第8章汽車液壓與氣壓傳動柳波

第一節(jié)明確設計要求進行工況分析第二節(jié)液壓系統(tǒng)原理圖的擬定第三節(jié)確定液壓系統(tǒng)主要參數第四節(jié)液壓元件的計算與選擇第五節(jié)液壓系統(tǒng)性能的驗算設計要求是進行工程設計的主要依據，設計前必須把主機對液壓系統(tǒng)的設計要求和與設計相關的情況了解清楚，一般要明確下列主要問題：(1)主機用途，總體布局與結構，主要技術參數與性能要求，工藝流程或工作循環(huán)，作業(yè)環(huán)境與條件等。(2)液壓系統(tǒng)應完成哪些動作，各個動作的工作循環(huán)及循環(huán)時間；負載大小及性質、運動形式及速度快慢；各動作的順序要求及互鎖關系，各動作的同步要求及同步精度；明確設計要求液壓系統(tǒng)工作性能要求，如運動平穩(wěn)性、調速范圍、定位精度、轉換精度，自動化程度、效率與溫升、振動與噪聲、安全性與可靠性等。(3)液壓系統(tǒng)的工作溫度及其變化范圍，濕度大小，風沙與粉塵情況，防火與防爆要求，安裝空間的大小、外廓尺寸與質量限制等。(4)經濟性與成本等方面的要求。只有明確了設計要求及工作環(huán)境，才能使設計的系統(tǒng)不僅滿足性能要求，且具有較高的。明確設計要求工況分析的目的是明確在工作循環(huán)中執(zhí)行元件的負載和運動的變化規(guī)律，它包括運動分析和負載分析。（1）運動分析運動分析，就是研究工作機構根據工藝要求應以什么樣的運動規(guī)律完成工作循環(huán)，運動速度的大小、加速度是恒定的還是變化的、行程大小及循環(huán)時間長短等，為此必須確定執(zhí)行元件的類型，并繪制位移—時間循環(huán)圖或速度—時間循環(huán)圖。液壓系統(tǒng)的工況分析液壓執(zhí)行元件的類型可按表8-1進行選擇。

液壓執(zhí)行元件的類型表8-1液壓系統(tǒng)的工況分析（2）負載分析負載分析，就是通過計算，確定各液壓執(zhí)行元件的負載大小和方向，并分析各執(zhí)行元件運動過程中的振動、沖擊及過載能力等情況，作用在執(zhí)行元件上的負載有約束性負載和動力性負載兩類，約束性負載的特征是其方向與執(zhí)行元件運動方向永遠相反，對執(zhí)行元件的運動起阻止作用，不會起驅動作用，如庫侖固體摩擦阻力、黏性摩擦阻力等都是約束性負載。動力性負載的特征是其方向與執(zhí)行元件的運動方向無關，其數值由外界規(guī)律所決定，執(zhí)行元件承受動力性負載時可能會出現兩種情況：液壓系統(tǒng)的工況分析液壓系統(tǒng)的工況分析一種是動力性負載方向與執(zhí)行元件運動方向相反，起阻止執(zhí)行元件運動的作用，稱阻力負載(正負載)；另一種情況是動力性負載方向與執(zhí)行元件運動方向一致，稱為超越負載(負負載)，超越負載變成驅動執(zhí)行元件的驅動力，執(zhí)行元件要維持勻速運動，其中的流體要產生阻力功，形成足夠的阻力來平衡超越負載產生的驅動力，這就要求系統(tǒng)應具有平衡和制動功能，重力是一種動力性負載，重力與執(zhí)行元件運動方向相反時是阻力負載；與執(zhí)行元件運動方向一致時是超越負載，對于負載變化規(guī)律復雜的系統(tǒng)必須畫出負載循環(huán)圖，不同工作目的的系統(tǒng)，負載分析的著重點不同，例如對于工程機械的作業(yè)機構，著重點為重力在各個位置上的情況，負載圖以位置為變量；機床工作臺著重點為負載與各工序的時間關系。液壓系統(tǒng)的工況分析3)液壓缸的負載計算一般說來，液壓缸承受的動力性負載有工作負載Fw、慣性負載Fm、重力負載Fg，約束性負載有摩擦阻力Ff、背壓負載Fb、液壓缸自身的密封阻力Fsf。即作用在液壓缸上的外負載為（8-1）(１)工作負載Fｗ。工作負載與主機的工作性質有關，它可能是定值，也可能是變值。一般工作負載是時間的函數，即Fw＝F(t)，需根據具體情況分析決定。(２)慣性負載Fm。慣性負載是運動部件在啟動加速或減速制動過程中產生的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出式中：M—運動部件總質量；

