第二、三章 液压泵和液压马达

第二章液压泵和液压马达ChapterⅡhydraulicpumpandmotor内容：液压泵及液压马达的基本工作原理与性能、齿轮液压泵及液压马达、叶片式液压泵及液压马达、轴向柱塞式液压泵及液压马达、径向柱塞液压马达、液压泵和液压马达的特点和选择。第一节概述

一、液压泵和液压马达的作用、工作原理二、液压泵和液压马达的分类三、液压泵和液压马达的主要性能参数一、液压泵和液压马达的作用、工作原理

液压泵和液压马达是液压系统中的能量转换元件液压泵是将原动机输入的机械能转换为压力能输出，为执行元件提供压力油，按职能来说是动力元件液压马达，则是将压力能转换为机械能（转矩和角速度）输出带动负载，按职能来说是执行元件

4液压系统的心脏一、液压泵和液压马达的作用、工作原理

工作原理图单向定量泵职能符号图一、液压泵和液压马达的作用、工作原理

液压泵的工作原理归纳如下：（1）必须具有密封存积V；（2）V能由小变大(吸油过程)；由大变小(排油过程)；（3）吸油口与排油口不能相通(靠配流机构)。（4）液压泵的吸油的实质是油箱的油液在大气压的作用下进入具有一定真空度的吸油腔。为防止气蚀，真空度不宜大于0.05MPa，因此应对吸油管路的液流速度及油液提升高度有一定的限制。一、液压泵和液压马达的作用、工作原理一、液压泵和液压马达的作用、工作原理

注意：从原理上来讲，液压泵和液压马达是可逆的。但由于使用目的不同，导致结构上的某些差异，所以一般情况下，两者不能互换。二、液压泵和液压马达的分类液压泵按结构分如图示。马达按转速分如图示，转速大于500r/m为高速马达，转速低于500r/m为低速马达。二、液压泵和液压马达的分类液压泵的分类液压马达的分类二、液压泵和液压马达的分类液压泵二、液压泵和液压马达的分类二、液压泵和液压马达的分类二、液压泵和液压马达的分类按压力分（单位：bar）：

0-25（低）25-80（中）80-160（中高）160-320（高压）>320(超高压)。

按排量能否改变分为：定量泵和变量泵。三、液压泵和液压马达的主要性能参数（一）液压泵的主要参数1、压力（1）工作压力液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力。工作压力取决于外负载的大小和排油管路上的压力损失，而与液压泵的流量无关。（2）额定压力液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压力称为液压泵的额定压力。（3）最高允许压力在超过额定压力的条件下，根据试验标准规定，允许液压泵短暂运行的最高压力值，称为液压泵的最高允许压力。（一）液压泵的主要参数

（一）液压泵的主要参数2、排量和流量（3）实际流量液压泵在某一具体工况下，单位时间内所排出的液体体积称为实际流量，它等于理论流量减去泄漏和压缩损失后的流量,即（4）额定流量qn

