第二章液压泵及液压马达 本章重点:1.容积式液压泵及容积式液压马达的工作原理 2.液压泵及液压马达的压力、排量、流量、功率、效率的概念及计算 3.液压马达的压力、排量、流量、功率、效率的概念及计算 4.齿轮泵、叶片泵和柱塞泵的工作原理、结构特点、配流方式及选用 本章难点:1.液压泵和液压马达的功率、效率的概念 2.齿轮泵、叶片泵和柱塞泵的工作原理、结构特点 第一节概述 液压泵和液压马达在液压系统中都属于能量转换装置。液压泵是将电动机输出的机械能转变为液压 能,为系统提供一定流量和压力的油液,是动力元件。液压马达是将系统的液压能转变为机械能,使系 统输出一定的连续转速和转矩,驱动工作部件运行,是执行元件。 液压泵和液压马达的工作原理和特点 液压系统中采用的液压泵类型很多,但都是属于容积式液压泵,它的工作原理可用图2-1所示的单 柱塞式液压泵来说明 液压泵是靠密封工作油腔的容积变化来进行工作的,因此它必 须具有一个(或多个)密封的工作油腔。当液压泵运转时,该油腔 的容积必须不断由小逐渐加大,形成真空,油箱中的油液才能被吸 分计地 入。当油腔容积由大逐渐减小时,油被挤压在密封工作油腔中,压 力才能升高,压力的大小取决于油液从泵中输出时受到的阻力。这 图2-1液压泵的工作原理 种泵的输油能力(或输出流量)的大小取决于密封工作油腔的数目 以及容积变化的大小和频率,故称容积式泵。 吸油时,吸油腔必须与油箱相通,而与压油腔不通:压油时,压油腔与压力管道相通,而与油箱不通。 由吸油到压油或由压油到吸油的转换称为配流。配流装置是泵不可缺少的,不同结构类型的泵具有不同 形式的配流装置 液压泵的共同工作原理为 1.液压泵必须有一个或若干个周期变化的密封容积; 2.液压泵心须有配流装置,将吸油和压油的过程分开: 3.液压泵工作必要的外部条件是,油箱液面通大气或油箱充气 液压泵的主要性能参数 1.液压泵的工作压力和额定压力 液压泵的工作压力p是指泵出口处的实际压力,即油液克服阻力而建立起来的压力。如果液压系统 中没有阻力,相当于泵输出的油液直接流回油箱,系统压力就建立不起来。若有负载作用,系统液体必 然会产生一定的压力,这样才能推动工作台等运动。外负载增大,油压随之升高,泵的工作压力也升高 液压泵的额定压力P是指泵在正常工作条件下,按试验标准规定能连续运转的最高压力,超过此
1 第二章 液压泵及液压马达 本章重点：1. 容积式液压泵及容积式液压马达的工作原理 2. 液压泵及液压马达的压力、排量、流量、功率、效率的概念及计算 3. 液压马达的压力、排量、流量、功率、效率的概念及计算 4. 齿轮泵、叶片泵和柱塞泵的工作原理、结构特点、配流方式及选用 本章难点：1. 液压泵和液压马达的功率、效率的概念 2. 齿轮泵、叶片泵和柱塞泵的工作原理、结构特点 第一节 概述 液压泵和液压马达在液压系统中都属于能量转换装置。液压泵是将电动机输出的机械能转变为液压 能，为系统提供一定流量和压力的油液，是动力元件。液压马达是将系统的液压能转变为机械能，使系 统输出一定的连续转速和转矩，驱动工作部件运行，是执行元件。 一、 液压泵和液压马达的工作原理和特点 液压系统中采用的液压泵类型很多，但都是属于容积式液压泵，它的工作原理可用图 2-1 所示的单 柱塞式液压泵来说明。 液压泵是靠密封工作油腔的容积变化来进行工作的，因此它必 须具有一个（或多个）密封的工作油腔。当液压泵运转时，该油腔 的容积必须不断由小逐渐加大，形成真空，油箱中的油液才能被吸 入。当油腔容积由大逐渐减小时，油被挤压在密封工作油腔中，压 力才能升高，压力的大小取决于油液从泵中输出时受到的阻力。这 种泵的输油能力（或输出流量）的大小取决于密封工作油腔的数目 以及容积变化的大小和频率，故称容积式泵。 吸油时,吸油腔必须与油箱相通，而与压油腔不通；压油时,压油腔与压力管道相通，而与油箱不通。 由吸油到压油或由压油到吸油的转换称为配流。配流装置是泵不可缺少的，不同结构类型的泵具有不同 形式的配流装置。 液压泵的共同工作原理为 1.