機械設計基礎-圖文課件第3章

第3章1液壓動力元件

目錄3.13.23.33.4液壓泵概述齒輪泵葉片泵柱塞泵3.5液壓泵的選用和常見故障排除3.1液壓泵概述柱塞安裝在缸體中形成一個密封腔a。柱塞在彈簧的作用下和偏心輪保持接觸，當偏心輪旋轉時，柱塞在彈簧的作用下在缸體中移動，使密封腔a容積發(fā)生變化。柱塞右移時,密封腔a容積逐漸增大，形成局部真空，油箱中的油液在大氣壓作用下頂開單向閥4中的鋼球進入密封腔a中，實現(xiàn)吸油。此時，單向閥5封閉出油口，防止系統(tǒng)壓力使油液回流。柱塞左移時，密封腔a容積逐漸減小，已吸入的油液受擠壓而產(chǎn)生壓力，使單向閥4關閉，油液打開單向閥5而輸入系統(tǒng)，實現(xiàn)排油。若偏心輪不停地轉動，泵就不停地吸油和排油。3.1.1液壓泵的工作原理和類型3.1液壓泵概述圖3-1單柱塞泵工作原理1—偏心輪；2—柱塞；3—缸體；4、5—單向閥；6—油箱3.1.1液壓泵的工作原理和類型3.1液壓泵概述由此可見，液壓泵是通過密封腔容積的變化來完成吸油和排油的，其排油量的多少取決于柱塞往復運動的次數(shù)和密封容積變化的大小，故稱為容積式液壓泵。單向閥4、5保證密封腔容積變化交替過程中吸、壓油腔不相通，起配油作用，因而稱為閥式配流機構。液壓泵的結構原理不同，其配流機構也不相同。為了保證液壓泵吸油充分，油箱必須和大氣相通或采用封閉的充壓油箱。這是容積式液壓泵能夠吸入油液的外部條件。3.1.1液壓泵的工作原理和類型3.1液壓泵概述通過以上分析可以得出液壓泵工作的基本條件如下：（1）在結構上能形成密封的工作容積。密封的工作容積能實現(xiàn)周期性的變化，密封的工作容積由小變大時與吸油腔相通，由大變小時與排油腔相通。（2）具有相應的配流機構，將吸油腔與排油腔相互隔開。（3）油箱內(nèi)液體的絕對壓力必須恒等于或大于大氣壓力。3.1.1液壓泵的工作原理和類型3.1液壓泵概述圖3-2液壓泵的圖形符號3.1.1液壓泵的工作原理和類型液壓泵按其排出油液體積是否可以調(diào)節(jié)，可分為定量泵和變量泵；按輸油方式可分為單向泵和雙向泵；按結構形式可分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵等類型。3.1液壓泵概述（1）工作壓力。液壓泵的工作壓力是指輸出油液壓力，由系統(tǒng)負載決定。負載增加，泵的工作壓力升高；負載減小，泵的工作壓力降低。液壓泵的工作壓力是指泵實際工作時的壓力。（2）額定壓力。液壓泵的額定壓力是指在正常工作條件下按試驗標準規(guī)定連續(xù)運轉的最高壓力。超過此值就是過載。額定壓力受泵本身的結構強度和泄漏制約。3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)1.液壓泵的壓力3.1液壓泵概述3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)1.液壓泵的壓力3.1液壓泵概述（1）排量。液壓泵的排量指泵軸每轉一轉，由其密封容積幾何尺寸變化計算而得的排出液體的體積，用Vp表示，單位mL/r。（2）理論流量。液壓泵的理論流量指在不考慮泄漏的情況下，泵在單位時間內(nèi)所排出的液體體積，用qt表示。泵的理論流量等于泵的排量Vp與其輸入轉速np的乘積，即qt=Vpnp（3-1）（3）實際流量。液壓泵的實際流量指泵實際工作時，在單位時間內(nèi)所排出的液體體積,用qp表示。3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)2.液壓泵的排量和流量3.1液壓泵概述這里需要指出的是，泵的排量和理論流量都是在不考慮泄漏的情況下由計算所得的量，其值與壓力無關。實際上，因為泵存在著泄漏問題，泵的實際流量qp總是小于理論流量qt的，即qt-qp=Δqp（3-2）式中，ΔqP為泵的泄漏量。3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)2.液壓泵的排量和流量3.1液壓泵概述泵的泄漏量與壓力有關，它隨泵的工作壓力p的增高而增大，液壓泵的流量與壓力的關系如圖3-3所示。3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)2.液壓泵的排量和流量圖3-3液壓泵的流量與壓力的關系3.1液壓泵概述輸出功率Po和輸入功率Pi分別為Po=pqp（3-3）Pi=ωpTi=2πnpTt（3-4）式中，p為泵的工作壓力；np為泵的輸入轉速；Ti為泵的實際輸入轉矩。3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)3.液壓泵的功率與效率（1）液壓泵的功率3.1液壓泵概述若忽略泵在能量轉換過程中的損失，則輸出功率等于輸入功率，也即泵的理論功率為Pt=pqt=2πnpTt（3-5）式中，Tt為泵的理論輸入轉矩。將式（3-1）代入式（3-5）整理得（3-6）

