液压泵与液压马达的工作原理

1、第一节第一节 液压泵和液压马达概述液压泵和液压马达概述一、液压泵的工作原理及分类一、液压泵的工作原理及分类1.1.液压泵的工作原理液压泵的工作原理 液压泵是液压系统的动力元件，它将原动机（电液压泵是液压系统的动力元件，它将原动机（电动机、内燃机等）输入的机械能（转矩动机、内燃机等）输入的机械能（转矩T T和角速度和角速度）转换为液压能（压力转换为液压能（压力p p、流量、流量q q）输出，为液压系统提）输出，为液压系统提供压力油源。供压力油源。 液压传动系统中使用的液压泵和液压马达都是容液压传动系统中使用的液压泵和液压马达都是容积式的，容积式液压泵的工作原理如下图示，积式的，容积式液压泵的工作

2、原理如下图示，1.1.液压泵的工作原理液压泵的工作原理 图示为单柱塞泵的工作原图示为单柱塞泵的工作原理，它由偏心轮理，它由偏心轮1 1、柱塞、柱塞2 2、柱、柱塞套（缸体）塞套（缸体）3 3、弹簧、弹簧4 4、单向、单向阀（吸油阀）阀（吸油阀）6 6和（排油阀）和（排油阀）7 7组成。组成。1.1.液压泵的工作原理液压泵的工作原理 柱塞柱塞2 2和柱塞套形成密闭和柱塞套形成密闭容腔容腔a a，在弹簧，在弹簧4 4的作用下与偏的作用下与偏心轮心轮1 1靠住。当原动机按如图靠住。当原动机按如图所示位置带动偏心轮所示位置带动偏心轮1 1作顺时作顺时针方向旋转运动时，柱塞针方向旋转运动时，柱塞2 2在

3、在弹簧力的作用下向右运动，使弹簧力的作用下向右运动，使容腔容腔a a增大，压力较小，并形增大，压力较小，并形成一定的真空度，油箱中油液成一定的真空度，油箱中油液在大气压的作用下，经吸油阀在大气压的作用下，经吸油阀6 6进入密闭容腔进入密闭容腔a a中（此过程排中（此过程排油阀关闭），这一过程为油阀关闭），这一过程为吸油吸油。1.1.液压泵的工作原理液压泵的工作原理 当偏心轮的几何中心转到当偏心轮的几何中心转到最右点时，吸油过程终止。偏最右点时，吸油过程终止。偏心轮继续旋转使柱塞向左运动，心轮继续旋转使柱塞向左运动，密闭容器减小，油液压力增大，密闭容器减小，油液压力增大，经排油阀排出，这一过程称

4、为经排油阀排出，这一过程称为排油。当偏心轮的几何中心转排油。当偏心轮的几何中心转到最左点时排油过程终止。到最左点时排油过程终止。1.1.液压泵的工作原理液压泵的工作原理 偏心轮连续旋转，柱塞左偏心轮连续旋转，柱塞左右往复运动，液压泵半个周期右往复运动，液压泵半个周期吸油，半个周期排油。在工作吸油，半个周期排油。在工作过程中，吸油阀和排油阀不会过程中，吸油阀和排油阀不会同时开启，由此可见，液压泵同时开启，由此可见，液压泵是靠密闭容腔的容积变化来进是靠密闭容腔的容积变化来进行工作的。称此类液压泵为容行工作的。称此类液压泵为容积式液压泵，简称液压泵。积式液压泵，简称液压泵。2.2.液压泵的特点液压泵

5、的特点 (2)(2)必须具有配液装置，当密必须具有配液装置，当密闭工作容腔容积由小变大时，闭工作容腔容积由小变大时，配液装置使密闭工作容腔只配液装置使密闭工作容腔只与吸油腔相通；当密闭工作与吸油腔相通；当密闭工作容腔由大变小时，配液装置容腔由大变小时，配液装置使密闭工作容腔只与排油腔使密闭工作容腔只与排油腔相通。相通。 (1)(1)结构上具有能实现周期性结构上具有能实现周期性变化的密闭工作容腔变化的密闭工作容腔 2.2.液压泵的特点液压泵的特点 (4)(4)油箱中的油液必须具有一油箱中的油液必须具有一定的压力，以保证液压泵工定的压力，以保证液压泵工作容积增大时能及时供油作容积增大时能及时供油

