重型车电涡流缓速器的结构设计机械CAD图纸.docx
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重型车电涡流缓速器的结构设计机械CAD图纸
重型车电涡流缓速器的结构设计
摘要
安全是现代汽车的发展方向。
电涡流缓速器作为辅助制动器的一种，主要安
装在车身底盘下面的传动轴上，他是把汽车行驶时的动能通过传动轴上的缓速
器转化为热量而散发掉，从而实现汽车的减速和制动。
电涡流缓速器主要应用
于重型车和大型客车（公交车）的缓速制动、频繁以及长时间制动，他可以使
车轮制动器的温度大大降低，保证制动蹄片处于良好的技术状态。
电涡流缓速
器能够承担50%~90%的制动工作，将会是汽车必不可少的配备装置之一。
本文首先对电涡流缓速器的制动力矩进行推导，给出了具体的计算公式，并
计算出所设计的电涡流缓速器的制动力矩和制动功率。
其次结合现实生活实际
应用和参照相关技术参数，对电涡流缓速器进行了整体装配以及转子、定子、
法兰、花键轴、固定架及挡环等主要零部件的设计，包括外型尺寸、结构和材
料等。
最后对电涡流缓速器的缓速制动效果、热容量和温升进行了校核，通过
计算所设计的结构和尺寸能够满足要求，得到一个较合理的结构设计。
关键词：
电涡流缓速器；制动；结构设计
StructuralDesignonEddyCurrentRetarderof
Heavy-dutyVehicle
Abstract
Securityisthedevelopmenttendencyofthemodernautomobile.Theelectricityturbulentflowslowfastachievementassiststhebrakeonekind,mainlyinstallsonthechassisfollowingdriveshaft,heisgoesthetimekineticenergytheautomobiletosendoutthroughthedriveshaftonslowfasttransformationforthequantityofheat,thusrealizestheautomobiledecelerationandthebrake.Theelectricityturbulentflowslowfastmainlyappliesintheheavyvehicleandthelarge-scalepassengertrain（publictransportation）theslowfastbrake,frequentaswellasthelongtimeappliesthebrake,hemaycausethewheelbrakethetemperaturetoreducegreatly,guaranteedthebrakeshoeisatthegoodtechnicalcondition.Theelectricityturbulentflowslowfastcanundertake50%~90%brakework,couldbeoneofautomobileessentialequipmentinstallments.
Thisarticlefirstcarriesontheinferentialreasoningtotheelectricityturbulentflowslowfastbrakingmoment,hasgiventheconcreteformula,andcalculatestheelectricityturbulentflowslowfastbrakingmomentandthebrakingpowerwhichdesigns.Nextunionreallifepracticalapplicationandthereferencerelatedtechnicalparameter,slowfasthascarriedonthewholeassemblyaswellastherotor,thestator,theflange,thesplineshaft,thebracketfixingandtheretainertotheelectricityturbulentflowandsoonthemainsparepartdesign,includingoutlooksize,structureandmaterialandsoon.Finallytotheelectricityturbulentflowslowfastslowfastbrakeeffect,thecalorificcapacityandthetemperaturerisehascarriedontheexamination,designsthestructureandthesizethroughthecomputationcansatisfytherequest,obtainsareasonablestructuraldesign..
