2-液壓傳動(dòng)-陳奎生-液壓泵和液壓馬達(dá)

1、第二章,液 壓 泵 和 液 壓 馬 達(dá)HYDRAULIC PUMPS AND MOTORS,2,本章提要,① 液壓泵和液壓馬達(dá)的工作原理與性能參數(shù)。,② 齒輪式(Gear Pumps)、葉片式(Vane Pumps)、柱塞式液壓泵(Piston Pumps) 。,③ 高速液壓馬達(dá)(High-speed Hydraulic Motors)及低速大扭矩馬達(dá)(Low Speed – High Torque Hydraulic Motors)

2、。,要求掌握這幾種泵和馬達(dá)的工作原理（泵是如何吸油、壓油和配流的，馬達(dá)怎樣產(chǎn)生轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩）、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要性能特點(diǎn)；了解不同類型的泵馬達(dá)之間的性能差異及適用范圍，為正確選用奠定基礎(chǔ)。,3,本章教學(xué)內(nèi)容,2.1 液壓泵和馬達(dá)概述,2.2 齒輪泵,2.3 葉片泵,2.4 柱塞泵,2.5 液壓馬達(dá),液壓泵馬達(dá)圖形符號(hào),本章小結(jié),習(xí)題,點(diǎn)擊進(jìn)入 相應(yīng)章節(jié),http:// yycd.mech.wust.edu.cn/ 引用本教案

3、內(nèi)容，請(qǐng)注明出處,返回本頁(yè)點(diǎn)擊此,4,2.1 液壓泵和馬達(dá)概述Introduction of Hydraulic Pumps and Motors,5,泵工作原理：　　曲柄連桿帶動(dòng)活塞(Piston)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊乙?，封閉容腔C的容積增大，形成真空；在大氣壓的作用下，油從單向閥(Check Valve)A被吸入C腔，此時(shí)單向閥B斷路。當(dāng)活塞左移時(shí)，封閉容腔C的容積減小，單向閥A斷路，C腔中的油從單向閥B排出。,2.1.1

4、容積式泵和馬達(dá)工作原理Basic Principles of Hydraulic Pumps and Motors,,,馬達(dá)工作原理：　　用外控方法打開(kāi)單向閥B輸入壓力油，C腔中的壓力油推動(dòng)活塞右移，使曲柄連桿輸出轉(zhuǎn)矩。在慣性作用下，活塞左移，外控打開(kāi)單向閥A，C腔中的無(wú)壓油從閥A排出。,6,柱塞向左移動(dòng)時(shí)，工作腔容積變小，已吸入的油液便通過(guò)壓油閥6排到系統(tǒng)中去。,由此可見(jiàn)，泵是靠密封工作腔的容積變化進(jìn)行工作的。,凸輪(Cam)1旋

5、轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)柱塞向右移動(dòng)，工作腔容積變大，產(chǎn)生真空，油液便通過(guò)吸油閥5吸入；,2.1.1 容積式泵和馬達(dá)工作原理,圖2.1 液壓泵的工作原理,7,液壓泵和液壓馬達(dá)工作的必要條件：（1）必須有一個(gè)大小能作周期性變化的封閉容積；（2）必須有配流動(dòng)作，即　　　封閉容積加大時(shí)吸入低壓油　　　封閉容積減小時(shí)排出高壓油　　　封閉容積加大時(shí)充入高壓油　　　封閉容積減小時(shí)排出低壓油（3）高低壓油不得連通。,2.1.1 容積式泵和馬達(dá)工作

6、原理,8,液壓泵和液壓馬達(dá)都是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換元件。,液壓泵由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，把輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為油液的壓力能，再以壓力、流量的形式輸入到系統(tǒng)中去，它是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源。,2.1.1 容積式泵和馬達(dá)工作原理,液壓馬達(dá)則將輸入的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以扭矩和轉(zhuǎn)的形式輸送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)做功，是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件。,9,機(jī)械輸出,液壓輸出,,液壓輸入,液壓馬達(dá)是實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，從原理上講，向容積式泵中輸入壓力油，迫使其轉(zhuǎn)軸

7、轉(zhuǎn)動(dòng)，就成為液壓馬達(dá)，即容積式泵都可作液壓馬達(dá)使用?！　〉趯?shí)際中由于性能及結(jié)構(gòu)對(duì)稱性等要求不同，一般情況下，液壓泵和液壓馬達(dá)不能互換。,2.1.1 容積式泵和馬達(dá)工作原理,10,根據(jù)工作腔的容積變化而進(jìn)行吸油和排油是液壓泵的共同特點(diǎn)，因而這種泵又稱為容積泵。,液壓泵按其在單位時(shí)間內(nèi)所能輸出油液體積能否調(diào)節(jié)而分為定量泵(Fixed displacement pumps)和變量泵(Variable displacement pumps

8、)兩類；　　按結(jié)構(gòu)形式可以分為齒輪式、葉片式和柱塞式三大類。液壓馬達(dá)也具有相同的形式。,從工作過(guò)程可以看出，在不考慮漏油的情況下，液壓泵在每一工作周期中吸入或排出的油液體積只取決于工作構(gòu)件的幾何尺寸，如柱塞泵的柱塞直徑和工作行程。,2.1.1 容積式泵和馬達(dá)工作原理,11,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù) The Performance of Hydraulic Pumps and Motors,液壓泵的基本性能參數(shù)主要是指

