第4章液壓泵和液壓馬達

會計學1第4章液壓泵和液壓馬達液壓泵的基本工作原理及分類(2/2)

按照結(jié)構形式的不同，液壓泵可分為齒輪式、葉片式、柱塞式和螺桿式等類型；按密封工作腔容積變化量能否調(diào)節(jié)，液壓泵又分為定量式和變量式兩類。液壓泵的一般圖形符號如圖4.2（a）所示，液壓馬達的一般圖形符號如圖4.2（b）所示。

圖4.2液壓泵和液壓馬達圖形符號第1頁/共63頁1.液壓泵的基本性能參數(shù)

（1）壓力液壓泵的壓力參數(shù)主要是工作壓力和額定壓力。（a）工作壓力它是指液壓泵在實際工作時輸出油液的壓力值，即泵出油口處壓力值，也稱為系統(tǒng)壓力。此壓力取決于系統(tǒng)中阻止液體流動的阻力。阻力（負載）增大，工作壓力升高；反之則工作壓力降低。泵的最大工作壓力是由其組成部分零件的結(jié)構強度和密封好壞來決定的，隨著泵工作壓力的提高，它的泄漏量增大，效率降低。（b）額定壓力它是指在保證液壓泵的容積效率、使用壽命和額定轉(zhuǎn)速的前提下，泵連續(xù)長期運轉(zhuǎn)時允許使用的壓力最大限定值。它是泵在正常工作的條件下，按試驗標準規(guī)定能連續(xù)運轉(zhuǎn)的最高壓力。當泵的工作壓力超過額定壓力時，就會過載。§4.2

液壓泵的基本性能參數(shù)和特性第2頁/共63頁液壓泵的基本性能參數(shù)(2/5)(2)流量和排量由液壓泵的密封容腔幾何尺寸變化計算而得到的液壓泵每轉(zhuǎn)排出液體的體積，稱為液壓泵的排量V。在工程上，它可以用在無泄漏的情況下，液壓泵軸每轉(zhuǎn)所排出的液體體積來表示，常用單位為mL/r。由液壓泵的密封容腔幾何尺寸變化計算而得到的液壓泵在單位時間內(nèi)排出液體的體積，稱為液壓泵的理論流量qt。它等于液壓泵排量V和轉(zhuǎn)速n的乘積，即（4.1）液壓泵在工作時的輸出流量稱為液壓泵的實際流量q。這時的流量必須考慮到液壓泵的泄漏。液壓泵在額定轉(zhuǎn)速和額定壓力下輸出的流量稱為液壓泵的額定流量qn。由于液壓泵存在泄漏，所以液壓泵的實際流量和額定流量都小于理論流量。

第3頁/共63頁液壓泵的基本性能參數(shù)(3/5)(3)功率液壓泵的輸入能量為機械能，其表現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速ω；液壓泵的輸出能量為液壓能，表現(xiàn)為壓力p和流量q。液壓缸的輸入能量為液壓能，其表現(xiàn)為壓力p和流量q；液壓缸的輸出能量為機械能，表現(xiàn)為力F和速度。以泵－缸系統(tǒng)為例，液壓泵的輸入功率Pi為（4.2）液壓泵的輸出功率Po為（4.3）當忽略能量轉(zhuǎn)換及輸送過程中的損失時，液壓泵的輸出功率應該等于輸入功率，即液壓泵的理論功率為（4.4）式中——液壓泵的轉(zhuǎn)動角速度（rad/s）；

Tt——液壓泵的理論轉(zhuǎn)矩（N·m）。

第4頁/共63頁液壓泵的基本性能參數(shù)(4/5)(4)效率液壓泵由于存在泄漏，因此它的實際輸出流量q為（4.6）

q和ql都與液壓泵的工作壓力p有關，ql隨p的升高而加大，從而導致q隨p的升高而減小。液壓泵實際流量與理論流量的比值，稱為容積效率，以v表示（4.7）由于液壓泵內(nèi)零件之間的間隙很小，泄漏油液的流態(tài)可以看做是層流，所以泄漏量ql和液壓泵的工作壓力p成正比關系，即（4.8）故又有（4.9）

第5頁/共63頁液壓泵的基本性能參數(shù)(5/5)

液壓泵由于存在機械摩擦（相對運動零件之間的摩擦及液體的粘性摩擦），因此它的實際輸入轉(zhuǎn)矩Ti必然大于理論轉(zhuǎn)矩Tt。液壓泵理論轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩的比值，稱為機械效率，以m表示（4.10）或根據(jù)式（4.4），將代入上式，得（4.11）因此，液壓泵的總效率可寫成（4.12）

第6頁/共63頁

由圖可見，液壓泵的理論流量不隨液壓泵的壓力變化。由于液壓泵的泄漏量隨壓力升高而增大，所以液壓泵的實際輸出流量q隨壓力的升高而降低，而容積效率也隨之降低?？傂书_始隨壓力p的增大很快上升，達到最大值后，又逐步下降。由容積效率和總效率這兩條曲線的變化，可以看出2.液壓泵特性曲線

機械效率的變化情況。液壓泵在低壓時，機械摩擦損失在總損失中所占的比重較大，其機械效率很低。隨著工作壓力的提高，機械效率很快提高。在達到某一值后，機械效率大致保持不變，從而表現(xiàn)出總效率曲線幾乎和容積效率曲線平行下降的變化規(guī)律。圖4.4液壓泵特性曲線第7頁/共63頁§4.3

齒輪泵1.齒輪泵的工作原理

外嚙合齒輪泵的工作原理和結(jié)構如圖4.5所示。泵體1內(nèi)有一對互相嚙合的外齒輪2和3，齒輪的兩端由端蓋密封。這樣由泵體、齒輪的各個齒槽和端蓋形成了多個密封工作腔，同時輪齒的嚙合線又將左右兩腔隔開，形成了吸、壓油腔。

