汽车液压助力系统

摘 要：目前汽车助力装置的主流是真空助力和气压助力。真空助力结构小巧，但存在安全隐患；气压助力安全性好，但结构庞大。高液压存储仓的目的是提供一种小巧且安全性兼顾的装置。高液压存储仓的基本工作原理是利用制冷剂的压力特性，用制冷剂充当储压剂来储存压力液的能量。使整罐压力液能够以高达20～25 MPa的准恒压向外作功。讨论了液压仓的基本结构和工作原理、储压剂选择的难题、抑制泄漏的措施、超临界CO2的特性，在此基础上，提出了存储高液压的超临界CO2液压仓的设计思路，用超临界CO2和温控相配合，得到了准恒高压压力液，实现了小巧且安全性兼顾，由此产生新型的制动、转向、离合助力器。

关键词：助力系统；真空制动；气压制动；转向助力；液压仓

中图分类号：U463.52+1文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.02.12

根据助力的原理不同可以将其分为四大类：真空助力、气压助力、液压助力以及电动助力。

真空助力装置的优势是简单紧凑，几乎所有的小型汽车都采用了真空助力器，并且为了加强其安全性还建立了国家标准[1]。但是真空助力的安全性还是有很大的漏洞，因为真空助力都要取决于发动机的状态，只有发动机工作时才会产生真空助力，发动机熄火后不再产生真空。轿车因为空间小，通常难以安装真空罐，所以已经形成的真空助力只能完成一次制动助力[2]，随后就是助力消失，其后果是引起制动乏力、转向很重，存在安全隐患。

气压助力装置的优势是安全可靠，如果能像大型车一样采用气压助力就不用担心发动机熄火。根据国家标准[3]，发动机熄火后仍可保证连续5次踩到底全行程制动助力，所以气压助力可以保证行车安全。但是气压助力并不适合小型车，其主要缺点是必须有空气压缩机、贮气罐、制动阀等装置，使结构复杂、笨重、成本高。另外，其管路工作压力低，一般为0.5～0.7 MPa，因而制动气室的直径必须设计得大些，且只能置于制动器外部，再通过杆件和凸轮或楔块驱动制动蹄，这就增加了簧下质量，并且制动气室排气还有很大噪声。液压控制―气压助力器本质上还是气压助力器。

电动助力是采用电动机作为动力源，优点是可靠、体积适中。缺点主要包括：（1）需要大大加强发电和储电能力。（2）经过发电机和电动机两次能量转换，效率损失大。（3）目前只能用于方向助力，制动助力要另建一套系统。

采用液压助力是很好的方案，液压助力的优点是：作用滞后时间较短（0.1～0.3 s）；工作压力高（可达10～25 MPa），使助力装置结构简单，质量小；机械效率较高（液压系统有自作用）。但是因为液体的不可压缩性，所以液压无法直接储存，在没有压力液存储的情况下，当需要用到液压驱动时，需要启动液泵，反应不会很及时，并且需要一个功率较大的泵，才能迅速产生足够的液压。如果像储气筒一样有一个储液罐储存了高压液体，使整罐压力液能够以高达10～25 MPa的压力迅速向外作功，那么液压助力必定是最优方案。

直接用压缩液体的办法去储存液压是不可能的，本文提出的是一种间接储存液压的装置――液压仓。

1 液压仓的基本工作原理

液压仓的基本工作原理是通过制冷剂的压力特性来储存压力液的能量。液压仓对于制冷剂的选用仅关心其压力值，即只关心其压力、温度和密度之间的关系和储存压力的特性，并不关心其制冷特性，所以在液压仓中将制冷剂改称储压剂。以R717（氨）为例分析其储压特性，临界温度为132.25 ℃，临界压力为11.333 MPa。当温度高于凝固点-77.65 ℃低于临界温度132.25 ℃时，R717处于气液汽共存的状态，该状态的每个温度值都唯一对应着一个压力值（即饱和蒸汽压），比如将液压仓温度控制在125 ℃，R717的饱和蒸汽压就维持在9.97 MPa，将这个饱和蒸汽压变为压力液的压力，这就是液压仓的思路。

液压仓包括动密封和静密封两大类[4]，每大类又包括基本型液压仓、超临界流体高压型液压仓和增压缸高压型液压仓3种。

图1所示是基于饱和蒸汽压的基本型活塞式液压仓，简称基本型活塞式液压仓，是3种动密封型液压仓的基础。活塞HS将缸筒腔GT隔离成液压腔YYQ和储压腔CYQ两个子腔，假定储压腔中充注了气液共存的R717充当储压剂，液压仓温度控制在125 ℃，这时，储压腔压力恒等于R717的饱和蒸汽压9.97 MPa，其压力不会因活塞HS的移动而变化。由于液压腔与储压腔之间是一个活塞，所以两个腔压力相等，即液压腔中的压力液都储存了相当的能量，压力大小等于储压腔的压力9.97 MPa。当对外作功时，储压剂推动活塞挤压压力液，压力液以等于9.97 MPa压力值向外作功，压力液从满腔直至流完，压力都会自动维持在9.97 MPa附近。

