液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在汽車工程中的應(yīng)用及性能優(yōu)化研究

齊軒　高悅

摘 要：液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是汽車工程領(lǐng)域新興的一種先進(jìn)汽車傳動(dòng)方式。其在汽車工程領(lǐng)域中對(duì)于提升汽車自適應(yīng)能力、提高車輛的通過(guò)性能、增強(qiáng)車輛的舒適性能、延長(zhǎng)車輛的使用壽命方面體現(xiàn)了獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在液壓制動(dòng)系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓懸架系統(tǒng)與自動(dòng)變速器液壓控制系統(tǒng)中均有所體現(xiàn)，并被廣泛應(yīng)用于汽車制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、穩(wěn)定、變速等汽車工程中。

關(guān)鍵詞：液壓傳動(dòng) 應(yīng)用性能 汽車工程

0 引言

伴隨數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為傳統(tǒng)經(jīng)典動(dòng)力傳輸與控制方式，逐步在汽車工業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。特別是在汽車制造過(guò)程中，制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變速箱與懸掛系統(tǒng)都是液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)成部分。汽車領(lǐng)域引入液壓系統(tǒng)，能夠提升汽車運(yùn)行效率、提高汽車行駛的穩(wěn)定性、安全性與舒適性[1]。然而，值得關(guān)注的是，液壓系統(tǒng)傳動(dòng)元件效率比較低，相對(duì)齒輪傳動(dòng)效率同樣偏低，一定程度上對(duì)于汽車發(fā)展存在較大的困境。就當(dāng)下情況而言，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在汽車工程領(lǐng)域仍然有待進(jìn)一步發(fā)展。根植于此，本文通過(guò)對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)基本原理進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，以及對(duì)汽車工程體系展開(kāi)論述，從而指出液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在汽車工程中的應(yīng)用，以期為相關(guān)理論提供經(jīng)驗(yàn)參照。

1 相關(guān)原理概述

1.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)概述

液壓傳動(dòng)是基于液體工作介質(zhì)，通過(guò)動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制調(diào)節(jié)元件、輔助元件等進(jìn)行能量傳遞和控制的一種傳動(dòng)方式。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)則是由液壓制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、汽車懸掛、汽車變速箱等部分構(gòu)成。從工作原理來(lái)講，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要通過(guò)液體這一介質(zhì)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤毫δ?，促使系統(tǒng)中其他元件得以運(yùn)轉(zhuǎn)。在此過(guò)程中，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)還會(huì)將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，該作用與動(dòng)力元件呈逆反狀態(tài)[2]。另外，液壓系統(tǒng)還需要按照汽車運(yùn)行狀況，及時(shí)調(diào)整無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)液動(dòng)機(jī)速度，并適度控制液壓系統(tǒng)中工作液體的壓力、流量和流向。從優(yōu)勢(shì)特征來(lái)將，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)較機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，包括如下方面：其一，液壓元件以油液作為傳動(dòng)介質(zhì)，其潤(rùn)滑條件更優(yōu)。同時(shí)，液壓元件還可將油液輸送到任何位置，或?qū)⒃瓌?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。上述特征意味著液壓傳動(dòng)系統(tǒng)較好地適用于工程機(jī)械等領(lǐng)域。其二，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，液壓系統(tǒng)還可進(jìn)行大范圍無(wú)級(jí)調(diào)速，此時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)比甚至達(dá)到1：1000，且調(diào)速性能突破了功率大小的限制。其三，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)還可以進(jìn)行集中控制、遙控與自動(dòng)控制，在速度、方向、負(fù)載方面具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1.2 汽車工程概述