當齒輪按圖示方向旋轉(zhuǎn)時，右側(cè)吸油腔內(nèi)的輪齒相繼脫離嚙合，密封工作腔容積不斷增大，形成部分真空，在大氣壓力作用下經(jīng)吸油管從油箱吸進油液，并被旋轉(zhuǎn)的輪齒齒間槽帶入左側(cè)。左側(cè)壓油腔由于輪齒不斷進入嚙合，使密封工作腔容積減小，油液受到擠壓被輸出送往系統(tǒng)。這就是齒輪泵的吸油和壓油過程。在齒輪泵的嚙合過程中，嚙合點沿嚙合線移動，這樣就把吸油區(qū)和壓油區(qū)分開。圖4.5外嚙合齒輪泵工作原理1－泵體；2－主動齒輪；3－從動齒輪

第8頁/共63頁2.齒輪泵的排量和流量

外嚙合齒輪泵的排量可近似看作是兩個嚙合齒輪的齒槽容積之和。若假設齒槽容積等于輪齒體積，則當齒輪齒數(shù)為z、模數(shù)為m、節(jié)圓直徑為d（其值等于mz）、有效齒高為h（其值等于2m）、齒寬為b時，齒輪泵的排量近似值為（4.13）實際上，齒槽容積比輪齒體積稍大一些，并且齒數(shù)越少差值越大，因此需用3.33~3.50來代替上式中的值（齒數(shù)少時，取大值），以補償誤差。即齒輪泵的排量為（4.14）由此得齒輪泵的輸出流量為（4.15）

第9頁/共63頁齒輪泵的排量和流量(2/2)

實際上，由于齒輪泵在工作過程中嚙合點沿嚙合線移動，使其工作油腔的容積變化率是不均勻的。因此，齒輪泵的瞬時流量是脈動的。流量脈動會直接影響到系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性，引起壓力脈動，使管路系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲。如果脈動頻率與系統(tǒng)的固有頻率一致，還將引起共振，加劇振動和噪聲。若用qmax和qmin表示最大、最小瞬時流量，q表示平均流量，則流量脈動率σ可用下式表示（4.16）它是衡量容積式泵流量品質(zhì)的一個重要指標。在容積式泵中，齒輪泵的流量脈動最大，并且齒數(shù)愈少，脈動率愈大。這是外嚙合齒輪泵的一個缺點。所以，齒輪泵一般用于對工作平穩(wěn)性要求不高的場合，要求平穩(wěn)性高的高精度機械不宜采用齒輪泵。第10頁/共63頁3.齒輪泵結(jié)構分析(1)困油現(xiàn)象齒輪泵要平穩(wěn)地工作，齒輪嚙合的重合度必須大于1，即有兩對輪齒同時嚙合的時刻，因此，就會有一部分油液困在兩對輪齒所形成的封閉容積之內(nèi)，如圖4.8所示。這個封閉容積先隨齒輪轉(zhuǎn)動逐漸減?。ㄓ蓤D4.8（a）到圖4.8（b）），然后又逐漸增大（由圖4.8（b）到圖4.8（c））。

圖4.8齒輪泵困油現(xiàn)象及其消除措施

第11頁/共63頁齒輪泵結(jié)構分析(2/5)

封閉容積減小，會使被困油液受擠壓而產(chǎn)生高壓，并從縫隙中流出，導致油液發(fā)熱，軸承等機件也受到附加的不平衡負載作用；封閉容積的增大又會造成局部真空，使溶于油液中的氣體分離出來，產(chǎn)生氣穴，這就是齒輪泵的困油現(xiàn)象。困油現(xiàn)象使齒輪泵產(chǎn)生強烈的噪聲并引起振動和氣蝕，降低泵的容積效率，影響工作的平穩(wěn)性，縮短使用壽命。消除困油的方法，通常是在兩端蓋板上開卸荷槽（圖4.8（d）中的虛線），使封閉容積減小時，通過右邊的卸荷槽與壓油腔相通；封閉容積增大時，通過左邊的卸荷槽與吸油腔相通。兩卸荷槽的間距必須確保在任何時候都不使吸油腔和壓油腔相通。

第12頁/共63頁齒輪泵結(jié)構分析(3/5)(2)徑向不平衡力在齒輪泵中，液體作用在齒輪外緣的壓力是不均勻的，從低壓腔到高壓腔，壓力沿齒輪旋轉(zhuǎn)的方向逐齒遞增，因此齒輪和軸受到徑向不平衡力的作用。工作壓力越高，徑向不平衡力也越大。徑向不平衡力很大時，能使泵軸彎曲，導致齒頂接觸泵體，產(chǎn)生摩擦；同時也加速軸承的磨損，降低軸承使用壽命。為了減小徑向不平衡力的影響，常采取縮小壓油口的辦法，使壓油腔的壓力油僅作用在一個齒到兩個齒的范圍內(nèi)；同時適當增大徑向間隙，使齒頂不和泵體接觸。

第13頁/共63頁(3)端面泄漏及端面間隙的自動補償齒輪泵壓油腔的壓力油可通過三條途徑泄漏到吸油腔去：一是通過齒輪嚙合線處的間隙；二是通過泵體內(nèi)孔和齒頂間的徑向間隙；三是通過齒輪兩端面和蓋板間的端面間隙。在這三類間隙中，端面間隙的泄漏量最大。液壓泵的壓力越高，由間隙泄漏的液壓油就愈多，因此，一般齒輪泵只用于低壓系統(tǒng)。為減小泄漏，用減小間隙的方法并不能取得好的效果，因為在泵經(jīng)過一段時間運轉(zhuǎn)后，由于磨損而使間隙變大，泄漏又會增加。為提高齒輪泵的壓力和容積效率，需要從結(jié)構上采取措施，對端面間隙進行自動補償。齒輪泵結(jié)構分析(4/5)第14頁/共63頁齒輪泵結(jié)構分析(5/5)

