液压动力元件

1、液压动力元件 第三章第三章 液压传动动力元件液压传动动力元件 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 齿轮泵齿轮泵 第三节第三节 叶片式液压泵叶片式液压泵 第四节第四节 柱塞泵柱塞泵 液压动力元件 本节主要介绍液压系统四大类液压元件中的动力元 件液压泵,本节是以后学习和分析液压基本回路和 系统的重要基础。 重点： 1. 液压泵的工作原理，液压泵的主要性能参数：压力、 流量、转速|转矩、功率、容积效率、机械效率、总效 率； 2. 直轴式轴向柱塞泵的工作原理； 3. 限压式变量叶片泵的工作原理； 4. 液压泵的选用； 5.液压马达的原理和使用。 难点： 1. 液压泵的容积效率； 2. 限压式变量泵的

2、工作原理及特征曲线。 液压动力元件 第一节第一节 概述概述 液压泵：是液压系统中的能量转换装置，液压泵：是液压系统中的能量转换装置， 是将机械能转换为液体的压力能的动力是将机械能转换为液体的压力能的动力 元件。元件。 一、工作原理和分类一、工作原理和分类 液压泵的工作原理：液压泵的工作原理： 图图3-1是一个简单的单柱塞液压泵的工作是一个简单的单柱塞液压泵的工作 原理图。原理图。 液压动力元件 图图3-1 容积式泵的工作原理容积式泵的工作原理 特点：这种利用密封工作容积的变化进行吸油和特点：这种利用密封工作容积的变化进行吸油和 压油的泵称为容积式泵，液压泵都是容积式的。压油的泵称为容积式泵，液

3、压泵都是容积式的。 液压动力元件 液压动力元件 1.有一个或若干个周期变化的密封容积，才能不断地吸油有一个或若干个周期变化的密封容积，才能不断地吸油 和排油。和排油。 2.须有相应的配油机构，如图须有相应的配油机构，如图3-1中的单向阀中的单向阀6和和5。 3.要保持油箱上的通气孔始终畅通，使油箱内为大气压力要保持油箱上的通气孔始终畅通，使油箱内为大气压力 分类分类： 1. 1.按其在单位时间内输出油液体积能否调节分类：按其在单位时间内输出油液体积能否调节分类： 定量泵和变量泵两类。前者在单位时间内输出的体积是不定量泵和变量泵两类。前者在单位时间内输出的体积是不 能调节的，后者是可以调节的。能

4、调节的，后者是可以调节的。 2. 2.按其结构型式分类：按其结构型式分类：齿轮式、叶片式和柱塞式三大类。齿轮式、叶片式和柱塞式三大类。 从上述液压泵的工作原理可知其正常工作应具从上述液压泵的工作原理可知其正常工作应具 备以下条件备以下条件: 液压动力元件 ( (三三) ) 液压泵的图形符号液压泵的图形符号 液压动力元件 二、液压泵的主要性能参数二、液压泵的主要性能参数 1. 1. 压力压力 （1）工作压力）工作压力 液压泵实际工作时所输出油液压力，亦液压泵实际工作时所输出油液压力，亦 即是液压泵克服负载阻力所建立起来的压力。假如液压即是液压泵克服负载阻力所建立起来的压力。假如液压 系统中没有阻

5、力和外负载，相当于液压泵输出的油液直系统中没有阻力和外负载，相当于液压泵输出的油液直 接流回油箱，则系统就建立不起压力来，液压泵的工作接流回油箱，则系统就建立不起压力来，液压泵的工作 压力由其外加负载决定是一个重要的基本概念。压力由其外加负载决定是一个重要的基本概念。 （2）额定压力）额定压力 液压泵根据试验结果而推荐的可连续使液压泵根据试验结果而推荐的可连续使 用的最高压力，它反映了泵的能力。一般讲泵铭牌上所用的最高压力，它反映了泵的能力。一般讲泵铭牌上所 示的是其额定压力。示的是其额定压力。 （3）最大压力）最大压力 按试验标准规定，液压泵在短暂运行时按试验标准规定，液压泵在短暂运行时 所

