情境二復雜機械的液壓傳動

任務2履帶車輛的轉向液壓傳動

一、結構與工作情況

1、結構

外形圖：

履帶式與輪式行駛系統(tǒng)相比，有

如下特點：-一是支承面積大，接地

比壓小。因此履帶車輛適合在松軟

或泥濘場地進行作業(yè)，下陷度小，

滾動阻力也小，通過性能較好。二

是履帶支承面上有履齒，不易打滑,

牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大

的牽引力。三是結構復雜，重量大,

運動慣性大，緩沖性能差，“四輪一

帶”磨損嚴重，造價高，壽命短。

因此履帶車輛的行駛速度不能太

高，機動性能也較差。四是履帶車

輛還可在高溫場地工作,加之其“低圖5-1履帶車輛一挖掘機的外形圖

比壓”、“大牽引力”的突出優(yōu)點是

輪式車輛無法代替的。

2、轉向系統(tǒng)圖：

發(fā)動機的功率分兩路傳

遞，一路通過齒輪傳到變速

機構，由車輛根據需要換入

所需擋位；另一路由變量泵

定量馬達機組傳到兩側兩個

匯流行星排的太陽輪。然后,

通過匯流行星排將兩路動力

匯合后，分別通過兩側匯流

行星排的行星架輸到兩側履

帶。因兩側太陽輪轉動方向

相反，所以輸出到兩側履帶

的轉速大小不相等，造成兩

側履帶產生速差而使車輛轉圖5—2履帶車輛轉向系統(tǒng)

向。

二、轉向液壓傳動系統(tǒng)

1、傳動系統(tǒng)圖：

如圖5-3,該系統(tǒng)采用的是雙

向變量泵和定量馬達組成的容積式

調速方式，通過調節(jié)液壓泵的排量

來改變液壓馬達的輸出轉速，以實

現履帶車輛的雙向無級轉向。它主

要由變量柱塞泵、補油齒輪泵、定

量柱塞馬達、換向閥、單向閥、溢

流閥、油箱、油管和濾油器等元件

組成。

2、工作原理

當發(fā)動機帶動變量泵2轉動

時，液壓泵將發(fā)動機的機械能轉換

為液壓能，輸出壓力油，驅動馬達圖5-3履帶車輛轉向液壓系統(tǒng)

