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1、第三章 液压泵和液压马达,3.1 概述泵是将原动机的机械能传递给液体，从而使液体的压力、速度、位置得以提高的元件。按其工作原理可分为涡轮式和容积式。涡轮式泵：机械能转化为动能，低压大流量作业，输送液体，例如水泵。容积式泵：原动机的机械能主要转化成液体的静压能，使用于高压小流量作业，因此常用于各种控制目的，即使系统的负载有变化，输出流量不变。类型： 根据结构的不同，泵有齿轮泵、叶片泵、阀式活塞泵，径向柱塞泵、轴向柱塞泵和螺杆泵。马达：将输入油液的能量转化成为马达轴旋转运动的机械能而输出的元件。属液压执行元件，从原理上讲，泵和马达可换，但工作要求不同，结构有差异。,3.2 齿轮泵和齿轮马达,齿轮泵
2、的结构简单，造价低廉，工作可靠，体积小，重量轻，对油液污染不太敏感。缺点流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调。故应用广泛在低压系统中，但也在不断的改善。一、齿轮泵的工作原理和组成1. 组成：三片式结构 端盖、泵体和啮合齿轮。,3-1,第三章 液压泵和液压马达,2. 齿轮泵的工作原理 主动齿轮反时针旋转，带动被动齿轮顺时针旋转。在吸油腔一侧，由于齿轮逐渐退出啮合，吸油腔容积增大，形成部分真空，油箱中的油液在外界大气压的作用下，经吸油管而进入吸油腔并填满齿间。随着油泵的旋转，每个齿间的油液被送到压油腔。在压油腔齿轮逐渐进入啮合，容积减小，压力增大，油液被压入系统去工作。齿顶间隙所形成的容积不参与吸
3、排油，侧间隙和端间隙越小越好。图3-2 介绍原理。,3-2,第三章 液压泵和液压马达,可见，节圆直径一定时，齿数越少排量越大，这对于减少齿轮的尺寸重量是有利的。当然，减少齿数要受到根切的限制，同时还要考虑实际情况时，系统对油泵流量波动的要求。一般Z为9、11、13。,第三章 液压泵和液压马达,二、齿轮泵的瞬时流量,根据以上得到的齿轮泵排量公式可求得齿轮泵的理论流量（平均流量）:须知这样求得的流量是平均流量。事实上齿轮泵在工作中，随着齿轮所处的不同位置，其瞬时流量是不同的。如在某时间内压油腔容积变化dV，则瞬时流量dV/dt是各处不同的，这一瞬时流量的变化现象称为液压泵的流量波动。流量波动将导致
4、执行组件工作速度不平稳，而且会引起压油管内的压力波动，从而导致系统机械振动和噪音的增加，这对于高性能要求的液压系统显然是不利的。因而了解流量波动的大小和频率，对于正确选用液压泵以设计出满足要求的液压传动系统是非常必要的。,第三章 液压泵和液压马达,第三章 液压泵和液压马达,齿轮泵的瞬时流量则为： 式中: 齿顶圆半径 ； x啮合点至主动齿轮圆心的距离 ； y啮合点至被动齿轮圆心的距离 。 由上式可见，由于啮合点沿啮合线变化，所以x、y值随啮合点的变化也在变化，这样瞬间流量当然也随啮合点的变化而变化。同时可知，当一对齿退出啮合而另一对齿进入啮合后，瞬时流量将重复变化一次。,为讨论方便，将x、y两个
5、变量有啮合点至节点的距离f置换，将齿顶圆半径用节 圆半径和齿顶高置换，则可得外啮合齿轮泵瞬间流量公式为:由此可知，在结构参数B、R、h及转速一定时，啮合点与节点重 合即f=0时瞬时流量最大，而当开始啮合和退出啮合时， （ 为啮合点在啮合线上走过的长度），此时瞬时流量最小。由于齿轮啮合时重合系数1，即当一对尚未退出啮合时，下一对齿已进入啮合状态，于是在两对齿之间形成闭死容积，使前对齿失去排油能力，此时瞬时流量由后一对齿决定，因此在曲线上形成有一段的流量突然下降。,第三章 液压泵和液压马达,第三章 液压泵和液压马达,衡量流量波动性亦即流量品质的指标:流量波动系数:对常用的外啮合齿轮泵:流量波动频率
