电涡流缓速器.

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1 电涡流缓速器

2 绪 论 采用辅助制动的必要性 电涡流缓速器的发展概况 本论文研究的目的和意义 本论文研究的主要内容

3 采用辅助制动的必要性 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导致制动效能衰退
加装辅助制动装置，将车轮制动器的负荷进行分流，使车轮制动器温度控制在安全范围内

4 电涡流缓速器的发展概况 现在欧美等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 电涡流缓速器在我国研制、生产和应用尚处在起步阶段

5 研究的目的和意义 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JT/T 《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CJ/T 《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必须装备缓速器。 市场对电涡流缓速器的装车需求也急剧增加

6 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技术
本论文的意义在于:所研究的内容能为国内开发具有自主知识产权的车用电涡流缓速器提供理论和技术上的支持

7 “电涡流缓速器关键技术的研究”（镇江市科技项目，项目编号：GY2002041）
“车用电涡流缓速器开发及产业化”（江苏省科技攻关项目，项目编号：BE ） 论文研究的内容来源于上述课题研究中碰到的关键问题，掌握这些技术关键对于国内开发和研制具有自主知识产权且性能优良的电涡流缓速器产品，增强国产汽车的技术和市场竞争力意义重大

8 电涡流缓速器的结构及其工作原理 电涡流缓速器的结构 电涡流缓速器的工作原理 电涡流缓速器的操纵方式、结构类型和安装方式 电涡流缓速器的特点
电涡流缓速器的使用效果 电涡流缓速器的发展趋势

9 电涡流缓速器的结构 电涡流缓速器的机械装置 电涡流缓速器的电控装置

10 电涡流缓速器的机械装置

11 图2.2 电涡流缓速器结构示意图 1-转子盘；2-铁心；3-磁轭；4-励磁绕组；5-转子轴；6-轴承；7-固定架；8-气隙；9-接线柱

12 电涡流缓速器的电控装置

13 图2.4 电涡流缓速器控制线路图

14 图2.5 ABS联接器工作时序图

15 电涡流缓速器的工作原理 图2.6 电涡流缓速器的磁场

16 图2.7 电涡流缓速器的制动力矩

17 图2.8 各档制动力矩与转速的特性曲线

18 图2.9 在700r/min 转速下制动力矩随时间变化特性曲线

19 操纵方式 手动操纵方式 脚动操纵方式 联合操纵方式

20 结构类型 轴用型

21 直装型

22 强制水冷型

23 安装方式

24 电涡流缓速器的特点 结构简单，生产制造成本也不高 制动力矩范围广，可达400～3300N﹒m，适合于各种型式（5～50吨）的车辆
响应时间短（仅有40ms，比液力缓速器的响应快20倍），无明显时间滞后 工作时噪声很小 车辆在低速运行时，也可产生较高的制动力矩 制动力矩的大小可以通过控制励磁电流来调节，易实现自动控制 另外，还具有故障率低，维修方便，可靠性高等优点

25 其缺点是： 体积较大，重量较重 制动减速能力和使用时间长短受转子温升，缓速器周围气流条件和环境温度的影响 要消耗一定的电能。

26 电涡流缓速器的使用效果 能够减少车轮制动器热衰退，制动跑偏，轮胎过热爆胎现象的发生，因此提高了汽车的行驶安全性
能提高汽车下长坡的平均行驶速度和增强驾驶员下长坡时安全感 可延长制动衬片使用寿命，减少制动器的维修保养工作量，从而使得安装有缓速器的汽车具有良好的使用经济性 可减少驾驶员的工作疲劳度，制动过程柔和、平稳，提高了车辆的乘座舒适性 显著减少制动时噪声和粉尘污染，提高汽车环保性

27 电涡流缓速器的发展趋势 轻量化 整体化 使用永久磁铁励磁 电子控制 联合制动

28 永磁铁式缓速器

29 3.3 设计实例 最大制动功率325kW（试验值） 最大制动力矩为1531N·m（试验值） 临界转速约为520r/min（试验值）
=1.4mm =10652mm2 =191mm =140mm =238mm h=16mm =32㎏ =10500 A

30 图3.9 制动力矩计算值和试验值的对比 图 制动功率计算值和试验值的对比

31 第4章 电涡流缓速器台架试验方法及其试验台的研制
第4章 电涡流缓速器台架试验方法及其试验台的研制 4.1电涡流缓速器台架试验方法和试验台的系统结构 4.2 试验台的结构设计 4.3 试验台的检测控制系统 4.4 实例介绍

