第三章 液壓泵和液壓馬達

第三章液壓泵和液壓馬達液壓泵和液壓馬達的工作原理齒輪泵和齒輪馬達葉片泵和葉片式馬達柱塞泵和柱塞式液壓馬達§3-1液壓泵和液壓馬達的基本工作原理泵的分類其圖形如號見教材P35圖3-3。馬達的分類其圖形如號見教材P35圖3-3。一、液壓泵的基本工作原理

圖中為單柱塞泵的工作原理。凸輪由電動機帶動旋轉(zhuǎn)。當凸輪推動柱塞向上運動時，柱塞和缸體形成的密封體積減小，油液從密封體積中擠出，經(jīng)單向閥排到需要的地方去。當凸輪旋轉(zhuǎn)至曲線的下降部位時，彈簧迫使柱塞向下，形成一定真空度，油箱中的油液在大氣壓力的

作用下進入密封容積。凸輪使柱塞不斷地升降，密封容積周期性地減小和增大，泵就不斷吸油和排油。（1）容積式泵必定有一個或若干個周期變化的密封容積。密封容積變小使油液被擠出，密封容積變大時形成一定真空度，油液通過吸油管被吸入。密封容積的變換量以及變化頻率決定泵的流量。（2）合適的配流裝置。不同形式泵的配流裝置雖然結(jié)構(gòu)形式不同，但所起作用相同，并且在容積式泵中是必不可少的。容積式泵排油的壓力決定于排油管道中油液所受到的負載。容積式液壓泵的共同工作原理如下：二、液壓泵的主要性能參數(shù)

泵的排量是指泵每轉(zhuǎn)排出液流的體積，用q（ml/r）表示。泵的流量是指泵在單位時間內(nèi)排出液流的體積。其有理論流量和實際流量之分。泵的理論流量QT=qn

，對于前圖所示單柱塞泵，有q=d2H/4,則QT=d2Hn/4。

泵的實際流量Q=QT-ΔQΔQ是泵的泄露流量。泵的實際流量和理論流量之比稱為容積效率，即：

PV=Q/QT=(QT-ΔQ)/QT=1-ΔQ/QT

且Q=QT·PV1、排量、流量和容積效率

工作壓力是指泵的輸出壓力，其數(shù)值決定于外負載。如果負載是串聯(lián)的，泵的工作壓力是這些負載壓力之和；如果負載是并聯(lián)的，則泵的工作壓力決定于并聯(lián)負載中最小的負載壓力。

額定壓力是指根據(jù)實驗結(jié)果而推薦的可連續(xù)使用的最高壓力，他反映了泵的能力（一般為泵銘牌上所標的壓力）。在額定壓力下運行時，泵有足夠的流量輸出，并且能保證較高的效率和壽命。

最高壓力比額定壓力稍高，可看作是泵的能力極限。一般不希望泵長期在最高壓力下運行。2、壓力

泵的理論功率為pQT。輸入功率2πMTn。不考慮損失，根據(jù)能量守恒，有pQT=2πMTn。p—泵的出口壓力；MT—驅(qū)動泵所需理論扭矩。將QT=nq代入上式，消去n得MT=pq/2π.

總效率p為泵的實際輸出功率pQ與實際驅(qū)動泵所需的功率2πMPn之比，即P=pQ/2πMPn

MP—驅(qū)動泵所需實際扭矩。將Q=QTPv及QT=nq代入上式得：ηP=pq.Pv/2πMp

又因為泵的機械效率ηPm=pq/2πMP

故總功率可表示為：P=Pm.PV3、功率、機械效率和總效率設(shè)定馬達的排量為q，轉(zhuǎn)速為n，泄露量ΔQ則流量Q為：Q=nq+ΔQ容積效率mv=理論流量/實際流量

=nq/Q=nq/(nq+ΔQ)或n=(Q/q)·mv

可見，q和是mv決定液壓馬達轉(zhuǎn)速的主要參數(shù)。三、液壓馬達的主要性能參數(shù)1、流量、排量和轉(zhuǎn)速2、扭矩理論輸出扭矩MT=pq/2π