9、液壓泵的壓力、排量、流量、功率和效率等。,工作壓力 operating pressure：泵（馬達(dá)）實(shí)際工作時(shí)的壓力。泵指輸出壓力；馬達(dá)指輸入壓力。實(shí)際工作壓力取決于相應(yīng)的外負(fù)載。,額定壓力 rated pressure：泵（馬達(dá)）在額定工況條件下按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最高壓力，超過(guò)此值就是過(guò)載。,每弧度排量 displacement per radian Vd ：泵（馬達(dá)）每轉(zhuǎn)一弧度所排出（吸入）液體的體積，也稱角排量。,每轉(zhuǎn)排

10、量 displacement per revolution V ：無(wú)內(nèi)外泄漏時(shí)，泵（馬達(dá)）每轉(zhuǎn)一周所排出（吸入）液體的體積。,12,理論流量 theoretical flow rate qt ：無(wú)內(nèi)外泄漏時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)泵（馬達(dá)）排出（吸入）液體的體積。泵、馬達(dá)的流量為其轉(zhuǎn)速與排量的乘積，即:,額定流量 rated flow rate qn ：在額定轉(zhuǎn)速和額定壓力下泵輸出（馬達(dá)輸入）的流量，也是按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須保證的流量。由于泵和馬達(dá)存

11、在內(nèi)泄漏，油液具有壓縮性，所以額定流量和理論流量是不同的。,泵的實(shí)際流量 actual flow rate q ：泵工作時(shí)實(shí)際出口的流量。記泵的泄漏流量(leakage flow rate)為ql，有: 　　　　　　　　　　q= qt ? ql,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),13,功率(power)和效率(efficiency)：液壓泵由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸入量是轉(zhuǎn)矩(torque)T和角速度 (angular speed)?，輸

12、出量是液體的壓力p和流量q；如果不考慮液壓泵、馬達(dá)在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失，則輸出功率等于輸入功率，也就是它們的理論功率(theoretical power )Nt ：,(2.1)*,式中：,— 液壓泵、馬達(dá)的壓力和理論流量。,n, ? — 液壓泵、馬達(dá)的轉(zhuǎn)速(rev/s), 角速度(rad/s)；,Tt— 液壓泵、馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)矩(theoretical torque) (N·m)；,* 式（2.1）可詳細(xì)見(jiàn)教材p7。,2.1

13、.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),14,實(shí)際液壓泵和液壓馬達(dá)在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中是有損失，輸出功率小于輸入功率。,功率損失=容積損失+機(jī)械損失,容積損失(volumetric loss)是因泄漏、氣穴和油液在高壓下壓縮等造成的流量損失。,機(jī)械損失(mechanical loss)是指因摩擦而造成的轉(zhuǎn)矩上的損失。,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),15,對(duì)液壓泵來(lái)說(shuō)，輸出壓力增大時(shí)，泵實(shí)際輸出的流量q減小。設(shè)泵的流量損失ql為，則qt=

14、q+ql。,泵的容積損失——用容積效率(volumetric efficiency) ?v 表征。,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),16,,泵的容積損失,理想泵,,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),17,對(duì)液壓馬達(dá)來(lái)說(shuō)，輸入液壓馬達(dá)的實(shí)際流量q必然大于它的理論流量qt即qt=q-ql ，它的容積效率為：,（2.3）,馬達(dá)容積損失,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),18,理想馬達(dá),馬達(dá)容積損失,,2.1.2 液壓泵和馬

15、達(dá)的基本性能參數(shù),19,液壓泵的機(jī)械損失：　　泵的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩總是大于其理論上需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，設(shè)轉(zhuǎn)矩?fù)p失為T(mén)f，理論轉(zhuǎn)矩為T(mén)t，則泵實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩為T(mén)=Tt+Tf，用機(jī)械效率?m (mechanical efficiency)來(lái)表征泵的機(jī)械損失Tt=T??m，則,機(jī)械損失——摩擦而造成的轉(zhuǎn)矩上的損失,,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),20,馬達(dá)的機(jī)械損失,對(duì)于液壓馬達(dá)來(lái)說(shuō)，由于摩擦損失的存在，其實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩T小于理論轉(zhuǎn)矩Tt，它的機(jī)

16、械效率?m ：,（2.5）,,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),21,馬達(dá)的機(jī)械損失,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),22,液壓馬達(dá)的總效率為容積效率和機(jī)械效率的乘積。,液壓泵、馬達(dá)的容積效率和機(jī)械效率在總體上與油液的泄漏和摩擦副的摩擦損失有關(guān)。,（2.6）,馬達(dá)的總損失,2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),23,液壓泵的總效率?(overall efficiency)等于其容積效率和機(jī)械效率的乘積：,（2.6）,泵的

17、總效率(overall efficiency of pumps),2.1.2 液壓泵和馬達(dá)的基本性能參數(shù),24,圖2.2 液壓泵、馬達(dá)的能量傳遞方框圖,P,T,t,t,25,2.2 齒 輪 泵 Gear Pumps,26,齒輪泵是一種常用的液壓泵。主要優(yōu)點(diǎn):　　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格低廉，體積小，重量輕，自吸性好，對(duì)油液污染不敏感，工作可靠；主要缺點(diǎn):　　流量和壓力脈動(dòng)大，噪聲大，排量不可調(diào)。,齒輪泵被廣泛地應(yīng)用于采礦設(shè)備

18、、冶金設(shè)備、建筑機(jī)械、工程機(jī)械和農(nóng)林機(jī)械等各個(gè)行業(yè)。,齒輪泵按照其嚙合形式的不同，有外嚙合(External Gear Pumps)和內(nèi)嚙合(Internal Gear Pumps)兩種，外嚙合齒輪泵應(yīng)用較廣，內(nèi)嚙合齒輪泵則多為輔助泵。,2.2 齒輪泵 Gear Pumps,27,泵主要由主、從動(dòng)齒輪，驅(qū)動(dòng)軸，泵體及側(cè)板等主要零件構(gòu)成。,泵體內(nèi)相互嚙合的主、從動(dòng)齒輪與兩端蓋及泵體一起構(gòu)成密封工作容積，齒輪的嚙合點(diǎn)將左、右兩腔隔開(kāi)，形成了

