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(kāi)始漸漸被愈來(lái)愈多的人所介紹和采用。我們看見(jiàn)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(lái)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(lái)說(shuō)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(chǎng)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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是它有較好的為長(zhǎng)比，那個(gè)巖長(zhǎng)重比是油壓存活與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的終極目標(biāo)，就算沒(méi)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(duì)電動(dòng)車油壓泵的明確要求第三點(diǎn)依然是巖長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)泵來(lái)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(duì)環(huán)保的明確要求愈來(lái)愈高，碳排放愈來(lái)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(duì)效率沒(méi)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(chǎng)（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(lái)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(wèn)號(hào)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(méi)意義了。
傳統(tǒng)泵的特點(diǎn)
接下來(lái)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(jiàn)圖1），但是由于油壓的采用明確要求，最后經(jīng)過(guò)控制技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)于曲軸泵來(lái)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(guò)缸體、再傳遞到外軸上，外面的軸有兩個(gè)滾珠軸承來(lái)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(chǎng)的適應(yīng)性比較差，我們?cè)O(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(lái)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(chǎng)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(chǎng)下，它的適應(yīng)性比較差，尤其停下來(lái)，再啟動(dòng)，沒(méi)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(duì)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(guó)外是非常成熟的控制技術(shù)，我們現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始追趕。但是在不遠(yuǎn)的將來(lái)，變量泵不見(jiàn)得就要采用變排氣量泵，IIS肯定也會(huì)用的愈來(lái)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(duì)我們國(guó)家來(lái)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(lái)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(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)閥芯。如果把2D閥集成在兩個(gè)閥體上，它的為長(zhǎng)比就有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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(jiàn)，這臺(tái)泵其實(shí)非常簡(jiǎn)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(guò)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(lái)，然后油腔減小的時(shí)候，通過(guò)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(jiǎn)單的，我們可以看見(jiàn)，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(zhǎng)比。即使油壓里面有這樣一種鐵律，只要你現(xiàn)在的為長(zhǎng)比有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，它將來(lái)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(jiàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)。比如我們?nèi)松斐鲆恢皇謥?lái)回?cái)[動(dòng)，即使慣性身體不容易平衡，但是你伸出二手相對(duì)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(jiàn)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(zhǎng)比是沒(méi)法比的。那么如何提高滾子的承載能力呢？我們提出來(lái)一種叫做疊滾式的軸承（見(jiàn)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(jiàn)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(chǎng)，采用疊滾就可以達(dá)到這樣兩個(gè)目的。我們可以看見(jiàn)，這時(shí)候滾子是一般來(lái)說(shuō)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(jiàn)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(lái)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(shuō)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(jiàn)國(guó)外的飛機(jī)，比如美國(guó)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(lè)都有自己的EHA，國(guó)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(shuō)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(chǎng)、惡劣旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。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(shuō)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(zhǎng)重比，高頻響。這里有兩個(gè)動(dòng)態(tài)的視頻，通過(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)化了泵的結(jié)構(gòu)，使泵的為長(zhǎng)比顯著提高。
●通過(guò)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(wú)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(chǎng)的采用明確要求。