A—加速度；ΔV—Δt時間內速度的變化量；Δt—啟動或制動時間，一般機械系統(tǒng)取0.1-0.5s；行走機械系統(tǒng)取0.5-1.5s；機床運動系統(tǒng)取0.25-0.5s；機床進給系統(tǒng)取0.05-0.2s工作部件較輕或運動速度較低時取小值，(3)導向摩擦阻力FF，摩擦阻力是指液壓缸驅動工作機構所需克服的導軌摩擦阻力，其值與導軌形狀、安放位置和工作部件的運動狀態(tài)有關。液壓系統(tǒng)的工況分析（8-2）對于平導軌對于V形導軌式中：FN—作用在導軌上的垂直載荷；

α—V形導軌夾角，通常取α=90°；

μ—導軌摩擦系數，其值可參閱相關設計手冊。液壓系統(tǒng)的工況分析（8-3）（8-4）(4)重力負載Fg，當工作部件垂直或傾斜放置時，自重也是一種負載，當工作部件水平放置時，Fg=０。(5)背壓負載Fb，液壓缸運動時還必須克服回油路壓力形成的背壓阻力Fb，其值為式中：A2—液壓缸回油腔有效工作面積；pb—液壓缸背壓。在液壓缸結構參數尚未確定之前，液壓缸背壓一般按經驗數據估計一個數值，系統(tǒng)背壓的一般經驗數據為：中低壓系統(tǒng)或輕載節(jié)流調速系統(tǒng)取0.2-0.5MPa；回油路有調速閥或背壓閥的系統(tǒng)取0.5-1.5MPa；采用補油泵補油的閉式系統(tǒng)取1.0-1.5MPa；采用多路閥的復雜的高壓工程機械液壓系統(tǒng)的工況分析（8-5）系統(tǒng)取1.2-3.0MPa。(6)液壓缸自身的密封阻力Fsf，液壓缸工作時還必須克服其內部密封裝置產生的摩擦阻力Fsf，其值與密封裝置的類型、油液工作壓力、特別是液壓缸的制造質量有關,ηｍ計算煩瑣；一般將它計入液壓缸的機械效率中考慮，通常取ηｍ=0.90~0.97。（4）液壓缸運動循環(huán)各階段的負載液壓缸運動分為啟動、加速、恒速、減速制動等階段，不同階段的負載計算是不同的。啟動時液壓系統(tǒng)的工況分析加速時恒速運動時減速制動時液壓系統(tǒng)的工況分析圖8-1某液壓缸的速度圖和負載圖對復雜的液壓系統(tǒng)，如有若干個執(zhí)行元件同時或分別完成不同的工作循環(huán)，則有必要按上述各階段計算總負載力，并根據上述各階段的總負載力和它所經歷的工作時間t(或位移s)，按相同的坐標繪制液壓缸的負載時間(F—t)圖或負載位移(F—s)圖，圖8-1所示為某機床主液壓缸的速度圖和負載圖，最大負載值是初步確定執(zhí)行元件工作壓力和結構尺寸的依據，液壓馬達的負載力矩分析與液壓缸的負載相同，只需將上述負載力的計算變換為負載力矩即可。工作負載圖擬定液壓系統(tǒng)原理圖是從作用原理和結構組成上具體體現設計任務中提出的各項要求。它包含三項內容：確定系統(tǒng)類型、選擇液壓回路和集成液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)在類型上究竟采用開式還是閉式，主要取決于它的調速方式和散熱要求。一般來說，凡備有較大空間可以存放油箱且不另設置散熱裝置的系統(tǒng)、要求結構盡可能簡單的系統(tǒng)，或采用節(jié)流調速或容積—節(jié)流調速的系統(tǒng)，都宜采用開式；凡允許采用輔助泵進行補油并通過換油來達到冷卻目的的系統(tǒng)、對工作穩(wěn)定性和效率有較高要求的系統(tǒng)，或采用容積調速的系統(tǒng)，都宜采用閉式。選擇液壓回路是根據系統(tǒng)的設計要求和工況圖從眾多的成熟方案中評比挑選出來的。