實際輸出扭矩MM=MT-ΔM

因機械效率Mm=MM/MT=1-ΔM/MT

故MM=MT.Mm=(pq/2π).Mm

可見液壓馬達的排量q是決定其輸出扭矩的主要參數(shù)。有時采用液壓馬達得每弧度排量DM=q/2π來代替其每轉(zhuǎn)排量q作為主要參數(shù)，這樣有：

=2πn=Q.mv/DM及MM=pDMMm

液壓馬達總功率：ηM=2πMMn/pQ=mvMm

可見，容積效率和機械效率是液壓泵和馬達的重要性能指標。因總功率為它們二者的乘積，故液壓傳動系統(tǒng)效率低下?？偣β蔬^低將使能耗增加并因此引起系統(tǒng)發(fā)熱，因此提高泵和馬達的效率有其重要意義。3、總功率

按結(jié)構(gòu)分：柱塞式、葉片式和齒輪式按排量分：定量和變量按調(diào)節(jié)方式分：手動式和自動式，自動式又分限壓式、恒功率式、恒壓式和恒流式等。按自吸能力分：自吸式合非自吸式四、液壓泵和液壓馬達的類型液壓泵和液壓馬達的圖形符號結(jié)束§3-2

齒輪泵和齒輪馬達一、概述二、外嚙合齒輪泵工作原理三、外嚙合齒輪泵的幾個問題四、內(nèi)嚙合齒輪泵五、齒輪馬達

齒輪泵是液壓泵中結(jié)構(gòu)最簡單的一種泵，它的抗污染能力強，價格最便宜。但一般齒輪泵容積效率較低，軸承上不平衡力大，工作壓力不高。齒輪泵的另一個重要缺點是流量脈動大，運行時噪聲水平較高，在高壓下運行時尤為突出。齒輪泵主要用于低壓或噪聲水平限制不嚴的場合。一般機械的潤滑泵以及非自吸式泵的輔助泵都采用齒輪泵。從結(jié)構(gòu)上看齒輪泵可分為外嚙合和內(nèi)嚙合兩類，其中以外嚙合齒輪泵應(yīng)用更廣泛。一、概述二、外嚙合齒輪泵工作原理外嚙合齒輪泵由一對完全相同的齒輪嚙合，由于>1，產(chǎn)生上下體積變化，這就形成了吸油區(qū)和壓油區(qū)。同時在嚙合過程中嚙合點沿嚙合線移動，把這兩區(qū)分開，起配流作用。吸油壓油圖為外嚙合齒輪泵實物結(jié)構(gòu)下面分析一下泵的排量。泵每轉(zhuǎn)一周把兩個齒輪上齒谷中的存油排出。如果泵中采用標準齒輪，并取齒谷的容積等于齒部的體積，則齒輪每轉(zhuǎn)一周排出的體積可近似等于外徑為(mZ+2m)，內(nèi)徑為（mZ-2m)，厚度為B的圓環(huán)體積，即q=/4[(mZ+2m)2-(mZ-2m)2]B=2m2ZB由于齒谷的體積大于齒部，實際幾何排量還要大一些，故以3.33代替上式中的較接近實際情況。得q=6.66m2ZB

