1、11 液压传动概述1.1 液压传动定义与发展概况1.2 液压传动的工作原理及系统构成1.3 液压传动的优缺点1.4 液压传动的工作介质教学内容：本章首先介绍液压传动的定义、发展概况，接着讨论液压传动的研究和应用领域，最后简介液压传动工作介质的主要内容和编号。教学重点：1从实例出发，深入浅出对液压传动进行定义；2介绍液压传动的起源与发展过程；3简介液压传动所的优缺点、研究范围与应用领域；4简介液压传动工作介质的主要内容。教学难点：1怎么样理解液压传动；2液压传动作为一门学科有什么意义；教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。教学要求：重点掌握液压传动的本质原理，一般
2、了解液压传动的主要研究范围和应用领域。1.1 液压传动定义与发展概况1.1.1 液压传动的定义一部完整的机器是由原动机、传动机构及控制部分、工作机(含辅助装置) 组成。原动机包括电动机、内燃机等。工作机即完成该机器之工作任务的直接工作部分，如剪床的剪刀，车床的刀架、车刀、卡盘等。由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和工作速度变化范围较宽，以及其它操纵性能的要求，在原动机和工作机之间设置了传动机构，其作用是把原动机输出功率经过变换后传递给工作机。传动机构通常分为机械传动、电气传动和流体传动机构。流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。它包括液压传动、液力传
3、动和气压传动。液压传动和液力传动均是以液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式。液压传动主要是利用液体的压力能来传递能量；而液力传动则主要是利用液体的动能来传递能2量。由于液压传动有许多突出的优点，因此，它被广泛地应用于机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、轻工、农机、渔业、林业等各方面。同时，也被应用到航天航空、海洋开发、核能工程和地震预测等各个工程技术领域。 1.1.2 液压传动的发展概况液压传动相对于机械传动来说，它是一门新学科，从 17 世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，18 世纪末英国制成第一台水压机算起，液压传动已有 23 百年的历史，只是由于早期技术水平和生产
4、需求的不足，液压传动技术没有得到普遍地应用。随着科学技术的不断发展，对传动技术的要求越来越高，液压传动技术自身也在不断发展，特别是在第二次世界大战期间及战后，由于军事及建设需求的刺激，液压技术日趋成熟。第二次世界大战前后，成功地将液压传动装置用于舰艇炮塔转向器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用机床到本世纪 30 年代才用上了液压传动。第二次世界大战期间，在兵器上采用了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，它大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善及各类元件的标准化、规格化、系列化而在机械制造，工程机械、农业机械、汽
5、车制造等行业中推广开来。近 30 年来，由于原子能技术、航空航天技术、控制技术、材料科学、微电子技术等学科的发展，再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，在国民经济的各个部门都得到了应用，如工程机械、数控加工中心、冶金自动线等。采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。1.2 液压传动的工作原理及系统构成1.2.1 液压传动系统的工作原理 图 1.1 为磨床工作台液压系统工作原理图。液压泵 4 在电动机(图中未画出) 的带动下旋转，油液由油箱 1 经过滤器 2 被吸入液压泵，由液压泵输入的压力油通过手动换向阀 11，节流阀 13、换
6、向阀 15 进入液压缸 18 的左腔，推动活塞 17 和工作台 19 向右移动，液压缸 18 右腔的油液经换向阀 15 排回油箱。如果将换向阀 15 转换成如图1.1(b)所示的状态，则压力油进入液压缸 18 的右腔，推动活塞 17 和工作台 19 向左移动，液压缸 18 左腔的油液经换向阀 15 排回油箱。工作台 19 的移动速度由节流阀 13来调节。当节流阀开大时，进入液压缸 18 的油液增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，工作台的移动速度减小。液压泵 4 输出的压力油除了进人节流阀 13 以外，其余的打开溢流阀 6 流回油箱。 如果将手动换向阀 9 转换成如图 1.1(c)所示的
