车辆系列化缓速器研发及产业化应用

一、成果概述

研发团队在交通运输部科技计划项目、省自然科学基金等支持下，经过多年攻关，针对车辆摩擦制动产生能耗大、热衰退、制动力矩控制精度低等技术难题，完成了多项发明创新并研发了相关装置，形成了系列具有独立自主知识产权的核心技术。建立了缓速器耗能数学模型，揭示了缓速器耗能机理，提出了缓速器的节能评价指标，并以此指标为优化目标，建立了缓速器结构参数的节能优化设计数学模型，对缓速器的优化设计提供了理论支持与可行路径；建立了缓速器转子盘温度场的数学模型，提出了缓速器转子盘温度场设计方法，进行了顺排叉排强制散热优化设计，有效的降低了温升，减小了缓速器的热衰退效应；建立了缓速器制动力矩非线性数学模型，揭示了缓速器结构参数对制动力矩的影响机理，提出了缓速器无级控制方法，实现了制动力矩的精确控制。共开发了3个品种、13个系列的产品，研制了2个性能可靠的专用试验台，研究成果已在深圳特尔佳、扬州洪泉等公司得到产业化应用，累计经济效益18.32亿元。实现了在烟台舒驰、郑州宇通、苏州金龙等整车企业的产品配套，近三年来销售累计达2.68亿元。研究成果减少了道路交通事故造成的人员伤亡及财产损失等社会重大问题，为提升汽车企业的产品自主开发能力提供了关键的技术支撑，也可应用到其它载运工具的行驶安全领域，发展前景广阔，潜在经济和社会效益巨大。共授权发明专利36项；登记软件著作权29项；在国内外学术刊物上发表论文55篇，其中SCI/EI收录27篇。研究成果改变了我国在车辆系列化缓速器方面尚无独立知识产权的现状，彻底打破了德、美等发达国家的技术垄断，增强了车辆制动系统的技术水平，在我国汽车工业由大到强的进程中发挥了重要的战略作用。

国家杰出青年科学基金获得者、长江学者清华大学王建强教授认为“衣丰艳教授的研发团队完成了多项科技创新并研制了高效节能、抑制衰退、制动力矩精确控制的客车系列化缓速器，形成了系列核心技术，研究成果达到国际先进水平，并已成功应用到多家企业，具有良好的经济效益和社会效益”。国家科学技术进步一等奖首位获得者、北京航空航天大学徐向阳教授认为“项目成果构建了车辆系列化缓速器自主的设计方法，形成了我国车辆系列化缓速器的自主知识产权，提升了我国车辆制动系统的技术水平，打破了国外的市场垄断和技术封锁，提升了我国汽车工业的核心竞争力”。

二、主要关键技术内容及创新点

山区下长坡摩擦制动热失效、高速摩擦制动力矩小造成的交通事故已成为严重的社会问题。区别于传统摩擦制动技术，车辆系列化缓速器通过给定子励磁线圈通电，产生磁场，转子旋转，切割磁力线，产生反向制动力矩，使车辆平稳减速。在交通运输部应用基础研究项目、山东省自然科学基金等支持下，团队针对车辆缓速器产生的能耗大、热衰退、难控制等技术难题，完成了多项发明创新并研制了相关产品，形成了具有自主知识产权的核心技术，主要科技创新如下：

1、针对车辆系列化缓速器能耗大的难题，研发了车辆系列化缓速器高效节能技术。建立了缓速器耗能数学模型，揭示了缓速器耗能机理，提出了缓速器的节能评价指标，并以此指标为优化目标，建立了缓速器结构参数的节能优化设计数学模型，对缓速器的优化设计提供了理论支持与可行路径。

（1）缓速器耗能机理

为了分析缓速器的耗能机理，建立了缓速器的耗能数学模型，在此基础上，研究了设计参数（如铜导线线径、气隙长度、线圈骨架尺寸）、运行参数（励磁线圈温度、制动盘温度、汽车行驶工况）对缓速器耗能特性的影响，分析表明缓速器最佳设计参数求解问题为多变量和约束条件下的优化问题，为缓速器的节能优化设计提供了理论基础。

（2）缓速器节能优化

为了解决缓速器在节能和结构参数优化设计方面存在的问题，以节能特性的评价指标为目标函数，创新性地运用遗传算法寻求设计变量的全局最优解，对缓速器的优化设计提供了理论支持与可行路径。缓速器结构参数节能优化设计在制动增益系数上有明显的提升，其电流密度达到临界值，保证了缓速器工作的安全性，有效地减小了线圈骨架及转子盘尺寸，提升了缓速器单位质量能量密度。