3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)3.液壓泵的功率與效率（1）液壓泵的功率3.1液壓泵概述①容積效率。（3-7）3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)3.液壓泵的功率與效率（2）液壓泵的效率3.1液壓泵概述衡量機械損失的指標是機械效率，它是泵的理論扭矩Tt與實際輸入扭矩Ti的比值，用ηpm表示。

（3-8）將式（3-6）帶入式（3-8）得

（3-9）3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)3.液壓泵的功率與效率（2）液壓泵的效率3.1液壓泵概述式說明：泵的總效率等于容積效率和機械效率的乘積。液壓泵的容積效率、機械效率和總效率的關系曲線如圖3-4所示?？衫眠@個曲線來評定液壓泵的性能質(zhì)量，并確定其合理的使用范圍。3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)3.液壓泵的功率與效率（3）總效率3.1液壓泵概述圖3-4液壓泵的容積效率、機械效率和總效率的關系曲線3.1.2液壓泵的主要性能參數(shù)3.液壓泵的功率與效率3.2齒輪泵在泵體內(nèi)有一對大小一樣、齒數(shù)相同、模數(shù)相等的外嚙合齒輪，齒輪的兩端由端蓋罩?。▓D中未畫出），泵體、兩個齒輪和前后端蓋組成一個密封容積，并由齒輪的齒面接觸線將其分成左、右互不相通的兩部分，即吸油腔和壓油腔。當齒輪按圖示方向轉動時，泵左側吸油腔內(nèi)的輪齒相繼脫開嚙合，使密封容積增大，形成局部真空，油箱中的油液在大氣壓力的作用下進入吸油口，填滿吸油腔齒間槽，并被轉動的齒輪帶入右側壓油腔；而壓油腔的輪齒則相繼進入嚙合，使密封容積減小，齒間的油液被擠出來，通過壓油口排出。齒輪不斷地轉動，吸油腔就不斷地吸油，壓油腔則不斷地排油，泵就連續(xù)不斷地吸入油液和壓出油液。3.2.1外嚙合齒輪泵1.外嚙合齒輪泵的工作原理3.2齒輪泵圖3-5外嚙合齒輪泵的工作原理3.2.1外嚙合齒輪泵1.外嚙合齒輪泵的工作原理3.2齒輪泵經(jīng)理論推導，外嚙合齒輪泵的實際排量Vp為Vp=2πzm2b（3-11）式中，z為齒數(shù)；m為齒輪模數(shù)；b為齒寬?？紤]到實際齒槽容積比輪齒體積稍大，故常用3.33代替上式中的π，即Vp=6.66zm2b（3-12）3.2.1外嚙合齒輪泵2.外嚙合齒輪泵的排量和流量3.2齒輪泵泵的實際流量qp為qp=6.66zm2bnpηpv（3-13）式中，np為泵的轉速；ηpv為泵的容積效率。式（3-13）所表示的是泵的平均流量。當泵的結構參數(shù)z、m確定后，轉速np一定時，泵的實際輸出流量為一定值，故齒輪泵為定量泵。