在正常工作条件下，该试验标准规定（如在额定压力和额定转速下）必须保证的流量。

（一）液压泵的主要参数3、功率和效率（1）液压泵的功率损失液压泵的功率损失有容积损失和机械损失两部分：1）容积损失容积损失是指液压泵在流量上的损失，液压泵的实际输出流量总是小于其理论流量，其主要原因是由于液压泵内部高压腔的泄漏、油液的压缩以及在吸油过程中由于吸油阻力太大、油液粘度大以及液压泵的转速高等原因而导致油液不能全部充满密封工作腔。液压泵的容积损失用容积效率来表示，它等于液压泵的实际输出流量与其理论流量之比，即（一）液压泵的主要参数3、功率和效率2）机械损失机械损失是指液压泵在转矩上的损失。它等于液压泵的理论转矩与实际输入转矩之比，则液压泵的机械效率为1）输入功率输入功率指作用在液压泵主轴上的机械功率，当输入转矩为，角速度为时2）输出功率输出功率指液压泵输出的液压功率，即液压泵在工作过程中的实际吸、压油口间的压差和实际输出流量的乘积,即（2）液压泵的功率注：泵吸油口压力为0注：转速n的单位为r/s（2）液压泵的功率液压泵的总效率液压泵的总效率是实际输出液压功率与其输入机械功率的比值，即液压泵理论液压功率和输入的理论机械功率是相等的，则：理论转矩液压泵的性能曲线（二）液压马达的性能参数1、压力（1）工作压力实际工作中，液压马达的输入压力。（2）额定压力液压马达在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压力称为液压马达的额定压力。（3）压力差液压马达输入压力与输出压力之差。（二）液压马达的性能参数2、转速（）（1）额定转速在额定压力下，液压马达能连续长时间正常运转的最高转速。（2）最低稳定转速液压马达在额定负载时，不出现爬行现象的最低工作转速。（液压缸或液压马达在低速运动或微量运动时,有时出现明显的速度不均匀或一停一跳的现象,这种现象称为爬行。）（二）液压马达的性能参数3、排量和流量（1）排量液压马达每转一周，由其密封容积几何尺寸变化计算而得的吸入液体的体积叫液压马达的排量。（2）理论流量为形成指定转速，马达密封容积变化所需的流量，即马达没有泄漏时，达到要求转速所需进口流量。（3）实际流量马达入口处的流量为马达的实际流量。实际流量与理论流量之差为马达的泄漏量。（二）液压马达的性能参数4、功率和效率（1）液压马达的功率损失液压马达的功率损失有容积损失和机械损失两部分：l）容积损失容积损失是指液压马达的容积损失，用容积效率来表示，它等于液压马达的理论流量与其实际流量之比，即

（二）液压马达的性能参数4、功率和效率

2）机械损失机械损失是指液压马达在转矩上的损失。它等于液压马达的实际转矩（输出转矩）与理论输出转矩之比（），则液压马达的机械效率为（二）液压马达的性能参数（2）液压马达的功率1）输入功率液压马达的压力差与实际流量的乘积2）输出功率输出功率指液压马达输出扭矩和角速度的乘积,即（3）液压马达的总效率液压马达的总效率是实际输出功率与其输入功率的比值，即注：转速n的单位为r/s液压马达的性能曲线第二节齿轮液压泵和齿轮液压马达一、齿轮液压泵（一）概述齿轮液压泵是液压系统中常用的一种定量泵，是利用齿轮啮合原理工作的。根据啮合形式的不同分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵两种。齿轮泵具有结构简单、工作可靠、体积小、重量轻、成本低、使用维修方便等特点。另外齿轮泵还具有自吸性能好、转速范围大、对滤油精度不高、对油液污染不敏感等优点。齿轮泵的主要缺点是流量和压力脉动大、排量不可调、噪声也较大，此外工作压力不及柱塞泵高。（二）外啮合齿轮泵工作原理（二）外啮合齿轮泵工作原理外啮合齿轮泵工作原理如图示。由图知外啮合齿轮泵满足组成容积式液压泵的三个条件是：（1）由一对啮合齿轮和齿轮两侧的端盖及泵体相配合，把泵体内部分成左右两个互不相通的容腔；（二）外啮合齿轮泵工作原理（2）齿轮按图示方向旋转时，在右腔由于一对齿轮脱开啮合，密闭容积逐渐增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压作用下被吸入右腔；随着齿轮旋转，左腔一对齿轮开始啮合，密闭容积逐渐减小，齿间的油液被挤出排往系统，这就是齿轮泵的排油过程。随着齿轮不停旋转，吸油腔和排油腔就不断地吸油和排油。（3）由于—对齿轮间的啮合及齿顶与泵壳内壁的贴合，使吸油腔和排油腔隔开。由此，排油腔排出的油液靠外负载能建立起压力，不需专门的配流机构。（三）外啮合齿轮泵排量、流量的计算（三）外啮合齿轮泵排量、流量的计算实际上，齿间的容积比牙齿的体积稍大一些，所以上式要修正。故理论排量注意：齿数少时取大值。从公式可以看到，齿轮泵的排量与齿轮模数的平方成正比，与齿数的一次方成正比。因此，在齿轮节圆直径D=mz一定时，增大模数，减少齿数可以增大泵的排量。因为这个原因，齿轮泵的齿数一般较少，为避免因齿数少而产生根切，需对齿轮进行修正。（三）外啮合齿轮泵排量、流量的计算（2）实际流量（即输出流量）（三）外啮合齿轮泵排量、流量的计算②nB不能太大，但也不能过小。太大时，会有离心作用，致使吸油腔不能吸满，产生空穴；太小时，ηV下降。所以一般应在额定转速或接近额定转速下运转。（三）外啮合齿轮泵排量、流量的计算