通常采用的自動補償端面間隙裝置有浮動軸套式和彈性側(cè)板式兩種。浮動軸套式齒輪泵的浮動軸套是浮動安裝的，軸套外側(cè)的空腔與泵的壓油腔相通。所引入壓力油使軸套或側(cè)板緊貼在齒輪側(cè)端面上，泵輸出的壓力愈高，貼得愈緊，因而自動補償端面磨損和減小間隙。當泵工作時，浮動軸套受油壓的作用而壓向齒輪端面，將齒輪兩側(cè)面壓緊，從而補償了端面間隙。

1－殼體；2－主動齒輪；3－從動齒輪；4－前端蓋；5－后端蓋；6－浮動軸套；7－壓力盤第15頁/共63頁4.內(nèi)嚙合齒輪泵

內(nèi)嚙合齒輪泵有漸開線齒形和擺線齒形兩種，其結(jié)構示意可見圖4.9。這兩種內(nèi)嚙合齒輪泵的工作原理和主要特點皆同于外嚙合齒輪泵。在漸開線齒形內(nèi)嚙合齒輪泵中，小齒輪和內(nèi)齒輪之間要裝一塊月牙隔板，以便把吸油腔和壓油腔隔開，如圖4.9（a）。擺線齒形內(nèi)嚙合齒輪泵又稱擺線轉(zhuǎn)子泵，在這種泵中，小齒輪和內(nèi)齒輪只相差一齒，因而不需設置隔板，如圖4.9（b）。內(nèi)嚙合齒輪泵中的小齒輪是主動輪。

圖4.9內(nèi)嚙合齒輪泵1－吸油腔；2－壓油腔；3－隔板第16頁/共63頁內(nèi)嚙合齒輪泵(2/2)

內(nèi)嚙合齒輪泵的結(jié)構緊湊，尺寸小，質(zhì)量小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，在高轉(zhuǎn)速工作時有較高的容積效率。但在低速高壓下工作時，壓力脈動大，容積效率低，所以一般用于中低壓系統(tǒng)。在閉式系統(tǒng)中，常用這種泵作為補油泵。內(nèi)嚙合齒輪泵的缺點是：齒形復雜，加工困難，價格較貴。第17頁/共63頁§4.4

葉片泵1.雙作用葉片泵的工作原理

圖4.10所示為雙作用葉片泵的工作原理。定子的兩端裝有配流盤，定子3的內(nèi)表面曲線由兩段大半徑圓弧、兩段小半徑圓弧以及四段過渡曲線組成。定子3和轉(zhuǎn)子2的中心重合。在轉(zhuǎn)子2上沿圓周均布開有若干條（一般為12或16條）與徑向成一定角度（一般為13）的葉片槽，槽內(nèi)裝有可自由滑動的葉片。在配流盤上，對應于定子四段過渡曲線的位置開有四個腰形配流窗口，其中兩個與泵吸油口4連通的是吸油窗口；另外兩個與泵壓油口1連通的是壓油窗口。圖4.10雙作用葉片泵的工作原理1－壓油窗口；2－轉(zhuǎn)子；3－定子；4－吸油窗口第18頁/共63頁雙作用葉片泵的工作原理(2/2)

當轉(zhuǎn)子2在傳動軸帶動下轉(zhuǎn)動時，葉片在離心力和底部液壓力（葉片槽底部始終與壓油腔相通）的作用下壓向定子3的內(nèi)表面，在葉片、轉(zhuǎn)子、定子與配流盤之間構成若干密封空間。當葉片從小半徑曲線段向大半徑曲線滑動時，葉片外伸，這時所構成的密封容積由小變大，形成部分真空，油液便經(jīng)吸油窗口吸入；而處于從大半徑曲線段向小半徑曲線滑動的葉片縮回，所構成的密封容積由大變小，其中的油液受到擠壓，經(jīng)過壓油窗口壓出。這種葉片泵每轉(zhuǎn)一周，每個密封容腔完成兩次吸、壓油過程，故這種泵稱為雙作用葉片泵。同時，泵中兩吸油區(qū)和兩壓油區(qū)各自對稱，使作用在轉(zhuǎn)子上的徑向液壓力互相平衡，所以這種泵又被稱為平衡式葉片泵或雙作用卸荷式葉片泵。這種泵的排量不可調(diào)，因此它是定量泵。第19頁/共63頁

由圖4.10可知，泵軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，從吸油窗口流向壓油窗口的液體體積為大半徑為R，小半徑為r，寬度為b的圓環(huán)的體積。因為是雙作用泵，所以雙作用葉片泵的排量為（4.17）則泵的實際輸出流量為（4.18）式中b——葉片的寬度（m）。葉片體積對排量無影響。因為在壓油腔，葉片縮回排出的液體體積補償了葉片在壓油腔所占的體積。2.雙作用葉片泵排量和流量第20頁/共63頁

如不考慮葉片厚度，在一定的條件下，則理論上雙作用葉片泵無流量脈動。這是因為在壓油區(qū)位于壓油窗口的葉片不會造成它前后兩個工作腔之間的隔絕不通（圖4.10），此時，這兩個相鄰的工作腔已經(jīng)連成一體，形成了一個組合的密封工作腔。隨著轉(zhuǎn)子的勻速轉(zhuǎn)動，位于大、小半徑圓弧處的葉片均在圓弧上滑動，因此組合密封工作腔的容積變化率是均勻的。實際上，由于存在制造工藝誤差，兩圓弧有不圓度，也不可能完全同心；其次，葉片有一定的厚度，根部又連通壓油腔，葉片底槽在吸油區(qū)時，消耗壓力油，但在壓油區(qū)時，壓力油又被壓出，同樣會造成了流量脈動。由理論分析和實驗表明，雙作用葉片泵的脈動率在葉片數(shù)為4的整數(shù)倍且大于8時最小，故雙作用葉片泵的葉片數(shù)通常取為12或16。雙作用葉片泵排量和流量(2/2)第21頁/共63頁