图1中，液压腔端部有注液口ZYK和排液口PYK，可以注入或排出压力液。当补液液泵的压力大于储压剂的饱和蒸汽压时，压力液注入液压腔并挤推活塞向储压腔方向移动，将气态储压剂压缩成液态储压剂，进行储压。WZC为储压腔位置开关，当活塞触碰到它时补液液泵停机。WZY为“缺压力液”的报警传感器。QCJ为储压剂漏完报警传感器。BCK为储压剂补充口。

根据国家标准[5]，汽车液压按最高工作液压分为10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa 4个压力级，对于这么高的压力级，液压仓有两大疑点需要分析，一是储压剂的密封问题，二是有无合适的储压剂。

2 储压剂的密封问题

活塞处无疑是储压剂的泄漏源，动密封是无法做到完全密封的，在这么高的压力下，如何保证储压剂的密封，要分以下两种情况分析。

（1）液压仓处于正常工作状态。这时，压力液腔中或多或少存储着压力液，压力液腔与储压剂腔是压力平衡的，所以储压剂向压力液腔方向泄漏是一种无压差的渗漏，这是很微弱的泄漏。为了进一步减小渗漏，可以采用夹心层式活塞（图2），活塞HS由上下两个“半活塞”HSx和HSy夹一个油封腔YFQ组成。HSx和HSy通过滑动柱HDZ和滑动套HDT相结合，可以滑动而改变两者的距离（即夹心层油封腔YFQ的厚度），油封腔中充满压力液，所以是增加了一级无压差密封，在油封腔中的压力液泄漏完之前，储压剂的泄漏可以忽略，从而使密封更加可靠。油封腔中的压力液也存在泄漏问题，泄漏后需要补充，半活塞HSx上有一个单向阀DXF，当液压腔压力大于油封腔压力时，允许液压腔中的压力液进入油封腔，反之不行。所以，油封腔中的压力液只要有泄漏，就总会得到补充。

（2）液压仓处于长时间停止工作的状态。液压腔中压力液会慢慢泄漏完毕，活塞一边是储压腔的高压力，一边是大气压，形成了大压差泄漏，这种泄漏比无压差泄漏严重得多，所以要设法抑制。方案之一是采用橡胶密封垫MFD（图1）进行密封，压力液泄漏完毕后，活塞会将密封垫压紧，达到密封效果，同时，油封腔也能协助密封。

3 储压剂的讨论

储压剂的选用，重点是需在合理的温控下具有足够高的饱和蒸汽压。目前资料表明[6]，储压剂的选用是一个大难题――没有合适的储压剂。现将几种有充当储压剂潜力的制冷剂列表如下（表1）。

合理的温控，就汽车而言，将液压仓温度控制在60～110 ℃是合理的选择，因为发动机的冷却液最高温度约110 ℃。假如要控制在60 ℃以下，夏天的温度加上汽车的温度，很快就突破60 ℃，还要提供制冷才可以到60 ℃，显然不合理。难题是，温度定在60～110 ℃时，就只有硫化氢和氨的饱和蒸汽压较高，硫化氢剧毒，不予考虑，而氨（即R717），当温度为110 ℃时，饱和蒸汽压为7.578 MPa，如果要（勉强及格）达到10 MPa，温度要控制在125 ℃，无法利用已有的发动机冷却系统加热，需要单独设置一套125 ℃的加热恒温系统，这就比较麻烦。更不利的是氨的臭气，稍有泄漏就会引起反感。

综上所述，目前储压剂压力范围可达到5～10 MPa，但难以达到10 MPa，借此界定5～10 MPa为次高压，10～25 MPa为高压，高压也就是国标规定的压力级范围[4]。基本型液压仓只能形成次高压，要产生高压压力液，只能是另辟蹊径。有3种办法，一是增压缸高压型液压仓，这在结构上将有较复杂的变化，拟另专题讨论；二是研究新的高压储压剂；三就是下文将讨论的超临界流体CO2（类似的有NO2）的液压仓。

4 基于超临界CO2的液压仓可行性研究

作为储压剂，CO2的主要优点是[7-8]：环境友好，并且在60～110 ℃之间作为超临界流体储压剂使用的压力正好可以满足要求。缺点就是因为临界温度偏低而无法作为饱和蒸汽压型的储压剂使用。