6、(3)(3)必须要有隔离封油装置使必须要有隔离封油装置使液压泵的吸油腔与排油腔不液压泵的吸油腔与排油腔不能相通能相通3.3.液压泵的分类及图形符号液压泵的分类及图形符号 液压泵按其输出流量是否可以调节分为定量泵液压泵按其输出流量是否可以调节分为定量泵和变量泵两类；按结构形式可以分为齿轮式、叶片和变量泵两类；按结构形式可以分为齿轮式、叶片式和柱塞式三种；按其一个工作周期密闭容积的变式和柱塞式三种；按其一个工作周期密闭容积的变化次数可以分为单作用泵、双作用泵和多作用泵等。化次数可以分为单作用泵、双作用泵和多作用泵等。液压泵的一般图形符号如下图所示。液压泵的一般图形符号如下图所示。 a a 单向定量

7、液压泵单向定量液压泵 b b 单向变量液压泵单向变量液压泵 c c 双向定量液压泵双向定量液压泵 d d 双向变量液压泵双向变量液压泵二、液压泵和液压马达的主要工作参数二、液压泵和液压马达的主要工作参数1.1.液压泵的压力液压泵的压力 液压泵的主要性能参数有压力、转速、排量、流液压泵的主要性能参数有压力、转速、排量、流量、功率和效率。量、功率和效率。a.a.吸油压力吸油压力 指液压泵进口处的压力。自吸泵的吸油指液压泵进口处的压力。自吸泵的吸油腔必须具有一定的真空度，一般齐吸油压力低于大气腔必须具有一定的真空度，一般齐吸油压力低于大气压力。压力。b.b.工作压力工作压力 液压泵工作时的出口压力，

8、其大小取决液压泵工作时的出口压力，其大小取决于负载。于负载。2.2.液压泵的额定转速和工作转速液压泵的额定转速和工作转速c.c.额定压力额定压力 泵在正常工作条件下，按实验标准规定泵在正常工作条件下，按实验标准规定连续运转的最高压力。超过此值就是过载。连续运转的最高压力。超过此值就是过载。a.a.额定转速额定转速 液压泵在额定压力下能连续长时间运转液压泵在额定压力下能连续长时间运转的最高转速，单位为的最高转速，单位为r/minr/minb.b.最高转速最高转速 液压泵在额定压力下超过额定转速允许液压泵在额定压力下超过额定转速允许短暂运行的最高转速，单位为短暂运行的最高转速，单位为r/minr/

9、min2.2.液压泵的排量和流量液压泵的排量和流量a.a.液压泵的液压泵的排量排量（用（用V V表示）是泵每转一转，由其密封表示）是泵每转一转，由其密封油腔几何尺寸变化所算得的输出液体的体积，也称作油腔几何尺寸变化所算得的输出液体的体积，也称作无泄漏情况下，泵每转一转所输出的液体体积。无泄漏情况下，泵每转一转所输出的液体体积。b.b.液压泵的液压泵的理论流量理论流量指泵在单位时间内由其密封油腔指泵在单位时间内由其密封油腔几何尺寸变化计算而得出的输出的液体体积，也称作几何尺寸变化计算而得出的输出的液体体积，也称作无泄漏情况下单位时间内所能输出的液体的体积。泵无泄漏情况下单位时间内所能输出的液体的