（a）定子過渡曲線定子內(nèi)表面的曲線由四段圓弧和四段過渡曲線組成（見圖4.10）。理想的過渡曲線不僅應使葉片在槽中滑動時的徑向速度和加速度變化均勻，而且應使葉片轉(zhuǎn)到過渡曲線和圓弧交接點處的加速度突變不大，以減小沖擊和噪聲。目前雙作用葉片泵一般都使用綜合性能較好的等加速、等減速曲線或高次曲線作為過渡曲線。3.雙作用葉片泵結(jié)構特點第22頁/共63頁

（b）葉片安放角如圖4.11所示，葉片在壓油區(qū)工作時，它們均受定子內(nèi)表面推力的作用不斷縮回槽內(nèi)。當葉片在轉(zhuǎn)子中徑向安放時，定子表面對葉片作用力的方向與葉片沿槽滑動的方向所成的壓力角β較大，因而葉片在槽內(nèi)運動時所受到的摩擦力也較大，使葉片滑動困難，甚至被卡住或折斷。為了解決這一矛盾，可以將葉片不按徑向安放，而是順轉(zhuǎn)向前傾一個角度θ，這時的壓力角就是。壓力角的減小有利于葉片在槽內(nèi)的滑動，所以雙作用葉片泵轉(zhuǎn)子的葉片槽常做成向前傾斜一個安放角θ。在葉片前傾安放時，葉片泵的轉(zhuǎn)子就不允許反轉(zhuǎn)。雙作用葉片泵結(jié)構特點(2/6)圖4-11雙作用葉片泵葉片傾角第23頁/共63頁

上述的葉片安放形式不是絕對的，實踐表明，通過配流孔道以后的壓力油引入到葉片根部后，其壓力值小于葉片頂部所受的壓油腔壓力，因此在壓油區(qū)推壓葉片縮回的力除了定子內(nèi)表面的推力之外，還有液壓力（由頂部壓力與根部壓力之差引起），所以上述壓力角過大使葉片難以縮回的推理就不十分確切。目前，有些葉片泵的葉片作徑向安放仍能正常工作。（c）端面間隙的自動補償葉片泵同樣存在著泄漏問題，特別是端面的泄漏。為了減少端面泄漏，采取的間隙自動補償措施是將配流盤的外側(cè)與壓油腔連通，使配流盤在液壓推力作用下壓向定子。泵的工作壓力愈高，配流盤就會愈加貼緊定子。同時，配流盤在液壓力作用下發(fā)生變形，亦對轉(zhuǎn)子端面間隙進行自動補償。雙作用葉片泵排量和流量(3/6)第24頁/共63頁

（d）提高工作壓力的主要措施雙作用葉片泵轉(zhuǎn)子所承受的徑向力是平衡的，因此工作壓力的提高不會受到這方面的限制。同時泵采用配流盤對端面間隙進行補償后，泵在高壓下工作也能保持較高的容積效率。雙作用葉片泵工作壓力的提高，主要受葉片與定子內(nèi)表面之間磨損的限制。前面已經(jīng)提到，為了保證葉片頂部與定子內(nèi)表面緊密接觸，所有葉片的根部都是與壓油腔相通的。當葉片處于吸油區(qū)時，其根部作用著壓油腔的壓力，頂部卻作用著吸油腔的壓力，這一壓力差使葉片以很大的力壓向定子內(nèi)表面，加速了定子內(nèi)表面的磨損。當泵的工作壓力提高時，這個問題就更顯突出，所以必須在結(jié)構上采取措施，使吸油區(qū)葉片壓向定子的作用力減小。雙作用葉片泵排量和流量(4/6)第25頁/共63頁

可以采取的措施有多種，下面介紹在高壓葉片泵中常用的雙葉片結(jié)構和子母葉片結(jié)構。雙葉片結(jié)構。如圖4.12所示，在轉(zhuǎn)子2的每一槽內(nèi)裝有兩片葉片1，葉片的頂端和兩側(cè)面的倒角構成V形通道，使根部壓力油經(jīng)過通道進入頂部（圖中未標出通油孔道），這樣，葉片頂部和根部壓力相等，但承壓面積并不一樣，從而使葉片1壓向定子3的作用力不致過大。雙作用葉片泵排量和流量(5/6)

圖4.12雙葉片結(jié)構

1－葉片；2－轉(zhuǎn)子；3－定子

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子母葉片結(jié)構。子母葉片又稱復合葉片，如圖4.13所示。母葉片1的根部L腔經(jīng)轉(zhuǎn)子2上的油孔始終和頂部油腔相通，而子葉片4和母葉片1之間的小腔C通過配流盤經(jīng)K槽總是接通壓力油。當葉片在吸油區(qū)工作時，推動母葉片1壓向定子3的力僅為小腔C的油壓力，此力不大，但能使葉片與定子接觸良好，保證密封。雙作用葉片泵排量和流量(6/6)