32 电涡流缓速器台架试验方法 试验项目 ： ①制动力矩（转矩）——转速特性，即电涡流缓速器所产生的制动力矩与转子转速的关系；
②制动力矩——时间特性，即持续制动性能试验，即电涡流缓速器转子在某一恒定转速下，缓速器产生的制动力矩随时间变化的关系； ③温度——时间特性，即电涡流缓速器工作时转子和定子的温升变化情况； ④制动力矩——温度特性，即缓速器温度升高后产生的制动力矩变化情况； ⑤工作时电能消耗特性。

33 除了能进行上述性能试验外，试验台还可用于电涡流缓速器的研究和开发之用，如用于研究制动力矩与磁极、气隙、温升以及电磁铁的结构和材质等因素的关系的试验。

34 试验台的系统结构 图4.1 电涡流试验台的系统结构图

35 1-平板；2-直流电机；3-升速齿轮箱；4-主轴；5-可调惯量飞轮组；6-防护罩；
7-转矩转速传感器；8-电涡流缓速器；9-温度传感器；10-风机 图4.2 试验台机械布置图

36 4.2 试验台的结构设计 4.2.1 飞轮惯量的确定 减速时，汽车的动能包括汽车平移质量运动的能量和旋转时所贮藏的动能两部分试验台上通常采用旋转的惯性飞轮来模拟汽车的上述两部分动能 能量模拟主要有两种方法 一种是严格按照电涡流缓速器所装配汽车的实际制动能量来模拟，此方法主要用于对电涡流缓速器实际制动效果的检测。 另一种方法，是为了研究电涡流缓速器的制动力矩的形成机理，影响因素，以及与速度的特性关系，同时考虑试验台的检测条件，而人为设置一个大小适当的制动能量

37 （4.2） （4.3） 第一种方法，要使被测试的电涡流缓速器与装载在汽车上时的工作负荷相同，那么飞轮的惯量应为整车的等价转动惯量
整个汽车的等价转动惯量

38 （4.8） 严格按照完全不同吨位的汽车来模拟的话，需要准备很多飞轮组
第二种方法 ——试验台上只要确定一个大小适当的飞轮，具有足够的惯量即可。 确定这个惯量时可根据测试要求，对缓速器从最高转速降低为某一低速时，或者停止时的这段时间来确定，通常应保证这个时间 为10～20s。 为了满足测试时间所需要的飞轮转动惯量 （4.8） ——主轴的最大转速 ——制动终了时主轴的转速

39 图4.4 飞轮组

40 飞轮组由三个大小一样的定圈（A、B、C）和三个惯量不同的飞轮组成。三个定圈的转动惯量均为10 ， 1、2、3号飞轮的惯量分别为30、50、70 。

41 表4.1 主轴上惯量的调节 注：√表示结合；-表示没有结合 主轴上的惯量和 1号飞轮是否与定圈A结合 2号飞轮是否与定圈B结合
3号飞轮是否与定圈C结合 30 - 60 √ 80 100 110 130 150 180 注：√表示结合；-表示没有结合

42 4.2.2 电机的选择 电机的选择主要是确定所选电机的功率和所能达到的最高转速 功率要根据测试“制动力矩—时间”特性要求来确定。一般可根据试验台设计所能测试的电涡流缓速器最大制动力矩和及其临界转速，根据公式 来计算得到需要电机功率。 试验台主轴转速与试验车速的对应关系 （4.8）

43 4.3 试验台的检测控制系统 4.3.1 物理参数的测量及其传感器的选择 试验中需要测试以下物理参数有：转速、转矩、温度、电流、电压以及时间
转速和转矩的测量选用——相位差型转矩转速传感器 转子盘的温升情况可选用——非接触式红外线测温仪传感器 定子绕组的温升选用——接触式的热电偶温度传感器 励磁电流的测量 ——直流电流互感器 测量电压时——直接从蓄电池接线柱引出两根导线并送至由电阻分压并过滤波后，接至A/D数据采集卡，经过转换后送给计算机并可以显示出电压值。利用采集到电压和电流值在计算机中计算出电涡流缓速器的励磁功率。 时间采用——计算机内部时钟来记时。

44 4.3.2 软件开发 试验台的测控系统软件用VC++6.0开发，软件进行以窗口形式展现，人机对话采用对话框形式实现。
控制方式 用一台计算机对被控制参数进行端口检测，检测结果与设定值进行比较，再按PID规律或直接数字控制方法进行控制，然后输出到执行机构对测试过程进行控制，使被控制参数稳定在给定值上，这种方式称为DDC（Direct Digital Control）。 DDC控制系统的优点是灵活性大，可靠性高，计量能力强，可以方便地实现多种比较复杂的控制规律，所以DDC控制方式得到了广泛地应用。