（四）结构特点1、降低齿轮泵的噪声齿轮泵产生噪声的一个主要根源来自流量脉动，为减少齿轮泵的瞬时理论流量脉动，可同轴安装两套齿轮，每套齿轮之间错开半个齿距，两套齿轮之间用一个平板相互隔开，组成共同吸油和压油口的两个分离的齿轮泵，由于两个泵的脉动错开了半个周期，各自的脉动量相互抑制，因此，总的脉动量大大减小。（四）结构特点2、泄漏与间隙补偿措施有三个可能泄漏的部位：齿轮端面和端盖间；齿轮外圆和壳体内孔间；两个齿轮的齿轮啮合处。其中齿轮端面和端盖间的轴向间隙泄漏占总泄漏量的75%-80%。由前、后盖与齿轮端面形成的端面间隙一方面因加工工艺和装配工艺的限制，间隙值不可能很小，另一方面磨损后间隙会越来越大，因此只适用于低压。针对这一问题，高压齿轮泵在齿轮与前、后盖之间增加了一个补偿零件，如浮动轴套或浮动侧板，由它们与齿轮端面配合以构成尽可能小的间隙，该补偿件在磨损后可以随时进行更换。补偿的方法是在浮动零件的背面引入压力油，让作用在背面的液压力稍大于正面（配合面）的液压力，其差值由一层很薄的油膜承受。3、液压径向力及平衡措施主动（顺时针）3、液压径向力及平衡措施（2）解决和改善措施

径向力大，将使轴承径向载荷增大，齿顶与壳内壁产生偏磨，所以必须改进。其措施：开压力平衡槽，但这样会使内泄增加（如上图）；缩小排油口的尺寸，使油腔的压力仅作用在1～2齿上，以减小值。4、困油现象与泄荷措施齿轮泵要平稳工作，齿轮啮合的重叠系数必须大于1，也就是要求在一对齿轮即将脱开啮合前，后面的一对齿轮就要开始啮合。在两对轮齿同时啮合的这一小段时间内，留在齿间的油液困在两对轮齿和前后泵盖所形成的一个密闭空间中，如图a所示。4、困油现象与泄荷措施当齿轮继续旋转时，这个空间的容积就逐渐减小，直到两个啮合点A、B处于节点两侧的对称位置时，如图b所示，这时封闭容积减至最小。由于油液的可压缩性很小，当封闭空间的容积减少时，被困的油受挤压，压力急剧上升，油液从零件结合面的缝隙中强行挤出，使齿轮和轴承受到很大的径向力。4、困油现象与泄荷措施当齿轮继续旋转，这个封闭容积又逐渐增大到如图c所示的最大位置，容积增大时又会造成局部真空，使油液中溶解的气体分离，产生空穴现象，这些都将使齿轮泵产生强烈的噪声。这就是困油现象。4、困油现象与泄荷措施在齿轮泵两侧的盖板上做卸荷槽。如图，在BC＝CA时的B位置开槽与排油口相通，A位置与吸油口相通，两槽不能相通。其原理是：当闭死容积处于最小位置时，卸荷槽不能与闭死容积相通，即闭死容积不能与吸、排油腔相通；当闭死容积由最大逐渐减小时，通过卸荷槽与排油腔相通；当闭死容积由最小逐渐增大时，通过卸荷槽与吸油腔相通。二、内啮合齿轮泵如右图所示，内啮合渐开线齿轮泵也满足组成容积式液压泵的三个条件。当外齿轮按图示方向旋转时，内齿轮2也随着同向旋转。在两齿轮脱开啮合处，密闭容积逐渐增大，形成局部真空，油箱的油液经吸油腔4被吸人，填入齿谷(吸油过程)；而在两齿轮进入啮合处，密封存积逐渐减小，存于齿谷处的油液经排油腔5排出(排油过程)。内、外齿轮的啮合点及隔板3将吸、排油腔隔开，故排油腔5排出的油液由外负载能建立起压力。内啮合齿轮泵工作原理图1、外齿轮2、内齿轮3、隔板4、吸油腔5、排油腔二、内啮合齿轮泵内啮合齿轮泵与外啮合齿轮泵相比，其结构紧凑、体积小、自吸性能好。出于两齿轮转向相向，相对滑动速度小，磨损小，使用寿命长；其流量脉动远小于外啮合齿轮泵(内啮合齿轮泵的流量脉动仅是外啮合齿轮泵的1/10-1/20)，故压力脉动及噪声都较小；此外，其容许转速较外啮合齿轮泵更高，可获得较大的容积效率；其缺点是加工复杂，价格较高。三、齿轮液压马达

