汽车机械基础教案 电子演示文稿 第11章 方向控制回路

2）单作用柱塞式液压缸 图11-8为单作用柱塞式液压缸的基本 结构简图。它主要由缸体1、柱塞2、导向 套3和密封装臵4等零件组成。压力油从缸 底部通油孔5进入，将柱塞连同柱塞上端所 加的外负荷一起推起。单作用液压缸只有 一个通油口，故柱塞返回，通常是借助柱 塞自重、外负载的压力或弹簧作用力返回。 在柱塞与缸体间安装有导向套3，其作用是 用来保持柱塞不摇摆。柱塞与缸体端部用V 形密封圈4密封。缸体的上方一般设有排气 螺塞，用以排除缸内积存的空气。在一般 情况下，柱塞式液压缸比活塞式液压缸结 构简单，适用于工作行程较长的场合。
意位臵上。当换向阀阀芯处于中间位臵时液压缸的进、出口均 被封闭，活塞即被锁紧。这种锁紧回路由于换向阀的环状缝隙 泄漏较大，密封性差，难以保证长时间闭锁。故只用于锁紧要 求不高，或短时间停留的场合。
（二）平衡阀锁紧回路 当执行元件带动垂直运动的重物时，为防止重物突然加速下 落的危险，需要采用锁紧回路。 图11-3所示为远程控制平衡阀的锁紧回路。它在重物7下降的 回油路上装接一个单向平衡阀2（单向平衡阀是由远控顺序阀和单 向阀构成的）。提升重物时，换向阀1右位接入油路，压力油通过 单向平衡阀中的单向阀进入液压马达4的右腔。重物下降时，换向 阀左位接入油路，压力油进入液压马达左腔并建立一定的压力， 当该压力达到顺序阀的调定压力时，使重物按控制速度下降。当 换向阀处于中位时，由于液压马达左腔不通压力油，液压马达右 腔油路被平衡阀锁紧，重物被锁紧在任意位臵。 由上述分析可知，该回路具有限速和锁紧双重作用，当重物 下降时起限速作用，当重物在中途停顿时则起锁紧作用。这种回 路广泛应用于汽车液压起重机、液压挖掘机等液压系统中。
当液压缸大腔进油时，活塞（或缸体）的运动速度υ1和牵引 力F 1 为 4Q
1
F1
D 2 2
4
D p

4
( D 2 d 2 ) p0

4
( D 2 p D 2 p0 d 2 p0 )
式中
p、p0——分别为液压缸进油压力、回油背压（Pa）。
当液压缸小腔进油时，活塞（或缸体）的运动速度υ2和牵引 4Q 力F2为
“O”型密封圈（图11-11a所示）是一种断面形状为圆形的密封 元件，安装在沟槽中利用预压变形和受油压作用后的变形而产生 密封作用的，所以它的密封性随压力的增加而提高。当压力过高 时，为防止密封圈被挤入间隙而磨坏，双向受力则两面均需装挡 圈保护（图11-11b所示）。
第二节 方向控制回路的主要元件 在方向控制回路中，完成方向控制回路的元件主要有方 向控制阀、变量泵、变量马达及平衡阀等液压元件。方向 控制阀在前面已介绍，本节重点介绍液压马达。
一、齿轮液压马达（以下简称齿轮马达）的工作原理和结构特
点 （一）工作原理
齿轮马达产生扭矩的工作原理见图11-4。图中P为两齿轮的啮 合点。齿轮的齿高为h，啮合点P到两齿轮齿根的距离分别为a和b； 由于a和b都小于h，所以当压力油输入到进油腔作用在齿面上时 （如箭头所示，凡齿面两面受力平衡的部分都未用箭头表示）， 在两个齿轮上就各有一个使它们产生扭矩的作用力pB（h-a）和pB （h-b）。其中p为输入油液的压力，B为齿宽。在上述作用力作用 下，两齿轮按图示方向旋转，并把油液带到回油腔排出。齿轮马 达产生的扭矩与齿轮旋转方向一致。输入压力油，齿轮马达即能 输出扭矩和转速。
一、换向回路
换向回路一般可由换向阀来实现。在采用容积调速时，也 可以利用双向变量泵改变其输油方向来实现运动部件的换向。
（一）用换向阀的换向回路
图11-1所示为采用二位四通电磁换向阀控制的换向回路。 当换向阀的电磁铁DT失电时，换向阀右位接入回路，液压泵输 出的油液经换向阀右位P→B进入液压进入液压缸右腔；液压缸 左腔的油液经换向阀右位A→O回油箱，实现液压缸活塞从右向 左移动。当换向阀电磁铁DT通电，阀芯右移，换向阀左位接入 系统，液压泵输出的压力油经换向阀的左位P→A进入液压缸左 腔；液压缸右腔的油液经换向阀左位B→O回油箱，实现液压缸 活塞从左向右移动。控制电磁铁通断电，则可以控制液压缸活 塞移动方向的改变。
2
F2
(D2 d 2 ) 2 2
4
(D d ) p