45 资源配置 在实际系统中使用了PCL-818L卡上A/D的0～6通道（双端输入）作为转矩、转速、温度(3个传感器)、电流、电压信号的数据采集。使用D/A作为直流电机的调速。使用Do的Do0～Do3控制缓速器的电控装置信号，使用Do的Do4～Do5控制风机的控制。使用由 、 组成的定时控制采样频率。

46 测控系统软件介绍 图4.7 测控系统软件功能框图

47 4.4 实例介绍

48 第5章 电涡流缓速器性能分析及其试验 5.1 采用电涡流缓速器制动时的汽车动力学方程 5.2 电涡流缓速器的制动效能
第5章 电涡流缓速器性能分析及其试验 5.1 采用电涡流缓速器制动时的汽车动力学方程 5.2 电涡流缓速器的制动效能 5.3 电涡流缓速器的对汽车制动性能的影响 5.4 电涡流缓速器的耗电试验

49 5.1 采用电涡流缓速器制动时的汽车动力学方程 当采用电涡流缓速器制动时，可得动力学方程 （5.1） ——汽车减速的惯性力
——汽车重力沿坡道的分力 ，坡道下滑力 ——汽车滚动阻力 ——汽车空气阻力 ——电涡流缓速器作用在驱动轮上的制动力 （5.2） ——传动系的机械效率

50 汽车在平路上行驶，坡道下滑力 =0 （5.3） （5.4） ——为发动机制动时的制动力 汽车在平路上行驶时 （5.6）
汽车在平路上行驶，坡道下滑力 =0 （5.3） 变速器没有脱档时，可借助发动机的反拖产生的阻力（即发动机制动），此时的动力学方程式为 （5.4） ——为发动机制动时的制动力 汽车在平路上行驶时 （5.6）

51 5.2 电涡流缓速器的制动效能 电涡流缓速器的制动效能，即指汽车在一定坡道上下坡时，使用电涡流缓速器维持一定车速行驶的能力，也包括汽车从某一较高车速降低为某一较低车速的能力。 其性能的好坏不仅与电涡流缓速器的制动特性有关，也取决于汽车的结构参数等。 下面以一辆实际汽车为例，从下坡性能和平路减速性能两个方面来考察在该车上装用电涡流缓速器后的情况。

52 试验汽车选用的是南京依维柯公司生产的NJ6686SJF5中型客车
试验时，车上装配的电涡流缓速器的最大制动力矩为525N.m，安装在传动轴中间，手柄操纵控制 图5.1 电涡流缓速器在试验车上安装图

53 图5.2 试验用电涡流缓速器的特性曲线

54 5.2.1 电涡流缓速器的下坡能力分析 5.2.2 电涡流缓速器的平路减速能力试验

55 5.2.1 电涡流缓速器的下坡能力分析 5.2.1.1 单独使用电涡流缓速器的下坡能力分析
使用电涡流缓速器和发动机联合制动的下坡能力分析 电涡流缓速器的在山区道路的下坡试验

56 5.2.1.1 单独使用电涡流缓速器的下坡能力分析 汽车在下坡过程中，变速器脱档 ，当汽车在坡道上稳定行驶时，可得坡度与稳定车速的关系
（5.11）

57 图5.5 缓速器各档的制动力和坡道下滑力的平衡图

58 电涡流缓速器各档位下稳定车速（km/h）
表5.3 电涡流缓速器各档位下稳定车速 坡道(%) 电涡流缓速器各档位下稳定车速（km/h） 1 2 3 4 9.1 26.1 5 60.0 6 95.2 11.2 7 26.3 8 69.8 9 8.7 10 30.3 11 79.5 12 11.1 13 34.8

59 表5.4 电涡流缓速器各档位下，能够达到的技术经济车速的坡度
考虑汽车运输的生产效率、经济性以及安全可靠性等因数，汽车通常以接近技术经济车速的速度行驶。一般汽车的技术经济车速为50～60 km/h。 表5.4 电涡流缓速器各档位下，能够达到的技术经济车速的坡度 稳定车速（km/h） 电涡流缓速器各档位下，能够达到的技术经济车速的坡度（%） 1 2 3 4 50 4.5 7.6 10.3 13.1 60 5.0 7.9 10.7 13.3

