量的提高，汽车行驶的安全问题变得异常严峻。 汽车的主制动方式仍然为摩擦制动，尽管制动蹄块和轮毂的摩擦性能的改善对一次性刹车距离的缩短
10、有明显进步，但对长时间或距离下坡和频繁制动的情况，其制动耐久性并无明显改观。许多先进的电子技术如制动防抱系统ABS、电子制动系统EBS 以及拖动控制系统ASR 的采用在摩擦制动系统的有效能力范围内使其可靠性大大提高，但对制动器的温度过高和制动器的磨损却毫无帮助。1.1.2国外关于缓速器的研究现状电涡流缓速器是在十九世纪利欧傅科化（eon Foucault)发现的电磁感应理论的基础上发展起来的。1903年，斯特克勒(Steckel)率先申请了一种电磁制动装置的专利。1936年，鲁尔塞瑞真(Raoul Sarazin)首次将电磁制动技术应用在汽车上。1938年出现将电涡流缓速器用万向节与中心传动法
11、兰结合起来组成的安全缓速制动器。1965年泰乐马(TELMA)公司设计出了首台没有中心轴，并且可直接安装到变速器或驱动桥上的电涡流缓速器。该类型缓速器的出现，使其结构趋于紧凑、重量变轻，并且安装简便，从而使得电涡流缓速器在汽车上的应用更加广泛。1993年出现了将电涡流缓速器与传动轴做成一体的产品。1996年，世界上出现了首台用发动机冷却液进行冷却的电涡流缓速器，该缓速器中还安装有一小型发电机。该结构的出现使电涡流缓速器的制动能力大大提高，工作性能更为可靠，工作时对蓄电池的供电需求量很少。这种缓速器主要运用于重型汽车。日本的公司则在上世纪九十年代开发出使用永磁铁励磁的电涡流缓速器。 国际上，电涡
12、流缓速器的著名生产厂商有：法国的泰乐马、西班牙的弗瑞纳萨和克莱姆、德国的克罗伏特，以及日本的东京部品工业，以及五十铃，住友等，其产品已发展成多系列，可适合各种型式的车辆。法国的泰乐马公司是世界上 的电涡流缓速器最大制造商，其年的产销量为三万多台，仅这家公司的产品在世界上装车使用量就达到50多万台。其产品主要安装在雷诺、戴姆勒奔驰、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。 现在欧美等很多发达国家汽车界已经把缓速器作为标准件在多种级别的客车和中型、重型汽车上装用，作为现有汽车制动系统的必要补充装置。 1.1.3国内关于缓速器的研究现状总体上讲，电涡流缓速器在我
13、国的研制、生产和应用尚处在起步阶段。虽然曾早在上世纪七十年代上海客车厂曾研制过电涡流缓速器，并安装在上海到黄山的长途客车上。但由于种种原因，电涡流缓速器在国内的应用并没得到足够的重视。随着现在汽车的驱动功率、车速以及载荷的增加，使得车轮制动器的负荷进一步加大，加之人们对汽车的安全性、使用经济性、舒适性和环保性等方面的重视，电涡流缓速器的作用在 国内汽车界开始受到重视。2002年6月1日交通部已颁布实施中华人民共和国交通行业标准营运客车类型划分及等级评定。该标准规定中型客车，中高二级，大型客车中高一级、高二级和高三级客车都必须装置缓速器。建设部2002年 10月1日公布执行的CJT162-200