挑選時既要保證滿足各項主機要求，也要考慮符合節(jié)省能源、減少發(fā)熱、減少沖擊等原則。挑選工作首先從對主機主要性能起決定性作用的調速回路開始，然后再根據需要考慮其他輔助回路：例，對有垂直運動部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路，有快速運動部件的系統(tǒng)要考慮緩沖和制動回路，有多個執(zhí)行元件的系統(tǒng)要考慮順序動作、同步或互不干擾回路，有空運轉要求的系統(tǒng)要考慮卸荷回路等。挑選回路出現多種可能方案時，宜平行展開，反復進行對比，不用輕易作出取舍決定。集成液壓系統(tǒng)時把挑選出來的各種液壓回路綜合在一起，進行歸并整理增添必要的元件或輔助油路，使之成為完整系統(tǒng)，并在最后檢查一下：這個系統(tǒng)能否完滿地實現所要求的各項功能?要否再進行補充或修正?有無作用相同或相近的元件或油路可以合并?等等。這樣才能使擬定出來的液壓系統(tǒng)結構簡單、緊湊，工作安全可靠，動作平穩(wěn)、效率高，使用和維護方便。綜合得好的系統(tǒng)方案應全由標準元件組成，至少亦應使自行設計的專用件減少到最低限度。對可靠性要求特別高的系統(tǒng)，擬定液壓系統(tǒng)原理圖時，要應用可靠性設計理論，對液壓系統(tǒng)進行可靠性設計，以確保整個系統(tǒng)安全可靠地運行，因為液壓系統(tǒng)往往是主機可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。根據液壓執(zhí)行元件的負載循環(huán)圖，可以確定系統(tǒng)的最大載荷點，在充分考慮系統(tǒng)所需流量、系統(tǒng)效率和性能要求等因素后，可參照表8-2或表8-3選擇系統(tǒng)工作壓力。

工作壓力是確定執(zhí)行元件結構參數的主要依據。它的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本，乃至整個系統(tǒng)的性能。在系統(tǒng)功率一定時，一般選用較高的工作壓力，使執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結構緊湊、質量輕、經濟性好。但是若工作壓力選得過高，會提高對元件的強度、剛度及系統(tǒng)工作壓力的確定密封要求和制造精度要求，不但達不到預期的經濟效果，還會降低元件的容積效率、增加系統(tǒng)發(fā)熱、降低元件壽命和系統(tǒng)可靠性；反之，若工作壓力選得過低，就會增大執(zhí)行元件及整個系統(tǒng)的尺寸，使結構變得龐大。所以應根據實際情況選取適當的工作壓力。系統(tǒng)工作壓力的確定按主機類型選擇系統(tǒng)工作壓力表表8-3

前面初步選定的工作壓力可以認為就是執(zhí)行元件的輸入壓力p1，然后再初步選定執(zhí)行元件的回油壓力p2(背壓)，這樣就可以確定執(zhí)行元件的參數。液壓缸的主要結構參數缸徑D、活塞桿徑D和液壓馬達的排量VM的計算詳見前面相關章節(jié)計算公式。注意計算所得數值，應圓整為標準值。執(zhí)行元件參數的確定

