第8章汽车液压与气压传动-柳波

1、第八章第八章 液压系统的设计计算液压系统的设计计算 设计要求是进行工程设计的主要依据，设计前必须把 主机对液压系统的设计要求和与设计相关的情况了解清 楚，一般要明确下列主要问题： (1)主机用途，总体布局与结构，主要技术参数与性能要 求，工艺流程或工作循环，作业环境与条件等。 (2)液压系统应完成哪些动作，各个动作的工作循环及循 环时间；负载大小及性质、运动形式及速度快慢；各动 作的顺序要求及互锁关系，各动作的同步要求及同步精 度； 明确设计要求明确设计要求 液压系统工作性能要求，如运动平稳性、调速范围、 定位精度、转换精度，自动化程度、效率与温升、振动 与噪声、安全性与可靠性等。 (3)液压

2、系统的工作温度及其变化范围，湿度大小，风沙 与粉尘情况，防火与防爆要求，安装空间的大小、外廓 尺寸与质量限制等。 (4)经济性与成本等方面的要求。 只有明确了设计要求及工作环境，才能使设计的系 统不仅满足性能要求，且具有较高的。 明确设计要求明确设计要求 工况分析的目的是明确在工作循环中执行元件的负载和 运动的变化规律，它包括运动分析和负载分析。 （1）运动分析 运动分析，就是研究工作机构根据工艺要求应以什么 样的运动规律完成工作循环，运动速度的大小、加速度 是恒定的还是变化的、行程大小及循环时间长短等，为 此必须确定执行元件的类型，并绘制位移时间循环图 或速度时间循环图。 液压系统的工况分析

3、液压系统的工况分析 液压执行元件的类型可按表8-1 进行选择。 液压执行元件的类型液压执行元件的类型 表表8-1 液压系统的工况分析液压系统的工况分析 （2）负载分析 负载分析，就是通过计算，确定各液压执行元件 的负载大小和方向，并分析各执行元件运动过程中的振 动、冲击及过载能力等情况，作用在执行元件上的负载 有约束性负载和动力性负载两类， 约束性负载的特征是其方向与执行元件运动方向 永远相反，对执行元件的运动起阻止作用，不会起驱动 作用， 如库仑固体摩擦阻力、黏性摩擦阻力等都是约 束性负载。 动力性负载的特征是其方向与执行元件的运动方 向无关，其数值由外界规律所决定，执行元件承受动力 性负载

4、时可能会出现两种情况： 液压系统的工况分析液压系统的工况分析 液压系统的工况分析液压系统的工况分析 一种是动力性负载方向与执行元件运动方向相反，起 阻止执行元件运动的作用，称阻力负载(正负载)；另一种 情况是动力性负载方向与执行元件运动方向一致，称为超 越负载(负负载)，超越负载变成驱动执行元件的驱动力， 执行元件要维持匀速运动，其中的流体要产生阻力功，形 成足够的阻力来平衡超越负载产生的驱动力，这就要求系 统应具有平衡和制动功能，重力是一种动力性负载，重力 与执行元件运动方向相反时是阻力负载；与执行元件运动 方向一致时是超越负载，对于负载变化规律复杂的系统必 须画出负载循环图，不同工作目的的

5、系统，负载分析的着 重点不同，例如对于工程机械的作业机构，着重点为重力 在各个位置上的情况，负载图以位置为变量；机床工作台 着重点为负载与各工序的时间关系。 液压系统的工况分析液压系统的工况分析 3)液压缸的负载计算 一般说来，液压缸承受的动力性负载有工作负载Fw、惯性负 载Fm、重力负载Fg，约束性负载有摩擦阻力Ff、背压负载Fb、液压 缸自身的密封阻力Fsf。 即作用在液压缸上的外负载为 （8-1） ()工作负载F。 工作负载与主机的工作性质有关，它可能是定 值，也可能是变值。 一般工作负载是时间的函数，即Fw F(t)，需根据具体情况分析 决定。 ()惯性负载Fm。 惯性负载是运动部件在

6、启动加速或减速制动过程 中产生的惯性力，其值可按牛顿第二定律求出 式中：M运动部件总质量； A加速度； V t时间内速度的变化量； t启动或制动时间，一般机械系统取0.1-0.5s；行走 机械系统取0.5-1.5s；机床运动系统取0.25-0.5s；机床进给 系统取0.05-0.2s工作部件较轻或运动速度较低时取小值， (3)导向摩擦阻力FF， 摩擦阻力是指液压缸驱动工作机构所 需克服的导轨摩擦阻力，其值与导轨形状、安放位置和工 作部件的运动状态有关。 液压系统的工况分析液压系统的工况分析 （8-2） 对于平导轨 对于V 形导轨 式中：FN作用在导轨上的垂直载荷； V形导轨夹角，通常取=90；