液區(qū)泵變量泵、單向閥

10轉動。調節(jié)變量柱塞泵斜盤擺角1—2—45—

的大小和方向，即改變液壓泵輸出向閥6、7一安全溢流閥8一換向閥

流量的大小和液流的方向，從而使9—背壓閥10一雙向馬達11一溢流

馬達輸出不同大小和方向的轉速。閥

馬達回油與變量泵的吸油口相通，

形成閉式回路。

由于泵、馬達組成的是閉式液壓回路，為了補充閉式回路中因泄漏而造成的

油液損失，系統(tǒng)中設有補油系統(tǒng)，如齒輪泵1、單向閥4和5、定壓溢流閥11

等；為了使補油系統(tǒng)循環(huán)并帶走變量泵和定量馬達工作中因功率損失而產生的熱

量，控制油液的溫度，系統(tǒng)中設有換向閥8和背壓閥9；為防止液壓系統(tǒng)過我，

還設有安全溢流閥6和7。

三、柱塞泵

柱塞泵是依靠柱塞在缸體內往復運動，使密封容積產生變化來實現吸油和壓

油的。由于柱塞和缸體內孔均為圓柱表面，因此加工方便、配合精度高、密封性

能好、容積效率高，同時，柱塞處于受壓狀態(tài)，能使材料的強度性能充分發(fā)揮，

只要改變柱塞的工作行程就能改變泵的排量，所以柱塞泵具有壓力高、結構緊湊、

效率高、流量調節(jié)方便等優(yōu)點。由于單柱塞泵只能斷續(xù)供油，因此作為實用的柱

塞泵，常以多個單柱塞泵組合而成。根據其排列方向不同可分為徑向柱塞泉和軸

向柱塞泵。徑向柱塞泵徑向尺寸大，結構較復雜，自吸能力差，且配油軸受到徑

圖5—4軸向柱塞泵的工作原理

1一斜盤2—滑履3—壓板4、8套筒5一柱塞6—彈簧

7—缸體9—轉軸10一配油盤

向不平衡液壓力的作用，易于磨損，這些都限制了它的轉速和壓力的提高，因此

目前應用不多。這里只介紹軸向柱塞泵。

1、軸向柱塞泵的工作原理

軸向柱塞泵的工作原理見圖5—4。軸向柱塞泵的柱塞平行于缸體軸心線。它

主要由柱塞5、缸體7、配油盤10和斜盤1等器件組成。斜盤1和配油盤10

固定不動，斜盤法線和缸體軸線間的交角為缸體有轉軸9帶動旋轉，缸體上

均勻分布了若干個軸向柱塞孔，孔內裝有柱塞5。套筒4在彈簧6作用下，通過

壓板3而使柱塞頭部的滑履2和斜盤緊貼，同時套筒8則使缸休7和配油盤10

緊密接觸，起密封作用。當缸體按圖示方向轉動時，由于斜盤和壓板的作用，迫

使柱塞在缸體內做往復運動，使各柱塞與缸體間的密封容積增大或縮小變化，通

過配油盤的吸油窗口和壓油窗口進行吸油和壓油。當缸孔自最低位置向前上轉動

(前面半周)時，柱塞在轉角0?乃范圍內逐漸向左伸出，柱塞端部的缸孔內密

封容積增大，經配油盤吸油窗口吸油；柱塞在轉角萬?2乃(里面半周)范圍內，

柱塞被斜盤逐漸壓入缸體，柱塞端部密封容積減小，經配油盤排油窗口而壓油。

如果改變斜盤傾角7的大小，就能改變柱塞的行程長度，也就改變了泵的排

量。如果改變斜盤傾角的方向，就能改變泵的吸壓油方向，就成為雙向變量軸向

柱塞泵。

2、軸向柱塞泵的排量和流量

由圖372所示，若柱塞數目為Z,柱塞直徑為d,柱塞孔的分布圓直徑為D,

斜盤傾角為,時，泵的排量V為

l^-d2Dtg/Z(5-1)

設轉速為總容積效率為則泵輸出的實際流量為

q=—d2Dig冽小，(5—2)

4

由于柱塞的瞬時移動速度不相同，因而輸出流量是脈動的，不同柱塞數目

的柱塞泵，其輸出流量的脈動率也不同。其大小變化規(guī)律見表5T所示。

表5—1柱塞泵的流量脈動率

柱塞數Z56789101112

脈動率4.98142.537.81.534.981.023.45

(%)

由表5—1可以看出柱塞數較多并為奇數時，脈動率較小。故柱塞泵的柱

塞數一般都為奇數。從結構和工藝考慮，常取z=7或z=9

3、軸向柱塞泵的結構

圖5-5為手動變量機構的軸向柱塞泵結構圖。變量時，轉動手輪18,使

絲桿17隨之轉動，帶動變量柱16沿導向鍵作軸向移動，通過軸銷13使支承在

變量殼體上的斜盤15繞鋼球的中心轉動從而改變了斜盤傾角也就改變了泵

q

nM(5-4)

（二）轉矩和機械效率以

如不考慮馬達的摩擦損失，液壓馬達的理論瑜出轉矩7；的公式與泵相同,

，一2萬

實際上液壓馬達存在機械損失，由機械損失造成液壓馬達實際輸出轉矩T

要小于它的理論輸出轉矩設機械效率為名”，則

〃,”二"（5-5）

（5—6）

表5-2各類液壓泵的性能比較及應用

作

、^型齒輪泵雙限壓式軸向柱徑向柱螺桿泵

用

項目^\片變量葉塞泵塞泵

葉

片泵

泵

工作壓力<206.3-21W720?3510?20<10

（MPa）

轉速范圍300?500?500?600?700?100。?

(r-min1)700040002000600018001800

容積效率0.70?0.80?0.80?0.90?0.85?0.73?