14、2城市客车分等级技术要求与配置也规定超二级、超一级、高级的市区和城郊城市客车规定都必须装备缓速器。 随着我国汽车工业的蓬勃发展，市场对电涡流缓速器的装车需求也急剧增加。目前国内电涡流缓速器的生产和硼制厂商有：浙江嵊州汽车零部件厂、无锡三生科技有限公司、江苏超力电器有限公司、扬州洪泉实业公司、济南重汽集团发动机厂、浙江瑞立集团和嘉兴市纽 曼机械有限公司等。此外，江苏大学和长安大学等一些科研院所也在做相关开发及其运用的研究工作。 1.1.4电涡流缓速器的发展趋势 (1)轻量化 为了克服质量大等的缺点，近年来各厂家除了优化电涡流缓速器结构外，还在选用材料上下功夫，即选用既满足性能要求同时质量又较轻的
15、材料。如克罗伏特(KLOFT) 公司的电涡流缓速器的质量和体积近年来都有所减小，特别是其转子质量较其它公司减小35。另外，为了提高冷却效率，还改进了转子盘的冷却气流，使其流速由一般的12ms提高到36ms。 (2)集成化 即将电涡流缓速器与车桥集成一体。如西班牙的西班牙的弗瑞纳萨(FRENRLSA)公司设计和生产的一种内置于车桥中的电涡流缓速器。这种内置式缓速器整体车桥是由一根中心车桥、一组差速系统、一个两半片式电涡流缓速器和两个标准空气制动系统组成的。它是专为半挂车而设计的，安装在拖架上，替换半挂车的一根车桥，这样产生的制动力直接作用在半挂车的尾部，可避免半挂车在制动时产生“折叠”的危险情况
16、，因此大大提高了半挂车的行驶安全性能。这种内置式缓速器可产生最大制动力矩为3100N2m，适合于总质量为44吨左右的半挂车。 (3)使用永久磁铁励磁 为了克服线圈电磁铁励磁方式的一些缺点，日本的五十铃住友(ISUZUSUMITION)公司在20世纪90年代开发出使用永磁铁励磁的电涡流缓速器。这种永磁铁电涡流缓速器与电磁铁电涡流缓速器相比，有以下优点：质量轻，体积小；基本不消耗电能(不需电流励磁)：由于永久磁铁本身不会发热(温升最高在60摄氏度左右)，因此不会出现电磁铁那样因自身发热而产生大幅度的退磁现象，故制动力矩比较稳定。同时，它也有以下不足。因为工作响应时间较长；因为需要汽缸中气体来回推动
17、永磁铁进退，教结构较复杂。周时工作响应时阀较长；永磁铁产生的磁场较弱，故所产生的制动力矩较小；由于不能像电磁铁那样可以通过改变电流大小和磁极组数来控制磁场强弱的产生，因此不能根据车辆实际情况的需要提供大小不同的制动力矩。1.2本论文研究的目的和意义出于对潜在市场的保护，国外各研究开发缓速器的公司很少公开发表自己产品的关键部分的技术。因此，国内要开发出具有自主知识产权，而且性能优良、可靠性高的缓速器，对于电涡流缓速器的关键技术研究还有许多工作要做，任重而道远。第二章 缓速器的分类这一章我们将详细的介绍各类缓速器的功用，组成以及工作原理，包括电涡流缓速器，液力缓速器，牵引电动机缓速，液压制动，空气
18、动力缓速。2.1电涡流缓速器的结构 电涡流缓速器的结构由机械装置和电挖装置两部分组成。 图2-1电涡流缓速器2.1.1电涡流缓速器的机械装置 电涡流缓速器的机械装置由定子、转子及固定架等部件组成。 图2-2电涡流缓速器机械装置如图所示，电涡流缓速器定子上一般有八个高导磁材料制成的铁心(2)，呈圆周方向分布，均匀安装在高强度的固定架(7)上。八个励磁绕组(4)套于铁心上，共同构成磁极。圆周上相对两个励磁绕组串联或并联成一组磁极，并且相邻两个磁极都为N、S相间，这样就形成了相互独立的四组磁极。 转子由前转子盘、后转子盘(1)和转子轴(5)构成。前后转子盘均为圆环状，通常用导磁性能高且剩磁率低的铁磁