進(jìn)入工業(yè)化時(shí)期，汽車逐步出現(xiàn)在人類視野中。在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)期發(fā)展，汽車工程行業(yè)得到飛躍式發(fā)展，逐步與人們生產(chǎn)、生活等活動(dòng)相融合。與此同時(shí)，汽車工程的出現(xiàn)，為人們交通運(yùn)輸帶來(lái)較大便利性，進(jìn)而加速了社會(huì)生活節(jié)奏速度，為人類進(jìn)步提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。近年來(lái)，汽車工程處于不斷發(fā)展過(guò)程中與航空航天工程、船舶工程相類似，屬于運(yùn)載工程中的一個(gè)具體分支，涉及機(jī)械、電子、軟件、安全工程與電氣等方面內(nèi)容，融合了多個(gè)學(xué)科工程。從應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)看，汽車工程主要應(yīng)用于摩托車、卡車等相關(guān)領(lǐng)域中的工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造與操作。不僅如此，汽車工程還涉及車輛改裝等活動(dòng)。特別是在制造業(yè)領(lǐng)域，汽車工程囊括了汽車全部零件制造與裝配。實(shí)際上，作為研究密集型領(lǐng)域中的關(guān)鍵分支，汽車工程囊括了數(shù)學(xué)模型與公式，從概念到生產(chǎn)的車輛或車輛部件的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和測(cè)試，都離不開(kāi)模式的應(yīng)用。

1.3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于汽車工程體系中的必要性

1.3.1 提升汽車自適應(yīng)能力

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)存在液壓閥這一控制元件，主要用于控制液壓油的流向、流量和壓力，包括電磁轉(zhuǎn)向閥等內(nèi)容[4]。在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)控制液壓閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)，能夠有效控制汽車運(yùn)動(dòng)和操作性，進(jìn)而提升汽車自適應(yīng)能力。與此同時(shí)，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為一種多用途機(jī)械傳動(dòng)裝置，被廣泛應(yīng)用于汽車的各項(xiàng)機(jī)械設(shè)備中。從具體狀況來(lái)看，液壓缸可以通過(guò)液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪箱，實(shí)現(xiàn)多重不同汽車動(dòng)力傳輸方式。如此一來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝液力變矩器，變矩器輸出軸上的轉(zhuǎn)矩可比發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩增大幾倍，而轉(zhuǎn)速可降到零。當(dāng)外界路面阻力發(fā)生變化時(shí)，液力變矩器能使車輛的牽引力自動(dòng)相應(yīng)的變化，進(jìn)而提升汽車適應(yīng)性。

1.3.2 提高車輛的通過(guò)性能

車輛通過(guò)行駛履帶或行駛裝置，能夠加速推動(dòng)汽車以任意速度行駛，并且借助穩(wěn)定牽引力提高汽車附著力，促使汽車能夠在沙路、雪地、軟路面的通過(guò)性能大幅度提升。不僅如此，液壓系統(tǒng)的附著力提高，亦會(huì)提升液壓控制系統(tǒng)的控制方式，促使汽車控制系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需求提高工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制機(jī)器的精確控制，提升整體速度和力度等參數(shù)?？梢哉f(shuō)，與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)方式相比，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)控制汽車操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在不同惡劣環(huán)境下操作。總體來(lái)說(shuō)，液壓系統(tǒng)通過(guò)存儲(chǔ)液壓油餅提供冷卻和濾清功能，能夠提高車輛通過(guò)性能。