圖4.13子母葉片結(jié)構1－母葉片；2－轉(zhuǎn)子；3－定子；4－子葉片第27頁/共63頁

將兩個雙作用葉片泵的主要工作部件裝在一個泵體內(nèi)，同軸驅(qū)動，并在油路上實現(xiàn)二泵并聯(lián)工作，就構成雙聯(lián)葉片泵。雙聯(lián)葉片泵有兩個各自獨立的出油口，在使用時，兩泵的輸出流量可以分開工作，也可以合并使用。雙聯(lián)葉片泵多用于機床進給系統(tǒng)，這時的雙聯(lián)泵采用一小流量泵和一大流量泵進行組合。當執(zhí)行機構帶動工作部件作輕載快進或快退時，可以使小流量和大流量兩泵同時供給低壓油；當重載慢速工進時，高壓小流量泵單獨供油，大流量泵輸出的油在極低的壓力下流回油箱，實現(xiàn)卸荷。系統(tǒng)中采用雙聯(lián)泵可以節(jié)省功率損耗，減少油液發(fā)熱。4.雙聯(lián)葉片泵第28頁/共63頁5.單作用葉片泵(1)單作用葉片泵的工作原理圖4.14為單作用葉片泵工作原理圖。與雙作用葉片泵明顯不同的是，單作用葉片泵的定子內(nèi)表面是一個圓形，轉(zhuǎn)子與定子間有一偏心量e，兩端的配流盤上只開有一個吸油窗口和一個壓油窗口。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時，每一葉片在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)往復滑動一次，每相鄰兩葉片間的密封容腔容積發(fā)生一次增大和縮小的變化，容積增大時通過吸油窗口吸油，容積減小時通過壓油窗口將油擠出。

圖4.14單作用葉片泵工作原理1－壓油口；2－轉(zhuǎn)子；3－定子；4－葉片；5－吸油口第29頁/共63頁單作用葉片泵(2/10)

由于這種泵在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周過程中，每個密封容腔容積吸油壓油各一次，故稱為單作用葉片泵。又因這種泵的轉(zhuǎn)子受有不平衡的液壓作用力，故又稱不平衡式葉片泵。由于軸和軸承上的不平衡負荷較大，因而使這種泵工作壓力的提高受到了限制。改變定子和轉(zhuǎn)子間的偏心距e值，可以改變泵的排量，因此單作用葉片泵是變量泵。第30頁/共63頁單作用葉片泵(3/10)(2)單作用葉片泵的排量和流量單作用葉片泵的葉片轉(zhuǎn)到吸油區(qū)時，葉片根部與吸油窗口連通，轉(zhuǎn)到壓油區(qū)時，葉片根部與壓油窗口連通。因此，葉片的厚度對排量計算無影響。如圖4.15所示，當單作用葉片泵的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，每兩相鄰葉片間的密封容積變化量為V1-V2。圖4.15單作用葉片泵排量計算第31頁/共63頁單作用葉片泵(4/10)

若近似把AB和CD看作是中心為O1的圓弧，當定子內(nèi)徑為D時，此二圓弧的半徑即分別為（D/2+e）和（D/2-e）。設轉(zhuǎn)子直徑為d，葉片寬度為b，葉片數(shù)為z，則有因排量V=(V1-V2)z，故將以上兩式代入排量公式，并加以整理，即得泵的排量近似表達式為（4.19）泵的實際流量為（4.20）上式也表明，只要改變偏心距e，即可改變泵的輸出流量。單作用葉片泵的定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑都為圓柱面，由于偏心安置，其容積變化是不均勻的，因此有流量脈動。理論分析表明，葉片數(shù)為奇數(shù)時脈動率較小，而且泵內(nèi)的葉片數(shù)越多，流量脈動率就越小。考慮到上述原因和結(jié)構上的限制，一般葉片數(shù)為13或15。第32頁/共63頁單作用葉片泵(5/10)(3)單作用葉片泵的結(jié)構特點（a）為了調(diào)節(jié)泵的輸出流量，需移動定子位置，以改變偏心距e。（b）徑向液壓作用力不平衡，因此限制了工作壓力的提高。單作用葉片泵的額定壓力一般不超過7MPa；（c）存在困油現(xiàn)象。由于定子和轉(zhuǎn)子兩圓柱面偏心安置，當相鄰兩葉片同時在吸、壓油窗口之間的密封區(qū)內(nèi)工作時，封閉容腔會產(chǎn)生困油現(xiàn)象。為了消除困油現(xiàn)象帶來的危害，通常在配流盤壓油窗口邊緣開三角形卸荷槽。（d）葉片后傾。單作用葉片泵葉片傾角安裝得主要矛盾不在壓油腔，而在吸油腔。因為單作用葉片泵在壓油區(qū)的葉片根部通壓力油而在吸油區(qū)的葉片根部不通壓力油而與吸油口連通，為了使吸油區(qū)的葉片能在離心力的作用下順利甩出，葉片采取后傾一個角度安放。通常后傾角為24°。第33頁/共63頁(4)限壓式變量葉片泵（a）外反饋式變量葉片泵的工作原理。圖4.16為外反饋限壓式變量葉片泵工作原理圖。轉(zhuǎn)子2的中心O1是固定的，定子3可以左右移動，在限壓彈簧5的作用下，定子3被推向左端，使定子中心O2和轉(zhuǎn)子中心O1之間有一初始偏心量e0。它決定了泵的最大流量qmax。定子3的左側(cè)裝有反饋液壓缸6，其油腔與泵出口相通。單作用葉片泵(6/10)圖4.16外反饋限壓式變量葉片泵工作原理1－最大流量調(diào)節(jié)螺釘；2－轉(zhuǎn)子；3－定子；4－限定壓力調(diào)節(jié)螺釘；5－限壓彈簧；6－反饋液壓缸第34頁/共63頁單作用葉片泵(7/10)

