CN109114137A - 用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统，该系统安装于液力缓速器定轮及动轮之间，且液力缓速器的定轮与动轮间的工作腔处于全充液状态。包括用于调节液力缓速器的定轮与动轮间的工作腔循环流道过流通道直径的虹膜变径机构；用于为虹膜变径机构运动提供动力并控制其运动行程的控制单元。虹膜变径机构可以实现机构内径通道圆圆心不变但直径却可连续变化，由多组相互重叠的扰流板组成，其扰流板不同开度的运动能够改变中心圆形孔径的大小。由此通过对扰流板的运动控制而改变定轮与动轮间工作腔全充液状态下循环流道的过流通径，进而调节液力缓速器制动转矩。该系统结构简单、系统响应速度快且能够减小强非线性的气液两相流动带来的控制不确定性。

Description

用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统
技术领域
本发明涉及一种转矩控制系统，具体涉及一种用于液力缓速器的制动转矩控制系统，属于车辆液力辅助制动领域。
背景技术
液力缓速器作为一种车辆辅助制动装置，具有高功率密度，制动转矩大，无机械磨损及热衰退现象，可长时间、长距离持续制动的优点，被应用于大功率重载车辆中。液力缓速器以液压油为传动介质，主要由动轮、定轮、传动轴及控制系统构成。随着工作油液注入动轮与定轮之间的工作腔内，液体在动轮与定轮形成的工作流道内循环流动时，将遇到各种阻力造成的液力损失，如冲击损失、摩擦损失、转向损失等，从而产生制动转矩。
随着行驶工况的变化，车用液力缓速器的制动转矩调节系统应随之进行实时且灵敏的转矩调节。缓速器制动转矩调节系统的准确与否将直接影响系统制动起效的灵敏程度和转矩跟随的精准程度，进而影响车辆的缓速制动效能。
目前液力缓速器普遍采取的制动转矩调节手段是通过对动轮和定轮形成的工作腔内液体体积与工作腔最大可能充注体积之比(即充液率)的控制以调节制动转矩，一般采用入口充液阀和出口放液阀的电液控制系统进行联合调节来实现，但这种气液两相流动控制相较于固体机构控制而言具有天然的缺陷：
(1)制动起效需要油液尽快进入动轮和定轮之间的工作腔，从入口充液阀经管路到轮腔后再与动轮相互作用这一过程会引起一定的制动转矩生成迟滞；
(2)复杂气液两相流动产生的压力与阀芯弹簧力等因素间的相互作用，导致液压阀芯在平衡位置处不断振动，这一痼疾会引起制动转矩的明显波动，进而明显降低制动转矩控制精度；
(3)由于气液两相流动的强非线性特征和强耦合关系，缓速制动系统在不同海拔、温度及湿度等工作状态下具有一定的波动，给系统实际控制带来极大困难；
(4)这种技术方案在牵引工况下，无法消除存留于工作腔内的气体或高含气率工作介质，为抑制其产生的空损功率，需要增加对应的空损抑制机构，这进一步增加了系统的复杂性与不稳定性。
上述问题经过数十年的探索，目前仍缺少有效的解决手段，其症结之本质在于，对充液率的控制实际上是对气液两相流体流动的控制，而流体流动远较固体运动的控制复杂得多。
发明内容
有鉴于此：本发明提供一种用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统，通过改变定轮与动轮间工作腔在全充液状态下循环流道过流通径的大小，达到调节液力缓速器制动转矩的目的。
所述的用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统，其特征在于：所述液力缓速器定轮与动轮间的工作腔处于全充液状态；该制动转矩控制系统包括：
用于调节液力缓速器定轮与动轮间的工作腔循环流道过流通道直径的虹膜变径机构；
用于为虹膜变径机构运动提供动力并控制其运动行程的控制单元；