即泵的實際流量為：Q=6.66m2ZBPV.n3、困油三、外嚙合齒輪泵的幾個問題1、泄漏2、徑向力不平衡齒頂與泵體內(nèi)表面的景象泄漏；兩齒輪嚙合線處的泄漏；齒輪端面與前、后端蓋件的軸向間隙泄漏。其中軸向泄漏最為嚴重，高壓泵常采用間隙自動補償裝置來減小泄漏。齒輪泵一側(cè)壓油，一側(cè)吸油，導(dǎo)致徑向力不平衡。齒輪在嚙合時，前一對齒脫開嚙合前，后一對齒進入嚙合，在兩對齒之間形成密封容積，當密封容積由大變小時，油液受擠壓，壓力增大，使泄漏增大，當密封容積由小變大時，產(chǎn)生氣穴。稱為困油現(xiàn)象。解決辦法是開卸荷槽。使密封容積變小時卸荷槽與壓油口通，密封容積變大時，卸荷槽與吸油口相通，以減小困油的不利影響。四、內(nèi)嚙合齒輪泵如圖所示為擺線泵工作原理圖。內(nèi)轉(zhuǎn)子1為齒輪，有6個齒。外轉(zhuǎn)子2為內(nèi)齒輪，有7個齒。內(nèi)外轉(zhuǎn)子的偏心距為e。當內(nèi)轉(zhuǎn)子繞中心01旋轉(zhuǎn)時外轉(zhuǎn)子繞02同時旋轉(zhuǎn)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子能自動形成幾個獨立的密封容積，擺線泵按圖示方向旋轉(zhuǎn)時，右半部分的封閉容積增大，形成局部真空,并通過配油窗口B從油箱吸油(b圖)。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖c位置時,封閉容積為最大。在圖d，油從A輸出。圖示為內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)圖。擺線泵由于采用擺線，又是內(nèi)嚙合，因此與同排量的其它液壓泵比較，結(jié)構(gòu)更為簡單，緊湊。泵的軸向配油，配油窗口很大，吸排油很充分。內(nèi)嚙合的一對轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，并且只相差一個齒，兩轉(zhuǎn)子齒部處的相對滑動速度很小，所以運動平穩(wěn)，噪聲小壽命長。擺線泵的缺點是轉(zhuǎn)子齒數(shù)少，流量脈動大，在高壓低速的情況下，容積效率較低。圖中為內(nèi)嚙合齒輪泵實物結(jié)構(gòu)五、齒輪馬達

1、齒輪馬達的工作原理圖為外嚙合齒輪馬達的工作原理圖。圖中P點為兩齒輪的嚙合點，當壓力油進入齒輪馬達時,壓力油分別作用在兩個齒面上。由圖可知，在兩個齒輪上各有一個使其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的作用力，兩齒輪便按圖示方向旋轉(zhuǎn)，齒輪馬達輸出軸上也就輸出旋轉(zhuǎn)力矩。齒輪馬達和齒輪泵在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別如下：（1）齒輪泵一般只需一個方向旋轉(zhuǎn)，為了減小徑向不平衡液壓力，因此吸油口大，排油口小。而齒輪馬達則需正、反兩個方向旋轉(zhuǎn)，因此進油口大小相等。（2）齒輪馬達的內(nèi)泄漏不能像齒輪泵那樣直接引到低壓腔去，而必須單獨的泄漏通道引到殼體外去。因為馬達低壓腔有一定背壓，如果泄漏油直接引到低壓腔，所有與泄漏通道相連接的部分都按回油壓力承受油壓力，這可能使軸端密封失效。2、結(jié)構(gòu)特點（3）為了減少馬達的啟動摩擦扭矩，并降低最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，一般采用滾針軸承和其他改善軸承潤滑冷卻條件等措施。齒輪馬達具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，對污染不敏感，耐沖擊，慣性小等優(yōu)點。因此，在礦山、工程機械及農(nóng)業(yè)機械上廣泛使用。但由于壓力油作用在液壓馬達齒輪上的作用面積小，所以輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般都用于高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的情況下。結(jié)束

§3-3

葉片泵和葉片式馬達一、雙作用葉片泵葉片泵有兩類：雙作用和單作用葉片泵，雙作用葉片泵是定量泵，單作用泵往往做成變量泵。而馬達只有雙作用式。二、雙作用葉片式液壓馬達三、單作用葉片泵

1、結(jié)構(gòu)和工作原理一、雙作用葉片泵圖中為雙作用葉片泵結(jié)構(gòu)。它主要由殼體1、7，轉(zhuǎn)子3，定子4，葉片5，配流盤2、6和主軸9等組成。圖中為泵的轉(zhuǎn)子和定子實物雙作用葉片泵工作原理可由下圖說明。當轉(zhuǎn)子3和葉片5一起按圖示方向旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用，葉片緊貼在定子4的內(nèi)表面，把定子內(nèi)表面、轉(zhuǎn)子外表面和兩個配流盤形成的空間分割成八塊密封容積。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，每一塊密封容積會周期性地變大和縮小。一轉(zhuǎn)內(nèi)密封容積變化兩個循環(huán)。所以密封容積每轉(zhuǎn)內(nèi)吸油、壓油兩次，稱為雙作用泵。雙作用使流量增加一倍，流量也相應(yīng)增加。2.流量先計算處于大半徑r1處的葉片a在旋轉(zhuǎn)時排出流量Qa。微小面積dA以速度v運動時排出的流量為dQ。則