齿轮马达在结构上为了适应正反转要求，进出油口相等、具有对称性、有单独外泄油口将轴承部分的泄漏油引出壳体外；为了减少启动摩擦力矩，采用滚动轴承；为了减少转矩脉动，齿轮液压马达的齿数比泵的齿数要多。齿轮液压马达由于密封性差，容积效率较低，输入油压力不能过高，不能产生较大转矩。并且瞬间转速和转矩随着啮合点的位置变化而变化，因此齿轮液压马达仅适合于高速小转矩的场合。一般用于工程机械、农业机械以及对转矩均匀性要求不高的机械设备上。齿轮马达工作原理图第三节叶片泵和叶片液压马达一、叶片液压泵叶片液压泵（简称叶片泵）具有运动平稳、噪声小、流量均匀和容积效率高等优点。但其自吸能力较差，对液压油的污染比较敏感，结构较复杂，且转速不宜太高。叶片泵分为单作用叶片泵和双作用叶片泵。单作用叶片泵可作变量泵使用，但工作压力较低。双作用叶片泵均为定量泵，工作压力可达6.5~14MPa，在建设机械中使用的一般都是双作用叶片泵。（一）双作用叶片泵双作用叶片泵因转子旋转一周，叶片在转子叶片槽内滑动两次，完成两次吸油和两次压油而得名。（一）双作用叶片泵1、工作原理双作用叶片泵的工作原理1转子；2-定子；3-叶片；4-吸油窗口；5-排油窗口（一）双作用叶片泵双作用叶片泵的排量为：

式中：、——定子圆弧段的大、小半径；

——转子的宽度；

——叶片的厚度；

——叶片数；

——叶片槽相对于径向的倾斜角。上式右边第二项为叶片厚度对排量的影响，它使泵的理论排量减小。又由于两个吸油区和两个压油区是径向对称的，作用在转子上的压力径向平衡，所以又称为平衡式叶片泵。