6、允许的最高压力。所允许的最高压力。 液压动力元件 （1）排量）排量(V) 液压泵在无泄漏的情况下，泵轴液压泵在无泄漏的情况下，泵轴 转动一周所排出的油液体积量。它的大小决定转动一周所排出的油液体积量。它的大小决定 于泵的几何尺寸，故又称几何排量。于泵的几何尺寸，故又称几何排量。 （2）流量）流量(q)(q) 液压泵的流量，是指泵在单位时液压泵的流量，是指泵在单位时 间内排出液流的体积，泵的流量有理论流量和间内排出液流的体积，泵的流量有理论流量和 实际流量之分实际流量之分 。 理论流量理论流量q qt t为泵的排量为泵的排量V V和转速和转速n n的乘积的乘积 (m3/s) 式中式中 V V 液

7、压泵的排量液压泵的排量 (m3/r) n n液压泵转速液压泵转速 (r/s) nVqt 2.排量、流量和容积效率排量、流量和容积效率 液压动力元件 式中式中q泵的泄漏流量（内泄漏和外泄漏之泵的泄漏流量（内泄漏和外泄漏之 和）（和）（m3/s）。）。 额定流量：液压泵的额定流量是指泵在额定转速额定流量：液压泵的额定流量是指泵在额定转速 和额定压力下的输出流量。和额定压力下的输出流量。 （3）容积效率）容积效率 液压泵的实际流量和理论流量液压泵的实际流量和理论流量 之比称为容积效率之比称为容积效率pv pv 。 qqq t tt t t pV q q q qq q q 1 液压泵实际流量液压泵实际

8、流量q为为 (m3/s) pVpVt Vnqq 液压动力元件 pV pV在一定范围内，泄漏量 在一定范围内，泄漏量q与负载压力与负载压力p成正成正 比，泵的容积效率则随负载压力增加而线性的下比，泵的容积效率则随负载压力增加而线性的下 降，见图降，见图3-2a。 （ ） （ ） 图图3-2 液压泵的性能曲线液压泵的性能曲线 液压动力元件 （1 1）功率：泵的理论输出功率为）功率：泵的理论输出功率为 泵的理论输入功率为泵的理论输入功率为 泵的实际输出功率为泵的实际输出功率为 驱动泵的功率为驱动泵的功率为 式中式中 p p泵的进出口压差（泵的进出口压差（PaPa） T Tt t驱动泵所需的理论转矩（

9、驱动泵所需的理论转矩（N Nm m） to qpP TnP i 2 oi PP nTpq tt 2 qpP nTP ti 2 功率、机械效率和总效率功率、机械效率和总效率 2 pV Tt 液压动力元件 T-T-驱动泵所需的实际输入转矩（驱动泵所需的实际输入转矩（Nm） T 泵的摩擦损失转矩泵的摩擦损失转矩 （2）机械效率）机械效率 驱动泵所需的理论转矩驱动泵所需的理论转矩T Tt t与驱动与驱动 泵的实际输入转矩泵的实际输入转矩T T之比。之比。 T T T Tt m p 1 TTT t 功率、机械效率和总效率功率、机械效率和总效率 液压动力元件 （3）总效率）总效率 泵的总效率应为泵的输出功

10、率泵的总效率应为泵的输出功率pq与驱动与驱动 泵的功率泵的功率 T 2n之比之比 泵的总效率随负载压力泵的总效率随负载压力p p变化曲线见图变化曲线见图3-2b。在使用压在使用压 力较低时，总效率很低，这是因为泵在轻载时机械摩力较低时，总效率很低，这是因为泵在轻载时机械摩 擦损失所占比重较大，其机械效率很低之故。擦损失所占比重较大，其机械效率很低之故。 （那么 在使用压力较高时呢?) Tn pq p 2 pm V pp 功率、机械效率和总效率功率、机械效率和总效率 液压动力元件 驱动泵的电动机功率可按下式计算驱动泵的电动机功率可按下式计算 (W) q泵的实际流量（泵的实际流量（m3/s）; p