19、利料制成。实际生产中常选用电磁纯铁或低碳钢等材料。为了及时将涡流产生的热量散发出去，转子盘上一般铸有散热叶片和通风气道。转子通过连接凸缘与传动轴相连，并随传动轴自由转动。前后转子盘和定子磁极间保持有极小的、非常均匀的气隙(8)，以使转子盘旋转时不会刮擦到定子上面。从减小磁阻角度讲，气隙越小越好，但气隙的确定还必须考虑机加工的公差和转子、定子受热后的热膨胀的影响因此气隙又不能太小，要综台考虑各种影响因素而定。不同结构型式的电涡流缓速器的气隙般在很小范围内变动。 电涡流缓速器的定子通常是通过固定架安装在车架(或变速器的后端外壳)，或驱动桥的主减速器外壳上)，两者呈刚性连接，即相对车架而言，定子固定
20、不动 。2.1.2电涡流缓速器的电控装置 电涡流缓速器的电控装置部分，一般是由手或脚控制开关、仪表指示灯、制动压力信号传感器、继电器等装置组成，有的还有车速信号传感器和ABS联接器等。图2-3电涡流缓速器的电控装置图2.2电涡流缓速器的工作原理简单地讲其工作原理是：利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能而散发掉，从而实现汽车的减速和制动。图2-4电涡流缓速器的磁场图2-5电涡流缓速器的制动力矩产生示意图 电涡流缓速器制动力矩的产生过程是：当驾驶员接通缓速器的控制手柄或踩下制动踏板开关进行减速或制动时，电涡流缓速器的励磁绕组自动通以经过调节的直流电流而励磁，产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子
21、盘之间构成回路，如图所示。磁极磁通量的大小与励磁绕组的匝数以及所通过的电流大小有关。这时在旋转的转子盘上，其内部无数个闭合导线所包围的面积内的磁通量就会发生变化(或者说其内部无数个闭合导线就切割励磁绕组所产生的磁力线)，从而在转子盘内部产生无数涡旋状的感应电流，即涡电流(简称涡流)。假定磁极的正上方为界，在转子盘内就会分别产生磁通正在减少和磁通正在增加的两种涡流，其方向相反。一旦涡 流产生后，磁场就会对带电的转子盘产生阻碍其转动的阻力。阻力的合力沿转子盘周向形成与其旋转方向相反的制动力矩，如图所示。同时涡流在具有一定电阻的转子盘内部流动时，会产生热效应而导致转子发热。这样，车辆行驶的动能就通过
22、感应电流转化为热能，并通过转子盘上的叶片产生的强劲风力将热量迅速散发到大气中。 如图是在试验台架上测得的某电涡流缓速器四个不同档位上产生的制动力矩 随转子转速变化的特性曲线。从特性曲线上可以看出力矩随转速增加而迅速增大， 达到二定转速时有极大值，而后随着转速增加制动力矩略会下降。这主要是由于涡 流去磁效应影响的结果。 图2-6电涡流缓速器制动力矩与转速关系如图是我们研制的电涡流缓速器在转速为700rmin下制动力矩随时间变化的关系曲线。从图中可以看出制动力矩随时间的延长而逐渐下降。其主要原因是励磁绕组通电后会发热(其温度可达150)，这样将出现大幅度的退磁现象，从而引起制 动力矩下降。 图2-
23、7电涡流缓速器制动力矩随时间的变化电涡流缓速器是一种独立于车辆原制动系统外的减速装置，能提供一个额外的强大制动后备能力，从而使车辆的安全性能更有保证。由于减少了行车制动的次数，因而极大的消除了制动尖哨声，减少了制动器的粉尘产生，使得车辆具有很好的环保性能。由于使用电涡流缓速器，制动平稳柔顺，使车辆乘坐舒适。另外它还提高了车辆使用的经济性。 2.3电涡流缓速器的功用(1)有效提高行车安全使用，电涡流缓速器能大大减少制动器的热衰退现象。 (2)提高车辆的环保性能能消除汽车制动时产生的尖锐噪声。(3)操作性能好、乘坐舒适、故障少、能耗小、维修简单，电涡流缓速器的标准操作方式为与制动踏板联动，驾驶员无
