《汽车机械基础》-汽车机械基础-第十五章

学习目标学习目标①通过学习液压传动工作原理及组成，了解液压传动的基本原理；②掌握液压传动系统的基本组成；③熟悉液压泵的基本工作原理和分类；④掌握齿轮液压泵、叶片泵、柱塞泵基本工作原理及结构特点；⑤了解轴向液压发动机的工作过程并与轴向泵进行比较；⑥了解液压发动机与液压泵的区别；⑦了解液压发动机的应用场合及其选择；⑧掌握液压阀的功用和要求；⑨掌握换向阀的工作原理。返回第一节液压传动概述一、液压传动原理如图15-1所示，是人们常见的液压千斤顶的原理图。当向上抬起杠杆时，手动液压泵的小活塞向上运动。小液压缸1下腔容积增大形成局部真空，单向阀2关闭，油箱4的油在大气压作用下经吸油管顶开单向阀3进入小液压缸下腔。当向下压杠杆时，小液压缸下腔容积减小，油液受挤压。压力升高，关闭单向阀3，顶开单向阀2，油液经排油管进入大液压缸6的下腔，推动大活塞上移顶起重物。如此不断上下扳动杠杆，则不断有油液进入大液压缸下腔，使重物逐渐举升。如杠杆停止动作，大液压缸下腔油液压力将使单向阀2关闭，大活塞连同重物一起被自锁不动，停止在举升位置。如打开截止阀5，大液压缸下腔通油箱，大活塞将在自重作用下向下移。迅速回复到原始位置。下一页返回第一节液压传动概述二、液压传动系统的组成液压传动系统主要由5个部分组成，见表15-1。返回上一页第二节液压泵一、液压泵的工作原理图15-2是液压泵工作原理简图。当偏心轮6转动时，会推动柱塞5和弹簧共同作用上下移动。在柱塞下行时，缸体容积ａ变大，在缸体内会形成一定的真空度，油箱内外就会有一定压差，此时油液在大气压的作用下推开单向阀1进入缸体内。柱塞上行时，缸体内的油液被压缩压力升高，推开单向阀3，油液进入工作系统中。由此可以看出液压泵的工作原理实际是靠改变工作腔的容积来实现的，因此，液压泵也称为容积泵。下一页返回第二节液压泵二、液压泵的主要参数1.压力Ｐ1）工作压力工作压力是指液压泵实际工作时输出的压力值，是油液为了克服阻力必须建立起来的压力，这个压力的大小取决于负载的大小。2）额定压力泵在使用过程中按标准条件运行时所输出的最大压力值。此压力值也标明了泵的安全压力，若超出此值时就是过载。3）最高压力泵在短时间内允许的极限压力值。液压系统的应用是十分广泛的，每个工作系统的压力也是不相同的。根据压力的大小，液压泵分为几个等级，见表15-2。下一页返回上一页第二节液压泵2.流量1）理论流量ｑt根据泵的几何尺寸计算出的单位时间内泵排出的液体量。如果泵的工作容积为Ｖ，转速为ｎ，则泵的理论流量为：qt=V×n2）实际流量ｑ在某一压力值的情况下实际输出的油液量。由于实际工作时泵会存在泄漏的问题，所以实际流量和理论流量具有一定差别，计算时要乘以容积效率ηV，即q=ｑt×

ηV3）额定流量ｑn额定转速和额定压力下泵输出的流量。下一页返回上一页第二节液压泵3.排量Ｖ泵在没有泄漏情况下或不考虑泄漏的情况下，泵轴每旋转一周时所能输出的油液量或体积称为排量。排量的多少与泵的密封工作容积的变化值和密封情况有着密切的关系，它与转速快慢没有关系。4.输出功率P0输出功率是液压泵的实际工作压力与实际流量的乘积为P0=P×q5.输入功率Pi输入功率即是泵轴的驱动功率，与泵的驱动转矩和泵的转速成正比，即Pi=T×2πn式中，Ｔ为液压泵的驱动转矩（Ｎ·ｍ）；ｎ为液压泵驱动轴转速（ｒ／ｍｉｎ）。下一页返回上一页第二节液压泵6.效率1）容积效率ηV

