汽車液壓助力系統(tǒng)

1、汽車液壓助力系統(tǒng)根據(jù)助力的原理不同可以將其分為四大類： 真空助力、 氣壓 助力、液壓助力以及電動助力。真空助力裝置的優(yōu)勢是簡單緊湊， 幾乎所有的小型汽車都采 用了真空助力器， 并且為了加強其安全性還建立了國家標準 1 。 但是真空助力的安全性還是有很大的漏洞， 因為真空助力都要取 決于發(fā)動機的狀態(tài)， 只有發(fā)動機工作時才會產(chǎn)生真空助力， 發(fā)動 機熄火后不再產(chǎn)生真空。 轎車因為空間小， 通常難以安裝真空罐， 所以已經(jīng)形成的真空助力只能完成一次制動助力 2 ，隨后就是 助力消失，其后果是引起制動乏力、轉(zhuǎn)向很重，存在安全隱患。氣壓助力裝置的優(yōu)勢是安全可靠， 如果能像大型車一樣采用 氣壓助力就不用擔心發(fā)

2、動機熄火。根據(jù)國家標準 3 ，發(fā)動機熄 火后仍可保證連續(xù) 5 次踩到底全行程制動助力， 所以氣壓助力可 以保證行車安全。 但是氣壓助力并不適合小型車， 其主要缺點是 必須有空氣壓縮機、 貯氣罐、 制動閥等裝置， 使結(jié)構(gòu)復雜、 笨重、 成本高。另外，其管路工作壓力低，一般為0.50.7 MPa，因而制動氣室的直徑必須設(shè)計得大些，且只能置于制動器外部， 再通過桿件和凸輪或楔塊驅(qū)動制動蹄，這就增加了簧下質(zhì)量， 并且制動氣室排氣還有很大噪聲。 液壓控制氣壓助力器本質(zhì)上還是 氣壓助力器。電動助力是采用電動機作為動力源， 優(yōu)點是可靠、體積適中缺點主要包括：（ 1）需要大大加強發(fā)電和儲電能力。（ 2）經(jīng)過

3、發(fā)電機和電動機兩次能量轉(zhuǎn)換，效率損失大。（3）目前只能用于方向助力，制動助力要另建一套系統(tǒng)。采用液壓助力是很好的方案， 液壓助力的優(yōu)點是： 作用滯后 時間較短（0.10.3 s ）;工作壓力高（可達 1025 MPa）, 使助力裝置結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量??；機械效率較高（液壓系統(tǒng)有自潤 滑作用）。但是因為液體的不可壓縮性， 所以液壓無法直接儲存， 在沒有壓力液存儲的情況下， 當需要用到液壓驅(qū)動時， 需要啟動 液泵，反應(yīng)不會很及時，并且需要一個功率較大的泵，才能迅速 產(chǎn)生足夠的液壓。 如果像儲氣筒一樣有一個儲液罐儲存了高壓液 體，使整罐壓力液能夠以高達 1025 MPa的壓力迅速向外作功， 那么液壓助力

4、必定是最優(yōu)方案。直接用壓縮液體的辦法去儲存液壓是不可能的， 本文提出的 是一種間接儲存液壓的裝置液壓倉。液壓倉的基本工作原理 液壓倉的基本工作原理是通過制冷劑的壓力特性來儲存壓 力液的能量。 液壓倉對于制冷劑的選用僅關(guān)心其壓力值， 即只關(guān) 心其壓力、 溫度和密度之間的關(guān)系和儲存壓力的特性， 并不關(guān)心 其制冷特性，所以在液壓倉中將制冷劑改稱儲壓劑。以R717（氨）為例分析其儲壓特性，臨界溫度為132.25 C,臨界壓力為11.333 MPa當溫度高于凝固點-77.65 C低于臨界溫度132.25 C時， R717處于氣液汽共存的狀態(tài)，該狀態(tài)的每個溫度值都唯一對應(yīng)著一個壓力值（即飽和蒸汽壓），比如

5、將液壓倉溫度控制在125 C, R717的飽和蒸汽壓就維持在 9.97 MPa，將這個飽和蒸 汽壓變?yōu)閴毫σ旱膲毫?，這就是液壓倉的思路。液壓倉包括動密封和靜密封兩大類 4 ，每大類又包括基本 型液壓倉、超臨界流體高壓型液壓倉和增壓缸高壓型液壓倉 3 種。圖1 所示是基于飽和蒸汽壓的基本型活塞式液壓倉， 簡稱基 本型活塞式液壓倉，是3種動密封型液壓倉的基礎(chǔ)?；钊?HS將 缸筒腔GT隔離成液壓腔YYQ和儲壓腔CYC兩個子腔，假定儲壓 腔中充注了氣液共存的 R717充當儲壓劑，液壓倉溫度控制在 125 C,這時，儲壓腔壓力恒等于 R717的飽和蒸汽壓9.97 MPa 其壓力不會因活塞HS的移動而變化