7、状态，液压泵输出的油液经手动换向阀 9 流回油箱，这时工作台停止运动，液压系统处卸荷状态。3图 1.1 磨床工作台液压传动系统工作原理1-油箱；2- 过滤器；3,12,14-回油管；4- 液压泵；5-弹簧；6-钢球； 7-溢流阀；8,10- 压力油管；9-手动换向阀；11,16-换向手柄； 13-节流阀；15-换向阀；17-活塞；18- 液压缸；19-工作台图 1.2 用图形符号表示的磨床工作台液压系统图4l-油箱；2- 过滤器； 3-液压泵； 4-溢流阀；5-手动换向阀； 6-节流阀；7-换向间；8-活塞；9-液压缸1.2.2 液压传动系统的组成 从上述例子可以看出，液压传动是以液体作为工作
8、介质来进行工作的，一个完整的液压传动系统由以下几部分组成：(l) 液压泵( 动力元件)：是将原动机所输出的机械能转换成液体压力能的元件，其作用是向液压系统提供压力油，液压泵是液压系统的心脏。(2) 执行元件：把液体压力能转换成机械能以驱动工作机构的元件，执行元件包括液压缸和液压马达。(3) 控制元件：包括压力、方向、流量控制阀，是对系统中油液压力、流量、方向进行控制和调节的元件。如换向阀 15 即属控制元件。(4) 辅助元件：上述三个组成部分以外的其它元件，如管道、管接头、油箱、滤油器等为辅助元件。1.2.3 液压系统的图形符号图 1.1(a) 所示的液压系统图是一种半结构式的工作原理图。它直
9、观性强，容易理解，但难于绘制。在实际工作中，除少数特殊情况外，一般都采用国标GBT786.193 所规定的液压与气动图形符号(参看附录 )来绘制，如图 1.2 所示。图形符号表示元件的功能，而不表示元件的具体结构和参数；反映各元件在油路连接上的相互关系，不反映其空间安装位置；只反映静止位置或初始位置的工作状态，不反映其过渡过程。 使用图形符号既便于绘制，又可使液压系统简单明了。1.3 液压传动的优缺点1.3.1 液压传动系统的主要优点液压传动与机械传动、电气传动相比有以下主要优点：(1) 在同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑。例如同功率液压马达的重量约只有电动机的 1/6 左
10、右。(2) 液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地来布置；(3) 液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向；(4) 操纵控制方便，可实现大范围的无级调速( 调速范围达 2000：1)，它还可以在运行的过程中进行调速；(5) 一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；(6) 容易实现直线运动；(7) 既易实现机器的自动化，又易于实现过载保护，当采用电液联合控制甚至计算5机控制后，可实现大负载、高精度、远程自动控制。(8) 液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。1.3.2 液压传动系统的主要缺点(1)液
11、压传动不能保证严格的传动比，这是由于液压油的可压缩性和泄漏造成的。(2)工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。(3)由于流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。(4)为了减少泄漏，液压元件在制造精度上要求较高，因此它的造价高，且对油液的污染比较敏感。总的说来，液压传动的优点最突出的，它的一些缺点有的现已大为改善，有的将随着科学技术的发展而进一步得到克服。1.4 液压传动的工作介质1.4.1 液压系统对工作介质的要求液压工作介质一般称为液压油(有部分液压介质已不含油的成份) 。液压介质的性能对液压系统的