1.3.3 增強(qiáng)車輛的舒適性能

液力變矩器具有無(wú)級(jí)連續(xù)變速和改變轉(zhuǎn)矩的能力，對(duì)外負(fù)載有良好的自動(dòng)調(diào)節(jié)和適應(yīng)性。它使車輛起步平穩(wěn)，加速迅速、均勻，提高了乘坐舒適性。其中，汽車減震器是保證駕駛舒適性和安全性的重要組成部分之一。在眾多的汽車減震器中，氣襄液壓減震器將氣襄與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，不僅可以提高駕駛舒適性，還可以提高行駛安全性。氣襄是一種能夠隨著外力變形的充氣袋，而液壓系統(tǒng)則運(yùn)用了粘稠的流體來(lái)吸收汽車顛簸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力。當(dāng)汽車在顛簸中受到?jīng)_擊時(shí)，氣囊和液壓系統(tǒng)就會(huì)共同發(fā)揮作用，來(lái)減輕沖擊力。這種減震器的特點(diǎn)是可以根據(jù)路面情況、車速和車重等因素來(lái)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而確保汽車在行駛過(guò)程中的平穩(wěn)度和舒適性。氣襄液壓減震器是一種成熟優(yōu)秀的汽車減震器，其舒適性和安全性都得到了完美的結(jié)合，可以使駕駛者在行駛中享受到更加平穩(wěn)和安全的駕駛體驗(yàn)。

1.3.4 延長(zhǎng)車輛的使用壽命

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)）的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，主要用于實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠避開(kāi)減速裝置，且具有穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)特征，因此廣泛用于各種機(jī)械液壓系統(tǒng)中。在具體研究過(guò)程中，液壓缸的輸出力與活塞的有效面積及其兩側(cè)的壓力差成正比；液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置組成。緩沖裝置和排氣裝置關(guān)鍵在于具體應(yīng)用，但是其他裝置是必不可少。由于液力傳動(dòng)依靠液體傳遞能量，故能吸收發(fā)動(dòng)機(jī)和外負(fù)荷的振動(dòng)和沖擊，同時(shí)傳動(dòng)元件之間無(wú)機(jī)械磨損，提高車輛的使用壽命。液壓系統(tǒng)中的元器件都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)檢和生產(chǎn)工藝控制，在穩(wěn)定性和可靠性方面都獲得了良好的保證。此外，液壓系統(tǒng)中的油液在工作過(guò)程中可起潤(rùn)滑和冷卻作用，延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。

2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在汽車工程中的應(yīng)用

2.1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)在汽車工程中的應(yīng)用

現(xiàn)代汽車制造對(duì)于液壓系統(tǒng)的研究應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，其在轎車、輕型貨車等的制動(dòng)系統(tǒng)中都得到廣泛應(yīng)用，普及率相對(duì)較高。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，液壓制動(dòng)系統(tǒng)在此領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著應(yīng)用效果。液壓制動(dòng)系統(tǒng)由多個(gè)部件共同構(gòu)成，包括制動(dòng)主缸、連接管路、輪缸以及制動(dòng)力分配閥等部件。其中主缸作為制動(dòng)系統(tǒng)中的主要?jiǎng)恿υ?，在液壓制?dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中起到了向系統(tǒng)輸送液壓油的關(guān)鍵作用，同時(shí)制動(dòng)主缸是液壓制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行軟件，在液壓制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中主要控制制動(dòng)塊或者制動(dòng)蹄，以最終達(dá)到制動(dòng)汽車的目的[5]。其具體操作原理如下：汽車制動(dòng)時(shí)，駕駛員向制動(dòng)踏板施加控制，制動(dòng)踏板通過(guò)制動(dòng)管路進(jìn)入制動(dòng)器，接著在進(jìn)入主缸的制動(dòng)缸，此時(shí)制動(dòng)缸的活塞形成制動(dòng)機(jī)械，在機(jī)械盤(pán)接觸到制動(dòng)鼓時(shí)二者發(fā)生摩擦，形成制動(dòng)力焗。在制動(dòng)過(guò)程中，駕駛員可通過(guò)增加踏板力的方式促使制動(dòng)力矩比例增加，以確保連接在制動(dòng)鼓的車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)并同時(shí)抬起制動(dòng)器。在駕駛員松開(kāi)制動(dòng)踏板時(shí)，受到回位彈簧作用，制動(dòng)輪缸活塞和制動(dòng)蹄活塞此時(shí)會(huì)被拉回，制動(dòng)液被壓回主缸，從而解除制動(dòng)。