19、吸、壓油腔。,圖2.3 外嚙合齒輪泵的工作原理 1—泵體(Housing);2 —主動(dòng)齒輪(Driver Gear);3 —從動(dòng)齒輪 (Driven gear),2.2.1 外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)及工作原理 Operation of the External Gear Pump,結(jié)構(gòu)及工作原理,28,左側(cè)壓油腔內(nèi)的輪齒不斷進(jìn)入嚙合，使密封腔容積減小，油液受到擠壓被排往系統(tǒng)，這就是齒輪泵的吸油和壓油過(guò)程。,當(dāng)齒輪

20、按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)吸油腔內(nèi)的輪齒脫離嚙合，密封腔容積不斷增大，構(gòu)成吸油并被旋轉(zhuǎn)的輪齒帶入左側(cè)的壓油腔。,2.2.1 外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)及工作原理,結(jié)構(gòu)及工作原理,29,2.2.2 齒輪泵的流量和脈動(dòng)率(Pulsating Rate),外嚙合齒輪泵的排量可近似看作是兩個(gè)嚙合齒輪的齒谷容積之和。若假設(shè)齒谷容積等于輪齒體積，則當(dāng)齒輪齒數(shù)(Number of Teeth)為z ，模數(shù)(Modulus of Gear)為m，節(jié)圓直徑(Pitc

21、h Diameter )為d，有效齒高(Effective Height)為h，齒寬(Width of Teeth)為b時(shí)，根據(jù)齒輪參數(shù)計(jì)算公式有d=mz，h=2m，齒輪泵的排量近似為,V=?dhb=2?zm2b （2.7）,實(shí)際上，齒谷容積比輪齒體積稍大一些，并且齒數(shù)越少誤差越大，因此,在實(shí)際計(jì)算中用3.33~3.50來(lái)代替上式中?值，齒數(shù)少時(shí)取大值。,由此得齒輪泵的輸

22、出流量(The Output Flow Rate)為,V=(6.66~7)zm2b （2.8）,V=(6.66~7)zm2bn?v （2.9）,30,齒輪泵的流量脈動(dòng),若用qmax、qmin來(lái)表示最大、最小瞬時(shí)流量，q0表示平均流量，則流量脈動(dòng)率(Flow Pulsation Rate)為,（2.10）,上式是齒

23、輪泵的平均流量。實(shí)際上，在齒輪嚙合過(guò)程中，排量是轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)，因此瞬時(shí)流量是脈動(dòng)的。脈動(dòng)的大小用脈動(dòng)率表示。,流量脈動(dòng)率是衡量容積式泵流量品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。,V=(6.66~7)zm2bn?v （2.9）,2.2.2 齒輪泵的流量和脈動(dòng)率(Pulsating Rate),31,在容積式泵中，齒輪泵的流量脈動(dòng)最大，并且齒數(shù)愈少，脈動(dòng)率愈大，這是外嚙合齒輪泵的一個(gè)弱點(diǎn)。,流量脈動(dòng)會(huì)直接

24、影響到系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性，引起壓力脈動(dòng)，使管路系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。,齒輪泵的流量脈動(dòng),2.2.2 齒輪泵的流量和脈動(dòng)率(Pulsating Rate),32,圖2.4 齒輪泵的結(jié)構(gòu)1-殼體(Housing);2.主動(dòng)齒輪(Driver Gear);3-從動(dòng)齒輪(Driven Gear);4-前端蓋(Front Cover);5-后端蓋(Back Cover);6-浮動(dòng)軸套(Floating Shaft Sleeve);7-壓力蓋(Pre

25、ssure Cover),2.2.3 齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) Construction of Gear Pumps,33,2.2.3 齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),外嚙合齒輪泵的問(wèn)題　　　　外嚙合齒輪泵存在的問(wèn)題有四個(gè)：,外嚙合齒輪泵的泄漏比較大,外嚙合齒輪泵的流量脈動(dòng)大,外嚙合齒輪泵有徑向不平衡力,外嚙合齒輪泵有困油問(wèn)題,34,2.2.3.1 困油現(xiàn)象 Trapping of Oil,圖2.5 齒輪泵困油現(xiàn)象及消除措施,AB間的死容積逐步減小

26、,AB間的死容積逐步增大,AB間的死容積達(dá)到最小,齒輪嚙合時(shí)的重疊系數(shù)(overlap coefficient)必大于1，故有一部分油液困在兩對(duì)輪齒嚙合時(shí)所形成的封閉油腔之內(nèi)，這個(gè)密封容積的大小隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，形成困油。,2.2.3 齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),35,困油現(xiàn)象 輪齒間密封容積周期性的增大減小。 受困油液受到擠壓而產(chǎn)生瞬間高壓，密封容腔的受困油液若無(wú)油道與排油口相通，油液將從縫隙中被擠出，導(dǎo)致油液發(fā)熱，軸承等零件也受到附加

27、沖擊載荷的作用； 若密封容積增大時(shí)，無(wú)油液的補(bǔ)充，又會(huì)造成局部真空，使溶于油液中的氣體分離出來(lái)，產(chǎn)生氣穴。,,2.2.3 齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),36,圖2.5 齒輪泵的困油現(xiàn)象及消除措施,容積減小時(shí)與壓油側(cè)相通,容積增大時(shí)與吸油側(cè)相通,2.2.3.1 困油的現(xiàn)象 Trapping of Oil,2.2.3 齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),37,卸 荷 措 施：在前后蓋板或浮動(dòng)軸套上開(kāi)卸荷槽。開(kāi)設(shè)卸荷槽的原則：兩槽間距

