第三章液压传动与气压传动..ppt

1、第三章 液压泵及液压马达,教学内容 液压泵与液压马达的工作原理及分类（重点） 液压泵与马达的主要性能参数（难点） 液压泵的结构 液压泵与电动机参数的选用,3.1液压泵及液压马达概述,液压泵及液压马达的基本工作原理与分类 液压泵及液压马达的性能参数,3.1.1 液压泵及液压马达的基本工作原理与分类,原理 分类 两者关系 职能符号,一、 液压泵及液压马达的基本工作原理,根据密闭工作腔的容积变化而进行吸油和排油是液压泵的共 同特点，因而液压泵也称 为容积泵。容积式液压泵 的基本工作原理可由图3-1 所示的单柱塞泵来说明。 吸油：密封容积增大， 产生真空 压油：密封容积减小， 油液被迫压出,液压泵基本

2、工作条件（必要条件）： (1)形成密封容积 (2)密封容积变化 (3) 吸压油腔隔开（配流装置）,二、 液压泵及液压马达的分类,(1) 按其结构形式：齿轮式、叶片式、柱塞式等。 (2) 按输出(入)流量能否调节：定量，变量 (3) 按输油方向能否改变：双向，单向 (4) 按工作压力：低压 中压 中高压 高压 (5) 按液压马达的额定转速分为高速和低速两大类。 额定转速高于500r/min的属高速液压马达，额定转速 低于500r/min的属于低速液压马达。 通常高速液压马达输出转矩不大（仅几十N.m到几百 N.m），所以又称为高速小扭矩液压马达。 低速液压马达输出转矩大(可达几千N.m到几万N.

3、m), 所以又称为低速大扭矩液压马达。,三、液压马达与液压泵的关系,功用上 相反 液压泵: 将电动机或其它原动机输入的机械能转换为液体的压力能,向系统供油。 液压马达：将泵输入的液压能转换为机械能而对负载做功。 结构上 相似 原理上 互逆,四、液压泵和液压马达一般图形符号,液压泵和液压马达一般图形符号如图3-2所示。,3.1.2 液压泵及液压马达的性能参数,压力 转速 排量和流量 功率和效率,一、压力,1. 工作压力p ：指泵（或马达）实际工作时输出（或输入） 油液的压力，其值取决于外负载与压力损失。 2. 额定压力pn （公称压力、铭牌压力） ： 液压泵和马达在正常工作条件下，按试验标准规定

4、能 连续正常运转时的最高压力。当p pn即泵过载。 3. 最高允许压力pmax 泵（或马达）在短时间内允许超载使用的极限压力。 p p n p max,二、额定转速和最高转速,1、额定转速ns（r/min）：液压泵或马达在额定压力下，能长时间连续运转时的最高转速。 2、最高转速nmax（r/min）：液压泵或马达在额定压力下，超过额定转速允许短时间运行时的最高转速。,三、排量和流量,1. 排量V（m3/rad）：液压泵（或马达）每转一弧度，由其几何尺寸计算而得到的排出（或吸入）液体的体积 ，或在没有泄漏的情况下，泵（或马达）每转一周所排出（或吸入）的液体的体积（m3/r） 。 2、 理论流量q

5、t（m3/s）：在不考虑泄漏的情况下，液压泵（或马达）在单位时间内排出（或输入）的液体体积。,3. 实际流量：液压泵工作时实际排出的流量，称为液压泵的实际流量。它等于液压泵的理论流量减去泄漏量。实际输入给液压马达的流量称为液压马达的实际流量。它等于液压马达的理论流量加上因泄漏等而损失的流量。 4. 额定流量qn（m3/s）：在额定压力和额定转速下，液压泵（或液压马达）输出（或输入）的实际流量。 5. 瞬时流量：泵在某一瞬时的几何流量。,四、功率,1. 实际输入功率 2. 理论输出功率 3.实际输出功率,五、效率,1. 机械效率 2. 容积效率 3. 总效率,液压泵及液压马达的能量转换图,1.