10、体积。泵的转速为的转速为n n，则泵的理论流量，则泵的理论流量q=nVq=nV2.2.液压泵的排量和流量液压泵的排量和流量c.c.泵的瞬时流量泵的瞬时流量q qshsh 每一瞬时的流量，称为泵的瞬时每一瞬时的流量，称为泵的瞬时流量，一般指泵的瞬时理论流量流量，一般指泵的瞬时理论流量d.d.实际流量实际流量q qp p 泵工作时单位时间实际排除液体的体积，泵工作时单位时间实际排除液体的体积，称为泵的实际流量，等于泵的理论流量称为泵的实际流量，等于泵的理论流量q qt t减去泄露、压减去泄露、压缩等损失的流量缩等损失的流量q qp p，即，即ptptppkqqqq13.3.功率和效率功率和效率 液

11、压泵由电动机驱动，输入量是转矩和转速，输出液压泵由电动机驱动，输入量是转矩和转速，输出量时液体的压力和流量；液压马达则刚好相反，输入量量时液体的压力和流量；液压马达则刚好相反，输入量是液体的压力和流量，输出量时转矩和转速。如果不考是液体的压力和流量，输出量时转矩和转速。如果不考虑液压泵在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输虑液压泵在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，及理论功率为液压泵进出口液压差入功率，及理论功率为液压泵进出口液压差p p与理论与理论流量的乘积，即流量的乘积，即nTTpVnpqPttti2 式中：式中：T Tt t液压泵（马达）的理论转矩液压泵（马达）的理论转矩

12、液压泵（马达）的角速度液压泵（马达）的角速度3.3.功率和效率功率和效率 实际上，液压泵和液压马达在能量转换过程中是有实际上，液压泵和液压马达在能量转换过程中是有损失的，因此输出功率小于输入功率。两者之间的差值损失的，因此输出功率小于输入功率。两者之间的差值为功率损失，功率损失可以分为容积损失和机械损失两为功率损失，功率损失可以分为容积损失和机械损失两部分。部分。 容积损失是因泄露而造成的流量损失。对于液压泵容积损失是因泄露而造成的流量损失。对于液压泵来说，输出压力增大时，泄露量增大，泵的实际输出的来说，输出压力增大时，泄露量增大，泵的实际输出的流量流量q q减小。设泵的流量损失为减小。设泵的

13、流量损失为q q，则泵的容积损失可，则泵的容积损失可以用容积效率以用容积效率v v来表示，来表示，ttttVqqqqqqq13.3.功率和效率功率和效率 对于液压马达，输入实际流量对于液压马达，输入实际流量q q必然大于它的理论必然大于它的理论流量流量qtqt，即，即q=qq=qt t+ +q,q,它的容积效率为它的容积效率为 机械损失是指因摩擦而造成的转矩的损失。对于液机械损失是指因摩擦而造成的转矩的损失。对于液压泵来说，驱动泵的转矩总是大于其理论转矩，设转矩压泵来说，驱动泵的转矩总是大于其理论转矩，设转矩损失为损失为T T，则实际转矩为理论转矩与损失转矩之和，则实际转矩为理论转矩与损失转矩

14、之和，qqqqtV13.3.功率和效率功率和效率 用机械效率用机械效率m m来表征泵的机械损失，有来表征泵的机械损失，有 对于液压马达，实际输出转矩小于理论转矩，其机对于液压马达，实际输出转矩小于理论转矩，其机械效率为械效率为ttttmTTTTTTT11ttttmTTTTTTT13.3.功率和效率功率和效率 液压泵和液压马达的总效率液压泵和液压马达的总效率是输出功率与输入功是输出功率与输入功率之比，根据前面的公式可以得到率之比，根据前面的公式可以得到 即液压泵和液压马达的总效率都等于各自的容积效即液压泵和液压马达的总效率都等于各自的容积效率与机械效率的乘积。液压泵的效率与泵的泄露和摩擦率与机械