0.950.950.900.980.950.95

總效率0.60?0.75?0.70?0.85?0.75?0.70?

0.850.850.850.950.920.85

功率重量比中等中等小大小中等

流量脈動率大小中等中等中等很小

自吸特性好較差較差較差差好

對油的污染不敏感敏感敏感敏感敏感不敏感

敏感性

噪聲大小較大大大很小

壽命較短較長較短長長很長

單位功率最低中等較高身局較高

造價

應用范圍機床，機床、機床、工程機機床、精密

工程機注塑機、注塑機械鍛壓液壓機、機床、精

械、農液壓機、機械、起船舶機密機械、

機、航起重運重運輸械食品、化

空、船輸機械、機械、礦工、石

舶、一般工廠機山機械、油、紡織

金機

機械械、飛機冶等機械

船

械

、

機

修

一

、

（三）液壓馬達的總效率〃

液壓馬達的總效率為馬達的輸出功率T2mM和輸入功率之比，則

72勿3T2mMT

--------=-----------=----------77=7777(5-7)

PMQPMVM"MPMVW"

辦2乃

從上式可知，液壓馬達的總效率等于液壓馬達的機械效率?”和容積效率,

的乘積。

2、葉片式液壓馬達

葉片式液壓馬達的工作原理如圖5—6所示，當壓力油通入壓油腔后，在葉

片1、3（或5、7）一面上作用有壓力油，另一面則為無壓力油作用，由于葉片

1、5受力面積大于葉片3、7,從而由于葉片受力差構成的力矩使轉子和葉片作

順時針旋轉。

根據液壓馬達要雙向旋轉的要求，葉片式液壓馬達在結構上與葉片泵有一些

重要區(qū)別。馬達的葉片徑向放置。葉片應始終緊貼定子內表面，以保證正常起動,

因此，在吸、壓油腔通入葉片根部的通路上應設置單向閥，使葉片底部能與壓力

油相通外，還另設弗簧，使葉片始終處于伸出狀態(tài)，保證初始密封。

葉片式液壓馬達的轉子慣性小，動作靈敏，可以頻繁換向，但泄漏量較大，

不宜在低速下工作。因此葉片式馬達一般用于轉速高、轉矩小、動作要求靈敏的

場合。

圖5—6葉片式液壓馬達工作原理

3、軸向柱塞式液壓馬達

在圖5-7的柱塞泵中，當壓力油經配油盤通入柱塞底部孔時，此時柱塞泵就

變成了軸向柱塞式液壓馬

達，柱塞受壓力油作用向外

伸出，并緊緊壓在斜盤上，

這時斜盤對柱塞產生一反作

用力?(圖5-7)0由于斜

盤傾斜角為了，所以/可分

解為兩個分力，一個軸向力

%,它和作用在柱塞上的液圖5-7軸向柱塞馬達工作

壓作用力相平衡，另一個分力居它使缸體產生轉矩。應注意，由于各柱塞在直

徑D分布圓上F、,分力產生的轉矩是不相等的，因此轉矩也是脈動的。但液壓馬

達的轉速〃“和平均轉矩7也可按式(5-4)和式(5-6)計算。

五、減壓閥

1、減壓閥的工作原理與結構特點

減壓閥作用是使系統(tǒng)某一支油路獲得比系統(tǒng)壓力低而平穩(wěn)的壓力油的液壓

控制閥。減壓閥也有直動和先導式兩種，先導式減壓閥應用較多。

減壓閥主要是利用出油口壓力的反饋作用，自動控制閥口的開度，保證出口

壓力基本上為彈簧調定的壓力(圖5-8a為減壓閥的圖形符號)，因此，它也被稱

為定值減壓閥。

圖5-8所示為先導式減壓閥結構，它由先導閥和主閥組成。油壓為B的壓

力油流入減壓閥，經口x減壓后由出油口流出，其壓力減為出。出油口油液經

閥體和下閥蓋上的孔及主閥

芯上的阻尼孔e流入主閥芯上

腔及先導閥右腔。當出口壓力

