第四节_轴向柱塞泵和轴向柱塞马达讲解

第四节轴向柱塞泵和轴向柱塞马达通常把利用柱塞底部密封空间工作的液压泵称为柱塞泵。

柱塞泵根据柱塞与转子的位置关系分为两大类，一类柱塞的轴线与转子的轴线一致，称为轴向柱塞泵；一类柱塞沿转子的半径方向布置，称之为径向柱塞泵。

轴向柱塞泵具有结构紧凑、单位功率体积小、重量轻、工作压力高、容易实现变量和变量方式多等优点，轴向柱塞泵的缺点是对油液污染较敏感、对油液清洁度要求较高、对材质和加工精度要求亦较高、使用和维护要求比较严、价格昂贵。

轴向柱塞泵广泛应用于在工程机械、船舶甲板机械、冶金设备、火炮和空间技术等领域。

一.轴向柱塞泵的分类按配流方式轴向柱塞泵分为阀式配流轴向柱塞泵和配流盘配流轴向柱塞泵量（又称为端面配流轴向柱塞泵）大类。

阀式配流轴向柱塞泵的配流阀通常采用锥阀结构，密封能力强，因而在配流阀处的泄漏量小。

但是由于配流阀有一定的质量引起的惯性和柱塞底部死容积的影响，使泵的转速受到了限制。

阀式配流的轴向柱塞泵目前应用较少。

配流盘配流的轴向柱塞泵根据结构特点又分为斜盘式和斜轴式两类。

斜盘式指传动轴轴线与缸体轴线一致，与圆盘轴线倾斜（图3-4-1a）；斜轴式指传动轴轴线与圆盘轴线一致，与缸体轴线倾斜（图3-4-1b）。

图3-4-1斜盘式轴向柱塞泵根据传动轴是否穿过斜盘分为通轴式和半轴式（又称非通轴式），穿过斜盘的称为通轴式轴向柱塞泵；没有穿过斜盘的称为半轴式轴向柱塞泵。

二.轴向柱塞泵的工作原理1.斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图3-4-2为斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图。

柱塞安放在缸体上均布的缸孔之中（缸体上一般均布着7～9个缸孔），配流盘量腰形槽的对称线与斜盘的上死点（此时柱塞全部伸出）和下死点（此时柱塞全部缩回）的连线在一个平面上。

在柱塞的底部柱塞、缸孔和配流盘形成了多个密封工作腔，由于配流盘的分割作用这些工作腔一部分通过配流盘左边的腰形槽与吸油口相通；一部分通过配流盘右边的腰形槽与排由口相通；还一部分除在左右腰形槽之间的过渡区间。

当传动轴带动缸体按图示方向旋转时，柱塞一方面随着缸体作圆周运动，一方面在斜盘和柱塞底部弹簧力的作用之下向对于缸体作直线往复运动。

柱塞由上死点向下死点运动过程中，处在配流盘的左半部，在斜盘的强制作用下柱塞向缸孔内缩回，柱塞底部的密封空间收缩，于是一部分液体被强制通过缸孔底部的小腰形槽、配流盘左边腰形漕和排油口排出，这就是排由过程。

当住塞运动至下死点时，密封工作腔达到了最小值，排油结束。

随着缸体的旋转，柱塞又由下死点向上死点运动。

在弹簧力的作用下，柱塞线外伸出，柱塞底部的密封空间增大形成真空，油箱中的液体在大气压力的推动之下经过吸有管路、吸油口、配流盘右侧的腰形窗口进入密封空间，填补真空，当柱塞运动之上死点密封空间达到最大值，吸油结束。

