液压传动第4章课件

第一节 概 述 第二节 齿轮泵 第三节 叶片泵 第四章 液压泵和液压马达第四节 柱塞泵第七节 液压泵中的气穴现象 第八节 液压泵的噪声第五节 液压马达 第六节 摆动液压马达 第九节 液压泵的选用液压泵是一种能量转换装置，它把驱动电机的机械能转换成输到系统中去的油液的压力能，供液压系统使用。液压马达也是一种能量转换装置，它把输入油液的压力能转换成机械能，使主机的工作部件克服负载及阻力而产生运动。第一节 概 述一、作用和分类液压传动系统中使用的液压泵和液压马达都是容积式的。图4-1所示为容积式泵的工作原理。液压泵（液压马达）按其在单位时间内所能输出（所需输入）油液体积可否调节而分为定量泵（定量马达）和变量泵（变量马达）两类；按结构形式可以分为齿轮式、叶片式和柱塞式三大类。容积式液压泵工作原理动态图容积式液压泵工作原理动态图l l一凸轮；一凸轮；2 2一柱塞；一柱塞；3 3泵体；泵体；4 4弹簧；弹簧；5-5-吸油（单向）阀；吸油（单向）阀；6-6-压油（单向）阀压油（单向）阀指液压泵在实际工作时输出油液的压力指液压泵在实际工作时输出油液的压力值，也称为系统压力。值，也称为系统压力。工作压力工作压力 额定压力额定压力指在保证液压泵的容积效率、使用寿命指在保证液压泵的容积效率、使用寿命和额定转速的前提下，泵连续长期运转和额定转速的前提下，泵连续长期运转时允许使用的压力最大限定值。时允许使用的压力最大限定值。极限压力极限压力指泵在在短时间内所允许超载使用的极指泵在在短时间内所允许超载使用的极限。限。液压泵的性能参数主要是指液压泵的压力、流量和排液压泵的性能参数主要是指液压泵的压力、流量和排量、功率和效率等。量、功率和效率等。压力（压力（MPaMPa）二、压力、排量和流量液压泵（液压马达）的几何排量（用V表示，以下简称排量）是指泵（马达）轴每转一转，由其密封容腔几何尺寸变化所算得的排出（输入）液体的体积，数值上等于在无泄漏的情况下，其轴转一转所能排出（所需输入）的液体体积。液压泵（液压马达）的几何流量（用qt表示）是指泵（马达）在单位时间内由其密封容腔几何尺寸变化计算而得的排出（输入）的液体体积，数值上等于在无泄漏的情况下单位时间内所能排出（所需输入）的液体体积。如果不考虑液压泵（液压马达）在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，也就是它们的几何功率是三、功率和效率式中 Tt液压泵（液压马达）的几何转矩；液压泵（液压马达）的角速度。F实际上，液压泵和液压马达在能量转换过程中是有损失的，因此输出功率小于输入功率。实际上，液压泵（液压马达）在能量转换过程中是有损失的，因此输出功率小于输入功率。两者之差为功率损失。功率损失分为容积损失和机械损失：容积损失：因泄露、气穴和油液在高压下的压缩（内泄漏）而造成的流量损失。机械损失：因摩擦而造成的转矩上的损失。液压泵的容积效率：液压泵的机械效率：液压泵的总效率：液压泵的图形符号液压泵的图形符号a.a.单向定量液压泵单向定量液压泵 b.b.单向变量液压泵单向变量液压泵c.c.单向定量马达单向定量马达 d.d.单向变量马达单向变量马达e.e.双向变量液压泵双向变量液压泵 f.f.双向变量马达双向变量马达第二节 齿 轮 泵一、外啮合齿轮泵的工作原理外啮合齿轮泵的工作原理如下所示。l l一壳体一壳体2-2-主动齿轮主动齿轮3 3从动齿轮从动齿轮 这里啮合点处的齿面接触线一直起着分隔高、低压腔的作这里啮合点处的齿面接触线一直起着分隔高、低压腔的作用，因此在齿轮泵中不需要设置专门的配流机构。