CN1187882C - 涡流激励制动设备的冷却 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡流制动设备，其包括至少一个热交换器，用于消散在制动时由涡电流产生的热能，其特征在于，每个热交换器被安排用于形成一个设定的冷却液流道，用于最小化负载损失并最大化流过交换器的冷却液的流量，从而减小热交换器的工作温度的变化，所述设备包括两个对称的热交换器，其水的入口(72、73)、回路和出口(75、76)对称布置，从而消除由冷却液产生的作用力，并最小化相应的残余扭矩。

Description

涡流激励制动设备的冷却

技术领域

本发明涉及一种涡流制动设备，这种类型的设备包括至少一个热交换器，用于消散在制动时因涡流而产生的热能。

技术背景

为测量发动机的效能，特别是热机的效能，可使用与热机输出轴相连的制动设备。

在涡流制动设备中，带齿的转子由要测试的热机输出轴驱动。被驱动旋转的带齿转子包括位于周边的齿，所述齿切割由一线圈产生的磁力线。转子齿对磁力线的切割和在齿侧面和附近的金属部分之间的间隙使得在带齿转子各侧的传导材料中产生涡电流。这些涡电流在该材料中产生很多热能，因而有必要进行冷却以便消除由涡电流产生的热能。

为此，按已知的方式，将热交换器置于带齿转子的两侧：这些热交换器由冷却液的强环流来冷却。

考虑到因涡电流产生的强制动作用，可以认为涡流制动就象一种将制动机械能转化为热能的设备，而这些热能应消散到热交换器中。这些热交换器，在要测试的热机的转速和尤其是负载变化时，经受很大的温度变化：也就是，在热机的转速和负载上升时，热交换器的材料经受温度从20℃到400℃的跃升。这种温度跃升导致交换材料的热疲劳，这导致出现破裂和交换器的快速损坏。

已提出许多涡流制动用的热交换器系统或原理，但直至现在也没有得到可长时间使用的、足够的耐用性和稳定性。

机械的、热力的和液动力的应力导致了一种优选类型的交换器，其中，冷却液的流道引起大的负载损失，以致于不可能增加穿过这些交换器的液体流量。

一般地，作为优选冷却液，使用冷却水。这些冷却水通过一个位于交换器周边的入口进入，并通过一个位于交换器中央处的出口流出。

发明内容

本发明的第一目的是，提出一种涡流制动用的热交换器的新设计，使得能增加冷却水流量，并因而降低交换器材料经受的温度值。

本发明的第二目的是，使涡流制动设备可长时间地工作，从而改善这些设备的可用性和使用寿命。

本发明的第三目的是，当冷却液在交换器中流动时，减少其遭受的负载损失。

本发明的第四目的是，提出一种涡流制动设备的构造；其中，由于冷却水环流引起的扭矩的减小，发动机扭矩的测量质量和精度增加。

本发明的第五目的是，提出一种热交器的构造，其可代替公知类型的涡流制动用的热交换器。

本发明的主题是，一种涡流制动设备，该类型的设备包括至少一个热交换器，用于消散在制动时由于涡电流产生的热能，其特征在于，热交换器被安排用于形成设定的冷却液流道，以便最小化负载损失并最大化穿过交换器流动的冷却液流量，进而减小热交换器工作温度的变化。