11、 p泵的总效率。泵的总效率。 注意：几个转速注意：几个转速 的概念的概念 （1）液压泵的额定转速）液压泵的额定转速 即在额定压力下能连续长时间即在额定压力下能连续长时间 正常运转的最大转速。正常运转的最大转速。 （2）液压泵的最高转速）液压泵的最高转速 在额定压力下，超过额定转速在额定压力下，超过额定转速 所允许的短暂运行转速称为最高转速。所允许的短暂运行转速称为最高转速。 （3）液压泵的最低转速）液压泵的最低转速 液压泵正常运转时所允许的转液压泵正常运转时所允许的转 速最低值，称为最低转速。速最低值，称为最低转速。 p i pq P 液压动力元件 注意：工程单位的使用注意：工程单位的使用 若

12、液压泵的吸油口和排压油若液压泵的吸油口和排压油 口间的压差的单位用口间的压差的单位用MPaMPa表示，输表示，输 出流量用出流量用L/minL/min表示，那么液压泵表示，那么液压泵 的输出功率可用的输出功率可用P P可表示为可表示为 单位为单位为KWKW。 60 pq P 液压动力元件 第二节第二节 齿轮泵齿轮泵 (gear pump) 齿轮泵具有结构简单、体积小、重量轻、齿轮泵具有结构简单、体积小、重量轻、 价格低、工作可靠、自吸性能好以及对油液价格低、工作可靠、自吸性能好以及对油液 污染不敏感、维护方便等优点，因而广泛的污染不敏感、维护方便等优点，因而广泛的 应用于各种液压传动系统。其主

13、要缺点是流应用于各种液压传动系统。其主要缺点是流 量和压力的脉动较大，噪音大，排量不可改量和压力的脉动较大，噪音大，排量不可改 变，效率较低，随着结构技术的发展，噪音变，效率较低，随着结构技术的发展，噪音 有了很大的降低，效率和寿命都有很大的提有了很大的降低，效率和寿命都有很大的提 高。高。 液压动力元件 一、一、工作原理（工作原理（ 3-3 ） 图图3-3 齿轮泵的工作原理齿轮泵的工作原理 吸油压油 液压动力元件 液压动力元件 二、齿轮泵的排量和流量二、齿轮泵的排量和流量 1. 排量排量 齿轮泵的排量是其两个齿轮的齿间槽容积之齿轮泵的排量是其两个齿轮的齿间槽容积之 总和。如果近似地认为齿间槽

14、的容积等于轮总和。如果近似地认为齿间槽的容积等于轮 齿的体积，则齿轮泵的排量齿的体积，则齿轮泵的排量V为为 (m3/r) 式中式中 D齿轮的节圆直径（齿轮的节圆直径（m），）， h齿轮的有效工作高度（齿轮的有效工作高度（m），）， b齿宽（齿宽（m）；）； z齿数；齿数； m齿轮模数（齿轮模数（m）。）。 bZmDhbV 2 2 液压动力元件 实际上，齿间的容积比轮齿的体积稍大，因此，实际上，齿间的容积比轮齿的体积稍大，因此， 在修正系数在修正系数3.333.5代替代替值，齿数少取大值。值，齿数少取大值。 V V =（6.667.00）ZmZm 2B 2. 流量 齿轮泵实际流量齿轮泵实际流量q