Keywords:
Electricityturbulentflowslowfast;Brake;Structuraldesign
摘要
Abstract
第一章概述1
1．．1电涡流缓速器概述1
2．．2电涡流缓速器现状及发展1
第二章电涡流缓速器的结构和工作原理3
3．1电涡流缓速器的结构3
3.1.1电涡流缓速器的机械装置部分3
3.1.2电涡流缓速器的电控装置部分4
2．2电涡流缓速器的工作原理5
第三章电涡流缓速器的制动力矩的计算7
3．1制动功率的计算7
3．2涡流分布深度和磁路分析9
3．3气隙磁场中的磁感应强度分析11
4．4制动力矩的计算13
第四章电涡流缓速器各主要部件的结构设计14
5．1电涡流缓速器的主要参数的确定14
5.1.1结构参数14
5.1.2励磁线圈参数16
5.1.3转子材料17
5.1.4转速参数17
5.1.5计算结果17
4．2缓速器热容量和温升的校核17
5．3电涡流缓速器的结构方案18
6．结论20
附录21
参考文献23
致谢24
1概述
1.1电涡流缓速器概述
电涡流缓速器是在十九世纪利欧博科发现的电磁感应理论的基础上发展起来的。
最早出现的缓速器只应用在火车上，发现其具有良好的辅助制动效果后，才被逐渐应用于汽车上。
1903年，斯特克勒首先申请了一种电磁制动装置的专利。
1936年，鲁尔赛瑞真首次将电磁制动技术应用在汽车上，从此揭开了电涡流缓速器在汽车上的应用实例。
电涡流缓速器是利用电磁感应理论和楞次定律，是安装在传动轴上的转子产生电涡流，给传动轴的转动施加一个制动力矩而实现车辆的平稳减速，提高车辆行驶的安全性、舒适性的装置。
按其工作原理的不同可以分为发动机排气缓速器，液力缓速器和电涡流缓速器等几种类型。
在这三种各类型的缓速器中，电涡流缓速器以其非接触零磨损易于控制等诸多方面的优越性能受到广泛的应用。
现在，很多行业已经把缓速器作为某些车型的必备配置。
1.2电涡流缓速器现状及发展状况
现在，缓速器在欧、美、日等国家的大中型客车和载重货车上已随处可见。
并且，电涡流缓速器已成为奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚等世界知名汽车的标准配备，广泛用于公交客车、豪华客车、载货车等车辆上，作为汽车制动系统的必要辅助装置。
国际上，电涡流缓速器的知名生产厂家有：
法国的泰乐玛、西班牙的弗瑞纳斯和克莱姆、德国的克罗夫特以及日本的东京部品工业和五十铃/
住友等，其中法国的泰乐玛是世界上电涡流缓速器最大的制造商，其产品广泛应用在世界各大知名汽车公司生产的重型汽车以及大中型客车上。
泰乐玛缓速器
在国内，由于我国整个汽车工业的起步较发达国家晚了很多，导致电涡流缓速器的研究、制造、生产和应用还处于起步阶段。
但随着我国汽车工业的逐步发展，人们对汽车的安全性、舒适性和环保的要求不断提高，而且现在汽车的驱动功率、速度以及载荷的不断增加，使得车轮制动器的负荷进一步加大，这几
个因素综合起来促使我国的电涡流缓速器的发展也越来越快，市场对电涡流缓
速器的需求也急剧增加。
国内外有很多电涡流生产厂家开始在国内头、投资建厂，如法国的泰乐玛2005年初在上海投资建厂。
近几年来，我国有许多企业正在开发研制电涡流缓速器技术，他们吸收国外
先
进技术，并根据中国车辆特点加以改进，在我国多种客车上已成功地安装和使用，解决了国内需求中低端产品的问题，同时也替代了一些进口产品，具有独立知识产权。
目前国内的电涡流缓速器的生产和研制厂商有：
深圳冠业电子有限公司，上海奥奈尔汽车配件有限公司、深圳的特尔佳科技有限公司等……此外，一些科研所也在进行相关产品开发和关键技术研究，入长安大学、江苏大学等,并且取得了一些科研成果，为我国电涡流缓速器的发展做出了很大的贡献。
恒、图纸汇总
口VVG■36选
融器安装图
、Autc-CAB图卷DWG'67II；
2电涡流缓速器的结构设计和工作原理
缓速器是一种辅助刹车系统，可以不需使用主制动器就能减缓车辆行驶速
度，增强车辆安全性，其作用原理与传统制动方式不同。
现代缓速器主要有液
力缓速器和电涡流缓速器，这两种缓速器虽然结构形式、安装方式、工作原理
不同，但两者的作用结果是相似的，都是为了辅助制动而减缓车速，提高车辆