7、 导轨摩擦系数，其值可参阅相关设计手册。 液压系统的工况分析液压系统的工况分析 （8-3） （8-4） (4)重力负载Fg，当工作部件垂直或倾斜放置时，自重也是 一种负载，当工作部件水平放置时，Fg=。 (5)背压负载Fb，液压缸运动时还必须克服回油路压力形成 的背压阻力Fb，其值为 式中：A2液压缸回油腔有效工作面积； pb液压缸背压。 在液压缸结构参数尚未确定之前，液压缸背压一般按 经验数据估计一个数值，系统背压的一般经验数据为：中 低压系统或轻载节流调速系统取0.2-0.5MPa；回油路有调 速阀或背压阀的系统取0.5-1.5MPa；采用补油泵补油的闭 式系统取1.0-1.5MPa；采用

8、多路阀的复杂的高压工程机械 液压系统的工况分析液压系统的工况分析 （8-5） 系统取1.2-3.0MPa 。 (6)液压缸自身的密封阻力Fsf，液压缸工作时还必须克服 其内部密封装置产生的摩擦阻力 Fsf ，其值与密封装置的 类型、油液工作压力、特别是液压缸的制造质量有关, 计算烦琐；一般将它计入液压缸的机械效率中考虑，通 常取= 0.900.97。 （4）液压缸运动循环各阶段的负载 液压缸运动分为启动、加速、恒速、减速制动等阶段， 不同阶段的负载计算是不同的。 启动时 液压系统的工况分析液压系统的工况分析 加速时 恒速运动时 减速制动时 液压系统的工况分析液压系统的工况分析 图图8-18-1

9、某液压缸的速度图和负载图某液压缸的速度图和负载图 对复杂的液压系统，如有若干 个执行元件同时或分别完成不 同的工作循环，则有必要按上 述各阶段计算总负载力，并根 据上述各阶段的总负载力和它 所经历的工作时间t(或位移s) ，按相同的坐标绘制液压缸的 负载时间(Ft)图或负载位移 (Fs)图， 图8-1所示为某机 床主液压缸的速度图和负载图 ，最大负载值是初步确定执行 元件工作压力和结构尺寸的依 据，液压马达的负载力矩分析 与液压缸的负载相同，只需将上述负载力的计算变换为负载力矩即可。 工作负载图工作负载图 拟定液压系统原理图是从作用原理和结构组成上具 体体现设计任务中提出的各项要求。 它包含三

10、项内容： 确定系统类型、选择液压回路和集成液压系统。 液压系统在类型上究竟采用开式还是闭式，主要取 决于它的调速方式和散热要求。 一般来说，凡备有较大 空间可以存放油箱且不另设置散热装置的系统、要求结 构尽可能简单的系统，或采用节流调速或容积节流调 速的系统，都宜采用开式；凡允许采用辅助泵进行补油 并通过换油来达到冷却目的的系统、对工作稳定性和效 率有较高要求的系统，或采用容积调速的系统，都宜采 用闭式。 选择液压回路是根据系统的设计要求和工况图从众 多的成熟方案中评比挑选出来的。 挑选时既要保证满足各项主机要求，也要考虑符合节省能 源、减少发热、减少冲击等原则。挑选工作首先从对主机主要性 能

11、起决定性作用的调速回路开始，然后再根据需要考虑其他辅助 回路：例，对有垂直运动部件的系统要考虑平衡回路，有快速运 动部件的系统要考虑缓冲和制动回路，有多个执行元件的系统要 考虑顺序动作、同步或互不干扰回路，有空运转要求的系统要考 虑卸荷回路等。 挑选回路出现多种可能方案时，宜平行展开，反 复进行对比，不用轻易作出取舍决定。 集成液压系统时把挑选出来的各种液压回路综合在一起， 进行归并整理增添必要的元件或辅助油路，使之成为完整系统， 并在最后检查一下：这个系统能否完满地实现所要求的各项功能? 要否再进行补充或修正?有无作用相同或相近的元件或油路可以合 并? 等等。 这样才能使拟定出来的液压系统结