（一）双作用叶片泵2、结构特点1）因配流盘的两个吸油窗口和两个压油窗口对称布置，因此作用在转子和定子上的液压径向力平衡，轴承承受的径向力小，寿命长;2）两相邻吸入、压出窗口相距的夹角等于或稍大于两叶片间夹角。以保证吸入、压出区不会连通;3）为保证叶片在转子叶片槽内自由滑动并始终紧贴定子内环，双作用叶片泵一般采用叶片槽根部全部通压油腔的方法;4）防止压力跳变，配油盘上开有三角槽（眉毛槽），同时避免困油;5）双作用泵不能改变排量，只作定量泵用。（二）单作用叶片泵单作用叶片泵转子每转一周，吸、压油各一次，故称为单作用。如右图，转子转一周，吸油排油各一次，故称为单作用式。它将产生较大的径向力作用于转子轴上。反馈限压式：当负载↑，↑，e↓，↓，最终（实际流量）＝0时，压力限定在某一值，不会升高。（三）限压式变量叶片泵变量叶片泵的变量调节方式可手动也可自动。自动调节方式分限压式、恒压式、恒流量式，限压式较为常用。限压式又分外反馈式和内反馈式两种，两者工作原理相同。本节只分析外反馈限压式变量叶片泵。（三）限压式变量叶片泵1、外反馈限压式变量叶片泵工作原理

这种泵能根据外负载的大小利用压力反馈原理自动调节排量，其工作原理如图所示。

这种泵因为能随负载大小自动调节流量，所以功率利用合理．发热小。外反馈限压式变量叶片泵工作原理图2、外反馈限压式变量叶片泵特性反馈限压式变量叶片泵的静特性曲线（压力流量特性曲线）如图示。

限压式变量叶片泵对要求执行元件有快、慢速要求的液压系统是一种合适的油源：快速时需大流量，但负载压力低，正好使用AB段曲线；慢速工作进给时负载压力高，但需流量小，正好使用BC段曲线，有利于节能。

二、叶片马达1、双作用马达的工作原理叶片2、4、6、8，扭矩M＝0；叶片1、5，扭矩M小，顺时针；叶片3、7，扭矩M大，逆时针。所以合成扭矩逆时针。二、叶片马达2、结构特点（1）转子两端面有环形槽，里面置有翼形弹簧，使叶片压紧定子内面。主要是防止马达在启动时，因叶片未贴紧定子内表面而使进、出油腔相通，不能建立油压，无法保证有足够的启动力。（2）叶片安装角为零，即叶片的延长线过轴心，目的是适应正反转。（3）为使叶片根部始终（正反转）都有压力油，在高、低油腔通入叶片底部的通路上装有梭阀。二、叶片马达二、叶片马达3、叶片马达的优缺点

优点：体积小，转动惯性小，正反转换向频率高，扭矩脉动性小。

缺点：泄漏量大，故容积效率低，低速旋转不稳定。

适用场合：高速小扭矩，换向频繁的场合。第四节柱塞式液压泵和柱塞式液压马达柱塞泵(及马达)以柱塞轴沿缸体轴向及径向安置而分别称为轴向及径向柱塞泵(及马达)两大类。由于其中柱塞与缸体内孔均为圆柱面，易达到高精度的配合，故这类泵的泄漏小，容积效率高，适宜做高压泵或马达。

一、柱塞式液压泵1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵

（1）工作原理

斜盘式轴向柱塞泵工作原理1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵（2）流量平均几何排量（理论排量）式中：——柱塞直径；——柱塞个数。由上式可见：通过改变