液壓缸(液壓馬達)所需最大流量qMAx按其實際有效工作面積A(或液壓馬達的排量VM)及所要求的最高速度VMAx(或液壓馬達最高轉速nMAx)來計算，即(8-10)式中：ηV-執(zhí)行元件的容積效率。當單桿液壓缸作差動連接時，實際有效工作面積A=A1-A2。液壓缸所需最小流量qMin按其實際有效工作面積A和所要求的最小速度VMin來計算，即執(zhí)行元件流量的確定

式(8-11)所求得的液壓缸最小流量應該等于或大于流量控制閥或變量泵的最小穩(wěn)定流量。同樣地，液壓馬達最小流量按其排量和所要求的最小轉速來計算。工況圖包括壓力圖、流量圖和功率圖。壓力圖、流量圖是執(zhí)行元件在運動循環(huán)中各階段的壓力與時間或壓力與位移，流量與時間或流量與位移的關系圖；功率圖則是根執(zhí)行元件的工況圖據壓力p與流量q計算出各循環(huán)階段所需功率，畫出功率與時間或功率與位移的關系圖。當系統(tǒng)中有多個同時工作的執(zhí)行元件時，必須把這些執(zhí)行元件的流量圖按系統(tǒng)總的動作循環(huán)組合成總流量圖。圖8-2所示為某液壓缸的工況圖。工況圖是選擇液壓泵、液壓控制閥和計算電動機功率等的依據。利用工況圖，可驗算各工作階段所確定的參數的合理性。例如，當多個執(zhí)行元件按各工作階段的流量或功率疊加，其最大流量或功率重合而使流量或功率分布很不均衡時，可在整機設計要求允許的條件下，適當調整有關執(zhí)行元件的動作時間或速度，盡量避開或減小流量、功率的最大值，以提高整個系統(tǒng)的效率。執(zhí)行元件的工況圖執(zhí)行元件的工況圖圖8-2液壓缸的壓力圖、流量圖和功率圖示例確定液壓泵時要根據系統(tǒng)的工作壓力和流量以及系統(tǒng)對液壓泵的性能要求來進行。液壓泵選定后，就可計算液壓泵所需電動機功率，并根據此功率和液壓泵所需轉速選擇相應的電動機。（1）確定液壓泵的最大工作壓力和流量液壓泵的最大工作壓力pp按下式計算：(8-12)式中：p1MAｘ-液壓執(zhí)行元件最大工作壓力，由壓力圖(p-t)選取最大值；ΣΔp-從液壓泵出口到執(zhí)行元件入口之間所有沿程壓力損失和局部壓力損失之和。液壓泵的確定與驅動功率的計算初算時按經驗數據選取：管路簡單，管中流速不大時，取ΣΔp=0.2~0.5MpA；管路復雜，管中流速較大或有調速元件時，取ΣΔp=0.5~1.5MpA。液壓泵的流量qp按下式計算：(8-13)式中：k-考慮系統(tǒng)泄漏和溢流閥保持最小溢流量的系數一般取k=1.1~1.3，大流量取小值，小流量取大值；(Σq)Max—同時工作的執(zhí)行元件的最大總流量，由流量圖(q-t)選取最大值。選擇液壓泵時，可以參考液壓元件手冊，根據液壓泵最大工作壓力pp選擇液壓泵的類型，根據液壓泵的流量qp選擇液壓泵的規(guī)格。選擇液壓泵的額定壓力時應考慮到動態(tài)過程和制造質量等因素。液壓泵的確定與驅動功率的計算要使液壓泵有一定的壓力儲備。一般泵的額定工作壓力應比上述最大工作壓力高20%~60%，泵的額定流量則應與系統(tǒng)所需的最大流量相適應。(2)確定原動機的功率液壓泵在額定壓力和額定流量下工作時，其驅動電動機的功率可從元件手冊中查到。此外，也可根據具體工況計算。電動機的轉速應與液壓泵的轉速匹配。在工作循環(huán)中，當液壓泵的壓力和功率變化較小時，液壓泵所需的驅動功率為(8-14)液壓泵的確定與驅動功率的計算式中：ηp—液壓泵的總效率，齒輪泵ηp=0.6~0.8，葉片泵ηp=0.7~0.8.，柱塞泵ηp=0.8~0.85，具體數值可參閱產品樣本。限壓式變量葉片泵的驅動功率，可按泵的實際流量壓力特性曲線拐點處的功率來計算。在工作循環(huán)過程中，當液壓泵的壓力和功率變化較大時，液壓泵所需的驅動功率應分別計算出工作循環(huán)中各個階段所需的驅動功率，然后求其均方根值即可（8-15）液壓泵的確定與驅動功率的計算式中：p1、p2...pn—在一個工作循環(huán)中，每個工作階段所需的功率，w；t1、t2...tn—在一個工作循環(huán)中，每個工作階段所需的工作的時,s。在選擇電動機時，應將求得的平均功率值與各工作階段的最大功率值比較，若電動機的超載量在允許范圍之內(一般允許短時超載25%)，則按平均功率選擇電動機；否則應按最大功率選擇電動機。閥類元件的規(guī)格應按閥所在回路的最大工作壓力和通過該閥的最大流量，從產品樣本中選定。選用閥類元件時應考慮其結構形式、特性、壓力等級、連接方式、集成方式及操縱方式等。液壓泵的確定與驅動功率的計算