液压泵在实际工作时由于传动过程中和能量转换过程中都会有一定流量的损失，定义实际流量和理论流量的比值为容积效率，即ηV=q/qt2）机械效率ηm

在实际工作时，机械运动副之间的摩擦及油液黏度也会引起能量的损失，这种损失用机械效率ηm来表示ηm=Tt/T式中，Tt为液压泵的理论转矩（Ｎ·ｍ）。下一页返回上一页第二节液压泵3）液压泵的总工作效率η总工作效率取决于容积效率和机械效率两方面，即η=ηV×ηm三、液压泵的分类及工作原理液压泵根据结构形式不同分为齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等；按流量能否调节可分为定量泵和变量泵。1.齿轮泵齿轮泵分为外啮合泵和内啮合泵，是液压系统中常用的一种泵。下一页返回上一页第二节液压泵1)外啮合齿轮泵(1)工作原理。如图15-3所示为一外啮合齿轮泵，它由壳体、端盖、轴、齿轮和密封元件组成。其中，泵体、端盖和齿轮的齿隙组成密封容积。当两齿轮按图中的方向旋转时，齿1嵌入深度增加，使排油腔的容积减小，油压升高，完成压油工作。而在吸油腔，一对相互啮合的齿连续退出啮合，如图15-3小齿10从齿1′和齿10′间退出啮合。使吸油容积增大，产生真空度、油箱中的油在大气压的作用下进入油箱，完成吸油过程。其他齿依此类推，即形成了连续的供油。下一页返回上一页第二节液压泵(2)齿轮泵的优缺点。优点：结构紧凑，质量轻，体积小；工作可靠，自吸性能好，对油液的污染不敏感；制造和维修方便。缺点：效率低，流量脉动大，且噪声高。(3)结构上存在的问题。齿轮在平稳工作时，齿轮的啮合重叠系数必须大于1，这时总会发生有两对齿同时啮合的现象，有一部分油液就会被困在两对轮齿之间形成的密封空间里，这就是困油现象。其他还有泄漏、径向力不平衡等问题。下一页返回上一页第二节液压泵2)内啮合齿轮泵内啮合齿轮泵分为渐开线齿形和摆线齿形（转子泵）。如图15-4和15-5所示。内啮合齿轮泵的工作原理和外啮合齿轮泵的工作原理基本相同，同样是依靠容积的改变来实现吸油和压油的。但由于要形成密封的容积，渐开线齿轮泵的中间要加一块月牙隔板，以保证能形成密封的容积。而摆线齿轮泵由于其结构的特点就不需要了。内啮合齿轮泵的优点是：结构简单，体积小；吸油条件好；重叠系数大，传递平稳；泵油脉动小。缺点是：制造工艺复杂，价格较贵。下一页返回上一页第二节液压泵2.柱塞泵柱塞泵按柱塞在柱塞孔里运动的方向分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵，它是利用柱塞在柱塞孔里的往返运动来实现容积改变、吸油和排油的。下一页返回上一页第二节液压泵1)径向柱塞泵如图15-6是一个径向柱塞泵，其特点是柱塞孔与轴线是相垂直的。柱塞和柱塞孔均匀地分布在转子上。配油轴3固定不动，当转子2旋转时，在离心力的作用下柱塞5沿柱塞孔向外甩出，柱塞底部的容积不断增大，形成真空，油液通过进油口a吸入油腔中。当柱塞继续旋转，到后半个周期时，由于转子和定子之间存在着一个偏心距e，致使柱塞底部的容积不断减小，此时油液被压缩，压力开始上升，通过出油口b送入油道中。转子每旋转一周，就完成一次吸油和排油的过程。此种泵可以通过调整e值来改变输油量，因此也叫作变量泵。优点：工作稳定可靠，泵的性能好，轴向尺寸小。缺点：结构复杂，径向尺寸大，工作时惯性大，制造困难。下一页返回上一页第二节液压泵2)轴向柱塞泵如图15-7是一轴向柱塞泵，其特点是柱塞孔与轴线相平行。它由斜盘、柱塞、缸体、配油盘、传动轴和一些附加密封零件组成。