用，因此在齿轮泵中不需要设置专门的配流机构。当齿轮按图示方向当齿轮按图示方向旋转时，右侧吸油腔内的轮旋转时，右侧吸油腔内的轮齿脱离啮合，密封腔容积不齿脱离啮合，密封腔容积不断增大，构成吸油并被旋转断增大，构成吸油并被旋转的轮齿带入左侧的压油腔。的轮齿带入左侧的压油腔。左侧压油腔内的轮左侧压油腔内的轮齿不齿不断进入啮合，使密封腔容积断进入啮合，使密封腔容积减小，油液受到挤压被排往减小，油液受到挤压被排往系统，这就是齿轮泵的吸油系统，这就是齿轮泵的吸油和压油过程。和压油过程。二、排量计算和流量脉动设齿间槽的容积等于轮齿的体积，则当齿轮齿数为z、分度圆直径为D、模数为m、工作齿高为hw（hw=2m）、齿宽为b时，泵的排量为考虑到齿间槽容积比轮齿的体积稍大些，所以通常按下式计算式中 C-修正系数，z=1320时，取C=1.06；z=612时，取C=1.115。由于齿轮啮合过程中压油腔的容积变化率是不均匀的，因此齿轮泵的瞬时流量是脉动的。设qmax、qmin表示最大、最小瞬时流量，q表示平均流量。流量脉动率可用下式表示外啮合齿轮泵的齿数愈少，脉动率就愈大，其值最高可达0.20以上，内啮合齿轮泵的流量脉动率就小得多。三、外啮合齿轮泵的结构特点和优缺点（一）困油齿轮泵要平稳工作，齿轮啮合的重合度必须大于1，于是总有两对轮齿同时啮合，并有一部分油液被围困在两对轮齿所形成的封闭容腔之间，如图4-4所示。n困油现象的危害：困油现象的危害：使闭死容积中的压力急剧升使闭死容积中的压力急剧升高，使轴承受到很大的附加载荷，同时产生功率损高，使轴承受到很大的附加载荷，同时产生功率损失及液体发热等不良现象；溶解于液体中的空气便失及液体发热等不良现象；溶解于液体中的空气便析出产生气泡，产生气蚀现象，引起振动和噪声析出产生气泡，产生气蚀现象，引起振动和噪声。通常是在两端盖板上开一对矩形卸荷槽。通常是在两端盖板上开一对矩形卸荷槽。开卸荷槽的原则是：开卸荷槽的原则是：当封闭容腔减小时，让卸荷槽与当封闭容腔减小时，让卸荷槽与泵的压油腔相通，这样可使封闭容腔中的高压油排到泵的压油腔相通，这样可使封闭容腔中的高压油排到压油腔中去；当封闭容腔增大时，使卸荷槽与泵的吸压油腔中去；当封闭容腔增大时，使卸荷槽与泵的吸油腔相通，使吸油腔的油及时补入到封闭容腔中，从油腔相通，使吸油腔的油及时补入到封闭容腔中，从而避免产生真空，这样使困油现象得以消除。而避免产生真空，这样使困油现象得以消除。消除困油的方法：消除困油的方法：开设卸荷槽的原则：闭死容积由大变小时与压油腔相通闭死容积由小变大时与吸油腔相通图4-5所示为几种异形卸荷槽，其消除困油现象的效果更佳。液压泵中组成密封工作容积的零件作相对运动，其间隙产生液压泵中组成密封工作容积的零件作相对运动，其间隙产生的泄漏影响液压泵的性能。外啮合齿轮泵压油主要通过三条途径的泄漏影响液压泵的性能。外啮合齿轮泵压油主要通过三条途径泄漏到低压腔中去。泄漏到低压腔中去。（1 1）泵体内表面和齿顶径向间隙的泄漏）泵体内表面和齿顶径向间隙的泄漏 由于齿轮转动方向与泄漏方向相反，压油腔到吸油腔通由于齿轮转动方向与泄漏方向相反，压油腔到吸油腔通道较长，所以其泄漏量相对较小，约占总泄漏量的道较长，所以其泄漏量相对较小，约占总泄漏量的10%15%10%15%。（2 2）齿面啮合处间隙的泄漏）齿面啮合处间隙的泄漏 由于齿形误差会造成沿齿宽方向接触不好而产生间隙，由于齿形误差会造成沿齿宽方向接触不好而产生间隙，使压油腔与吸油腔之间造成泄漏，这部分泄漏量很少。