电动车油压泵的控制技术明确要求
（症结）
随著电气或其变频空调变频空调控制技术的不断进步，油压控制系统速率控制再次出现了除IIS与体积变频空调以外的第二种变频空调方式，即变输出功率网络流量控制方式，此种网络流量控制方式已经开始渐渐被愈来愈多的人所介绍和采用。我们看见各式各样的加油站采用了变频空调电气，用变输出功率来控制网络流量。即使在电动车化黄金时代，电气的变输出功率是它所Chhatarpur的，不须要减少生产成本。这就增添两个难题，原本为一般来说输出功率结构设计的泵，与否能满足用户在变输出功率的旋转磁场下采用？电动车油压泵须要怎样的控制技术明确要求？那个是我那时紧紧围绕的两个主轴。
第三，岩长重比（排气量-总重量比大、帕吕奥）。不可否认，油压传动装置与电气传动装置较之，最小的竞争优势是它有较好的为长比，那个岩长重比是油压存活与产业发展的终极目标，就算没了这一点儿不然，就不须要油压传动装置，用曲轴传动装置或是机械式动装置就可以了。所以对电动车油压泵的明确要求第三点依然是岩长重比。
第二，高压化、高速化和宽广压力与输出功率工作区间。我们知道，压力高了以后，油压缸的面积自然就可以做小，高压化就可以使油压控制系统的为长比增大。为什么还要高速化呢？即使电气受到磁饱和的限制，要把电气的功率密度做大，唯一的办法是使输出功率提高，所以高速化对泵来讲其实是非常关键的一点儿。高速化、高压化这两点都是泵主要的特点，以前也是，现在依然是这样。
第三点，高效（体积效率和机械效率皆高，前者是泵的基础，后者是节能的明确要求）。现在对环保的明确要求愈来愈高，碳排放愈来愈受到重视，这就明确要求效率要高。但是在以前泵的结构设计当中，对效率没这么高的明确要求，尤其在航空上面，泵的效率其实很低，有个50%可能就能满足用户明确要求。
第四点，符合环境采用明确要求。比如高低温、静音、还有减振等。
第五点，瞬态的变旋转磁场（变压力、变输出功率）和频繁带载启动。电动车泵或是将来变输出功率泵所遭遇的两个特殊明确要求，是在变压力、变输出功率的情况下，在频繁带载启动的情况下，那个泵还能正常工作。现在我们展区所有的这些泵，都是体积泵：啮合型泵、叶片泵和柱塞泵。这三种类型的泵在频繁启动的情况下，与否还可以正常工作？这就要打两个问号了，即使我们知道柱塞泵在带载的情况下，不能启动。但是在电动车黄金时代下必须要带载启动，否则电气的变输出功率就没意义了。
传统泵的特点
接下来我讲一下传统泵的特点。泵有许多种类，传统的油压泵主要有三种类型（见图1），但是由于油压的采用明确要求，最后经过控制技术竞争与淘汰的结果，就这三种泵被广泛采用。一种是啮合型泵，包括内啮合曲轴泵、外啮合曲轴泵、螺杆泵、还有摆线泵等等；第二种是叶片泵，单作用叶片泵和双作用叶片泵。这两种泵有两个特点，是它的排气量可以很大，但是压力做不了太高。另外对于曲轴泵来讲，它为了减小泄漏，一般端面会采用侧压板的形式，也是刻意结构设计两个摩擦副。啮合型泵与叶片泵不是典型的高压大功率油压泵，大功率的泵是柱塞泵。
图1 三种传统类型的泵
图1右边是斜盘式轴向柱塞泵，它最小的特点是利用斜盘将旋转运动转化为柱塞的往复运动，我们知道，在机械传动装置里面，斜盘是唯一可以实现平面支承的凸轮，它的优点是斜盘的面支承使得滑靴受的应力并不是很大，另外两个好处是随著斜盘摆角的改变，可以改变它的排气量。这是它的两大优点，它的缺点在什么地方呢？即使斜盘跟柱塞倾斜的支承，这样就使得柱塞形成两个悬臂梁的结构，柱塞外部和底部的地方就会产生应力集中，应力比较大，摩擦受力大，那个倾斜的力通过缸体、再传递到外轴上，外面的轴有两个滚珠轴承来支承，这是我们现在常用的通轴式的泵。还有一种CY泵，是在缸体的外侧有两个大的轴承进行支承。这样的泵的结构缺点是什么呢？受力不是太好，还有两个缺点是自然形成几大摩擦副：配油盘的摩擦副，滑靴摩擦副，滑靴和斜盘的摩擦副，还有柱塞的摩擦副，有时把球头也算上，那么一共有5个摩擦副。这样的摩擦副有它的优点，可以实现大的载荷的支承，但缺点是旋转磁场的适应性比较差，我们设想一下，这5个摩擦副就算在静止的时候频繁启动，摩擦副的油膜还存在吗？