24、需作其它更多的动作，只要踩下刹车踏板，缓速器就能自动工作。(4)提高了经济性能，大大减少车轮制动系统的保养费用和附带的车辆停驶待修的时间损失。以下是电涡流缓速器的车辆制动衬片干公里磨损量平均值的比较。装电涡流缓速器的车辆制动衬片平均磨损量比安有电涡流缓速器的车辆的高达69倍。安装电涡流缓速器可使车辆制动蹄片寿 图2-8制动衬片磨损量的比较命延长至少四倍，单车制动蹄片及制动蹄片节省费用为1480元元。由于轮胎温 度显着降低，轮胎的热粘滞抱死现象极少发生，轮胎寿命可以延长2096 h以上。 2.3.1电涡流缓速器的优点电涡流缓速器每套售价在5000-20000元不等，目前泰乐玛、华越、特尔佳都是国
25、内电涡流缓速器的领跑者，电涡流缓速器具有价格便宜、结构简单、可靠性高、维修方便、节能环保、使用寿命可达15年以上等诸多优点，相比液力缓速器在响应时间上有突出优势。由于电涡流缓速器能够承担车辆大部份制动力矩，因而能够延长轮制动器的使用寿命，降低用于车辆制动系统的维修费用，提高经济效益。据统计，安装有电涡流缓速器的车辆，其车轮制动器寿命至少可延长4-7倍，轮胎寿命延长20%。 电涡流缓速器目前在中国的缓速器市场占有优势地位，行走在平原地带的客车基本安装的都是电涡流缓速器，电涡流缓速器安装、维护、保养成本较低，非常适合中国市场，特别是公交市场。电涡流缓速器在低速区间尤其在30公里/小时的时候输出力矩
26、较好，而城市公交车运行期间平均有60时速在30公里以下。随着国家大力发展公交事业政策的不断深入，电涡缓速器的市场前景也会被越来越多的人看好。2.3.2电涡流缓速器的缺点大功率缓速器多为电涡流缓速器，电涡流缓速器的转子在连续工作2min 以上会达到700的温度（以最大功率工作时），产生的热量主要由辐射的方式传递出去，因此电涡流缓速器工作时对周边的零件是有热害影响的。2.4防范缓速器热害的对策：1）在布置各管路、线路时在空间充许的情况下尽最大可能远离缓速器。 2）对缓速器周边的零部件、管路及线路采取隔热保护措施，如在缓速器与零部件间增加隔热板，线路外表包扎耐高温的隔热材料。 3）提高缓速器周边管路
27、、线路的耐热使用温度，如一般线束外表的波纹管保护套的耐热温度是105左右,而在缓速器周边的线束采用的波纹管护套的耐热温度要在170以上。2.5液力缓速器2.5.1液力缓速器的组成图2-9液力缓速器结构简图1一驱动轴2一动轮3一减速器壳体4一进油口5一出油口6一定轮7一阀片 8一轴承液力缓速器主要由工作轮和相应的控制系统两部分组成，如图所示。工作轮在结构上与液力偶合器相似，其泵轮(称为转子)随驱动轴转动，而涡轮(称为定子)固定在壳体上，不随驱动轴转动。液力缓速器的工作轮通常采用30。或45。前倾叶片，其泵轮力矩系数大约为相同轮腔径向叶片偶合器的310倍。 2.5.2液力缓速器的工作原理缓速器转子
