近些年,我国交通事业的飞速发展,道路交通状况和车辆性能有了极大改善,但交通安全问题依然十分严峻。据统计,我国交通死亡事故约占全球的16%,已连续多年成为交通事故最多发的国家。2011年我国共接报有人员伤亡的道路交通事故210812起,其中由于客货车肇事造成人员死亡的事故占33.1%,而由客货车导致一次死亡10人以上的特大交通事故则分别占85.1%和86.5%。营运客货车辆发生交通事故时往往造成群死群伤的恶性事故,故欲改善交通安全状况,提高这些车辆的行驶安全性能是首要因素。
经分析,造成客货车辆肇事的首要原因是驾驶违章,其次是车辆机械故障,而在各种机械故障中,由于传统的机械摩擦式(盘式或鼓式)制动器长时间连续制动导致制动失效和制动性能大幅下降导致事故的比例分别超过20%和40%,这两种原因造成的人员死亡占比则超过50%,成为突发性事故主因之一。从我国地理情况来看,山区面积约占国土总面积的69%(包括丘陵和高原),山区公路交通成为主要道路运输方式。而我国山区道路以三、四级低等级路为主,道路崎岖复杂,山高路陡,坡长弯多。以陕西秦岭山脉大岭北坡210国道为例,坡长33km,以5%~6%坡度为主,最大纵坡达8%~9%,我国闽赣、云贵、川陕地区比以上条件更为苛刻的道路不乏其例。所以行驶于这些道路上的车辆,由于地形条件多样,道路情况复杂,这就为制动失效事故埋下了严重隐患。
针对上述情况,我们必须提高车辆制动系统的可靠性,延长其使用寿命。传统车辆的制动方式是在车轮上安装机械式摩擦制动器,但频繁或长时间制动会造成制动鼓(盘)和摩擦衬片(制动衬片)过热,导致制动效能衰退甚至失效,从而引起重大交通事故。另外制动器过热,不仅使摩擦衬片磨损加剧,使用寿命减短,而且也易造成轮胎早期爆裂,从而使运营成本增加。要解决这些问题,比较有效的办法就是加装辅助制动装置。
从主要作用上来说,辅助制动系统是一种使车辆速度降低或稳定在一定速度范围的机构,与主制动系统相比它在短时间吸收的功率比较小,但它吸收的功率在长时间内可以保持比较稳定,适合长时间或频繁制动的工况。同时,它能减少车轮制动器热衰退跑偏,轮胎过热爆胎现象的发生;提高车辆在山区的平均行驶速度;增强驾驶员的安全感与乘坐舒适性,减少驾驶疲劳程度。辅助制动装置按原理可分为发动机缓速装置、电涡流缓速器、液力缓速器、电机缓速装置、空气动力缓速装置以及再生制动缓速装置等,其中前三种技术相对成熟,适于装车。
发动机缓速装置
发动机辅助制动系统大致可分为:排气蝶阀制动、泄气式制动和压缩式制动三大类型,其中泄气式制动又分为被动式制动器与主动式制动器。排气蝶阀制动的历史可以追溯至第一次世界大战期间,该技术在阿尔卑斯山区最初被使用,其后又有很大的发展。发动机制动技术的历史也比较长,皆可博(Jacobs)发动机制动装置在上世纪40年代就已经申请了专利。目前,市场上比较常见的潍柴WEVB和重汽的EVB属于被动式制动器,它们需要排气蝶阀进行辅助;锡柴6DL2装配是主动式制动器;以皆可博发动机制动产品为例,国内装配压缩释放式制动器的发动机有西安康明斯ISM11系列、东风dCi11升系列、玉柴YC6K12、锡柴CA6DN系列,此外还有解放自主研发的CA6DM系列,不过它主要的电磁阀由皆可博提供。
发动机辅助制动系统的优点包括减少轮胎、制动器的磨损以及提高行车安全性和运营效率等,但由于其制动功率较小,较难达到汽车制动法规要求,并且由于发动机匹配、噪声、维修费用以及离合器分离过程中缓速器失效等问题,用户较难接受,使其发展受到限制。
缓速器
从狭义概念上来说,缓速器是一种利用电磁力、液力等作用对车辆产生制动力矩,将车辆的动能转化为热能并消耗到空气中去的辅助制动装置。缓速器按照作用原理的不同,可分为电涡流缓速器、永久磁铁式缓速器和液力缓速器等。