的制动性能。
2.1电涡流缓速器的结构
电涡流缓速器的结构是由机械装置和电控装置两部分组成。
2.1.1电涡流缓速器的机械装置部分
电涡流缓速器的机械装置部分是由定子、转子及固定架等部件组成。
如图2-1
所示，电涡流缓速器定子上一般有八个高导磁材料制成的铁芯2，呈圆周均匀
地分布在定子6上。
八个励磁线圈3套于铁芯上，共同构成磁极。
圆周上相邻
两个磁极串联成一对磁极，这样磁极N、S相间，共形成N、S相间的磁极。
转子通常由前转子盘、后转子盘1和花键轴4构成。
前后转子盘为圆盘状，
用导磁性能良好的铁磁材料制成，实际生产重常选用低碳钢或合金等材料，一
般厚度为20mm左右。
不过，为了及时将涡流产生的热量散发掉，转子盘上通
常都铸有散热叶片和通风气道，而且为了更好产生空气流动，转子盘不是板状，
其中心会凹陷下去，可参照第三章转子盘图。
转子通过法兰连接在传动轴突缘
上可随传动轴自由转动。
前后转子盘和定子磁极间保持有极小的均匀气隙7，
以使转子盘不会刮伤到定子。
从减小磁阻角度讲，气隙越小越好，但气隙的确
定还必须考虑加工的公差和转子、定子受热后的热膨胀的影响，其值一般在
0.76~1.70mm范围内变动。
电涡流缓速器的定子一般是通过固定架安装与车架上，两者呈刚性连接，即
相对车架而言，定子是固定不动的。
1-转子盘2-铁心3-励磁线圈4-花键轴5-轴承6-定子7-气隙8-接线柱图2-1电涡流缓速器的结构示意图
2.1.2电涡流缓速器的电控装置部分
电涡流缓速器的电控装置部分一般是由控制器、驱动器、励磁线圈、车速信号传感器、制动压力信号传感器等组成。
电流控制示意图如图2-2所示。
电涡流缓速器控制器是装于驾驶室仪表盘上的，具上有缓速器用于当前励磁电流工作状态的显示，还有按钮可进行手动励磁或自动励磁的切换操作。
驱动器是缓速器的中央控制器，也是励磁线圈的功率驱动模块，它根据控制器的操作信号，车速信号以及制动气压等工况输入信号，自动调节和控制各对磁极的励磁电流大小，并进行自动切换。
励磁线圈是电涡流缓速器的执行部分，它直接控制所产生磁场的强弱，能根据当时车速的高低，在传动轴上自动产生于车速成正比里的，合适的阻力矩，迫使车辆迅速制动减速。
车速传感器信号实际上产生零速开关信号，通过驱动器的控制，使得当车辆被制动静止时，自动切断缓速器的励磁电流，避免驾驶员在停车后仍踩在制动踏板，造成仍向缓速器励磁线圈供电，浪费及损坏线圈。
制动压力传感器属于线性传感器，它产生的电信号反映了制动压力的线性变化大小，并向驱动器传输，以控制缓速器的励磁电流的量值大小，宏观上实现了缓速器的减速制动力矩随制动压力制作比例变化。
控制盒
2.2电涡流缓速器的工作原理
电涡流缓速器是一个减速装置，将车辆的动能转化为热能消耗掉，来实现车辆的减速和制动。
制动力矩产生过程：
当驾驶员接通缓速器的控制手柄开关进行减速或制动时，电涡流缓速器的励磁线圈自动通以直流电流而励磁，产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子盘之间构成回路，如图2-3所示。
这时在旋转地转子盘上，其内部无数个闭合导线所包围的面积内的磁通量就发生变化，从而在转子盘内部产生无数涡旋状的感应电流，即涡电流，如图2-5所示。
一旦涡电流产生后，磁场就会对这些涡流产生的力的作用，即组织转子盘转动的力，阻力的方向可由弗莱明左手法则判断。
阻力的合力沿转子盘周向形成与其旋转方向相反的制动力矩，如图2-4所示。
图2-6是某电涡流缓速器在不同档位上的制动力矩与转速的特征曲线。
电涡
流缓速器常常采用通过控制励磁电流的大小控制输出的制动的制动力矩大小。
从特征曲线上可以看出力矩随转速的增加而迅速增大，达到一定转速时有极大值，而后由于涡流去磁效应的影响，随着转速的增加制动力矩略有下降。
3电涡流缓速器的制动力矩的计算
制动力矩是衡量电涡流缓速器的主要标准，但精确计算制动力矩是一件非常困难的事情。
他的机构装置虽然不是很复杂，但制动力矩的大小受到很多因素的影响。
目前国内虽然有人提出计算制动力矩的方法，但经过不少简化。
而从国外的文献来看，有关电涡流缓速器制动力矩的计算都采取了简化和实验相结合的方法。
3.1制动力矩的计算