其工作原理是：斜盘和配油盘是固定件，传动轴带动缸体和柱塞转动。柱塞靠油液的压力或弹簧力与斜盘紧密地靠在一起。当传动轴按图示方向旋转时，柱塞在自下而上的半周内向外伸出，此时密封容积增大，从配油盘的进油口ａ处将油吸入。当传动轴继续旋转到下半周时，柱塞开始自下而上地不断压缩，容积开始减小。油压开始上升，高压油液从配油盘的出油口ｂ送入输油管路中。这样连续的旋转油液就连续不断地被送出。下一页返回上一页第二节液压泵优点：容积效率高；压力高；结构紧凑，径向尺寸小；转动惯量小，易于实现变量。缺点：结构复杂，对油液污染敏感。3.叶片泵叶片泵分为单作用式叶片泵和双作用式叶片泵。单作用式叶片泵又称变量叶片泵或非平衡式叶片泵。双叶片泵称为定量叶片泵或平衡式叶片泵。下一页返回上一页第二节液压泵1)单作用式叶片泵单作用式叶片泵是由压油口、转子、定子、叶片吸油口及配油盘组成的，如图15-8所示。其中两相邻的叶片、转子外表面、定子内表面和配油盘共同组成若干个密封的储油容积。配油盘固定不动，转子径向上开有狭槽，叶片装在狭槽内。定子和转子存在一定的偏心距ｅ。当转子旋转时，叶片可以在狭槽里自由的滑动，在离心力和底部油压的作用下，叶片紧贴在定子的内壁上。下一页返回上一页第二节液压泵当转子按图中方向逆时针旋转时，在离心力的作用下右侧叶片向外伸出，容积增大，油液经吸油口进入到密封容积中。而左侧的容积开始压缩，将油液经压油口送到液压系统中。转子每旋转一周，每一个密封容积完成一次吸油、压油过程，因此叫作单作用式液片泵。由于在工作时受到油液的压力是不平衡的，又称之为非平衡叶片泵。单作用式叶片泵也是变量泵，它的泵油量也可以通过调整偏心距ｅ来实现。优点：结构简单，尺寸小重量轻，工作可靠；吸油性好，对油的污染不敏感，在工作时噪声小，而且价钱便宜。缺点：不能保证密封性，也就是泄露较多，工作时油液脉动大，工作压力较低。下一页返回上一页第二节液压泵2)双作用式液压泵如图15-9所示为一双作用式叶片泵，它同样是由定子、转子、叶片、配油盘和一些附件组成的。与单作用式叶片泵有一点不同的是转子和定子是同心的，定子的内表面是分别由两段长圆弧、两段短圆弧和四段过渡圆弧组成。正是由于这样的结构使得转子每转动一周密封工作腔就会完成吸油和压油各两次，所以它称为双作用式叶片泵。由于泵上分别有两个压油区和两个吸油区，因此所受的力是平衡的，所以这种泵又叫作平衡式叶片泵。下一页返回上一页第二节液压泵优点：因受力平衡，所以工作噪声小且工作平稳，输油量均匀。缺点：结构比较复杂，吸油特性较差，对油液的要求高。四、液压泵的选择液压泵在具体选用时，首先要考虑的是满足系统的工作需要，即输油量和工作压力。然后再根据各种泵的特点、基本参数和主要性能等方面进行全面的考虑，权衡之后进行确定，以达到最佳的工作效果。返回上一页第三节液压发动机液压发动机和液压泵在结构上是有相同之处的，而原理上也是可逆的。液压发动机是一个将液体压力转变为机械动力的装置。液压发动机按速度分为：高速液压发动机（高于500r/min）和低速液压泵（低于500r/min）。液压发动机按结构形式分为：叶片发动机、轴向柱塞发动机、螺杆发动机和齿轮发动机。下一页返回第三节液压发动机一、轴向液压发动机的工作原理如图15-10所示，它和液压泵的结构是基本相同的，但它是利用可逆性这个原理来工作的。当高压油通过进油口进入时，压力油作用在斜盘一个压力。由于斜盘具有一定角度，这个力就会分解为径向和轴向两个方向的力。径向分力是使缸体产生力矩的动力源。