缓速器在国外的研究和应用开展得比较早,技术成熟,结构类型多样化、系列化。目前生产缓速器的国外公司主要有法国的泰乐玛(Telma)、德国福伊特(Voith)与釆埃孚(ZF)、美国艾里逊(Allison)、西班牙弗雷纳萨(Frenelsa)与克莱姆(Klam)、瑞典斯堪尼亚(Scania)以及日本的TBK、三菱(Mitsubishi)、住友(Komatsu)等,其中采埃孚(ZF)和艾利逊(Allison)的产品与其变速器装配在一起,斯堪尼亚(Scania)的产品则仅供自己品牌的车辆使用。事实上在发达国家,作为现有汽车制动系统的必要补充装置,缓速器已经成为一种标准件被装备在90%以上多种级别的客车和中型、重型汽车上。
我国电涡流缓速器市场是在2000年底开始启动,2001年进入市场导入期。2001年,我国客车市场接受了约3000台电涡流缓速器。从2003年开始,巨大的市场空间和丰厚的利润促使众多国内汽车零部件供应商纷纷进入汽车缓速器行业。据调查,鼎盛时期国内有70多家企业从事缓速器的生产和研发。由于市场竞争激烈,目前国内尚有20多家企业从事汽车缓速器的研发和生产。主要的缓速器生产企业有上海泰乐玛、上海福伊特、深圳特尔佳、扬州洪泉、淮安惠民(惠德隆)、浙江瑞立、杭州万向传动轴、洛阳凯迈(南峰)、嘉兴纽曼、浙江威德等。而相对于电涡流缓速器,液力缓速器由于结构复杂、制造精度要求高以及控制难度大等原因,虽然吉林大学、华中科技大学、北京理工大学等多个院校及多个业内企业都曾进行过相关研发工作,但最终大部分都达不到产品化的要求,目前除了陕西法士特以及深圳特尔佳公司生产的相关产品外,国产的液力缓速器还较少见。
1,电涡流缓速器
电涡流缓速器一般按转盘数量可分为单转盘和双转盘两种;按安装方式分为有中心轴和无中心轴两种;按照作用原理则可分为电磁涡电流式缓速器、永久磁铁涡电流式缓速器。其主要安装方式分为中央减速安装方式与车轮减速安装方式。其中前者一般为串联安装,安装位置有三处:可以安装在变速器后端或主减速器壳体上,也可以在传动轴之间用支撑安装;后者一般在每个车轮上都安装一个电涡流缓速器。
电磁涡电流式缓速器简称为电涡流缓速器,该装置工作时,定子线圈内通电产生磁场,而转子随传动轴一起旋转。转子切割定子产生的磁力线,从而在转子盘内部产生涡旋状的感应电流。这样,定子就会向转子施加一个阻碍转子旋转的电磁力,从而产生制动力矩。同时,涡流在具有一定电阻的转子盘内部流通,由于电阻的热效应会把电能转化为热能,这样,车辆行驶的动能就通过电磁感应和电阻发热最终转化为热能散发。因为电涡流缓速器采用风冷结构,与汽车上其他系统的联接关系少,所以安装和维修方便。从工作原理来看,电涡流缓速器在执行时几乎没有时间上的滞后性,启动时冲击和噪声很小,低速行驶时也可以提供较大的制动力矩,不过其比较严重的热衰退效应限制了它的持续制动能力,另外耗电量也比较大。
永久磁铁涡电流式缓速器简称为永磁式缓速器,它也是以磁电效应产生制动作用的,与前者相比,它用永磁铁代替了电磁铁进行励磁,所以几乎不耗电。从工作原理来看,永久磁铁缓速器靠气压缸移动磁铁块控制缓速器的工作,控制结构比较复杂。另外由于永久磁铁缓速器因磁性材料性能的限制,它的最大制动力矩不大,价格也比较贵。
2,液力缓速器
液力缓速器是液力耦合器的一个派生类别。按功能则可分为单一减速制动型和牵引-制动复合型;按安装和供货状态可分为分体式和整体式两种结构;其中分体式又可分为并联式与串联式;按照缓速器和变速器在传动链中的相对位置可分为变速器输入端缓速器和变速器输出端缓速器。