12、构简单、紧凑，工作 安全可靠，动作平稳、效率高，使用和维护方便。 综合得好的系统方案应全由标准元件组成，至少亦应使 自行设计的专用件减少到最低限度。 对可靠性要求特别高的系统，拟定液压系统原理图 时，要应用可靠性设计理论，对液压系统进行可靠性设 计，以确保整个系统安全可靠地运行，因为液压系统往 往是主机可靠性的薄弱环节。 第三节确定液压系统主要参数第三节确定液压系统主要参数 根据液压执行元件的负载循环图，可以确定系统的最大 载荷点，在充分考虑系统所需流量、系统效率和性能要 求等因素后，可参照表8-2 或表8-3选择系统工作压力。 工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据。它 的大小影响执行元件

13、的尺寸和成本，乃至整个系统的性 能。在系统功率一定时，一般选用较高的工作压力，使 执行元件和系统的结构紧凑、质量轻、经济性好。但是 若工作压力选得过高，会提高对元件的强度、刚度及 系统工作压力的确定系统工作压力的确定 第三节确定液压系统主要参数第三节确定液压系统主要参数 密封要求和制造精度要求，不但达不到预期的经济效 果，还会降低元件的容积效率、增加系统发热、降低元件 寿命和系统可靠性；反之，若工作压力选得过低，就会增 大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大。 所以应 根据实际情况选取适当的工作压力。 系统工作压力的确定系统工作压力的确定 按主机类型选择系统工作压力表 表8-3 第三节确定

14、液压系统主要参数第三节确定液压系统主要参数 前面初步选定的工作压力可以认为就是执行元件的 输入压力p1，然后再初步选定执行元件的回油压力p2(背 压)，这样就可以确定执行元件的参数。 液压缸的主要 结构参数缸径D、活塞杆径D 和液压马达的排量VM 的计 算详见前面相关章节计算公式。 注意计算所得数值，应 圆整为标准值。 执行元件参数的确定执行元件参数的确定 第三节确定液压系统主要参数第三节确定液压系统主要参数 液压缸(液压马达)所需最大流量qMAx按其实际有效 工作面积A(或液压马达的排量VM)及所要求的最高速度V MAx(或液压马达最高转速nMAx)来计算，即 (8-10) 式中：V-执行元

15、件的容积效率。 当单杆液压缸作差动连接时，实际有效工作面积 A=A1-A2。 液压缸所需最小流量qMin按其实际有效工作面积A 和所要求的最小速度VMin来计算，即 执行元件流量的确定执行元件流量的确定 第三节确定液压系统主要参数第三节确定液压系统主要参数 式(8-11)所求得的液压缸最小流量应该等于或大于流量控 制阀或变量泵的最小稳定流量。 同样地，液压马达最小 流量按其排量和所要求的最小转速来计算。 工况图包括压力图、流量图和功率图。 压力图、流量 图是执行元件在运动循环中各阶段的压力与时间或压力与 位移，流量与时间或流量与位移的关系图；功率图则是根 执行元件的工况图执行元件的工况图 第三

16、节确定液压系统主要参数第三节确定液压系统主要参数 据压力p 与流量q 计算出各循环阶段所需功率，画出功 率与时间或功率与位移的关系图。 当系统中有多个同时 工作的执行元件时，必须把这些执行元件的流量图按系 统总的动作循环组合成总流量图。 图8-2 所示为某液压 缸的工况图。 工况图是选择液压泵、液压控制阀和计算电动机功率 等的依据。 利用工况图，可验算各工作阶段所确定的参 数的合理性。 例如，当多个执行元件按各工作阶段的流 量或功率叠加，其最大流量或功率重合而使流量或功率 分布很不均衡时，可在整机设计要求允许的条件下，适 当调整有关执行元件的动作时间或速度，尽量避开或减 小流量、功率的最大值，

17、以提高整个系统的效率。 执行元件的工况图执行元件的工况图 第三节确定液压系统主要参数第三节确定液压系统主要参数 执行元件的工况图执行元件的工况图 图图8-28-2液压缸的压力图、流量图和功率图示例液压缸的压力图、流量图和功率图示例 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 确定液压泵时要根据系统的工作压力和流量以及系统 对液压泵的性能要求来进行。 液压泵选定后，就可计算液 压泵所需电动机功率，并根据此功率和液压泵所需转速选 择相应的电动机。 （1）确定液压泵的最大工作压力和流量 液压泵的最大工作压力pp按下式计算： (8-12) 式中：p1MA-液压执行元件最大工作压力，由压力图(

18、p- t)选取最大值； p-从液压泵出口到执行元件入口之间所有沿程压 力损失和局部压力损失之和。 液压泵的确定与驱动功率的计算液压泵的确定与驱动功率的计算 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 初算时按经验数据选取：管路简单，管中流速不大时， 取 p= 0.20.5MpA；管路复杂，管中流速较大或有调 速元件时，取p =0.51.5MpA。 液压泵的流量qp按下式计算： (8-13) 式中：k-考虑系统泄漏和溢流阀保持最小溢流量的系数 一般取k=1.11.3，大流量取小值，小流量取大值； (q)Max同时工作的执行元件的最大总流量，由 流量图(q-t)选取最大值。选择液压泵时，