本发明的设备包括两个对称的热交换器，其水的入口、回路和出口对称布配，从而消除冷却液的流动产生的作用力并因此最小化相应的残余扭矩。

本发明的其它特征为：

冷却液的流道被设定用于使冷却液的环流基本恒定地按同一卷绕方向进行。

冷却液的流道可具有多种截面，比如，矩形形状的截面或矩形和半环形形状的截面，它们由连接通道相互连通；或者，另一种形式，冷却液的流道可大致形成为螺旋形状。

在另一实施例中，冷却液的流道可至少部分地由一个截面基本恒定的管子卷曲而成。

在两个交换器的每一个中的液体环流优选地基本上绕转子的转轴进行，在所述两个交换器中的环流方向是相反。

附图说明

借助于以下的、参考附图的作为非限制性例子的描述，可更好地理解本发明，其中，

图1示意性地示出一个涡流制动设备的透视图，

图2示意性地示出一个通过涡流制动设备的带齿转子的转轴的垂直平面的局部剖视图，

图3示意性地示出一个涡流制动设备的按图1和图2的箭头III方向的正视图，

图4示意性地示出一个涡流制动设备用的公知类型的热交换器的一个部分正视图和一个按线IV-IV的剖视图，

图5示意性地示出一个本发明的热交换器的按线V-V的局部正视剖切图，

图6示意性地示出一个随要测试的热机的转速变化的温度曲线比较图表，

图7示意性地示出本发明的另一热交换器的一个部分正视图和一个按线VII-VII的局部剖视图，

图8示意性地示出一个本发明的、带有两个热交换器的涡流制动设备的剖视图，

图9示意性地示出一个本发明的、带有对称的两个热交换器的涡流制动设备的透视图，

图10示出一个供应压力对扭矩测量的影响的图表，

图11示出一个本发明的热交换器的设备的平面图。

具体实施方式

参照图1至3，功能等价元件或同一元件由同一参考数字标记。

在图1中，一个涡流制动设备安装在两个组合件1和2上，所述组合件形成转动轴承。每个轴承1或2包括一个固定在基架上的底板1a或2a和一个支承件1b或2b。所述支承件1b和2b构成支承所述设备主体的振动轴承(paliers oscillants)。

所述主体3包括一个伸出装置4，该伸出装置4由一个抗转臂构成，所述抗转臂借助于一个测力传感器与一个同不动基架连在一起的元件5相连，所述测力传感器可测定由涡流设备产生的制动扭矩。

一根用于与热机相连接的轴7自由转动地安装在所述设备的主体3的内部，其通过一个后端和一个前端8伸出主体之外，所述前端8构成与未示出的热机相连接的盘件。

一个周边折冷却水入口9可供水给主体内部的热交换器，同时一个处于主体3中心附近的出口可以排出该冷却水。优选的是，所述设备包括两个水入口9和两个水出口10：冷却水入口9相互连通并连向一个共同的供应器11，而水出口10相互连通并连向一个共同的供应口12。

由于冷却水入口9和冷却水出口10位于不同半径处，并且相对于入口半径和出口半径倾斜一个较大角度，约45°角，残余扭矩就会因冷却水环流而出现。

在没有要测量的发动机情况下，由测力传感器6测出的扭矩值随水的压力、流量和热交换器的内部热量的损失而变化。在对要测量的发动机扭矩的接下来测量过程中，该残余扭矩实际上导致一个测量误差。

在图2上，连接未示出的热机的轴7带有一个齿轮13，借助于固定在支持件1b上的测速传感器可测定旋转速度。连接着未示出的热机的轴7可自由转动地安装在滚动轴承15a、15b、15c上，并还带有一个转子16，所述转子16由所述轴驱动旋转，并带有齿16a，所述齿16a切割由位于周边的磁线圈产生的磁力线。所述制动设备的主体3振动地安装在轴承1和2上，并带有两个轻合金制成的中间部件18和19和两个由一个柱形部件22分隔的、支承线圈17的盘体20和21。所述盘体20和21用于支撑两个位于转子16两侧的交换器23和24，所述转子在测试热机时由轴7来驱动旋转。

当由所述磁线圈17产生的磁力线被由要测试的热机驱动的齿形转子切割时，涡流主要在交换器23和24的材料中发展，所述材料的温度会迅速升高。

反作用地施加在设备的主体3上的反向扭矩通过测量施加于测力传感器的力来确定，所述测力传感器位于与所述伸出装置相隔一公知距离处，所述伸出装置形成一根公知的径向杠杆臂。这也给出驱动轴7旋转的热机的发动机扭矩，而热机的转速由放置在齿轮13对面的测速传感器测定。测出发动机扭矩和发动机转速就可马上确定正在实验的热机的功率。

考虑到交换器23和24的材料的升温，这些交换器具有很厚的厚度和具有设定截面的矩形流道，在相继的升温和冷却过程中，用于减小机械变形，并用于保持R等的良好稳定性。

虽然本发明是参照一个带有径向朝外的柱形分隔件22的设备来描述，但本发明并不仅限于该特定实施方式，而是还包括所有其它类型的涡流制动设备，比如包括两个放置在主体之外的线圈的、并可排出限围在所述转子的齿顶处的空气的设备。