15、效率的乘积。液压泵的效率与泵的泄露和摩擦损失有关。损失有关。Vm第二节第二节 齿轮泵齿轮泵 齿轮泵按结构形式可以分为外啮合和内啮合两种，齿轮泵按结构形式可以分为外啮合和内啮合两种，内啮合齿轮泵应用较少，所以本节主要介绍外啮合齿轮内啮合齿轮泵应用较少，所以本节主要介绍外啮合齿轮泵。外啮合齿轮泵具有以下优点：结构简单、紧凑；容泵。外啮合齿轮泵具有以下优点：结构简单、紧凑；容易制造，成本低；对油液污染不敏感；工作可靠，维护易制造，成本低；对油液污染不敏感；工作可靠，维护方便；寿命长等。基于以上优点，外啮合齿轮泵广泛应方便；寿命长等。基于以上优点，外啮合齿轮泵广泛应用于各种低压系统中。用于各种低压系统

16、中。一、外啮合齿轮泵的工作原理一、外啮合齿轮泵的工作原理 图示为外啮合齿轮泵的工作图示为外啮合齿轮泵的工作原理。在泵的壳体内有一对外啮原理。在泵的壳体内有一对外啮合齿轮，齿轮两侧有端盖盖住。合齿轮，齿轮两侧有端盖盖住。壳体、端盖和齿轮的各个齿间槽壳体、端盖和齿轮的各个齿间槽组成许多密封的工作腔。当齿轮组成许多密封的工作腔。当齿轮按图示方向旋转时，右侧吸油腔按图示方向旋转时，右侧吸油腔由于相互啮合的齿轮逐渐脱开，由于相互啮合的齿轮逐渐脱开，密封工作腔容积逐渐增大，形成密封工作腔容积逐渐增大，形成部分真空，油箱中的油液被吸进部分真空，油箱中的油液被吸进来，将齿间槽充满，并随着齿轮来，将齿间槽充满，

17、并随着齿轮旋转，把油液带到左侧压油腔中。旋转，把油液带到左侧压油腔中。在压油区一侧，由于齿轮逐渐啮在压油区一侧，由于齿轮逐渐啮合，密封工作腔容积不断减小，合，密封工作腔容积不断减小，油液被挤出去。吸油区和压油区油液被挤出去。吸油区和压油区是有相互啮合的齿轮以及泵体分是有相互啮合的齿轮以及泵体分隔开的。隔开的。二、外啮合齿轮泵的流量计算二、外啮合齿轮泵的流量计算 齿轮泵排量的精确计算比较复杂，通常采用近似计齿轮泵排量的精确计算比较复杂，通常采用近似计算法。在近似计算时，认为齿间的容积等于齿轮的体积，算法。在近似计算时，认为齿间的容积等于齿轮的体积，因此齿轮每转一周，排除的液体的体积等于其中一个齿

18、因此齿轮每转一周，排除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齿轮体积之和，及等于轮的所有齿间工作容积及其所有齿轮体积之和，及等于其中一个齿轮齿顶园与齿根圆之间环形圆柱的体积，即其中一个齿轮齿顶园与齿根圆之间环形圆柱的体积，即齿轮泵的排量为齿轮泵的排量为BzmBmzmmzmVp222)2(2421 式中：式中：zz齿轮齿数齿轮齿数 mm齿轮模数齿轮模数 BB齿轮齿宽齿轮齿宽二、外啮合齿轮泵的流量计算二、外啮合齿轮泵的流量计算 实际上，齿间容积比齿轮体积稍大，而且齿轮齿数实际上，齿间容积比齿轮体积稍大，而且齿轮齿数越少差值越大。另外，对修正齿轮而言，齿轮变薄，齿越少差值越大。另外，

19、对修正齿轮而言，齿轮变薄，齿间容积也增大，因此对上式进行修正，乘以修正系数间容积也增大，因此对上式进行修正，乘以修正系数6.666.66，修正后的齿轮泵排量为：，修正后的齿轮泵排量为：BzmVp266. 6 根据上面式子，齿轮泵排量根据上面式子，齿轮泵排量V V与齿轮数成正比，与与齿轮数成正比，与齿轮模数的平方成正比。在齿轮分度圆半径一定时，增齿轮模数的平方成正比。在齿轮分度圆半径一定时，增大模数大模数m m，减少齿轮数，减少齿轮数z z可以增大齿轮泵的排量。可以增大齿轮泵的排量。二、外啮合齿轮泵的流量计算二、外啮合齿轮泵的流量计算 齿轮泵的实际流量为齿轮泵的实际流量为VVppBnzmnVq2

