一种剪切增稠磁流变液复合制动缓速器及其控制方法

1.本发明涉及汽车剪切增稠磁流变液缓速器技术领域，具体涉及一种剪切增稠磁流变液复合制动缓速器及其控制方法。


背景技术：

2.由于山区弯道多道路陡，长期跑山路的长途客车、卡车等中重型车辆经常遇到下长坡的工况，因此商用车辆一直向着高速重载方向发展。由于车辆载重能力的提高、行驶速度的增加，以致车辆的制动负荷也随之加大，车辆需要经常进行持续制动，导致制动系统经常出现故障。如果这些制动负荷全部由车辆自身的制动系统承担，不但可能会造成制动性能下降，更可能因为频繁制动导致的制动鼓和刹车片过热，从而引发汽车跑偏、侧滑失稳和追尾等一系列事故。
3.缓速器作为车辆的辅助制动装置，通过加装在车辆的传动系统上，将车轮制动器的负荷进行分流，保证主制动的散热性能，降低主制动器的工作磨损。目前车辆使用的辅助制动装置主要有液力缓速器、电涡流缓速器和磁流变盘式缓速器。液力缓速器结构复杂、成本高、响应慢，且油耗较大。电涡流缓速器尺寸庞大、机体沉重，制动时对电力的需求量大，受周围环境温度影响较大，散热性能不佳；此外，电涡流缓速器要在车速达到一定值之后才起作用，辅助制动的速度空间受限。磁流变盘式缓速器无论是利用磁流变液的剪切力而产生阻力，还是依靠摩擦产生阻力，随着磁场强度的不断增大，缓速效果逐渐增大；但是随着磁场强度继续增大后，缓速能力上升比较慢，使得制动效能降低，能量利用率低下；同时产生了磨损，带来了散热解决困难等问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种剪切增稠磁流变液复合制动缓速器及其控制方法，具有能耗小、制动力矩大、工作稳定性高、散热性能好等特点。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种剪切增稠磁流变液复合制动缓速器，包括：
7.缓速器本体，包括转子、壳体、缓速器空心输入轴和线圈；所述转子位于壳体内部，且与壳体之间形成工作腔，所述工作腔内充有高分子液体；所述缓速器空心输入轴依次穿入壳体和转子，且所述转子与缓速器空心输入轴固定连接、所述壳体与缓速器空心输入轴转动连接；
8.所述线圈嵌入式安装在壳体内，且沿转子外圆周轴向布置；所述线圈由车载电源供电；
9.所述缓速器空心输入轴通过离合器与传动轴连接。
10.上述技术方案中，所述转子包括两连接圆板以及均匀设置在两连接圆板之间的多个扇叶，所述扇叶外周与工作腔内侧壁之间留有工作腔流通通道，所述扇叶上均匀开设有两条贯穿扇叶本体的变截面流通通道，所述变截面流通通道的截面面积从转子转动方向一
侧由大变小。
11.上述技术方案，还包括：
12.散热系统，包括散热器、变频调速水泵、电动机及冷却水流道；所述扇叶最外侧部分内部、缓速器空心输入轴内部以及壳体内部均开设有冷却水流道，缓速器空心输入轴内部的冷却水流道与扇叶最外侧部分、右壳体内部的冷却水流道连通；
13.所述变频调速水泵、缓速器空心输入轴上的进液口、冷却水流道、壳体上的出液口以及散热器通过管路连通；
14.所述电动机与变频调速水泵电连接。
15.上述技术方案，还包括：
16.电子控制系统，包括车辆控制器、缓速器控制器、工作腔温度传感器和水温传感器，所述工作腔温度传感器设置在工作腔内，所述水温传感器设置在出液口旁，所述工作腔温度传感器和水温传感器采集的信息均传输给车辆控制器，所述缓速器控制器分别与电动机、车载电源和车辆控制器连接。
17.上述技术方案中，所述散热系统还包括散热风扇，所述散热风扇同轴布置在缓速器空心输入轴上。
18.上述技术方案中，所述线圈外缘设有隔磁环。
19.一种剪切增稠磁流变液复合制动缓速器的控制方法：
20.步骤(1)：判断是否有缓速信号输入：
21.若有信号输入，则执行步骤(2)；
22.若没有信号输入，车辆正常行驶，离合器不工作；
23.步骤(2)：判断是否有复合制动信号输入：
24.若有信号输入，则执行步骤(3)；
25.若没有信号输入，则线圈不通电，缓速器进行单一制动，并执行步骤(4)；