60 电涡流缓速器各档位下，能够达到的安全车速的坡度（%）
我国山区道路大部分是三、四级的双车道道路，路况较复杂，经常遇到会车、弯道甚至回头曲线等 。在山区公路上驾驶员希望的行车速度为30～40 km/h 。 表5.5 电涡流缓速器各档位下，能够达到的安全车速的坡度 稳定车速（km/h） 电涡流缓速器各档位下，能够达到的安全车速的坡度（%） 1 2 3 4 30 4.1 7.2 10.0 12.9 40 4.3 7.5 10.2 13.1

61 从单独使用电涡流缓速器来看，缓速器对控制汽车坡道稳定行驶效果显著。但缓速器的制动力是分级的，制动力变化不是连续的，这样在有的坡道上不能形成所需要的稳定车速。

62 5.2.1.2 使用电涡流缓速器和发动机联合制动的下坡能力分析
如果汽车在下坡过程中，变速器不脱档 ，这时汽车在坡道上稳定行驶时，坡度与稳定车速的关系 （5.12）

63 图5.6 缓速器1档和发动机联合制动的情况

64 图5.7 电涡流缓速器2档和发动机联合制动的下坡能力

65 图5.8 电涡流缓速器3档和发动机联合制动的下坡能力

66 图5.9 电涡流缓速器4档和发动机联合制动的下坡能力

67 通过分析，可得到如下结论： 电涡流缓速器各档同发动机联合制动（即变速器不脱档）能进一步提高汽车的下坡能力； 使用变速器Ⅱ、Ⅲ档，制动力合力与车速关系曲线的斜率较大，能够起到避免车速较大的波动的作用，这对汽车在道路坡度变化大的道路上下坡时是很有利的，但车速一般维持在较低速度； 使用变速器Ⅳ、Ⅴ档，制动力合力与车速关系曲线的平坦，如果在坡度变化较大路面行驶时，车速较难保持稳定，但使用变速器的这两档位能够使汽车维持较高的行驶速度

68 电涡流缓速器的在山区道路的下坡试验 试验道路是在湖北省十堰市境内的209国道上，从里程碑1378到1372有一段长度为6km，坡度为5～8%的（平均坡道约为7%的）连续下坡山路，道路等级为3级，沥青道面。整个路段有弯道近三十余处，其中有四处急弯。 表5.15 两次试验前后制动器的温度 车轮 温度（℃） 左前轮 右前轮 左后轮 右后轮 测量 位置 制动钳的 非接触面 制动盘表面 制动鼓的外表面 是否使用缓速器 否 是 开始 39.2 36.8 48.6 46.8 31.4 34.3 51.7 44.7 49.6 54.4 56.7 结束 78.9 43.7 315 128.7 52.9 41.6 287 94.3 52.4 54.8 50.2 54.7 温升 39.7 6.9 266.4 81.9 21.5 7.3 235.3 2.8 0.4 1.6 -2

69 表5.16 试验前后转子盘的温度 位置 开始的温度（℃） 结束的温度（℃） 温升（℃） 前转子盘表面 45.6 248 202.4 后转子盘表面 42.8 210 167.2

70 图5.10 制动器的温升情况

71 山区道路的下坡试验结果显示： 汽车下坡时，使用电涡流缓速器后可以显著减少驾驶员踩脚制动器的次数，可避免车轮主制动器的温度过高； 使用电涡流缓速器后汽车在下坡时，可以使用变速器的较高档位行驶，从而可一定程度提高下坡时的平均车速。

72 5.2.2 电涡流缓速器的平路减速能力试验 电涡流缓速器除了能在汽车下坡时发挥重要作用外，也可用于汽车在平路上行驶时的降低减速，行车间距离控制，以及减速停车。 电涡流缓速器的制动效能还可用某个速度区间的减速能力来衡量。

73 对装配了电涡流缓速器车辆，可采用如下表所示的高速行驶、中速（通常车速）行驶、低速行驶三个速度区间来考察其减速能力，用减速时间和减速度来衡量。
表5.17 试验的三个速度区间 试验分类 测量速度范围km/h 说明 初速度 终速度 1 100 50 高速行驶时评价 2 60 30 中速行驶时评价 3 40 20 低速行驶时评价

74 高速行驶 图5.11 高速行驶时使用缓速器的减速情况图 5.12 高速行驶时减速度和速度关系曲线

75 中速行驶 图5.13 中速行驶时使用缓速器的减速情况图 5.14 中速行驶时减速度和速度关系曲线

76 低速行驶 图5.15 低速行驶时使用缓速器的减速情况 图5.16 低速行驶时减速度和速度关系曲线

77 5.3 电涡流缓速器的对汽车制动性能的影响 5.3.1 在中、高车速下，电涡流缓速器对汽车紧急制动效能的影响试验 5.3.2 在中、高车速下，电涡流缓速器对汽车紧急制动稳定性的影响分析及其道路试验