在泵工作過程中，液壓缸6的活塞對定子3施加向右的反饋力pA（A為液壓缸6活塞的有效作用面積）。若泵的工作壓力達到pB值時，定子所受的液壓力與彈簧力相平衡，有pBA=kx0（k為彈簧剛度，為彈簧的預壓縮量），這里pB稱為泵的限定壓力。當泵的工作壓力p<pB時，pA<kx0，定子e0不動，最大偏心距保持不變，泵的流量也維持最大值qmax；當泵的工作壓力p>pB時，pA>kx0。限壓彈簧被壓縮，定子右移，偏心距減小，泵的流量也隨之迅速減小。第35頁/共63頁

（b）內(nèi)反饋變量葉片泵的工作原理。內(nèi)反饋變量葉片泵的工作原理與外反饋式相似，但是，泵的偏心距的改變不是依靠外反饋液壓缸，而是依靠內(nèi)反饋液壓力的直接作用。內(nèi)反饋式變量葉片泵配流盤的吸、壓油窗口布置如圖4.17所示，由于存在偏角θ，壓油區(qū)的壓力油對定子3的作用力F在平行于轉(zhuǎn)子、定子中心連線O1O2的方向有一分力Fx。隨著液壓泵工作壓力p的升高，F(xiàn)x也增大。當Fx大于限壓彈簧5的預緊力kx0時，定子3就向右移動，減小了定子和轉(zhuǎn)子的偏心距，從而使流量相應變小。單作用葉片泵(8/10)圖4.17內(nèi)反饋限壓式變量葉片泵工作原理1－最大流量調(diào)節(jié)螺釘；2－轉(zhuǎn)子；3－定子；4－限定壓力調(diào)節(jié)螺釘；5－限壓彈簧

第36頁/共63頁單作用葉片泵(9/10)

（c）限壓式變量葉片泵的流量壓力特性。限壓式變量葉片泵的流量壓力特性曲線如圖4.18所示。曲線表示泵工作時流量隨壓力變化的關系。當泵的工作壓力小于pB時，其流量變化用斜線表示，它和水平線（理論流量qt）的差值Δq為泄漏量。此階段的變量泵相當于一個定量泵，AB稱定量段曲線。點B為特性曲線的拐點，其對應的壓力pB就是限定壓力，它表示泵在原始偏心距e0時，可達到的最大工作壓力。當泵的工作壓力超過pB以后，限壓彈簧被壓縮，偏心距被減小，流量隨壓力增加而急劇減小，其變化情況用變量段曲線BC表示。C點所對應的壓力pC為極限壓力（又稱截止壓力）。圖4.18限壓式變量葉片泵特性曲線第37頁/共63頁單作用葉片泵(10/10)

泵的最大流量由最大流量調(diào)節(jié)螺釘1調(diào)節(jié)，它可改變限壓式變量葉片泵特性曲線中A點的位置，使AB線段上下平移。泵的限定壓力由限定壓力調(diào)節(jié)螺釘4調(diào)節(jié)，它可改變特性曲線中B點的位置，使BC線段左右平移。若改變彈簧剛度k，則可改變BC線段的斜率。為得到較好的動作靈敏度，可配置不同的彈簧，以滿足實際需要。限壓式變量葉片泵的特點是：第一，流量可以自動地改變來適應于負載的實際需要，有利于系統(tǒng)節(jié)省能量；第二，可降低系統(tǒng)的工作溫度，延長液壓油液和密封圈的使用壽命；第三，在系統(tǒng)中可以使用較小的油箱，可不用溢流閥或單向閥，從而簡化液壓傳動系統(tǒng)。限壓式變量葉片泵常用于執(zhí)行機構需要有快慢速要求的液壓傳動系統(tǒng)中。第38頁/共63頁§4.5

柱塞泵

柱塞泵是依靠柱塞在缸體內(nèi)往復運動，使密封工作容腔容積發(fā)生變化來實現(xiàn)吸、壓油的。由于柱塞與缸體內(nèi)孔均為圓柱表面，因此加工方便，配合精度高，密封性能好。同時，柱塞泵主要零件處于受壓狀態(tài)，使材料強度性能得到充分利用，故柱塞泵常做成高壓泵。此外，只要改變柱塞的工作行程，就能改變泵的排量，易于實現(xiàn)單向或雙向變量。所以，柱塞泵具有壓力高、結(jié)構緊湊、效率高及流量調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，常用于需要高壓大流量和流量需要調(diào)節(jié)的液壓傳動系統(tǒng)中，如龍門刨床、拉床、液壓機、起重機械等設備的液壓傳動系統(tǒng)。柱塞泵按柱塞排列方向的不同，可分為軸向柱塞泵和徑向柱塞泵兩類。第39頁/共63頁1.軸向柱塞泵的工作原理

軸向柱塞泵的柱塞軸向安排在缸體中。軸向柱塞泵按其結(jié)構特點，分為斜盤式和斜軸式兩類。下面以圖4.19中的斜盤式為例來說明軸向柱塞泵的工作原理。泵由斜盤1、柱塞2、缸體3、配流盤4等主要零件組成。斜盤和配流盤固定不動。在缸體上有若干個沿圓周均布的軸向孔，孔內(nèi)裝有柱塞。傳動軸5帶動缸體3、柱塞2一起轉(zhuǎn)動。柱塞2在機械裝置或低壓油的作用下，使柱塞頭部和斜盤1靠緊；同時缸體3和配流盤4也緊密接觸，起密封作用。當缸體3按圖示方向轉(zhuǎn)動時，使柱塞2在缸體3內(nèi)作往復運動，各柱塞與缸體間的密封容積便發(fā)生增大或減小的變化，通過配流盤4上的弧形吸油窗口a和壓油窗口b實現(xiàn)吸油和壓油。第40頁/共63頁軸向柱塞泵的工作原理(2/2)