12、工作状态有很大影响，对液压系统对工作介质的基本要求如下：(l)有适当的粘度和良好的粘温特性。粘度是选择工作介质的首要因素。液压油的粘性，对减少间隙的泄漏、保证液压元件的密封性能都起着重要作用。粘度过高，各部件运动阻力增加，温升快，泵的自吸能力下降，同时，管道压力降和功率损失增大。反之，粘度过低会增加系统的泄漏，并使液压油膜支承能力下降，而导致摩擦副间产生摩擦。所以工作介质要有合适的粘度范围，同时在温度、压力变化下和剪切力作用下，油的粘度变化要小。液压介质粘度用运动粘度 表示。在国际单位制中 的单位是 sm/2，而在实用上油的粘度用 sm/2(cSt，厘沲 )表示。粘度是液压油(液)划分牌号的依
13、据。按国标 GB/T3141-94 所规定，液压油产品的牌号用粘度的等级表示，即用该液压油在 40时的运动粘度中心值表示。表 l.1 是常用液压油的新、旧粘度等级牌号的对照 (注：82 年以前的旧标准是以50时的粘度值作为液压油的粘度等级牌号)。表 1.1 常用液压油的牌号和粘度ISO 3448-92粘度等级GB/T3141-94粘度等级(现牌号)40的运动粘度厘施83-90 年的过渡牌号82 年以前相近的旧牌号ISO VG15 15 13.516.5 N15 10ISO VG22 22 19.824.2 N22 15ISO VG32 32 28.835.2 N32 206ISO VG46 4
14、6 41.450.6 N46 30ISO VG68 68 61.274.8 N68 40ISO VGI00 100 9011O N100 60所有工作介质的粘度都随温度的升高而降低，粘温特性好是指工作介质的粘度随温度变化小，粘温特性通常用粘度指数表示。一般情况下，在高压或者高温条件下工作时，为了获得较高的容积效率，不使油的粘度过低，应采用高牌号液压油；低温时或泵的吸入条件不好时(压力低，阻力大 )，应采用低牌号液压油。(2)氧化安定性和剪切安定性好。工作介质与空气接触，特别是在高温、高压下容易氧化、变质。氧化后酸值增加会增强腐蚀性，氧化生成的粘稠状油泥会堵塞滤油器，妨碍部件的动作以及降低系统效
15、率。因此，要求它具有良好的氧化安定性和热安定性。剪切安定性是指工作介质通过液压节流间隙时，要经受剧烈的剪切作用，会使一些聚合型增粘剂高分子断裂，造成粘度永久性下降，在高压、高速时，这种情况尤为严重。为延长使用寿命，要求剪切安定性好。(3)抗乳化性、抗泡沫性好。工作介质在工作过程中可能混入水或出现凝结水。混有水分的工作介质在泵和其它元件的长期剧烈搅拌下，易形成乳化液，使工作介质水解变质或生成沉淀物，引起工作系统锈蚀和腐蚀，所以要求工作介质有良好的抗乳化性。抗泡沫性是指空气混入工作介质后会产生气泡，混有气泡的介质在液压系统内循环，会产生异常的噪声、振动，所以要求工作介质具有良好的抗泡性和空气释放能
16、力。(4)闪点、燃点要高，能防火、防爆。(5)有良好的润滑性和防腐蚀性，不腐蚀金属和密封件。(6) 对人体无害，成本低。1.4.2 液压介质的种类液压传动介质按照 GB/T7631.2-87(等效采用 ISO 6743/4)进行分类，主要有石油基液压油和难燃液压液两大类。1.4.2.1 石油基液压油(1)L-HL 液压油(又名普通液压油)：采用精制矿物油作基础油，加入抗氧、抗腐、抗泡、防锈等添加剂调合而成，是当前我国供需量最大的主品种，用于一般液压系统，但只适于 O 以上的工作环境。其牌号有： HL32、HL46、HL68。在其代号 L-HL 中， L 代表润滑剂类， H 代表液压油，L 代表
17、防锈、抗氧化型，最后的数字代表运动粘度。(2)L-HM 液压油(又名抗磨液压油，M 代表抗磨型)：其基础油与普通液压油同，除加有抗氧、防锈剂外，主剂是极压抗磨剂，以减少液压件的磨损。适用于-15以上的高压、高速工程机械和车辆液压系统。其牌号有：7HM32、HM46、HM 68、HM I00 、HM 150。(3)L-HG 液压油(又名液压一导轨油 )：其基础油与普通液压油同，除普通液压油所具有的全部添加剂外，还加有油性剂，用于导轨润滑时有良好的防爬性能。适用于机床液压和导轨润滑合用的系统。(4)L-HV 液压油(又名低温液压油、稠化液压油、高粘度指数液压油) ：用深度脱蜡的精制矿物油，加抗氧、
18、抗腐、抗磨、抗泡、防锈、降凝和增粘等添加剂调合而成。其粘温特性好，有较好的润滑性，以保证不发生低速爬行和低速不稳定现象。适用于低温地区的户外高压系统及数控精密机床液压系统。(5)其它专用液压油：如航空液压油( 红油)、炮用液压油、舰用液压油等。1.4.2.2 难燃液压液难燃液压液可分为合成型、油水乳化型和高水基型三大类。(1)合成型抗燃工作液水一乙二醇液(L-HFC 液压液 )：这种液体含有 3555 的水，其余为乙二醇及各种添加剂(增稠剂、抗磨剂、抗腐蚀剂等 )。其优点是凝点低 (50)，有一定的粘性，而且粘度指数高，抗燃。适用于要求防火的液压系统，使用温度范围为- 18 65。其缺点是价格