6、: 由以上讨论可知，齿轮泵的流量品质主要决定于齿数，齿数越多则系数越小而频率越大，也即是流量品质越好。为轻型化 ，齿数少，波动大。,三、齿轮泵结构上的问题,（一）困油现象及消除措施1. 产生的原因及现象 为了保证齿轮泵流量连续及高低压腔严格密封，必须使重合系数大于1，一般1.05-1.2。当前一对齿没有脱开啮合时，后一对齿已进入啮合，便形成一个与吸排油腔均不相通的封闭容积，切随齿轮转动而移动。把这个封闭容积称为困油区。当后一对齿刚进入啮合时困油区容积最大（下图a）,随着A、B两点的移动，困油区逐渐减小，当A、B两点对称地分布于节点两侧时困油区容积最小。,3-3,3-4,第三章 液压泵和液压马达
7、,2. 危害 困油区由大到小：产生很大的压力，这个力在齿轮转一转时重复出现的次数等于齿数，产生冲击困油区由小到大：困油区真空度增加，容易产生气蚀并增加噪音。3.解决办法 开卸荷槽。卸荷槽的形式多种多样，而卸荷原理基本相同，即当封闭容积有大边小时，通过一个卸荷槽使其与压油腔相通；而当封闭容积由小变大时，通过另一个卸荷槽使其与吸油腔相通。注意：两卸荷槽的配置必须保证在任何时候都不能使压油腔与吸油腔通过困油区而相互沟通，同时要有效地卸荷。图1-3为齿轮端面的轴承座圈上开长方形卸荷槽，对称布置，图1-3c为长方形卸荷槽非对称布置（偏向吸油腔一侧），适应于齿侧间隙较小的情况。,第三章 液压泵和液压马达,
8、（二） 齿轮泵的泄露和端面补偿,1.轴向间隙泄露:指齿轮端面与轴承底圈或盖板之间的间隙泄露。占总泄露量的7580%。2. 径向间隙泄露:指齿顶与壳体内圆柱表面之间的间隙泄露。占总泄露量的1520%。3.通过啮合点上的泄漏:由于啮合点在全部齿宽上不能全部接触，所以也可产生泄露，占45%。,第三章 液压泵和液压马达,第三章 液压泵和液压马达,由此可见，要提高齿轮泵的压力，必须要减小端面泄露，一般采用齿轮端面间隙自动补偿的办法。图1-4所示端面间隙的补偿原理。利用特制的通道把泵内压油腔的压力油引到轴承外侧，作用在（用密封圈分隔构成）一定形状和大小的面积上，产生液压作用力，使轴套压向齿轮端面。这个力必
9、须大于齿轮端面作用在轴承内侧的作用力，才能保证在各种压力下，轴承始终自动贴紧齿轮端面，减小泵内通过端面的泄露，达到提高压力的目的。减小泄露办法：轴向自动补偿，浮动轴套和侧板变形（有的加弹簧）。,图3-5 齿轮泵内补偿轴向间隙用的浮动轴承 原则：1.压紧力必须大于推力，压紧力=推开力+P。P不能过小（不起作用）；不能过大（加剧磨损）；2.压力和推力作用线一致，产生力偶；3.磨损后还能起作用。,第三章 液压泵和液压马达,（三）径向力不平衡现象,产生的原因：径向不平衡由三方面造成：1.液体压力产生的径向力 同压油腔接触的周长为L1受压油腔压力作用；同吸油腔接触的周长为L2受吸油腔压力作用；同壳体接触
10、的周长为L3受一个沿圆周从低到高压线性变化的压力作用，三个力合力即FP大致指向吸油腔一侧。2.齿轮传递力矩时产生的径向力FM，对主动齿轮合力减小；从动齿轮相反。3.困油现象消除不良产生作用在轴上的径向力。造成的危害：这些液体压力综合作用的合力，相当于给齿轮一个径向的作用力（即不平衡力），使齿轮和轴承受载。工作压力越大，径向不平衡力也约大。当径向不平衡力很大时，能使轴弯曲，齿顶与壳体内表面产生接触，同时加速轴承的磨损，降低轴承的寿命。 F被更大有时多达几吨，作用在轴承上影响泵的压力不能太高，8-16MP。,第三章 液压泵和液压马达,3.解决的办法：(1) 减小压油口的直径，使压力油仅作用在1-2
11、个齿之间。(2)增大泵体内表面与齿顶圆间隙。(3)开压力平衡槽。,3-8,3-7,图 3-6 油压和传动产生径向力,第三章 液压泵和液压马达,四、液压马达,工作原理：液压作用在齿面上推动齿轮旋转，由于啮合点的半径小于齿顶圆半径形成扭矩，合并输出。从性能上分为高速马达和低速马达，三片式补偿不能用，因引入高压油的方向不同，不能轻易将油泵变成马达。结构与马达基本相同，但因工作过程一般要求低速大扭矩，直接用高速泵时需变速箱减速。为了简化机构，直接驱动工作部件，另行设计。,第三章 液压泵和液压马达,3.3 基本参数的计算及特性,一、排量、流量和容积效率排量q:是指在没有泄露和吸油充分的理想情况下，泵轴每
