關(guān)于汽車的初中科技論文1500字
關(guān)于汽車的初中科技論文1500字
汽車與其它交通工具相比?具有“遠(yuǎn)距差效益”、“時(shí)差效益”和“運(yùn)輸質(zhì)量差效益”的特點(diǎn)。下面是小編精心推薦的關(guān)于汽車的初中科技論文1500字,希望你能有所感觸!
關(guān)于汽車的初中科技論文1500字篇一
汽車液壓助力系統(tǒng)
摘 要:目前汽車助力裝置的主流是真空助力和氣壓助力。真空助力結(jié)構(gòu)小巧,但存在安全隱患;氣壓助力安全性好,但結(jié)構(gòu)龐大。高液壓存儲(chǔ)倉的目的是提供一種小巧且安全性兼顧的裝置。高液壓存儲(chǔ)倉的基本工作原理是利用制冷劑的壓力特性,用制冷劑充當(dāng)儲(chǔ)壓劑來儲(chǔ)存壓力液的能量。使整罐壓力液能夠以高達(dá)20~25 MPa的準(zhǔn)恒壓向外作功。討論了液壓倉的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、儲(chǔ)壓劑選擇的難題、抑制泄漏的措施、超臨界CO2的特性,在此基礎(chǔ)上,提出了存儲(chǔ)高液壓的超臨界CO2液壓倉的設(shè)計(jì)思路,用超臨界CO2和溫控相配合,得到了準(zhǔn)恒高壓壓力液,實(shí)現(xiàn)了小巧且安全性兼顧,由此產(chǎn)生新型的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、離合助力器。
關(guān)鍵詞:助力系統(tǒng);真空制動(dòng);氣壓制動(dòng);轉(zhuǎn)向助力;液壓倉
中圖分類號(hào):U463.52+1文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文獻(xiàn)標(biāo)DOI:10.3969/j.issn.2095-1469.2013.02.12
根據(jù)助力的原理不同可以將其分為四大類:真空助力、氣壓助力、液壓助力以及電動(dòng)助力。
真空助力裝置的優(yōu)勢(shì)是簡單緊湊,幾乎所有的小型汽車都采用了真空助力器,并且為了加強(qiáng)其安全性還建立了國家標(biāo)準(zhǔn)[1]。但是真空助力的安全性還是有很大的漏洞,因?yàn)檎婵罩Χ家Q于發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài),只有發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)才會(huì)產(chǎn)生真空助力,發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后不再產(chǎn)生真空。轎車因?yàn)榭臻g小,通常難以安裝真空罐,所以已經(jīng)形成的真空助力只能完成一次制動(dòng)助力[2],隨后就是助力消失,其后果是引起制動(dòng)乏力、轉(zhuǎn)向很重,存在安全隱患。
氣壓助力裝置的優(yōu)勢(shì)是安全可靠,如果能像大型車一樣采用氣壓助力就不用擔(dān)心發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[3],發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后仍可保證連續(xù)5次踩到底全行程制動(dòng)助力,所以氣壓助力可以保證行車安全。但是氣壓助力并不適合小型車,其主要缺點(diǎn)是必須有空氣壓縮機(jī)、貯氣罐、制動(dòng)閥等裝置,使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、成本高。另外,其管路工作壓力低,一般為0.5~0.7 MPa,因而制動(dòng)氣室的直徑必須設(shè)計(jì)得大些,且只能置于制動(dòng)器外部,再通過桿件和凸輪或楔塊驅(qū)動(dòng)制動(dòng)蹄,這就增加了簧下質(zhì)量,并且制動(dòng)氣室排氣還有很大噪聲。液壓控制―氣壓助力器本質(zhì)上還是氣壓助力器。
