液压传动在汽车精细控制中的巧妙应用

1 现代汽车精细控制的特点
    现代汽车气门正时智能可变制系统(如人们常常在汽车上看见的VVT-i系统)是液压传动在现代汽车精细控制成功应用的例子之一。
    1.1 液压传动的稳态控制与瞬态控制
    液压传动以其独特的优点在大量设备上得到很好的应用，在机床类设备上的应用大都以稳态控制为主，这是机床类设备工作特点所决定的。汽车工作时，随着路况、路面及驾驶人员动作不停的变化，汽车自身被控部件的动作是瞬息万变的，这种变化时间有的短到只有0.005 g左右(如发动机气门的动作)，现代汽车控制特点就是要在这么短的时间内对汽车有关部件的动作进行精细控制，保证汽车每个瞬间总是处于最佳工作状态。要跟上这样的变化速度，现代汽车的液压传动系统必须与自动控制系统结合，向灵敏、准确、快捷、智能方向发展，以适应汽车精细控制的要求，这是由汽车的工作特点所决定的。
  汽车上应用液压传动实现气门智能可变正时瞬态精细控制拓宽了液压系统的应用范围。
 1.2 汽车的正时条件与正时传动机构
“三点两准”原则是发动机良好工作的基本条件，这个基本条件称为正时条件，简称正时。
 三点：活塞与气门配合位置；火花塞点火时刻；喷油器喷油时刻3个要点动作准时(时间)、准确(空间)，简称三正时(气门正时、点火正时、喷油正时)，正时条件由发动机的正时传动机构来保证，本文只讨论气门正时控制。
 发动机正时传动机构有齿轮传动、齿形皮带传动和链条传动，3种形式的共同点是曲轴带动凸轮轴控制活塞与气门实现”两准”。链条传动的气门正时传动机构如图1，曲轴8通过正时链条2带动凸轮轴4运动，实现正时传动。
图1 发动机的正时传动机构联接曲上机构和配气机构
如果曲轴正时链轮1与曲轴8，凸轮轴正时链轮3与凸轮轴4均是刚性连接，则曲轴与凸轮轴的传动比是固定的，气门的开启位置及关闭时问与曲轴的转动角度有精密的配合但不可调节，老式汽车对有这样的准确配合已经很满意了。

    随着现代汽车精细控制理论的深入研究发现，这种不可调节的配合是不能适应瞬息万变的汽车运动状态的，正时传动机构的传动比要跟踪发功机工况的瞬息变化不停地调整才能真正满足发动机的需求，使发动机每个时刻都是处于最佳工作状态。随着现代液压技术的进步，这种快速跟踪成为可能，这就是由机、电、光、液共同组成的气门正时智能可变制系统(简称VVT-i系统)来实现。

2 液压传动在链条传动式气门智能可变正时精细控制中的巧妙应用

    VVT-i系统由传感器、控制电脑ECU和执行器三大部分组成二它的执行器有步进电机控制与液压控制两类，液控类执行器是一个由机械与液压装置巧妙组合形成的快速反应装置，下面分别介绍由摆动式液压缸和移动式液压缸组成的VVT-i系统执行器的结构及工作原理，它们的共同点是在凸轮轴正时链轮与凸轮轴之间装一个液压缸，通过电脑控制液压缸的运动来控制链轮与凸轮轴之间的相对位置，达到智能控制气门正时的目的。

    2.1 摆动液压缸在气门智能可变正时中的应用

摆动式液压缸气门正时智能可变制系统结构及工作原理如图2所示，正时链轮1没有直接与凸轮轴刚性连接，其内部是一个三叶片式摆动液压缸，二叶片式摆动活塞2与凸轮轴5用键3刚性连接，密封件4把液压缸两腔分隔开。各类传感器随时把汽车的各种信息传给电脑ECU，ECU迅速命令三位四通电磁阀做出相应反应，使摆动液压缸的两腔供油或排油，摆动液压缸带动凸轮轴相对转动一个角度，改变了正时传动装置传动比，实现了气门智能可变正时控制。
2 摆动式液压缸气门正时智能可变控制系统结构及工作原理图

    2.2 往复液压缸在气门智能可变正时中的应用
    往复式液压缸气门智能可变控制系统结构及工作原理如图3。正时链轮1与凸轮轴4之间通过一个往复式液压缸连接，缸体3与正时链轮1刚性连成一体，缸体3内表面右旋内螺纹与活塞2外表面的右旋外螺纹旋合在一起；活塞2内表面左旋内螺纹与凸轮轴1外表面相同的左旋外螺纹旋合在一起，两组螺旋副组成刚性连接，保证正时传动准确传递。活塞2由导向装置(图中未画出)保证只能轴向移动，不能转动。活塞2内外两组螺纹副都是螺旋升角较大的不自锁螺纹副，只要有相对轴向运动，就会同时产生相对旋转运动。

图3 往复式液压缸气门正时智能可变控制系统结构及工作原理图

    密封件5将活塞2两边隔开形成密封腔。在ECU控制下，当液压缸3的A腔进油，B腔回油，活塞2向右作轴向运动的同时外表面右旋螺纹推动与链轮1连成一体的液压缸3作逆时针转动(从左边看)，内表面左旋螺纹推动凸轮轴4作顺时针转功，相互运动的结果使气门开启时刻延迟；反之如果A腔回油，B腔进油，运动情况正好相反，气门开启时刻提前，这就改变了正时传动比，达到气门正时可变的目的。

3 结 论

    无论是摆动式或是往复式都要求液压系统控制有很高的精度，元件动作灵敏度也要与汽车气门动作要求的变化速度相匹配，加上与光、电子控制元件组成智能自动控制系统，使得人们期望精细控制汽车气门正时，使之由固定传动比变成可以随时动态跟踪汽车工作状态而智能地自动调节的愿望成为现实，极大地提高了汽车的动力性、经济性和环保性，这是液压传动在汽车精细控制中巧妙运用的成功例子。齿轮传动、齿形皮带传动的精细智能控制装置与此类似。

    液压传动由机床七稳态精细控制发展到汽车上瞬态精细控制是一个很大的进步，在提高汽车科技含金量的同时也促进了液压传动自身的进一步发展。