出低于先導閥彈簧的調定壓

力時.，先導閥呈關閉狀態(tài)，使

主閥芯上、下腔油壓相等，它

在主閥彈簧力作用下處于最

下端位置。這時減壓閥口x開

度最大，不起減壓作用，其進、

出口油壓基本相等。當P2達到

先導閥彈簧調定壓力時，先導

閥開啟，主閥芯上腔油經先導

閥流回油箱，下腔油經阻尼孔

向上流動，由于阻尼孔的減壓

作用使主閥芯兩端產生壓力

差。主閥芯在此壓差作用下向圖5—8減壓閥

上抬起關小減壓閥口X,閥口壓降Ap增加，乂由于出口壓力為調定壓力P2，因

而其進口壓力Pi值會升高，即A=2+△尸（或已可一△〃），減壓閥開始起減壓作

用，使出口壓力也穩(wěn)定在調定壓力.上。若由于負載增大或進口壓力向上波動而

使P2增大，在P2大于彈簧調定值的瞬時，主閥芯立即上移，使開口X迅速減少,

△，進一步增大，由上式可知，出口壓力也便自動下降，仍恢復為原來的調定

值。

減壓閥的閥口為常開型，其泄油口必須由單獨設置的油管通往油箱，且泄油

管不能插入油箱液面以下，以免造成背壓，使泄油箱不暢，影響閥的正常工作。

當閥的外控口K接一遠程調壓閥，且遠程調壓閥的調定壓力低于減壓閥的調

定壓力時，可以實現二級減壓。

2、減壓回路

在液壓系統(tǒng)中，很多情況下需要某一支油路的

工作壓力低于系統(tǒng)的工作壓力，可采用減壓回路。

圖5-9是夾緊機構中常用的減壓回路?；芈分?/p>

串聯一個減壓閥，這樣能使夾緊支路獲得穩(wěn)定的夾

緊力，當系統(tǒng)壓力有波動時，減壓閥出口壓力可穩(wěn)

定不變。圖中單向閥的作用是當主系統(tǒng)壓力下降到

低于減壓閥調定壓力（如主油路中液壓缸快速運

動）時，防止油倒流，起到短時保壓作用，使夾緊

缸的夾緊力在短時間內保持不變。為了確保安全，

夾緊回路中常采用帶定位的二位四通電磁換向閥，

或采用失電夾緊的二位四通電磁換向閥換向，防止

在電路出現故障時松開工件出事故。

為使減壓回路可靠地工作，其減壓閥的最高調

定壓力應比系統(tǒng)調定壓力低一定的數值。例如，中

壓系統(tǒng)約低0.5MPa,中高壓系統(tǒng)約低IMPa,否則

減壓閥不能正常工作。圖5—9減壓回路

六、容積調速回路

節(jié)流調速回路有節(jié)流或溢流損失，只適合于小功率液壓系統(tǒng)。而利用改變變

量泵或變量液壓馬達的排量來調節(jié)執(zhí)行元件運動速度的回路稱為容積調速回路。

這種調速回路無溢流損失和節(jié)流損失，故效率高、發(fā)熱少，適用于高壓大流量的

液壓系統(tǒng)。

容積調速回路按油液循環(huán)方式的不同，有開式和閉式兩種。根據液壓泵與執(zhí)

行元件組合方式的不同，容積調速回路有四種形式，它們的組成及調速特性分析

如下：

1、變量泵一液壓缸容積調速回路

圖5-10a所示開式容積調速回路?；芈酚勺兞勘眉耙簤焊捉M成的容積調速回

路。改變變量泵1的排量，即可調節(jié)液壓缸中活塞的運動速度。單向閥2的作用

是當泵停止工作時，防止液壓缸的油向泵倒流和進入空氣。安全閥3起過載保護

作用，背壓閥6使液壓缸運動平穩(wěn)。

設液壓泵的排量為“,轉速為外，液壓缸的有效工作面積為A,活塞的速度

為u,液壓泵輸出壓力為PB,液壓泵輸出功率為PBM則

4

(5-8)

PBN=PBVB〃B

(5-9)

