【第三章】
车辆与行走机械应用静液压驱动技术的发展历程
方兴未艾的
混合动力汽车技术
回收和再利用制动能量不仅可以节能，减轻环境负担，还可以简化车辆上的散热系统。
基于液压技术的车辆制动能量实时转化和回用功能，可与电力传动技术中的超级电容器储能系统相比拟。
德国MAN、瑞典Volvo Flymotor、日本的三菱、美国Eaton、德国Bosch Rexroth 等公司都进行了相关的研究与开发，Bosch Rexroth、Parker 和 Eaton 等一些著名厂商已开始出售改装套件。
我们继续研读王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书的第三章第十二节：方兴未艾的混合动力汽车技术 的第一部分起步于城市公交车辆回用制动能量系统。
静液压驱动技术在汽车领域中的一个亮点及发展方向是回收和再利用制动能量的装置。
此处所谓制动能量指车辆在减速和制动过程中释放的动能，而这些动能却都是先前的加速过程中由车载原动机通过消耗燃料或电能获得的。
在传统的车辆动力传动系统中，制动能量都在机械制动器、传动装置和发动机内被转化为热能散发到大气中。
不仅损失了来之不易的动能，而且加重了环境的负担，还使车辆上必须为设置足以耗散这些热能的专门部件而颇费周章。
所以回收和再利用制动能量是一个一举多得的节能措施。
质量相同的物体所拥有的动能与其速度的平方成正比。相对于非公路应用的各种作业车辆与行走机械来说，汽车具有高得多的平均速度和大得多的动能增减变化。
特别是在交通拥挤的市内道路上，由于减速和制动损失的动能尤为可观。
根据各国测试标准仿真计算出的汽车在市内道路工况行驶间损失的制动能量可达输入的驱动能量的40%以上。因此回用制动能量的潜力相当巨大。
一套以液压蓄能器储存和释放能量的装置可以比较方便地嵌入车辆的机械传动链中代替耗能的液力或电涡流缓速器，由此提供了一种功率密度较高，并可将制动能量回用的实用手段。
当车辆减速时，控制系统使得与原车主传动链耦合的液压功率元件以液压泵的工况运转，通过其输入转矩的加载吸收由驱动桥传来的多余动能，再通过其输出的高压液压油转化为蓄能器中气体的压力能予以储存。
车辆再次加速时，蓄能器中的气体压力势能经液压油推动液压功率元件以液压马达的工况运行，将此前回收的能量产生的输出转矩叠加在驱动桥上，从而降低发动机的负荷和减少所需的新能量输入。
这种基于液压技术的车辆制动能量的实时转化和回用功能，在电力传动技术中只有超级电容器储能系统可与之相比拟，但后者的成本很高。
德国Bosch Rexroth公司的技术水平在液压和电力传动与控制这两个领域中均在国际上的具有领先优势，其在车辆上首推的商业化应用采用的是液压回收储能而非电力储能回收系统，这个事实从一个侧面说明了液压蓄能系统在实用性和性价比方面都具有优势。
城市公交汽车具有频繁的启停和加速、减速的使用特点，使它成为许多科研和制造单位研究通过静液压驱动装置回收和再利用制动、减速能量的重要载体。
在这些公共汽车行驶过程中，内燃发动机输出的功率和蓄能设备提供的能量共同驱动车辆。静液压驱动装置不仅本身即是行走功率的传输环节，而且还以其无级变速的性能起到了保障内燃发动机与蓄能设备两种动力源协调运转的作用。
1970年代末德国MAN公司的预研分部曾对装有飞轮和液压蓄能器两种制动能量回收系统的市内公交车进行了研究，为了满足不同的动力系统之间匹配要求，所试制的两种样车的主传动链都采用了无级变速的静液压机械功率分流驱动装置。
通过在柏林等城市进行的实车对比测试（图3-115），表明这两种系统在降低油耗和提高加速性能方面均有明显的效益，但飞轮蓄能系统的结构比较复杂和昂贵。
图3-115 1970年代末在柏林试运行的装有液压回收与再生制动能量的试验公交车“Hydrobus”（据柏林工业大学）