液压泵必须有一个或若干个周期变化的密封容积； 2.液压泵心须有配流装置，将吸油和压油的过程分开； 3.液压泵工作必要的外部条件是，油箱液面通大气或油箱充气。 二、 液压泵的主要性能参数 1. 液压泵的工作压力和额定压力 液压泵的工作压力 pp 是指泵出口处的实际压力，即油液克服阻力而建立起来的压力。如果液压系统 中没有阻力，相当于泵输出的油液直接流回油箱，系统压力就建立不起来。若有负载作用，系统液体必 然会产生一定的压力，这样才能推动工作台等运动。外负载增大，油压随之升高，泵的工作压力也升高。 液压泵的额定压力 ppn 是指泵在正常工作条件下，按试验标准规定能连续运转的最高压力，超过此 图 2-2 容积式液压泵的工作原理 图 2-1 液压泵的工作原理
值将使泵过载。泵的额定压力主要由泄漏所限制 2.液压泵的排量和流量 液压泵的排量vp是指在没有泄漏的情况下,泵轴转一转所排出的油液体积。 液压泵的流量可分为理论流量、实际流量和额定流量。 理论流量qP是指在没有泄漏的情况下,单位时间内所输出的油液体积。其大小与泵轴转速m和排 量Vp有关,即 qP=Plp (2-1) 因此液压泵的理论流量与压力无关,工作压力为零时,实际测得的流量可近似作为其理论流量。 六。实际流量伞是指单位时间内实际输出的油液体积。液压泵在运行时,泵的出口压力不等于零,因而 在部分油液泄漏,使实际流量小于理论流量。 额定流量qp是指在额定转速nn和额定压力p下输出的流量 3.液压泵的功率和效率 液压泵在进行能量转换时总有功率损失,因此输出功率小于输入功率。两者之差值即为功率损失。 功率损失可分为容积损失和机械损失。 (1)容积损失因内泄漏、气穴和油液在高压下受压缩而造成的流量损失,内泄漏是主要原因。因而 泵的压力增高,输出的实际流量就减小。用容积效率mv来表征容积损失的大小 nPV 3 qP qPr -AqP Aq qPr (2 Pr 式中△qp-某一工作压力下液压泵的流量损失,即泄漏量 (2)机械损失因泵内摩擦而造成的转矩上的损失。设转矩损失为ΔT,实际输入转矩为Tp=T+ΔTp, 要比理论输入转矩T大。用机械效率mm来表征机械损失的大小 Tpr Tp-ATp (2-3) 总效率加是指液压泵的输出功率与输入功率之比,即 PPo Ppq (2-4) 上式表明,液压泵的总效率等于容积效率和机械效率之乘积 液压泵的输入功率Pp可用下式表示 bn=Pp④ 100% (2-5) 4.液压泵的特性曲线 液压泵的特性曲线是在一定的介质、转速和温度下 通过试验得出的。它表示液压泵的工作压力p与容积效率 my(或实际流量φ)、总效率m和输入功率Pn之间的关 系。图2-2所示为某一液压泵的特性曲线。由图示特性曲 图2-2液压泵的特性曲线 线可以看出:容积效率mv(或实际流量qp)随压力的增高而 减小,压力p为零时,泄漏量Δφ为零,容效率hv=l00%,实际流量φ等于理论流量qp。总效率h随工作 压力p增高而增大,且有一个最高值
2 值将使泵过载。泵的额定压力主要由泄漏所限制。 2. 液压泵的排量和流量 液压泵的排量 V P 是指在没有泄漏的情况下，泵轴转一转所排出的油液体积。 液压泵的流量可分为理论流量、实际流量和额定流量。 理论流量 q Pt 是指在没有泄漏的情况下，单位时间内所输出的油液体积。其大小与泵轴转速 nP 和排 量 V P 有关，即 q Pt=V PnP （2-1） 因此液压泵的理论流量与压力无关，工作压力为零时，实际测得的流量可近似作为其理论流量。 实际流量 qP 是指单位时间内实际输出的油液体积。液压泵在运行时，泵的出口压力不等于零，因而 存在部分油液泄漏，使实际流量小于理论流量。 额定流量 q Pn 是指在额定转速 nPn 和额定压力 pPn 下输出的流量。 3. 液压泵的功率和效率 液压泵在进行能量转换时总有功率损失，因此输出功率小于输入功率。两者之差值即为功率损失。 功率损失可分为容积损失和机械损失。 (1)容积损失 因内泄漏、气穴和油液在高压下受压缩而造成的流量损失，内泄漏是主要原因。