CN102927167A - 基于磁流变液的独立式液力缓速器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁流变液的独立式汽车液力缓速器及其控制方法，工作腔为密闭式，其内充有磁流变液，且容纳有动轮、定轮、线圈及冷却水套，动轮与定轮同轴且有间隙地对置，动轮和定轮外缘绕有线圈，线圈固定于动轮的外缘上且与定轮的外缘间具有间隙，线圈连接工作腔外的车载电源，动轮轴输出端从工作腔伸出且通过驱动齿轮副连接变速器；定轮外圈上固定套有冷却水套，冷却水套连接工作腔外的水泵和散热器，电子控制单元根据车辆控制器的车辆信息，计算输入线圈的电流大小，在工作腔内建立磁场，产生作用在动轮轴上的制动力矩；电子控制单元控制水泵工作，使冷却水在冷却水管路、冷却水套、散热器之间循环流动，降低磁流变液的温度。

Description

基于磁流变液的独立式液力缓速器及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车液力缓速器技术，特指一种利用磁流变液作为工作液的独立式汽车液力缓速器及其控制方法。

背景技术

 目前，成熟的液力缓速器以福伊特（Voith）R133-2型为代表，福伊特R133-2型液力缓速器的结构如图1所示，包括动轮、定轮、工作腔、空心轴、热交换器、储油箱。对于装有带液力变速器的自动变速器车辆来说，原变速器系统已配备了储油箱、油泵和散热器等部件，因此，在配有自动变速器的客车和载货汽车上安装液力缓速器成本更低。工作时，工作原理如图2，压缩空气经电磁阀进入储油箱，将储油箱内的机油经油路压进工作腔内，缓速器开始工作，动轮带动油液绕轴旋转，同时，油液沿叶片方向运动，甩向定轮。定轮叶片对油液产生反作用，油液流出定轮再转回来冲击动轮，这样就形成对动轮的阻力矩，阻碍动轮的转动，从而实现对车辆的减速作用。工作液在运动过程中使进出口形成压力差，油液循环流动，通过热交换器时，热量被来自发动机冷却系统的冷却水带走。该液力缓速器主要存在以下问题：

1、工作液需要通过压缩空气将其压入工作腔中，需要额外地消耗汽车的动力。

2、没有独立的散热器，需要借助发动机的冷却系统对工作液进行冷却，这不仅限制了液力缓速器的布置位置，而且在发动机停止工作后不能提供足够冷却能力以及足够的压缩空气，限制了液力缓速器的使用，使制动安全性降低。

3、在低转速时制动力矩非常小，制动效果不理想。

磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的特性。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的，而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，并且有极佳的热稳定性，因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料。

   授权公告号为CN202349025U、名称为“磁流变液缓速器”中提出了利用磁流变液作为车辆制动器工作液，但是该专利采用盘式结构，单纯地利用附加磁场使磁流变液的粘度变大，从而对汽车传动轴施加制动力矩进行制动，制动力小，无法通过磁流变液来调节更大的制动力，无法对制动力矩实现控制，也不能独立散热；并且该专利的缓速器本体的结构复杂。

发明内容

本发明的目的是解决现有液力缓速器制动力矩控制与独立散热的问题，提供一种结构简单、具有独立散热功能的基于磁流变液的独立式液力缓速器，使液力缓速器在汽车上布置更加方便，保证液力缓速器在发动机停止工作后仍能工作；本发明同时还提供该基于磁流变液的独立式液力缓速器的控制方法，能控制制动力矩大小，提高制动效果，提高液力缓速器的安全性。

本发明基于磁流变液的独立式液力缓速器采用的技术方案是：包括动轮、定轮、工作腔、动轮轴、电子控制单元及与电子控制单元连接的各种传感器，动轮固定连接动轮轴，工作腔为密闭式，其内充有磁流变液，且容纳有动轮、定轮、线圈及冷却水套，动轮与定轮同轴且有间隙地对置，动轮和定轮外缘绕有线圈，线圈固定于动轮的外缘上且与定轮的外缘之间具有间隙，线圈连接工作腔外的车载电源，动轮轴输出端从工作腔伸出且通过驱动齿轮副连接变速器；定轮的外圈上固定套有冷却水套，冷却水套经冷却水管路连接工作腔外的水泵和散热器，水泵和散热器相连接，水泵经第一电动机连接电子控制单元；电子控制单元通过信号线分别连接车载电源和车辆控制器；在工作腔内设置工作腔温度传感器。 

所述驱动齿轮副包括低速档和高速档两个档位的齿轮副，动轮轴输出端通过低速档离合器连接驱动低速档齿轮副的低速档从动齿轮，低速档从动齿轮与低速档主动齿轮啮合，低速档主动齿轮连接变速器输出轴；低速档主动齿轮的齿数大于低速档从动齿轮的齿数；动轮轴输出端通过高速档离合器连接驱动高速档齿轮副的高速档从动齿轮，高速档从动齿轮与高速档主动齿轮啮合，高速档主动齿轮连接变速器输出轴3高速档主动齿轮的齿数小于高速档从动齿轮的齿数。