26.步骤(3)：判断是否有恒速信号输入：
27.若有恒速信号输入，线圈通电，将线圈开始工作时的实时车速设为设定值，并执行步骤(5)；
28.若没有恒速信号输入，线圈通电，判断滑移率是否大于设定值：若滑移率大于设定值，则通过调节线圈的电流，进而调节制动力矩，直至滑移率小于设定值；反之，则维持线圈的电流大小，执行步骤(1)；
29.步骤(4)：判断当前制动力矩是否满足缓速制动需求：
30.若满足缓速制动需求，则维持当前的单一制动，并判断缓速工况是否结束，若结束，则执行步骤(6)；若未结束，缓速器进行单一制动，并判断缓速工况是否结束，直至缓速工况结束；
31.若不满足缓速制动需求，则执行步骤(3)；
32.步骤(5)：继续采集实时车速，并判断实时车速是否等于设定值：
33.若实时车速等于设定值，判断缓速工况是否结束：结束则执行步骤(6)，反之则继续采集实时车速并判断实时车速是否等于设定值；
34.若实时车速不等于设定值，判断缓速工况是否结束：结束则执行步骤(6)，反之则调节线圈(15)的电流大小，继续采集实时车速并判断实时车速是否等于设定值；
35.步骤(6)退出制动工况。
36.进一步地，所述缓速器能与车辆主制动器进行联合制动控制，具体为：
37.步骤(1)：判断实时车速是否大于最低设定值v1：
38.若实时车速大于最低设定值v1，则执行步骤(2)；
39.反之则进行联合制动控制，此时缓速器进行单一制动，主制动器根据需求人为调节其制动力大小，并执行步骤(3)；
40.步骤(2)：判断实时车速与设定值v2、v3的关系：
41.若实时车速小于等于v2，则执行步骤(4)；
42.若实时车速大于v2但小于v3，则执行步骤(5)；
43.若实时车速大于等于v3，则执行步骤(6)；
44.步骤(3)：判断各车轮的滑移率是否达到门限值：若滑移率达到门限值，则触发abs防抱死系统介入工作，保证各车轮的滑移率低于门限值；反之则保持当前制动模式，并执行步骤(9)；
45.步骤(4)：主制动器不介入工作，缓速器进行复合制动，根据制动需求调节线圈的电流大小对制动力进行无级调节，并执行步骤(7)；
46.步骤(5)：车辆进行联合制动控制，同时缓速器进行复合制动，根据制动需求调节线圈的电流大小对制动力进行无级调节，主制动器根据需求为人调节其制动力大小，并执行步骤(8)；
47.步骤(6)：车辆进行联合制动控制，同时缓速器进行复合制动，向线圈输入最大电流，缓速器输出最大扭矩，并执行步骤(8)；
48.步骤(7)：判断各车轮的滑移率是否达到门限值：若达到门限值，则调节线圈的电流大小，直到滑移率低于门限值；反之则保持当前制动模式，并执行步骤(9)；
49.步骤(8)：判断各车轮的滑移率是否达到门限值：若达到门限值，则对与达到门限值的轮胎相对应的abs电磁阀进行保压，同时调节线圈的电流，降低制动扭矩，直到滑移率低于门限值；反之，则保持当前制动模式，并执行步骤(9)；
50.步骤(9)：判断制动工况是否结束，若已结束，则关闭联合制动控制，反之则执行步骤(1)。
51.进一步地，缓速器制动时，进行温度监控与保护，具体为：
52.步骤(1)：检测到缓速信号输入，工作腔温度传感器和水温传感器实时采集工作液、冷却液的温度信号；
53.步骤(2)：判断工作液温度与设定值t1、t2和t3的大小关系：
54.当工作液温度小于等于t1时，执行步骤(3)；
55.当工作液温度大于t1且小于等于t2时，执行步骤(4)；
56.当工作液温度大于t2且小于t3时，执行步骤(5)；
57.当工作液温度大于等于t3时，执行步骤(6)；
58.步骤(3)：电动机不开启，变频调速水泵不工作；
59.步骤(4)：由电动机控制变频调速水泵自适应调节工作；
60.步骤(5)：警报灯亮起，控制变频调速水泵以最大功率进行工作，并控制车载电源减小线圈中的电流；
进液口；27-电动机；28-缓速器控制器；29-车载电源；30-信号线；32-车辆控制器；33-密封圈。
具体实施方式