这就提出来这样两个难题：传统的油压泵是为定输出功率旋转磁场结构设计的。其关键摩擦副一般是为剩余压紧力结构设计的滑动轴承。剩余压紧力是什么意思呢？是把高压侧的油引到摩擦副里面，平衡掉大部分载荷。在变输出功率旋转磁场下，它的适应性比较差，尤其停下来，再启动，没油膜，摩擦副会很快损坏。理想的变输出功率泵应该采用滚动支承，而不是滑动支承，滚动支承对油压泵的结构设计提出新的考验，即使现有的泵都是基于滑动支承。我们知道现有的泵在国外是非常成熟的控制技术，我们现在已经开始追赶。但是在不远的将来，变量泵不见得就要采用变排气量泵，IIS肯定也会用的愈来愈少，变网络流量更有可能是采用变输出功率的方式。在此种情况下，我们一定要往前看，要研发适合电动车黄金时代采用的变输出功率泵，这对我们国家来讲是两个难得的、实现油压传动装置控制技术弯道超车的产业发展机遇。
二维（2D）活塞泵
我们浙江工业大学一直以来从事二维油压元件的研究，2D阀已经做的非常成功，飞机上大量采用我们的2D阀，那个阀基本的概念是什么呢？通过阀芯的转动，使敏感腔的压力发生变化，变化的压力再来驱动阀芯。如果把2D阀集成在两个阀体上，它的为长比就有很大的竞争优势，比现在的伺服阀要轻得多，所以在航空上应用非常好，即使航空上减重是最关键的两个诉求。
图2 航空用二维（2D）阀
那个思想我们同样也可以用在泵的结构设计上，图3是二维活塞泵，我们可以看见，这台泵其实非常简单，它中间是两个活塞，那个活塞两边有两个伸出杆，两个伸出杆固联着这两个轮子，轮子在安装于缸体两侧的马鞍形导轨上转动。在转动过程中，由于受到端面凸轮导轨的约束，那个活塞作往复运动，那个活塞其实既转动又往复运动，所以我们把它叫做二维活塞。常用的活塞只有一维的运动，那个是二维的，二维中的转动起到两个配油的作用。我们知道油压泵有两个很关键的要素是要有配流，那个视频可以看出，左腔在增大的时候，从低压窗口把油吸进来，然后油腔减小的时候，通过配流槽，从高压侧把油压出去。这样就形成两个完整的二维活塞泵。那个泵其实是很简单的，我们可以看见，此种泵是纯滚动支承。此种泵跟现有的泵较之，它有非常好的为长比。即使油压里面有这样一种铁律，只要你现在的为长比有竞争优势，它将来一定会有用。
图3 二维活塞泵
非平衡式二维（2D）活塞泵
我们把活塞做往复运动的此种泵叫做非平衡式二维活塞泵（见图4），为什么叫非平衡呢？我们知道活塞在轴向上的往复运动是有惯性的，此种惯性在油压泵里面其实是不利的。
图4 非平衡式二维活塞泵示意图
图5是我们做的一款非平衡式二维活塞泵，它的网络流量是0.5L/min，它的总重量只有250g。
图5 高压电动车油压泵
图6是给超高飞行器做的一款油泵，介质是煤油，压力比较低，10MPa，它的总重量只有2.5kg，功率24kW，输出功率8000转，体积效率非常高，达到96%，它的总效率可以达到88.6%。原本用的是曲轴泵，总效率大概只有50%～60%。
图6 电动车燃油泵
惯性力平衡式二维（2D）活塞泵
活塞是往复运动的，那么为了使泵的受力更好，最好是容腔的两个界面一起相对运动。比如我们人伸出一只手来回摆动，即使惯性身体不容易平衡，但是你伸出二手相对摆动，身体就站的很稳。基于这样两个道理，我们就提出惯性平衡这样两个泵，那个泵的容腔是两边挤压的（见图7）。
