12第十二章 液压传动基础

学习目的：通过本章的学习具备汽车机械所涉及的液压传动和液力传动的基本知识。学习要求：掌握液压传动与液力传动的主要元件、基本回路与基本知识。能识读液压传动的基本回路和系统。了解液压传动与液力传动在汽车中的应用。第十二章液压传动第一节液压传动基本知识一、液压传动的工作原理和组成1．液压传动的a工作原理图12-1为液压千斤顶的工作原理图。图12-2是液压千斤顶的工作原理简图。2．液压传动系统的组成从上述实例可以看出，整个液压系统由以下几个部分组成：（1）动力元件（2）执行元件（3）控制元件（4）辅助元件二、液压传动的特点液压传动与其他传动形式相比较，有以下特点：1）功率密度（即单位体积所具有的功率）大，结构紧凑，重量轻。2）能无级调速，调速范围大。3）由于液压元件质量小，惯性矩小，故变速性好。4）运动平稳可靠，能自行润滑，使用寿命较长。5）操纵方便、省力，特别是与电气组合应用时。6）液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，有利于生产与设计。三、液压传动的两个基本参数1．压力压强是作用在液体单位面积上的力，一般用p表示，而作用在活塞有效面积上的力，用F表示。当活塞的有效作用面积为A时，有下列关系式F=pA式中，F是力；A是面积；p是压力。2．流量单位时间内进出液压缸或通过管道某一截面的液体的体积称为流量，符号为q（m3/s）。若在时间t内流过的液体体积为V，则流量为q=V/t3．压力损失与流量的关系沿程损失是液体沿相同截面的直管流动一段距离，由于液体对管壁之间以及液体分子之间的摩擦而造成的。管道越长，流速越快，损失就越大；相反，管道越短，损失应越小。局部损失是液体通过管道截面和形状，突然改变或管道弯曲等局部地方所造成的。四、液压油的选择液压油可分为两大类：一类为可燃性液压油；另一类为抗燃性液压油。一般油液在温度升高时，粘度会降低，这样会使液压系统的泄漏增加，执行元件的工作性能也变坏。所以选择液压油时应考虑以下几方面的情况：（1）工作压力工作压力较高的液压系统应选用粘度较大的液压油；反之，选用粘度较小的液压油。（2）环境温度环境温度较高时，应选用粘度较大的液压油；反之，选用粘度较小的液压油。（3）运动速度当运动部件的速度较高时，应选用粘度较小的液压油；反之，选用粘度较大的液压油。液力传动是利用液体的动能进行能量传递，实现运动与动力的传递。一、液力耦合器图12-4为液力耦合器的结构示意图，其主要零件形状见图12-5。第二节液力传动基本知识由于泵轮和涡轮的半径是相等的，故当泵轮的转速大于涡轮的转速时，泵轮叶片外缘的液压大于涡轮叶片外缘的液压。于是，工作液不仅随着工作轮绕轴1和5（图12-4）的轴线作圆周运动，并且在上述压力作用下，沿循环圆依箭头所示方向作循环流动。液体的质点的流线形成一个首尾相连的环形螺旋线（图12-6）。二、液力变矩器液力变矩器（图12-7）主要由可旋转的泵轮和涡轮以及固定不动的导轮三个元件组成变矩器之所以能起变矩的作用，是由于结构上比耦合器多了导轮机构，在循环流动的过程中，固定不动的导轮通过油液给涡轮一个反作用力矩。而这一反作用力矩则随着从涡轮流出液体的方向的改变而改变大小，从而使涡轮输出的转矩不同于泵轮输入的转矩液力变矩器的主要零件见图12-8。如图12-9所示，将循环圆上的中间流线展开成一直线，各循环圆中间流线均在同一平面上展开。在展开的图上，泵轮B、涡轮w和导轮D便成三个环形平面，且工作轮的叶片角度也清楚地显示出来。图12-10所示是变矩器的三种工作状况，图12-10a所反映的是当变矩器刚开始工作时的情况。图12-10b所反映的是变矩器工作过程中情况。图12-10c所反映的是变矩器工作过程中的另一情况。第三节液压元件一、液压泵、液压马达和液压缸在液压系统中，液压泵、液压马达和液压缸都是能量转换装置。1．液压泵在液压传动中常用的液压泵有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵三种。