電動(dòng)助力是采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,優(yōu)點(diǎn)是可靠、體積適中。缺點(diǎn)主要包括:(1)需要大大加強(qiáng)發(fā)電和儲(chǔ)電能力。(2)經(jīng)過發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩次能量轉(zhuǎn)換,效率損失大。(3)目前只能用于方向助力,制動(dòng)助力要另建一套系統(tǒng)。
采用液壓助力是很好的方案,液壓助力的優(yōu)點(diǎn)是:作用滯后時(shí)間較短(0.1~0.3 s);工作壓力高(可達(dá)10~25 MPa),使助力裝置結(jié)構(gòu)簡單,質(zhì)量小;機(jī)械效率較高(液壓系統(tǒng)有自潤滑作用)。但是因?yàn)橐后w的不可壓縮性,所以液壓無法直接儲(chǔ)存,在沒有壓力液存儲(chǔ)的情況下,當(dāng)需要用到液壓驅(qū)動(dòng)時(shí),需要啟動(dòng)液泵,反應(yīng)不會(huì)很及時(shí),并且需要一個(gè)功率較大的泵,才能迅速產(chǎn)生足夠的液壓。如果像儲(chǔ)氣筒一樣有一個(gè)儲(chǔ)液罐儲(chǔ)存了高壓液體,使整罐壓力液能夠以高達(dá)10~25 MPa的壓力迅速向外作功,那么液壓助力必定是最優(yōu)方案。
直接用壓縮液體的辦法去儲(chǔ)存液壓是不可能的,本文提出的是一種間接儲(chǔ)存液壓的裝置――液壓倉。
1 液壓倉的基本工作原理
液壓倉的基本工作原理是通過制冷劑的壓力特性來儲(chǔ)存壓力液的能量。液壓倉對(duì)于制冷劑的選用僅關(guān)心其壓力值,即只關(guān)心其壓力、溫度和密度之間的關(guān)系和儲(chǔ)存壓力的特性,并不關(guān)心其制冷特性,所以在液壓倉中將制冷劑改稱儲(chǔ)壓劑。以R717(氨)為例分析其儲(chǔ)壓特性,臨界溫度為132.25 ℃,臨界壓力為11.333 MPa。當(dāng)溫度高于凝固點(diǎn)-77.65 ℃低于臨界溫度132.25 ℃時(shí),R717處于氣液汽共存的狀態(tài),該狀態(tài)的每個(gè)溫度值都唯一對(duì)應(yīng)著一個(gè)壓力值(即飽和蒸汽壓),比如將液壓倉溫度控制在125 ℃,R717的飽和蒸汽壓就維持在9.97 MPa,將這個(gè)飽和蒸汽壓變?yōu)閴毫σ旱膲毫?,這就是液壓倉的思路。
液壓倉包括動(dòng)密封和靜密封兩大類[4],每大類又包括基本型液壓倉、超臨界流體高壓型液壓倉和增壓缸高壓型液壓倉3種。
圖1所示是基于飽和蒸汽壓的基本型活塞式液壓倉,簡稱基本型活塞式液壓倉,是3種動(dòng)密封型液壓倉的基礎(chǔ)。活塞HS將缸筒腔GT隔離成液壓腔YYQ和儲(chǔ)壓腔CYQ兩個(gè)子腔,假定儲(chǔ)壓腔中充注了氣液共存的R717充當(dāng)儲(chǔ)壓劑,液壓倉溫度控制在125 ℃,這時(shí),儲(chǔ)壓腔壓力恒等于R717的飽和蒸汽壓9.97 MPa,其壓力不會(huì)因活塞HS的移動(dòng)而變化。由于液壓腔與儲(chǔ)壓腔之間是一個(gè)活塞,所以兩個(gè)腔壓力相等,即液壓腔中的壓力液都儲(chǔ)存了相當(dāng)?shù)哪芰浚瑝毫Υ笮〉扔趦?chǔ)壓腔的壓力9.97 MPa。當(dāng)對(duì)外作功時(shí),儲(chǔ)壓劑推動(dòng)活塞擠壓壓力液,壓力液以等于9.97 MPa壓力值向外作功,壓力液從滿腔直至流完,壓力都會(huì)自動(dòng)維持在9.97 MPa附近。