28、a為最小閉死容積，而使閉死容積由大變小時(shí)與壓油腔相通，閉死容積由小變大時(shí)與吸油腔相通。,2.2.3 齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),圖2.5 齒輪泵的困油現(xiàn)象及消除措施,38,2.2.3.2 徑向不平衡力Radial Unbalance Force,在齒輪泵中，油液作用在輪外緣的壓力是不均勻的，從低壓腔到高壓腔，壓力沿齒輪旋轉(zhuǎn)的方向逐齒遞增，因此，齒輪和軸受到徑向不平衡力的作用。,壓力越高，徑向不平衡力越大，它能使泵軸彎曲，使定子偏磨，加速軸承的

29、磨損，降低軸承使用壽命。,,,常采取縮小壓油口的辦法減小徑向不平衡力。,2.2.3 齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),39,2.2.3.3 齒輪泵的泄漏通道及端面間隙的自動(dòng)補(bǔ)償Leakage Passage and Automatic Compensation of End Face Clearance,齒輪泵壓油腔的壓力油可通過(guò)三條途經(jīng)泄漏到吸油腔：,在這三類間隙中，端面間隙的泄漏量最大，壓力越高，由間隙泄漏的液壓油就愈多。,二是通過(guò)泵體定子環(huán)內(nèi)孔

30、和齒頂間的徑向間隙——齒頂間隙 Teeth Tip Clearance,,2.2.3 齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),40,為了提高齒輪泵的壓力和容積效率，實(shí)現(xiàn)齒輪泵的高壓化，需要從結(jié)構(gòu)上來(lái)取措施，對(duì)端面間隙進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。,采用自動(dòng)補(bǔ)償端面間隙裝置：浮動(dòng)軸套式(Floating Bush Bearing)或彈性側(cè)板式(Elastic Side Plate)。,2.2.3.3 齒輪泵的泄漏通道及端面間隙的自動(dòng)補(bǔ)償,2.2.3 齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),41,2

31、.2.4 內(nèi)嚙合齒輪泵 Internal Gear Pumps,內(nèi)嚙合齒輪泵有漸開(kāi)線齒形(Crescent)和擺線齒形(Grout)兩種，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2.6。,圖2.6 內(nèi)嚙合齒輪泵1—外齒輪(external gear)，2—內(nèi)齒輪( internal gear)，3—隔板(Crescent-shaped Seal),42,內(nèi)嚙合齒輪泵中的小齒輪是主動(dòng)輪，大齒輪為從動(dòng)輪，在工作時(shí)大齒輪隨小齒輪同向旋轉(zhuǎn)。,圖2.6 b) 內(nèi)嚙合

32、齒輪泵3—隔板，4—吸油，5—壓油,壓油窗口,吸油窗口,,漸開(kāi)線齒形(Crescent)　　小齒輪和內(nèi)齒輪之間要裝一塊月牙隔板，以便把吸油腔和壓油腔隔開(kāi)，如圖2.6(a)。,2.2.4 內(nèi)嚙合齒輪泵 Internal Gear Pumps,43,圖2.6 內(nèi)嚙合齒輪泵1— 吸油腔，2 — 壓油腔，3 — 隔板,擺線齒形(Grout)嚙合齒輪泵又稱擺線轉(zhuǎn)子泵?！　≡谶@種泵中，小齒輪和內(nèi)齒輪只相差一齒，因而不需設(shè)置隔板。如圖2.6(

33、b)。,,2.2.4 內(nèi)嚙合齒輪泵 Internal Gear Pumps,44,內(nèi)嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低； 但在低速、高壓下工作時(shí)，壓力脈動(dòng)大，容積效率低； 一般用于中、低壓系統(tǒng)，或作為補(bǔ)油泵； 內(nèi)嚙合齒輪泵的缺點(diǎn)是齒形復(fù)雜，加工困難，價(jià)格較貴，且不適合高壓工況。,2.2.4 內(nèi)嚙合齒輪泵 Internal Gear Pumps,2.3 葉片泵 Vane Pumps,46,2.3 葉片泵

34、Vane Pumps,單作用葉片泵,雙作用葉片泵,葉片泵包括兩大類：雙作用葉片泵和單作用葉片泵?！　‰p作用葉片泵只能做成定量泵，　　單作用葉片泵一般是變量泵。,其主要區(qū)別是定子內(nèi)曲線的形狀不同。曲線形狀不同泵軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)吸壓油的次數(shù)也不同，每轉(zhuǎn)吸壓油一次的稱單作用葉片泵，吸壓油兩次的稱雙作用葉片泵。,47,2.3.1 單作用葉片泵 Single-cell Vane Pumps,2.3.1.1 工作原理,泵由轉(zhuǎn)子(Rotor)2定子

35、(Cam Ring)3葉片(Vane)4配流盤(pán)(Port Plates)等組成,圖2.7 單作用葉片泵工作原理1—壓油口;2 —轉(zhuǎn)子;3 —定子;4 —葉片;5 —吸油口,,48,定子內(nèi)表面是圓柱面，轉(zhuǎn)子和定子中心之間存在著偏心(Eccentricity)，葉片在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)可靈活滑動(dòng)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力以及葉片根部油壓力作用下，葉片頂部貼緊在定子內(nèi)表面上，于是兩相鄰葉片、配油盤(pán)、定子和轉(zhuǎn)子便形成了一個(gè)密封的工作腔。,,泵在轉(zhuǎn)子