又因齒輪嚙合過程中壓油腔的容積變化率是不均勻的，因此齒輪泵的瞬時流量是脈動的。3.2.1外嚙合齒輪泵2.外嚙合齒輪泵的排量和流量3.2齒輪泵圖3-6外嚙合齒輪泵的結構1—圓柱銷；2—泄油槽；3—短軸；4—泄油通道；5—鍵；6—長軸；7—密封環(huán)；8—密封座；9—螺釘；10—前蓋；11—泵體；12—齒輪；13—齒輪上的鍵；14—后蓋；15—滾針軸承；16—壓蓋；17—彈簧擋圈3.2.1外嚙合齒輪泵3.外嚙合齒輪泵的結構缺陷及改善措施3.2齒輪泵3.2.1外嚙合齒輪泵3.外嚙合齒輪泵的結構缺陷及改善措施（1）困油現(xiàn)象及其改善措施。消除困油現(xiàn)象的方法是在齒輪的兩側端蓋上開卸荷槽［見圖3-7（d）中雙點畫線］。卸荷槽的位置和尺寸能使封閉容積減小時，通過右邊的卸荷槽與壓油腔相通，封閉容積增大時，通過左邊的卸荷槽與吸油腔相通，并保證在任何時候都不使壓油腔與吸油腔相通。在很多齒輪泵中，兩卸荷槽并不對稱于齒輪中心線分布，而是整個向吸油腔側平移一段距離，這樣能取得更好的效果。卸荷槽是任何齒輪泵都必須具備的結構，否則齒輪泵就不能正常工作。3.2齒輪泵3.2.1外嚙合齒輪泵3.外嚙合齒輪泵的結構缺陷及改善措施圖3-7齒輪泵的困油現(xiàn)象3.2齒輪泵3.2.1外嚙合齒輪泵3.外嚙合齒輪泵的結構缺陷及改善措施（2）泄漏及其改善措施。因通常采用浮動軸套或彈性側板對端面間隙進行自動補償?shù)霓k法減小泄漏。圖3-8所示為采用浮動軸套的一種典型的結構。圖中軸套1和2是浮動安裝的，軸套的左側容腔用特制的通道與泵的壓油腔相通。當泵工作時，軸套1和2受左側油壓的作用右移，貼靠在齒輪的端面上，壓力越高，貼得越緊，從而可以減小間隙并自動補償端面磨損量。實踐證明，這樣能取得較好的效果。3.2齒輪泵3.2.1外嚙合齒輪泵3.外嚙合齒輪泵的結構缺陷及改善措施圖3-8采用浮動軸套的一種典型的結構1、2—軸套3.2齒輪泵3.2.1外嚙合齒輪泵3.外嚙合齒輪泵的結構缺陷及改善措施（3）徑向力不平衡及其改善措施。泵的壓油口徑比吸油口徑要小。也常有采用擴大壓油區(qū)，只保留1～2個齒密封的方法，實現(xiàn)大范圍內(nèi)徑向力的平衡，但這種方法會增大泵體的徑向載荷及端蓋的軸向載荷。3.2齒輪泵3.2.2內(nèi)嚙合齒輪泵內(nèi)嚙合齒輪泵結構緊湊，體積小，質(zhì)量輕，由于嚙合的重合度大，運動平穩(wěn)，噪聲小，流量脈動小，但齒形加工復雜，價格較高。圖3-9內(nèi)嚙合齒輪泵1—吸油腔；2—壓油腔3.3葉片泵3.3.1單作用葉片泵圖3-10單作用葉片泵的工作原理1—轉子；2—定子；3—葉片1.單作用葉片泵的工作原理3.3葉片泵3.3.1單作用葉片泵經(jīng)理論推導，單作用葉片泵的排量Vp為Vp=2πbeD（3-14）實際流量qp為qp=2πbeDnpηpv