本发明基于磁流变液的独立式液力缓速器的控制方法采用的技术方案是：当电子控制单元接收到缓速制动指令后，根据车辆控制器的车辆信息，计算输入线圈的电流大小，由车载电源向线圈中供电，在工作腔内建立磁场，产生作用在动轮轴上的制动力矩；随着制动的持续，当工作腔温度传感器检测到温度高于设定值时，电子控制单元控制水泵工作，使冷却水在冷却水管路、冷却水套、散热器之间循环流动，降低磁流变液的温度。

当在高速行驶需低制动强度时，高速档离合器结合高速档从动齿轮与动轮轴，动力从变速器输出轴依次经高速档主动齿轮、高速档从动齿轮、高速档离合器传递到动轮轴，带动动轮旋转；当在低速行驶需高制动强度时，低速档离合器结合高速档从动齿轮与动轮轴，动力从变速器输出轴依次经低速档主动齿轮、低速档从动齿轮、低速档离合器传递到动轮轴，带动动轮旋转。

本发明采用上述技术方案后，与现有技术相比明显具有以下优点：

1、本发明具有独立的散热系统，不依赖发动机的散热系统，可以在发动机关闭的情况下持续制动，可以不受液力缓速器在汽车的安装位置的限制，根据需要可以布置在变速器输出端、变速器输入端以及后桥输入端。

2、本发明缓速器本体中的工作液密封在工作腔内部，不需要充放液，节约大量的汽车上动力。

3、本发明只需要通过控制输入线圈中电流大小就可以无极控制制动力矩，在低转速的情况下也能提供足够大的制动力矩，能解决传统液力缓速器在低转速下制动力矩不大，制动效果不好的问题。同时，驱动齿轮副高速档的设计可以使其在汽车高速行驶时也能提供小的制动力矩，在汽车正常行驶时也没有泵气损失。

    4、本发明特别适用于混合动力客车，能提高汽车能源的利用率、减少传统液力缓速器的能源消耗。

附图说明

图1是背景技术中福伊特R133-2型液力缓速器的结构简图；

图2是图1中福伊特R133-2型液力缓速器的工作原理图；

图3是本发明基于磁流变液的独立式液力缓速器结构示意图；

图4是图3中冷却水套7的布置示意图，其中，图4（a）是主视图，图4（b）是图4（a）右视图；

图5是图3中线圈12的布置和连接示意图；

图6是基于磁流变液的独立式液力缓速器特性曲线图；

图中：1—变速器，2—低速档主动齿轮，3—变速器输出轴，4—低速档从动齿轮，5—低速档离合器，6—动轮轴，7—冷却水套，8—定轮，9—动轮，10—工作腔温度传感器，11—水泵，12—线圈，13—冷却水管路，14—散热器，15—散热风扇，16—电动机，17—缓速器壳体，18—车辆控制器，19—水温传感器，20—电子控制单元，21—信号线，22—工作腔，23—车载电源，24—铜环，25—电刷，26—电源线，28—转速传感器，29—高速档主动齿轮，30—高速档从动齿轮，31—高速档离合器。

具体实施方式

如图3所示本发明的基于磁流变液的独立式液力缓速器结构示意图，该独立式液力缓速器包括缓速器本体、电子控制系统以及独立的散热系统。该独立式缓速器根据需要可以布置在变速器输出端、变速器输入端以及后桥输入端。本发明仅以布置在变速器输出端为例进行描述。

缓速器本体包括动轮9、定轮8、工作腔22、动轮轴6、缓速器壳体17、线圈12、车载电源23、电刷25以及铜环24等。动轮9与定轮8的横截面均是半圆环状，动轮9与定轮8同轴且有间隙地对置，共同位于密闭的工作腔22内，工作腔22内充有磁流变液作为工作液，定轮8固定在工作腔22上，动轮9固定在动轮轴6上，动轮轴6由工作腔22伸出，动轮轴6输出端通过驱动齿轮副连接变速器1，由变速器1带动旋转。

驱动齿轮副包括低速档和高速档两个档位的齿轮副，动轮轴6输出端通过低速档离合器5连接驱动齿轮副的低速档从动齿轮4，低速档从动齿轮4与低速档主动齿轮2啮合，低速档主动齿轮2连接变速器输出轴3。变速器输出轴3由变速器1带动旋转；低速档主动齿轮2的齿数大于低速档从动齿轮4的齿数，具有增速减扭功能。动轮轴6输出端还通过高速档离合器31连接驱动齿轮副的高速档从动齿轮30，高速档从动齿轮30与高速档主动齿轮29啮合，高速档主动齿轮29连接变速器输出轴3。变速器输出轴3由变速器1带动旋转；高速档主动齿轮29的齿数小于高速档从动齿轮30的齿数，具有减速增扭功能。