从图2和图3上可看出，轴的伸出端由一个用合适螺纹固定的螺帽25来保护。

参照图4，公知类型的热交换器的部件23a用实线表示，而其盖板23b用虚线表示，所述盖板也可直接制在板件20和21上。部件23a优选通过机加工制在厚度很厚的板件上，使其具有用于固定并定位到构成盖子的板件23b上的孔，并使之其有水环流用的矩形流道31。

水入口和水出口位于同一直径上：水入口9位于最靠外的圆环槽的径向线上，而水出口10位于最靠内的圆环槽上。水通道的每个环槽通过一个制在分隔壁33中的通道32连接到随后的水通道环槽上，从而形成冷却水用的半圆形流道。

水由此通过入口9进入，流量的每一半分配在第一环槽的每一部分内，用于经过一个的半流程，两个的半份水在第一通道32处汇合，并再对半分配给随后的环槽31中的随后的半流道，接下来也是如此，直至水的出口10。该实施方式可获得一种对热膨胀引起的重复变形具有良好刚性和良好稳定性的热交换器结构。水环流还能反向进行，也就是说，由位于最靠近中心的环槽上的通道10进入，并由位于最靠外的环槽9流出。但是，这种环流方式具有一个缺点：在每个交换器的半流程上流进大约一半的总水量，并还具有一个缺点：当在每个通道32处水流方向改变时负载损失很大。这导致在交换器中可接受的冷却水量受到限制，因为试图增加水流会很快引起流动紊乱，而这在要测试的热机的负载或转速迅速上升时并不能使冷却交换目的效果更好。

当试着通过让水由通道10中进入并由通道9流出来使环流方向反过来时，也会遇到这些缺点。

参照图5，一种交换器的部件40可用于替换公知类型的部件23a，以便与一个公知类型的盖板23b一起构成本发明的交换器。

本发明的交换器的部件40构成用于形成冷却水的预定流道，以便相对于图4所述的公知交换器而言最小化负载损失，并最大化穿过交换器的冷却水流量，从而减小交换器的工作温度的变化。

为此，本发明的交换器的部件40带有多个矩形截面的圆形流道41。

圆形流道41因而至少局部地具有一种截面为矩形或矩形和半圆环形的圆环形状。

本发明提出一种安排用于最小化负载损失的冷却水流道，因为冷却水环流基本上在同一流动方向上恒定地进行。为此，由圆形流道41形成的环形截面，借助于冷却水在通道42，42a、42b中流过，以形成在同一流动方向上恒定的环流方向的方式相连。通道42是一些通过按冷却水流动方向取向来加工制成在实体肋上的通道，从而最小化负载的损失。通道42加工在肋的整个高度上。通道42a和42b加工在肋43a的一半高度上，且也按冷却水流动方向加工。每个通道42a和42b被形成用来让在一个环槽41中流动的正常水量的大约一半通过。

与图4中固定和定位用的孔30一样的固定孔44也安排用于让本发明的交换器的部件40与公知的部件23a互换。

为了避免冷却水的逆流环流，优选地用设置在通道42附近的销柱45堵塞环形流道41。

销柱45优选紧密配合在为此目的提供的机加工孔或钻孔中，要强调的是，由置于相应流道41中的每一销柱实现的封塞在流道41的几乎整个高度上起作用。

因此，由于本发明，一个涡流制动用的热交换器可简单地实现，其方式为，环形加工出槽41，斜向铣削出通道42，42a和42b，并用柱形销45封塞加工在厚度大的板件上的流道。

冷却水比如由一个位于与如图1至4所述的水入口9相同位置的水入口46进入，并比如由一个位于与如图1至4所述的水出口10相同位置的出口47流出。

还可考虑到一种逆向水环流方向、类似于图5的实施例，而没有超出本发明的范围。

参照图6的比较图表，其示出涡流制动设备用的两个热交换器的进口与出口的温度差。

上曲线C是一条用如图4所示的公知类型的交换器来实施的实验曲线，而下曲线I是用如图5所示的本发明的交换器来实施的曲线。

对两条曲线的比较清楚地显示，在恒定负载情况下，发动机转速从1500转/分钟增加到6000转/分钟将导致出口和入口温度的增加，即从1500转/分钟的45℃增加到6000转/分钟的105℃。这种温差的变化表明图4所述的公知类型的热交换器中的温升很大。