圖1中,液壓腔端部有注液口ZYK和排液口PYK,可以注入或排出壓力液。當(dāng)補(bǔ)液液泵的壓力大于儲(chǔ)壓劑的飽和蒸汽壓時(shí),壓力液注入液壓腔并擠推活塞向儲(chǔ)壓腔方向移動(dòng),將氣態(tài)儲(chǔ)壓劑壓縮成液態(tài)儲(chǔ)壓劑,進(jìn)行儲(chǔ)壓。WZC為儲(chǔ)壓腔位置開關(guān),當(dāng)活塞觸碰到它時(shí)補(bǔ)液液泵停機(jī)。WZY為“缺壓力液”的報(bào)警傳感器。QCJ為儲(chǔ)壓劑漏完報(bào)警傳感器。BCK為儲(chǔ)壓劑補(bǔ)充口。
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[5],汽車液壓按最高工作液壓分為10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa 4個(gè)壓力級(jí),對(duì)于這么高的壓力級(jí),液壓倉有兩大疑點(diǎn)需要分析,一是儲(chǔ)壓劑的密封問題,二是有無合適的儲(chǔ)壓劑。
2 儲(chǔ)壓劑的密封問題
活塞處無疑是儲(chǔ)壓劑的泄漏源,動(dòng)密封是無法做到完全密封的,在這么高的壓力下,如何保證儲(chǔ)壓劑的密封,要分以下兩種情況分析。
(1)液壓倉處于正常工作狀態(tài)。這時(shí),壓力液腔中或多或少存儲(chǔ)著壓力液,壓力液腔與儲(chǔ)壓劑腔是壓力平衡的,所以儲(chǔ)壓劑向壓力液腔方向泄漏是一種無壓差的滲漏,這是很微弱的泄漏。為了進(jìn)一步減小滲漏,可以采用夾心層式活塞(圖2),活塞HS由上下兩個(gè)“半活塞”HSx和HSy夾一個(gè)油封腔YFQ組成。HSx和HSy通過滑動(dòng)柱HDZ和滑動(dòng)套HDT相結(jié)合,可以滑動(dòng)而改變兩者的距離(即夾心層油封腔YFQ的厚度),油封腔中充滿壓力液,所以是增加了一級(jí)無壓差密封,在油封腔中的壓力液泄漏完之前,儲(chǔ)壓劑的泄漏可以忽略,從而使密封更加可靠。油封腔中的壓力液也存在泄漏問題,泄漏后需要補(bǔ)充,半活塞HSx上有一個(gè)單向閥DXF,當(dāng)液壓腔壓力大于油封腔壓力時(shí),允許液壓腔中的壓力液進(jìn)入油封腔,反之不行。所以,油封腔中的壓力液只要有泄漏,就總會(huì)得到補(bǔ)充。 (2)液壓倉處于長時(shí)間停止工作的狀態(tài)。液壓腔中壓力液會(huì)慢慢泄漏完畢,活塞一邊是儲(chǔ)壓腔的高壓力,一邊是大氣壓,形成了大壓差泄漏,這種泄漏比無壓差泄漏嚴(yán)重得多,所以要設(shè)法抑制。方案之一是采用橡膠密封墊MFD(圖1)進(jìn)行密封,壓力液泄漏完畢后,活塞會(huì)將密封墊壓緊,達(dá)到密封效果,同時(shí),油封腔也能協(xié)助密封。
3 儲(chǔ)壓劑的討論
儲(chǔ)壓劑的選用,重點(diǎn)是需在合理的溫控下具有足夠高的飽和蒸汽壓。目前資料表明[6],儲(chǔ)壓劑的選用是一個(gè)大難題――沒有合適的儲(chǔ)壓劑。現(xiàn)將幾種有充當(dāng)儲(chǔ)壓劑潛力的制冷劑列表如下(表1)。