6、实际输入功率 2. 理论输出功率 3.实际输出功率 4. 机械效率 5. 容积效率 6. 总效率 7. 理论流量 8. 实际流量,液压泵及液压马达的性能参数例题,一液压泵与液压马达组成的闭式回路，液压泵的输出油压 pp=10MPa, 其 机械效率和容积效率分别为 其排量 液压马达的机械效率和容积效率分别为 马达排 量 若不计液压马达的出口压力和管路的一切压力损失，且 当液压泵转速为 时，试求下列各项：(1)液压泵的输出功 率；(2)电动机所需功率；(3)液压马达的输出转矩；(4)马达的输出功率； (5)马达的输出转速。,3.2 齿轮泵及齿轮马达,齿轮泵的分类 外啮合齿轮泵 内啮合齿轮泵 齿轮马

7、达,3.2.1 齿轮泵的分类,3.2.2 外啮合齿轮泵,结构组成 工作原理 排量和流量的计算 结构特点及改进措施 外啮合齿轮泵的优缺点及应用,一、结构组成,结构组成: 前、后泵盖，泵体，一对齿数、模数、齿形完全相同的渐开线外啮合齿轮。,二、工作原理,密封容积形成：齿轮、泵体内表面、前后泵盖围成 齿轮退出啮合,容积吸油 密封容积变化 齿轮进入啮合,容积压油 吸压油口隔开：两齿轮啮合线、泵体及泵盖,三、排量和流量的计算,在计算齿轮泵排量时，假设齿间的容积等于轮齿的体积，因此齿轮每转一周，排出的液体的体积等于其中一个齿轮的所有齿间工作容积及其所有轮齿有效体积之和，即等于其中一个齿轮齿顶圆与齿底圆之间

8、环形圆柱的体积（2Rf hoB=2Zm2B），所以齿轮泵的排量为： V=Rf hoB=Zm2B 实际上，齿间容积比轮齿体积稍大，而且齿数越少差值越大；另外，对修正齿轮而言，轮齿变薄，齿间容积也增大。为此，在上式中乘以系数1.06 1.12（齿数多时取小值，齿数少时取大值）来加以修正。修正后的齿轮泵排量为： V=(1.061.12)Zm2B,齿轮泵的实际流量为 Q=Vpv=(1.061.12)Zm2Bpv 上式计算的是外啮合齿轮泵的平均流量。实际上，由于齿轮泵在工作过程中，啮合点位置发生周期性的变化，其瞬时流量qsh是脉动的，流量qsh的脉动大小用流量不均匀系数q表示： 式中，(qsh)max、

9、(qsh)min 齿轮泵最大和最小瞬时流量 齿数越少，q越大。当Z=6时，q值高达34.7%。流量脉动会直接影响到系统工作的平稳性，引起压力脉动，使液压系统产生振动和噪声。,四、结构特点及改进措施,困油现象及其消除措施 泄漏 径向作用力不平衡,1、困油现象及消除办法,（1）困油现象产生原因 为保证齿轮连续平稳运转，又能够使吸压油口隔开，齿轮啮合时的重合度必须大于1 会出现两对轮齿同时啮合的情况，在齿向啮合线间形成一个封闭容积,（2）困油引起的结果 ab 容积缩小 p 高压油从一切可能泄漏的缝隙强行挤出，使轴和轴承受很大冲击载荷，泵剧烈振动，同时无功损耗增大，油液发热。 bc 容积增大 p 形成

10、局部真空，产生气穴，引起振动、噪声、汽蚀等。 总之：由于困油现象，使泵工作性能不稳定，产生振动、噪声等，直接影响泵的工作寿命。,（3）消除困油的方法 原则： ab 密封容积减小，使之通压油口 bc 密封容积增大，使之通吸油口 在b点密封容积最小，隔开吸压油 方法：在泵盖（或轴承座）上开卸荷槽以消除困油，CB-B形泵将卸荷槽整个向吸油腔侧平移一段距离，效果更好,2、泄漏与间隙补偿措施,（1）泄漏的途径 端面间隙泄漏：约占齿轮泵总泄漏量的 75%80% 径向间隙泄漏：约占齿轮泵总泄漏量的 15%20% 齿面啮合处泄漏：约占齿轮泵总泄漏量的 5% 总之：泵压力愈高，泄漏愈大。,（2）齿轮泵的间隙补偿

11、齿轮泵的间隙补偿包括端面间隙自动补偿和径向间隙自动补偿两种方式。 端面间隙补偿 通常采用的端面间隙自动补偿的方式有浮动轴套式和弹性侧板式两种。其工作原理是通过引入压力油使轴套或侧板紧贴在齿轮端面上，来自动补偿端面磨损和减小端面间隙。,径向间隙补偿 如图3-9所示，在齿轮泵的排油腔安装了径向间隙补偿块1，在泵体2上，将吸油腔沿齿顶扩大到补偿环的外侧。径向间隙补偿环被排油压力适当压紧在齿顶上，将吸、排油腔隔开。,3、径向力及减小径向力的措施,（1）齿轮泵的径向力 A.沿齿轮圆周液体产生的径向力F1 B.由齿轮啮合产生的径向力F2 C.径向力的合成 由此可见，从动齿轮轴承比 主动齿轮轴承所受径向力的