由于柱塞泵油多个柱塞且在缸体圆周上是均布的，所以在任意瞬时配流盘的左侧和右侧腰形槽均有密封工作腔存在，于是当缸体连续旋转时，泵就可以连续的吸油和排油了。

柱塞的行程由斜盘的倾斜角度γ决定，γ的大小发生变化，则泵的排量发生变化，柱塞泵就成为变量泵了。

A A图3-4-2 2.斜轴式轴向柱塞泵的工作原理斜轴式轴向柱塞泵的柱塞通过连杆与交接盘（主轴法兰）铰接，并由于连杆的强制作用使柱塞产生往复运动。

图3-4-3如图3-4-3所示，法兰传动轴为输入轴，轴的前端做成法兰盘状，盘上有Z 个球窝（Z 为柱塞数），均布在同一个圆周上，用以支承连杆2的球头，并用压板与法兰盘连在一起形成球铰，其中心点为G ，分布圆半径为r 。

连杆2的另一端球头交界在柱塞3上，其中心点为B ，分布圆半径为R 。

若法兰轴以角速度Ω等速旋转，当法兰轴旋转某角度θ（θ=Ωt ），在连杆2的轴线与柱塞3的轴线之间形成夹角τ时，连杆锥面与与柱塞内壁接触，带动缸体旋转。

缸体的转角为φ缸体的旋转角速度为ω，则φ=ωt ，连杆将按顺序分别与柱塞内壁接触拨动缸体旋转。

因此在运动过程中，从一根连杆与柱塞内壁接触转换为另一根连杆与柱塞内壁接触的过程中，连杆与柱塞内壁间要发生撞击现象。

由于缸体相对与传动轴具有倾角γ，因而在法兰轴旋转时，法兰盘通过连杆带动柱塞在缸体内左直线往复运动。

当柱塞外伸时，柱塞底部工作腔容积增加形成真空，油箱中的液体在大气压力的推动之下经过吸油管路和配流盘的吸油窗口吸入油液，这就是斜轴泵的吸油过程；当住塞向缸孔内缩回时柱塞底部工作腔容积收缩，一部分液体被强迫通过配流盘的排油窗口和泵的排油口排出液压泵，这就是斜轴泵的排油过程。

由于柱塞在缸体上时均布的，所以柱塞的伸出和缩回也是在同时进行的。

故当传动轴连续旋转时，斜轴泵可以连续的吸入和排出液体。

二.轴向柱塞泵的流量计算1.斜盘泵的流量计算1）斜盘泵的排量由3-4-2可知转子转动一周所有的柱塞所形成的密封工作腔都进行了一次吸油和一次排油。

柱塞由上死点运动至下死点完成一次排油。

设柱塞的直径为d 、柱塞的分布圆直径为D 、斜盘的倾斜角度为γ，则由上死点到下死点时柱塞相对于缸孔运动的行程L 为γtan D L =排量q 为γππtan 414122DZ d Z d L q == 2）斜盘泵的理论流量Q 为γπtan 42DZn d qn Q ==2. 斜轴泵的流量计算1） 斜轴泵的排量q由3-4-3可以看出 ，转子转动一周，每一柱塞的排油行程L 均为 γsin 2r L =所以，斜轴泵的排量为γππsin 4422rZ d LZd q ==2） 斜轴泵的流量Qγπsin 42rZn d qnQ ==三.斜盘式轴向柱塞泵的常见结构轴向柱塞泵的结构形式种类较多。