如果改變斜盤1傾角γ的大小，就能改變柱塞2的行程，這也就改變了軸向柱塞變量泵的排量。如果改變斜盤1傾角的方向，就能改變吸、壓油方向，這時就成為雙向變量軸向柱塞泵。圖4.19軸向柱塞泵工作原理1－斜盤；2－柱塞；3－缸體；4－配流盤；5－傳動軸第41頁/共63頁2.軸向柱塞泵的排量和流量

若柱塞數(shù)目為z，柱塞直徑為d，柱塞孔的分布圓直徑為D，斜盤傾角為γ（見圖4.19），當缸體轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，泵的排量為（4.21）則泵的實際輸出流量為（4.22）實際上，柱塞泵的輸出流量是脈動的。當柱塞數(shù)為奇數(shù)時，脈動率σ較小。故柱塞泵的柱塞數(shù)一般都為奇數(shù)，從結(jié)構和工藝性考慮，常取z=7或z=9。第42頁/共63頁3.軸向柱塞泵的結(jié)構特點(1)缸體端面間隙的自動補償由圖4.19可見，使缸體緊壓配流盤端面的作用力，除機械裝置或彈簧的推力外，還有柱塞孔底部臺階面上所受的液壓力，此液壓力比彈簧力大得多，而且隨泵的工作壓力增大而增大。由于缸體始終受力緊貼著配流盤，就使端面間隙得到了自動補償。第43頁/共63頁(2)滑履結(jié)構在斜盤式軸向柱塞泵中，若各柱塞以球形頭部直接接觸斜盤而滑動，這種泵稱為點接觸式軸向柱塞泵，點接觸式軸向柱塞泵在工作時由于柱塞球頭與斜盤平面理論上為點接觸，因而接觸應力大，極易磨損，故只適用于低壓（MPa）。一般軸向柱塞泵都在柱塞頭部裝一滑履（見圖4.20）?；氖前挫o壓支承原理設計的，缸體中的壓力油經(jīng)柱塞球頭中間小孔流入滑履油室，使滑履和斜盤間形成液體潤滑，改善了柱塞頭部和斜盤的接觸情況。使用這種結(jié)構的軸向柱塞泵壓力可達32MPa以上，流量也可以很大。這樣，就有利于軸向柱塞泵在高壓下工作。軸向柱塞泵的結(jié)構特點(2/3)圖4.20滑履結(jié)構第44頁/共63頁(3)變量結(jié)構在變量軸向柱塞泵中均設有專門的變量機構，用來改變斜盤傾角γ的大小，以調(diào)節(jié)泵的排量。軸向柱塞泵的變量方式有多種，其變量機構的結(jié)構型式亦多種多樣。這里只簡要介紹手動變量機構的工作原理。圖4.21所示的是手動伺服變量機構結(jié)構簡圖。該機構由缸筒1、活塞2和伺服閥組成。圖4.21手動伺服變量機構1－缸筒；2－活塞；3－伺服閥軸向柱塞泵的結(jié)構特點(3/3)第45頁/共63頁

圖4.22為斜軸式軸向柱塞泵工作原理圖。傳動軸5相對于缸體3有一傾角γ，柱塞2與傳動軸圓盤之間用相互鉸接的連桿4相連。當傳動軸5沿圖示方向旋轉(zhuǎn)時，連桿4就帶動柱塞2連同缸體3一起轉(zhuǎn)動，柱塞2同時也在缸體孔內(nèi)作往復運動，使柱塞孔底部的密封腔容積不斷發(fā)生增大和減小的變化，通過配流盤1上的窗口a和b實現(xiàn)吸油和壓油。4.斜軸式軸向柱塞泵圖4.22斜軸式軸向柱塞泵工作原理1－配流盤；2－柱塞；3－缸體；4－連桿；5－傳動軸a－吸油窗口；b－壓油窗口第46頁/共63頁5.徑向柱塞泵

圖4.23是徑向柱塞泵的結(jié)構簡圖。由圖可見，徑向柱塞泵的柱塞徑向安排在缸體轉(zhuǎn)子上。在轉(zhuǎn)子2（缸體）上徑向均勻分布著數(shù)個孔，孔中裝有柱塞5。轉(zhuǎn)子2的中心與定子1的中心之間有一個偏心量。在固定不動的配流軸3上，相對于柱塞孔的部位有相互隔開的上、下兩個缺口，此兩缺口又分別通過所在部位的兩個軸向孔與泵的吸、壓油口連通。當轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)時，柱塞5在離心力（或低壓油）作用下，它的頭部與定子1的內(nèi)表面緊緊接觸，由于轉(zhuǎn)子2與定子1存在偏心，所以柱塞5在隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，又在柱塞孔內(nèi)作徑向往復滑動。當轉(zhuǎn)子2按圖示箭頭方向旋轉(zhuǎn)時，上半周的柱塞皆往外滑動，柱塞底部的密封工作容腔容積增大，于是通過配流軸軸向孔和上部開口吸油；下半周的柱塞皆往里滑動，柱塞孔內(nèi)的密封工作腔容積減小，于是通過配流軸軸向孔和下部開口壓油。第47頁/共63頁

當移動定子改變偏心量e的大小時，泵的排量就得到改變；當移動定子使偏心量從正值變?yōu)樨撝禃r，泵的吸、壓油腔就互換。因此徑向柱塞泵可以做成單向或雙向變量泵。為使流量脈動率盡可能小，通常采用奇數(shù)柱塞數(shù)。徑向柱塞泵的徑向尺寸大，結(jié)構較復雜，自吸能力差，并且配流軸受到徑向不平衡液壓力的作用，易于磨損，這些都限制了它的轉(zhuǎn)速和壓力的提高。徑向柱塞泵(2/2)圖4.23徑向柱塞泵工作原理1－定子；2－轉(zhuǎn)子；3－配流軸；4－襯套；5－柱塞；a－吸油腔；b－壓油腔第48頁/共63頁