78.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
79.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
80.如图1、2所示的本发明一种剪切增稠磁流变液复合制动缓速器，包括缓速器本体、电子控制系统以及散热系统。该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，本实施例仅以布置在变速器输出端为例进行描述。
81.如图2所示，缓速器本体包括转子4、壳体7、缓速器空心输入轴5、工作腔8、高分子液体9、线圈15和隔磁环16，壳体7分为左壳体7-1和右壳体7-2两部分，且两部分之间通过大密封圈19进行密封；其中左壳体7-1上端开有出液口13。转子4位于壳体7内部，且与壳体7之间形成工作腔8，工作腔8内充有的高分子液体9作为工作液，壳体7上设有密封注液螺塞14，密封注液螺塞14与工作腔连通，用于加注高分子液体9；高分子液体9是用聚乙二醇peg200与二氧化硅为基质，再溶入羰基铁粉，羰基铁粉为微纳米级；高分子液体9的工作温度在-40℃至160℃之间。缓速器空心输入轴5依次穿入壳体7和转子4，且缓速器空心输入轴5与壳体7之间设有密封圈33；转子4与缓速器空心输入轴5固定连接，缓速器空心输入轴5左侧穿出左壳体7-1且与左壳体转动连接(本实施例中利用左轴承17连接)，右侧穿入右壳体7-2与右壳体转动连接(本实施例中利用右轴承18连接)。缓速器空心输入轴5左端通过增速齿轮副20连接离合器3，离合器3与传动轴1通过齿轮系2连接，动力经传动轴1、离合器3传至增速齿轮副20，缓速器空心输入轴5由增速齿轮副20带动旋转。如图2所示，线圈15嵌入式安装在壳体7内，且沿转子4外圆周轴向布置，线圈15外缘设有隔磁环16，隔磁环16将磁场禁锢在工作腔8内。线圈15由车载电源29供电，当缓速器控制器28输出线圈15通电指令时，车载电源29向线圈15供电使其在工作腔8内建立磁场。
82.如图2、3、5所示，转子4包括左连接圆板4-1、右连接圆板4-2和扇叶4-3，左连接圆板4-1、右连接圆板4-2和扇叶4-3均固定在缓速器空心输入轴5上，左连接圆板4-1和右连接圆板4-2之间均匀设置多个扇叶4-3，扇叶4-3的个数至少为4；扇叶4-3的外周与工作腔8的内侧壁之间留有工作腔流通通道10，扇叶4-3上均匀开设有两条贯穿扇叶4-3本体的变截面流通通道11，变截面流通通道11的截面面积从转子4转动方向一侧由大变小；扇叶4-3最外侧部分内部、缓速器空心输入轴5内部以及壳体7内部均开设有冷却水流道12，缓速器空心输入轴5内部的冷却水流道12与扇叶4-3最外侧部分、右壳体7-2内部的冷却水流道12连通。
83.如图1所示，电子控制系统包括车辆控制器32、缓速器控制器28、工作腔温度传感器21、水温传感器22。缓速器控制器28通过信号线30依次与电动机27、变频调速水泵23连接，通过接收车辆控制器32的指令，控制变频调速水泵23开闭以及调节流量大小。车辆控制器32、缓速器控制器28与车载电源29之间通过信号线30连接，车辆控制器32判断是否需要给线圈15通电，若有通电需求则给缓速器控制器28发送相应的指令，继而缓速器控制器28控制车载电源29输出到线圈15的电流大小(电流大小的控制为现有技术)，达到控制工作腔8内磁场强度的控制效果。工作腔8内设置工作腔温度传感器21，工作腔温度传感器21连接车辆控制器32，工作腔温度传感器21用以检测工作液的温度。水温传感器22设置在出液口13旁，与车辆控制器32连接，用于监测流出缓速器本体的冷却液温度，确保其处于正常温度下，保证散热器24的良好散热性能。
