机械设计基础-图文课件第3章

第3章1液压动力元件

目录3.13.23.33.4液压泵概述齿轮泵叶片泵柱塞泵3.5液压泵的选用和常见故障排除3.1液压泵概述柱塞安装在缸体中形成一个密封腔a。柱塞在弹簧的作用下和偏心轮保持接触，当偏心轮旋转时，柱塞在弹簧的作用下在缸体中移动，使密封腔a容积发生变化。柱塞右移时,密封腔a容积逐渐增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压作用下顶开单向阀4中的钢球进入密封腔a中，实现吸油。此时，单向阀5封闭出油口，防止系统压力使油液回流。柱塞左移时，密封腔a容积逐渐减小，已吸入的油液受挤压而产生压力，使单向阀4关闭，油液打开单向阀5而输入系统，实现排油。若偏心轮不停地转动，泵就不停地吸油和排油。3.1.1液压泵的工作原理和类型3.1液压泵概述图3-1单柱塞泵工作原理1—偏心轮；2—柱塞；3—缸体；4、5—单向阀；6—油箱3.1.1液压泵的工作原理和类型3.1液压泵概述由此可见，液压泵是通过密封腔容积的变化来完成吸油和排油的，其排油量的多少取决于柱塞往复运动的次数和密封容积变化的大小，故称为容积式液压泵。单向阀4、5保证密封腔容积变化交替过程中吸、压油腔不相通，起配油作用，因而称为阀式配流机构。液压泵的结构原理不同，其配流机构也不相同。为了保证液压泵吸油充分，油箱必须和大气相通或采用封闭的充压油箱。这是容积式液压泵能够吸入油液的外部条件。3.1.1液压泵的工作原理和类型3.1液压泵概述通过以上分析可以得出液压泵工作的基本条件如下：（1）在结构上能形成密封的工作容积。密封的工作容积能实现周期性的变化，密封的工作容积由小变大时与吸油腔相通，由大变小时与排油腔相通。（2）具有相应的配流机构，将吸油腔与排油腔相互隔开。（3）油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力。3.1.1液压泵的工作原理和类型3.1液压泵概述图3-2液压泵的图形符号3.1.1液压泵的工作原理和类型液压泵按其排出油液体积是否可以调节，可分为定量泵和变量泵；按输油方式可分为单向泵和双向泵；按结构形式可分为齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等类型。3.1液压泵概述（1）工作压力。液压泵的工作压力是指输出油液压力，由系统负载决定。负载增加，泵的工作压力升高；负载减小，泵的工作压力降低。液压泵的工作压力是指泵实际工作时的压力。（2）额定压力。液压泵的额定压力是指在正常工作条件下按试验标准规定连续运转的最高压力。超过此值就是过载。额定压力受泵本身的结构强度和泄漏制约。3.1.2液压泵的主要性能参数1.液压泵的压力3.1液压泵概述3.1.2液压泵的主要性能参数1.液压泵的压力3.1液压泵概述（1）排量。液压泵的排量指泵轴每转一转，由其密封容积几何尺寸变化计算而得的排出液体的体积，用Vp表示，单位mL/r。（2）理论流量。液压泵的理论流量指在不考虑泄漏的情况下，泵在单位时间内所排出的液体体积，用qt表示。泵的理论流量等于泵的排量Vp与其输入转速np的乘积，即qt=Vpnp（3-1）（3）实际流量。液压泵的实际流量指泵实际工作时，在单位时间内所排出的液体体积,用qp表示。3.1.2液压泵的主要性能参数2.液压泵的排量和流量3.1液压泵概述这里需要指出的是，泵的排量和理论流量都是在不考虑泄漏的情况下由计算所得的量，其值与压力无关。实际上，因为泵存在着泄漏问题，泵的实际流量qp总是小于理论流量qt的，即qt-qp=Δqp（3-2）式中，ΔqP为泵的泄漏量。3.1.2液压泵的主要性能参数2.液压泵的排量和流量3.1液压泵概述泵的泄漏量与压力有关，它随泵的工作压力p的增高而增大，液压泵的流量与压力的关系如图3-3所示。3.1.2液压泵的主要性能参数2.液压泵的排量和流量图3-3液压泵的流量与压力的关系3.1液压泵概述输出功率Po和输入功率Pi分别为Po=pqp（3-3）Pi=ωpTi=2πnpTt（3-4）式中，p为泵的工作压力；np为泵的输入转速；Ti为泵的实际输入转矩。3.1.2液压泵的主要性能参数3.液压泵的功率与效率（1）液压泵的功率3.1液压泵概述若忽略泵在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，也即泵的理论功率为Pt=pqt=2πnpTt（3-5）式中，Tt为泵的理论输入转矩。将式（3-1）代入式（3-5）整理得（3-6）