因而 泵的压力增高，输出的实际流量就减小。用容积效率ηPV 来表征容积损失的大小 Pt P Pt Pt P Pt P PV q q q q q q q ∆ = − − ∆ η = = 1 (2-2) 式中 ∆qP — 某一工作压力下液压泵的流量损失，即泄漏量。 （2）机械损失 因泵内摩擦而造成的转矩上的损失。设转矩损失为∆TP,实际输入转矩为 TP=TPt +∆TP， 要比理论输入转矩 TPt 大。用机械效率ηPm来表征机械损失的大小 Ρ Ρ Ρ Ρ Ρ Ρ Ρ Ρ ∆ = − −∆ = = T T T T T T T t η m 1 （2-3） 总效率ηP 是指液压泵的输出功率与输入功率之比，即 PV Pm P P P p Pi PO P T p q P P η η ω η = = = （2-4） 上式表明，液压泵的总效率等于容积效率和机械效率之乘积。 液压泵的输入功率 PPi 可用下式表示 Ρ Ρ Ρ Ρ = η p q P i （2-5） （2-7） 4. 液压泵的特性曲线 液压泵的特性曲线是在一定的介质、转速和温度下， 通过试验得出的。它表示液压泵的工作压力 pP 与容积效率 ηPV（或实际流量 qP）、总效率ηP 和输入功率 PPi 之间的关 系。图 2-2 所示为某一液压泵的特性曲线。由图示特性曲 线可以看出：容积效率ηpv (或实际流量 qP)随压力的增高而 减小，压力 pP 为零时,泄漏量∆qP 为零,容效率ηPV=100%,实际流量 qP 等于理论流量 qPt。总效率ηP 随工作 压力 pP 增高而增大,且有一个最高值。 图 2-2 液压泵的特性曲线
液压马达的主要性能参数 1.液压马达的工作压力和额定压力 液压马达的工作压力PM是指它的输入油液的实际压力,其大小取决于液压马达的负载 液压马达的工作压力过大,泄漏增加,导致转速下降,效率降低,寿命减少,因此也有一个最高压 力的限制,即液压马达的额定压力pM。额定压力是指马达在正常工作条件下,按试验标准规定能连续 运转的最高压力 2.液压马达的排量和理论流量 液压马达的排量IM是指在没有泄漏的情况下,马达轴一转所输入的油液体积 理论流量φM是指在没有泄漏的情况下,达到要求转速mM所输入油液的流量。 3.液压马达的功率和效率 (1)容积效率 液压马达也有泄漏ΔqM存在,其实际输入流量qM大于理论流量,即 液压马达的理论流量与实际流量之比称为液压马达的容积效率 mn=4M-AM_I AM (2-7) (2)机械效率 液压马达也有摩擦损失,所以也有转矩损失ΔTM,其实际输出转矩为T产=TM-△TM,小于理论转矩 TM。因此液压马达的机械效率为 nM M △A (2-8) 总效率№是指液压马达的输出功率与输入功率之比,即 PMo TMM nM APNgM M Mn (2-9) 液压马达输入功率PM为 PMi=APug (2-10) 液压马达输出功率为PMo P=to=2n.t (2-11) 式中△一液压马达进、出口的压力差。 4.液压马达的转矩和转速 液压马达能产生的理论转矩TM为
3 三、 液压马达的主要性能参数 1．液压马达的工作压力和额定压力 液压马达的工作压力 pM 是指它的输入油液的实际压力，其大小取决于液压马达的负载。 液压马达的工作压力过大，泄漏增加，导致转速下降，效率降低，寿命减少，因此也有一个最高压 力的限制，即液压马达的额定压力 pMn。额定压力是指马达在正常工作条件下，按试验标准规定能连续 运转的最高压力。 2．液压马达的排量和理论流量 液压马达的排量 VM 是指在没有泄漏的情况下，马达轴一转所输入的油液体积。 理论流量 qMt 是指在没有泄漏的情况下，达到要求转速 nM 所输入油液的流量。 qMt=V MnM （2-6） 3．液压马达的功率和效率 (1)容积效率 液压马达也有泄漏∆qM 存在，其实际输入流量 qM 大于理论流量，即 Mq = qMt + ∆qM 液压马达的理论流量与实际流量之比称为液压马达的容积效率ηMV M M M M M M Mt MV q q q q q q q ∆ = − −∆ η = = 1 （2-7） （2）机械效率 液压马达也有摩擦损失，所以也有转矩损失∆TM，其实际输出转矩为 TM=TMt-∆TM，小于理论转矩 TMt。