20、66. 6式中：式中：V V为齿轮的容积效率为齿轮的容积效率三、外啮合齿轮泵的结构问题及其解决方法三、外啮合齿轮泵的结构问题及其解决方法1 1 困油现象及其解决办法困油现象及其解决办法 为了保证齿轮传动平稳，齿轮泵的齿轮重合度必须为了保证齿轮传动平稳，齿轮泵的齿轮重合度必须大于大于1 1（1.05-1.11.05-1.1），即在前一对齿轮尚未脱开啮合之），即在前一对齿轮尚未脱开啮合之前，后一对齿轮已经进入啮合。在两队齿轮同时啮合时，前，后一对齿轮已经进入啮合。在两队齿轮同时啮合时，她们之间形成一个与吸、压油腔均不相通，且容腔的大她们之间形成一个与吸、压油腔均不相通，且容腔的大小不断发生变化的闭

21、死容腔（小不断发生变化的闭死容腔（P24P24图图3.2.33.2.3）。这一容腔）。这一容腔随着齿轮的旋转，先由大变小，后由小变大。随着齿轮的旋转，先由大变小，后由小变大。 当闭死容腔当闭死容腔由大变小由大变小时油液受挤压经缝隙溢出，使压时油液受挤压经缝隙溢出，使压力增高，齿轮轴承承受周期性的压力冲击，产生能量损力增高，齿轮轴承承受周期性的压力冲击，产生能量损失，导致油液发热，引起震动和噪声，降低齿轮泵的工失，导致油液发热，引起震动和噪声，降低齿轮泵的工作平稳性和使用寿命。作平稳性和使用寿命。 当闭死容腔当闭死容腔由小变大由小变大时油液由于得不到补充，使闭时油液由于得不到补充，使闭死容腔形成

22、局部真空，产生气蚀现象，引起振动和噪声。死容腔形成局部真空，产生气蚀现象，引起振动和噪声。 这种闭死容腔大小变化导致压力冲击和气蚀的现象这种闭死容腔大小变化导致压力冲击和气蚀的现象称为称为困油困油现象，严重影响泵的使用寿命和工作性能，必现象，严重影响泵的使用寿命和工作性能，必须予以消除。须予以消除。 消除困油现象的方法：在泵的前后盖或浮动轴套等消除困油现象的方法：在泵的前后盖或浮动轴套等零件上开卸荷槽。在开设荷槽后，可以将闭死容腔限制零件上开卸荷槽。在开设荷槽后，可以将闭死容腔限制为最小。即当闭死容腔容积由大变小时，卸荷槽始终与为最小。即当闭死容腔容积由大变小时，卸荷槽始终与压油腔相通；当容积

23、由小变大时，卸荷槽始终与吸油腔压油腔相通；当容积由小变大时，卸荷槽始终与吸油腔相通。相通。2. 2. 径向不平衡力径向不平衡力 齿轮工作时，作用在齿轮外圆上的压力是不均匀齿轮工作时，作用在齿轮外圆上的压力是不均匀的。爱压油腔和吸油腔，齿轮外圆分别承受着系统工的。爱压油腔和吸油腔，齿轮外圆分别承受着系统工作压力和吸油压力；在齿轮齿顶圆与泵体内孔的径向作压力和吸油压力；在齿轮齿顶圆与泵体内孔的径向间隙中，可以认为油液压力由高压腔压力逐级下降到间隙中，可以认为油液压力由高压腔压力逐级下降到吸油腔压力。这些液体压力综合作用的合力，相当于吸油腔压力。这些液体压力综合作用的合力，相当于给齿轮一个径向不平衡