15、为为 式中式中 n 齿轮泵的转速（齿轮泵的转速（r/s） npV齿轮泵的容积效率。齿轮泵的容积效率。 事实上，以上计算的都是平均流量，实践中，事实上，以上计算的都是平均流量，实践中， 齿在不同的啮合点的流量是不同的。齿在不同的啮合点的流量是不同的。 大小用流量脉动率表示大小用流量脉动率表示 pVpV BnZmVnq 2 )766. 6( 液压动力元件 三、结构中的几个问题三、结构中的几个问题 （一）（一） 泄漏泄漏 泄漏是齿轮泵压力和容积效率低的根本因素。泄漏是齿轮泵压力和容积效率低的根本因素。 外啮合齿轮泵中存在三个可能产生泄漏部位（指内外啮合齿轮泵中存在三个可能产生泄漏部位（指内 泄漏）：

16、泄漏）： 一是端面泄漏，通过齿轮端面与端盖配合处；一是端面泄漏，通过齿轮端面与端盖配合处； 二是径向间隙泄漏，通过齿轮外圆与泵体配合处；二是径向间隙泄漏，通过齿轮外圆与泵体配合处； 三是齿啮合处泄漏，通过两个齿轮的啮合处（因有齿三是齿啮合处泄漏，通过两个齿轮的啮合处（因有齿 向误差，齿轮的全部宽度不可能都齿合）向误差，齿轮的全部宽度不可能都齿合） 液压动力元件 ( (二）二） 液压液压径向力不平衡径向力不平衡 （ 齿轮泵工作时，齿轮圆周上所受有压力是不同的，压齿轮泵工作时，齿轮圆周上所受有压力是不同的，压 力分布状况如图力分布状况如图3-4所示。所示。 图3-4 齿轮泵的齿轮受力图 1 2 1

17、2 主动 1 1 2 液压动力元件 齿顶和泵体内表面间有径向间隙，所以齿轮外齿顶和泵体内表面间有径向间隙，所以齿轮外 圆上油液的压力是逐步降低的。不平衡液压力圆上油液的压力是逐步降低的。不平衡液压力 作用在齿轮上，使轴承受到径向负载。作用在齿轮上，使轴承受到径向负载。 径向液压力可按下述近似公式计算：径向液压力可按下述近似公式计算： 式中式中 Da -齿顶圆直径齿顶圆直径 B-齿轮宽度齿轮宽度 p-进出口压差进出口压差 减小径向不平衡力减小径向不平衡力 采采取缩小压油口的办法；取缩小压油口的办法； 开压力平衡槽等开压力平衡槽等 a pBDF)85. 07 . 0( 液压动力元件 （三）困油现象

18、（三）困油现象 如图如图3-5所示所示 消除困油现象方法：消除困油现象方法： 通常在两端盖板上通常在两端盖板上 开一对矩形卸荷槽开一对矩形卸荷槽 图 3-5 齿轮泵的困油现象 主动 主动 主动 a) b) c) 液压动力元件 困油现象的消除困油现象的消除 注意：1、所开卸荷槽必须保证任何时 候都不能相通； 2、对于非对称卸荷槽，往往向 吸油腔偏移； 此外，为了卸荷槽能够通畅，要保 证槽宽和槽深； 液压动力元件 提高外啮合齿轮泵压力的措施 减小端面轴向间 隙，一般采用齿 轮端面间隙自动 补偿的办法来解 决。 注意：必须保证 齿端面的力小于 高压区油压对浮 动轴套的力。 液压动力元件 CBZ2型高

19、压齿轮泵 此泵是采用双向补偿，其压力高(31.5MPA)、效率高(85%)、寿命长。 1主动齿轮轴 2骨架油封 3前泵盖 4轴承 5定位销 6泵体 7浮动侧板 8垫板 9支承套 10后泵盖 11螺栓 12径向 密封块 13密封圈 液压动力元件 泵的其他性能参数 压力区间 低压齿轮(pH2.5MPa)； 中压齿轮泵(pH 2.5 8MPa)； 高压齿轮泵(pH 8MPa)。 转速 常用的为1000-3000r/min 最高转速可达20000r/min 不能小于300-500r/min 寿命 低压齿轮泵3000- 5000H 高压齿轮泵2000- 3000H 排量 低压齿轮泵0.05- 800ml

