行業(yè)動(dòng)態(tài)

電動(dòng)車歷史背景下液壓泵遭遇的考驗(yàn)和發(fā)展機(jī)遇

2022-04-28 閱讀次數(shù):

電動(dòng)車油壓泵的控制技術(shù)明確要求

(癥結(jié))

隨著電氣或其變頻空調(diào)變頻空調(diào)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步,油壓控制系統(tǒng)速率控制再次出現(xiàn)了除IIS與體積變頻空調(diào)以外的第二種變頻空調(diào)方式,即變輸出功率網(wǎng)絡(luò)流量控制方式,此種網(wǎng)絡(luò)流量控制方式已經(jīng)開始漸漸被愈來愈多的人所介紹和采用。我們看見各式各樣的加油站采用了變頻空調(diào)電氣,用變輸出功率來控制網(wǎng)絡(luò)流量。即使在電動(dòng)車化黃金時(shí)代,電氣的變輸出功率是它所Chhatarpur的,不須要減少生產(chǎn)成本。這就增添兩個(gè)難題,原本為一般來說輸出功率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的泵,與否能滿足用戶在變輸出功率的旋轉(zhuǎn)磁場下采用?電動(dòng)車油壓泵須要怎樣的控制技術(shù)明確要求?那個(gè)是我那時(shí)緊緊圍繞的兩個(gè)主軸。

第三,巖長重比(排氣量-總重量比大、帕呂奧)。不可否認(rèn),油壓傳動(dòng)裝置與電氣傳動(dòng)裝置較之,最小的競爭優(yōu)勢是它有較好的為長比,那個(gè)巖長重比是油壓存活與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的終極目標(biāo),就算沒了這一點(diǎn)兒不然,就不須要油壓傳動(dòng)裝置,用曲軸傳動(dòng)裝置或是機(jī)械式動(dòng)裝置就可以了。所以對電動(dòng)車油壓泵的明確要求第三點(diǎn)依然是巖長重比。

第二,高壓化、高速化和寬廣壓力與輸出功率工作區(qū)間。我們知道,壓力高了以后,油壓缸的面積自然就可以做小,高壓化就可以使油壓控制系統(tǒng)的為長比增大。為什么還要高速化呢?即使電氣受到磁飽和的限制,要把電氣的功率密度做大,唯一的辦法是使輸出功率提高,所以高速化對泵來講其實(shí)是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)兒。高速化、高壓化這兩點(diǎn)都是泵主要的特點(diǎn),以前也是,現(xiàn)在依然是這樣。

第三點(diǎn),高效(體積效率和機(jī)械效率皆高,前者是泵的基礎(chǔ),后者是節(jié)能的明確要求)?,F(xiàn)在對環(huán)保的明確要求愈來愈高,碳排放愈來愈受到重視,這就明確要求效率要高。但是在以前泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中,對效率沒這么高的明確要求,尤其在航空上面,泵的效率其實(shí)很低,有個(gè)50%可能就能滿足用戶明確要求。

第四點(diǎn),符合環(huán)境采用明確要求。比如高低溫、靜音、還有減振等。

第五點(diǎn),瞬態(tài)的變旋轉(zhuǎn)磁場(變壓力、變輸出功率)和頻繁帶載啟動(dòng)。電動(dòng)車泵或是將來變輸出功率泵所遭遇的兩個(gè)特殊明確要求,是在變壓力、變輸出功率的情況下,在頻繁帶載啟動(dòng)的情況下,那個(gè)泵還能正常工作?,F(xiàn)在我們展區(qū)所有的這些泵,都是體積泵:嚙合型泵、葉片泵和柱塞泵。這三種類型的泵在頻繁啟動(dòng)的情況下,與否還可以正常工作?這就要打兩個(gè)問號了,即使我們知道柱塞泵在帶載的情況下,不能啟動(dòng)。但是在電動(dòng)車黃金時(shí)代下必須要帶載啟動(dòng),否則電氣的變輸出功率就沒意義了。

傳統(tǒng)泵的特點(diǎn)