6、。由于液壓腔與儲壓腔之間 是一個活塞， 所以兩個腔壓力相等， 即液壓腔中的壓力液都儲存 了相當?shù)哪芰?，壓力大小等于儲壓腔的壓?.97 MPa。當對外作功時，儲壓劑推動活塞擠壓壓力液，壓力液以等于 9.97 MPa 壓力值向外作功， 壓力液從滿腔直至流完， 壓力都會自動維持在 9.97 MPa 附近。圖1中，液壓腔端部有注液口 ZYK和排液口 PYK可以注入 或排出壓力液。當補液液泵的壓力大于儲壓劑的飽和蒸汽壓時， 壓力液注入液壓腔并擠推活塞向儲壓腔方向移動， 將氣態(tài)儲壓劑 壓縮成液態(tài)儲壓劑，進行儲壓。WZC為儲壓腔位置開關(guān)，當活塞觸碰到它時補液液泵停機。 WZY為“缺壓力液”的報警傳感器。Q

7、CJ為儲壓劑漏完報警傳感器。BCK為儲壓劑補充口。根據(jù)國家標準 5 ，汽車液壓按最高工作液壓分為 10 MPa、 15 MPa、20 MPa、25 MPa 4 個壓力級，對于這么高的壓力級， 液壓倉有兩大疑點需要分析， 一是儲壓劑的密封問題， 二是有無 合適的儲壓劑。儲壓劑的密封問題活塞處無疑是儲壓劑的泄漏源， 動密封是無法做到完全密封 的，在這么高的壓力下，如何保證儲壓劑的密封，要分以下兩種 情況分析。（1）液壓倉處于正常工作狀態(tài)。這時，壓力液腔中或多或 少存儲著壓力液， 壓力液腔與儲壓劑腔是壓力平衡的， 所以儲壓 劑向壓力液腔方向泄漏是一種無壓差的滲漏，這是很微弱的泄 漏。為了進一步減小滲

8、漏，可以采用夾心層式活塞（圖2），活塞HS由上下兩個“半活塞” HSx和HSy夾一個油封腔YFQ組成。 HSx和HSy通過滑動柱HDZ和滑動套HDT相結(jié)合，可以滑動而改 變兩者的距離（即夾心層油封腔 YFQ的厚度），油封腔中充滿壓 力液，所以是增加了一級無壓差密封， 在油封腔中的壓力液泄漏 完之前，儲壓劑的泄漏可以忽略，從而使密封更加可靠。油封腔 中的壓力液也存在泄漏問題， 泄漏后需要補充，半活塞HSx上有 一個單向閥DXF當液壓腔壓力大于油封腔壓力時，允許液壓腔 中的壓力液進入油封腔，反之不行。所以，油封腔中的壓力液只 要有泄漏，就總會得到補充。（ 2）液壓倉處于長時間停 止工作的狀態(tài)。 液

9、壓腔中壓力液會慢慢泄漏完畢， 活塞一邊是儲 壓腔的高壓力，一邊是大氣壓，形成了大壓差泄漏，這種泄漏比 無壓差泄漏嚴重得多， 所以要設(shè)法抑制。 方案之一是采用橡膠密 封墊MFD（圖1）進行密封，壓力液泄漏完畢后，活塞會將密封 墊壓緊，達到密封效果，同時，油封腔也能協(xié)助密封。儲壓劑的討論儲壓劑的選用， 重點是需在合理的溫控下具有足夠高的飽和 蒸汽壓。目前資料表明 6 ，儲壓劑的選用是一個大難題沒 有合適的儲壓劑。 現(xiàn)將幾種有充當儲壓劑潛力的制冷劑列表如下（表 1）。合理的溫控，就汽車而言，將液壓倉溫度控制在 60110 C 是合理的選擇，因為發(fā)動機的冷卻液最高溫度約110 C。假如要控制在60 C

10、以下，夏天的溫度加上汽車的溫度，很快就突破 60 C,還要提供制冷才可以到 60 C,顯然不合理。難題是， 溫度定在60110 C時，就只有硫化氫和氨的飽和蒸汽壓較高， 硫化氫劇毒，不予考慮，而氨（即R717）,當溫度為110 C時，飽和蒸汽壓為7.578 MPa如果要（勉強及格）達到 10 MPa溫 度要控制在125 C,無法利用已有的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)加熱，需 要單獨設(shè)置一套125 C的加熱恒溫系統(tǒng)，這就比較麻煩。更不 利的是氨的臭氣，稍有泄漏就會引起反感。綜上所述，目前儲壓劑壓力范圍可達到510 MPa,但難以達到10 MPa,借此界定510 MPa為次高壓，1025 MPa為高 壓，高壓也

11、就是國標規(guī)定的壓力級范圍 4 ?；拘鸵簤簜}只能 形成次高壓， 要產(chǎn)生高壓壓力液， 只能是另辟蹊徑。 有 3 種辦法， 一是增壓缸高壓型液壓倉， 這在結(jié)構(gòu)上將有較復雜的變化， 擬另 專題討論； 二是研究新的高壓儲壓劑； 三就是下文將討論的超臨 界流體C02（類似的有NO2的液壓倉。4基于超臨界C02的液壓倉可行性研究作為儲壓劑，C02的主要優(yōu)點是7-8:環(huán)境友好，并且在 60110 C之間作為超臨界流體儲壓劑使用的壓力正好可以滿 足要求。缺點就是因為臨界溫度偏低而無法作為飽和蒸汽壓型的 儲壓劑使用。超臨界CO2的壓力不但隨溫度上升而增加，而且還隨CO2密 度增加而增加，而活塞的運動必定使 CO