20、/r 常用2.5-250ml/r 液压动力元件 优缺点 优点 结构简单、尺寸小、重量轻，制造方便 工作可靠、自吸能力强 对油液污染不敏感，维护容易。价格低 缺点 脉动大、径向不平衡力大、泄露大、效 率低、噪声大 液压动力元件 二、内啮合齿轮泵 内啮 合齿轮泵 有渐开线 齿轮泵和 摆线齿轮 泵两种。 液压动力元件 摆线转子泵 摆线转子泵的额定压力一般为 2.5MPa、4MPa。这种泵作为补油泵 和润滑泵使用，广泛应用于大、中型 车辆的液压转向系统中。 液压动力元件 内啮合齿轮泵的特点 1、结构紧凑、尺寸小、质量轻 2、由于齿轮转向相同，故相对滑动速 度小、磨损小寿命长 3、流量脉动小 4、可使用

21、高转速，可获得较大的容积 效率 液压动力元件 第三节第三节 叶片式叶片式(vane)(vane)液压泵液压泵 叶片泵具有运转平稳，噪音小，流叶片泵具有运转平稳，噪音小，流 量均匀性好，容积效率较高等优点，在量均匀性好，容积效率较高等优点，在 机床液压系统中获得广泛的应用，其缺机床液压系统中获得广泛的应用，其缺 点是它吸油条件苛刻，工作转速必须有点是它吸油条件苛刻，工作转速必须有 6001500r/min之间，对液压油的污染之间，对液压油的污染 比较敏感，结构较复杂。比较敏感，结构较复杂。 叶片泵有两类：叶片泵有两类：双作用和单作用叶双作用和单作用叶 片泵。片泵。双作用泵是定量泵，单作用泵则双作

22、用泵是定量泵，单作用泵则 往往做成变量泵。至于液压马达则只有往往做成变量泵。至于液压马达则只有 双作用式。双作用式。 液压动力元件 一、一、 单作用式叶片泵单作用式叶片泵 （一）工作原理（一）工作原理（图图3-6) ) 图图3-6 单作用叶片泵的工作原理单作用叶片泵的工作原理 液压动力元件 液压动力元件 （二）（二）流量计算流量计算 (一一)单作用式叶片泵单作用式叶片泵 从图从图3-7所示，所示， 每个密封工作空每个密封工作空 间一次排油量应间一次排油量应 是其最大容积与是其最大容积与 最小容积之差。最小容积之差。 2 2 2 2 2 2 1 1 11 1 1 图3-7 单作用叶片泵流量计算

23、d D 液压动力元件 实际流量实际流量 式中式中 D定子内表面直径定子内表面直径 ，D=2r; r转子半径转子半径 ; ZBAAV)( 21 )( 2 1 22 1 reRA )( 2 1 22 2 reRA Z De AA 2 Re2 21 DeBV2 pVBpVB DeBnVnq2 泵的排量泵的排量 液压动力元件 两叶片夹角，两叶片夹角， ; e偏心距偏心距 ; B叶片宽度叶片宽度 ; z叶片数叶片数; n叶片泵转速叶片泵转速 ; npV叶片泵容积效率。叶片泵容积效率。 若考虑叶片所占体积的影响时，则排量为若考虑叶片所占体积的影响时，则排量为 Z 2 cos 2 Z DeBV 液压动力元件

24、 二、二、 双作用式叶片泵双作用式叶片泵 （一） 工作原理（图3-9） 图图3-9双作用叶片泵工作原理双作用叶片泵工作原理 液压动力元件 液压动力元件 （二）流量计算（二）流量计算 由图由图3 10可见，当不考虑叶片所占体积时，双可见，当不考虑叶片所占体积时，双 作用式叶片泵的排量为作用式叶片泵的排量为 减去叶片所占体积减去叶片所占体积 则则 实际流量实际流量 BrRV)(2 22 ZB rR q cos 2 cos )()(2 Z rRrRBV pVpv n Z rRrRBVnq cos )()(2 液压动力元件 式中式中 R 定子内表面长圆弧半径定子内表面长圆弧半径; r定子内表面短圆弧半