当不断地有高压油输入时，径向分力就会不断地推动缸体转动，产生力矩，通过输出轴带动负载做功。当改变进出油口时，输出扭矩的方向就会改变。当改变斜盘的倾斜角度时，转速就会改变。下一页返回上一页第三节液压发动机二、液压泵与液压发动机的区别液压泵与液压发动机的区别如下。(1)液压泵是产生动力的源头，而发动机是消耗动力的执行元件。(2)液压泵只能单方向旋转，发动机可逆转也可顺转，且转矩的大小主要取决于工作压差的大小。当被驱动的负载转动惯量较大时，在急速制动或反转时会产生较大的液压冲击，因此在系统中要设有安全阀和缓冲阀。(3)液压泵要保证良好的吸油特性，而发动机不需要。(4)发动机启动时要克服较大的内部阻力，因此启动扭矩较大。(5)液压泵希望容积效率高一些，发动机希望机械效率高一些。下一页返回上一页第三节液压发动机三、液压发动机的选择在选用液压发动机时也要根据其工作的条件和工作的需要来确定。并根据各种发动机的特点来使用。比如：柱塞发动机，额定压力高，噪声小，流量脉动小，且价格便宜，对油液的要求不是很高。图15-11给出了一些常用泵及发动机符号。返回上一页第四节液压控制阀在液压系统中液压阀是不可缺少的一部分元件，它在系统中起到控制液流方向、大小和压力的作用。可以保证系统不会因出现过载而损坏其他元件的现象。液压控制阀按各自的特点和用途分为以下几种。一、方向控制阀1.单向阀只允许液体向单一方向流动，反向时截止。下一页返回第四节液压控制阀1)普通单向阀它的结构简单，主要是由阀体、阀芯和弹簧组成，如图15-12所示。当液体的压力为P1方向时，液体压力克服弹簧力将阀芯推离阀座，此时单向阀是打开的，允许液体流过。反之，当液体的压力为P2方向时，在液体压力和弹簧力的共同作用下，阀芯被推到阀体座上，液体被截止。单向阀的阀体有钢球式和锥体式两种；在油路中的连接方式有管式连接法（如图15-11(a)所示）和板式连接法（如图15-11(b)所示）两种。单向阀的开启压力一般为0.3～0.6ａ，当开启压力降低时，应检查弹簧的弹力。单向阀在汽车的自动变速器中应用很多。下一页返回上一页第四节液压控制阀2)液控单向阀如图15-13所示是一个液控单向阀；从它的图形符号上可以看出它与单向阀的区别在于多了控制油口K，正是因为有了这个油口，使单向阀有了反向可流通性。其工作原理为：当控制油口无压力时，油控阀和单向阀的工作原理是相同的；当给控制油口一定的压力时，这个油压会将阀芯顶开，这时油控单向阀就将两侧的油路接通，此时的阀已不起截止作用了，已相当于一段管路，允许液体自由地流动。下一页返回上一页第四节液压控制阀2.换向阀换向阀是利用阀芯在阀体里不同的位置，改变液体的流向或接通、切断液体的流动，从而控制相应的油路。按照阀芯运动的形式不同分为：滑阀式、转阀式和锥阀式。1)换向原理换向阀的工作主要是靠阀芯相对于阀体的位置改变来实现的。下一页返回上一页第四节液压控制阀1)换向原理换向阀的工作主要是靠阀芯相对于阀体的位置改变来实现的。如图15-14所示，图中P为进油口，T为出油口，A，B分别与执行元件的两腔相通。当阀芯处于图15-14(a)所示的位置时，四个油口都是不通的，执行元件没有动作；当阀芯处于图15-14(b)所示的位置时，进油口P和A口相通，回油口T和B口相通，油压作用在执行元件的左腔中。推动执行元件向右移动；当阀芯位于图15-14(c)所示的位置时，进油口P和B口相通，回油口T和B口相通，油压作用在执行元件的右腔中，推动执行元件向左移动。阀芯位置的改变导致阀门位置相连通的改变，继而改变油路的方向，改变执行元件的动作方向。