12、2密度改變，所以，要像 飽和蒸汽壓那樣維持壓力恒定是不可能的， 只能考慮讓壓力維持 在可接受的變化范圍。為簡化敘述，下面均以壓力范圍在2025 MPa 為例進行分析。超臨界CO2高壓液壓倉（圖3）的結(jié)構(gòu)實際上就是在前述的 “基本型活塞式液壓倉”基礎(chǔ)上增加了一個儲壓劑輔助腔 FZQ （輔助罐FZG。該輔助腔與儲壓主腔 CYC連通，加大了儲壓腔 的總?cè)莘e，以減小儲壓劑密度變化率，從而減小壓力的波動。所 以，超臨界CO2液壓倉的設(shè)計要復雜些，需要進行許多計算，包 括壓力、溫度、CO2密度、輔助腔容積與儲壓主腔容積之比?，F(xiàn)已知，壓力設(shè)定在 2025 MPa,溫度設(shè)定在60110 C 比較合理，而且分析

13、圖4得知，超臨界C02正好在這個溫區(qū)的壓 力非常理想 7-8 。根據(jù)圖 4 估算得到表 2 中的密度值，根據(jù)表 2，通過對60 C和110 C的兩組數(shù)據(jù)的計算和對比來看趨勢， 確定相對合理的溫度、密度、輔助腔的大小等參數(shù)。對超臨界C02高壓液壓倉結(jié)構(gòu)，設(shè)：儲壓主腔容積 VC與液 壓腔容積VY之和為VCY即VC+VY=VCY溫控在110C ;所需的 輔助腔容積為V110;儲壓劑總質(zhì)量為M根據(jù)超臨界C02高壓液壓倉結(jié)構(gòu)可知：VCY為固定值，由于 活塞的運動，VC在0VCY之間變化。當活塞移動到最頂部時，儲壓腔總?cè)莘e達到最大值 Vmax=VCY+V110儲壓劑密度達到最小值 M/ (V110+VCY

14、,由表2得 知，20 MPa對應(yīng)著CO2的最小密度為430 kg/m3，所以得到當活塞到最底部時，儲壓主腔容積 VC等于0,儲壓腔總?cè)?積達到最小值Vmin= V110,儲壓劑密度達到最大值 M/V110。由 表2得知，25 MPa對應(yīng)著CO2的最大密度為550 kg/m3，所以得 到同理，當溫控為100 C時，輔助腔為儲壓主腔的 5倍；當 溫控為60 C時，得到輔助腔應(yīng)該為儲壓主腔最大值的12.33倍。根據(jù)以上分析可知，在 2025 MPa的壓力區(qū)間，作為儲壓 劑的CO2溫度越高則密度變化范圍越寬松，輔助腔就不需要太 大，溫控為100110 C時的綜合特性較理想。根據(jù)壓力反饋調(diào) 節(jié)溫度，當壓

15、力小于 23 MPa時提高溫度使壓力上升，當壓力大于25 MPa寸降低溫度使壓力下降，將壓力控制在2325 MPa范圍內(nèi)。體積估算 根據(jù)制動和轉(zhuǎn)向助力的能量需求，計算液壓倉體積。 根據(jù)國家標準 3 ，產(chǎn)生最大制動作用寸的踏板力，對于座位數(shù)小于或等于9的小型載客汽車應(yīng)不大于 500 N，踏板行程不 得超過120 mm對于其它車輛踏板力應(yīng)不大于 700 N,踏板行程 不得超過150 mm。也就是說，駕駛員制動作功的上限 Amax為國家標準要求儲存的能量可以提供連續(xù) 5次踩到底全行程 制動，而 0.6 L 容積的液壓倉儲存的能量即可提供1 8次踩到底全行程制動。當然，這些儲存的能量還要用于轉(zhuǎn)向助力，考慮到 還有液壓泵的后續(xù)支持， 這么大的能量儲存已經(jīng)足夠用于大貨車 的助力。結(jié)論和展望液壓倉只需 0.6 L 容積即可儲存足夠用于大貨車助力的能 量，所以在結(jié)構(gòu)上比真空助力裝置更小巧緊湊。 液壓倉的液壓是 目前氣壓助力壓力的 40 倍，液壓的可靠性和被密封性都要優(yōu)于 氣壓，所以液壓倉在安全性上超過氣壓助力裝置。即，液壓倉集 中并超過了真空助力和氣壓助力兩者的優(yōu)點而避免了兩者的缺 點。超臨界流體液壓倉可以得到 25 MPa甚至更高壓力的液壓，由于利用活塞兩邊壓力平衡原理設(shè)計的夾心層式活塞的結(jié)構(gòu)， 儲壓劑的泄漏問題基本解