合理的溫控,就汽車而言,將液壓倉溫度控制在60~110 ℃是合理的選擇,因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液最高溫度約110 ℃。假如要控制在60 ℃以下,夏天的溫度加上汽車的溫度,很快就突破60 ℃,還要提供制冷才可以到60 ℃,顯然不合理。難題是,溫度定在60~110 ℃時(shí),就只有硫化氫和氨的飽和蒸汽壓較高,硫化氫劇毒,不予考慮,而氨(即R717),當(dāng)溫度為110 ℃時(shí),飽和蒸汽壓為7.578 MPa,如果要(勉強(qiáng)及格)達(dá)到10 MPa,溫度要控制在125 ℃,無法利用已有的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)加熱,需要單獨(dú)設(shè)置一套125 ℃的加熱恒溫系統(tǒng),這就比較麻煩。更不利的是氨的臭氣,稍有泄漏就會(huì)引起反感。
綜上所述,目前儲(chǔ)壓劑壓力范圍可達(dá)到5~10 MPa,但難以達(dá)到10 MPa,借此界定5~10 MPa為次高壓,10~25 MPa為高壓,高壓也就是國標(biāo)規(guī)定的壓力級(jí)范圍[4]。基本型液壓倉只能形成次高壓,要產(chǎn)生高壓壓力液,只能是另辟蹊徑。有3種辦法,一是增壓缸高壓型液壓倉,這在結(jié)構(gòu)上將有較復(fù)雜的變化,擬另專題討論;二是研究新的高壓儲(chǔ)壓劑;三就是下文將討論的超臨界流體CO2(類似的有NO2)的液壓倉。
4 基于超臨界CO2的液壓倉可行性研究
作為儲(chǔ)壓劑,CO2的主要優(yōu)點(diǎn)是[7-8]:環(huán)境友好,并且在60~110 ℃之間作為超臨界流體儲(chǔ)壓劑使用的壓力正好可以滿足要求。缺點(diǎn)就是因?yàn)榕R界溫度偏低而無法作為飽和蒸汽壓型的儲(chǔ)壓劑使用。
超臨界CO2的壓力不但隨溫度上升而增加,而且還隨CO2密度增加而增加,而活塞的運(yùn)動(dòng)必定使CO2密度改變,所以,要像飽和蒸汽壓那樣維持壓力恒定是不可能的,只能考慮讓壓力維持在可接受的變化范圍。為簡化敘述,下面均以壓力范圍在20~25 MPa為例進(jìn)行分析。
超臨界CO2高壓液壓倉(圖3)的結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是在前述的“基本型活塞式液壓倉”基礎(chǔ)上增加了一個(gè)儲(chǔ)壓劑輔助腔FZQ(輔助罐FZG)。該輔助腔與儲(chǔ)壓主腔CYQ連通,加大了儲(chǔ)壓腔的總?cè)莘e,以減小儲(chǔ)壓劑密度變化率,從而減小壓力的波動(dòng)。所以,超臨界CO2液壓倉的設(shè)計(jì)要復(fù)雜些,需要進(jìn)行許多計(jì)算,包括壓力、溫度、CO2密度、輔助腔容積與儲(chǔ)壓主腔容積之比。
現(xiàn)已知,壓力設(shè)定在20~25 MPa,溫度設(shè)定在60~110 ℃比較合理,而且分析圖4得知,超臨界CO2正好在這個(gè)溫區(qū)的壓力非常理想[7-8]。根據(jù)圖4估算得到表2中的密度值,根據(jù)表2 ,通過對(duì)60 ℃和110 ℃的兩組數(shù)據(jù)的計(jì)算和對(duì)比來看趨勢(shì),確定相對(duì)合理的溫度、密度、輔助腔的大小等參數(shù)。
對(duì)超臨界CO2高壓液壓倉結(jié)構(gòu),設(shè):儲(chǔ)壓主腔容積VC與液壓腔容積VY之和為VCY,即VC+VY=VCY;溫控在110℃;所需的輔助腔容積為V110;儲(chǔ)壓劑總質(zhì)量為M。
根據(jù)超臨界CO2高壓液壓倉結(jié)構(gòu)可知:VCY為固定值,由于活塞的運(yùn)動(dòng),VC在0~VCY之間變化。