超临界CO2的压力不但随温度上升而增加，而且还随CO2密度增加而增加，而活塞的运动必定使CO2密度改变，所以，要像饱和蒸汽压那样维持压力恒定是不可能的，只能考虑让压力维持在可接受的变化范围。为简化叙述，下面均以压力范围在20～25 MPa为例进行分析。

超临界CO2高压液压仓（图3）的结构实际上就是在前述的“基本型活塞式液压仓”基础上增加了一个储压剂辅助腔FZQ（辅助罐FZG）。该辅助腔与储压主腔CYQ连通，加大了储压腔的总容积，以减小储压剂密度变化率，从而减小压力的波动。所以，超临界CO2液压仓的设计要复杂些，需要进行许多计算，包括压力、温度、CO2密度、辅助腔容积与储压主腔容积之比。

现已知，压力设定在20～25 MPa，温度设定在60～110 ℃比较合理，而且分析图4得知，超临界CO2正好在这个温区的压力非常理想[7-8]。根据图4估算得到表2中的密度值，根据表2 ，通过对60 ℃和110 ℃的两组数据的计算和对比来看趋势，确定相对合理的温度、密度、辅助腔的大小等参数。

对超临界CO2高压液压仓结构，设：储压主腔容积VC与液压腔容积VY之和为VCY，即VC+VY=VCY；温控在110℃；所需的辅助腔容积为V110；储压剂总质量为M。

根据超临界CO2高压液压仓结构可知：VCY为固定值，由于活塞的运动，VC在0～VCY之间变化。

当活塞移动到最顶部时，储压腔总容积达到最大值Vmax= VCY+V110，储压剂密度达到最小值M/（V110+VCY），由表2得知，20 MPa对应着CO2的最小密度为430 kg/m3，所以得到

当活塞到最底部时，储压主腔容积VC等于0，储压腔总容积达到最小值Vmin= V110，储压剂密度达到最大值M/V110。由表2得知，25 MPa对应着CO2的最大密度为550 kg/m3，所以得到

同理，当温控为100 ℃时，辅助腔为储压主腔的5倍；当温控为60 ℃时，得到辅助腔应该为储压主腔最大值的12.33倍。

根据以上分析可知，在20～25 MPa的压力区间，作为储压剂的CO2，温度越高则密度变化范围越宽松，辅助腔就不需要太大，温控为100～110 ℃时的综合特性较理想。根据压力反馈调节温度，当压力小于23 MPa时提高温度使压力上升，当压力大于25 MPa时降低温度使压力下降，将压力控制在23～25 MPa范围内。

5 体积估算

根据制动和转向助力的能量需求，计算液压仓体积。

根据国家标准[3]，产生最大制动作用时的踏板力，对于座位数小于或等于9的小型载客汽车应不大于500 N，踏板行程不得超过120 mm；对于其它车辆踏板力应不大于700 N，踏板行程不得超过150 mm。也就是说，驾驶员制动作功的上限Amax为

国家标准要求储存的能量可以提供连续5次踩到底全行程制动，而0.6 L容积的液压仓储存的能量即可提供18次踩到底全行程制动。当然，这些储存的能量还要用于转向助力，考虑到还有液压泵的后续支持，这么大的能量储存已经足够用于大货车的助力。

6 结论和展望

液压仓只需0.6 L容积即可储存足够用于大货车助力的能量，所以在结构上比真空助力装置更小巧紧凑。液压仓的液压是目前气压助力压力的40倍，液压的可靠性和被密封性都要优于气压，所以液压仓在安全性上超过气压助力装置。即，液压仓集中并超过了真空助力和气压助力两者的优点而避免了两者的缺点。

超临界流体液压仓可以得到25 MPa甚至更高压力的液压，由于利用活塞两边压力平衡原理设计的夹心层式活塞的结构，使储压剂的泄漏问题基本解决。

要形成25 MPa级的恒定液压，除了上述的超流体CO2方案外，还可以进行其它方案的研究，有以下几种研究方向。

（1）研究出在60～100 ℃时饱和蒸汽压处于20～25 MPa区间的储压剂，将使液压仓更加小巧简单。

（2）目前水的饱和蒸汽压最高，365 ℃时饱和蒸汽压为20 MPa，374 ℃时临界饱和蒸汽压为22 MPa，如果解决这么高的温控并且解决高温状态下的密封问题，同样可以使液压仓更加小巧简单。

（3）采用增压缸提高压力和采用封闭式液压仓结构，这两个问题都已经解决，但还有进一步研究的空间。