12、合力 要大。因此，在实际运行中，被 动齿轮轴承比主动齿轮轴承会较 早磨损。,（2）减小径向力的措施 缩小压油口，使排油腔作用在齿轮上的面积减小到只作用在12个齿的范围内，以减小径向力。 将排油腔扩大到吸油腔侧，在工作过程中只有12个齿起密封作用，使对称区域的径向力得到平衡，从而减小作用在轴承上的径向力。 将吸油腔扩大到接近排油腔侧，只留12个齿起密封作用，并在排油区设置径向间隙补偿块，如图3-9所示。这种结构既减小了径向力，又使容积效率提高。 开液压平衡槽,五、外啮合齿轮泵的优缺点及应用,优点：结构简单，制造工艺性好，价格便宜，自吸能力较 好， 抗污染能力强，维护方便，工作可靠。 缺点：径向不

13、平衡力大，泄漏大，流量脉动大，噪声大，效 率低，零件的互换性差，磨损后不易修复，不能作变 量泵使用。 应用：用于环境差、对压力、流量特性要求不高的场合， 通常p10MPa（中低压），如工程机械、建筑机械、 农用机械等。,3.2.3 内啮合齿轮泵,内啮合齿轮泵有渐开线内啮合齿轮泵和内啮合摆线齿轮泵（又称转子泵）两种。,内啮合齿轮泵特点,内啮合齿轮泵结构紧凑，重量轻，流量、压力脉动 小，噪声较小，使用寿命长。内啮合摆线齿轮泵结 构更简单，啮合重叠系数大，传动平稳，吸油条件 更为良好。其缺点是齿形复杂，加工精度要求高， 因此价格较高。,3.2.4 齿轮马达,齿轮马达的工作原理 齿轮马达与齿轮泵的区别

14、 应用特点,一、齿轮马达的工作原理,齿轮马达的结构与齿轮泵基本相同，其工作原理如图3-14所示。,二、齿轮马达与齿轮泵的区别,虽然齿轮马达和齿轮泵的结构基本相同，但由于功用不同，在 结构上和齿轮泵还是有差别的。其主要区别有： 1. 齿轮马达有正反转的要求，因而其结构对称。 2齿轮马达壳体上设有单独的外泄漏油口。因为马达回油有背压，若采用内部泄油，在马达正反转时容易将轴端密封冲坏。 齿轮马达的齿数一般比齿轮泵的齿数多。齿数多，有好的起动性能，运动平稳。齿轮泵提供压力和流量，强调的是容积效率；而齿轮马达产生输出扭矩，强调的是机械效率，并力图因此，一般齿轮马达的齿数14，且多采用滚针轴承。,三、齿轮

15、马达的应用特点,与齿轮泵相似 容积效率低 只能用于中低压场合 适合于高转速、低转矩系统,3.3 叶片泵及叶片马达,双作用叶片泵 单作用叶片泵 叶片式液压马达,3.3.1 双作用叶片泵,结构组成 工作原理 排量和流量的计算 结构特点,一、结构组成,双作用叶片泵的结构如图所示:定子、转子、叶片、左右配油盘、传动轴、壳体等组成. 双作用叶片泵的转子每转一周，叶片在槽内往复运动两次，完成两次吸油、排油过程，故称为双作用叶片泵。 双作用叶片泵由于具有两个吸油腔和两个排油腔，并且各自的中心夹角是对称的，其密闭工作容积数（等于叶片数）为偶数，所以作用在转子上的油液压力相互平衡，因此这种泵又称为卸荷式叶片泵。

16、,二、工作原理,V密 形成：定子、转子和相邻两叶片、配流盘围成 左上、右下腔，叶片伸出，V密吸油 V密 变化：转子顺转 右上、左下腔，叶片缩回，V密压油 吸压油口隔开： 配油盘上封油区及叶片,三、排量和流量的计算 如图3-16所示，V1为吸 油后封油区内的油液体积， V2为排油后封油区内的油 液体积，考虑到叶片厚度 及叶片倾角对吸油和 排油时油液体积的影响， 泵的排量为:,泵的实际输出流量为: 双作用叶片泵也存在着流量脉动，但比其它型式的泵要小得多，且在叶片数为4的倍数时最小，叶片数一般取12或16。 并且，双作用叶片泵是定量泵。,四、结构特点 1定子曲线 定子曲线是由两段长半径圆弧、两段短半