84.如图1所示，散热系统包括散热器24、散热风扇6、变频调速水泵23、电动机27、冷却水管路25以及内部冷却水流道12，其中散热器24固定在壳体7上，散热风扇6同轴布置在缓速器空心输入轴5上，带动气流对散热器24散热。如图3所示，内部冷却水流道12布置在缓速器空心输入轴5、转子4、壳体7内部，通过设置在缓速器空心输入轴5上的进液口26和壳体7上的出液口13与冷却水管路25连接形成闭环。如图4和图5所示，冷却液在冷却水流道12中流动的路线为：冷却液自缓速器空心输入轴5内空心部起，依次经左连接圆板4-1空心部、扇叶4-3空心部、右连接圆板4-2空心部至右壳体7-2空心部，再逆流回左壳体7-1空心部，最后到达出液口13。进液口26经冷却水管路25依次连接变频调速水泵23、散热器24、出液口13，变频调速水泵23布置在冷却水管路25上且靠近进液口26的位置，其作用是将散热器24中已经冷却的冷却液经进液口26泵入冷却水流道12中，使冷却水在冷却水管路25、冷却水流道12、散热器24中循环流动，达到在工作腔8核心区域对工作液进行冷却的目的。电动机27经信号线30连接缓速器控制器28和变频调速水泵23，驱动变频调速水泵23工作。
85.一种剪切增稠磁流变液复合制动缓速器的工作原理：缓速器工作时，离合器3将传动轴1与缓速器空心输入轴5接合，传动轴1带动缓速器空心输入轴5、散热风扇6和转子4工作，转子4转动引起剪切增稠效应，从而产生制动力矩，制动力矩从转子4反馈到传动轴1上，从而给车辆提供制动力矩；当需要进行散热时，冷却液被变频调速水泵23从散热器24中经过冷却水管道25泵入缓速器本体，从而带走缓速器核心区域的热量，降低其温度，并最终回流至散热器24中完成循环冷却。
86.一种剪切增稠磁流变液复合制动缓速器可以实现单一制动工况和复合制动工况：线圈15不通电，仅由高分子液体9的剪切增稠效应提供制动力矩，此时为单一制动工况；线圈15通电，通过控制电流大小来改变缓速器内高分子液体9的粘度，间接调节制动力矩，此时为复合制动工况。
87.如图6所示，本发明一种剪切增稠磁流变液复合制动缓速器的控制方法，具体包括以下步骤：
88.步骤(1)：车辆控制器32判断是否有缓速信号输入(缓速信号由驾驶员输入)：
89.若有信号输入，则执行步骤(2)；
90.若没有信号输入，则缓速器控制器28系统复位，车辆正常行驶，车辆控制器32控制离合器3不工作，使缓速器对汽车正常行驶没有任何影响；
91.步骤(2)：车辆控制器32判断是否有复合制动信号输入(缓速信号由驾驶员输入)：
92.若有信号输入，则执行步骤(3)；
93.若没有信号输入，则线圈15不通电，缓速器依靠高分子液体9(剪切增稠液)高速剪切产生的制动力进行单一制动，此时不消耗电能，并执行步骤(4)；
94.步骤(3)：车辆控制器32判断是否有恒速信号输入(缓速信号由驾驶员输入)：
95.若有恒速信号输入，则通过缓速控制器28对车载电源29发出输电指令使得线圈15通电，车辆控制器32通过车速传感器采集线圈15开始工作时的实时车速，并设为设定值，并执行步骤(5)；
96.若没有恒速信号输入，则线圈15通电，车辆控制器32通过采集车速信号和轮速信号(由轮速传感器采集)，并计算各车轮的滑移率(计算的过程为现有技术)，判断滑移率是否大于设定值：若滑移率大于设定值，则缓速器控制器28通过调节线圈15电流，进而达到调节制动力矩的目的，直至滑移率小于设定值(调节过程为现有技术)；反之，则维持线圈15的电流大小，执行步骤(1)；
97.步骤(4)：车辆控制器32判断当前制动力矩是否满足缓速制动需求：
98.若满足缓速制动需求，则维持当前的单一制动，并判断缓速工况是否结束，若结束，则执行步骤(6)；若未结束，则依靠高分子液体9高速剪切产生的制动力进行单一制动，并判断缓速工况是否结束，直至缓速工况结束；
99.若不满足缓速制动需求，则执行步骤(3)；
100.步骤(5)：车辆控制器32通过车速传感器继续采集实时车速，并判断实时车速是否等于设定值：
101.若实时车速等于设定值，则判断缓速工况是否结束，结束则执行步骤(6)，反之则继续采集实时车速，并判断实时车速是否等于设定值，并执行相应的步骤；
102.若实时车速不等于设定值，则判断缓速工况是否结束，结束则执行步骤(6)，反之则调节线圈15的电流大小，继续采集实时车速，并判断实时车速是否等于设定值，并执行相应的步骤；