下一页返回上一页第四节液压控制阀2)换向阀的分类和图形符号“位”是指阀芯在阀体中的位置，有几个位置就称之为几位。比如有两个位置即称之为“两位”，有三个位置就称之为“三位”，依次类推。图形中“位”是用方框来表示的。“通”是指进、出油口的数量，一个阀体上有几个进出油口就是几通。将位和通的符号组合在一起就形成了阀体整体符号。按照位和通的数量，换向阀可分为：二位二通、二位三通或三位四通等。按照对阀芯操作方法的不同分为手动、机动、电磁、液动和电液动等。常用的换向阀的原理结构和图形符号见表15-3。下一页返回上一页第四节液压控制阀对于阀的表示符号有以下几点说明。(1)当阀芯相对于阀体有几个位置时，就要用几个方框表示。(2)对于两位阀，靠近弹簧的位置表示常态的位置，即阀不工作的位置，三位阀中间位置为常态位置。(3)在阀体符号的方框中箭头表示油路接通的状态。箭头或堵塞的符号与方框有几个交点，就表示阀有几个接通通路。(4)各油口的表示符号是统一的，Ｐ表示进油口，Ｔ或Ｏ表示出油口，Ｌ表示泄油口，Ａ、Ｂ等大写字母表示与执行元件连接的油口。下一页返回上一页第四节液压控制阀3)三位四通阀中位的机能由于其制造和实际需要不同，三位四通阀的阀芯位置都处于中间位置（常态位置）时阀体的机能是不同。机能的含义是指阀体在常态时内部通路形式。常见的三位四通换向阀的滑阀机能见表15-4。下一页返回上一页第四节液压控制阀二、压力控制阀压力阀在液压系统中是控制液体压力的阀，有以下几种分类方法。按用途分：可分为溢流阀、顺序阀、减压阀、平衡阀和卸荷阀。按阀芯结构分：可分为滑阀、球阀和锥阀。按工作原理分：可分为直动阀和先导阀。在系统中常用的压力阀有溢流阀、减压阀和顺序阀。下一页返回上一页第四节液压控制阀1.溢流阀溢流阀一般安装在液压泵的出油口上，它主要有两方面的作用：一是溢流稳压；二是限压保护，所以也称其为安全阀。常用的有直动式和先导式两种，前者常用于低压系统中，后者常用于高压系统中。下一页返回上一页第四节液压控制阀1)普通溢流阀如图15-15(a)所示，它常应用在压力较低的系统中，其工作原理如图15-15(b)所示，阀在系统中主要受到两个力，一个为弹力F，另一个为液压力P，阀体的运动方向主要是由这两个力来决定的。当PA>F时（其中A为下端的工作面积），弹簧被压缩，滑阀向上移，阀口打开，此时部分油通过回油口流向油箱；当PF与F相平衡时，阀体会停在一个固定的位置上，此时系统的压力值也会停在一个调定范围上；当PA<F时，阀芯在弹簧力Ｆ作用下下行，关闭油口，没有油液流回油箱。所以在溢流阀中，阀芯是随着系统中压力的大小上下移动来调定系统压力的。下一页返回上一页第四节液压控制阀2)先导溢流阀先导溢流阀常应用于大流量系统中，它是由两部分组成的：一部分是主阀部分（上部）；另一部分是先导阀（下部）。先导阀的结构和制动与溢流阀是相同的。其内部的弹簧用来调定主阀溢流压力。主阀弹簧力是用来推动阀芯回位的，也叫稳压阀。如图15-16所示，当压力油经进油口Ｐ、通道ａ进入Ａ腔，经阻尼孔ｂ、通道ｃ、进入先导阀Ｂ腔。先导阀芯在弹簧２的作用下与阀芯座贴紧，力的方向向右，而液体压力的方向是推着阀芯向左的。当入口压力较低时，即阀芯３上向左的油压力小于弹簧２调定的弹力时，先导阀是关闭的。主阀体上阀芯５也会在弹簧４的作用下与阀座贴紧。当系统压力不断升高时，即Ｐ不断增大时，如果作用在阀芯３上向左的压力大于弹簧２调定的下一页返回上一页第四节液压控制阀压力时，先导阀打开，部分油液通过油道ｅ回油箱。