从总体上来说,液力缓速器系统主要由缓速器本体、操纵装置、电子控制单元等部分组成。不同的液力缓速器其结构和组成部分有着一定的区别,但是定子、转子、工作腔和壳体等一般是它们的共同组成部分。以单一减速制动型液力缓速器为例,定子和转子对置形成工作腔经阀门和工作液贮槽(油池)相通,缓速时,电子控制系统控制比例阀向工作液贮槽内施加气压使工作液充入工作腔,转子产生制动力矩,使汽车减速;而转子在工作液里旋转的过程中,工作液在运动所形成的进出口压力差的作用下循环流过热交换器,热交换器通向发动机冷却系统的冷却水管把热量带到发动机冷却系统散逸掉。当缓速作用解除时,控制装置系统把工作液释放回工作液贮槽,从而消除对转子的阻力作用。
3,对比分析
下面我们将电涡流缓速器与液力缓速器做一个简要的对比分析。
首先,在制动力矩方面,由于液力缓速器的制动力矩与其工作腔有效直径的5次方成正比,相对于电涡流缓速器而言,液力缓速器更容易以较小的体积和质量实现较大的制动力矩;散热方面,液力缓速器由于采用发动机散热系统水冷散热,不需要任何隔热措施,而电涡流缓速器不但需要进行隔热保护,而且还容易因高温烧毁线圈甚至导致火灾事故,不过液力缓速器受散热系统限制,制动力矩目前最大可做到4000Nm,但较电涡流缓速器而言仍具有很大优势;持续制动能力方面,由于液力缓速器采用持续冷却能力较强的水冷方式,因此由设备过热而产生最大制动力矩衰减的现象几乎没有,而电涡流缓速器则有比较严重的热衰退现象,当温度达到300~700℃后,制动力矩和功率将降低30%~50%,此外由于欧洲有关长效制动的法规ECER-13对缓速器长时间工作效能提出的苛刻要求,在欧洲液力缓速器已经占到整个缓速器市场份额的98%,电涡流缓速器已经被逐渐淘汰;电力消耗方面,电磁涡电流式缓速器由于自身的电磁线圈相对于液力缓速器的电控系统消耗电能要大的多,所以对蓄电池负荷更大;结构与制造工艺方面,液力缓速器结构较电涡流缓速器复杂,制造技术和精度要求较高,所以成本也较高;在缓速反应时间方面,由于液力缓速器是给工作液贮槽施加气压使工作液充入工作腔,因此液力缓速器比电涡流缓速器的反应时间长一些;功率损失方面,液力缓速器的空转鼓风能量损失稍大于电涡流缓速器。
此外,根据统计数据显示,液力缓速器不仅能大大提高车辆的制动安全性,而且安装缓速器的车辆比未安装缓速器的车辆换档次数可减少36%,车辆平均车速能够提高5.9%,使驾驶员可以更加安心地平稳驾驶,提升运营效益。液力缓速器在绝大部分工况下可代替行车制动器进行工作,行车制动器的工作次数可以减少70%以上,使制动器摩擦片的寿命提高10~50倍。综合分析,拥有大制动力矩、强持续制动能力、低热衰退效应、低电力损耗、以及较小体积与质量的液力缓速器较适合安装在大型客车和重型货车上。
展望
从市场方面来看,近几年我国汽车缓速器行业发展迅速,2007我国汽车缓速器产量就已达到4.5万台。目前10m长以上的客运、旅游客车缓速器安装率达到60%~70%,而公交客车(城市客车)的缓速器安装率仅有20%~30%,大型客车缓速器总体的安装率达到40%~50%,不过由于各种原因,重型载重车辆安装率相对较低。未来若干年内,我国汽车缓速器市场容量的大小主要取决于市场对大中型客车、重型货车的需求量,以及缓速器在这些车辆上的安装率;从政策方面来看,在我国最新版的《营运客车类型划分及等级评定》(JT/T 325-2010)中可以看到,从中型客车(高二级)到特大型客车(高三级),缓速器已经成为了标准配置。而于今年最新发布的《机动车运行安全技术条件》(GB7258-2012)中提出,车长大于9m的、主要在山区道路行驶的客车,应装配缓速器或其他辅助制动装置;总质量大于12000kg的、主要在山区道路行驶的货车,应装配缓速器或其他辅助制动装置;对于危险货物运输车,无论总质量大小,在山区道路行驶时,都要求装配缓速器或其他辅助装置。
两项道路运输领域的行业标准,都对营运车辆加装缓速器提出了明确要求。此外,从市场情况来看,终端客户和主机厂正逐步接受这一“新鲜事物”,并表现出了不俗的市场预期。可见,虽然缓速器的推广还存在一些技术和市场方面的问题,不过这项技术在我国商用车上的广泛应用已是大势所趋。