接下來我講一下傳統(tǒng)泵的特點(diǎn)。泵有許多種類,傳統(tǒng)的油壓泵主要有三種類型(見圖1),但是由于油壓的采用明確要求,最后經(jīng)過控制技術(shù)競爭與淘汰的結(jié)果,就這三種泵被廣泛采用。一種是嚙合型泵,包括內(nèi)嚙合曲軸泵、外嚙合曲軸泵、螺桿泵、還有擺線泵等等;第二種是葉片泵,單作用葉片泵和雙作用葉片泵。這兩種泵有兩個(gè)特點(diǎn),是它的排氣量可以很大,但是壓力做不了太高。另外對于曲軸泵來講,它為了減小泄漏,一般端面會(huì)采用側(cè)壓板的形式,也是刻意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)摩擦副。嚙合型泵與葉片泵不是典型的高壓大功率油壓泵,大功率的泵是柱塞泵。

圖1 三種傳統(tǒng)類型的泵

圖1右邊是斜盤式軸向柱塞泵,它最小的特點(diǎn)是利用斜盤將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),我們知道,在機(jī)械傳動(dòng)裝置里面,斜盤是唯一可以實(shí)現(xiàn)平面支承的凸輪,它的優(yōu)點(diǎn)是斜盤的面支承使得滑靴受的應(yīng)力并不是很大,另外兩個(gè)好處是隨著斜盤擺角的改變,可以改變它的排氣量。這是它的兩大優(yōu)點(diǎn),它的缺點(diǎn)在什么地方呢?即使斜盤跟柱塞傾斜的支承,這樣就使得柱塞形成兩個(gè)懸臂梁的結(jié)構(gòu),柱塞外部和底部的地方就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,應(yīng)力比較大,摩擦受力大,那個(gè)傾斜的力通過缸體、再傳遞到外軸上,外面的軸有兩個(gè)滾珠軸承來支承,這是我們現(xiàn)在常用的通軸式的泵。還有一種CY泵,是在缸體的外側(cè)有兩個(gè)大的軸承進(jìn)行支承。這樣的泵的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是什么呢?受力不是太好,還有兩個(gè)缺點(diǎn)是自然形成幾大摩擦副:配油盤的摩擦副,滑靴摩擦副,滑靴和斜盤的摩擦副,還有柱塞的摩擦副,有時(shí)把球頭也算上,那么一共有5個(gè)摩擦副。這樣的摩擦副有它的優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)大的載荷的支承,但缺點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)磁場的適應(yīng)性比較差,我們設(shè)想一下,這5個(gè)摩擦副就算在靜止的時(shí)候頻繁啟動(dòng),摩擦副的油膜還存在嗎?

這就提出來這樣兩個(gè)難題:傳統(tǒng)的油壓泵是為定輸出功率旋轉(zhuǎn)磁場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。其關(guān)鍵摩擦副一般是為剩余壓緊力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的滑動(dòng)軸承。剩余壓緊力是什么意思呢?是把高壓側(cè)的油引到摩擦副里面,平衡掉大部分載荷。在變輸出功率旋轉(zhuǎn)磁場下,它的適應(yīng)性比較差,尤其停下來,再啟動(dòng),沒油膜,摩擦副會(huì)很快損壞。理想的變輸出功率泵應(yīng)該采用滾動(dòng)支承,而不是滑動(dòng)支承,滾動(dòng)支承對油壓泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出新的考驗(yàn),即使現(xiàn)有的泵都是基于滑動(dòng)支承。我們知道現(xiàn)有的泵在國外是非常成熟的控制技術(shù),我們現(xiàn)在已經(jīng)開始追趕。但是在不遠(yuǎn)的將來,變量泵不見得就要采用變排氣量泵,IIS肯定也會(huì)用的愈來愈少,變網(wǎng)絡(luò)流量更有可能是采用變輸出功率的方式。在此種情況下,我們一定要往前看,要研發(fā)適合電動(dòng)車黃金時(shí)代采用的變輸出功率泵,這對我們國家來講是兩個(gè)難得的、實(shí)現(xiàn)油壓傳動(dòng)裝置控制技術(shù)彎道超車的產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇。

二維(2D)活塞泵

我們浙江工業(yè)大學(xué)一直以來從事二維油壓元件的研究,2D閥已經(jīng)做的非常成功,飛機(jī)上大量采用我們的2D閥,那個(gè)閥基本的概念是什么呢?通過閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng),使敏感腔的壓力發(fā)生變化,變化的壓力再來驅(qū)動(dòng)閥芯。如果把2D閥集成在兩個(gè)閥體上,它的為長比就有很大的競爭優(yōu)勢,比現(xiàn)在的伺服閥要輕得多,所以在航空上應(yīng)用非常好,即使航空上減重是最關(guān)鍵的兩個(gè)訴求。