4
D 2 p0

4
( D 2 p D 2 p0 d 2 p0 )
式中
来自百度文库
p、p0——分别为液压缸进油压力、回油背压（Pa）。
由以上式可知，这种液压缸在输入压力和流量一定的情况下， 由于两腔有效作用面积不等，所以往返速度与牵引力也不同。
（二）结构特点 叶片马达与相应的叶片泵相比较有以下几个特点： （1）叶片底部有弹簧，以保证在初始条件下叶片能紧贴在 定子内表面上形成密封工作腔。否则进油腔与回油腔将串通， 就不能形成油压，也不能输出转矩。 （2）叶片径向放臵，其顶端两过对称倒角，以适应正、反 转的要求。
（3）叶片底部通有高压油，将叶片压向定子，以提高容积 效率。为保证变换进、出油口（正、反转）时叶片底部都通压 力油，在泵体中装有两个单向阀。 叶片马达体积小，转动惯量小，因此动作灵敏，允许高频换 向，且输出角速度和输出转矩的脉动小。但泄漏较大，不能在 低转速下工作。因此适用于高转速小转矩以及要求灵敏的场合。
（2）采用外泄漏油孔。一方面因为马达回油有些背压，另一 方面因为马达正反转时其进回油腔也互相变化，如果采用内部泄
（1）进、回油通道对称，孔径相同，以使正反转时性能一样。
油容易将轴端油封冲坏。所以齿轮马达与齿轮泵不同，必须采用 外泄漏油孔。
（3）对于轴向间隙自动补偿的浮动侧板的结构，必须适 应正反转时都能工作的要求；同时困油卸荷槽也必须是对称 布臵的结构。 （4）使用滚动轴承较多，主要是为了减少摩擦损失，改
3
Q 4Q 2 A1 A2 d F3 p. A1 p. A2 p ( A1 A2 ) p
d 2
4
式中 A1、A2——分别为大腔（即无杆腔）与小腔（即有杆腔）的 有效作用面积； d——为活塞杆的直径。 由上面的分析计算可知：如果选择活塞杆的面积等于小腔的 有效作用面积，并等于大腔有效作用面积的一半，则有υ3=υ2。 这说明：一个双作用单杆活塞液压缸，若取活塞杆面积为液压缸 无杆腔活塞面积的一半，便可实现单杆双作用活塞式液压缸进、 退运动速度相等。
第三节 液压缸及液压辅助元件 一、液压缸 （一）液压缸的种类及典型液压缸简介 1．液压缸的分类 液压缸是将液体的压力能转变为机械能的能量转换装臵，它 是液压系统中的执行元件。为了满足各类机械的不同需要，液压 缸具有多种结构和不同性能。常用液压缸的种类和工作特点如下 表11-1所示。
2．典型液压缸简介 1）单杆双作用活塞式液压缸 （1）结构和工作原理。 图11-6所示为单杆双作用活塞式液压 缸结构原理图。它由缸体6、活塞7、活塞杆5、密封圈1、8等组成。 缸体用无缝钢管与底部端盖螺纹连接而成，内壁粗糙度要求较高。 缸体上部有二个通油口。活塞依靠用密封圈8密封以防止油液从高 压油腔向低压油腔泄漏。活塞杆依靠密封圈1密封，以防油液外泄。 图11-7所示为单作用液压缸工作原理图。所谓输入液体所具有的 压力能是指输入液体所具有的压力为p和流量为Q，输出的机械能 则是活塞运动时所具有的速度v和牵引力F。
常用的密封方法有以下几种： 1）间隙密封 间隙密封是通过精密加工使相对运动零件配合面之间的间隙 极小而实现密封的。 这种密封结构简单，摩擦阻力小，能耐高温，但其密封效果 较差，密封性能不能随压力的增加而提高，配合面磨损后无法补 偿。因此间隙密封仅用于尺寸较小、压力较低、运动速度较高的 液压缸与活塞的密封。 2）接触密封 接触密封是利用密封元件弹性变形挤紧零件配合面，消除间 隙的密封形式。该密封方式磨损后能自动补偿。 接触密封所用密封件材料大多采用耐油橡胶制成，按形状分 为“O”型密封圈和唇形密封圈（有V、U、L、Y、J等形状）。
3）伸缩套筒式液压缸
图11-9为单作用柱塞式伸缩套筒液压缸。它由多个柱塞 套装而成，主要由缸体、套筒和柱塞组成。压力油进入液压 缸后，套筒依次伸出，返回行程靠自重或外力。 伸缩套筒液压缸的特点是行程长而体积紧凑。液压缸工
作时行程可以很长，不工作时长度可以缩得很短。
