液力缓速器液压控制系统设计研究 本文关键词：控制系统，液压，液力，研究，设计
液力缓速器液压控制系统设计研究 本文简介：摘要:液力缓速器体积小，安装方便，在车辆中的使用越来越广泛。设计一种小型液力缓速器及其液压控制系统。该控制系统整体结构简单，布置紧凑，操作方便，在小型车辆上也适用。采用转阀改变缓速器进、出油口通流面积，控制缓速器的制动力矩。转阀具有结构简单、响应迅速且液动力小等优点。该液力缓速器及其控制系统能为小型
液力缓速器液压控制系统设计研究 本文内容：
摘要:液力缓速器体积小，安装方便，在车辆中的使用越来越广泛。设计一种小型液力缓速器及其液压控制系统。该控制系统整体结构简单，布置紧凑，操作方便，在小型车辆上也适用。采用转阀改变缓速器进、出油口通流面积，控制缓速器的制动力矩。转阀具有结构简单、响应迅速且液动力小等优点。该液力缓速器及其控制系统能为小型车辆提供稳定的辅助制动力，并实现多挡位精确控制。
关键词:液力缓速器;液压控制系统;制动力控制阀;液动力
我国地形复杂，多崎岖山路，为保证行车安全，除大型载重汽车以外，小型汽车也需要配备辅助制动系统。液力缓速器具有体积小、安装方便等优点，在车辆上得到广泛应用。目前有许多的液力缓速器生产制造商，比如德国的福伊特(VOITH)和美国的艾力逊(ALLISON)。福伊特液力缓速器采用气压控制方法来调节充液率，进而控制制动力矩，需要单独的气压控制机构，占用空间大［1］。艾力逊液力缓速器安装在变速箱行星齿轮机构前部，与液力变矩器共用液压控制系统［2］。但是小型车辆体积小、安置空间有限，难以实现以上条件，选择缓速器时，除了需要控制液力缓速器的尺寸大小以外，同时还需要体积小巧、控制简单的液力缓速器控制系统。本文作者设计了一种液力缓速器控制系统，采用制动力控制阀控制缓速器进出油口通流面积，进而控制缓速器制动力。制动力控制阀采用转阀，内部结构简单，抗污染能力强，响应快速且控制方便［3］。该控制系统结构紧凑，占用空间小，适用于小型车辆，能精确稳定地调节液力缓速器的制动能力，保障车辆长下坡等长时间制动工况下的行驶安全。
1液力缓速器控制系统结构与控制原理
液力缓速器控制系统主要由油箱、齿轮油泵、控制阀等部分组成。为了方便试验，其整体装配如图1所示，在实际应用中可根据具体工作环境装配。液力缓速器在缓速制动时，转子由汽车传动系统带动，通过搅动工作腔内的油液，将汽车动能转化为液压油的动能及压能;液压油流入定子工作腔后，对定子叶片产生冲击作用并重新流入转子工作腔，在转子叶片与液压油相互作用中，液压油对转子叶片产生反作用力，从而对车辆产生制动力。在制动过程中将汽车动能转化为油液的热能，再由散热口4与汽车发动机冷却液通过热交换器进行热交换。缓速器制动力矩计算如公式(1)［4］所示T=λρg·n2·D5(1)式中:λ为制动力矩系数;ρ为充液率;n为转子转速;D为循环圆直径。经试验，设计的液力缓速器在转子转速为1100r/min，充液率100%时，制动力矩可达到135N·m，由公式(1)可以算出λ=0.0185。进而可推知，当转速为2000r/min，充液率为100%时，制动力矩可达到447N·m。通过改变缓速器工作腔内油液充液率可控制制动力矩。充液率与缓速器出口压力呈线性关系，而缓速器出口压力可通过出口通流面积控制。根据上述思路，液力缓速器控制系统可以通过改变缓速器入口面积Ai与出口面积Ao的关系来控制缓速器的制动能力［5］。液力缓速器控制系统工作原理如图2所示，齿轮油泵1与缓速器轴通过平键连接在一起，在缓速器动力输入轴的驱动下，从油箱7吸油，出口与缓速器的入口相通，溢流阀2控制油泵出口压力。通过节流阀3和4改变缓速器进出口通流面积，调节控制缓速器充液率，进而控制缓速器制动力。通过热交换器6，将缓速器吸收汽车动能转化出的热能由发动机冷却液带走。当不需要缓速器制动时，节流阀3关闭，同时节流阀4完全打开，缓速器内的油液快速返回油箱，缓速器转子空转。图2液力缓速器液压控制系统原理图齿轮油泵为控制系统提供一定压力和流量的油液，其转速与液力缓速器转子转速相同。当缓速器转子转速较高、缓速器制动力较大时，油泵也能够提供较大的冷却流量，满足缓速器的冷却需求。当缓速器转子转速较低、缓速器制动力较小时，油泵转速也较低，输出流量小，与缓速器需要的冷却流量相匹配。