36、轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的過(guò)程中，吸油、壓油各一次，故稱單作用葉片泵。 轉(zhuǎn)子單方向受力，軸承負(fù)載大。 改變偏心距，可改變泵排量，形成變量葉片泵。,2.3.1 單作用葉片泵,2.3.1.1 工作原理,變量??可變排量,49,2.3.1.2 單作用葉片泵的平均流量(Average Flow Rate),,,變量??可變排量,2.3.1 單作用葉片泵,50,2.3.1.3 單作用葉片泵和變量原理,變量葉片泵有：內(nèi)反饋式 (Internal Feedback

37、)和外反饋式(External Feedback)兩種。,(1) 限壓式內(nèi)反饋?zhàn)兞咳~片泵 Pressure-compensated Internal Feedback Variable Displacement Vane Pump,內(nèi)反饋式變量泵操縱力來(lái)自泵本身的排油壓力，內(nèi)反饋式變量葉片泵配流盤(pán)的吸、排油窗口的布置如圖2.9。,圖2.9 變量原理 1-最大流量調(diào)節(jié)螺釘(Maximum Displaceme

38、nt Adjustment)；2.彈簧預(yù)壓縮量調(diào)節(jié)螺釘(Pressure Compensator Adjustment)；3-葉片(Vane)；4-轉(zhuǎn)子；5-定子,變量??可變排量,2.3.1 單作用葉片泵,51,(1) 限壓式內(nèi)反饋?zhàn)兞咳~片泵,2.3.1.3 單作用葉片泵和變量原理,由于存在偏角oo1，排油壓力對(duì)定子環(huán)的作用力可以分解為垂直于軸線?的分力F1及與之平行的調(diào)節(jié)分力F2，調(diào)節(jié)分力F2與調(diào)節(jié)彈簧的壓縮恢復(fù)力、定子運(yùn)動(dòng)的摩擦力

39、及定子運(yùn)動(dòng)的慣性力相平衡。定子相對(duì)于轉(zhuǎn)子的偏心距、泵的排量大小可由力的相對(duì)平衡來(lái)決定，變量特性曲線如圖2.10所示。,圖 2.9,2.3.1 單作用葉片泵,o,52,當(dāng)泵的工作壓力所形成的調(diào)節(jié)分力F2小于彈簧預(yù)緊力時(shí)，泵的定子環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)子的偏心距保持在最大值，不隨工作壓力的變化而變，由于泄漏，泵的實(shí)際輸出流量隨其壓力增加而稍有下降，如上圖中AB段。,,2.3.1.3 單作用葉片泵和變量原理,(1) 限壓式內(nèi)反饋?zhàn)兞咳~片泵,2.3.1 單作用

40、葉片泵,o,53,改變彈簧預(yù)緊力可以改變曲線的B點(diǎn)；調(diào)節(jié)最大流量調(diào)節(jié)螺釘，可以調(diào)節(jié)曲線的A點(diǎn)。,,泵工作壓力p超過(guò)pB后，調(diào)節(jié)分力F2大于彈簧預(yù)緊力，使定子環(huán)向減小偏心距的方向移動(dòng)，泵排量開(kāi)始下降（變量）。,圖2.10,2.3.1.3 單作用葉片泵和變量原理,(1) 限壓式內(nèi)反饋?zhàn)兞咳~片泵,2.3.1 單作用葉片泵,o,54,(2) 限壓式外反饋?zhàn)兞咳~片泵 Pressure-compensated External Feedback V

41、ariable Displacement Vane Pump,圖2.11 外反饋限壓式變量葉片泵1—轉(zhuǎn)子(Rotor)；2 —彈簧(Spring)；3 —定子(Cam Ring)；4 —滑塊滾針支承(Needle Bearing)；5 —反饋柱塞(Feedback Piston)；6 —流量調(diào)節(jié)螺釘(Flow Rate Adjustment Screw),2.3.1 單作用葉片泵,55,設(shè)泵轉(zhuǎn)子和定子間的最大偏心距為emax，此時(shí)彈簧

42、的預(yù)壓縮量x0，彈簧剛度kx，泵的偏心預(yù)調(diào)值e0，當(dāng)壓力逐漸增大，使定子開(kāi)始移動(dòng)時(shí)壓力pB ，則有,（2.13）,限壓式外反饋?zhàn)兞咳~片泵,2.3.1 單作用葉片泵,56,（2.14）,（2.15）,（2.16）,當(dāng)泵壓力為p時(shí)，定子移動(dòng)了x 距離，也即彈簧壓縮量增加x，這時(shí)的偏心量為 ：,限壓式外反饋?zhàn)兞咳~片泵,2.3.1 單作用葉片泵,57,2.3.2.1 工作原理,雙作用葉片泵的原理和單作用葉片泵相似，不同之處只在于定子內(nèi)表面是由兩

43、段長(zhǎng)半徑圓弧、兩段短半徑圓弧和四段過(guò)渡曲線組成，且定子和轉(zhuǎn)子是同心的。,雙作用葉片泵,2.3.2 雙作用葉片泵 Double-cell Vane Pumps,58,圖中，當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，密封工作腔的容積在左上角和右下角處逐漸增大，為吸油區(qū)，在左下角和右上角處逐漸減小，為壓油區(qū)；吸油區(qū)和壓油區(qū)之間有一段封油區(qū)將吸、壓油區(qū)隔開(kāi)。,2.3.2.1 工作原理,2.3.2 雙作用葉片泵 Double-cell Vane Pumps,59,