19、高，润滑性差，只能用于中等压力(20Mpa 以下) 。这种液体密度大，所以吸入困难。水一乙二醇液能使许多普通油漆和涂料软化或脱离，可换用环氧树脂或乙烯基涂料。磷酸酯液(L-HFDR 液压液)这种液体的优点是，使用的温度范围宽(-54135)，抗燃性好，抗氧化安定性和润滑性都很好。允许使用现有元件在高压下工作。其缺点是价格昂贵( 为液压油的 58 倍) ；有毒性；与多种密封材料 (如丁氰橡胶)的相容性很差，而与丁基胶、乙丙胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯等均可相容。(2)油水乳化型抗燃工作液(L-HFB 、L-HFAE 液压液)油水乳化液是指互不相溶的油和水，使其中的一种液体以极小的液滴均匀地分散
20、在另一种液体中所形成的抗燃液体。分水包油乳化液和油包水乳化液两大类。(3)高水基型抗燃工作液(L-HFAS 液压液)这种工作液不是油水乳化液。其主体为水，占 95，其余 5为各种添加剂(抗磨剂、防锈剂、抗腐剂、乳化剂、抗泡剂、极压剂、增粘剂等) 。其优点是成本低，抗燃性好，不污染环境。其缺点是粘度低，润滑性差。2 液压泵和液压马达2.1 液压泵、马达概述2.2 齿轮泵2.3 叶片泵82.4 柱塞泵2.5 液压马达2.6 液压泵及液压马达的工作特点本章习题内容提要：本章主要内容为 液压泵和液压马达的工作原理与性能参数。齿轮式、叶片式、柱塞式液压泵。高速液压马达及低速大扭矩马达。通过本章的学习，要
21、求掌握这几种泵和马达的工作原理（泵是如何吸油、压油和配流的，马达怎样产生转速、转矩） 、结构特点、及主要性能特点；了解不同类型的泵马达之间的性能差异及适用范围，为日后正确选用奠定基础。教学内容：本章首先介绍液压泵和马达的工作原理，接着介绍了齿轮泵及齿轮马达、叶片泵及叶片马达、柱塞泵及柱塞马达的基本结构与工作原理，最后简介几种泵和马达的工作特点。教学重点：1对容积式泵和马达工作原理进行阐述，对容积式泵和马达的效率进行计算；2介绍几种泵和马达：齿轮泵及齿轮马达、叶片泵及叶片马达、柱塞泵及柱塞马达的基本结构、工作原理与效率；3简介几种泵和马达的工作特点、优缺点与应用领域。教学难点：1泵马达的基本原理
22、及效率计算； 2柱塞泵及柱塞马达基本结构与工作原理；3分析马达产生输出扭矩的方法。教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念，利用泵和马达的拆装实验，了解液压泵和马达的结构及工作原理。教学要求：重点掌握泵马达的基本原理及效率计算，了解叶片泵及叶片马达、齿轮泵及齿轮马达的基本结构与工作原理，掌握柱塞泵及柱塞马达基本结构与工作原理，掌握分析马达产生输出扭矩的方法。2.1 液压泵、马达概述2.1.1 容积式泵、马达的工作原理液压泵和液压马达都是液压传动系统中的能量转换元件。液压泵由原动机驱动，把输入的机械能转换成为油液的压力能，再以压力、流量的形式输入到系统中去，它9是液压
23、系统的动力源；液压马达则将输入的压力能转换成机械能，以扭矩和转速的形式输送到执行机构做功，是液压传动系统的执行元件。图 2.1 容积泵的工作原理在液压传动系统中，液压泵和液压马达都是容积式的，依靠容积变化进行工作。图 2.1 为容积式泵的工作原理简图，凸轮 1 旋转时，柱塞 2 在凸轮和弹簧 3 的作用下，在缸体的柱塞孔内左、右往复移动，缸体与柱塞之间构成了容积可变的密封工作腔 4。柱塞向右移动时，工作腔容积变大，产生真空，油液便通过吸油阀 5 吸入；柱塞 2 向左移动时，工作腔容积变小，已吸入的油液便通过压油阀 6 排到系统中去。在工作过程中。吸、排油阀 5、6 在逻辑上互逆，不会同时开启。
24、由此可见，泵是靠密封工作腔的容积变化进行工作的。液压马达是实现连续旋转运动的执行元件，从原理上讲，向容积式泵中输入压力油，迫使其转轴转动，就成为液压马达，即容积式泵都可作液压马达使用。但在实际中由于性能及结构对称性等要求不同，一般情况下，液压泵和液压马达不能互换。液压泵按其在单位时间内所能输出油液体积能否调节而分为定量泵和变量泵两类；按结构形式可以分为齿轮式，叶片式和柱塞式三大类；液压马达也具有相同的形式。根据工作腔的容积变化而进行吸油和排油是液压泵的共同特点，因而这种泵又称为容积泵。构成容积泵必须具备以下基本条件：（1） 结构上能实现具有密封性能的可变工作容积。（2） 工作腔能周而复始地增大