使压油腔与吸油腔之间造成泄漏，这部分泄漏量很少。齿轮端面与前后端盖之间的端面间隙教大，此端面间隙封齿轮端面与前后端盖之间的端面间隙教大，此端面间隙封油长度又短，所以泄漏量最大，可占总泄漏量的油长度又短，所以泄漏量最大，可占总泄漏量的70%75%70%75%。（3 3）齿轮端面间隙的泄漏）齿轮端面间隙的泄漏（二）泄漏（三）径向不平衡力 在齿轮泵中，由于在压油腔和吸油腔之间存在着在齿轮泵中，由于在压油腔和吸油腔之间存在着压差，又因泵体表面与齿轮齿顶存在着径向间隙，压差，又因泵体表面与齿轮齿顶存在着径向间隙，可以认为压油腔压力逐渐分级下降到吸油腔压力。可以认为压油腔压力逐渐分级下降到吸油腔压力。径向不平衡力的组成：液压力啮合力（三）径向不平衡力液体压力分布规律：齿轮泵中，从压油腔经过泵体内孔和齿顶圆间的径向间隙向吸油腔泄露的油液，其压力随径向位置而不同。从压油腔到吸油腔的压力是逐级下降的。其合力相当于给齿轮轴一个径向作用力，称为径向不平衡力。工作压力越高，径向不平衡力越大，影响轴承寿命。径向不平衡力很大时能使轴弯曲，齿顶和壳体表面产生摩擦。解决措施：减小压油口的直径（单向泵）开压力平衡槽（但泄露量增大）（四）外啮合齿轮泵的优缺点优点结构简单尺寸小制造方便价格低廉工作可靠自吸能力强对油液污染不敏感维护容易缺点机件承受不平衡径向力磨损严重泄露大在高、中压齿轮泵中，一般采用轴向间隙自动补偿的办法。其原理是把与齿轮端面相接触的部件制作成轴向可移动的，并将压油腔的压力油经专门的通道引入到这个可动部件背面一定形状的油腔中，使该部件始终受到一个与工作压力成比例的轴向力压向齿轮端面，从而保证泵的轴向间隙能与工作压力自动适应且长期稳定。四、提高外啮合齿轮泵压力的措施这个可动部件可以是能整体移动的，如浮动轴套（见图4-6）或浮动侧板（见图4-7），也可以是能产生一定挠度的弹性侧板。（一）螺杆泵五、螺杆泵和内啮合齿轮泵（二）内啮合齿轮泵F内啮合齿轮泵有渐开线齿轮泵和摆线齿轮泵（又名转子泵）两种。内啮合渐开线齿轮泵的工作原理图内啮合渐开线齿轮泵的工作原理图1-1-小齿轮（主动齿轮）小齿轮（主动齿轮）;2-;2-内齿轮（从动齿轮）；内齿轮（从动齿轮）；3-3-月牙板；月牙板；4-4-吸油腔；吸油腔；5-5-压油腔压油腔 内啮合齿轮泵的内啮合齿轮泵的结构紧凑、尺寸小、结构紧凑、尺寸小、重量轻、运转平稳、重量轻、运转平稳、噪声低；噪声低；但在低速、高压但在低速、高压下工作时，压力脉动下工作时，压力脉动大，容积效率低；大，容积效率低；一般用于中、低一般用于中、低压系统，或作为补油压系统，或作为补油泵。泵。内啮合齿轮泵的内啮合齿轮泵的缺点是齿形复杂，加缺点是齿形复杂，加工困难，价格较贵，工困难，价格较贵，且不适合高压工况。且不适合高压工况。内啮合摆线齿轮泵内啮合摆线齿轮泵 1.1.外齿轮外齿轮2.2.内齿轮内齿轮 内啮合齿轮泵的流内啮合齿轮泵的流量脉动率仅是外啮合齿量脉动率仅是外啮合齿轮泵流量脉动率的轮泵流量脉动率的5%5%10%10%。还具有结构紧凑、。还具有结构紧凑、噪声小和效率高等一系噪声小和效率高等一系列优点。它的不足之处列优点。它的不足之处是齿形复杂，需要专门是齿形复杂，需要专门的高精度加工设备，因的高精度加工设备，因此多被用在一些要求较此多被用在一些要求较高的系统中。高的系统中。内啮合摆线齿轮泵结构紧凑，运动平稳，噪声低。但流量内啮合摆线齿轮泵结构紧凑，运动平稳，噪声低。