所述虹膜变径机构包括：第一支撑架、第二支撑架、第一保持环、第二保持环和2N个扰流板，N为大于等于2的整数；所述第一支撑架和第二支撑架同轴固接在液力缓速器的定轮或动轮上；2N个扰流板位于两个支撑架之间，且沿支撑架的周向均匀分布；每个扰流板上均固定有一个直线滑块；其中N个扰流板分别通过与之固接的直线滑块与第一支撑架上的N个直线滑道滑动配合；另外N个扰流板分别通过与之固接的直线滑块与第二支撑架上的N个直线滑道滑动配合；所述直线滑道沿其所在位置与液力缓速器轮轴同心圆相切的方向设置；与第一支撑架对应的N个扰流板和与第二支撑架对应的N个扰流板交错设置；
在两个支撑架相对的端面上均设置有用于放置保持架的凹槽，其中位于第一支撑架端面凹槽内的保持架为第一保持架，与第一支撑架配合的N个扰流板分别与第一保持架固接；位于第二支撑架端面凹槽内的保持架为第二保持架，与第二支撑架配合的N个扰流板分别与第二保持架固接；两个保持架与两个支撑架同轴，保持架和与之对应的支撑架间隙配合；
所述控制单元固定在第一支撑架或第二支撑架上，用于带动所述第一保持环和第二保持环绕其轴线同步转动，当两个保持环转动时，与保持环固接的扰流板沿相同轨迹转动，当所述扰流板转动时，2N个扰流板所形成的环形结构的口径发生改变，进而改变所述循环流道过流通道直径。
有益效果：
(1)本发明颠覆传统液力缓速器通过充液率变化以实现制动转矩调节的方法，通过调节缓速器定轮与动轮间工作腔在全充液状态下循环流道过流通径调节制动转矩，将传统气液两相流动控制改为单一液相控制，即调节制动转矩时，工作腔内为单一的全液相流动，有利于减小强非线性的气液两相流动带来的控制不确定性。将传统含有复杂强非线性气液两相流动的电液控制方案转化为简单线性机构控制方案，能够在简化结构和降低成本的同时，消除传统设计方法中大量系统参数间的复杂强耦合非线性因素，能够明显加快系统的响应速度，并从根源上有效抑制空损功率。
(2)本发明通过虹膜变径机构调节循环流道过流通径的大小，将复杂的充液率两相流场调节转化为对虹膜变径机构开度的单自由度调节，避免气液两相流动的强非线性和强耦合关系带来的控制系统的不确定性。非制动工况时在工作流道内预先充满油液，并使位于动轮与定轮之间虹膜变径机构封闭轮腔，在有缓速制动需求时起效调节虹膜机构即可，可大幅提高系统起效时的响应速度；虹膜变径结构可以实现全封闭轮腔，消除动轮和定轮间的循环流动，也就从根源上消除了缓速器泵气效应及其带来的空转功率损失，无需额外的空转损失抑制机构。
(3)虹膜变径机构中采用两个支撑架，避免了扰流板之间的弹性交叠，减小了由此造成的噪音、磨损与热量，有利于提升虹膜扰流板的工作寿命。
(4)扰流板的开度为单自由度机构控制，相比于流体流动控制，有利于提高转矩控制的响应速度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为该制动转矩控制系统的侧视图即局部细节图；
图3为支撑架上直线滑道分布示意图(其中六个直线滑道位于第一支撑架上，另外六个位于第二支撑架上)；
图4为本发明的工作过程图；
图5为扰流板的结构图。
其中：1-第一支撑架；2-第二支撑架；3-扰流板；4-第一保持环；5-第二保持环；6-直线滑块；7-直线滑道、8-步进电机，9-内轮廓线，10-外轮廓线
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供一种用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统，此系统安装于液力缓速器定轮及动轮之间，且定轮与动轮间工作腔处于全充液状态，通过对扰流板的运动控制而改变定轮与动轮间工作腔全充液状态下循环流道的过流通径，达到调节液力缓速器制动转矩的目的。
如图1和图2所示，该虹膜式制动转矩控制系统包括：虹膜变径机构和控制单元，其中虹膜变径机构是可以实现机构内径通道圆圆心不变但直径却可连续变化的机构，由多组相互重叠的弧形叶片组成，其叶片不同开度的运动能够改变中心圆形孔径的大小。本实施例中虹膜变径机构包括：第一支撑架1、第二支撑架2、第一保持环4、第二保持环5和多个扰流板3(本实施例中为12个)，每个扰流板3上设置一个直线滑块6；控制单元为步进电机8。