25、和减小；当它增大时与吸油口相连，当它减小时与排油口相通。（3） 吸油口与排油口不能沟通，即不能同时开启。从工作过程可以看出，在不考虑油漏的情况下，液压泵在每一工作周期中吸入或排出的油液体积只取决于工作构件的几何尺寸，如柱塞泵的柱塞直径和工作行程。在不考虑泄漏等影响时，液压泵单位时间排出的油液体积与泵密封容积变化频率成正比，也与泵密封容积的变化量成正比；在不考虑液体的压缩性时，液压泵单位时间排出的液体体积与工作压力无关。 2.1.2 液压泵、马达的基本性能参数液压泵的基本性能参数主要是指液压泵的压力、排量、流量、功率和效率等。10工作压力：指泵、马达实际工作时的压力，对泵来说，工作压力是指它的输
26、出压力；对马达来讲，则是指它的输入压力。实际工作压力取决于相应的外负载。额定压力：泵、马达在额定工况条件下按试验标准规定的连续运转的最高压力，超过此值就是过载。排量：泵、马达的轴每转一周，由其密封容腔几何体积变化所排出、吸入液体的体积，亦即在无泄漏的情况下，其轴转动一周时油液体积的有效变化量。理论流量：在单位时间内由其密封容腔几何体积变化而排出、吸入的液体体积。泵、马达的流量为其转速与排量的乘积。额定流量：指在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的流量，亦即在额定转速和额定压力下泵输出的流量。因为泵和马达存在内泄漏，油液具有压缩性，所以额定流量和理论流量是不同的。功率和效率：液压泵由原动机驱
27、动，输入量是转矩和转速，输出量是液体的压力和流量；如果不考虑液压泵、马达在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，也就是它们的理论功率是： nTpqNt2（2.1）式中： t, 液压泵、马达的理论转矩(N.m)和转速 (r/min)。,液压泵、马达的压力 (Pa)和流量( sm/3)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。两者之间的差值即为功率损失，功率损失可以分为容积损失和机械损失两部分。容积损失是因泄漏、气穴和油液在高压下压缩等造成的流量损失，对液压泵来说，输出压力增大时，泵实际输出的流量 q减小。设泵的流量损失为 lq，则 ltq。而泵的容积损
28、失可用容积效率 v来表征tltltv qq1（2.2）对液压马达来说，输入液压马达的实际流量 q必然大于它的理论流量 tq即lt，它的容积效率。 qqlltv1（2.3）机械损失是指因摩擦而造成的转矩上的损失。对液压泵来说，泵的驱动转矩总是大于其理论上需要的驱动转矩，设转矩损失为 fT，理论转矩为 tT，则泵实际输入转矩为 ftT，用机械效率 m来表征泵的机械损失，则11tffttmTT1 (2.4)对于液压马达来说，由于摩擦损失的存在，其实际输出转矩 T小于理论转矩 tT，它的机械效率 m为 tftft TT1(2.5)液压泵的总效率 是其输出功率和输入功率之比，由式（2.1） ，式（2.2
29、） ，式（2.4）可得 mv(2.6)液压马达的总效率同样也是其输出功率和输入功率之比，可由式(2.1)、式(2.3) 、式(2.5)得到与式 (2.6)相同的表达式。这就是说，液压泵或液压马达的总效率都等于各自容积效率和机械效率的乘积。事实上，液压泵、马达的容积效率和机械效率在总体上与油液的泄漏和摩擦副的摩擦损失有关，而泄漏及摩擦损失则与泵、马达的工作压力、油液粘度、泵和马达转速有关，为了更确切的表达效率与这些原始参数之间的关系，以无因次压力 vnp为变量来表示液压泵、马达的效率。图 2.2 给出了液压泵、马达无因次压力 与效率之间的关系，其中： v,分别为油液的密度和运动粘度，其余符号意义
30、同前，由图可见，在不同的无因次压力下，液压泵和马达的这些参数值相似但不相同，而在不同的转速和粘度下，液压泵和液压马达的效率值也不同的，可见液压泵、马达的使用转速、工作压力和传动介质均会影响使用效率。a)液压泵 b)液压马达图 2.2 液压泵、马达的特性曲线2.2 齿轮泵齿轮泵是一种常用的液压泵，它的主要特点是结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸性好，对油液污染不敏感，工作可靠；其主要缺点是流量和12压力脉动大，噪声大，排量不可调。齿轮泵被广泛地应用于采矿设备，冶金设备，建筑机械，工程机械，农林机械等各个行业。齿轮泵按照其啮合形式的不同，有外啮合和内啮合两种，其中外啮合齿轮泵应用较