同一时期，曾经率先研制出了大偏角高效率斜轴双向变量液压泵/马达的瑞典Volvo Flymotor 公司（现属Parker Hannifin集团）也研制了以飞轮储能、静液压装置驱动的公交车（图116）
图3-116 瑞典Volvo团队早期研制过的飞轮储能、静液压驱动的公交车配置简图
1 柴油发动机 2 齿轮传动箱 3 蓄能飞轮 4 变量液压泵和液压马达等静液压驱动元件
1983年起则与其他瑞典公司合作研制了由液压蓄能器回收制动能量的CBED装置（Cumulo Brake Energy Drive），并在此基础上推出了商品化的第一种公路型车辆用并联式制动能量回用系统。
1985年开始试用于斯德哥尔摩市的城市公交汽车。此后，Parker公司则在这些技术的后续发展中取得了诸多创新成果。
城市公交车之外，人们也关注小轿车利用制动能量的课题。1978年，美国明尼苏达州的一个大学生团队改装了一辆大众牌小轿车，用功率11.8kW的发动机和带有蓄能器的静液压驱动装置取代了原装的44.1kW发动机及纯机械传动装置。
样车最高速度达到了112km/h，每百公里油耗则由7.35L降低到了3.14L。
同时，德国人Nicolaus公开了基于恒压系统并可在输出转速与转矩四象限运行的二次调节液压驱动系统专利，这种技术为液压蓄能器的高效运行（减少了气体压缩与膨胀过程中的热损失）创造了有利的条件，推动了以液压/气压方式存取能量的多种元件和系统方案和研究项目的进展。
德国汉堡联邦国防军大学曾在一辆8×8滑移转向的全地形技术验证样车上（图3-117 ）对于采用传统闭式回路的静液压驱动系统和新的二次调节液压驱动系统进行了对比试验。图3-117为后一方案的液压系统原理简图。
图3-117 汉堡联邦国防军大学的技术验证样车及其装用二次调节液压驱动系统简图
该车长3400mm，宽2530mm，质量4420kg，装有功率为58.8kW，转速4900r/min的汽油发动机。
主回路变量液压泵排量56mL/r，车体左右侧各装2个排量为40mL/r的变量液压马达，每个马达分别经链轮系统驱动2个车轮；采用的双活塞蓄能器的有效容积为35L，主液压回路压力30MPa，最高速度超过45km/h。
试验表明，二次调节液压驱动系统对于此类滑移转向的车辆有良好的适应性，不仅能有效地回收制动能量，而且有利于转向时左右驱动轮组之间的能量转移。
同时以一个公用的恒压变量泵取代原来需要的一对变量泵也简化了管道的布置，加之经常在较高的恒定压力和较小的流量下运转，显著降低了管道系统的沿程损失。
进入1990年代后，日本的三菱、美国Eaton、德国Bosch Rexroth 等公司也都进行了这方面的研究与开发。
前后已有采用不同传动方案和液压元件系统的数十辆带有液压制动能量回收系统的样车在瑞典、美国和日本的一些城市中开展过相当大规模的试运行，验证了它们在降低能耗和提高加速性等方面的优越性。
这些研究和试验的样机在常用工况下均有20%以上的节能效果，再次起步的加速时间也缩短了15%以上。此外还获得了降低噪声、减少机械制动装置的磨损和维护要求等效益。
在此基础上，Bosch Rexroth Parker 和 Eaton 等一些著名的液压元件制造厂商已开始出售用于回收利用制动能量的改装套件，并正在逐渐成为一些市政车辆的标准配置系统。
其间类似技术也进入了轨道交通的领域。图3-118 示出的即为德国 Voith 公司为柴油机动车研制的一种制动能量回收和再利用装置的示意图，使用该装置可降低燃油消耗15%以上。
静液压传动技术
用于汽车的主要
目的是什么？
2022/6
注明
以上内容引用或改编自王意先生著作《车辆与行走机械的静液压驱动》化学工业出版社，2014.
原文始发于微信公众号（波克兰液压）：第28课 I 方兴未艾的混合动力汽车技术
本文来自波克兰液压，本文观点不代表iHydrostatics静液压立场。