图12-11所示为单柱塞泵的结构示意图，柱塞2安装在泵体3内，柱塞在弹簧4的作用下和偏心轮1接触。（1）齿轮泵齿轮泵是一对相互啮合的齿轮将在泵体内，见图12-12。（2）叶片泵叶片泵按其工作方式不同分为单作用式叶片泵和双作用式叶片泵两种。双作用式叶片泵（图12-13）主要由定子1、转子2、叶片3和前后两侧装有端盖的泵体4等组成。单作用式叶片泵（图12-14），定子表面是一圆形，转子与定子间有一偏心距e，端盖上只开有一条吸油槽和一条压油槽。（3）柱塞泵柱塞泵按照柱塞的排列方向的不同，分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵。轴向柱塞泵（图12-15）由配流盘1、缸体（转子）2、柱塞3和斜盘4等零件组成。2．液压马达液压马达通常有三种类型：齿轮式、叶片式和柱塞式液压马达。这里仅介绍叶片式液压马达。叶片式液压马达（图12-16），3．液压缸液压缸是将液体的压力能转换为机械能的能量转换装置，它是液压系统中的执行元件。按结构不同，液压缸可分为活塞式、柱塞式、伸缩套筒式和摆动式液压缸。（1）活塞式液压缸活塞式液压缸分为双杆活塞式和单杆活塞式液压缸。双杆活塞式液压缸（图12-17）主要由缸体、活塞和两直径相同的活塞杆组成。单杆活塞式液压缸（图12-18）主要是由缸体、活塞和活塞杆组成，由于活塞一端有杆，而另一端无杆，所以活塞两端的有效作用面积不等。（2）柱塞式液压缸柱塞式液压缸（图12-19）只能在压力油的作用下产生单向运动，另一方向的运动往往靠其自重（垂直放置）或弹簧等其他外力来实现。为了实现双向运动，柱塞式液压缸通常应成对使用（图12-20）。（3）伸缩套筒式液压缸由多个柱塞缸套装而成，各节伸出时行程大，缩回时结构体积小，见图12-21。有单作用和双作用两种。此缸伸缩顺序为：伸出由大节到小节逐次进行(大缸有效作用面积大，同等压力下推力大)；空载缩回时，由小节到大节（小节柱塞面积小，摩擦阻力小，易复位）。常用于起重机悬臂和自卸汽车翻斗液压缸。（4）摆动式液压缸常用的摆动式液压缸有叶片式摆动缸和齿条摆动缸两种。叶片摆动缸常称为摆动液压马达（图12-22）。轴3上装有叶片4，叶片4和封油隔板2将缸体1内的空间分成两腔。当液压缸的一个油口接通压力油，而另一油接通回油时，叶片在油压的作用下产生转动，带动轴3摆动一定的角度（小于360°）。齿条摆动缸又称为无杆活塞式液压缸（图12-23）。装于缸体内的两个活塞由齿条杆2连成一个整体，齿条杆又与装在缸体中部一侧的小齿轮1相啮合。当缸体一端进入压力油而另一端回油时，活塞杆齿条就带动小齿轮向一个方向摆动；反之，油路换向后，小齿轮则反方向摆动。这种液压缸输出的往复摆动角度能在较大范围内变化，可小于360°，也可大于360°，甚至多达数圈。二、液压控制阀液压控制阀是用来控制液压系统中油液的压力、流量和流动方向，使执行机构的推力、速度和运动方向符合要求。按照功用，液压控制阀分为方向阀、压力阀和流量阀三大类。1．方向控制阀方向阀是用来控制油液流动方向的阀，按类型分为单向阀和换向阀。（1）单向阀（止回阀）单向阀是控制油液单方向流动的方向阀，不允许倒流，按阀芯结构分为球阀式、锥阀式，如图12-24所示。图12-24b所示为锥阀式单向阀，阀的原始状态是阀芯2在弹簧3的作用下轻压在阀座上。（2）换向阀换向阀是用来改变油液流动路线以改变工作机构的运动方向。它是利用阀芯相对阀体移动，接通或关闭相应的油路，从而改变液压系统的工作状态的。当阀芯与阀体处于图12-25所示的相对位置时，液压缸两腔不通压力油，处于停机状态。2．压力阀压力阀用来控制液压系统的压力，或利用系统中压力的变化来控制某些液压元件的动作。按照用途不同，压力阀分为溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。（1）溢流阀溢流阀是通过阀口的溢流，使被控制系统或回路的压力维持恒定，实现稳压、调压或限压的作用。按其结构原理可分为直动式和先导式两种，其符号如图12-26所示。图12-27所示为锥阀型（还有球阀型和滑阀型）直动式溢流阀。