2液力缓速器制动力控制阀块设计
为简化结构、方便控制，将缓速器进口节流阀3和出口节流阀4以及溢流阀2做在同一个转阀上，如图3所示。液压阀正常工作时，通常会受到3个方向上的液动力，周向、径向和轴向。与滑阀和锥阀相比较，转阀阀芯和阀套之间的配合约束可抵消径向液动力，设计的转阀还在阀套四周设置了浮油槽，使得阀套周向压力均匀分布;阀芯两侧的约束也可抵消轴向液动力;转阀阀芯所受的液动力主要来自周向液动力。由于转阀工作时油液基本为垂直进出阀套，与阀套孔壁的接触面积小且角度垂直，故转阀在工作时周向制动力矩较小，因此，转阀的控制更为稳定可靠［6］。同时转阀具有可靠性高、结构简单、响应迅速、抗污染能力强等优点。本文作者设计的液压控制系统中，控制阀由直流电机驱动，操作方便准确。缓速器的充液率控制有控制入口充液、控制出口放液和进出口同时控制3种方法。充放液同时控制影响因素较多，控制难度较大。入口充液控制超调量较小，适用于对充液率和制动力矩超调量限制较严格的减速器，但是给实现制动力矩多挡位控制功能带来不便［7］。本文作者采用出口放液控制的方法。为方便看清楚油液流动情况，将阀块上部分无关孔道隐去，如图4所示。不缓速时，缓速器入口关闭，齿轮油泵泵出的油液通过T－B2－O流回油箱，缓速器出口完全打开，工作腔内的油液通过Po－B1－O流回油箱。启动缓速器时，阀套环面开设有进油孔，转动阀套使得缓速器进油孔Pi对着此孔，油液将通过T－Pi进入缓速器，实现缓速功能。当入口油液压力过大时，油液从溢流阀F经回油法兰O流回油箱。工作结束时，将控制阀转回不工作状态，缓速器空转。本文作者设计的控制阀采用出口放液控制的方法，在调节制动力时，缓速器入口充液保持不变，通过改变缓速器出油口B1与阀套开孔的重合面积Ao，控制缓速器的制动力矩。
3液力缓速器控制系统可控性分析
设计的液力缓速器液压控制系统通过制动力控制阀来改变制动力矩。随着阀套转动，阀套与阀块重合面积改变，从而改变液力缓速器的充液率。为了便于观察控制阀口的面积变化，将圆柱形阀套外表面与阀块内表面展开为平面图，如图5所示。该位置为阀套转动60°时，阀套与阀块进出口相对位置。阀套转动时与阀块重合面积的变化情况可以反映出液压控制系统对缓速器的控制过程。控制阀从不工作状态到调控状态，其工作空间为阀套转动90°的范围。通过展开图可以计算出阀套每转动一定角度进出口处的重合面积。现每转动10°，记录下缓速器进出口重合面积的变化情况，如图6所示。由图6可知，阀套转动角度在θ1之前，液力缓速器处于非工作状态，油液入口完全关闭，出油口完全打开，此时缓速器空转;当开启缓速器时，出油口逐渐减小，由θ1开始，进油口开启，缓速器开始充液。缓速器需在1s内充满油液，查液压阀设计与计算手册可知，在计算阀口面积时一般认为流速取6m/s，由计算可得，入口面积到达93.37mm2(阀套转到θ2)时即可满足充液要求［8］。当转至图中θ3时，进油口几乎完全打开，往后入口面积不变，随着出口面积减小，缓速器内充液率增大，制动力矩逐渐增大。当缓速器工作结束时，将阀套转回θ1，不再产生制动力矩。
4结论
设计的液力缓速器液压控制系统结构紧凑，占用空间小，装配灵活，可适用于体型较小的车辆上。制动力控制阀采用转阀，受液动力较小，控制精确、稳定，由直流电机驱动，操作方便。该控制系统可通过制动力控制阀多挡位精确控制液力缓速器，可控性好，有助于提高车辆行驶过程中的安全性。
作者：李丹 杨耀东 单位：北京科技大学机械工程学院
液力缓速器液压控制系统设计研究 来源：网络整理
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