相反，由于本发明，出口和入口温差从1500转/分钟的30℃直至6000转/分钟的55℃，这很大地减小了由于图6所示的本发明的热交换器的热膨胀引起的疲劳。

这种有利的配置因此可使得采用本发明的交换器的涡流设备的使用寿命更长，原因是本发明的交换器的超长寿命。

本发明不仅仅包括那些带有本发明的热换器的涡流制动设备的情况，而且也包括那些涡流制动设备用的、被认为是公知类型的交换器的构件替换或变换的热交换器。

参照图7，涡流制动设备用的热交换器的本发明的另一实施方式包括一个弯曲成螺旋形的方管或矩形管51构成的部件50。

优选的是，管51具有大于2毫米的厚度，从而在弯曲时具有好的刚性和小的变形。

为避免螺旋管侧壁的各种变形，有利的是，在螺旋状的卷曲管两侧配置两个厚支撑盘52和53。本发明的这种热交换器具有制造简单、经济的优点，同时能让总水量流过，并最小化流通时的负载损失。为进一步减小负载损失，可配置一个基本与螺旋状卷曲相切的水入口54和一个基本上与所述螺旋状卷曲外径相切的冷却水出口55。

还可逆转环流方向而没有超出本发明的范围。

最后，为实现螺旋状的水流道，可通过数控机床直接在很厚的板件上加工出螺旋状的槽。

但是，这种加工非常复杂，因为加工的深度远高于槽的加工宽度。

加工后余下的螺旋状的槽应具有这样的外形，即具有很结实的基底，以便在交换器的热环流过程中避免任何破裂。

参照图8，本发明的涡流制动设备包括两个水环流用的螺旋状的本发明的热交换器。

所述两个热交换器优选为一样的，以便减少制造费用，并放置在转子16的各侧，其中一个相对于另一个绕一基本上垂直于设备的轴60的轴转过180°。优选地，它们相对于一个通过转子16的中心A的垂直轴相互对称。在所述两个交换器中的冷却水环流的方向因而相反，这使得因所述两个交换器中的水环流而施加在所述制动设备上的力和扭矩基本上两两抵消，而这些力或扭矩会造成两个交换器之间的负载损失差。

第一交换器的水入口56和第二交换器的水入口57相对于一个基本垂直于转子16的转轴60的垂直平面相互对称。同样，第一交换器的水出口58和第二交换器的水出口59相对于该平面对称。

由于交换器的水出口和水入口的力对称，并由于在两个交换器中的水环流对称，没有任何显著的残余扭矩由安装在基本水平的抗转臂61和未显示的与基架相连的元件63之间的测力传感器62测到。

具有对称的螺旋状的冷却回路的、本发明的交换器的水出口58、59和水入口56、57的有利配置要求一种使用数控机床对螺旋状槽的复杂加工。

参照图9，本发明的设备的另一实施方式包括两个相对于一个基本穿过所述转子16的中心A的垂直轴相互对称的热交换器。

该设备包括一个供给第一交换器的入口72和第二交换器的入口73的水供应箱71和一个接收第一交换器的水出口75和第二交换器的水出口76排出的水的排水箱74。水入口72和73相对于一个基本穿过转子16中心A的垂直轴相互对称。同样，水出口74和75相对于该基本穿过转子16中心A的、并垂直于未显示的抗转臂的测量平面的轴对称。

箱体71和74互连地安装并固定在一个未显示的支承件之上的安装板77上。

冷却水回路的对称配置是为了消除扭矩随压力、水流量和相应的负载损失而变化。

参照图10，该比较图表显示，在没有要测量的热机的情况下，由测力传感器测出的设备的残余扭矩随冷却水供应压力而变化。

当供应压力从0.1Mpa变到0.3Mpa时，相应于公知类型的设备的曲线C_R表明残余扭矩将从+1.18Nm变为-1.35Nm，由测力传感器测得的变化值为2.53Nm。

相反，当供应压力从1巴变至3巴时，相应于图9所示的本发明的设备的曲线I_R表明残余扭矩将从-0.1Nm变至-0.12Nm，由测力传感器测得的变化值为0.02Nm。

参照图11，图9所示之类的、本发明的设备所用的、本发明的交换器包括一个部件80，其被安排用于在流道81a至81e中，沿对应于环流箭头的弯卷方向，形成冷却水的预定流道。