17、径圆弧和四段过渡曲线组成，如图3-17（a）所示。长、短半径之差Rr越大，泵的排量也越大。但差值过大，叶片从转子叶片槽中滑出的长度越大，受液压力所产生的弯矩越大，会引起叶片折断、卡死等现象；另外，差值越大，过渡曲线的斜率也越大，使叶片的离心力不足以将叶片紧贴在定子的过渡曲线上，即产生脱空现象。一般Rr值不超过7.3 mm。 过渡曲线应保证叶片贴紧在定子内表面上，保证叶片在转子叶片槽中径向运动时速度和加速度的变化均匀，叶片对定子内表面的冲击要尽可能小。 定子曲线所用的过渡曲线有阿基米德螺线、正弦加速曲线、等加速等减速曲线和高次曲线等。其中等加速等减速曲线用得较为广泛。,2配流盘 如图3-18所示

18、，双作用叶片泵的配流盘上有两个吸油窗口2、4和两个排油窗口1、3，窗口之间为封油区。,3叶片的倾角 叶片泵在工作过程中，叶片受离心力和底部液压力的作用，使叶片顶紧在定子内表面上。为减小侧向力，将叶片顺着转子旋转方向向前倾一个角，这样可使压力角减小为（=）。双作用叶片泵叶片倾角一般取10 14。,3.3.2 单作用叶片泵,一、工作原理 如图3-24所示。单作用叶片泵是由转子1、定子2、叶片3、泵体4以及配流盘5等零件组成。泵的转子每旋转一周，叶片在槽中往复滑动一次，密闭工作腔的容积增大和缩小各一次，完成一次吸油和排油，故称单作用叶片泵。,二、排量和流量的计算 单作用叶片泵排量的计算如图3-25所

19、示。两个相邻叶片形成的工作容积在转子旋转一周后所排出的油液体积V为: 单作用叶片泵的排量等于转子旋转一周后各密封工作容积所排出的油液体积之和除以2，即,当单作用叶片泵转子旋转角速度为时，其实际流量为: qp=Vpv=2RBepv 单作用叶片泵的流量也是有脉动的。分析表明，叶片数越多，流量脉动率越小，且奇数个叶片比偶数个叶片的泵的流量脉动率要小，因此，单作用叶片泵的叶片数均为奇数，一般为13或15片。 由上式可见，改变转子和定子的偏心距 e 的大小和方向，能够改变单作用叶片泵的排量，因此，这种泵常用作变量泵。,三、限压式变量叶片泵 限压式变量叶片泵有内反馈式和外反馈式两种变量形式。在此仅介绍内反

20、馈式变量叶片泵。 1结构组成与工作原理 组成：是由定子、转子、叶片、泵体、流量调节螺钉、压力调节螺钉以及配流盘等零件组成。内反馈限压式变量叶片泵的变量原理如图3-26所示。,2限压式变量叶片泵的压力流量特性 内反馈限压式变量叶片泵的压力流量特性如图3-27所示。 调节流量调节螺钉，可改变qmax，使AB段上下平移 调节压力调节螺钉，可改变pB ，使BC段左右平移 改变弹簧刚度，使BC段斜率 k大，曲线平缓 变化 k小，曲线较陡,四、单作用叶片泵结构要点（与双作用相比）,定子形状：圆环 径向力：存在 叶片数目：13或15，以减少流量脉动 转子与定子位置关系：存在偏心距，变量泵,五、叶片泵的优缺点

21、及其应用,优点：运转平稳，流量、压力脉动小，噪声小。 缺点：与齿轮泵相比结构较复杂，对油液要求高，如油液中有杂质，则叶片容易卡死； 通常只能单方向旋转，如果旋转方向错误，会造成叶片折断。 应用：它广泛的应用于机械制造中的专用机床、自动线等中低压、要求较高的液压系统中。,3.3.3 叶片式液压马达,叶片式液压马达一般为双作用式，其工作原理如图3-28 所示。,图3-29所示为双作用叶片式马达的典型结构。它与双作用叶片泵相比，具有如下特点： 1叶片底部装有燕式弹簧，其作用是保证马达在起动时，叶片能紧贴定子内表面，形成密闭容积。 2马达的壳体内装有两个单向阀，不论马达正转或反转，它都能保证叶片底部始