但流量脉动比较大，啮合处间隙泄漏大。所以通常在工作压力为脉动比较大，啮合处间隙泄漏大。所以通常在工作压力为2.52.57MPa7MPa的液压系统中作为润滑、补油等辅助泵使用。的液压系统中作为润滑、补油等辅助泵使用。图4-11所示为单作用叶片泵的工作原理。第三节 叶 片 泵 一、单作用叶片泵（一）工作原理密封容积形成：定子内表面、转子外表面叶片与配油盘组成。定子的内表面是圆柱面，转子和定子中心之间存定子的内表面是圆柱面，转子和定子中心之间存在着偏心，叶片在转子的槽内可灵活滑动，在转子转在着偏心，叶片在转子的槽内可灵活滑动，在转子转动时的离心力以及叶片根部油压力作用下，叶片顶部动时的离心力以及叶片根部油压力作用下，叶片顶部贴紧在定子内表面上，于是两相邻叶片、配油盘、定贴紧在定子内表面上，于是两相邻叶片、配油盘、定子和转子便形成了一个密封的工作腔。子和转子便形成了一个密封的工作腔。泵在转子转一转泵在转子转一转的过程中，吸油、的过程中，吸油、压油各一次，故称压油各一次，故称单作用叶片泵。单作用叶片泵。转子单方向受力，转子单方向受力，轴承负载大。轴承负载大。改变偏心距，可改变偏心距，可改变泵排量，形成改变泵排量，形成变量叶片泵。变量叶片泵。（二）排量计算单作用叶片泵的排量近似为FV=2beD式中 b转子宽度；e转子和定子间的偏心距；D定子内圆直径。（三）特点单作用叶片泵的特点如下：F改变定子和转子之间的偏心便可改变流量。F处在压油腔的叶片顶部受有压力油的作用，要把叶片推入转子槽内。F转子受有不平衡的径向液压作用力。二、双作用叶片泵图中，当转子顺时针方向旋转时，密封工作腔的容积在左图中，当转子顺时针方向旋转时，密封工作腔的容积在左上角和右下角处逐渐增大，为吸油区，在左下角和右上角处逐上角和右下角处逐渐增大，为吸油区，在左下角和右上角处逐渐减小，为压油区；吸油区和压油区之间有一段封油区将吸、渐减小，为压油区；吸油区和压油区之间有一段封油区将吸、压油区隔开。压油区隔开。三、限压式变量叶片泵单作用式叶片泵的具体结构类型是很多的：它按改变偏心方向的不同而分为单向变量泵和双向变量泵两种向；它按改变偏心方式的不同又可有手调式变量泵和自动调节式变量泵之分，自动调节式变量泵又有限压式变量泵、稳流量式变量泵等多种形式。限压式变量泵又可分为外反馈式和内反馈式两种。图4-14所示为外反馈限压式变量叶片泵的工作原理。外反馈限压式变量叶片泵外反馈限压式变量叶片泵第四节 柱 塞 泵 柱塞泵是依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的柱塞泵是依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油的。与齿轮泵和叶片泵相比它容积发生变化来实现吸油、压油的。与齿轮泵和叶片泵相比它具有以下特点具有以下特点：（1 1）工作压力高工作压力高由于密封容腔是由柱塞孔和柱塞构成，圆由于密封容腔是由柱塞孔和柱塞构成，圆柱面相对容易加工，可以达到较高的尺寸精度，因此这种泵的柱面相对容易加工，可以达到较高的尺寸精度，因此这种泵的密封性很好，有较高的容积效率。柱塞泵的工作压力一般为密封性很好，有较高的容积效率。柱塞泵的工作压力一般为202040MPa40MPa，最高可达，最高可达1000MPa1000MPa。（2 2）易于变量易于变量由于便于改变柱塞的行程，因此容易实现单由于便于改变柱塞的行程，因此容易实现单向或双向变量。向或双向变量。