Qa=dQ=r0r1Brdr=(B/2).(r12-r02)式中B—葉片寬度；

—轉(zhuǎn)子的角速度；

r0—轉(zhuǎn)子的外半徑。同樣，處于小半徑r2處葉片b在旋轉(zhuǎn)時吸入的流量為：

Qb=r0r2Brdr=(B/2).(r22-r02)從配流窗口II排出的流量為:

QII=Qa-Qb=(B/2).(r12-r22)由于此時配流窗口IV也有油液排除，故泵的總流量為：

QT=2QII=B(r12-r22)=2Bn(r12-r22)3、結(jié)構(gòu)上的若干特點（1）保持葉片與定子內(nèi)表面接觸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時保證葉片與定子內(nèi)表面接觸時泵正常工作的必要條件。前文已指出葉片靠旋轉(zhuǎn)時離心甩出，但在壓油區(qū)葉片頂部有壓力油作用，只靠離心力不能保證葉片與定子可靠接觸。為此，將壓力油也通至葉片底部。但這樣做在吸油區(qū)時葉片對定子的壓力又嫌過大，使定子吸油區(qū)過渡曲線部位磨損嚴重。減少葉片厚度可減少葉片底部的作用力，但受到葉片強度的限制，葉片不能過薄。這往往成為提高葉片泵工作壓力的障礙。在高壓葉片泵中采用各種結(jié)構(gòu)來減小葉片對定子的作用力。（2）端面間隙為了使轉(zhuǎn)子和葉片能自由旋轉(zhuǎn)，它們與配油盤二端面間應(yīng)保持一定間隙。但間隙也不能過大，過大時將使泵的內(nèi)泄漏增加，泵容積效率降低。一般中、小規(guī)格的泵其端面間隙為0.02~0.04mm。（3）定子曲線這里指的是連接四段圓弧的過渡曲線。較早期的泵采用阿基米德螺線。即=r2+a

及=r1-a

采用阿基米德螺線時，葉片徑向速度不變，不會引起泵流量脈動。（4）葉片傾角從前圖中可看出葉片頂部順轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)過一角度。很明顯，葉片頂部與定子曲線間是滑動摩擦。在壓油區(qū)，葉片依靠定子內(nèi)表面迫使葉片沿葉片槽向里運動，其作用與凸輪相似，葉片與定子內(nèi)表面接觸時有一定壓力角。4、類型前圖所示葉片泵額定壓力6.3MPa，轉(zhuǎn)速有1000~1500r/min，流量有6~100r/min多種規(guī)格，容積效率90%左右，主要用于機床。二、雙作用葉片式液壓馬達1、工作原理雙作用葉片式液壓馬達的工作原理可用下圖說明。圖中當壓力油進入后，葉片1、3、5、7一側(cè)受到壓力油的作用，另一側(cè)通回油。而葉片2、4、6、8的兩側(cè)壓力相同。當壓力作用在葉片上時，產(chǎn)生的扭矩為dM=r.pdA=pBrdr根據(jù)右圖，作用在軸上的總理論扭矩Mt為：MT=2r2r1pBrdr=pB(r12-r22)（1）葉片底部有彈簧，保證在初始條件下葉片貼近內(nèi)表面，形成密封容積；（2)泵殼內(nèi)含有兩個單向閥。進、回油腔的壓力經(jīng)單向閥選擇后再進葉片底部（如下圖）。（3）葉片槽是徑向的。這是因為液壓馬達都要旋轉(zhuǎn)之故。與泵相比具有以下幾個特點：三、單作用葉片泵