图7 惯性力平衡式二维活塞泵示意图
图8是一款惯性力平衡式二维活塞泵，它的输出功率可以达到10000转，它的效率很高，而且自身总重量只有1.5kg。
图8 惯性力平衡式二维活塞泵
叠滚式二维（2D）活塞泵
滚动支承有两个最小的弱点，与滑动支承较之，它的承载能力是有限的，与滑动支承的为长比是没法比的。那么如何提高滚子的承载能力呢？我们提出来一种叫做叠滚式的轴承（见图9），它实际上是一种推力式的滚子推力轴承。那个是8个滚子，我们把它4个4个分成2组，交叉叠在一起，就构成这样一种叠滚轴承。
图9 叠滚式的轴承
叠滚轴承可以实现旋转运动到往复运动（见图10），即使柱塞泵中最重要的两个步骤是把如何把旋转运动变成往复运动，而且承载能力要足够大，要适合旋转磁场，采用叠滚就可以达到这样两个目的。我们可以看见，这时候滚子是一般来说不动的，滚子就算自转不然，受到离心力影响，它的输出功率就上不去，但是滚子就算不转不然，那个输出功率就可以大了，同时滚子大，它的承载能力就大。
图10 叠锥滚子转动-直动传动装置机构
同样的采用内外转子的结构，使工作容腔受双面挤压这样的两个效果，就可以把它做成两个叠滚式的二维活塞泵（见图11）。我们给航空做的两个叠滚式二维（2D）活塞泵，输出功率可以达到12000转，轴向的承载能力可以达到2000N，机械效率可以达到95%。
图11 叠滚式的二维活塞泵
基于二维泵的EHA
未来的油压控制系统跟电气必定深度融合，其中最关键的两个产品或是说最热门的两个产品是EHA，叫电动车静油压执行器。EHA其实已经不陌生了，我们可以看见国外的飞机，比如美国的F35、空客A380，EHA用在飞机的起落架、前轮转向和驱动装置上。
Parker、moog、力士乐都有自己的EHA，国内北航焦中夏老师的团队在这方面也做了大量的研究。其中最成功的、或是说用的最多的一款是Moog EHA的径向柱塞泵，它跟电气是连在一块的。这款泵的特点在于采用轴向变流，而不是采用配油盘。此种泵一般很难经得起复杂旋转磁场、恶劣旋转磁场。图12是我们用二维泵做的几款EHA，它们有以下几个特点。
图12 二维泵做的几款EHA
●全部采用滚动副。泵就相当于两个滚动轴承，或是说是组合式的滚动轴承。中间这款排气量比较大，也是全滚动副，采用的是叠滚，叠滚的承载能力比较大。
●集成阀泵一体。二个比例单向阀和安全阀直接就集成在里面了。
●特殊结构设计的湿式电气。泵和电气做在了一起，电气只能用湿式的，我们知道电气和泵连接的时候，一般要旋转密封，那么这样一种密封在EHA里面其实是有困难的，为什么？即使在EHA里面低压侧的压力往往是比较高的，而不是零压力，所以密封很快就被破坏了，那么最好的方式是电气和泵做成一体，不须要旋转密封了。
●电气泵一体插件。泵和电气一起考虑，做成一体，做成两个插件的形式，就像插装阀一样，直接把那个电气泵一体插件和油压缸插在一起。
●岩长重比，高频响。这里有两个动态的视频，通过电气的正反转，油压缸往复运动，比现在的油压控制系统简单得多。高频响，大概10Hz，二维泵还有个特点，它的泄漏量极小，所以在正反转切换的时候，它的死区非常小。
结论
●提出二维活塞的概念，将泵吸排和配流功能集成在单个活塞上，简化了泵的结构，使泵的为长比显著提高。
●通过引入内、外活塞双转子结构实现轴向惯性力平衡，提高了泵的高速化水平。
●提出叠滚转动-直动传动装置机构，实现活塞无间隙的往复运动，二维活塞泵的寿命和可靠性得以显著提高，并具有很高的体积效率与机械效率。
●二维活塞泵为纯滚动支承，满足用户电动车泵各种电旋转磁场的采用明确要求。