選擇壓力控制閥時，應考慮壓力閥的壓力調節(jié)范圍、流量變化范圍、所要求的壓力靈敏度和平穩(wěn)性等，特別是溢流閥的額定流量必須滿足液壓泵最大流量的要求。選擇流量控制閥時，應考慮流量閥的流量調節(jié)范圍、流量—壓力特性、最小穩(wěn)定流量、壓力補償要求或溫度補償要求，對油液過濾精度的要求，閥進、出口壓差大小及閥內泄漏量的大小等。選擇方向控制閥時，應考慮方向閥的換向頻率、響應時間、操縱方式、滑閥機能、閥口壓力損失及閥內泄漏量的大小等。對于單桿液壓缸系統(tǒng)，若無桿腔有效作用面積為有桿腔有效作用面積的幾倍，當有桿腔進油時，則回油流量為進油流量的幾倍，此時，應以幾倍的流量來選擇方向控制閥。通過各類閥件的實際流量最多不應超過其額定值的20%。液壓控制閥的選擇1)確定管道尺寸管道尺寸取決于需要通過的最大流量和管中允許流速。(1)管內油液的推薦流速。對于液壓泵吸油管道一般常取1M/s以下；系統(tǒng)壓力管道一取2.5~6M/s，壓力高、管道短、黏度小時取大值；系統(tǒng)回油管道一般取1.5~2.5M/s(2)管道內徑的計算：(8-16)液壓輔件的計算與選擇式中：D—管道內徑；q—通過管道油液的流量；V—管內油液的流速，按推薦流速選取。(3)管道壁厚的計算：(8-17)式中：δ—金屬管壁厚；D—管道內徑；p—工作壓力；[σ]—許用應力。

液壓輔件的計算與選擇對于鋼管，σn=σb/n，σb為抗拉強度，n為安全系數，當p在7~17.5MpA時，取n=6；當p>17.5MpA時，取n=4對于銅管，取[σ]≤25MpA。計算出管道內徑和壁厚之后，應按標準選取相應規(guī)格的油管。在實際設計中，管道通常按選定液壓元件油口的大小及管接頭尺寸來確定其尺寸。(2)確定油箱容量液壓系統(tǒng)的散熱主要依靠油箱，油箱大，散熱快，但占地面積大；油箱小，則油溫較高。初始設計時，油箱容量可按下列經驗公式確定：液壓輔件的計算與選擇(8-18)式中：qV-液壓泵每分鐘排出的液體體積，M3；α-經驗系數，低壓系統(tǒng)取2~4，中壓系統(tǒng)取5~7，高壓系統(tǒng)取6~12，行走機械取1~2。系統(tǒng)設計完成后，應按散熱或溫升要求驗算油箱容積。濾油器、蓄能器和冷卻器的選擇可參閱液壓設計手冊。液壓系統(tǒng)設計完成后，需要對它的技術性能進行驗算，以便判斷設計質量。液壓輔件的計算與選擇液壓系統(tǒng)性能的驗算主要是計算系統(tǒng)壓力損失、調整壓力、泄漏量、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)溫升、運動平穩(wěn)性等。這里只介紹系統(tǒng)壓力損失和溫升的驗算，其他驗算可參閱液壓設計手冊。