（3 3）流量范围大流量范围大设计上可以选用不同的柱塞直径或数量，设计上可以选用不同的柱塞直径或数量，因此可得到不同的流量。因此可得到不同的流量。柱塞泵也存着在对油污染敏感和价格较昂贵等缺点。柱塞泵也存着在对油污染敏感和价格较昂贵等缺点。第四节 柱 塞 泵一、轴向柱塞泵（一）直轴式轴向柱塞泵1.工作原理2.排量计算3.流量脉动 轴向柱塞泵中的柱塞是轴向排列的。当缸体轴线和传动轴轴向柱塞泵中的柱塞是轴向排列的。当缸体轴线和传动轴轴线重合时，称为斜盘式轴向柱塞泵；当缸体轴线和传动轴轴轴线重合时，称为斜盘式轴向柱塞泵；当缸体轴线和传动轴轴线不在一条直线上，而成一个夹角线不在一条直线上，而成一个夹角时，称为斜轴式轴向柱塞时，称为斜轴式轴向柱塞泵。轴向柱塞泵具有结构紧凑，工作压力高，容易实现变量等泵。轴向柱塞泵具有结构紧凑，工作压力高，容易实现变量等优点。优点。直轴式轴向柱塞泵工作原理图直轴式轴向柱塞泵工作原理图（二）斜轴式轴向柱塞泵这种轴向柱塞泵的传动轴中心线与缸体中心线倾斜一个角度，故称斜轴式轴向柱塞泵，目前应用比较广泛的是无铰斜轴式柱塞泵。图4-17所示为该泵的工作原理。柱塞在其自上而下回转的半周内又逐渐向里推入，使密封柱塞在其自上而下回转的半周内又逐渐向里推入，使密封工作腔容积不断减小，将油液从配油盘窗口工作腔容积不断减小，将油液从配油盘窗口b b向外排出。向外排出。缸体每转一转，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油动缸体每转一转，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油动作。作。改变斜盘的倾角改变斜盘的倾角，就可以改变密封工作容积的有效变化量，就可以改变密封工作容积的有效变化量，实现泵的变量。实现泵的变量。斜轴式轴向柱塞泵工作原理斜轴式轴向柱塞泵工作原理l l传动轴；传动轴；2 2一连杆；一连杆；3 3缸体；缸体；4 4一柱塞；一柱塞；5 5一平面配油盘一平面配油盘（三）变量控制机构1.手动控制2.恒压、恒流量、恒功率控制二、径向柱塞泵（一）阀配油式径向柱塞泵（二）轴配油式径向柱塞泵径向柱塞泵的排量和流量径向柱塞泵的排量和流量泵的平均排量为：泵的平均排量为：泵的输出流量泵的输出流量：当径向柱塞泵的转子和定子间的偏心距为当径向柱塞泵的转子和定子间的偏心距为e e时，柱塞在缸体时，柱塞在缸体内孔的行程则为内孔的行程则为2e2e。若柱塞数为若柱塞数为，则泵的排量，则泵的排量:若泵的转速为若泵的转速为n n，容积效率为，容积效率为pvpv，则泵的流量为，则泵的流量为 :第五节 液 压 马 达 液压马达和液压泵在结构上基本相同，也是靠密封容积的变化来工作的。液压马达和液压泵的工作原理是互逆的。但由于两者的任务和要求有所不同，在实际结构上只有少数泵能做马达使用。液压马达可分为高速液压马达和低速大转矩液压马达两大类。高速液压马达的转子转动惯量小，反应迅速，动作快，但输出的转矩相对小，主要有齿轮式、叶片式和柱塞式等几种主要形式。工作压力 马马达达入入口口油油液液的的实实际际压压力力称称为为马马达达的的工工作作压压力力，马马达达入入口口压压力力和和出出口口压压力力的的差差值值称称为为马马达达的的工作压差。工作压差。流量和排量流量和排量 马马达达入入口口处处的的流流量量称称为为马马达达的的实实际际流流量量。马马达达密密封封腔腔容容积积变变化化所所需需要要的的流流量量称称为为马马达达的的理理论论流流量量。