44、這種泵的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，每個(gè)密封工作腔完成吸油和壓油動(dòng)作各兩次，所以稱為雙作用葉片泵。,2.3.2.1 工作原理,2.3.2 雙作用葉片泵 Double-cell Vane Pumps,60,2.3.2.2 平均流量計(jì)算,當(dāng)兩葉片從a，b位置轉(zhuǎn)c，d位置時(shí)，排出容積為M的油液；從c，d轉(zhuǎn)到e，f 時(shí)，吸進(jìn)了容積為M的油液。從e，f 轉(zhuǎn)到g，h時(shí)又排出了容積為M的油液；再?gòu)膅，h轉(zhuǎn)回到a，b時(shí)又吸進(jìn)了容積為M的油液。,圖2.13 雙作用葉片

45、泵平均流量計(jì)算原理,2.3.2 雙作用葉片泵 Double-cell Vane Pumps,61,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，兩葉片間吸油兩次，排油兩次，每次容積為M；當(dāng)葉片數(shù)為Z時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周所有葉片的排量為2Z個(gè)M容積，若不計(jì)葉片幾何尺度，此值正好為環(huán)行體積的兩倍。故泵的排量為：,平均流量為：,2.3.2.2 平均流量計(jì)算,2.3.2 雙作用葉片泵 Double-cell Vane Pumps,62,考慮葉片厚度影響后，雙作用葉片泵精確流量計(jì)算公式為

46、：,（2.23）,2.3.2.3 葉片泵的高壓化 High-pressure Trend of Vane Pumps,隨著技術(shù)的發(fā)展，雙作用葉片的最高工作壓力已達(dá)成20~30MPa，這是因?yàn)殡p作用葉片泵轉(zhuǎn)子上的徑向力基本上是平衡的，不像齒輪泵和單作用葉片泵那樣，工作壓力的提高會(huì)受到徑向承載能力的限制；　葉片泵工作壓力提高的主要限制條件是葉片和定子內(nèi)表面的磨損。,2.3.2.2 平均流量計(jì)算,2.3.2 雙作用葉片泵 Double-ce

47、ll Vane Pumps,63,為了解決定子和葉片的磨損，要采取措施減小在吸油區(qū)葉片對(duì)定子內(nèi)表面的壓緊力，目前采取的主要結(jié)構(gòu)措施有以下幾種：,(1) 雙葉片結(jié)構(gòu) Double-vane Construction,葉片頭部的形狀，使葉片頭部承壓面積略小于葉片底部承壓面積。這個(gè)承壓面積的差值就形成葉片對(duì)定子內(nèi)表面的接觸力。,各轉(zhuǎn)子槽內(nèi)裝有兩個(gè)經(jīng)過(guò)倒角的葉片。兩葉片的倒角部分構(gòu)成從葉片底部通向頭部的V型油道，因而作用在葉片底、頭部的油壓力

48、相等，合理設(shè)計(jì),2.3.2.3 葉片泵的高壓化,2.3.2 雙作用葉片泵 Double-cell Vane Pumps,64,(2) 彈簧負(fù)載葉片結(jié)構(gòu) Spring-vane Construction,葉片的底面上開(kāi)有三個(gè)彈簧孔，通過(guò)葉片頭部和底部相連的小孔及側(cè)面的半圓槽使葉片底面與頭部溝通。不過(guò)，彈簧在工作過(guò)程中頻繁受交變壓縮，易引起疲勞損壞。,圖2.15 彈簧負(fù)載葉片結(jié)構(gòu),2.3.2.3 葉片泵的高壓化,2.3.2 雙作

49、用葉片泵 Double-cell Vane Pumps,65,(3) 子母葉片結(jié)構(gòu) Son-and-mother Vane Construction,圖2.16 母子葉片結(jié)構(gòu),2.3.2.3 葉片泵的高壓化,2.3.2 雙作用葉片泵 Double-cell Vane Pumps,66,葉片槽中裝有母葉片和子葉片，母、子葉片能自由地相對(duì)滑動(dòng)，正確選擇子葉片和母葉片的寬度尺寸之比可使母葉片和定子的接觸壓力適當(dāng)；轉(zhuǎn)子上的壓力平衡孔使母葉片的

50、頭部和底部液壓力相等，泵的排油壓力通到母、子葉片之間的中間壓力腔；葉片作用在定子上的力為：,（2.24）,67,(4) 階梯葉片結(jié)構(gòu) Ladder Vane Construction,葉片做階梯形式，轉(zhuǎn)子上的葉片槽亦具有相應(yīng)的形狀。它們之間的中間油腔經(jīng)配流盤(pán)上的槽與壓力油相通，轉(zhuǎn)子上的壓力平衡油道把葉片頭部的壓力油引入葉片底部。這種結(jié)構(gòu)由于葉片及槽的形狀較為復(fù)雜，加工工藝性較差，應(yīng)用較少。,圖 2.17 1—定子；2 —轉(zhuǎn)子；3

51、 —中間油腔；4 —壓力平衡油道,2.3.2.3 葉片泵的高壓化,2.3.2 雙作用葉片泵 Double-acting Vane Pumps,68,2.3.3 單雙葉片泵的特點(diǎn)比較 Characteristic Comparison between Single-cell and Double-acting Vane Pumps,2.3.3.1 單作用葉片的特點(diǎn),存在困油現(xiàn)象 Trapping Phenomenon,配流盤(pán)的吸、排

52、油窗口間的密封角略大于兩相鄰葉片間的夾角，而單作用葉片泵的定子不存在與轉(zhuǎn)子同心的圓弧段，因此，當(dāng)上述被封閉的容腔發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與齒輪泵相類似的困油現(xiàn)象。通常，通過(guò)配流盤(pán)排油窗口邊緣開(kāi)三角卸荷槽的方法來(lái)消除困油現(xiàn)象。,,69,單作用葉片泵轉(zhuǎn)子上的徑向液壓力不平衡，軸承負(fù)荷較大。這使泵的工作壓力和排量的提高均受到限制。,,葉片沿旋轉(zhuǎn)方向向后傾斜 Vanes Slope Back in the Rotational Direction,2