（2）减压阀减压阀可以用来减压、稳压，将较高的进口油压降为较低而稳定的出口油压。减压阀的工作原理是依靠压力油通过缝隙（液阻）降压，使出口压力低于进口压力，并保持出口压力为一定值，缝隙越小，压力损失越大，减压作用就越强。图12-28所示为先导式减压阀的结构原理及符号。（3）流量阀流量阀应用于控制液压系统中液体的流量，实现对液压系统的速度控制。常用的流量阀有节流阀和调速阀。1）节流阀。普通节流阀常用的节流口形状如图所示，有针阀式、偏心式、轴向三角槽式等。如12-29图所示为普通节流阀，采用轴向三角槽式节流口，工作时阀芯受力均匀、流量稳定性好、不易堵塞。2）调速阀。调速阀由定差减压阀和节流阀串联而成，定差减压阀能自动保持节流阀前后压力差不变，使节流阀前后压力差不受负载影响，从而通过节流阀的流量也基本为定值。在12-30图中，减压阀1和节流阀2串联在液压泵与液压缸之间。第四节液压辅助元件一、过滤器过滤器的作用是净化工作油液，清除油液中的杂物（灰尘、磨屑、油液氧化变质析出物等），防止油路堵塞和元件磨损，确保系统正常工作。汽车机械中常用的过滤器有网式、线隙式、烧结式和纸芯式等多种类型。二、蓄能器蓄能器是一种储存压力油的容器。它在系统中的作用是：在短时间内供应大量压力油，以实现执行机构的快速运动；补偿泄漏以保持系统压力；消除压力脉动；缓和液压冲击。三、压力计与压力开关压力计用于观察系统的压力。压力开关用于切断或接通压力计和油路的通道。四、油管和管接头油管和管接头是各元件组成系统时必需的连接和输油元件。液压传动中常用的油管有钢管、铜管、橡胶软管（用耐油橡胶制成，有高压和低压之分）、尼龙管和塑料管等。固定元件间的油管常用钢管和铜管，有相对运动的元件之间一般采用软管联接。在回油路中，可用尼龙管或塑料管。油管与管接头的连接方式分为：焊接式、卡套式、管端扩口式、扣压式等。五、油箱油箱除了用来储油以外，还起到散热、分离油中杂质和空气的作用。汽车液压系统一般采用单独油箱，汽车在修理设备中一般可利用设备底座作为油箱，这样可使结构紧凑。第五节液压基本回路液压基本回路指的是由有关液压元件组成的用来完成特定功能的典型油路结构。用基本回路组成系统，完成复杂的动作。按油路的功能不同，基本回路可分为压力控制回路、速度控制室回路和方向控制回路。一、压力控制回路压力控制回路是用压力阀在油路中调节系统的压力，以满足执行机构对压力的要求。按照使用的目的不同，压力控制回路又可分为调压、减压、增压、卸荷等回路。1．调压回路调压回路是指控制系统的工作压力，使其不超过某预先调好的数值，或者使工作机构运动过程的各个阶段中具有不同的压力（两级或多级调压）。如图12-31所示，其图12-31a是单级调压回路。其图12-31b是多级调压回路。2．减压回路用单泵供油的液压系统中，主系统需要压力较高，而其他支系统需要压力较低时，可用减压阀组成减压回路，如12-32图所示。3．增压回路增压回路是用来使系统局部工作压力大于液压泵的供油压力。其优点是可以避免另置价格较贵的高压液压泵，使系统简单经济。图12-33所示的增压回路是利用增压缸来实现增压的。4．卸荷回路当液压系统中的执行元件停止运动后，使液压泵输出的油液在低压下流回油箱，称为液压泵的卸荷。这样可以节省动力消耗，减少系统发热，能够使液压泵卸荷的回路，称为卸荷回路。如图12-34所示。二、速度控制回路速度控制回路是控制和调节液压执行元件运动速度的单元回路。调速回路是控制和调节执行元件运动速度。按照调速方式不同，液压传动系统速度调节方法归纳为节流调速和容积调速两大类。1．节流调速回路根据节流阀在回路中装设的位置不同，节流调速回路分为进油节流、回油节流和旁路节流三种类型的回路，如图12-35所示。2．容积调速回路容积调速回路是通过改变液压泵或液压马达（也可以是液压缸）排量的方法来调节执行元件速度的回路。如图12-36所示。三、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液流的接通、切断或改变流向，从而使各执行元件按照需要相应地完成起动、停止或换向等一系列动作。1．换向回路换向回路一般可由换向阀