31、广，而内啮合齿轮泵则多为辅助泵，下面分别介绍。2.2.1 外啮合齿轮泵的结构及工作原理外啮合齿轮泵的工作原理和结构如图 2.3 所示。泵主要由主、从动齿轮，驱动轴，泵体及侧板等主要零件构成。泵体内相互啮合的主、从动齿轮 2 和 3 与两端盖及泵体一起构成密封工作容积，齿轮的啮合点将左、右两腔隔开，形成了吸、压油腔，当齿轮按图示方向旋转时，右侧吸油腔内的轮齿脱离啮合，密封工作腔容积不断增大，形成部分真空，油液在大气压力作用下从油箱经吸油管进入吸油腔，并被旋转的轮齿带入左侧的压油腔。左侧压油腔内的轮齿不断进入啮合，使密封工作腔容积减小，油液受到挤压被排往系统，这就是齿轮泵的吸油和压油过程。在齿轮泵
32、的啮合过程中，啮合点沿啮合线，把吸油区和压油区分开。图 2.3 外啮合齿轮泵的工作原理1-泵体;2.主动齿轮;3-从动齿轮2.2.2 齿轮泵的流量和脉动率外啮合齿轮泵的排量可近似看作是两个啮合齿轮的齿谷容积之和，若假设齿谷容积等于轮齿体积，则当齿轮齿数为 z，模数为 m，节圆直经为 d，有效齿高为 h，齿宽为 b时，根据齿轮参数计算公式有 d， h2，齿轮泵的排量近似为bzmdhV2（2.7）实际上，齿谷容积比轮齿体积稍大一些，并且齿数越少误差越大，因此,在实际计算中用 3.333.50 来代替上式中 值，齿数少时取大值。齿轮泵的排量为bz2)76.(（2.8）由此得齿轮泵的输出流量为13vb
33、nzmq2)76.(（2.9）实际上，由于齿轮泵在工作过程中，排量是转角的周期函数，存在排量脉动，瞬时流量也是脉动的。流量脉动会直接影响到系统工作的平稳性，引起压力脉动，使管路系统产生振动和噪声。如果脉动频率与系统的固有频率一致，还将引起共振，加剧振动和噪声。若用 maxq、 in来表示最大、最小瞬时流量， 0q表示平均流量，则流量脉动率为 0inaxq（2.10）它是衡量容积式泵流量品质的一个重要指标。在容积式泵中，齿轮泵的流量脉动最大，并且齿数愈少，脉动率愈大，这是外啮合齿轮泵的一个弱点。2.2.3 齿轮泵的结构特点如图 2.4 所示，齿轮泵因受其自身结构的影响，在结构性能上其有以下特征。
34、图 2.4 齿轮泵的结构1-壳体;2.主动齿轮;3- 从动齿轮;4- 前端盖;5-后端盖;6-浮动轴套;7-压力盖2.2.3.1 困油的现象齿轮泵要平稳地工作，齿轮啮合时的重叠系数必须大于 1，即至少有一对以上的轮齿同时啮合，因此，在工作过程中，就有一部分油液困在两对轮齿啮合时所形成的封闭油腔之内，如图 2.5 所示，这个密封容积的大小随齿轮转动而变化。图 2.5(a)到 2.5(b)，密封容积逐渐减小；图 2.5(b)到 2.5(c)，密封容积逐渐增大；图 2.5（c）到 2.5（d）密封容积又会减小，如此产生了密封容积周期性的增大减小。受困油液受到挤压而产生瞬间高压，密封容腔的受困油液若无
35、油道与排油口相通，油液将从缝隙中被挤出，导致油液发热，轴承等零件也受到附加冲击载荷的作用；若密封容积增大时，无油液的补充，又会造成局部真空，使溶于油液中的气体分离出来，产生气穴，这就是齿轮泵的困油现象。困油现象使齿轮泵产生强烈的噪声，并引起振动和汽蚀，同时降低泵的容积效率，影响工作的平稳性和使用寿命。消除困油的方法，通常是在两端盖板上开卸槽，见14图 2.5（d）中的虚线方框。当封闭容积减小时，通过右边的卸菏槽与压油腔相通，而封闭容积增大时，通过左边的卸荷槽与吸油腔通，两卸荷糟的间距必须确保在任何时候都不使吸、排油相通。图 2.5 齿轮泵的困油现象及消除措施2.2.3.2 径向不平衡力在齿轮泵
36、中，油液作用在轮外缘的压力是不均匀的，从低压腔到高压腔，压力沿齿轮旋转的方向逐齿递增，因此，齿轮和轴受到径向不平衡力的作用，工作压力越高，径向不平衡力越大，径向不平衡力很大时，能使泵轴弯曲，导致齿顶压向定子的低压端，使定子偏磨，同时也加速轴承的磨损，降低轴承使用寿命。为了减小径向不平衡力的影响，常采取缩小压油口的办法，使压油腔的压力仅作用在一个齿到两个齿的范围内，同时，适当增大径向间隙，使齿顶不与定子内表面产生金属接触，并在支撑上多采用滚针轴承或滑动轴承。2.2.3.3 齿轮泵的泄漏通道及端面间隙的自动补偿在液压泵中，运动件间的密封是靠微小间隙密封的，这些微小间隙从运动学上形成摩擦副，同时，高
37、压腔的油液通过间隙向低压腔的泄漏是不可避免的；齿轮泵压油腔的压力油可通过三条途经泄漏到吸油腔去：一是通过齿轮啮合线处的间隙齿侧间隙，二是通过泵体定子环内孔和齿顶间的径向间隙齿顶间隙，三是通过齿轮两端面和侧板间的间隙端面间隙。在这三类间隙中，端面间隙的泄漏量最大，压力越高，由间隙泄漏的液压油就愈多。因此，为了提高齿轮泵的压力和容积效率，实现齿轮泵的高压化，需要从结构上来取措施，对端面间隙进行自动补偿。通常采用的自动补偿端面间隙装置有：浮动轴套式和弹性侧板式两种，其原理都是引入压力油使轴套或侧板紧贴在齿轮端面上，压力愈高，间隙愈小，可自动补偿端面磨损和减小间隙。齿轮泵的浮动轴套是浮动安装的，轴套外