螺桿泵實質(zhì)上是一種外嚙合式擺線齒輪泵。在螺桿泵內(nèi)的螺桿可以有兩根，也可以有三根。圖4.24是三螺桿泵的工作原理。在泵體內(nèi)安裝三根螺桿，中間的主動螺桿3是右旋凸螺桿，兩側(cè)的從動螺桿1是左旋凹螺桿。三根螺桿的外圓與泵體的對應弧面保持著良好的配合，螺桿的嚙合線把主動螺桿3和從動螺桿1的螺旋槽分割成多個相互隔離的密封工作腔。隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，密封工作腔可以一個接一個地在左端形成，不斷從左向右移動。但其容積不變，因此可以形成均勻而平穩(wěn)的輸出流量?！?.6

螺桿泵圖4.24螺桿泵1－從動螺桿；2－吸油口；3－主動螺桿；4－壓油口第49頁/共63頁螺桿泵(2/2)

主動螺桿每轉(zhuǎn)一周，每個密封工作腔便移動一個導程。最左面的一個密封工作容腔容積逐漸增大，因而吸油；最右面的容積逐漸減小，則將油壓出。螺桿直徑愈大，螺旋槽愈深，泵的排量就愈大；螺桿愈長，吸油口和壓油口之間的密封層次愈多，泵的額定壓力就愈高。螺桿泵主要優(yōu)點是：結(jié)構簡單緊湊，體積小，質(zhì)量小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸油量均勻，噪聲小，容許采用高轉(zhuǎn)速，容積效率較高（可達0.95），對油液的污染不敏感。因此，螺桿泵在精密機床等設備中應用日趨廣泛。螺桿泵的主要缺點是：螺桿齒形復雜，加工較困難，不易保證精度。第50頁/共63頁§4.7

各類液壓泵的性能比較及應用

一般在負載小、功率小的機械設備中，可用齒輪泵、雙作用葉片泵；精度較高的機械設備（如磨床）可用螺桿泵、雙作用葉片泵；在負載較大并有快速和慢速工作行程的機械設備（如組合機床）中可使用限壓式變量葉片泵；對負載大、功率大的機械設備（如龍門刨床、拉床），可使用柱塞泵；而在機械設備的輔助裝置（如送料、夾緊等不重要的地方）可使用價廉的齒輪泵。第51頁/共63頁§4.8

液壓馬達

液壓馬達和液壓泵在結(jié)構上基本相同，并且也是靠密封容積的變化來工作的。常見的液壓馬達也有齒輪式、葉片式和柱塞式等幾種主要形式。馬達和泵在工作原理上是互逆的，當向泵輸入壓力油時，其軸輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩則成為馬達。但由于二者的功能和要求有所不同，而實際結(jié)構細節(jié)也有所差異，故有少數(shù)泵能直接做馬達使用。如圖4.25所示，當壓力油輸入液壓馬達時，處于壓力腔（進油腔）的柱塞2被頂出，壓在斜盤1上。設斜盤1作用在柱塞2上的反力為FN，可分解為兩個分力，F(xiàn)和FT。圖4.25軸向柱塞式液壓馬達工作原理1－斜盤；2－柱塞；3－缸體第52頁/共63頁1.液壓馬達的主要性能參數(shù)(1)工作壓力和額定壓力馬達入口油液的實際壓力稱為馬達的工作壓力。馬達入口壓力和出口壓力的差值稱為馬達的工作壓差。在馬達出口直接連接油箱的情況下，為便于定性分析問題，通常近似認為馬達的工作壓力就等于工作壓差。馬達在正常工作條件下，按試驗標準規(guī)定連續(xù)運轉(zhuǎn)的最高壓力稱為馬達的額定壓力。與泵相同，馬達的額定壓力亦受泄漏和零件強度的制約，超過此值時就會過載。

(2)流量和排量馬達軸每轉(zhuǎn)一周，由其密封容腔幾何尺寸變化計算而得的液體體積稱為馬達的排量。馬達密封容腔容積變化所需要的流量稱為馬達的理論流量。馬達入口處所需的流量稱為馬達的實際流量。實際流量和理論流量之差即為馬達的泄漏量。第53頁/共63頁(3)轉(zhuǎn)速和容積效率馬達的理論輸出轉(zhuǎn)速n等于輸入馬達的流量qt與排量V的比值，即（4.23）因馬達實際存在泄漏，由實際流量q計算轉(zhuǎn)速n時，應考慮到馬達的容積效率v。當液壓馬達的泄漏流量為ql時，則馬達的實際流量為q=qt+ql

。這時，液壓馬達的容積效率為：則馬達的實際輸出轉(zhuǎn)速為：（4.24）液壓馬達的主要性能參數(shù)(2/5)第54頁/共63頁(4)轉(zhuǎn)矩和機械效率設馬達的出口壓力為零，入口壓力即工作壓力為p，排量為V，則馬達的理論輸出轉(zhuǎn)矩Tt有與泵相同的表達形式，即（4.25）因馬達實際上存在著機械摩擦，故在計算實際輸出轉(zhuǎn)矩應考慮機械效率m。當液壓馬達的轉(zhuǎn)矩損失為Tl，則馬達的實際轉(zhuǎn)矩為T=Tt-Tl。這時，液壓馬達的機械效率為則馬達的實際輸出轉(zhuǎn)矩為：

（4.26）液壓馬達的主要性能參數(shù)(3/5)第55頁/共63頁(5)功率和總效率馬達的輸入功率Pi為：

（4.27）馬達的輸出功率Po為：

（4.28）馬達的總效率即為：