2.1.1 液力變矩器

變矩器除了常規(guī)應(yīng)用之外，還可作用于自動(dòng)改變渦輪機(jī)輸出扭矩，使渦輪機(jī)速度隨葉輪扭矩變化。液力變矩器可自動(dòng)應(yīng)用于外部負(fù)載，保證車輛平穩(wěn)啟動(dòng)并迅速加速。液力變矩器在一定程度上降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)載荷，延長(zhǎng)了傳動(dòng)系統(tǒng)使用壽命，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行效率，保障了駕駛員的行車舒適度與安全性。但是，扭矩轉(zhuǎn)換器同時(shí)也存在扭矩范圍受限和效率不足的問(wèn)題。因此，單個(gè)扭矩轉(zhuǎn)換器在汽車應(yīng)用上并不常見(jiàn)，需要在此基礎(chǔ)上串聯(lián)固定式或旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械傳動(dòng)裝置以延伸換擋和扭矩范圍?，F(xiàn)階段，多數(shù)大型汽車在配置流體力學(xué)傳動(dòng)裝置時(shí)重點(diǎn)關(guān)注舒適性和操作簡(jiǎn)易性。例如城市公交車在行駛途中需要頻繁啟停，啟動(dòng)和加速的頻率在不斷變化，對(duì)于駕駛舒適性的要求逐漸提高。

2.1.2 液力偶合器

液力偶合器又名液壓離合器，其作用僅存在于對(duì)汽車中的扭矩傳遞產(chǎn)生影響，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛機(jī)械傳動(dòng)裝置之間，以減小扭矩傳遞的影響。在汽車啟動(dòng)與加速期間，需要關(guān)閉扭轉(zhuǎn)振動(dòng)才能使汽車保持安靜。

2.1.3 液壓系統(tǒng)在ABS中的應(yīng)用

汽車制動(dòng)器和ABS依據(jù)實(shí)際駕駛情況自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)力。在這種情況下，液力并不會(huì)對(duì)車輪形成阻力，同時(shí)，車輪和地面會(huì)保持接近狀態(tài)。此應(yīng)用系統(tǒng)在汽車制造領(lǐng)域占據(jù)較高地位，被譽(yù)為除安全帶以外最具安全系數(shù)的一項(xiàng)技術(shù)成就。液壓ASB制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合了氣動(dòng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)雙重功能，在一些大中型車輛中，會(huì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的液壓系統(tǒng)都是應(yīng)用于ABS液壓制動(dòng)系統(tǒng)。

2.2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車工程中的應(yīng)用

汽車轉(zhuǎn)向裝置主要作用于保證汽車行駛過(guò)程中依據(jù)駕駛員操作需求改變行駛方向，同時(shí)還要應(yīng)對(duì)外界多重因素的干擾，克服行駛途中的不良環(huán)境影響，以確保汽車平穩(wěn)行駛，避免發(fā)生安全事故?，F(xiàn)代新型汽車在制造過(guò)程中，會(huì)增設(shè)轉(zhuǎn)向助力裝置，以此來(lái)提高汽車駕駛舒適度，緩解駕駛員駕駛疲勞。液壓助力轉(zhuǎn)向裝置的具體工作原理就是在轉(zhuǎn)向控制閥關(guān)閉狀態(tài)下，汽車仍然能夠保持直線行駛狀態(tài)。詳細(xì)而言，轉(zhuǎn)向油泵在輸出的液壓油會(huì)進(jìn)入到內(nèi)部?jī)?chǔ)能器當(dāng)中，接著在儲(chǔ)能器壓力值上升到設(shè)定數(shù)值之后，油泵此時(shí)會(huì)自動(dòng)卸荷，從而進(jìn)入空載狀態(tài)，在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，此時(shí)機(jī)械轉(zhuǎn)向器會(huì)啟動(dòng)運(yùn)行，將帶動(dòng)控制閥轉(zhuǎn)入到開(kāi)啟位置，此時(shí)儲(chǔ)能器內(nèi)部的液壓油便由此被輸送到動(dòng)力杠內(nèi)部，進(jìn)而形成推力，助力汽車完成轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能是通過(guò)將汽車恢復(fù)到原始運(yùn)動(dòng)位置以引導(dǎo)自身，從而使汽車克服駕駛員的側(cè)面阻力，改變其行駛方向的過(guò)程。目前市場(chǎng)上有兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一種是機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，另外一種是附帶掐轉(zhuǎn)向能源的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