38、侧的空腔与泵的压油腔相通，当泵工作时，浮动轴套受油压的作用而压向齿轮端面，将齿轮两侧面压紧，从而补偿了端面间隙。2.2.4 内啮合齿轮泵内啮合齿轮泵有渐开线齿形和摆线齿形两种，其结构示意可见图 2.6。这两种内15啮合齿轮泵工作原理和主要特点皆同于外啮合齿轮泵。在渐开线齿形内啮合齿轮泵中，小齿轮和内齿轮之间要装一块月牙隔板，以便把吸油腔和压油腔隔开，如图 2.6（a） ；摆线齿形啮合齿轮泵又称摆线转子泵，在这种泵中，小齿轮和内齿轮只相差一齿，因而不需设置隔板，如图 2.6（b） 。内啮合齿轮泵中的小齿轮是主动轮，大齿轮为从动轮，在工作时大齿轮随小齿轮同向旋转。图 2.6 内啮合齿轮泵1-吸油腔
39、，2.压油腔，3- 隔板内啮合齿轮泵的结构紧凑，尺寸小，重量轻，运转平稳，噪声低，在高转速工作时有较高的容积效率。但在低速、高压下工作时，压力脉动大，容积效率低，所以一般用于中、低压系统。在闭式系统中，常用这种泵作为补油泵。内啮合齿轮泵的缺点是齿形复杂，加工困难，价格较贵，且不适合高速高压工况。2.3 叶片泵叶片泵有单作用式和双用式两大类，它输出流量均匀，脉动小，噪声小，但结构较复杂，对油液的污染比较敏感。2.3.1 单作用叶片泵2.3.1.1 工作原理图 2.7 为单作用叶片泵的工作原理，泵由转 2、定子 3、叶片 4 和配流盘等件组成。定子的内表面是圆柱面，转子和定子中心之间存在着偏心，叶
40、片在转子的槽内可灵活滑动，在转子转动时的离心力以及叶片根部油压力作用下，叶片顶部贴紧在定子内表面上，于是，两相邻叶片、配油盘、定子和转子便形成了一个密封的工作腔。当转子按图示方向旋转时，图右侧的叶片向外伸出，密封工作腔容积逐渐增大，产生真空，油液通过吸油口 5、配油盘上的吸油窗口进入密封工作腔；而在图的左侧，叶片往里缩进，密封腔的容积逐渐缩小，密封腔中的油液排往配油盘排油窗口，经排油口 1 被输送到系统中去。这种泵在转子转一转的过程中，吸油、压油各一次，故称单作用叶片泵。从力学上讲，转子上受有单方向的液压不平衡作用力，故又称非平衡式泵，其轴16承负载大。若改变定子和转子间的偏心距的大小，便可改
41、变泵的排量，形成变量叶片泵。图 2.7 单作用叶片泵工作原理1-压油口;2. 转子;3- 定子;4-叶片;5-吸油口2.3.1.2 单作用叶片泵的平均流量计算单作用叶片泵的平均流量可以用图解法近似求出，图 2.8 为单作用叶片泵平均流量计算原理图。假定两叶片正好位于过渡区 ab位置，此时两叶片间的空间容积为最大，当转子沿图示方向旋转 弧度，转到定子 cd位置时，两叶片间排出容积为 V的油液；当两叶从 cd位置沿图示方向再旋转 弧度，回到 位置时，两叶片间又吸满了容积为 V的油液。由此可见，转子旋转一周，两叶片间排出油液容积为 。当泵有 z个叶片时。就排出 z块与 V相等的油液容积，若将各块容积
42、加起来，就可以近似为环形体积，环形的大半经为 eR，环形的小半径为 eR，因此，单作用叶片油泵的理论排量为 B4)()(222.11单作用叶片泵的流量为 vBnVqRe42.12图 2.8 单作用叶片泵的流量计算原理1o-转子中心； r-转子半径； 2o-定子中心； R-定子半径； e-偏心距； B-转子宽17度单作用叶片泵的叶片底部小油室和工作油腔相通。当叶片处于吸油腔时，它和吸油腔相通，也参加吸油，当叶片处于压油腔时，它和压油腔相通，也向外压油，叶片底部的吸油和排油作用，正好补偿了工作油腔中叶片所占的体积，因此叶片对容积的影响可不考虑。2.3.1.3 单作用叶片泵和变量原理就变量叶片泵的变
43、量工作原理来分,有内反馈式和外反馈式两种。（1） 限压式内反馈变量叶片泵内反馈式变量泵操纵力来自泵本身的排油压力，内反馈式变量叶片泵配流盘的吸，排油窗口的布置如图 2.9。由于存在偏角 ，排油压力对定子环的作用力可以分解为垂直于轴线 1o的分力 F1 及与之平行的调节分力 F2，调节分力 F2 与调节弹簧的压缩恢复力、定子运动的摩擦力及定子运动的惯性力相平衡。定子相对于转子的偏心距、泵的排量大小可由力的相对平衡来决定，变量特性曲线如图 2.10 所示。图 2.9 变量原理图 2.10 变量特特性曲线1-最大流量调节螺钉；2.弹簧预压缩量调节螺钉；3- 叶片；4-转子；5-定子当泵的工作压力所形