因此液压马达的机械效率为 Mt M Mt Mt M Mt M T T T T T T T Mm −∆ ∆ η = = =1− （2-8） 总效率ηM 是指液压马达的输出功率与输入功率之比，即 p q MV Mm T P P M M M M Mi Mo M η η η ω = = = ∆ （2-9） 液压马达输入功率 PMi 为 PMi = ∆pM qM （2-10） 液压马达输出功率为 PMo = = 2 PMo TMω M π M TM n （2-11） 式中 ∆pM—液压马达进、出口的压力差。 4．液压马达的转矩和转速 液压马达能产生的理论转矩 TMt 为
IM=-4PpWM (2-12) 液压马达输出的实际转矩TM为 IM=APy/Mm (2-13) 液压马达的实际输入流量为qM时,其转速mM为 qAnA (2-14) 四、液压泵和液压马达的类型和要求 1.液压泵和液压马达的类型很多,但都是容积式的。根据泵或马达其排量V是否可以改变,可分 为定量泵、定量马达或变量泵、变量马达 2.对液压系统中所采用的液压泵和液压马达有如下要求: (1)结构简单、紧凑,在输出同样的流量下要求泵的体积小,重量轻; (2)密封可靠,泄漏小,要求可承受一定的工作压力; (3)摩擦损失小,发热小,效率高 (4)维护方便,对油中杂质不敏感 (5)成本低,使用寿命长 (6)对液压泵要求输出流量脉动小,运转平稳,噪声小,自吸能力强; (7)对液压马达要求输出转矩脉动小,起动转矩大,稳定工作转速低 第二节齿轮泵 齿轮泵是一种常用的液压泵,在结构上可分为外啮合轮泵和内啮合齿轮泵 外啮合齿轮泵 1.工作原理 图2-3所示为普通常用的外啮合齿轮泵的工作原理。当齿轮 按图示的箭头方向旋转时,轮齿从右侧退出啮合,使该腔容积增 大,形成局部真空,油箱中的油液在大气压力的作用下,经泵的 吸油管进入右腔一吸油腔,填充齿间。随着齿轮的转动,每个齿 轮的齿间把油液从右腔带到左腔,轮齿在左侧进入啮合,齿间被 对方轮齿填塞,容积减小,齿间的油液被挤出,使左腔油压升高, 油液从压油口输出,所以左腔便是泵的排油腔。 外啮合齿轮泵的排量V,相当于一对齿轮的齿间容积之总和 图2-3外啮合齿轮泵的工作原理
4 TMt= ∆pMVM 2π 1 （2-12） 液压马达输出的实际转矩 TM 为 TM pMVMηMm π = ∆ 2 1 (2-13） 液压马达的实际输入流量为 qM 时，其转速 nM 为 M M MV M V q n η = （2-14） 四、 液压泵和液压马达的类型和要求 1．液压泵和液压马达的类型很多，但都是容积式的。根据泵或马达其排量V 是否可以改变，可分 为定量泵、定量马达或变量泵、变量马达。 2．对液压系统中所采用的液压泵和液压马达有如下要求： （1）结构简单、紧凑，在输出同样的流量下要求泵的体积小，重量轻； （2）密封可靠，泄漏小，要求可承受一定的工作压力； （3）摩擦损失小，发热小，效率高； （4）维护方便，对油中杂质不敏感； （5）成本低，使用寿命长； （6）对液压泵要求输出流量脉动小，运转平稳，噪声小，自吸能力强； （7）对液压马达要求输出转矩脉动小，起动转矩大，稳定工作转速低。 第二节 齿轮泵 齿轮泵是一种常用的液压泵，在结构上可分为外啮合轮泵和内啮合齿轮泵。 一、 外啮合齿轮泵 1． 工作原理 图 2-3 所示为普通常用的外啮合齿轮泵的工作原理。当齿轮 按图示的箭头方向旋转时，轮齿从右侧退出啮合，使该腔容积增 大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下，经泵的 吸油管进入右腔—吸油腔，填充齿间。随着齿轮的转动， 每个齿 轮的齿间把油液从右腔带到左腔，轮齿在左侧进入啮合，齿间被 对方轮齿填塞，容积减小，齿间的油液被挤出，使左腔油压升高， 油液从压油口输出，所以左腔便是泵的排油腔。 外啮合齿轮泵的排量 V，相当于一对齿轮的齿间容积之总和。 图 2-3 外啮合齿轮泵的工作原理