2.3 液壓懸架系統(tǒng)在汽車工程中的應(yīng)用

汽車在行駛期間會(huì)受到自身行駛狀態(tài)以及路面平整度等因素的影響，致使汽車呈現(xiàn)不同的運(yùn)行狀態(tài)，包括垂直振動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)等等。這些所呈現(xiàn)的運(yùn)行情況將影響車輛內(nèi)部駕駛員的操作穩(wěn)定性與乘客乘坐舒適性。針對(duì)上述問(wèn)題，汽車制造工程師依據(jù)現(xiàn)狀與實(shí)際要求研發(fā)出一款能夠保證汽車行駛過(guò)程中行駛狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的電控液壓懸架系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠主動(dòng)地抑制汽車在行駛時(shí)的振動(dòng)幅度。因此，為了提高汽車效能，滿足市場(chǎng)需求，在汽車制造過(guò)程中，安裝電控液壓懸架系統(tǒng)，通過(guò)車內(nèi)的橫向、縱向加速器，以及橫擺陀螺儀傳感器的應(yīng)用，能夠?qū)④嚿硇旭偳闆r，如車身高度、車身振幅、傾斜程度等各項(xiàng)行駛狀態(tài)信息及時(shí)傳送至ECU，接著ECU根據(jù)對(duì)預(yù)先設(shè)定好的程序發(fā)出信號(hào)指令，以此完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的前后操縱，有效控制油缸作業(yè)。

2.4 自動(dòng)變速器液壓控制系統(tǒng)在汽車工程中的應(yīng)用

自動(dòng)變速器能夠依據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷改變汽車行駛速度，在汽車運(yùn)行過(guò)程中可及時(shí)自動(dòng)變化傳動(dòng)，在實(shí)際操控過(guò)程中相對(duì)省力、簡(jiǎn)單，能夠有效緩解駕駛員的疲勞程度。自動(dòng)變速器主要采用液壓控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而對(duì)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。其主要部件包括動(dòng)力軟件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)。液壓泵作為自動(dòng)變速器液壓控制系統(tǒng)中的動(dòng)力軟件，其在運(yùn)行過(guò)程中既能夠?yàn)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)提供液壓油，還可以為液力變矩器提供降低溫度。以便實(shí)現(xiàn)換擋作業(yè)，避免由于溫度過(guò)高而導(dǎo)致破壞補(bǔ)償油；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括油制動(dòng)器液壓缸、離合器等部件；控制機(jī)構(gòu)包括手動(dòng)閥、鎖止離合器控制閥、換擋閥等部件。值得注意的是，為確?？刂平Y(jié)構(gòu)發(fā)揮相應(yīng)作用，有效穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)將其安裝在汽車自動(dòng)變速器上。

3總結(jié)

隨著科技的進(jìn)步，汽車工程制造領(lǐng)域也在不斷革新汽車應(yīng)用技術(shù)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的快速發(fā)展改進(jìn)了汽車液壓應(yīng)用方式，提高了汽車運(yùn)行效能，取得了顯著的應(yīng)用效果。液壓技術(shù)的飛速發(fā)展與逐步完善將在未來(lái)被廣泛應(yīng)用于不同行業(yè)中，尤其在汽車工程應(yīng)用當(dāng)中，從而使液壓傳動(dòng)技術(shù)得到合理發(fā)揮。

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