实实际际流流量量和和理理论论流流量量之之差差即即为为马马达达的的泄泄漏漏量。量。马马达达轴轴每每转转一一周周，由由其其密密封封容容腔腔有有效效体体积积变变化而排出的液体体积称为马达的排量。化而排出的液体体积称为马达的排量。液压马达的主要性能参数 容积效率和转速容积效率和转速 因因马马达达实实际际存存在在泄泄漏漏，由由实实际际流流量量 q q 计计算算转转速速 n n 时时，应应考考虑虑马马达达的的容容积积效效率率 。当当液液压压马马达达的的泄泄漏漏流流量量为为 ，马马达达的的实实际际流流量量为为 ，则则液液压压马马达达的的容容积效率为：积效率为：马马达达的的输输出出转转速速等等于于理理论论流流量量 与与排排量量 的的比比值值，即即 机械效率机械效率 输出转矩输出转矩 因因马马达达实实际际存存在在机机械械摩摩擦擦，故故实实际际输输出出转转矩矩应应考考虑机械效率。虑机械效率。设设马马达达的的出出口口压压力力为为零零，入入口口工工作作压压力力为为p p，排排量量为为V V，则则马马达达的的理理论论输输出出转转矩矩与与泵泵有有相相同同的的表表达形式达形式,即即 马达的实际输出转矩小于理论输出转矩：马达的实际输出转矩小于理论输出转矩：功率和总效率功率和总效率 马达的输入功率为马达的输入功率为 马达的输出功率为马达的输出功率为 马达的总效率为马达的总效率为 由由上上式式可可见见，液液压压马马达达的的总总效效率率亦亦同同于于液液压压泵的总效率，等于机械效率与容积效率的乘积。泵的总效率，等于机械效率与容积效率的乘积。一、工作原理图4-21所示为轴向柱塞式液压马达的工作原理。1.轴向柱塞式液压马达图4-22所示为多作用内曲线径向柱塞液压马达的结构原理图。2.径向柱塞式液压马达二、主要参数设液压马达的进、回油腔的压差为p，输入的流量为q，而液压马达的排量为V，容积效率为V，机械效率为m，则液压马达的几何转矩F实际转矩为F液压马达的转速为第六节 摆动液压马达摆动液压马达是实现往复摆动的执行元件，输入为压力和流量，输出为转矩和角速度。第七节 液压泵中的气穴现象图4-24所示为液压泵的吸入管路，可以用来计算液压泵不产生气穴的条件。按伯努利方程，泵入口处的能量为（取动能修正系数=1）第八节 液压泵的噪声一、产生噪声的原因F泵的流量脉动引起压力脉动，这是造成泵振动和噪声的动力源。F液压泵在其工作过程中，当吸油容积突然和压油腔接通，或压油容积突然和吸油腔接通时，会产生流量和压力的突变而产生噪声。F气穴现象。F泵内流道具有突然扩大或收缩、急拐弯、通道面积过小等而导致油液湍流、旋涡而产生噪声。F泵转动部分不平衡、轴承振动等引起的噪声。F管道、支架等机械连接部分因谐振而产生的噪声。二、降低噪声的措施F吸收泵的流量和压力脉动，在泵的出口处安装蓄能器或消声器。F消除泵内液压急剧变化，如在配油盘吸、压油窗口开三角形阻尼槽。F装在油箱上的电动机和泵使用橡胶垫减振，安装时电动机轴和泵轴的同轴度要好，要采用弹性联轴器；或采用泵电动机组件。F压油管的某一段采用橡胶软管，对泵和管路的连接进行隔振。F防止气穴现象和油中掺混空气现象。第九节 液压泵的选用F一般在负载小、功率小的机械设备中，可用齿轮泵和双作用叶片泵；F精度较高的机械设备（例如磨床）可用螺杆泵和双作用叶片泵；F负载较大并有快速和慢速行程的机械设备（例如组合机床）可用限压式变量叶片泵；F负载大、功率大的机械设备可使用柱塞泵；机械设备的辅助装置，如送料、夹紧等要求不太高的地方，可使用价廉的齿轮泵。第四章第四章 结束结束!