可使泵改变流量，做成变量泵。

实际流量1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵

瞬时流量和柱塞个数的关系：和结构参数d、R、r、z、角速度nB等因素有关，特别是脉动率与的关系特别密切，通过理论和实验，见下表。z②3④5⑥7⑧9⑩1112σ1.570.140.3250.04960.140.02530.0780.01530.04960.01020.0345由上表数据可见：Z为奇数时σ比偶数时要小。一般z=7或9时，σ值已满足使用要求。再大，对σ的减少已不明显，却使结构复杂，意义不大。1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵斜盘式柱塞泵结构如图所示，由两部分组成：主体部分和变量部分。1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵CY-1B型斜盘式手动变量柱塞泵1—变量手轮；2—斜盘；3—回程盘；4—轴承；5—滑靴；6—缸体；7—柱塞；8—回程弹簧；9—传动轴；10—配流盘；11—壳体；12—变量活塞；13—拨叉缸体与配油盘的密封靠：回程弹簧8；柱塞孔油压。斜盘式柱塞泵结构如图所示，由两部分组成：主体部分和变量部分。1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵滑鞋的静压支撑原理1—柱塞；2—滑靴；3—油室；4—斜盘斜盘式柱塞泵结构如图所示，由两部分组成：主体部分和变量部分。1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵斜盘式柱塞泵结构示意图及静压支撑原理1—轴承；2—传动轴；3—配油盘；4、6—回程弹簧外、内座套；5—回程弹簧；7—缸体；8—钢套；9—柱塞；10－回程盘；11—滑履；12－钢球；13－斜盘斜盘式柱塞泵结构如图所示，由两部分组成：主体部分和变量部分。1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵斜盘式柱塞泵主体部分各型号原理和结构基本上相同，而变量机构却根据需要有多种形式，如手动变量、伺服变量、液控变量、电动变量、恒功率变量等。手动变量结构如左图。手轮转动，螺杆不上下移动，而变量柱塞上下移动。手动变量机构示意图斜盘式柱塞泵结构如图所示，由两部分组成：主体部分和变量部分。1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵手动伺服变量结构如右图。手动伺服变量结构（随动阀），它可根据较小的力量放大较大的力量，且位置方向、大小和原来完全一样，其原理如右图，也叫液压伺服机构。

液压伺服机构原理图斜盘式柱塞泵结构如图所示，由两部分组成：主体部分和变量部分。1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵恒功率变量机构的随动（变量活塞随伺服活塞动作）工作原理同上述随动原理，不同处是与伺服活塞相连接的芯轴4上装有外簧5、内簧6等，详见下图。

1—单向阀；2—活塞；3—滑阀；4—芯轴；5—外弹簧；6—内弹簧；7—调节螺钉；8—外弹簧套；9—内弹簧套内外簧的上簧座及调节螺钉均可根据需要调节。图示是内簧处于自由状态（无予紧力）。恒功率变量机构恒功率变量机构的随动1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵伺服变量泵恒功率变量特性1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵伺服变量泵恒功率变量特性1、直轴式（斜盘式）轴向柱塞泵伺服变量泵恒功率变量特性2、斜轴式轴向柱塞泵（1）结构2、斜轴式轴向柱塞泵（1）结构斜轴式轴向柱塞泵的工作原理1—传动轴；2—连杆机构；3—柱塞；4—缸体；5—配流盘；6—泵体

斜轴式轴向柱塞泵与斜盘式轴向柱塞泵相比，斜轴式轴向柱塞泵因柱塞通过连杆拨动缸体，柱塞所受的液压径向力很小，柱塞受力状态比斜盘式轴向柱塞泵好，故结构强度较高，耐冲击性能好，变量范围较大，主轴与缸体的轴线夹角最大可为40°，所以斜轴式轴向柱塞泵更适合大排量场合。但是斜轴式轴向柱塞泵体积较大，重量大，结构复杂，变量的调节靠摆动缸体来改变γ角达到，运动部分的惯量大，动态响应慢。斜轴式轴向柱塞泵适用于工作环境比较恶劣的矿山、冶金机械液压系统。2、斜轴式轴向柱塞泵3、径向柱塞泵（配油轴式）配流轴式径向柱塞泵工作原理配油轴3、径向柱塞泵（配油轴式）由于径向柱塞泵的径向尺寸大，柱塞布置不如前面介绍的轴向布置紧凑，结构复杂，自吸能力差，配流轴受径向不平衡液压力的作用，配流轴必须做得直径较粗，以免变形过大，同时在配流轴与衬套之间磨损后的间隙不能自动补偿，泄漏较大，这些原因限制了径向柱塞泵的转速和额定压力的进一步提高。3、径向柱塞泵（配流阀式）配流阀式径向柱塞泵工作原理图1－偏心轮；2—柱塞；3—弹簧；4—压油阀；5—吸油阀；6—柱塞缸3、径向柱塞泵（配流阀式）优点：这种泵采用阀式配流，没有相对滑动的配合面，柱塞受侧向力也较小，因此对油的过滤要求低，工作