19、可以参考液压 元件手册，根据液压泵最大工作压力pp 选择液压泵的类 型，根据液压泵的流量qp选择液压泵的规格。 选择液压 泵的额定压力时应考虑到动态过程和制造质量等因素。 液压泵的确定与驱动功率的计算液压泵的确定与驱动功率的计算 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 要使液压泵有一定的压力储备。 一般泵的额定工作压力 应比上述最大工作压力高20%60%，泵的额定流量则应 与系统所需的最大流量相适应。 (2)确定原动机的功率 液压泵在额定压力和额定流量下工作时，其驱动电动 机的功率可从元件手册中查到。此外，也可根据具体工 况计算。 电动机的转速应与液压泵的转速匹配。 在工作循环中

20、，当液压泵的压力和功率变化较小时， 液压泵所需的驱动功率为 (8-14) 液压泵的确定与驱动功率的计算液压泵的确定与驱动功率的计算 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 式中：p液压泵的总效率，齿轮泵p =0.60.8，叶片 泵p=0.70.8.，柱塞泵p=0.80.85，具体数值可参阅 产品样本。 限压式变量叶片泵的驱动功率，可按泵的实际流量 压力特性曲线拐点处的功率来计算。 在工作循环过程中，当液压泵的压力和功率变化较 大时，液压泵所需的驱动功率应分别计算出工作循环中 各个阶段所需的驱动功率，然后求其均方根值即可 （8-15） 液压泵的确定与驱动功率的计算液压泵的确定与驱动

21、功率的计算 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 式中：p1、p2.pn在一个工作循环中，每个工作阶段 所需的功率，w； t1、t2.tn在一个工作循环中，每个工作阶段所需的工 作的时,s。 在选择电动机时，应将求得的平均功率值与各工作阶段的 最大功率值比较，若电动机的超载量在允许范围之内(一 般允许短时超载25%)，则按平均功率选择电动机；否则 应按最大功率选择电动机。 阀类元件的规格应按阀所在回路的最大工作压力和通 过该阀的最大流量，从产品样本中选定。选用阀类元件时 应考虑其结构形式、特性、压力等级、连接方式、集成方 式及操纵方式等。 液压泵的确定与驱动功率的计算液压泵的确

22、定与驱动功率的计算 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 选择压力控制阀时，应考虑压力阀的压力调节范围、流 量变化范围、所要求的压力灵敏度和平稳性等，特别是溢 流阀的额定流量必须满足液压泵最大流量的要求。 选择流量控制阀时，应考虑流量阀的流量调节范围、 流量压力特性、最小稳定流量、压力补偿要求或温度补 偿要求，对油液过滤精度的要求，阀进、出口压差大小及 阀内泄漏量的大小等。 选择方向控制阀时，应考虑方向阀的换向频率、响应 时间、操纵方式、滑阀机能、阀口压力损失及阀内泄漏量 的大小等。 对于单杆液压缸系统，若无杆腔有效作用面 积为有杆腔有效作用面积的几倍，当有杆腔进油时，则回 油

23、流量为进油流量的几倍，此时，应以几倍的流量来选择 方向控制阀。通过各类阀件的实际流量最多不应超过其额 定值的20%。 液压控制阀的选择液压控制阀的选择 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 1)确定管道尺寸 管道尺寸取决于需要通过的最大流量和管中允许流速。 (1)管内油液的推荐流速。 对于液压泵吸油管道一般常取 1M/s以下；系统压力管道一取2.5 6M/s，压力高、管道 短、黏度小时取大值；系统回油管道一般取1.52.5M/s (2)管道内径的计算： (8-16) 液压辅件的计算与选择液压辅件的计算与选择 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 式中：D管道内径

24、； q通过管道油液的流量； V管内油液的流速，按推荐流速选取。 (3)管道壁厚的计算： (8-17) 式中：金属管壁厚； D管道内径； p工作压力； 许用应力。 液压辅件的计算与选择液压辅件的计算与选择 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 对于钢管，n= b/n，b 为抗拉强度，n为安全系数， 当p在717.5MpA 时，取n=6；当p17.5MpA时，取n=4 对于铜管，取25MpA。 计算出管道内径和壁厚之后，应按标准选取相应规格 的油管。 在实际设计中，管道通常按选定液压元件油口的大小 及管接头尺寸来确定其尺寸。 (2)确定油箱容量 液压系统的散热主要依靠油箱，油箱大，