从能量转换角度讲，电涡流缓速器的工作过程是在电磁铁励磁的作用下，通过在转子上产生涡流进而引起涡流损耗，将制动或减速时的机械能转化为热能，再散发到空气中。
因此，分析转子的涡流损耗，可以得到缓速器制动时的功率。
在分析电涡流缓速器制动功率过程中，作如下简化和假定：
①电磁绕组产生的磁通只分布在直径为d的磁扼圆形面积内，不考虑其漏磁情况；②前后转子简化为两块环状的金属盘③各导磁材料的相对磁导率为常数，且不考虑磁路的
磁饱和以及磁滞损耗的影响。
如图3-1所小，在转子上与磁极相对应的圆形区域I，其磁通量为@=BSp,式中Sp,为磁极的磁扼面积，也就是气隙的作用面积；励磁电磁铁和转子间气隙磁场的磁感应强度B应是电磁铁励磁和涡流去磁的共同作用结果。
这个圆形区域在转子旋转过程中，其磁通量是不断变化的，从图示位置（I-n-m）看来，其变化的过程是：
①一0一①一0一①可以认为是按①"BSpcoswt变化的。
将上述圆形区域I视为若干个半径大小不同的宽度为dr,厚度为△h的金属
圆环（如图3-2所示）构成的，通过此环的磁通为：
T2-
①=nrSpcosot（3-1）
式中：
①一磁通量，Wb;
B一气隙磁场的磁感应强度，T；
w—磁场变化的角速度，rad/s
磁场变化角速度：
（3-2）
（3-3）
2二NDn
p
■■=
60
式中：
Np-磁极对数，本文Np=4;
n=转子的转速，r/min。
因磁通变化而产生的磁感应电动势e为：
d2-.,
；=———=rB■sin-t
dt
2二r
圆环的电阻：
dR=P（3-4）
「dr
式中：
P一转子的电阻率，C,m；
△h—涡流在转子上的肌肤深度，m。
圆环上的电流
i为：
；hBsint
i==门rdr（3-5）
dr2：
其瞬时功率：
222.2.
；B■sint3/、
dp==r3dr（3-6）
pdR2：
在整个直径d的圆盘上的瞬时功率
在实际中，这些圆形区域之间有一定间隔，如图3-1所示。
整个圆形区域可以理解为弧形区域ABCD的有效面积。
在前后两个转子上有这样的圆形区域个数为：
（3-10）
360
2arcsin（d/2Rl）
则电涡流缓速器总的涡流损耗功率为:
式中:
P—制动功率，Wo
3.2涡流分布深度和磁路分析
通过电磁学中研究分析可知：
涡流的电流密度在z轴的分布并不均匀，而是一西z
按指数规律e'2衰减。
即由于涡流的肌肤效应，涡流主要分布在转子靠近磁
极测的表层中。
在工程计算中常采用等效透入深度来计算。
其物理意义：
在转子上等效透入深度处，涡流电流的振幅值，比在转子靠近定子磁极的表面处电流密度振幅值减少e=2.618o
心,
即由e2=e\可能：
△h=z=J-2-空（3-12）
h
式中：
1
灯二转子的电导率，cr=,s/m；
P
卜二转子的磁导率，H/m。
卜=匕，（3-13）
式中：
叫-转子的相对磁导率，H/m。
%-真空磁导率，N0==4nMl07H/m。
当磁场中存在有磁导率很高的材料时，将显著地影响并改变磁场的分布。
求解这类磁场是很复杂的，但在工程应用上，常可做近似值计算，班磁场简化为磁路来处理。
电涡流缓速器的磁极是交错分布的，为了便于分析计算，可以讲相邻的两磁极的磁路等效为3-2（a）。
忽略磁路的漏磁影响，由磁路3-3（a）可简化得到3-3（b）0因为磁路中，磁路1和2的磁电动势大小相同、磁极相反而构成的一串联磁路。
为了方便计算，可以将磁路进一步简化为只考虑一个磁极情况，即3-3（c）所示的情况。
这样简化过程中的磁通量的大小和方向均没有发生变化。
根据图3-3（c）所示一磁极所通过的总磁阻为：
式中：
Rm。
-一个气隙的磁阻，H」；
RmO-磁通所通过的转子部分磁阻，H
Rm2-一个磁扼的磁阻，H”；
Rm3-一个铁心的磁阻,
因为空气的相对磁导率为R=1,转子、磁扼和铁心都是用相对导磁率很高的铁磁材料制成，它们的磁阻相对于气隙所产生的磁阻来说很小，可以忽略不计。
故磁路中的总磁阻为：
-…21g
Rm=2Rm0=肃（3-15）
"0Sp
式中：
1g-气隙间隙，m;
SP-气息的面积，m2
3.3气隙磁场中的磁感应强度
由于转子中产生的涡电流很大，这些涡电流同时也会产生磁场，而且总是对磁极所产生的磁场有削弱作用，即去磁效应。