22、终通入高压油，从而使叶片与定子紧密接触，保证密封。 3由于液压马达要作双向旋转，叶片槽呈径向布置。,提问： 根据工作原理图判断：作泵使用或作马达使用时的进出油口位置,3.4 轴向柱塞泵及轴向柱塞马达,根据柱塞相对缸体的分布情况有两种结构形式：一种是轴向柱塞泵，另一种是径向柱塞泵。 柱塞沿径向放置的泵称为径向柱塞泵，柱塞沿轴向布置的泵称为轴向柱塞泵。,3.4.1 斜盘式轴向柱塞泵,一、工作原理 斜盘式轴向柱塞泵的工作原理如图3-30所示。缸体每旋转一周，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸、排油过程。,二、排量和流量的计算 当柱塞从=转到2时，柱塞的行程为: L=2Rtg 缸体每旋转一周，每个柱塞吸

23、油和排油各一次，则泵的排量V 和流量q 分别为： 实际上，泵的瞬时流量qsh是脉动的，其流量不均匀系数与柱塞数及其奇偶性有关。柱塞数越多，流量不均匀系数越小；奇数柱塞比偶数柱塞的流量不均匀系数要小。因此，柱塞泵中的柱塞多采用Z=7或9。 从上式中可以看出，改变斜盘倾角的大小和方向就可以改变其输出流量的大小和方向，因此，某些轴向柱塞泵可用作双向变量泵。,三、斜盘式轴向柱塞泵的结构及特点 1、结构 图3-31所示为国产 SCY14-1B 型斜盘式轴向柱塞泵的结构。该泵是由主体结构和变量机构两部分组成。,2、特点 1）变量机构 轴向柱塞泵变量机构的结构形式很多，有手动变量机构、伺服变量机构等。图3-

24、31所示为手动变量机构，图3-34所示为伺服变量机构。,(2) 摩擦副 在斜盘式轴向柱塞泵中，柱塞与柱塞孔、缸体与配流盘、滑靴与斜盘构成三对运动摩擦副，这三对运动摩擦副的工作状态直接影响泵的密封性能、效率和使用寿命等。 滑靴与斜盘 如图3-32所示，作 用在柱塞底部的液压力 F1为:,F1在柱塞头部分解成的法向力FN为 油膜在滑靴底部产生的反推力Ff为 当FN=Ff，即柱塞头部作用在滑靴上的法向力FN 和油膜作用在滑靴上的反力Ff 完全相等，称为全平衡状态。此时滑靴与斜盘脱离接触，不存在金属摩擦，只有油液的粘性摩擦。这种状态机械效率较高，但泄漏较大，容积效率较低。当FNFf ，称为过平衡状态。

25、此时油膜刚度大，泄漏量也大，此种方案很少采用。当FNFf ，称为部分平衡状态。即滑靴始终压在斜盘上，两者的剩余压紧力F=FNFf不大，通常取压紧系数 这样，既可以保证泄漏小，又不至于滑靴与斜盘之间压得太紧而加速磨损。,缸体与配流盘 如图3-33所示，缸体1内有七个均布的柱塞孔，柱塞孔底部开有腰圆形的进出油口，腰形孔的通流面积比柱塞孔小，因此当柱塞排油时，油液压力对缸体产生一个轴向推力，加上弹簧的预压紧力，构成了缸体对配流盘2的总压紧力。为了减少缸体与配流盘之间的摩擦、磨损，在它们之间也采用了剩余压紧力的方法。如图3-33（a）、（b）所示。如图3-33（c）所示，为了防止吸油腔与排油腔相通，在

26、配流盘上封油区的周向长度L要大于缸体上腰形孔的周向长度L。由于缸体柱塞孔底部的腰形孔道在配流盘上、下死点前后一小段行程（L-Lo）内，既不与排油腔相通，也不与吸油腔相通，而此时柱塞仍有微小行程，使柱塞底部出现变大或变小的闭死容积，由此产生困油现象。解决办法是在配流盘吸油窗口与排油窗口的两端各开小三角油槽，使两尖端之间的距离等于或略小于柱塞底部腰形孔的长度L0，如图3-33（d）所示。这种办法既使吸、排油窗口之间有足够的密封长度而不致泄漏过多，又可以在闭死容积变化时能通过小三角油槽吸、排油，以消除困油现象。,柱塞与缸体内柱塞孔 这一对摩擦副为圆柱面，工艺性能较好，易保证密封性。但由于斜盘倾角的影响，柱塞上作用有侧向力Ft ，如图3-32所示。侧向力Ft通过柱塞作用于缸体上，它可以使缸体倾斜，造成缸体和配流盘之间出现楔形间隙，使泄漏增大，并且使密封表面产生局部接触，柱塞与缸体之间的磨损加剧。为了减小侧向力，斜盘的倾角不宜过大（通常20）；增加柱塞在缸体内柱塞孔中的接触长度，在柱塞上开均压槽，合理选择柱塞和缸体的材料及热处理工艺，都有利于提高耐磨性能