25、散热快，但 占地面积大；油箱小，则油温较高。初始设计时，油箱容 量可按下列经验公式确定： 液压辅件的计算与选择液压辅件的计算与选择 第四节液压元件的计算与选择第四节液压元件的计算与选择 (8-18) 式中：qV-液压泵每分钟排出的液体体积，M3； -经验系数，低压系统取2 4，中压系统取5 7， 高压系统取6 12，行走机械取1 2。 系统设计完成后，应按散热或温升要求验算油箱容积。 滤油器、蓄能器和冷却器的选择可参阅液压设计手册。 液压系统设计完成后，需要对它的技术性能进行验算，以 便判断设计质量。 液压辅件的计算与选择液压辅件的计算与选择 液压系统性能的验算主要是计算系统压力损失、 调整压

26、力、泄漏量、系统效率、系统温升、运动平稳性 等。 这里只介绍系统压力损失和温升的验算，其他验算 可参阅液压设计手册。 选定了液压元件的规格及管道、滤油器等辅件，确 定了安装方式，绘制出管路安装图之后，就可以对管路 系统的总压力损失进行验算。 总压力损失包括管道的沿 程压力损失、局部压力损失和各种液压控制阀的局部压 力损失。 验算压力损失的目的之一是为了正确确定系统的调整 压力，即系统溢流阀的调整压力， 液压系统压力损失验算液压系统压力损失验算 以便指导系统的调试。 当系统执行元件的工作压力已确 定时，系统的调整压力可根据管路中的压力损失进行计 算。各种阀类元件局部压力损失可从产品样本中查出。

27、液压泵应有一定的压力储备量，如果计算出的系统 调整压力大于液压泵额定压力的75%,则应该重新选择元 件规格和管道尺寸，减小压力损失，或者另选额定压力 较高的液压泵。 液压系统中各种能量损失都转化为热量，使油温升 高。 系统连续工作一段时间后，系统所产生的热量和散 发到空气中的热量平衡时，系统油温不再升高，此时的 油温应不超过允许值。 油温超过允许值时，必须采取适 当的冷却措施或修改液压系统的设计。 液压系统发热和温升验算液压系统发热和温升验算 （1）液压系统的发热功率 液压系统发热的原因，主要是液压泵和执行元件的 功率损失、管道的压力损失及溢流阀的溢流损失、节流 阀的节流损失等。 管道的发热较

28、少，与它自身的散热基 本平衡，可以忽略不计。 ( 1)液压泵的损失功率。 其计算公式为 （8-19） 式中：ppi-各液压泵的输入功率； pi-各液压泵的总效率； ti-各液压泵的运行时间； t-工作周期； n-液压泵数量。 液压系统发热和温升验算液压系统发热和温升验算 (2)液压执行元件的损失功率。 其计算公式为 （8-20） 式中：p2j-各执行元件的输入功率； 2j-各执行元件的总效率； tj-各执行元件的运行时间； M-执行元件数量。 (3)溢流阀的损失功率。 其计算公式为 （8-21） 式中：pYi-各溢流阀的调整压力； qYi-各溢流阀的溢流量； 液压系统发热和温升验算液压系统发热

29、和温升验算 k-溢流阀数量。 (4)节流功率损失。 其计算公式为 （8-22） 式中：pji-各流量阀进出口压差； qji-通过各流量阀的流量； k-流量阀数量。 (5)液压系统的发热功率。 其计算公式为 （8-23） 液压系统发热和温升验算液压系统发热和温升验算 液压系统的发热功率也可以用下面的公式进行估算： （8-24） 式中：pi-各液压泵输入的总功率； po-各执行元件输出的总功率； -系统效率，包括泵效率、回路效率和执行元件 效率。 2)液压系统的散热功率 液压系统中产生的热量由系统中的各散热面散发到 空气中去，其中油箱是最主要的散热面。 当只考虑油箱 的散热时，则液压系统的散热功率为 （8-25） 液压系统发热和温升验算液压系统发热和温升验算 式中：t-油温与环境温度之差，； A-油箱散热面积，M2； k-油箱散热系数，w/ (M2*)，其值按表8-4选择 (3)系统温升计算 当液压系统的发热功率p 与油箱的散热功率pC相等 时，系统处于热平衡状态。 此时，系统温升为 (8-26) 液压系统发热和温升验算液压系统发热和温升验算 按上式计算出的温升，不应超过允许的温升值。 一 般机床液压系统取t2530。一般低、中压系统正常 工作油温为3055，最高不允许超过70；高压系统正 常工作油温为5080