圖2 航空用二維(2D)閥

那個(gè)思想我們同樣也可以用在泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,圖3是二維活塞泵,我們可以看見,這臺(tái)泵其實(shí)非常簡單,它中間是兩個(gè)活塞,那個(gè)活塞兩邊有兩個(gè)伸出桿,兩個(gè)伸出桿固聯(lián)著這兩個(gè)輪子,輪子在安裝于缸體兩側(cè)的馬鞍形導(dǎo)軌上轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,由于受到端面凸輪導(dǎo)軌的約束,那個(gè)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng),那個(gè)活塞其實(shí)既轉(zhuǎn)動(dòng)又往復(fù)運(yùn)動(dòng),所以我們把它叫做二維活塞。常用的活塞只有一維的運(yùn)動(dòng),那個(gè)是二維的,二維中的轉(zhuǎn)動(dòng)起到兩個(gè)配油的作用。我們知道油壓泵有兩個(gè)很關(guān)鍵的要素是要有配流,那個(gè)視頻可以看出,左腔在增大的時(shí)候,從低壓窗口把油吸進(jìn)來,然后油腔減小的時(shí)候,通過配流槽,從高壓側(cè)把油壓出去。這樣就形成兩個(gè)完整的二維活塞泵。那個(gè)泵其實(shí)是很簡單的,我們可以看見,此種泵是純滾動(dòng)支承。此種泵跟現(xiàn)有的泵較之,它有非常好的為長比。即使油壓里面有這樣一種鐵律,只要你現(xiàn)在的為長比有競爭優(yōu)勢,它將來一定會(huì)有用。

圖3 二維活塞泵

非平衡式二維(2D)活塞泵

我們把活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的此種泵叫做非平衡式二維活塞泵(見圖4),為什么叫非平衡呢?我們知道活塞在軸向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是有慣性的,此種慣性在油壓泵里面其實(shí)是不利的。

圖4 非平衡式二維活塞泵示意圖

圖5是我們做的一款非平衡式二維活塞泵,它的網(wǎng)絡(luò)流量是0.5L/min,它的總重量只有250g。

圖5 高壓電動(dòng)車油壓泵

圖6是給超高飛行器做的一款油泵,介質(zhì)是煤油,壓力比較低,10MPa,它的總重量只有2.5kg,功率24kW,輸出功率8000轉(zhuǎn),體積效率非常高,達(dá)到96%,它的總效率可以達(dá)到88.6%。原本用的是曲軸泵,總效率大概只有50%~60%。

圖6 電動(dòng)車燃油泵

慣性力平衡式二維(2D)活塞泵

活塞是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的,那么為了使泵的受力更好,最好是容腔的兩個(gè)界面一起相對運(yùn)動(dòng)。比如我們?nèi)松斐鲆恢皇謥砘財(cái)[動(dòng),即使慣性身體不容易平衡,但是你伸出二手相對擺動(dòng),身體就站的很穩(wěn)。基于這樣兩個(gè)道理,我們就提出慣性平衡這樣兩個(gè)泵,那個(gè)泵的容腔是兩邊擠壓的(見圖7)。

圖7 慣性力平衡式二維活塞泵示意圖

圖8是一款慣性力平衡式二維活塞泵,它的輸出功率可以達(dá)到10000轉(zhuǎn),它的效率很高,而且自身總重量只有1.5kg。

圖8 慣性力平衡式二維活塞泵

疊滾式二維(2D)活塞泵

滾動(dòng)支承有兩個(gè)最小的弱點(diǎn),與滑動(dòng)支承較之,它的承載能力是有限的,與滑動(dòng)支承的為長比是沒法比的。那么如何提高滾子的承載能力呢?我們提出來一種叫做疊滾式的軸承(見圖9),它實(shí)際上是一種推力式的滾子推力軸承。那個(gè)是8個(gè)滾子,我們把它4個(gè)4個(gè)分成2組,交叉疊在一起,就構(gòu)成這樣一種疊滾軸承。