流道81a至81e至少局部地具有一种带矩形截面或带矩形和半环形截面的环槽形状。

圆形流道81a至81e通过加工在相继两流道间的实体肋中的通道82a至82d相连。

因此，通过一个径向内入水口83进入的、并由比如图9的入口72供应的冷却水，通过穿越通道82a至82d在同一卷绕方向上流经流道81a至81e，并通过径向外出水口84流出，以便注入比如图9的出口75中。水的环流还可逆向进行，也就是，通过径向外通道84进入和径向内通道83流出，这没有超出本发明的范围。

为最小化水入口83和水出口84的垂直投影分隔距离d，使封堵用的销柱的位置85a至85e沿比如垂直方向，径向对齐。

使距离d最小，可使所述的包括图11的两个对称交换器的图9的设备的液动力工作模式接近图8的交换器的液动力工作模式，以便在没有要测试的热机情况下，象参照图10所述的那样，使设备的残余扭矩I_R的变化可忽略。

但是，如图11所示的最小距离d的获得，需要将通道82a至82d的宽度做得比流道81a至81e的宽度小；虽然相对于图5的通道的加工宽度的改变会因水的流速增加而局部地改变液动力状态，并增加交换器的总负载损失，但是，相对于所获得的残余扭矩的减小和要测量的热机的扭矩的测量质量和精度的增加来说，这种变化不构成显著的缺点。实际上，测量精度接近于观察到的残余扭矩变化：因此，由于本发明，该精度比现有技术精度要高出约十倍至一百倍。

参照多个特定实施方式所述的本发明是完全没有对其进行限制，而相反，它将所有形状的修改和所有实施变换包括在本发明的思路和范围内。

Claims (10)

1.制动设备，所述制动设备在其转子(16)的两侧包括所述的两个热交换器，用于在制动时消散热能，每个热交换器被安排用于形成一个设定的冷却液的流道(41、51、81a-81e)，用于最小化负载损失和最大化流过交换器的冷却液流量，从而减小热交换器的工作温度，所述交换器(40、50、80)对称布置，所述的两个交换器的水的入口(56、57；72、73)，回路和出口(58、59；74、75)对称布置，在所述的两个交换器(40、50、80)中的冷却液绕所述转子的转轴(60、70)流动，其特征在于，在使用中，使冷却液在所述两个交换器中按相反方向流动，用于消除冷却液流动造成的作用力，并最小化相应的残余扭矩，所述设备是一种涡流制动设备，所述热能由涡电流产生。

2.按权利要求1所述的制动设备，其特征在于，在一个交换器中的冷却液的流道(41、51、81a-81e)被设定用于使冷却液按同一卷绕方向恒定地进行。

3.按权利要求1或2所述的制动设备，其特征在于，冷却液的每一个流道(41、81a-81e)包括多个由连接通道(42、42a、42b、82a-82b)相互连通的部分(41、81a-81e)。

4.按权利要求1或2所述的制动设备，其特征在于，冷却液的每个流道(51)为螺旋形。

5.按权利要求1或2所述的制动设备，冷却液的每个流道至少部分由机加工来实现。

6.按权利要求1或2所述的制动设备，其特征在于，冷却液的每一流道(51)至少部分地由一个具有恒定截面的管(51)卷绕而成。

7.按权利要求1或2所述的制动设备，其特征在于，所述的两个交换器是相同的。

8.按权利要求1或2所述的制动设备，其特征在于，所述设备用于进行发动机的扭矩测量，所述设备包括一个用作支持所述交换器的主体(3)和一根轴(7)，所述轴相对于所述主体转动地安装，并用于与所述发动机连接从而由其来驱动，所述轴支承所述转子(16)，所述主体被振动地安装，并包括一根抗转臂，所述抗转臂借助于测力传感器(6)连于一个不动基架(5)上，从而通过测量一个施加在所述测力传感器上的力来确定施加在所述主体上的反扭矩，带有一个由所述残余扭矩产生的近似测量误差的所述反扭矩由此给定所述驱动所述轴的发动机的扭矩。

9.按权利要求1或2所述的制动设备，其特征在于，所述两个交换器相对于一个垂直于所述转轴的对称轴对称地布置。

10.按权利要求9所述的制动设备，其特征在于，两个交换器的所述入口(56、57；72、73)和相应的所述出口(58、59；74、75)相对于所述对称轴对称。

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