技术水平与效果：通过以上技术突破，为设计节能降耗的电涡流缓速器，提供了系统的评价与分析方法。经实践验证，评价与设计方法有效，能够提高设计效率。相比法国泰乐玛公司同类型缓速器，研究产品质量下降了12%，最大工作电压降减少了8%，耗能更少。

2、针对车辆系列化缓速器热衰退的难题，创造了车辆缓速器转子盘集成散热技术。建立了缓速器转子盘温度场的数学模型，提出了缓速器转子盘温度场设计方法，进行了顺排叉排强制散热优化设计，有效的降低了温升，减小了缓速器的热衰退效应。

（1）缓速器热衰退机理

为了有效抑制缓速器热衰退效应，创新性地运用虚拟边界法推导缓速器转子盘温度场的计算公式，有效地将内热源进行了简化处理，揭示了缓速器转子盘温度场产生的机理。推导了缓速器转子盘的稳态温度场的计算公式、瞬态温度场的计算公式，准确地反映温度场的分布及转子盘温度的瞬态变化，指导了缓速器的设计、改进和校核。

（2）缓速器散热优化

为了解决缓速器散热结构设计优化问题，建立了缓速器转子盘单风道原型、顺排和叉排强化散热维物理模型，在此基础上建立加装不同直径圆柱扰流装置单风道计算模型，研究各模型的散热特性以实现散热结构的优化设计，对原型和加装顺排直径5mm 扰流圆柱的缓速器转子盘进行台架试验对比研究，指导了扰流结构的改型设计。

技术水平与效果：通过分析缓速器转子盘温度场，形成了一套优化理论或方法，优化了缓速器转子盘，具有温升低、抗热衰退性强等优点。相比法国泰乐玛公司同类型缓速器，本研究产品的最大温升下降了19%，制动热衰退率降低。

3、针对车辆系列化缓速器难控制的难题，发明了车辆系列化缓速器制动力矩无级控制技术。建立了缓速器制动力矩非线性数学模型，揭示了缓速器结构参数对制动力矩的影响机理，提出了缓速器无级控制方法，实现了制动力矩的精确控制。

（1）缓速器非线性模型

为了解决缓速器制动力矩难控制的问题，建立了缓速器非线性模型，分析了车辆缓速器材料非线性特性，揭示了缓速器结构参数对其制动力矩的影响机理，能够较好地表示涡流磁动势和材料的非线性特性对缓速器制动力矩的影响，为制动性能分析及控制方法研究打下基础，解决了缓速器在改型优化和新产品设计中的难题。

（2）缓速器无级控制

为了实现缓速器制动力矩的精确控制，提出了缓速器制动力矩的模糊控制策略，以缓速器的制动力矩和励磁电流的关系为依据，应用脉宽调制(PWM)控制技术实现了缓速器制动力矩无级调节控制，响应速度快、制动力矩控制精确，使装有缓速器的车辆下坡时能稳速行驶。

技术水平与效果：基于上述创新性方法和技术，研制出了可根据路况和车速自动调节制动力矩的缓速器智能控制器，制动力矩控制精确，使车辆在坡道上稳定行驶，提高了行驶安全性。相比法国泰乐玛公司同类型缓速器，本研究产品在初速度为60km/h 的路面上制动，车辆的最大制动距离减少了23%，制动稳定性更好。

三、主要应用领域与前景

团队围绕上述三个关键技术难题开展了工作，实现了车辆缓速器的产业化应用，创造了显著的经济效益和社会效益。共开发了3个品种、13个系列的产品，研制了2个性能可靠的专用试验台，研究成果已在深圳特尔佳、扬州洪泉等公司得到产业化应用，累计经济效益18.32亿元。实现了在烟台舒驰、郑州宇通、苏州金龙等整车企业的产品配套，近三年来销售累计达2.68亿元。研究成果减少了道路交通事故造成的人员伤亡及财产损失等社会重大问题，为提升汽车企业的产品自主开发能力提供了关键的技术支撑，也可应用到其它载运工具的行驶安全领域，发展前景广阔，潜在经济和社会效益巨大。

四、相关知识产权

已授权发明专利10项，具体如下：

一种自励式缓速装置及其控制方法，ZL201510159351.1

一种基于水缓速器的混合动力汽车及其控制方法，ZL201510112144.0

一种大型汽车缓速器智能控装置，ZL201510244000.0

一种挂车/半挂车用轮边缓速装置及其控制方法，ZL201510102018.7

一种具有恒速制动功能的液力缓速器，ZL201510242961.8

一种可自动调节制动力矩的永磁缓速器，ZL201610581092.6

一种増矩永磁缓速器，ZL201610580747.8

一种具有摩擦缓速功能的汽车集成制动器及其控制方法，ZL201510221107.3

一种高速列车用非粘着制动装置及其控制方法，ZL201510134091.2

一种节能型电子液压制动系统及其控制方法，ZL201510267193.1