選定了液壓元件的規(guī)格及管道、濾油器等輔件，確定了安裝方式，繪制出管路安裝圖之后，就可以對管路系統(tǒng)的總壓力損失進行驗算?？倝毫p失包括管道的沿程壓力損失、局部壓力損失和各種液壓控制閥的局部壓力損失。驗算壓力損失的目的之一是為了正確確定系統(tǒng)的調整壓力，即系統(tǒng)溢流閥的調整壓力，液壓系統(tǒng)壓力損失驗算以便指導系統(tǒng)的調試。當系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作壓力已確定時，系統(tǒng)的調整壓力可根據管路中的壓力損失進行計算。各種閥類元件局部壓力損失可從產品樣本中查出。液壓泵應有一定的壓力儲備量，如果計算出的系統(tǒng)調整壓力大于液壓泵額定壓力的75%,則應該重新選擇元件規(guī)格和管道尺寸，減小壓力損失，或者另選額定壓力較高的液壓泵。液壓系統(tǒng)中各種能量損失都轉化為熱量，使油溫升高。系統(tǒng)連續(xù)工作一段時間后，系統(tǒng)所產生的熱量和散發(fā)到空氣中的熱量平衡時，系統(tǒng)油溫不再升高，此時的油溫應不超過允許值。油溫超過允許值時，必須采取適當的冷卻措施或修改液壓系統(tǒng)的設計。液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗算（1）液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率液壓系統(tǒng)發(fā)熱的原因，主要是液壓泵和執(zhí)行元件的功率損失、管道的壓力損失及溢流閥的溢流損失、節(jié)流閥的節(jié)流損失等。管道的發(fā)熱較少，與它自身的散熱基本平衡，可以忽略不計。(1)液壓泵的損失功率。其計算公式為（8-19）式中：ppi-各液壓泵的輸入功率；ηpi-各液壓泵的總效率；ti-各液壓泵的運行時間；t-工作周期；n-液壓泵數量。液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗算(2)液壓執(zhí)行元件的損失功率。其計算公式為（8-20）式中：p2j-各執(zhí)行元件的輸入功率；η2j-各執(zhí)行元件的總效率；tj-各執(zhí)行元件的運行時間；M-執(zhí)行元件數量。(3)溢流閥的損失功率。其計算公式為（8-21）式中：pYi-各溢流閥的調整壓力；qYi-各溢流閥的溢流量；液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗算k-溢流閥數量。(4)節(jié)流功率損失。其計算公式為（8-22）式中：Δpji-各流量閥進出口壓差；qji-通過各流量閥的流量；k-流量閥數量。(5)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率。其計算公式為（8-23）液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率也可以用下面的公式進行估算：（8-24）式中：pi-各液壓泵輸入的總功率；po-各執(zhí)行元件輸出的總功率；η-系統(tǒng)效率，包括泵效率、回路效率和執(zhí)行元件效率。2)液壓系統(tǒng)的散熱功率液壓系統(tǒng)中產生的熱量由系統(tǒng)中的各散熱面散發(fā)到空氣中去，其中油箱是最主要的散熱面。當只考慮油箱的散熱時，則液壓系統(tǒng)的散熱功率為（8-25）液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗算式中：Δt-油溫與環(huán)境溫度之差，℃；A-油箱散熱面積，M2；k-油箱散熱系數，w/(M2*℃)，其值按表8-4選擇

(3)系統(tǒng)溫升計算當液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率Δp與油箱的散熱功率pC相等時，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)。此時，系統(tǒng)溫升為