圖9 疊滾式的軸承

疊滾軸承可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到往復(fù)運(yùn)動(dòng)(見圖10),即使柱塞泵中最重要的兩個(gè)步驟是把如何把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成往復(fù)運(yùn)動(dòng),而且承載能力要足夠大,要適合旋轉(zhuǎn)磁場,采用疊滾就可以達(dá)到這樣兩個(gè)目的。我們可以看見,這時(shí)候滾子是一般來說不動(dòng)的,滾子就算自轉(zhuǎn)不然,受到離心力影響,它的輸出功率就上不去,但是滾子就算不轉(zhuǎn)不然,那個(gè)輸出功率就可以大了,同時(shí)滾子大,它的承載能力就大。

圖10  疊錐滾子轉(zhuǎn)動(dòng)-直動(dòng)傳動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)

同樣的采用內(nèi)外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu),使工作容腔受雙面擠壓這樣的兩個(gè)效果,就可以把它做成兩個(gè)疊滾式的二維活塞泵(見圖11)。我們給航空做的兩個(gè)疊滾式二維(2D)活塞泵,輸出功率可以達(dá)到12000轉(zhuǎn),軸向的承載能力可以達(dá)到2000N,機(jī)械效率可以達(dá)到95%。

圖11 疊滾式的二維活塞泵

基于二維泵的EHA

未來的油壓控制系統(tǒng)跟電氣必定深度融合,其中最關(guān)鍵的兩個(gè)產(chǎn)品或是說最熱門的兩個(gè)產(chǎn)品是EHA,叫電動(dòng)車靜油壓執(zhí)行器。EHA其實(shí)已經(jīng)不陌生了,我們可以看見國外的飛機(jī),比如美國的F35、空客A380,EHA用在飛機(jī)的起落架、前輪轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)裝置上。

Parker、moog、力士樂都有自己的EHA,國內(nèi)北航焦中夏老師的團(tuán)隊(duì)在這方面也做了大量的研究。其中最成功的、或是說用的最多的一款是Moog EHA的徑向柱塞泵,它跟電氣是連在一塊的。這款泵的特點(diǎn)在于采用軸向變流,而不是采用配油盤。此種泵一般很難經(jīng)得起復(fù)雜旋轉(zhuǎn)磁場、惡劣旋轉(zhuǎn)磁場。圖12是我們用二維泵做的幾款EHA,它們有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

圖12 二維泵做的幾款EHA

全部采用滾動(dòng)副。泵就相當(dāng)于兩個(gè)滾動(dòng)軸承,或是說是組合式的滾動(dòng)軸承。中間這款排氣量比較大,也是全滾動(dòng)副,采用的是疊滾,疊滾的承載能力比較大。

集成閥泵一體。二個(gè)比例單向閥和安全閥直接就集成在里面了。

特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濕式電氣。泵和電氣做在了一起,電氣只能用濕式的,我們知道電氣和泵連接的時(shí)候,一般要旋轉(zhuǎn)密封,那么這樣一種密封在EHA里面其實(shí)是有困難的,為什么?即使在EHA里面低壓側(cè)的壓力往往是比較高的,而不是零壓力,所以密封很快就被破壞了,那么最好的方式是電氣和泵做成一體,不須要旋轉(zhuǎn)密封了。

電氣泵一體插件。泵和電氣一起考慮,做成一體,做成兩個(gè)插件的形式,就像插裝閥一樣,直接把那個(gè)電氣泵一體插件和油壓缸插在一起。

巖長重比,高頻響。這里有兩個(gè)動(dòng)態(tài)的視頻,通過電氣的正反轉(zhuǎn),油壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng),比現(xiàn)在的油壓控制系統(tǒng)簡單得多。高頻響,大概10Hz,二維泵還有個(gè)特點(diǎn),它的泄漏量極小,所以在正反轉(zhuǎn)切換的時(shí)候,它的死區(qū)非常小。

結(jié)論

提出二維活塞的概念,將泵吸排和配流功能集成在單個(gè)活塞上,簡化了泵的結(jié)構(gòu),使泵的為長比顯著提高。

通過引入內(nèi)、外活塞雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軸向慣性力平衡,提高了泵的高速化水平。

提出疊滾轉(zhuǎn)動(dòng)-直動(dòng)傳動(dòng)裝置機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)活塞無間隙的往復(fù)運(yùn)動(dòng),二維活塞泵的壽命和可靠性得以顯著提高,并具有很高的體積效率與機(jī)械效率。

二維活塞泵為純滾動(dòng)支承,滿足用戶電動(dòng)車泵各種電旋轉(zhuǎn)磁場的采用明確要求。

在線聯(lián)系
掃碼關(guān)注

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