要准确计算涡电流效应非常困难,故工程上常采用两种近似的计算方法，一是通过工程电磁场有限元分析软件来计算；二是计算中将涡流折算到励磁绕组上作简化计算。
由于涡流存在，磁路中的磁动势不再是*m,而是比幻小的一个值。
（3-16）
式中:
立-一个刺激励磁绕组的磁动势，A;
电-涡流产生的等效磁动势，Ao
其中：
*m=NI（3-17）
式中：
N-一个励磁线圈绕组的匝数；
I-线圈绕组中的电流，Ao
其中：
"ke^Ie（3-18）
式中：
ke-折算系数，通常取ke=1.5；
Ie-所计算区域涡流的有效值。
根据式（3-15）,可求的直径为d的圆形区域内的瞬时涡流：
d
（3-19）
（3-20）
（3-21）
hBsint2hSpBsin't
ie=—rdr
e2：
o4二：
圆形区域内的涡流有效值：
1.2hSpB
Ie=2ie=8^
根据图3-3（c）,并由式（3-15）可求得磁路中的磁通量为:
「BSp二——二」一-RmRm
将式（3-15）、（3-16）、（3-18）和（3-19）、（3-20）、可求得励磁绕组与涡流共同作用的气隙磁场中的磁感应强度为：
B=
8*0NI
16二二lg・••・2ke」0：
：
hSp「
（3-22）
3.4制动力矩的计算
根据P=Tq,有式（3-11）可得:
22
（3-23）
kSphB1
T=p
二：
一n
360&Np（PN0）23（ndNI）2而
式中：
T-制动力矩，N/m;
◎n-转子的旋转角速度，0n=网，rad/so
60
8c为:
（3-24）
由红g=0和式（3-2）,可退到制动力矩最大时的磁场变化角速度d■
64二2：
lg2」r
g
-,c二：
丁
kehSp
则最大制动力矩Tmax为:
Tm
、2kNpSpN2I2
pp
32keig
（3-25）
4电涡流缓速器各主要部件的结构设计
4.1电涡流缓速器的主要参数的确定
电涡流缓速器的主要参数指的是影响其制动力矩大小的相关参数，主要包括电涡流缓速器的结构参数、电涡流缓速器励磁线圈参数、转子材料参数、以及转子参数等。
下面分别介绍这些参数的确定方法，然后给出本文的设计参数,最后第三章给出的公式计算其制动力矩大小。
4.1.1结构参数
电涡流缓速器的结构参数主要有：
气隙lg、磁扼面积Sp、磁极对数Np、励gpp
磁线圈中心点半径R、转子工作盘厚度h
（1）气隙
转子与定子之间相对转动，必须要有一定的气隙，它是电涡流缓速器的一个非常重要的结构参数。
由于空气的磁导率约为1,所以即使很小的气隙所产生
的磁阻也很大。
从减少磁阻角度讲气隙越小越好，这样在励磁绕组上所需的励磁磁动势，励磁功率均可小些，而且励磁绕组的耗铜量也可较少。
除此之外，气隙减少还可以得临界转速减小，从而使电涡流缓速器的最大制动力矩相对减速方向移动，而且最大制动力矩随之增大。
但气隙的确定还必须考虑机加工、装配工差和高速下机械可靠性，以及转子、定子受热后的热膨胀影响，从这些角度讲气隙大写为好。
故需要考虑各因素综合而定，不同结构形式电涡流缓速器气隙一般为0.76~1.70mm之间。
一般是缓速器体积越大，气隙也越大。
（2）磁扼面积
在已知转速、气隙、转子的磁感应强度后，由式（3-11）可求得磁扼的面积为：
（3）励磁线圈中心点半径及转子内外半径
有文献的结论，实际中电涡流缓速器磁扼一般可近似成一个面积为扇形块（如图4-1中阴影部分），通常转子的内外半径与磁扼的扇形是相当的
有几何关系有:
8-扇形磁扼的圆心角，本文取==24o
由图4-1所小的几何关系可得:
式中:
R-励磁线圈中心点半径，m。
（4-5）
/90仆Sp
「2二『1）、二
6「转子的许用温开，计算时可取4000C,即6=400+273=637K
Cd-转子的比热容，J/（kg/K）
Pd-转子的密度，kg/m3
的磁化曲线来选取。
此时刈=^^为确定值。
0r
对于圆柱铁心，以及其铁心线圈:
式中：
P-电磁线圈倒显得电阻率，建,m；
d-电磁线圈导线的直径，m;
由于电涡流缓速器使用的电源是车载蓄电池，具输出的电压值应控制在24v
左右，故由上式可求出导线直径。
对于导线的匝数和电流值，要根据导线直径所允许的电流以及整个铁
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