1、工作原理單作用葉片泵工作原理見下圖。由圖可看出，與雙作用泵的主要差別在于它的定子是一個與轉(zhuǎn)子偏心放置的圓環(huán)。轉(zhuǎn)子每一轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子、定子葉片和配流盤形成的密封容積只變換一次，所以配流盤上只需要一個配流窗口。單作用葉片泵結(jié)構(gòu)如圖泵的轉(zhuǎn)子K及其軸承上會受到不平衡的液壓力，大小為:

P=pBD式中P—轉(zhuǎn)子受到的不平衡液壓力；

p—泵的工作壓力；

B—定子的寬度；

D—定子內(nèi)直徑。計算泵的幾何排量為：q=B[(R+e)2-(R-e)2]=4BRe=2Bde理論流量為：QT=2Bde式中

R—定子內(nèi)半徑；

e—定子與轉(zhuǎn)子的偏心量；

2、限壓式變量葉片泵左圖中表示限壓式變量葉片泵的原理，右圖為其特性曲線。泵的輸出壓力作用在定子右側(cè)的活塞1上。當壓力作用在活塞上的力不超過彈簧2的預(yù)緊力時，泵的輸出流量基本不變。當泵的工作壓力增加，作用于活塞上的力超過彈簧的預(yù)緊力時，定子向左移動，偏心量減小，泵的輸出流量減小。當泵壓力到達某一數(shù)值時，偏心量接近零，泵沒有流量輸出。下圖是限壓變量泵的實際結(jié)構(gòu)。圖中定子上半部為壓油區(qū)，作用在定子內(nèi)部的液體壓力使定子向上并通過滑塊2使之與滾針導(dǎo)軌1靠緊，使定子移動靈活。螺釘11用以調(diào)節(jié)限壓式變量泵的起控壓力。螺釘8用以限制定子的最大偏心量，即泵的空載流量。此泵的結(jié)構(gòu)有以下兩點值得注意：

（1）葉片底部油液是自動切換的。即當葉片在壓油區(qū)時，其底部通壓力油；在吸油區(qū)時則與吸油腔相通。所以葉片上、下的液壓力是平衡的，有利于減少葉片與定子間的磨損。（2）葉片也有一傾角，但傾斜方向正好與雙作用泵相反。此種泵中，葉片上下液壓力是平衡的，葉片的向外運動主要依靠其旋轉(zhuǎn)時所受到的慣性力。

上訴泵的額定壓力為6.3MPa，主要用于機床和壓力機。結(jié)束

§3-4

柱塞泵和柱塞式馬達在第一節(jié)所述單柱塞泵中，凸輪使泵在半周內(nèi)吸油，半周內(nèi)排油。因此泵排出的流量是脈動的，它所驅(qū)動的液壓缸或液壓馬達的運動速度是不均勻的。所以無論是泵或馬達總是做成多柱塞的。常用的多柱塞泵有軸向式和徑向式兩大類。一、軸向柱塞泵二、軸向柱塞式液壓馬達三、徑向柱塞泵和馬達1、直軸式軸向柱塞泵原理一、軸向柱塞泵圖為該泵的工作原理。圖中斜盤1和配流盤4固定不轉(zhuǎn)，電機帶動軸5、缸體2以及缸體內(nèi)柱塞3一起旋轉(zhuǎn)。柱塞尾有彈簧，使其球頭與斜盤保持接觸。配流盤由于存在困油問題，為減少困油，因此在配油盤的槽I、II的起始點開上條小三角槽，且在二配流槽的兩端都開有小三角槽。見下圖：2、流量軸向柱塞泵的幾何排量q=(πd2/4)DZtgγ平均理論流量為QT=(πd2/4)DZntgγ式中