44、成的调节分力 F2 小于弹簧预紧力时，泵的定子环对转子的偏心距保持在最大值，不随工作压力的变化而变，由于泄漏，泵的实际输出流量随其压18力增加而稍有下降，如图 2.10 中 AB；当泵的工作压力超过 Bp值后，调节分力 F2 大于弹簧预紧力，随工作压力的增加，力 F2 增加，使定子环向减小偏心距的方向移动，泵的排量开始下降。当工作压力到达 Cp时，与定子环的偏心量对应的泵的理论流量等于它的泄漏量，泵的实际排出流量为零，此时泵的输出压力为最大。改变调节弹簧的预紧力可以改变泵的特性曲线，增加调节弹簧的预紧力使 Bp点向右移，BC 线则平行右移。更换调节弹簧，改变其弹簧刚度，可改变 BC 段的斜率，
45、调节弹簧刚度增加，BC 线变平坦，调节弹簧刚度减弱，BC 线变徒。调节最大流量调节螺钉，可以调节曲线 A 点在纵座标上的位置。内反馈式变量泵利用泵本身的排出压力和流量推动变量机构，在泵的理论排量接近零工况时，泵的输出流量为零，因此便不可能继续推动变量机构来使泵的流量反向，所以内馈式变量泵仅能用于单向变量。（2） 限压式外反馈变量叶片泵图 2.11 为外反馈限压式变量叶片泵的工作原理，它能根据泵出口负载压力的大小自动调节泵的排量。图中转子 1 的中心是固定不动的，定子 3 可沿滑块滚针轴承 4 左右移动。定子右边有反馈柱塞 5，它的油腔与泵的压油腔相通。设反馈柱塞的受压面积为 xA，则作用在定子
46、上的反馈力 xpA小于作用在定子上的弹簧力 xF时，弹簧 2 把定子推向最右边，柱塞和流量调节螺钉 6 用以调节泵的原始偏心 0e，进而调节流量，此时偏心达到预调值 0e，泵的输出流量最大。当泵的压力升高到 xpA 时，反馈力克服弹簧预紧力，推定子左移距离 x，偏心减小，泵输出流量随之减小。压力愈高，偏心愈小，输出流量也愈小。当压力达到使泵的偏心所产生的流量全部用于补偿泄漏时，泵的输出流量为零，不管外负载再怎样加大，泵的输出压力不会再升高，所以这种泵被称为外反馈限压式变量叶片泵。图 2.11 外反馈限压式变量叶片泵1-转子；2.弹簧；3-定子；4-滑块滚针支承；5-反馈柱塞；6-流量调节螺钉下
47、面对外反馈限压式变量叶片泵的变量特性分析如下：19设泵转子和定子间的最大偏心距为 maxe，此时弹簧的预压缩量为 0x，弹簧刚度为xk，泵的偏心预调值为 0e，当压力逐渐增大，使定子开始移动时压力为 p，则有)(0ax0kApx（2.13）当泵压力为 时，定子移动了 距离，也即弹簧压缩量增加 x，这时的偏心量为e0（2.14）如忽略泵在滑块滚针支承出的摩擦力 fF，泵定子的受力方程为 )(0max00kApx（2.15）由此（2.13）得； )(0ax00ex（2.16）泵的实际输出流量为 pkeql（2.17）式中： qk泵的流量增益；l泵的泄漏系数。当 xpA F时，定子左移，泵的流量减小
48、。由式（2.14） ；式（2.15）式（2.17）得 pkAexkqqlxxq)()(ma0（2.19）外反馈限压式变量叶片泵的静态特性曲线参见图 2.10，不变量的 AB 段与式（2.18）相对应，压力增加时，实际输出流量因压差泄漏而减少；BC 段是泵的变量段，与式（2.19）相对应，这一区段内泵的实际流量随着压力增大而迅速下降，叶片泵处变量泵工况，B 点叫做曲线的拐点，拐点处的压力 0pB值主要由弹簧预紧力确定，并可以由式（2.16）算出。限压式变量叶片泵对既要实现快速行程，又要实现保压和工作进给的执行元件来说是一种合适的油源；快速行程需要大的流量，负载压力较低，正好使用其 AB 段曲线部
49、分；保压和工作进给时负载压力升高，需要流量减小，正好使用其 BC 段曲线部分。2.3.2 双作用叶片泵202.3.2.1 工作原理图 2.12 为双作用叶片泵的工作原理图，它的作用原理和单作用叶片泵相似，不同之处只在于定子内表面是由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和四段过渡曲线组成，且定子和转子是同心的，在图 2.12 中，当转子顺时针方向旋转时，密封工作腔的容积在左上角和右下角处逐渐增大，为吸油区，在左下角和右上角处逐渐减小，为压油区；吸油区和压油区之间有一段封油区将吸、压油区隔开。这种泵的转子每转一转，每个密封工作腔完成吸油和压油动作各两次，所以称为双作用叶片泵。泵的两个吸油区和两个压油区是径向对称的，作用在转子上的压力径向平衡，所以又称为平衡式叶片泵。图 2.12 双作用叶片泵工作原理1-定子；2.压油口；3-转子；4- 叶片；5-吸油口2.3.2.2 双作用叶片泵的平均流量计算；双作用叶片泵平均流量的计算方法和单作用叶片泵相同，也可以近似化为环形体积来计算。图 2.13 为双作用叶片泵平均流量计