（3-15）式中，b為葉片寬度；e為定子與轉子之間的偏心距；D為定子內(nèi)徑；np為泵的轉速；ηpv為泵的容積效率。2.單作用葉片泵的排量和流量3.3葉片泵3.3.1單作用葉片泵（1）定子和轉子相互偏置。改變定子和轉子之間的偏心距，可以調(diào)節(jié)泵的流量。（2）徑向液壓力不平衡。單作用葉片泵的這一特點使泵的工作壓力受到限制，因此這種泵不適于高壓。（3）葉片后傾。根據(jù)力學分析，葉片后傾一個角度有利于葉片在慣性力的作用下向外甩出。通常后傾角為24°。3.單作用葉片泵的結構特點3.3葉片泵3.3.2雙作用葉片泵圖3-11雙作用葉片泵的工作原理1—定子；2—轉子；3—葉片1.雙作用葉片泵的工作原理3.3葉片泵3.3.2雙作用葉片泵經(jīng)理論推導，雙作用葉片泵排量的Vp為Vp=2π(R2－r2)b（3-16）實際流量qp為qp=2π(R2－r2)bnpηpv（3-17）式中，R為定子的長半徑；r為定子的短半徑；b為葉片寬度；np為泵的轉速；ηpv為泵的容積效率。雙作用葉片泵的瞬時流量理論上是均勻的，但由于葉片厚度等原因，實際瞬時流量是脈動的。當葉片數(shù)為4的倍數(shù)時實際瞬時流量的脈動率較小，為此，雙作用葉片泵的葉片數(shù)一般都取12或16。2.雙作用葉片泵的排量和流量3.3葉片泵3.3.2雙作用葉片泵圖3-12雙作用葉片泵的典型結構1—左泵體；2—左配流盤；3—轉子；4—定子；5—葉片；6—右配流盤；7—右泵體；8—泵蓋；9—主軸；3.雙作用葉片泵的結構特點3.3葉片泵3.3.2雙作用葉片泵3.雙作用葉片泵的結構特點（1）定子過渡曲線（2）徑向液壓力平衡特點3）端面間隙自動補償3.雙作用葉片泵的結構特點3.3葉片泵3.3.2雙作用葉片泵為了提高泵的工作壓力，減小吸油區(qū)葉片壓向定子內(nèi)表面的作用力，常用的方法是使用雙葉片結構和子母葉片（又稱復合葉片）結構。圖3-13雙葉片結構圖3-14子母葉片結構1—葉片；2—轉子；3—定子1—定子；2—母葉片；3—子葉片；4—轉子4.提高雙作用葉片泵工作壓力的措施3.3葉片泵3.3.3限壓式變量葉片泵限壓式變量葉片泵是利用負載壓力的變化來實現(xiàn)自動變量的，根據(jù)控制方式有內(nèi)反饋限壓式變量葉片泵和外反饋限壓式變量葉片泵兩種。3.3葉片泵3.3.3限壓式變量葉片泵圖3-15外反饋限壓式變量葉片泵的工作原理1—壓力調(diào)節(jié)螺釘；2—葉片；3—轉子；4—定子；5—流量調(diào)節(jié)螺釘；6—反饋柱塞3.3葉片泵3.3.3限壓式變量葉片泵圖3-16外反饋限壓式變量葉片泵的壓力-流量特性曲線3.4柱塞泵斜盤和配流盤固定不動，在缸體上開有若干個圓周均布的軸向柱塞孔，孔內(nèi)裝有柱塞，柱塞在底部彈簧和油壓力的作用下，其頭部始終保持與斜盤緊密接觸。當缸體由傳動軸帶動旋轉時，在斜盤、彈簧和油壓力的共同作用下，柱塞在缸體內(nèi)做往復運動，這樣各柱塞與缸體間的密封容積便會發(fā)生變化。3.4.1斜盤式軸向柱塞泵1.斜盤式軸向柱塞泵的工作原理3.4柱塞泵圖3-17斜盤式軸向柱塞泵的工作原理1—斜盤；2—柱塞；3—缸體；4—配流盤3.4柱塞泵密封容積增大時，形成真空，通過配流窗口a吸油；密封容積減小時，通過配流窗口b壓油。缸體每轉一周，每個柱塞各完成一次吸油和壓油的過程，缸體連續(xù)旋轉，柱塞則不斷地吸油和壓油。如果改變斜盤傾角γ的大小，就改變了柱塞的行程，也就改變了泵的排量；如果改變斜盤傾角的方向，就能改變吸油、壓油的方向，這就成為雙向變量泵。3.4.1斜盤式軸向柱塞泵1.斜盤式軸向柱塞泵的工作原理3.4柱塞泵柱塞泵每轉的排量為（3-18）流量為

（3-19）式中，d為柱塞直徑；L為柱塞行程；D為缸體上柱塞分布圓直徑；γ為斜盤傾角；z為柱塞數(shù)；np為泵的轉速；ηpv為泵的容積效率。3.4.1斜盤式軸向柱塞泵2.斜盤式軸向柱塞泵的排量和流量3.4柱塞泵圖3-18斜盤式軸向柱塞泵的結構1—滑履；2—回程盤；3—銷軸；4—斜盤；5—變量活塞；6—螺桿；7—手輪；8—鋼球；9—大軸承；10—缸體；11—中心彈簧；12—傳動軸；13—配流盤；14—前軸承；15—前泵體；16—中間泵體；17—柱塞3.4.1斜盤式軸向柱塞泵3.斜盤式軸向柱塞泵的結構特點3.4柱塞泵圖3-19徑向柱塞泵的工作原理1—柱塞；2—轉子（缸體）；3—襯套；4—定子；5—配流軸3.4.2徑向柱