24、的作用力，使齿轮和轴承受载。给齿轮一个径向不平衡的作用力，使齿轮和轴承受载。 径向力是影响齿轮泵寿命的重要因素。当使用压径向力是影响齿轮泵寿命的重要因素。当使用压力增大，使径向力很大时，会使泵轴弯曲及泵体偏磨，力增大，使径向力很大时，会使泵轴弯曲及泵体偏磨，同时也加速轴承的磨损，降低了机械效率及轴承的使同时也加速轴承的磨损，降低了机械效率及轴承的使用寿命。因此，要力求减小径向力，通常在结构上采用寿命。因此，要力求减小径向力，通常在结构上采用以下措施：用以下措施： （1 1）缩小压油口）缩小压油口 缩小压油口，使排油腔作用在齿轮缩小压油口，使排油腔作用在齿轮上的面积减小到只作用上的面积减小到只作

25、用1 1至至2 2个齿的范围内个齿的范围内 （1 1）缩小压油口）缩小压油口 缩小压油口，使排油腔作用在齿轮缩小压油口，使排油腔作用在齿轮上的面积减小到只作用上的面积减小到只作用1 1至至2 2个齿的范围内个齿的范围内 （2 2）扩大排油腔）扩大排油腔 将排油腔扩大大吸油腔一侧，只将排油腔扩大大吸油腔一侧，只有有1-21-2个齿起密封作用，使其它对称区域的液压力得到个齿起密封作用，使其它对称区域的液压力得到平衡，减小作用在轴承上的径向力。平衡，减小作用在轴承上的径向力。（3 3）扩大吸油腔）扩大吸油腔 将吸油腔扩大大排油腔一侧，只将吸油腔扩大大排油腔一侧，只有有1-2个齿起密封作用，使其它对称

26、区域的液压力得到个齿起密封作用，使其它对称区域的液压力得到平衡，减小作用在轴承上的径向力。平衡，减小作用在轴承上的径向力。（4 4）开设平衡槽）开设平衡槽 在端盖、轴套的过度区开设平衡槽，在端盖、轴套的过度区开设平衡槽，分别与高、低压腔相通，以使齿轮径向力自平衡。分别与高、低压腔相通，以使齿轮径向力自平衡。3. 3. 泄漏泄漏（1 1）端面间隙泄漏）端面间隙泄漏 压油腔和过渡区段通过齿轮端面压油腔和过渡区段通过齿轮端面与前后端盖的端面间隙向低压腔泄漏，这一途径的泄与前后端盖的端面间隙向低压腔泄漏，这一途径的泄漏量最大，占总泄漏的漏量最大，占总泄漏的70%-80%70%-80% 泄露意味着能量损

27、失，不仅使油液发热，也直接影泄露意味着能量损失，不仅使油液发热，也直接影响了齿轮泵的容积效率。泄漏主要有三条途径：响了齿轮泵的容积效率。泄漏主要有三条途径： （2 2）径向间隙泄漏）径向间隙泄漏 压油腔的油液经径向间隙向吸油压油腔的油液经径向间隙向吸油腔泄漏。这一途径通道较长，有多个局部损失存在，腔泄漏。这一途径通道较长，有多个局部损失存在，但配合间隙较小，工作油液本身有粘性，所以泄漏量但配合间隙较小，工作油液本身有粘性，所以泄漏量相对较小，占相对较小，占15%-20%15%-20%。3. 3. 泄漏泄漏（3 3）齿轮啮合处的泄漏）齿轮啮合处的泄漏 由于啮合线接触不良，使高由于啮合线接触不良，使高压腔与低压腔之间密封不良造成泄漏。在啮合正常的压腔与低压腔之间密封不良造成泄漏。在啮合正常的情况下，这一泄漏量较小，随着工作压力的提高，啮情况下，这一泄漏量较小，随着工作压力的提高，啮合接触更加紧密，通过该途径泄漏量更少，一般可以合接触更加紧密，