第三章 液压泵与液压马达

第三章 液压泵和液压 马达
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本章提要
本章主要内容为 ：
① ② ③ 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。
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。 机械损失是指因摩擦而造成的转矩上的损失。
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泵容积损失
泵的容积损失可用容积效率 v 来表征。
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 ql ,则 qt q ql。
Tt , n — 液压泵、马达的理论转矩(N.m)和转速(r/min)。 式中： p , qt — 液压泵、马达的压力和理论流量。
理想泵或马达: P qt Tt Tt Tt P Vd ; Vd
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。
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3.2.3.3
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： 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。
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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 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。
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3．2．4
（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 封闭容积加大时吸入低压油 封闭容积减小时排出高压油 液压泵 （3）高低压油不得连通。
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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。
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当齿轮按图示方向旋转时， 右侧吸油腔内的轮齿脱离啮合， 密封腔容积不断增大，构成吸 油并被旋转的轮齿带入左侧的 压油腔。
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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。
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3． 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 ，节圆直径为 d ，有效齿高为 h ，齿宽为时 b ，根据 齿轮参数计算公式有 d mz ，h 2m ，齿轮泵的排量近似为
图3.6 内啮合齿轮泵 1— 吸油腔，2 — 压油腔，3 — 隔板
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。
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吸油窗口
压油窗口
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3.6（b）。
从动内齿轮
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 V ：无内外泄漏时，泵（马达）每转一周所排出 （吸入）液体的体积。
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理论流量 q t ：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 qt Vd V n 。 额定流量 q ：在额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。
பைடு நூலகம்
Tt T m
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泵的机械损失
T
m
Tt
液压泵的总效率 等于其容积效率和机械效率的乘积：
vm
（3.6）
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3.2
齿轮泵
齿轮泵是一种常用的液压泵，它的主要优点是结构简 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 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，有外啮合和内啮合两 种，外啮合齿轮泵应用较广，内啮合齿轮泵则多为辅助泵。
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3． 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； •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。
主动小齿轮
图3.6 内啮合齿轮泵 1— 吸油腔，2 — 压油腔，3 — 隔板
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• 内啮合齿轮泵的结构紧凑，尺寸小，重量轻，运转平稳， 噪声低；
• 但在低速、高压下工作时，压力脉动大，容积效率低；
• 一般用于中、低压系统，或作为补油泵。 • 内啮合齿轮泵的缺点是齿形复杂，加工困难，价格较贵， 且不适合高压工况。 36
q qt v
ql q qt ql v 1 qt qt qt
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机械损失
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 T f ，理论转矩为 Tt ，则 泵实际输入转矩为 T Tt T f ，用机械效率 m 来表征 泵的机械损失，则
液压泵
Q p
液压输出
Q
液压输入
Q p
m Tm
J
p Tp
机械输入
液压马达
机械输出
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。
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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。
V dhb 2zm b
2
（3.7）
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3.33~3.50来代替上式中π值， 齿数少时取大值。
V (6.66 ~ 7) zm b
2
（3.8）
由此得齿轮泵的输出流量为
q (6.66 ~ 7) zm2bnv
（3.9）
功率和效率：液压泵由原动机驱动，输入量是转矩 T 和 角速度 ，输出量是液体的压力 p 和流量 q ；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：
Nt pqt Tt 2Tt n （3.1）
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Nt pqt Tt 2Tt n （3.1）
液压泵
Q p
液压输出
Q
液压输入
Q p
m Tm
J
p Tp
机械输入 液压马达
机械输出
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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。
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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。
• 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。 •转 子 单 方 向 受 力 ， 轴承负载大。 •改 变 偏 心 距 ， 可 改变泵排量，形成 变量叶片泵。
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3．2．1
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。 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。
图3.3 外啮合齿轮泵的工作原理 1—泵体;2 —主动齿轮;3 —从动齿轮
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3.6。
图3.6 内啮合齿轮泵
1— 吸油腔，2 — 压油腔，3 — 隔板
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从动内齿轮 吸油窗口 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3.6（a）。 月牙板 压油窗口 主动小齿轮
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大
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齿轮泵的流量脉动
q (6.66 ~ 7) zm2bnv
（2.9）
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。
q0 表示 qmin 来表示最大、最小瞬时流量， 若用 qmax 、 平均流量，则流量脉动率为
2
3.1
液压泵、马达概述
泵的符号
泵的输入参量 转矩 T 角速度 ω 输出参量 流量 Q 压力 p
p Q
T
ω
泵
3
3.1
液压泵、马达概述
马达的符号
马达的输入参量 流量 Q 压力 p 输出参量 转矩 T 角速度 ω
p Q T
ω
马达
4
3.1
3.1.1
液压泵、马达概述
容积式泵、马达的工作原理
B
C

Q
泵排出
齿轮泵的结构特点
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3.2.3.1
困油的现象
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。
AB间的死容积 逐步减小
AB间的死容积 达到最大
AB间的死容积 逐步增大
图3.5 齿轮泵的困油现象及消除措施
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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；
3.3 叶片泵
单作用叶片泵
双作用叶片泵
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3.3.1 单作用叶片泵 2.3.1.1 工作原理
压油窗口
图 2.7 为 单 作用叶片泵的 工 作 原 理 。 泵由转2、定子 压油口 3、叶片4和配 流盘等件组成。
吸油窗口
吸油口 定子
图3.7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
O
A
泵吸入
5
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； 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。
6
5
4
3
2
1
图 2. 1 液压泵的工作 原理
由此可见，泵是靠密封工作腔的容积变化进行工作的。
6
液压泵和液压马达工作的必需条件：
q max q min q0
（2.10）
流量脉动率是衡量容积式泵流量品质的一个重要指标。
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齿轮泵的流量脉动
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。 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。
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3．2．3
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。
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3.1.2 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。 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。
• 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。
AB间的死容积 逐步减小
AB间的死容积 达到最大
AB间的死容积 逐步增大
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3.2.3.1
容积减小时 与压油侧相通
困油的现象
容积增大时 与吸油侧相通 卸荷槽
图2.5 齿轮泵的困油现象及消除措施
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3.2.3.2 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。 常采取缩小压油口的办法减 小径向不平衡力。 压力越高，径向不平衡力越大，它能使泵轴弯曲， 导致齿顶接触泵体，产生摩擦，同时加速轴承的磨损， 降低轴承使用寿命。