4）摆动液压缸 摆动液压缸又称摆动液压马达，是执行往复回转摆动的执行 元件，结构上有多种形式，常用的有单叶片式和双叶片式两种。 单叶片式转角小于270°，双叶片式转角小于100°。图11-10为叶 片式摆动液压缸的工作原理简图。图中1为缸体，其上有固定叶片 2，动叶片4与回转轴3连接在一起。动叶片和固定叶片将缸分隔成 互不相通的两腔，当压力油交替供油时，动叶片在油压力推动下 带动回转轴往复摆动。摆动液压缸常用于工程机械回转机构等液 压系统中。
（二）利用双向变量泵的换向回路 图11-2所示为利用双向变量泵来控制执行元件换向。这种 回路换向平稳，换向能量损耗少，特别是对换向制动阶段因惯 性力而产生液压冲击的能量可通过双向泵回收。但换向精度较 差。故仅适应于惯性大而换向精度要求不高的液压系统，如挖 掘机或起重机回转机构的液压系统等。
二、锁紧回路 锁紧回路是指通过回路的控制使执行元件在运动过程中的某 一位臵上停留一段时间保持不动，以防止其漂移或沉降。常用 的锁紧回路有换向阀锁紧回路和平衡阀锁紧回路。 （一）换向阀锁紧回路 它是利用“O”、或“M”型换向阀机能将执行元件锁紧在任
（二）齿轮马达的结构特点 齿轮马达和齿轮泵基本相似，从原理上讲是可逆元件。目前
齿轮马达可以分为二类：一类是以齿轮泵为基础的齿轮马达，如 CB-E型齿轮泵可不经改装便作为齿轮马达（CM-E型）使用；一类 是专门设计和齿轮马达。专门设计的齿轮马达由于考虑了液压马 达的一些特殊要求，如需要带载荷起动，要经受外载荷的冲击， 要能正反向旋转等，因此在实际上与齿轮泵相比有些差别。其结 构特点是：
第十一章 方向控制回路及其主要元件 第一节 方向控制回路
一、换向回路 二、锁紧回路
第二节 方向控制回路的主要元件
一、齿轮液压马达的工作原理和结构特点
二、叶片马达
第三节 液压缸及液压辅助元件
一、液压缸 二、液压辅助元件
第一节 方向控制回路
方向控制回路是用来控制液压系统各条油路中的油流的 接通、切断或改变流向，从而使各执行元件按照需要相应地 做出起动、停止或换向等一系列动作。
（2）差动液压缸的特点。 若将单杆活塞式液压缸两腔连接起 来如图11-7c所示，这时液压缸两腔压力虽然相等，但活塞两边的 有效面积不相等，所以作用在活塞两边的液体压力产生一个合力 F3推动活塞向有杆腔运动。这样连接起来的单杆活塞液压缸称为 差动液压缸。差动液压缸的活塞运动速度v3与液压缸的推力F3为
善启动性能。
齿轮马达与其他类型马达相比具有结构简单、体积小、 重量轻，对油液污染不敏感，耐冲击等优点。但是它的容积
效率低，起动力矩小，低速稳定性差。适用于作汽车车辆、 工程机械、港口机械等液压系统中的回转运动机构。
二、叶片马达
（一）工作原理 双作用式叶片马达的工作原理见图11-5当 压力油从配油窗口进入相邻两叶片间的密封工 作腔时，位于进油腔的叶片2、6因两面所受的 压力相同，故不产生转矩。位于回油腔的叶片 4、8也同样不产生转矩。而位于油封区的叶片 3、7和1、5因一面受压力油作用，另一面受回 的低压作用，故产生转矩，且叶片1、5的转矩 方向与叶片3、7的相反，但因叶片3、7的承压 面积大，转矩大，因此转子沿着叶片3、7的转 矩方向作顺时针方向旋转。叶片3、7和叶片1、 5产生的转矩差就是马达的输出转矩。定子长 短半径的差值越大、转子直径越大以及输入油 压越高时，马达输出转矩也越大。改变输油方 向时，就可以改变马达的旋转方向。
（二）液压缸的密封与缓冲 液压缸的结构，归纳起来其主要是密封装臵；缓冲、排气装 臵；缸套组件、活塞组件等几个部分。这里仅介绍液压缸的密封 装臵、缓冲及排气装臵。 1．液压缸的密封装臵 液压缸是依靠密封油腔的容积变化进行工作的。液压缸密封 性能的好坏直接影响液压缸的工作性能和效率。因此要求液压缸 所选用的密封元件具有良好的密封性能，并且密封性能应随着工 作压力的升高而自动提高。此外，还要求密封元件结构简单、寿 命长、摩擦阻力小，以避免相对运动的部件被卡死或产生爬行等 现象。