第一支撑架1和第二支撑架2均为环形板，通过螺栓同轴固定于同一叶轮(定轮或动轮)上，两者之间具有用于放置十二个扰流板3的环形空间，十二个扰流板3沿支撑架的周向均匀分布，其中六个扰流板3分别通过直线滑块6与第一支撑架1上的直线滑道配合；另外六个扰流板3分别通过直线滑块6与第二支撑架2上的直线滑道配合；且与第一支撑架1对应的六个扰流板和与第二支撑架2对应的六个扰流板交错分布。
具体为：每个扰流板3上均固定有一个直线滑块6，每个支撑架上对应设置六个直线滑道7，其中直线滑道7沿其所在位置与液力缓速器轮轴同心圆相切的方向设置，如图3所示。其中第一支撑架1上的六个直线滑道和与第一支撑架1对应的六个扰流板3上的直线滑块6一一滑动配合，直线滑块6能够在对应的直线滑道7内滑动。第二支撑架2上的六个直线滑道和与第二支撑架2对应的六个扰流板3上的直线滑块6一一滑动配合。
与第一支撑架1上的六个扰流板3分别与第一保持架4固接，第一保保持架4与第一支撑架同轴，并放置于两个支撑架之间，与第一支撑架1端面间隙配合。与第二支撑架2上的六个扰流板3分别与第二保持架5固接，第二保持架5与第二支撑架同轴，并放置于两个支撑架之间，与第二支撑架2端面间隙配合，如图2所示，两个保持架均位于两个支撑架之间。
步进电机8固定在第一支撑架1端面上，用于为第一保持环4和第二保持环5绕其轴线同步转动提供驱动力，具体为：步进电机8通过传动机构驱动两个保持环同步转动，该传动机构可以为齿轮传动机构，步进电机8的输出轴带动两个同轴固接的齿轮同步转动，第一保持环4和第二保持环5的外圆周面分别设置有与上述两个齿轮啮合的外齿，由此带动两个保持环同步转动。
当两个保持环转动时，带动与保持环固接的扰流板运动，通过控制扰流板3的转动调节定轮与动轮间循环流道的过流通径，当所有扰流板3全部展开时，挡住液力缓速器动轮与定轮之间的循环流道，扰流板3展开过程中，直线滑块6在扰流板3的带动下沿直线滑道随动，约束对应扰流板3的运动轨迹。
该制动转矩控制系统的工作原理为：
随着工况的变化，液力缓速器的制动转矩需要通过转矩控制系统进行调节。液力缓速器中的流体运动是复杂三维粘性液体高速流动，其动轮制动转矩表示如下：
T＝λb·ρ·g·D5·n2 (1)
式中，λb为制动转矩系数，ρ为液体工作介质的密度，g为重力加速度，n为动轮的角速度，D是轮腔循环圆的有效直径。
由上式可知，调节制动转矩可以通过调节工作介质的密度ρ或轮腔循环圆的有效直径D两种方法来实现。传统的充液率调节系统本质上就是调节工作介质的密度来调节缓速器制动转矩。本方案中的制动转矩控制系统则是通过调节轮腔循环圆的有效直径D来调节缓速器制动转矩，轮腔循环圆的有效直径D通过虹膜变径机构进行调节。由于虹膜变径机构具有变径全过程中内径通道圆同心变化的显著特点，因此虹膜变径机构的叶片(扰流板)的不同开度可以实现缓速器轮腔循环圆有效直径D的连续变化以实现制动转矩的调节。当虹膜变径机构的内径与缓速器流道循环圆小径相同时，虹膜扰流板可以实现完全阻隔定轮与动轮间的流道交互，由公式(1)可知，即使此时流道内部保持全充液状态，缓速器制动转矩理论上可以降到0，当车辆处于牵引工况时，可以实现缓速器空转损失的大幅度降低。虹膜变径机构的各片扰流板通过保持环约束各自的运动一致性，确保各片扰流板都处于同一开度，虹膜转矩调节系统的控制部分即步进电机操纵保持环转过不同的角度以实现扰流板处于不同的开度。
具体工作原理为：
当车辆处于牵引工况时，扰流板3的位置如图4(a)所示，虹膜变径机构的内径与缓速器流道循环圆小径相同，完全阻隔定轮与动轮流道，阻碍空气在流道内的循环流动，从而降低缓速器空转造成的转矩及功率损失；
当车辆行驶工况发生变化时，需要制动转矩随之发生变化，在步进电机8的控制下，第一保持环4和第二保持环5快速地转过设定角度并带动扰流板3转动使虹膜变径机构达到设定的开度，使流道循环圆有效直径发生变化，从而调节缓速器制动转矩，如图4(b)和4(c)；