當(dāng)活塞移動(dòng)到最頂部時(shí),儲(chǔ)壓腔總?cè)莘e達(dá)到最大值Vmax= VCY+V110,儲(chǔ)壓劑密度達(dá)到最小值M/(V110+VCY),由表2得知,20 MPa對(duì)應(yīng)著CO2的最小密度為430 kg/m3,所以得到
當(dāng)活塞到最底部時(shí),儲(chǔ)壓主腔容積VC等于0,儲(chǔ)壓腔總?cè)莘e達(dá)到最小值Vmin= V110,儲(chǔ)壓劑密度達(dá)到最大值M/V110。由表2得知,25 MPa對(duì)應(yīng)著CO2的最大密度為550 kg/m3,所以得到
同理,當(dāng)溫控為100 ℃時(shí),輔助腔為儲(chǔ)壓主腔的5倍;當(dāng)溫控為60 ℃時(shí),得到輔助腔應(yīng)該為儲(chǔ)壓主腔最大值的12.33倍。
根據(jù)以上分析可知,在20~25 MPa的壓力區(qū)間,作為儲(chǔ)壓劑的CO2,溫度越高則密度變化范圍越寬松,輔助腔就不需要太大,溫控為100~110 ℃時(shí)的綜合特性較理想。根據(jù)壓力反饋調(diào)節(jié)溫度,當(dāng)壓力小于23 MPa時(shí)提高溫度使壓力上升,當(dāng)壓力大于25 MPa時(shí)降低溫度使壓力下降,將壓力控制在23~25 MPa范圍內(nèi)。
5 體積估算
根據(jù)制動(dòng)和轉(zhuǎn)向助力的能量需求,計(jì)算液壓倉體積。
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[3],產(chǎn)生最大制動(dòng)作用時(shí)的踏板力,對(duì)于座位數(shù)小于或等于9的小型載客汽車應(yīng)不大于500 N,踏板行程不得超過120 mm;對(duì)于其它車輛踏板力應(yīng)不大于700 N,踏板行程不得超過150 mm。也就是說,駕駛員制動(dòng)作功的上限Amax為
國家標(biāo)準(zhǔn)要求儲(chǔ)存的能量可以提供連續(xù)5次踩到底全行程制動(dòng),而0.6 L容積的液壓倉儲(chǔ)存的能量即可提供18次踩到底全行程制動(dòng)。當(dāng)然,這些儲(chǔ)存的能量還要用于轉(zhuǎn)向助力,考慮到還有液壓泵的后續(xù)支持,這么大的能量儲(chǔ)存已經(jīng)足夠用于大貨車的助力。
6 結(jié)論和展望
液壓倉只需0.6 L容積即可儲(chǔ)存足夠用于大貨車助力的能量,所以在結(jié)構(gòu)上比真空助力裝置更小巧緊湊。液壓倉的液壓是目前氣壓助力壓力的40倍,液壓的可靠性和被密封性都要優(yōu)于氣壓,所以液壓倉在安全性上超過氣壓助力裝置。即,液壓倉集中并超過了真空助力和氣壓助力兩者的優(yōu)點(diǎn)而避免了兩者的缺點(diǎn)。
超臨界流體液壓倉可以得到25 MPa甚至更高壓力的液壓,由于利用活塞兩邊壓力平衡原理設(shè)計(jì)的夾心層式活塞的結(jié)構(gòu),使儲(chǔ)壓劑的泄漏問題基本解決。
要形成25 MPa級(jí)的恒定液壓,除了上述的超流體CO2方案外,還可以進(jìn)行其它方案的研究,有以下幾種研究方向。
(1)研究出在60~100 ℃時(shí)飽和蒸汽壓處于20~25 MPa區(qū)間的儲(chǔ)壓劑,將使液壓倉更加小巧簡單。
(2)目前水的飽和蒸汽壓最高,365 ℃時(shí)飽和蒸汽壓為20 MPa,374 ℃時(shí)臨界飽和蒸汽壓為22 MPa,如果解決這么高的溫控并且解決高溫狀態(tài)下的密封問題,同樣可以使液壓倉更加小巧簡單。
(3)采用增壓缸提高壓力和采用封閉式液壓倉結(jié)構(gòu),這兩個(gè)問題都已經(jīng)解決,但還有進(jìn)一步研究的空間。
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