28、随变速箱输出轴转动，但是导轮不动。当缓速器内充有油时，随输出轴转动的转子作用于油液一个动量矩M1，带动油液绕轴旋转，与此同时，油液沿叶片运动作内循环圆旋转，甩向导轮。即油液有两个方向的运动；绕轴向的“公转”和绕径向的“自转”。油液甩向导轮时，油液的“公转”对导轮叶片产生冲击，将转子作用于油液的动量矩M1传递到导轮叶片上。同时，固定的导轮叶片也对油液产生一个反向作用的动量矩M2。油液流出导轮后再流入转子时，同样将M2传递到转子上，形成对转子的阻力矩，阻碍转子的转动，从而实现对车辆的减速作用。由于油液在循环流动中没有受到任何另外的附加外力，根据力学平衡原理，油液甩向导轮和流向转子的动量矩关系有M1
29、=M2。转子转动的能量经油液的阻尼作用后转变成热量，通过散热器散发到大气中。2.5.3液力缓速器的功用液力缓遮器又称为液力减速器，是利用专设的液力缓速器来产生缓速作用的。液力缓速器中有固定叶轮和旋转叶轮，后者一般由变速器驱动。固定叶轮通过流动的液体施加于旋转叶轮的阻力矩，就是制动力矩，此制动力矩将通过变速器和驱动桥放大 后的阻力矩即制动力矩传到驱动轮，由旋转叶轮输入的汽车动能，即通过液力缓速器内的液力阻尼作用变成热能。 2.5.4液力缓速器的优点液力缓速器经过这些年的发展，技术进一步提升，未来有可能对电涡流缓速器市场主导地位构成冲击。液力缓速器的主要有以下优点： 1）适用于高速、大功率车辆 ，
30、并且制动器本身尺寸较小，安装时灵活方便。2）适用于长时间的连续制动液力缓速器采用液力制动方式，无机械磨损，且有循环冷却装置可以将油液产生的热量带走，因此能长时间连续为车辆提供制动能力，尤其是当车辆在长坡道下行时，是其它制动方式如机械摩擦制动难以做到 的。3)提高下坡行驶速度。由于液力缓速制动器能提供长时间的恒定制动力矩，因此使用液力缓速器能使车辆以匀速下坡行驶，而匀速下行的速度大小可由其充液量多少来控制。 4)减少车轮制动器磨损 ，液力缓速制动器在工作时机械磨损小，其寿命之远长于液压制动器和摩擦制动器。 2.5.5液力缓速器的缺点1)低速制动能力差 由液力缓速器的特性所决定，当车速下降时其制动
31、力矩下降很快。 2)空转损失大 当液力缓速器内不充入油液时，不产生带4动力矩。但由于液力缓速器的传动能力车辆传动系统相连，被其驱动而旋转，使动轮和定轮内的空气产生循环流动，从而产生一定的能量损失，该损失被称为鼓风损失，其值约为所传递功率的4左右，因此必须尽量降低。 3)控制要求高 液力缓速器是依靠改变充液量来控制制动力矩的。在部分充液时，为了维持制动力矩稳定，就必须保持液力减速器内油液量的动态平衡，这给控制系统带来相当的难度。 2.6牵引电动机缓速 对于采用电传动系的汽车，可以对电动驱动轮中的牵引电动机停止供电，使之受驱动轮驱动而成为发电机，将汽车的部分动能转变成电能，再使之通过电阻转变为热能
32、而耗散。这时电动机对驱动轮的阻力矩即是制动力矩。 2.7空气动力缓速 空气动力缓速，又称空气阻力制动，依靠突然增大的车身空气阻力或装于车辆尾部的可弹出的空气阻力伞产生制动力。这种制动方式制动平稳，安全可靠且无冲击，一般应用于赛车和航天飞机上。但对车辆的行驶路面环境要求严格，几乎不可能应用于普通车辆和军用车辆上。 2.8液压制动 2.8.1液压制动的工作原理 液压制动装置依靠液流节流对液压泵轴产生制动力矩来实现制动，即能量通过液体的节流转化为热能。2.8.2液压制动的优点它可从高速到零速之间任意工况点提供可靠的恒力矩制动。2.8.3液压制动的缺点其缺点是液压泵自身有机械磨损，制动性能随使用年限的延长而下降。而且随着制动功率的上升，组件尺寸增长较
