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1、湖北理工学院 1 本章提要 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。 2 2.1 2.1 液压泵、马达概述液压泵、马达概述 T 泵的输入参量泵的输入参量 转矩 T 角速度 泵的泵的符号符号 泵 p Q 输出参量输出参量 流量 Q 压力 p 3 2.1 2.1 液压泵、马达概述液压泵、马达概述 T 输出参量输
2、出参量 转矩 T 角速度 马达的符号马达的符号 马达 p Q 马达的输入参量马达的输入参量 流量 Q 压力 p 4 2.1 2.1 液压泵、马达概述液压泵、马达概述 2.1.1 2.1.1 容积式泵、马达的工作原理容积式泵、马达的工作原理 B A C O 泵吸入 泵排出 5 由此可见，泵是靠密封工作腔的容积变化进行工作的。 柱塞向左移动时，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。 凸轮1旋转时，当柱塞向右移动，工作腔容积变大，产生 真空，油液便通过吸油阀5吸入； 6 液压泵和液压马达工作的必需条件： （1）必须有一个大小能作周期性变化的封闭容积 ； （2）必须有配流动作，即
3、封闭容积加大时吸入低压油 封闭容积减小时排出高压油 封闭容积加大时充入高压油 封闭容积减小时排出低压油 （3）高低压油不得连通。 液压泵 液压马达 7 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，它是 液压系统的动力源。 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 。 液压输出 J 液压马达 液压泵 机械输入 液压输入 机械输出 8 液压输出 J 液压马达 液压泵 机械输入 液压输入 机械输出 液压马达是实现连续旋转运动的执行元件，从
4、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。 9 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。 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。 从工作过程可以看出，在不考虑漏油的情况下 ，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。 10 2.1.2 液压
5、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。 工作压力：指泵（马达）实际工作时的压力。泵指输出 压力；马达指输入压力。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。 每弧度排量 ：泵（马达）每转一弧度所排出（吸入） 液体的体积，也称角排量。 每转排量 ：无内外泄漏时，泵（马达）每转一周所排 出（吸入）液体的体积。 11 （2.1） 理论流量 ：无内外泄漏时，单位时间内泵（马达） 排出（吸入）液体的体积。泵、马达的流量为其转速与排量 的乘积，即 。 额定流量 ：在额
6、定转速和额定压力下泵输出（马达输 入）的流量，也是按试验标准规定必须保证的流量。由于泵 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：液压泵由原动机驱动，输入量是转矩 和 角速度 ，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： 12 式中： 液压泵、马达的压力和理论流量。 液压泵、马达的理论转矩(N.m)和转速(r/min) 。 , 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。 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
7、、气穴和油液在高压下压缩等造成的 流量损失。 机械损失是指因摩擦而造成的转矩上的损失。 （2.1） 13 对液压泵来说，输出压力增大时，泵实际输出的流量 减 小。设泵的流量损失 为，则 。 泵的容积损失可用容积效率 来表征。 泵容积损失 14 泵容积损失 : d = 理想泵 P 泵的角度排量 d V Vq T = = w w /() )( d t V q t t P T t 15 对液压马达来说，输入液压马达的实际流量 必然大于它 的理论流量 即 ，它的容积效率为： （2.3） 马达容积损失马达容积损失 16 马达容积损失马达容积损失 : d = 理想马达 P 马达的角度排量 d V Vq T
8、 = = w w /() )( d t V q t P T t t 17 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 ，理论转矩为 ，则泵实际输入转矩 为 ，用机械效率 来表征泵的机械损失，则 机械机械损失损失 18 泵的机械泵的机械损失损失 液压泵的总效率 等于其容积效率和机械效率的乘积： （2.6） 19 马达的机械损失 对于液压马达来说，由于摩擦损失的存在，其实际输出转矩 小于理论转矩 ，它的机械效率为 （2.5） 20 马达的机械损失 液压马达的总效率等于其容积效率和机械效率的乘积。 液压泵、马达的容积效率和机械