12、转所排出的液压体积。它仅取决与液压泵每转一转所有密封工作腔的容积变化量，与液压泵的结构及几何参数有关。q值可在有关液压泵的样品本中查到。有时也用每弧度排量表示排量，在计算时要注意两者的区别。理论流量:是指在不考虑泄漏的情况下，单位时间内液压泵所输出的液压体积，则：,第三章 液压泵和液压马达,第三章 液压泵和液压马达,实际流量:是指在一定的出口压力下，液压泵在单位时间内实际输出到系统去的液压体积。当液压泵在一定出口压力下工作时，出口的压力油总是不可避免地经过间隙向液压泵进口的低压区泄漏，这就使得实际输出流量总小于理论流量。设泄漏流量为则:因泄漏而产生的损失称容积损失。定义液压泵的容积效率为：,Q
13、,根据缝隙泄漏流量公式可知，泄露量取决于液压泵本身结构（间隙大小，泄漏通道长度等）、液压泵出口压力和所使用油液黏度。可见对于一个现有的泵来说，出口压力越大、油液粘度越低则泵的容积效率越低。而要提高液压泵的液压效率，则主要应改善液压泵本身的结构，如尽量减小配合间隙等。,第三章 液压泵和液压马达,二、工作压力、扭矩和机械效率,1.工作压力 是指液压泵工作时出口的实际压力，它取决与执行组件上所承受负载的大小和系统回路上的压力损失。2.吸入压力 泵进口处的压力；3.额定压力 正常工作连续运转的最高压力；4.最高允许压力 按实验标准规定超过额定压力值允许短暂运行的最高压力.,第三章 液压泵和液压马达,液
14、压泵出口压力到齿轮到轴，泵轴在转动时必须克服的扭矩。图3-9 扭矩分析这公式适用于所有容积式液压泵。因为液压泵在工作时，有关构件之间有不可避免的摩擦力存在，其中包括与运动速度有关的粘性摩擦力，与正压力有关的摩擦力，与密封装置有关的恒值摩擦力等，这些力也形成传动轴上的阻力矩之和，即实际扭矩为：,第三章 液压泵和液压马达,定义机械效率为：,第三章 液压泵和液压马达,三、马达基本参数,液压马达与液压泵的基本参数的计算大致相同，区别在于泄漏量、扭矩损失与理论流量和理论扭矩的关系。,第三章 液压泵和液压马达,第三章 液压泵和液压马达,五、液压泵的工作特性,1. 转速特性 由 知，流量和转速是线性关系，即
15、角速度越大，流量越大。实际上，当油泵出口保持某一定值压力时，输出流量Q与转速一开始正比变化，但当转速超过 以后，流量与转速就不成正比变化了，随着转速进一步提高，输出流量反而呈下降趋势。这主要是由于密封容积变化速度太快，吸入的油液来不及填满变化的容积，即出现所谓“空吸现象”造成的。“空吸现象”的出现抵消了转速增加对流量的积极影响，同时还会伴有噪音及震动现象，使油泵不能正常工作。,第三章 液压泵和液压马达,a,液压泵的最高转速还受泵的效率及工作寿命的制约。所以液压泵的额定工作转速定义为：在额定工作压力下，不产生吸空现象且能连续运转并保证基本工作性能的最高转速。为了提高使用转速 ，充分发挥泵的工作潜
16、力，有些泵在使用时要求在泵前增设一级辅助充油泵以提高液压泵的进口压力。图3-10容积泵的转速特性,第三章 液压泵和液压马达,图3-10容积泵的转速特性,2.压力特性,由Q=CP知缝隙泄露和压强一次方成正比；随着液压泵工作压力的提高，输出流量Q、容积效率将线性下降。这是因为油泵泄露流量是随着工作压力的增加而线性增加的原因。随着压力的增加，总效率先是增加，达到最高值后开始下降。这是因总效率为容积效率与机械效率之积。在低压阶段， 虽然随压力的升高而下降，可是机械效率随压力的升高而上升，且上升幅度大于容积效率下降的幅度，故总效率升高。随着压力的继续升高，液压泵有关元件之间的接触应力继续增加，粘性摩擦的状态不能保持，因此，摩擦扭矩随压力的增加而增大，使机械效率随压力增加而上升的幅度大大减小。当机械效率上升的幅度小于容积效率下降的速度时，总效率开始随压力的的增加而下降。,