3.1.2液压泵的主要性能参数3.液压泵的功率与效率（1）液压泵的功率3.1液压泵概述①容积效率。（3-7）3.1.2液压泵的主要性能参数3.液压泵的功率与效率（2）液压泵的效率3.1液压泵概述衡量机械损失的指标是机械效率，它是泵的理论扭矩Tt与实际输入扭矩Ti的比值，用ηpm表示。

（3-8）将式（3-6）带入式（3-8）得

（3-9）3.1.2液压泵的主要性能参数3.液压泵的功率与效率（2）液压泵的效率3.1液压泵概述式说明：泵的总效率等于容积效率和机械效率的乘积。液压泵的容积效率、机械效率和总效率的关系曲线如图3-4所示。可利用这个曲线来评定液压泵的性能质量，并确定其合理的使用范围。3.1.2液压泵的主要性能参数3.液压泵的功率与效率（3）总效率3.1液压泵概述图3-4液压泵的容积效率、机械效率和总效率的关系曲线3.1.2液压泵的主要性能参数3.液压泵的功率与效率3.2齿轮泵在泵体内有一对大小一样、齿数相同、模数相等的外啮合齿轮，齿轮的两端由端盖罩住（图中未画出），泵体、两个齿轮和前后端盖组成一个密封容积，并由齿轮的齿面接触线将其分成左、右互不相通的两部分，即吸油腔和压油腔。当齿轮按图示方向转动时，泵左侧吸油腔内的轮齿相继脱开啮合，使密封容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下进入吸油口，填满吸油腔齿间槽，并被转动的齿轮带入右侧压油腔；而压油腔的轮齿则相继进入啮合，使密封容积减小，齿间的油液被挤出来，通过压油口排出。齿轮不断地转动，吸油腔就不断地吸油，压油腔则不断地排油，泵就连续不断地吸入油液和压出油液。3.2.1外啮合齿轮泵1.外啮合齿轮泵的工作原理3.2齿轮泵图3-5外啮合齿轮泵的工作原理3.2.1外啮合齿轮泵1.外啮合齿轮泵的工作原理3.2齿轮泵经理论推导，外啮合齿轮泵的实际排量Vp为Vp=2πzm2b（3-11）式中，z为齿数；m为齿轮模数；b为齿宽。考虑到实际齿槽容积比轮齿体积稍大，故常用3.33代替上式中的π，即Vp=6.66zm2b（3-12）3.2.1外啮合齿轮泵2.外啮合齿轮泵的排量和流量3.2齿轮泵泵的实际流量qp为qp=6.66zm2bnpηpv（3-13）式中，np为泵的转速；ηpv为泵的容积效率。式（3-13）所表示的是泵的平均流量。当泵的结构参数z、m确定后，转速np一定时，泵的实际输出流量为一定值，故齿轮泵为定量泵。又因齿轮啮合过程中压油腔的容积变化率是不均匀的，因此齿轮泵的瞬时流量是脉动的。3.2.1外啮合齿轮泵2.