当车辆需要紧急制动时，如图4(d)所示，步进电机8快速带动第一保持环4和第二保持环5转到最大角度，使扰流板3完全收起不阻隔循环流道，流道循环圆有效直径可在极短时间内达到最大，达到最大制动效果。
扰流板3的具体形状如图5所示，优选地扰流板3的内轮廓线9(即与液力缓速器轮轴相对的端面的轮廓线)为直线，内轮廓线9和外轮廓线10之间的最大距离小于两个支撑架的宽度，保证其在收起时能够收到支撑架内部，不会遮盖流道，如图4(d)所示。为使其在展开时能够完全遮盖流道，其内轮廓线与液力缓速器轮腔流道内圆对应位置相切，由此当扰流板3全部展开时，十二个扰流板3内轮廓线正好包围液力缓速器轮腔流道内圆一圈，如图4(a)所示。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统，其特征在于：所述液力缓速器定轮与动轮间的工作腔处于全充液状态；该制动转矩控制系统包括：
用于调节液力缓速器定轮与动轮间的工作腔循环流道过流通道直径的虹膜变径机构；
用于为虹膜变径机构运动提供动力并控制其运动行程的控制单元；
所述虹膜变径机构包括：第一支撑架(1)、第二支撑架(2)、第一保持环(4)、第二保持环(5)和2N个扰流板(3)，N为大于等于2的整数；所述第一支撑架(1)和第二支撑架(2)同轴固接在液力缓速器的定轮或动轮上；2N个扰流板(3)位于两个支撑架之间，且沿支撑架的周向均匀分布；每个扰流板(3)上均固定有一个直线滑块(6)；其中N个扰流板(3)分别通过与之固接的直线滑块(6)与第一支撑架(1)上的N个直线滑道滑动配合；另外N个扰流板(3)分别通过与之固接的直线滑块(6)与第二支撑架(2)上的N个直线滑道滑动配合；所述直线滑道沿其所在位置与液力缓速器轮轴同心圆相切的方向设置；与第一支撑架(1)对应的N个扰流板和与第二支撑架(2)对应的N个扰流板交错设置；
在两个支撑架相对的端面上均设置有用于放置保持架的凹槽，其中位于第一支撑架(1)端面凹槽内的保持架为第一保持架(4)，与第一支撑架(1)配合的N个扰流板分别与第一保持架(4)固接；位于第二支撑架(2)端面凹槽内的保持架为第二保持架(5)，与第二支撑架(2)配合的N个扰流板分别与第二保持架(5)固接；两个保持架与两个支撑架同轴，保持架和与之对应的支撑架间隙配合；
所述控制单元固定在第一支撑架(1)或第二支撑架(2)上，用于带动所述第一保持环(4)和第二保持环(5)绕其轴线同步转动，当两个保持环转动时，与保持环固接的扰流板沿相同轨迹转动，当所述扰流板转动时，2N个扰流板所形成的环形结构的口径发生改变，进而改变所述循环流道过流通道直径。
2.如权利要求1所述的用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统，其特征在于：当所述扰流板全部展开时，2N个扰流板所形成的环形结构的口径与所述液力缓速器循环流道小径相同，隔断所述液力缓速器动轮与定轮之间的循环流道；当所述扰流板全部收起时，2N个扰流板所形成的环形结构的口径与所述液力缓速器循环流道大径相同，不阻隔所述液力缓速器动轮与定轮之间的循环流道。
3.如权利要求1或2所述的用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统，其特征在于：所述控制单元包括：步进电机和传动机构，所述步进电机通过传动机构为两个保持架提供驱动力矩。
4.如权利要求3所述的用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统，其特征在于：所述传动机构包括两个同轴固接的齿轮，两个保持环的外圆周面分别设置有与两个所述齿轮啮合的外齿，步进电机驱动两个齿轮同步转动，带动两个保持环同步转动。
5.如权利要求1或2所述的用于液力缓速器的虹膜式制动转矩控制系统，其特征在于：所述扰流板的内轮廓线与所述液力缓速器轮腔流道内圆对应位置相切；且所述扰流板内轮廓线和外轮廓线之间的最大距离小于支撑架的宽度。
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