此时有液体流过阻尼孔ｂ，由于ｂ的节流作用，使ＰＡ＞ＰＢ，当ΔＰ大于弹簧４的作用力时，会使进出油口相通，油液直接回油箱。当液压下降到小于弹簧２的压力时，先导阀关闭，阻尼孔中也不会有液体流过，此时Ａ、Ｂ连通，ＰＡ＝ＰＢ，主阀芯在弹簧４的作用下回到阀座上，溢流结束。只要系统压力不超过弹簧２的调定压力就不会产生溢流。溢流压力值可通过调整弹簧２的压力来改变。下一页返回上一页第四节液压控制阀2.减压阀减压阀是用来降低系统中某一支路压力的，主要应用在有多条支路却只采用一个液压泵的系统中。减压阀分为直动式减压阀和先导式减压阀，在实际应用中先导式减压阀使用得比较多。下一页返回上一页第四节液压控制阀如图15-17所示为先导式减压阀，它的基本工作原理和溢流阀相同，区别在于进出油口与溢流阀相反。它是利用油液流过阻尼孔时压力下降的原理来实现出油口压力低于进油口压力的。它也有压力的调定范围，当入口压力小于弹簧2调定的压力时，进出口压力是相等的，阀芯在各自弹簧力的作用力下停在原位不动。若入口压力高于弹簧的作用力，先导阀阀芯被油液推动向左移动，少量油经阀口通道e、泄油口Ｌ回到油箱。同时阻尼孔中的油液开始流动，由于经过阻尼孔的节流，P2小于P1，当ΔP能克服阀芯自重和弹簧力时，会推动阀芯上行，使h减小，直到P2=P1，达到一个新的平衡位置时停止。同样压力可通过改变弹簧2弹力来调定。下一页返回上一页第四节液压控制阀3.顺序阀顺序阀是用来控制系统中各执行元件进入工作先后顺序的阀。按其结构不同分为直动式和先导式两种。根据油路控制的不同分为直控阀和液控阀。在使用中顺序阀常和单向阀组合使用。这里以直控顺序阀为例讲解其工作原理。如图15-18所示，直动式顺序阀有三个油口，分别是进油口、出油口和泄油口。其工作原理同样是利用进出油口的压力差到达其调定的压力值时，阀芯开始移动，从而使进出油口相通。这一点很像溢流阀的工作原理，但它和溢流阀有着以下几点区别。下一页返回上一页第四节液压控制阀(1)溢流阀泄出的油液直接回到油箱，而当顺序阀的进出油口相通时，所泄的油进入下一个工作支路中。(2)溢流阀的压力到达调定值时基本不再改变，而顺序阀的压力还可以随着系统压力继续上升。(3)顺序阀有自己单独的回油口，当压力过高时它会接通泄油口的通道使油液流回油箱。图15-19为液控顺序阀，其工作原理和直动顺序阀的区别在于它需要一个控制油压，从图中可以看到在阀的下端有一个控制油口Ｋ，只有当Ｋ的压力达到一定值时，才会推开阀芯使进出油口相通。下一页返回上一页第四节液压控制阀三、流量阀流量阀通过改变阀出口的截面积大小以实现流量控制。通常与溢流阀并联使用，常用的有节流阀和调速阀。1.节流阀如图15-20所示为一个节流阀，Ｐ１为进油口，Ｐ２为出油口。从结构上可以看出出油口为一截锥，油液经过Ｐ１进入阀体，在出油口会有流量的限制，这样就实现了节流。在节流阀的上方还有个调整螺钉，可用它实现不同流量的调整。图15-20(c)所示为一单向节流阀，只有当油液从Ｐ１进入，Ｐ２流出时才起节流的作用，反向会经过单向阀直接流过。下一页返回上一页第四节液压控制阀2.调速阀调速阀是一个组合阀，它是由定差减压阀与节流阀串联而成的，如图15-21所示，定差减压阀可以保证节流后的压力差保持恒定，这样就确保节流阀流出的流量不变，使系统的压力稳定，因此通常用作对系统压力平稳性要求高的场合。以上是液压系统中常用到的几种液压阀，还有一些阀在液压系统中也会用到，比如比例控制阀和电磁继电器等。返回上一页图15-1液压千斤顶工作原理图返回1—小