液壓傳動在汽車精細控制中的巧妙應用

1 現代汽車精細控制的特點
    現代汽車氣門正時智能可變制系統(如人們常常在汽車上看見的VVT-i系統)是液壓傳動在現代汽車精細控制成功應用的例子之一。
    1.1 液壓傳動的穩態控制與瞬態控制
    液壓傳動以其獨特的優點在大量設備上得到很好的應用，在機床類設備上的應用大都以穩態控制為主，這是機床類設備工作特點所決定的。汽車工作時，隨著路況、路面及駕駛人員動作不停的變化，汽車自身被控部件的動作是瞬息萬變的，這種變化時間有的短到只有0.005 g左右(如發動機氣門的動作)，現代汽車控制特點就是要在這么短的時間內對汽車有關部件的動作進行精細控制，保證汽車每個瞬間總是處于最佳工作狀態。要跟上這樣的變化速度，現代汽車的液壓傳動系統必須與自動控制系統結合，向靈敏、準確、快捷、智能方向發展，以適應汽車精細控制的要求，這是由汽車的工作特點所決定的。
  汽車上應用液壓傳動實現氣門智能可變正時瞬態精細控制拓寬了液壓系統的應用范圍。
 1.2 汽車的正時條件與正時傳動機構
“三點兩準”原則是發動機良好工作的基本條件，這個基本條件稱為正時條件，簡稱正時。
 三點：活塞與氣門配合位置；火花塞點火時刻；噴油器噴油時刻3個要點動作準時(時間)、準確(空間)，簡稱三正時(氣門正時、點火正時、噴油正時)，正時條件由發動機的正時傳動機構來保證，本文只討論氣門正時控制。
 發動機正時傳動機構有齒輪傳動、齒形皮帶傳動和鏈條傳動，3種形式的共同點是曲軸帶動凸輪軸控制活塞與氣門實現”兩準”。鏈條傳動的氣門正時傳動機構如圖1，曲軸8通過正時鏈條2帶動凸輪軸4運動，實現正時傳動。
圖1 發動機的正時傳動機構聯接曲上機構和配氣機構
如果曲軸正時鏈輪1與曲軸8，凸輪軸正時鏈輪3與凸輪軸4均是剛性連接，則曲軸與凸輪軸的傳動比是固定的，氣門的開啟位置及關閉時問與曲軸的轉動角度有精密的配合但不可調節，老式汽車對有這樣的準確配合已經很滿意了。

    隨著現代汽車精細控制理論的深入研究發現，這種不可調節的配合是不能適應瞬息萬變的汽車運動狀態的，正時傳動機構的傳動比要跟蹤發功機工況的瞬息變化不停地調整才能真正滿足發動機的需求，使發動機每個時刻都是處于最佳工作狀態。隨著現代液壓技術的進步，這種快速跟蹤成為可能，這就是由機、電、光、液共同組成的氣門正時智能可變制系統(簡稱VVT-i系統)來實現。

2 液壓傳動在鏈條傳動式氣門智能可變正時精細控制中的巧妙應用

    VVT-i系統由傳感器、控制電腦ECU和執行器三大部分組成二它的執行器有步進電機控制與液壓控制兩類，液控類執行器是一個由機械與液壓裝置巧妙組合形成的快速反應裝置，下面分別介紹由擺動式液壓缸和移動式液壓缸組成的VVT-i系統執行器的結構及工作原理，它們的共同點是在凸輪軸正時鏈輪與凸輪軸之間裝一個液壓缸，通過電腦控制液壓缸的運動來控制鏈輪與凸輪軸之間的相對位置，達到智能控制氣門正時的目的。

    2.1 擺動液壓缸在氣門智能可變正時中的應用

擺動式液壓缸氣門正時智能可變制系統結構及工作原理如圖2所示，正時鏈輪1沒有直接與凸輪軸剛性連接，其內部是一個三葉片式擺動液壓缸，二葉片式擺動活塞2與凸輪軸5用鍵3剛性連接，密封件4把液壓缸兩腔分隔開。各類傳感器隨時把汽車的各種信息傳給電腦ECU，ECU迅速命令三位四通電磁閥做出相應反應，使擺動液壓缸的兩腔供油或排油，擺動液壓缸帶動凸輪軸相對轉動一個角度，改變了正時傳動裝置傳動比，實現了氣門智能可變正時控制。
2 擺動式液壓缸氣門正時智能可變控制系統結構及工作原理圖

    2.2 往復液壓缸在氣門智能可變正時中的應用
    往復式液壓缸氣門智能可變控制系統結構及工作原理如圖3。正時鏈輪1與凸輪軸4之間通過一個往復式液壓缸連接，缸體3與正時鏈輪1剛性連成一體，缸體3內表面右旋內螺紋與活塞2外表面的右旋外螺紋旋合在一起；活塞2內表面左旋內螺紋與凸輪軸1外表面相同的左旋外螺紋旋合在一起，兩組螺旋副組成剛性連接，保證正時傳動準確傳遞。活塞2由導向裝置(圖中未畫出)保證只能軸向移動，不能轉動。活塞2內外兩組螺紋副都是螺旋升角較大的不自鎖螺紋副，只要有相對軸向運動，就會同時產生相對旋轉運動。

圖3 往復式液壓缸氣門正時智能可變控制系統結構及工作原理圖

    密封件5將活塞2兩邊隔開形成密封腔。在ECU控制下，當液壓缸3的A腔進油，B腔回油，活塞2向右作軸向運動的同時外表面右旋螺紋推動與鏈輪1連成一體的液壓缸3作逆時針轉動(從左邊看)，內表面左旋螺紋推動凸輪軸4作順時針轉功，相互運動的結果使氣門開啟時刻延遲；反之如果A腔回油，B腔進油，運動情況正好相反，氣門開啟時刻提前，這就改變了正時傳動比，達到氣門正時可變的目的。

3 結 論

    無論是擺動式或是往復式都要求液壓系統控制有很高的精度，元件動作靈敏度也要與汽車氣門動作要求的變化速度相匹配，加上與光、電子控制元件組成智能自動控制系統，使得人們期望精細控制汽車氣門正時，使之由固定傳動比變成可以隨時動態跟蹤汽車工作狀態而智能地自動調節的愿望成為現實，極大地提高了汽車的動力性、經濟性和環保性，這是液壓傳動在汽車精細控制中巧妙運用的成功例子。齒輪傳動、齒形皮帶傳動的精細智能控制裝置與此類似。

    液壓傳動由機床七穩態精細控制發展到汽車上瞬態精細控制是一個很大的進步，在提高汽車科技含金量的同時也促進了液壓傳動自身的進一步發展。