53、.3.3.1 單作用葉片的特點(diǎn),葉片根部的容積不影響泵的流量 The Spaces Under Vanes Do Not Affect Pump Flow Rate,轉(zhuǎn)子承受徑向液壓力 Rotor Experiences Radical Hydraulic Force,2.3.3 單雙葉片泵的特點(diǎn)比較,70,定子過(guò)度曲線 Transition Curve of Cam Ring,定子內(nèi)表面的曲線由四段圓弧和四段過(guò)渡曲線組成，應(yīng)使葉片轉(zhuǎn)到

54、過(guò)渡曲線和圓弧段交接點(diǎn)處的加速度突變不大，以減小沖擊和噪聲，同時(shí)，還應(yīng)使泵的瞬時(shí)流量的脈動(dòng)最小。,2.3.3.1 單作用葉片的特點(diǎn),2.3.3 單雙葉片泵的特點(diǎn)比較,71,設(shè)置葉片安放角有利于葉片在槽內(nèi)滑動(dòng)。為了保證葉片順利的從葉片槽滑出，減小葉片的壓力角，根據(jù)過(guò)渡曲線的動(dòng)力學(xué)特性，雙作用葉片泵轉(zhuǎn)子的葉片槽常做成沿旋轉(zhuǎn)方向向前傾斜一個(gè)安放角。當(dāng)葉片有安放角時(shí)，葉片泵就不允許反轉(zhuǎn)。,,,葉片安放角 Vane Setting Angle,,

55、72,葉片安放角 Vane Setting Angle,73,端面間隙的自動(dòng)補(bǔ)償 Automatic Compensating of End Face Clearance,為了提高壓力，減少端面泄漏，將配流盤(pán)的外側(cè)與壓油腔連通，使配流盤(pán)在液壓推力作用下壓向轉(zhuǎn)子。,74,2.4 柱 塞 泵 Piston Pumps,75,軸向柱塞泵按變量方式可分為兩大類： 斜盤(pán)式 Axial piston swash plate de

56、sign 斜軸式 Bent-axis design,2.4 柱塞泵 Piston Pumps,柱塞泵是通過(guò)柱塞在柱塞孔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)密封工作容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸油和排油的?！　≈玫奶攸c(diǎn)是泄漏小、容積效率高，可以在高壓下工作。,76,斜盤(pán)(Swash Plate)1和配油盤(pán)(Valve Plate)4不動(dòng)，傳動(dòng)軸(Drive Shaft)5帶動(dòng)缸體(Cylinder Block)3、柱塞(Piston)2一起轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)軸

57、旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞2在其沿斜盤(pán)自下而上回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)逐漸向缸體外伸出，使缸體孔內(nèi)密封工作腔容積不斷增加，油液經(jīng)配油盤(pán)4上的配油窗口吸入。柱塞在其自上而下回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)又逐漸向里推入，使密封工作腔容積不斷減小，將油液從配油盤(pán)壓油窗口向外排出。缸體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，每個(gè)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，完成一次吸油動(dòng)作。改變斜盤(pán)的傾角?，就可以改變密封工作容積的有效變化量，實(shí)現(xiàn)泵的變量。,2.4.1 斜盤(pán)式軸向柱塞泵 Swash Plate Axial Piston Pum

58、ps,,,,77,若柱塞數(shù)目為Z，柱塞直徑d，柱塞孔分布圓直徑D，斜盤(pán)傾角?，則泵的排量為 ：,（2.25）,泵的輸出流量為 ：,（2.26）,2.4.1.1 排量和流量,2.4.1 斜盤(pán)式軸向柱塞泵 Swash Plate Axial Piston Pumps,78,實(shí)際上，柱塞泵的排量是轉(zhuǎn)角的函數(shù)，其輸出流量是脈動(dòng)的。就柱塞數(shù)而言，柱塞數(shù)為奇數(shù)時(shí)的脈動(dòng)率比偶數(shù)柱塞小，且柱塞數(shù)越多，脈動(dòng)越小，故柱塞泵的柱塞數(shù)一般都為奇數(shù)。,從結(jié)構(gòu)工

59、藝性和脈動(dòng)率綜合考慮，常取Z=7或Z=9。,2.4.1.1 排量和流量,2.4.1 斜盤(pán)式軸向柱塞泵 Swash Plate Axial Piston Pumps,,,缸體,,,柱塞,,2.4.1.2 斜盤(pán)式軸向柱塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通軸結(jié)構(gòu),,斜盤(pán),配流盤(pán),(1)結(jié)構(gòu),,,,,,,手動(dòng)變量機(jī)構(gòu),,柱塞,,半軸結(jié)構(gòu),,,,配流盤(pán),缸 體,斜 盤(pán),輸入軸,殼 體,回程盤(pán),(1)結(jié)構(gòu),81,2.4.1.2 斜盤(pán)式軸向柱塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

60、Construction Characteristics of Swash Plate Axial Piston Pumps,端面間隙的自動(dòng)補(bǔ)償 Automatic Compensating of End Face Clearance,使缸體緊壓配流盤(pán)端面的作用力，除機(jī)械裝置或彈簧作為預(yù)密封的推力外，還有柱塞孔底部臺(tái)階面上所受的液壓力，此液壓力比彈簧力大得多，而且隨泵的工作壓力增大而增大。由于缸體始終受液壓力緊貼著配流盤(pán)，就使端面間隙得