外啮合齿轮泵的排量和流量3.2齿轮泵图3-6外啮合齿轮泵的结构1—圆柱销；2—泄油槽；3—短轴；4—泄油通道；5—键；6—长轴；7—密封环；8—密封座；9—螺钉；10—前盖；11—泵体；12—齿轮；13—齿轮上的键；14—后盖；15—滚针轴承；16—压盖；17—弹簧挡圈3.2.1外啮合齿轮泵3.外啮合齿轮泵的结构缺陷及改善措施3.2齿轮泵3.2.1外啮合齿轮泵3.外啮合齿轮泵的结构缺陷及改善措施（1）困油现象及其改善措施。消除困油现象的方法是在齿轮的两侧端盖上开卸荷槽［见图3-7（d）中双点画线］。卸荷槽的位置和尺寸能使封闭容积减小时，通过右边的卸荷槽与压油腔相通，封闭容积增大时，通过左边的卸荷槽与吸油腔相通，并保证在任何时候都不使压油腔与吸油腔相通。在很多齿轮泵中，两卸荷槽并不对称于齿轮中心线分布，而是整个向吸油腔侧平移一段距离，这样能取得更好的效果。卸荷槽是任何齿轮泵都必须具备的结构，否则齿轮泵就不能正常工作。3.2齿轮泵3.2.1外啮合齿轮泵3.外啮合齿轮泵的结构缺陷及改善措施图3-7齿轮泵的困油现象3.2齿轮泵3.2.1外啮合齿轮泵3.外啮合齿轮泵的结构缺陷及改善措施（2）泄漏及其改善措施。因通常采用浮动轴套或弹性侧板对端面间隙进行自动补偿的办法减小泄漏。图3-8所示为采用浮动轴套的一种典型的结构。图中轴套1和2是浮动安装的，轴套的左侧容腔用特制的通道与泵的压油腔相通。当泵工作时，轴套1和2受左侧油压的作用右移，贴靠在齿轮的端面上，压力越高，贴得越紧，从而可以减小间隙并自动补偿端面磨损量。实践证明，这样能取得较好的效果。3.2齿轮泵3.2.1外啮合齿轮泵3.外啮合齿轮泵的结构缺陷及改善措施图3-8采用浮动轴套的一种典型的结构1、2—轴套3.2齿轮泵3.2.1外啮合齿轮泵3.外啮合齿轮泵的结构缺陷及改善措施（3）径向力不平衡及其改善措施。泵的压油口径比吸油口径要小。也常有采用扩大压油区，只保留1～2个齿密封的方法，实现大范围内径向力的平衡，但这种方法会增大泵体的径向载荷及端盖的轴向载荷。3.2齿轮泵3.2.2内啮合齿轮泵内啮合齿轮泵结构紧凑，体积小，质量轻，由于啮合的重合度大，运动平稳，噪声小，流量脉动小，但齿形加工复杂，价格较高。图3-9内啮合齿轮泵1—吸油腔；2—压油腔3.3叶片泵3.3.1单作用叶片泵图3-10单作用叶片泵的工作原理1—转子；2—定子；3—叶片1.单作用叶片泵的工作原理3.3叶片泵3.3.1单作用叶片泵经理论推导，单作用叶片泵的排量Vp为Vp=2πbeD（3-14）实际流量qp为qp=2πbeDnpηpv