25、径定子内表面短圆弧半径; 图3-10 双作用叶片泵的流量计算 1 2 0 0 3 1 2 2 1 液压动力元件 （三）双作用叶片泵的倾角 图3-11 双作用叶片油泵的倾斜角 液压动力元件 （四）双作用叶片泵的配油盘 封油区对应的中心角大于两个叶片之间 的夹角 在配油盘的压油口靠封油区到压油区的 一边开一个截面为三角形的三角槽 液压动力元件 理论上过渡曲线应用阿基米德螺线，则 叶片的流量理论上没有脉动。可是在连 接点处会产生很大的径向加速度，对定 子产生冲击； 先用等加速和等减速曲线作为过渡曲线 可极大减小冲击； 甚至用高次曲线作过渡曲线； 定子的过渡曲线； （四）双作用叶片泵的定子曲线 液压动

26、力元件 提高双作用叶片泵压力的措施 措施： 减小作用在叶片底部的油液压力 减小作用面积 液压动力元件 a)子母叶片 b)双叶片 1转子 2定子 3母叶片 4子叶片 5、6叶 片 液压动力元件 变量叶片泵是在单作用式叶片泵的基础上加一变量叶片泵是在单作用式叶片泵的基础上加一 套变量机构而成。变量原理是改变偏心距的大小套变量机构而成。变量原理是改变偏心距的大小 和方向来实现。根据偏心改变的形式不同，有手和方向来实现。根据偏心改变的形式不同，有手 动调节方式，限压式和稳流量式等几种。下面介动调节方式，限压式和稳流量式等几种。下面介 绍限压式变量叶片泵的结构原理。绍限压式变量叶片泵的结构原理。 （一）

27、（一） 限压式变量叶片泵的工作原理限压式变量叶片泵的工作原理 限压式变量叶片泵在液压系统达到限定的压力限压式变量叶片泵在液压系统达到限定的压力 后，可自动减少泵的供油量，从而减小功率损后，可自动减少泵的供油量，从而减小功率损 失，提高液压系统的效率。失，提高液压系统的效率。 限压式变量叶片泵限压式变量叶片泵 有内反馈和外反馈两种。有内反馈和外反馈两种。 三、变量叶片泵三、变量叶片泵 液压动力元件 图图3-12 外反馈限压式变量泵工作原理外反馈限压式变量泵工作原理 图图3-12是一种外反馈限压式（或称压力补偿控是一种外反馈限压式（或称压力补偿控 制）变量叶片泵的工作原理图。制）变量叶片泵的工作原

28、理图。 液压动力元件 设液压力作用在定子上的有效面积为，流量设液压力作用在定子上的有效面积为，流量 调节螺钉调定后所对应的偏心距为调节螺钉调定后所对应的偏心距为e0，对应的弹对应的弹 簧初始压缩量为簧初始压缩量为x0,弹簧的弹性系数为弹簧的弹性系数为Ks，有有 p pb b就是泵所调定的限定压力，当工作压力就是泵所调定的限定压力，当工作压力 pp pb b时，时， pApA K Ks s x0 当 当p p pb b pA pAk ks s x0 ； ； e= e0 x； Apxk bs 0 )( 0 xxkpA s ks App k xkpA x b s os )( 液压动力元件 从式可知，从式可知，p越大则越大则e越小，当越小，当p增大至最大时增大至最大时， e=0。 限压式变量叶片泵的限压式变量叶片泵的 特性曲线如图特性曲线如图3-113-11所示。所示。 特点和应用特点和应用 T b o k App ee )( )( b pp 图图3-11 液压动力元件 主要性