61、到了自動(dòng)補(bǔ)償。,,(2)特點(diǎn),2.4.1 斜盤(pán)式軸向柱塞泵,82,滑靴的靜壓支撐結(jié)構(gòu) Piston Shoe and Hydrostatic Backup Construction,圖2.19 滑靴的靜壓支承原理,(2)特點(diǎn),為防止磨損，一般軸向柱塞泵都在柱塞頭部裝一滑靴?；ナ前挫o壓軸承原理設(shè)計(jì)的，缸體中的壓力油經(jīng)過(guò)柱塞球頭中間小孔流入滑靴油室，使滑靴和斜盤(pán)間形成液體潤(rùn)滑，改善了柱塞頭部和斜盤(pán)的接觸情況。有利于提高軸向柱塞泵的壓

62、力。,83,變量機(jī)構(gòu) Variable Displacement Mechanism,,,,,,圖2.20 手動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)圖,變量機(jī)構(gòu)由缸筒1，活塞2和伺服閥3組成。斜盤(pán)4通過(guò)撥叉機(jī)構(gòu)5與活塞2下端鉸接，利用活塞2的上下移動(dòng)來(lái)改變斜盤(pán)傾角? 。當(dāng)用手柄使伺服閥芯(Servo Spool)3向下移動(dòng)時(shí)，上面的進(jìn)油閥口打開(kāi)，活塞也向下移動(dòng)，活塞2移動(dòng)時(shí)又使伺服閥上的閥口關(guān)閉，最終使活塞2自身停止運(yùn)動(dòng)。同理，當(dāng)手柄使伺服閥芯3向上

63、移動(dòng)時(shí)，變量活塞向上移動(dòng)。,,,變量的實(shí)質(zhì)是變排量,84,2.4.2 斜軸式軸向柱塞泵 Bent-axis Axial Piston Pumps,傳動(dòng)軸(Drive Shaft)5的軸線相對(duì)于缸體(Cylinder Block)3有傾角?，柱塞(Piston)2與傳動(dòng)軸圓盤(pán)之間用相互鉸接的連桿(Connecting Rod)4相連。軸5旋轉(zhuǎn)時(shí)，連桿4就帶動(dòng)柱塞2連同缸體3一起繞缸體軸線旋轉(zhuǎn)，柱塞2同時(shí)也在缸體的柱塞孔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使密封

64、腔容積不斷發(fā)生增大和縮小的變化，通過(guò)配流盤(pán)(Valve Plate)1上的窗口 a 和 b 實(shí)現(xiàn)吸油和壓油。,85,與斜盤(pán)式泵相比較，斜軸式泵由于缸體所受的不平衡徑向力較小，故結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高可以有較高的設(shè)計(jì)參數(shù)，其缸體軸線與驅(qū)動(dòng)軸的夾角? 較大，變量范圍較大；但外形尺寸較大，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。目前，斜軸式軸向柱塞泵的使用相當(dāng)廣泛。,2.4.2 斜軸式軸向柱塞泵 Bent-axis Axial Piston Pumps,86,2.4.3 徑向柱

65、塞泵 Radial Piston Pumps,轉(zhuǎn)子2的中心與定子1的中心之間有一個(gè)偏心量e。在固定不動(dòng)的配流軸3上，相對(duì)于柱塞孔的部位有相互隔開(kāi)的上下兩個(gè)配流窗口，該配流窗口又分別通過(guò)所在部位的二個(gè)軸向孔與泵的吸、排油口連通。,當(dāng)轉(zhuǎn)子2按圖示箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，上半周的柱塞皆往外滑動(dòng)，通過(guò)軸向孔吸油；下半周的柱塞皆往里滑動(dòng)，通過(guò)配流盤(pán)向外排油。,87,當(dāng)移動(dòng)定子，改變偏心量e的大小時(shí)，泵的排量就發(fā)生改變；因此，徑向柱塞泵可以是單向或雙向變量

66、泵。,圖2.22 徑向柱塞泵的工作原理圖1—定子；2 —轉(zhuǎn)子；3 —配流軸(Pintle)；4 —出襯套(Socket)；5 —柱塞；a —吸油腔；b —壓油腔,為了流量脈動(dòng)率盡可能小，通常采用奇數(shù)柱塞數(shù)。,徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，自吸能力差，并且配流軸受到徑向不平衡液壓力的作用，易于磨損。,2.4.3 徑向柱塞泵 Radial Piston Pumps,88,徑向泵的流量計(jì)算：,2.4.3 徑向柱塞泵 Radial Piston Pu

67、mps,89,2.5 液 壓 馬 達(dá)Hydraulic Motors,90,液壓馬達(dá)和液壓泵在結(jié)構(gòu)上基本相同，也是靠密封容積的變化進(jìn)行工作的。常見(jiàn)的液馬達(dá)也有齒輪式(Gear)、葉片式(Vane)和柱塞式(Piston)等幾種主要形式；從轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩范圍分，可有高速馬達(dá)(High-speed Hydraulic Motors)和低速大扭矩馬達(dá)(Low speed–High torque Hydraulic Motors)之分。馬達(dá)和泵在工

68、作原理上是互逆的，當(dāng)向泵輸入壓力油時(shí)，其軸輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩就成為馬達(dá)。,2.5 液壓馬達(dá) Hydraulic Motors,由于二者的任務(wù)和要求有所不同，故在實(shí)際結(jié)構(gòu)上只有少數(shù)泵能做馬達(dá)使用。,91,2.5.1 液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù),馬達(dá)軸每轉(zhuǎn)一周，由其密封容腔有效體積變化而排出的液體體積稱為馬達(dá)的排量。,92,容積效率(Volumetric Efficiency)和轉(zhuǎn)速,93,輸出轉(zhuǎn)矩 Output Torque,因馬達(dá)實(shí)際存在機(jī)械