103.步骤(6)退出制动工况，缓速器控制器28系统复位。
104.为适应各种工况以及保护所述缓速器及车辆主制动器目的，缓速器与主制动器可以进行联合制动，如图7所示，缓速器与车辆主制动器联合制动控制方法包括以下步骤：
105.步骤(1)：驾驶员开启联合制动控制功能，车辆控制器32采集车速信号和各轮速信号并计算各车轮的滑移率，再判断实时车速是否大于最低设定值v1：
106.若实时车速大于最低设定值v1，则执行步骤(2)；
107.反之则进行联合制动控制，此时缓速器开启工作(通过车辆控制器32控制离合器3工作实现)，但线圈15不通电，缓速器进入单一制动工况，主制动器根据需求人为调节其制动力大小，并执行步骤(3)；
108.步骤(2)：车辆控制器32判断实时车速与设定值v2、v3的关系：
109.若实时车速小于等于v2，则执行步骤(4)；
110.若实时车速大于v2但小于v3，则执行步骤(5)；
111.若实时车速大于等于v3，则执行步骤(6)；
112.步骤(3)：车辆控制器32判断各车轮的滑移率是否达到门限值，若滑移率达到门限值，则车辆触发abs防抱死系统，由abs防抱死系统介入工作，保证各车轮的滑移率低于门限
值(此过程为现有技术)；反之则保持当前制动模式，并执行步骤(9)；
113.步骤(4)：主制动器不介入工作，不进行联合制动控制，其中缓速器进行复合制动，线圈15通电，根据制动需求调节线圈15的电流大小对制动力进行无级调节，并执行步骤(7)；
114.步骤(5)：车辆进行联合制动控制，同时缓速器进行复合制动，线圈15通电，根据制动需求对制动力进行无级调节，主制动器根据需求为人调节其制动力大小，并执行步骤(8)；
115.步骤(6)：车辆进行联合制动控制，同时缓速器进行复合制动，车载电源29向线圈15输入最大电流，缓速器输出最大扭矩，并执行步骤(8)；
116.步骤(7)：车辆控制器32判断各车轮的滑移率是否达到门限值，若达到门限值，则调节线圈15的电流大小，直到滑移率低于门限值；反之则保持当前制动模式，并执行步骤(9)；
117.步骤(8)：车辆控制器32判断各车轮的滑移率是否达到门限值，若达到门限值，则对与达到门限值的轮胎相对应的abs电磁阀进行保压，同时调节线圈15的电流，降低制动扭矩，直到滑移率低于门限值；反之，则保持当前制动模式，并执行步骤(9)；
118.步骤(9)：车辆控制器32判断制动工况是否结束，若已结束，则关闭联合制动控制功能，反之则执行步骤(1)。
119.缓速器在制动时，开启温度监控与保护功能，如图8所示，缓速器温度监控与保护功能的控制方法包括以下步骤：
120.步骤(1)：检测到缓速信号输入，车辆控制器32通过工作腔温度传感器21和水温传感器22实时采集工作液、冷却液的温度信号；
121.步骤(2)：车辆控制器32判断工作液温度与设定值t1、t2和t3的大小关系：
122.当工作液温度小于等于t1时，执行步骤(3)；
123.当工作液温度大于t1且小于等于t2时，执行步骤(4)；
124.当工作液温度大于t2且小于t3时，执行步骤(5)；
125.当工作液温度大于等于t3时，执行步骤(6)；
126.步骤(3)：电动机27不开启，变频调速水泵23不工作；
127.步骤(4)：车辆控制器32向缓速器控制器28发出指令，电动机27控制变频调速水泵23自适应调节工作(自适应调节的过程为现有技术)；
128.步骤(5)：车辆控制器32发出指令使警报灯亮起(其中警报灯设置在驾驶室控制面板内)，同时控制变频调速水泵23以最大功率进行工作，并通过缓速器控制器28控制车载电源29减小线圈15中的电流；
129.步骤(6)：车辆控制器32发出指令使警报灯亮起，同时控制变频调速水泵23以最大功率进行工作，同时令离合器3不工作，只有主制动器工作。
130.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。