   如图3和图5所示，在密闭的工作腔22内，在动轮9和定轮8的外缘同时绕有一圈线圈12，将线圈12固定于动轮9的外缘上，并且使与线圈12定轮8的外缘之间具有间隙。当动轮9旋转时，线圈12随着动轮9转动，线圈12与定轮8之间的间隙使线圈12与定轮8之间不干涉。在工作腔22之外设置铜环24和电刷25，线圈12的正极通过电源线26连接一个铜环24、线圈12的负极通过电源线26连接位于工作腔22之外的另一个铜环24，两个铜环24各通过相应的两个电刷25连接车载电源23，这样，车载电源23可以在动轮9转动时，向线圈12供电使其在工作腔22内建立磁场。

如图3所示，电子控制系统包括电子控制单元20、工作腔温度传感器10、水温传感器19、转速传感器28等。电子控制单元20通过信号线21与车辆控制器18连接，接收来自车辆控制器18的整车信息。电子控制单元20与车载电源23之间用信号线21连接，控制车载电源23输出到线圈12的电流大小，达到控制工作腔22内磁场强度的控制效果。工作腔22内设置工作腔温度传感器10，工作腔温度传感器10连接电子控制单元20，工作腔温度传感器10用以检测工作液的温度。

独立的散热系统包括散热器14、散热风扇15、水泵11、电动机16、冷却水管路13以及冷却水套7，其中散热器14与散热风扇15均固定在缓速器壳体17上，而冷却水套7位于密封的工作腔22内，并且固定套在定轮8的外圈上，如图4所示。至此可知，工作腔22共容纳了磁流变液、动轮9、定轮8、线圈12及冷却水套7。冷却水套7经冷却水管路13分别连接工作腔22外的水泵11和散热器14，水泵11和散热器14经冷却水管路13相连，水泵11布置在冷却水管路13上且靠近散热器14出水口的位置，其作用是将散热器14中已经冷却的水泵入冷却水套7中，使冷却水在冷却水管路13、冷却水套7、散热器14中循环流动，达到工作腔22工作液散热的目的。在冷却水管路13处设置水温传感器19，将水温传感器19与电子控制单元20相连接，监测冷却水的温度并传送给电子控制单元20。

两个电动机16经信号线连接电子控制单元20，并且分别连接水泵11和散热风扇15，分别驱动水泵11和散热风扇15工作。散热风扇15布置在散热器14的正面，电动机16带动散热风扇15旋转，带动气流对散热器14散热。

下面结合附图3叙述基于磁流变液的独立式液力缓速器的工作原理及控制方法。

当汽车正常行驶时，高速档离合器31和低速档离合器5均处于分离状态，不工作，变速器输出轴3的动力传递不到动轮轴6上，使缓速器对汽车正常行驶没有任何影响。

当电子控制单元20接收到驾驶员的缓速制动指令后，从信号线21中接收到来自车辆控制器18的车辆信息，如汽车行驶速度、驾驶员需要的制动强度、汽车前后轴载荷分布等等；电子控制单元20根据上述信息选择驱动齿轮副的档位并计算输入线圈12的电流大小。

如图6所示为基于磁流变液的独立式液力缓速器特性曲线图，该液力缓速器将磁流变液作为工作液且密封在工作腔内，车载电源23向线圈12中供电，在工作腔22内建立磁场，这样就改变磁流变液的粘度大小，同样使液力缓速器输出的制动力矩产生变化。通电电流变大，磁流变液的粘度越大。因为液力缓速器的制动力矩与工作液的粘度成正比，磁流变液的粘度变大使液力缓速器输出的制动力矩变大。 

当驾驶员在高速行驶时需要低制动强度时，高速档离合器31就作用，结合高速档从动齿轮30与动轮轴6，动力从变速器输出轴3依次经高速档主动齿轮29、高速档从动齿轮30、高速档离合器31传递到动轮轴6，带动动轮9旋转，这样液力缓速器输出制动力矩可以满足小强度制动的要求。当驾驶员在低速行驶时需要高制动强度时，低速档离合器5就作用，结合高速档从动齿轮4与动轮轴6，动力从变速器输出轴3依次经低速档主动齿轮2、低速档从动齿轮4、低速档离合器5传递到动轮轴6，带动动轮9旋转，液力缓速器输出制动力矩满足大强度制动的要求。