d—柱塞直徑；D—柱塞在缸體上的分布直徑；Z—柱塞數(shù)；n—軸的轉(zhuǎn)速；γ—斜盤傾斜角度。從上式看出：泵的流量及每轉(zhuǎn)排量可通過改變斜盤傾角γ而改變，所以軸向柱塞泵可很方便地做成變量泵。3、直軸式柱塞泵的結(jié)構(gòu)和變量機構(gòu)圖示是一手動變量直軸式柱塞泵結(jié)構(gòu)。它由泵主體和變量機構(gòu)兩部分組成。動力由軸8傳入，帶動缸體5連同其中的柱塞9旋轉(zhuǎn)。缸體旋轉(zhuǎn)時，斜盤的斜面通過滑靴迫使柱塞向里運動，只要改變斜盤傾角就可改變泵的流量。以下圖為柱塞泵的結(jié)構(gòu)圖為了節(jié)約能量，希望泵的流量能自動改變。常用的自動變量泵有恒功率式、恒壓力式和恒流量式等。圖中為實現(xiàn)恒功率控制的壓力補償變量機構(gòu)，以此機構(gòu)代替上圖手頂變量泵左端的手動變量機構(gòu)，就成為恒功率變量泵。圖中滑閥5和活塞6則形成一個液壓伺服機構(gòu)。液壓伺服機構(gòu)的工作原理可用下圖說明?；钊?是差動活塞，g腔的面積為d腔的二倍。泵的壓力油經(jīng)單向閥進入d腔，故d腔始終與壓力油相通。閥芯相對閥套處于中間位置時，活塞不運動。當閥芯向下偏離中位時，g腔與d腔接通。由于g腔活塞面積較大，活塞向下運動。當活塞向下運動的距離與閥芯偏離中位的距離相等時，活塞停止運動；當閥芯向上偏離中位時，g腔與回油相通，活塞向上運動，當行至與前情況相同時停止。示：其中AG’為斜盤傾角最大時，泵的最大流量。而GF’則表示當泵壓力升高，斜盤傾角減小，泵流量減少。當泵壓力進一步升高時，流量按圖中F’E’線改變。最后傾角不再變化，則流量不再變化，如圖中E’D’線。因此，泵的輸出流量根據(jù)使用壓力自動按折線G’F’E’D’變化。折線G’F’E’D’與等功率線HK接近。泵的流量壓力特性可在圖中陰影的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。如果使變量機構(gòu)的兩個彈簧中只有彈簧4起作用，則其變量特性如圖中AB線所示。上述泵又稱為恒功率變量泵，其特性如下圖所圖中為另一種直軸式軸向柱塞泵的實際結(jié)構(gòu)。缸體上不再采用大型滾柱軸承，而是將軸支承在兩端軸承上，因此要求軸具有較高的剛度。此外，其變量機械配置在與軸平行的軸線上，變量柱塞作用點離開斜盤的旋轉(zhuǎn)中心較遠，變量所需力可以較小些。泵軸另一端(圖中右端)必要時也可伸出泵體外，這時就稱為通軸泵。這泵可做成各種變量式，圖為恒壓式變量泵。4、斜軸式軸向柱塞泵由圖可見其缸體的中心線與傳動主軸成一角度，故此泵稱為斜軸泵。圖中為斜軸式軸向柱塞泵外形上述泵是恒變量泵，恒壓變量機構(gòu)的原理見下圖。活塞9的面積為活塞16的一半。活塞9的油腔直接和泵的輸出相通。而活塞16的油腔和控制閥套12的沉割槽相通，活塞16所受壓力的大小由閥芯13的位移來控制，閥芯13的臺肩寬度稍小于閥套沉割槽的寬度。當閥芯處于圖示中位時，a、b處形成兩個同樣大小的開口，其阻力相等。當閥芯13向上時，a處阻力增大，b處減小，活塞9推動拔銷11向下，使缸體擺角增加，泵排量增加；當閥芯向下時，情況正相反，排量減小。

泵的流量－壓力特性如圖。當泵的供油壓力升高至使閥芯13向下移動到中位時，拔銷11仍保持不動，流量也不變化（圖中FG線）。當泵壓力進一步升高，閥芯13偏離中位向下，x腔壓力增加，拔銷11上升，缸體擺角減小，泵流量減?。℅H線）。由于彈簧14的剛度很小，泵的供油壓力只有有很小的變化，x腔的壓