圖5—10變量泵一液壓缸容積調速回路

1一變量泵2一單向閥3—安全閥4一換向閥5—液壓缸6—背壓閥

由式（5—8）可見，活塞的運動速度u與泵的排量％成正比，即改變變量

泵的排量時，即可改變活塞的速度。如果不計回路的損失，則液壓缸的輸出功率

P”與液壓泵輸出功率相等，由式（5—9）可知，液壓缸的輸出功率也與泵的排量

%成正比。該回路的調速特性如圖5—10b所示。從公式（5-8）知，只要泵的

排量和轉速不變，液壓缸的速度就不變，但當負載增加壓力升高時，其泄漏量增

加，使活塞速度明顯降低，這就是u-F特性向下傾斜的原因，如圖5—10C所

示。這種容積調速回路常用于插床、拉床、壓力機、推土機、升降機等大功率的

液壓系統(tǒng)中。

2、變量泵一定量液壓馬達容積調速回路

圖5-lla所示的閉式回路為由變量泵2及定量液壓馬達4等組成的容積調

圖5—11變量泵一定量馬達容積調速回路及其特性

1一輔助泵2—變量泵3—安全閥4一定量液壓馬達5一溢流閥6—單向閥

速回路。圖中3為安全閥起過載保護作用。輔助泵1與溢流閥5組成補油油路，

它使主泵2進油口的油壓為定值低壓，以避免產生空穴并防止空氣進入。輔助泵

的流量約為主泵流量的10%?15%。系統(tǒng)中有少量溫度較高的回油可經溢流閥5

流回油箱冷卻。

設液壓馬達的排量％,轉速為n”，工作壓力為汽，輸出轉矩為冗,；輸出功

率為Pm若不考慮回路損失，則有

=y也

(5-10)

(5—11)

由式(5-10)可知，液壓馬達的輸出轉速小與變量泵的排量％成正比，調

節(jié)％即可調節(jié)馬達的轉速。由式(6-4)可知，馬達的輸出功率%等于泵的輸出

功率RN,它也與變量裒的排量％成正比。

若不計損失，液壓馬達的液壓功率(以乙〃.)與其輸出的機械功率

(TM2701m)相等，

即

=TM2mM

故幾=巴必_(5-12)

24

由于采用定量液壓馬達，九為定值，而回路的，作壓力兒由安全閥限定不

變，因此液壓馬達能輸出的最大轉矩7人…為定值，故該回路為恒轉矩調速?；?/p>

路的調速特性如圖5—11b所示。

上述兩種容積調速回有以下共同特性：

(1)調節(jié)變量泵的排量便可調節(jié)液壓缸的速度或液壓馬達的轉速。由于變

量泵的流量可以調的很小，因此液壓缸或液壓馬達可以獲得很低的速度，調速范

圍寬。

(2)在不計系統(tǒng)損失和變量泵輸出壓力調定的情況下，從上述公可知，液

壓缸能輸出恒推力和液壓馬達能輸出恒轉矩。

以上兩點對于設計液壓系統(tǒng)時可充分利用。

3、定量泵一變量液壓馬達容積調速回路

圖5-12a所示為由定量泵2和變量液壓馬達4組成的容積調速回路，圖

中，閥3為安全閥，輔助泵6和溢流閥5組成補油油路。單向閥1用以防止油液

倒流及空氣進入。若不計系統(tǒng)損失，且各參數意義同前，則有

，、=2(5-13)

(5-14)

2萬

由式（5-13）可知,液壓馬達輸出轉速也與馬達的排量刑成反比。即幾

越小時，，」越高。但V”不能太小，更不能為零。否則將會因也太高而出事故。

由式（5—14）可知，液壓馬達的輸出轉矩與馬達的排量成正比，即馬達的排量九

越大，其輸出的轉矩心也越大。

圖5—12定量泵一變量液壓馬達容積調速回路及其特性

1一單向閥2一定豉泵3—安全閥4一變量液壓馬達5一溢流閥6—輔助泵

若不計損失，液壓馬達的輸出功率&'（4人.=〃2加用）等于定量泵的輸出

功率

-小二定值）。即

P

MN=G2加的=PBN=定