     动轮9被动轮轴6带动转动，给工作腔22内的工作液提供动能和势能；工作液流入定轮8后冲击定轮8的叶片，工作液的冲击和摩擦损失变为液体的热能使其温度不断升高，同时在动轮9与工作液相互作用中，工作液施加反作用力于动轮9，产生作用在动轮轴6上的制动力矩，制动力矩被放大传递到变速器输出轴3上对汽车进行制动。

     电子控制单元20将安装变速器输出轴3处的转速传感器28的信号作为反馈，驾驶员的目标制动力矩作为控制目标，控制通入线圈12的电流大小保证该缓速器提供的制动力矩满足驾驶员的要求。

    随着制动过程的持续，当工作腔温度传感器10检测到工作液的温度过高时，电子控制单元20给电动机16通电带动水泵11工作，使冷却水在冷却水管路13、冷却水套7、散热器14之间循环流动，带走工作腔22中工作液的热量。同时，电子控制单元20给电动机16通电转动，带动散热风扇15旋转增大散热器14的散热能力，使工作液的温度下降。调节液力缓速器散热能力的方法有两种：第一种是控制电动机16转速带动水泵11转速升高，增加冷却水的循环量；第二种是增加电动机16转速加快散热风扇15旋转速度增大散热器14的散热能力。电子控制单元20根据水温传感器19和工作腔温度传感器10的信号协调控制，保证独立式液力缓速器工作稳定。

Claims (6)

1.一种基于磁流变液的独立式液力缓速器，包括动轮（9）、定轮（8）、工作腔（22）、动轮轴（6）、电子控制单元（20）及与电子控制单元（20）连接的各种传感器，动轮（9）固定连接动轮轴（6），其特征是：工作腔（22）为密闭式，其内充有磁流变液，且容纳有动轮（9）、定轮（8）、线圈（12）及冷却水套（7），动轮（9）与定轮（8）同轴且有间隙地对置，动轮（9）和定轮（8）外缘绕有线圈（12），线圈（12）固定于动轮（9）的外缘上且与定轮（8）的外缘之间具有间隙，线圈（12）连接工作腔（22）外的车载电源（23），动轮轴（6）输出端从工作腔（22）伸出且通过驱动齿轮副连接变速器（1）；定轮（8）的外圈上固定套有冷却水套（7），冷却水套（7）经冷却水管路（13）连接工作腔（22）外的水泵（11）和散热器（14），水泵（11）和散热器（14）相连，水泵（11）经第一电动机（16）连接电子控制单元（20）；电子控制单元（20）通过信号线分别连接车载电源（23）和车辆控制器（18）；在工作腔（22）内设置工作腔温度传感器（10）。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变液的独立式液力缓速器，其特征是：所述驱动齿轮副包括低速档和高速档两个档位的齿轮副，动轮轴（6）输出端通过低速档离合器（5）连接驱动低速档齿轮副的低速档从动齿轮（4），低速档从动齿轮（4）与低速档主动齿轮（2）啮合，低速档主动齿轮（2）连接变速器输出轴（3）；低速档主动齿轮（2）的齿数大于低速档从动齿轮（4）的齿数；动轮轴（6）输出端通过高速档离合器（31）连接驱动高速档齿轮副的高速档从动齿轮（30），高速档从动齿轮（30）与高速档主动齿轮（29）啮合，高速档主动齿轮（29）连接变速器输出轴（3）高速档主动齿轮（29）的齿数小于高速档从动齿轮（30）的齿数。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变液的独立式液力缓速器，其特征是：在散热器（14）的正面设有散热风扇（15），散热风扇（15）经第二电动机（16）连接电子控制单元（20）。

4.一种如权利要求1所述的独立式液力缓速器的控制方法，其特征是：当电子控制单元（20）接收到缓速制动指令后，根据车辆控制器（18）的车辆信息，计算输入线圈（12）的电流大小，由车载电源（23）向线圈（12）供电，在工作腔（22）内建立磁场，产生作用在动轮轴（6）上的制动力矩；随着制动的持续，当工作腔温度传感器（10）检测到温度高于设定值时，电子控制单元（20）控制水泵（11）工作，使冷却水在冷却水管路（13）、冷却水套（7）、散热器（14）之间循环流动，降低磁流变液的温度。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：当在高速行驶需低制动强度时，高速档离合器（31）结合高速档从动齿轮（30）与动轮轴（6），动力从变速器输出轴（3）依次经高速档主动齿轮（29）、高速档从动齿轮（30）、高速档离合器（31）传递到动轮轴（6），带动动轮（9）旋转；当在低速行驶需高制动强度时，低速档离合器（5）结合高速档从动齿轮（4）与动轮轴（6），动力从变速器输出轴（3）依次经低速档主动齿轮（2）、低速档从动齿轮（4）、低速档离合器（5）传递到动轮轴（6），带动动轮（9）旋转。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：电子控制单元（20）带动散热风扇（15）旋转，增大散热器（14）的散热。

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