（3-15）式中，b为叶片宽度；e为定子与转子之间的偏心距；D为定子内径；np为泵的转速；ηpv为泵的容积效率。2.单作用叶片泵的排量和流量3.3叶片泵3.3.1单作用叶片泵（1）定子和转子相互偏置。改变定子和转子之间的偏心距，可以调节泵的流量。（2）径向液压力不平衡。单作用叶片泵的这一特点使泵的工作压力受到限制，因此这种泵不适于高压。（3）叶片后倾。根据力学分析，叶片后倾一个角度有利于叶片在惯性力的作用下向外甩出。通常后倾角为24°。3.单作用叶片泵的结构特点3.3叶片泵3.3.2双作用叶片泵图3-11双作用叶片泵的工作原理1—定子；2—转子；3—叶片1.双作用叶片泵的工作原理3.3叶片泵3.3.2双作用叶片泵经理论推导，双作用叶片泵排量的Vp为Vp=2π(R2－r2)b（3-16）实际流量qp为qp=2π(R2－r2)bnpηpv（3-17）式中，R为定子的长半径；r为定子的短半径；b为叶片宽度；np为泵的转速；ηpv为泵的容积效率。双作用叶片泵的瞬时流量理论上是均匀的，但由于叶片厚度等原因，实际瞬时流量是脉动的。当叶片数为4的倍数时实际瞬时流量的脉动率较小，为此，双作用叶片泵的叶片数一般都取12或16。2.双作用叶片泵的排量和流量3.3叶片泵3.3.2双作用叶片泵图3-12双作用叶片泵的典型结构1—左泵体；2—左配流盘；3—转子；4—定子；5—叶片；6—右配流盘；7—右泵体；8—泵盖；9—主轴；3.双作用叶片泵的结构特点3.3叶片泵3.3.2双作用叶片泵3.双作用叶片泵的结构特点（1）定子过渡曲线（2）径向液压力平衡特点3）端面间隙自动补偿3.双作用叶片泵的结构特点3.3叶片泵3.3.2双作用叶片泵为了提高泵的工作压力，减小吸油区叶片压向定子内表面的作用力，常用的方法是使用双叶片结构和子母叶片（又称复合叶片）结构。图3-13双叶片结构图3-14子母叶片结构1—叶片；2—转子；3—定子1—定子；2—母叶片；3—子叶片；4—转子4.提高双作用叶片泵工作压力的措施3.3叶片泵3.3.3限压式变量叶片泵限压式变量叶片泵是利用负载压力的变化来实现自动变量的，根据控制方式有内反馈限压式变量叶片泵和外反馈限压式变量叶片泵两种。3.3叶片泵3.3.3限压式变量叶片泵图3-15外反馈限压式变量叶片泵的工作原理1—压力调节螺钉；2—叶片；3—转子；4—定子；5—流量调节螺钉；6—反馈柱塞3.3叶片泵3.3.3限压式变量叶片泵图3-16外反馈限压式变量叶片泵的压力-流量特性曲线3.4柱塞泵斜盘和配流盘固定不动，在缸体上开有若干个圆周均布的轴向柱塞孔，孔内装有柱塞，柱塞在底部弹簧和油压力的作用下，其头部始终保持与斜盘紧密接触。当缸体由传动轴带动旋转时，在斜盘、弹簧和油压力的共同作用下，柱塞在缸体内做往复运动，这样各柱塞与缸体间的密封容积便会发生变化。3.4.1斜盘式轴向柱塞泵1.斜盘式轴向柱塞泵的工作原理3.4柱塞泵图3-17斜盘式轴向柱塞泵的工作原理1—斜盘；2—柱塞；3—缸体；4—配流盘3.4柱塞泵密封容积增大时，形成真空，通过配流窗口a吸油；密封容积减小时，通过配流窗口b压油。缸体每转一周，每个柱塞各完成一次吸油和压油的过程，缸体连续旋转，柱塞则不断地吸油和压油。如果改变斜盘倾角γ的大小，就改变了柱塞的行程，也就改变了泵的排量；如果改变斜盘倾角的方向，就能改变吸油、压油的方向，这就成为双向变量泵。3.4.1斜盘式轴向柱塞泵1.斜盘式轴向柱塞泵的工作原理3.4柱塞泵柱塞泵每转的排量为（3-18）流量为

（3-19）式中，d为柱塞直径；L为柱塞行程；D为缸体上柱塞分布圆直径；γ为斜盘倾角；z为柱塞数；np为泵的转速；ηpv为泵的容积效率。3.4.1斜盘式轴向柱塞泵2.斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量3.4柱塞泵图3-18斜盘式轴向柱塞泵的结构1—滑履；2—回程盘；3—销轴；4—斜盘；5—变量活塞；6—螺杆；7—手轮；8—钢球；9—大轴承；10—缸体；11—中心弹簧；12—传动轴；13—配流盘；14—前轴承；15—前泵体；16—中间泵体；17—柱塞3.4.1斜盘式轴向柱塞泵3.斜盘式轴向柱塞泵的结构特点3.4柱塞泵图3-19径向柱塞泵的工作原理1—柱塞；2—转子（缸体）；3—衬套；4—定子；5—配流轴3.4.2径向柱