9、效率在总体上与油液的 泄漏和摩擦副的摩擦损失有关。 （2.6） 21 图2.2 液压泵、马达的能量传递方框图 : d = 理想马达 P 马达的角度排量 d V Vq T = = w w /() )( d t V q t P T t t 22 22 齿轮泵 齿轮泵是一种常用的液压泵，它的主要优点优点是结构简 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压力缺点是流量和压力 脉动大，噪声大，排量不可调。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、工程机械和农林机械等各个行业。 齿轮泵按照其啮合形式的不同，有
10、外啮合外啮合和内啮合内啮合两 种，外啮合齿轮泵应用较广，内啮合齿轮泵则多为辅助泵 。 23 221 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； 排量、流量； 外啮合齿轮泵的流量脉动； 外啮合齿轮泵的问题和结构特点。 24 221 外啮合齿轮泵的结构及工作原理 泵主要由主、从动 齿轮，驱动轴，泵体及 侧板等主要零件构成。 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 泵体内相互啮合的 主、从动齿轮与两端盖 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。 25 当齿轮按图示方向旋转时 ，右侧吸油腔内的轮齿脱离啮 合，密封腔容积
11、不断增大，构 成吸油并被旋转的轮齿带入左 侧的压油腔。 26 左侧压油腔内的轮齿不 断进入啮合，使密封腔容积 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。 27 222 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 ， 模数为 ，节圆直径为 ，有效齿高为 ，齿宽为时 ，根据 齿轮参数计算公式有 ， ，齿轮泵的排量近似为 （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。 （2.8） 由此得齿轮泵的输出流量
12、为 （2.9） 28 大 29 齿轮泵的流量脉动 若用 、 来表示最大、最小瞬时流量， 表示 平均流量，则流量脉动率为 （2.10） 上式是齿轮泵的平均流量。实际上，在齿轮啮合过 程中，排量是转角的周期函数，因此瞬时流量是脉动 的。脉动的大小用脉动率表示。 （2.9） 流量脉动率是衡量容积式泵流量品质的一个重要指标。 30 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。 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。 齿轮泵的流量脉动 31 223 齿轮泵的结构特点 32 2.2.3.1 困油的现象 图2.5 齿轮
13、泵的困油现象及消除措施 AB间的死容积 逐步减小 AB间的死容积 逐步增大 AB间的死容积 达到最大 齿轮啮合时的重叠系数必大于1，故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，这个密封容积的大小随 齿轮转动而变化，形成困油。 33 AB间的死容积 逐步减小 AB间的死容积 逐步增大 AB间的死容积 达到最大 困油现象 轮齿间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
14、气穴。 34 2.2.3.1 困油的现象 图2.5 齿轮泵的困油现象及消除措施 容积减小时 与压油侧相通 容积增大时 与吸油侧相通 卸荷槽 35 2.2.3.2 径向不平衡力 在齿轮泵中，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。 压力越高，径向不平衡力越大，它能使泵轴弯曲， 使定子偏磨，加速轴承的磨损，降低轴承使用寿命。 常采取缩小压油口的办法减 小径向不平衡力。 36 2.2.3.3 齿轮泵的泄漏通道及端面间隙的自动补偿 齿轮泵压油腔的压力油可通过三条途经泄漏到吸油腔去： 在这三类间 隙中，端面间隙 的
15、泄漏量最大， 压力越高，由间 隙泄漏的液压油 就愈多。 三是通过齿轮两端面和侧板间的间隙端面间隙 二是通过泵体定子环内孔和齿顶间的径向间隙齿顶间隙 一是通过齿轮啮合线处的间隙齿侧间隙 37 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 。 原理： 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。 浮动轴套式 38 224 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 图见图2.6。 图2.6 内啮合齿轮
16、泵 1 吸油腔，2 压油腔，3 隔板 39 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）。 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，2 压油腔，3 隔板 主动小齿轮 压油窗口 吸油窗口 月牙板 从动内齿轮 40 图2.6 内啮合齿轮泵 1 吸油腔，2 压油腔，3 隔板 主动小齿轮 压油窗口 吸油窗口 从动内齿轮 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）。 41 内啮合齿轮泵的结构紧凑，尺寸小，