近似计算时,可假设齿间的容积等于轮齿的体积,且不计齿轮啮合时的径向间隙。泵的排量为 V=Dhb= 2m-b 式中D一齿轮分度圆直径 一有效齿高,h=2m b一齿轮宽 z一齿轮齿数 m一齿轮模数。 泵的流量为 q=Vnn, =2rm'bnn (2-16) 式中m齿轮泵转速 一齿轮泵的容积效率。 实际上齿间的容积要比轮齿的体积稍大一些,所以齿轮泵的流量应比按式(2-16)的计算值大一些, 引进修正系数K(K=1.05~1.15)。因此齿轮泵的流量公式为 2丌 Kamin (2-17) 低压齿轮泵推荐2水K=666,则 q=6.66zm bnn (2-18) 高压齿轮泵推荐2水K=7,则 7em'bn 实际上齿轮泵的输油量是有脉动的,故式(2-18)、(2-19)所表示的是泵的平均输油量。泵的流量和主 要参数的关系如下 (1)输油量与齿轮模数m的平方成正比。 (2)在泵的体积一定时,齿薮少模数就大,故输油量增加,但流量脉动大:齿数増加时模数就小,输 油量减小,流量脉动也小 (3)输油量和齿宽b、转速n成正比。转速过高会造成吸油不足,转速过低泵也不能正常工作 由于齿轮啮合过程中工作腔容积变化率不是常数,因此齿轮泵的瞬时流量是脉动的。以流量脉动率 σ来评价瞬时流量的脉动。设φmax、qm表示最大瞬 时流量和最小瞬时流量。流量脉动率可用下式表示 2.低压齿轮泵的结构 图2-4为CB-B型低压齿轮泵结构图。小孔a 为泄油孔,使泄漏出的油液经从动齿轮的中心小孔 c及通道d流回吸油腔。在泵体的两端面上各铣有 卸荷槽b,由侧面泄漏的油液经卸荷槽流回吸油腔, 这样可以减小泵体与端盖接合面间泄漏油压的作 用,以减小联接螺钉的紧固力。6为困油卸荷槽。 图2-4CB-B型低压齿轮泵结
5 近似计算时，可假设齿间的容积等于轮齿的体积，且不计齿轮啮合时的径向间隙。泵的排量为 V Dhb zm b 2 = π = 2π (2-15) 式中 D—齿轮分度圆直径； h—有效齿高，h=2m； b—齿轮宽； z—齿轮齿数； m—齿轮模数。 泵的流量为 V V q Vnη πzm bnη 2 = = 2 （2-16） 式中 n—齿轮泵转速； ηV —齿轮泵的容积效率。 实际上齿间的容积要比轮齿的体积稍大一些，所以齿轮泵的流量应比按式(2–16)的计算值大一些， 引进修正系数 K(K=1.05～1.15)。因此齿轮泵的流量公式为 V q πKzm bnη 2 = 2 （2-17） 低压齿轮泵推荐 2πK = 6.66，则 V q zm bnη 2 = 6.66 （2-18） 高压齿轮泵推荐 2πK = 7 ，则 V q zm bnη 2 = 7 （2-19） 实际上齿轮泵的输油量是有脉动的，故式(2-18)、(2-19)所表示的是泵的平均输油量。泵的流量和主 要参数的关系如下： (1)输油量与齿轮模数 m 的平方成正比。 (2)在泵的体积一定时，齿数少模数就大，故输油量增加，但流量脉动大；齿数增加时模数就小，输 油量减小，流量脉动也小。 (3)输油量和齿宽 b、转速 n 成正比。转速过高会造成吸油不足，转速过低泵也不能正常工作。 由于齿轮啮合过程中工作腔容积变化率不是常数，因此齿轮泵的瞬时流量是脉动的。以流量脉动率 σ来评价瞬时流量的脉动。设 qmax、qmin 表示最大瞬 时流量和最小瞬时流量。流量脉动率可用下式表示 q qmax−qmin σ = （2-20） 2． 低压齿轮泵的结构 图 2–4 为 CB–B 型低压齿轮泵结构图。小孔 a 为泄油孔，使泄漏出的油液经从动齿轮的中心小孔 c 及通道 d 流回吸油腔。在泵体的两端面上各铣有 卸荷槽 b，由侧面泄漏的油液经卸荷槽流回吸油腔， 这样可以减小泵体与端盖接合面间泄漏油压的作 用，以减小联接螺钉的紧固力。6 为困油卸荷槽。 图 2-4 CB–B 型低压齿轮泵结