78 5.3.1 在中、高车速下，电涡流缓速器对汽车紧急制动效能的影响试验
试验分四组条件分别进行： 第一组，在不使用电涡流缓速器同时不使用ABS的情况下紧急制动； 第二组，在不使用电涡流缓速器但使用ABS的情况下紧急制动； 第三组，在使用电涡流缓速器但不使用ABS的情况下紧急制动； 第四组，在使用电涡流缓速器同时使用ABS的情况下紧急制动。

79 注：s:制动距离（单位：m）； a: 平均减速度（单位：m/s2）
表5.18 不同初速度下的制动距离和平均减速度 试验初速度 40km/h 50km/h 60km/h 70km/h 80km/h 90km/h 试验组数 S a 第一组，不用ABS和缓速器 9.4 7.54 15.8 6.52 23.8 5.98 33.5 5.69 36.9 7.11 67.2 4.68 第二组,用ABS,不用缓速器 8.6 6.89 15.2 6.63 20.4 7.36 27 7.48 34.6 7.65 43.9 7.52 第三组，不用ABS,用缓速器（4档） 8.9 6.72 12.6 6.8 21.7 6.05 29.8 35.2 6.47 49 5.81 第四组，用ABS和缓速器（4挡） 8.3 7.75 11.9 7.81 18.5 7.07 25.7 7.56 31.7 7.49 42 7.14 注：s:制动距离（单位：m）； a: 平均减速度（单位：m/s2）

80 图5.17 不同试验条件和初速度下，测得的紧急制动距离

81 图5.18 制动距离的比较 图5.19 用ABS和缓速器（4挡）比用ABS， 不用缓速器减少的距离

82 总体上讲，使用电涡流缓速器后对汽车中高速时的紧急制动没有重大影响，并且一定程度上还可缩短汽车的紧急制动时的制动距离。
这说明在紧急制动中，电涡流缓速器还是可以发挥一定的作用，可吸收一部分汽车制动的能量。

83 5.3.2 在中、高车速下，电涡流缓速器对汽车紧急制动稳定性的影响分析及其道路试验
汽车上装用电涡流缓速器后，汽车前、后轮的制动力及其匹配情况将发生如下变化： 因为电涡流缓速器的制动力作用在驱动后轮上，后轮的地面制动力增大，这样原车的理想制动力分配曲线（即I曲线）将发生改变，而汽车的前、后制动器制动力比例关系并不会受到影响； 后地面制动力 等于缓速器的制动力 与后车轮制动器制动力 的合力（ ），即不再相等。这种改变会对汽车的制动稳定性产生影响。

84 5.3.2.1 装用电涡流缓速器后，理想的汽车前、后轮制动力的分配曲线
图5.20 装用电涡流缓速器后，制动时汽车的受力图

85 （5.16） （5.17） 即为汽车后轮受到电涡流缓速器制动力作用，汽车的前、后车轮同时抱死时前、后车轮制动器的关系曲线（ 曲线）。
即为汽车后轮受到电涡流缓速器制动力作用，汽车的前、后车轮同时抱死时前、后车轮制动器的关系曲线（ 曲线）。 如果汽车不用电涡流缓速器制动时，即 （5.17）

86 图 曲线

87 5.3.2.2 装用电涡流缓速器后，汽车的 线和 曲线的匹配
装用电涡流缓速器后，汽车的 线和 曲线的匹配 第一种匹配情况

88 第二种匹配情况

89 第三种匹配情况

90 5.3.2.3试验汽车分析 以NJ6686SJF5客车为例，分析缓速器4档引起的 曲线变化
40km/h时的制动力作为的缓速器在该档的最大制动力 =5532N 90km/h时的缓速器制动力作为中高速范围的最小缓速器制动力 =4949N =2326N

91 图5.22 试验汽车前、后车轮同时抱死时的前、后车轮制动器的关系曲线

92 图5.23 汽车在不同速度下制动的航向角

93 总体来看，试验汽车上装用电涡流缓速器后汽车的制动稳定并没受到较大影响

94 5.4 电涡流缓速器的耗电试验 图5.24 不同初速度下接通电涡流缓速器控制手柄前后电压值

95 图5.25 不同初速度下蓄电池的电压降 初始时间内蓄电池的电压降为0.43～0.73V，稳定后的电压降1V左右

96 从实车试验测定以及以后的使用来看，在该车上装配电涡流缓速器后，原车的蓄电池基本能满足使用要求，可不要增加蓄电池的容量，或配备功率更大的发电机。