我国较早自行研制的有斜盘泵CY （3—40）和ZB （3—41）两大系列，它们均属于半轴式轴向柱塞泵。

目前在工程机械等领域广泛应用着的还有Sundstarand （3—42）、Dynapower （3—43）、A4V （3—44）等，属于通轴式轴向柱塞泵。

下面介绍常见的轴向柱塞泵的结构。

1.CY14—1B 型轴向柱塞泵如图3-4-3所示。

CY14—1B 型轴向柱塞泵外观上由前泵体、后泵体和泵盖（或变量机构）三部分组成。

传动轴将原动机的动力输入，通过花键驱动缸体旋转，缸体上一般开有7～9个柱塞缸孔，每个缸空中均装有一个柱塞，柱塞泵就是靠柱塞底端密封工作腔容积的变化工作的。

柱塞的另一端为球头结构，它与滑靴上的球窝铰接在一起。

在工作时滑靴将贴在斜盘上滑动。

为了保证滑靴在工作时不脱离斜盘表面和柱塞泵吸油时柱塞向图3-4-3外伸出，将滑靴套入回程盘的的对应的孔中，并通过集中返回弹簧的弹簧力将滑靴压在斜盘上。

集中返回弹簧装在传动轴的部分中空的孔中，它一方面通过钢球、回程盘将滑靴压向斜盘，其反作用力通过套筒将缸体压向配流盘，以保证缸底和配流盘之间的初始密封。

配流盘介于缸体和前泵盖之间，其作用是通过配流盘上的两个腰形窗口将柱塞底部的密封工作腔与前泵盖上的进出油口沟通。

变量机构的作用是通过控制斜盘的倾角控制柱塞的行程达到改变泵的排量的目的。

斜盘上两个耳轴担在变量壳体上的两块铜瓦上，斜盘可绕铜瓦的中心旋转。

变量活塞上的销轴嵌入斜盘的尾槽之中，当变量活塞上下移动时可操纵斜盘绕铜瓦中心旋转，改变泵的排量。

另外，传动轴的一端支承在短柱滚子轴承和向心球面球轴承上，另一端支承在缸体上。

如图3-4-4所示，斜盘对柱塞的反作用力可分解为沿柱塞轴线方向的轴向力，和与柱塞垂直的径向力，径向力通过柱塞将传递给缸体，如不采取措施此力将传递给传动轴。

分析表明出在高压区的柱塞产生的径向合力，通过缸球19的中心，并竖直向上。

为此缸体外大轴承设置在图示位置，承担全部径向力，使传动轴就可免受弯曲应力的作用。

因此半轴式轴向柱塞泵的传动轴往往较细，当冲击载荷作用在传动轴上时，轴的弹性变形可吸收冲击载荷。

但是由于缸体外大轴承承担了全部的径向力，使半轴式轴向柱塞泵的压力和转速的提高受到了限制。

图3-4-42.ZB型轴向柱塞泵（图3-4-5）ZB型轴向柱塞泵的结构基本与CY14—1型轴向柱塞泵相似，两种结构的不同点是：1）ZB泵的外观由泵体和后泵盖（或变量机构）两部分组成，因而结构较紧凑。

CY14—1B 泵的泵体分为前泵体和后泵体两部分，泵体与配流盘表面接触处平面的加工工艺性较好。

2）ZB泵的传动轴由轴套和芯轴两部分组成，此结构非常适合发动机驱动液压泵这种震动较大驱动方式，因而在工程机械上应用较为广泛。

CY14—1B泵传动轴为整体式结构。

3）ZB泵通过安装在传动轴输入端的弹簧将缸体拉向配流盘，保证缸底与配流盘的密封，并且缸体与配流盘之间的预紧力可以调节；在传动轴另一端的集中返回弹簧保证滑靴贴在斜盘上滑动，另外也对缸底和配流盘的密封起辅助作用。

CY14—1B泵无预紧弹簧，集中返回弹簧不仅保证滑靴不脱离斜盘表面，还保证缸体对配流盘的预紧力。

4) ZB泵结构对称能够逆转，可以作为液压马达使用。

CY14—1泵不能逆转，不能作液压马达使用。

3.SUNDSTRAND轴向柱塞泵（图3-4-6）该泵为通轴式轴向柱塞泵，其缸体由支承在两个滚子轴承上的传动轴驱动，泵的后端装有辅助泵，用于操纵变量机构和系统补油（该泵可用于闭式系统）。

缸体采用钢基孔内镶铜套，配流判断面附加一个青铜衬板与缸制配流盘组成一对摩擦副。

变量泵采用两个直径相等的变量缸推动斜盘，由于变量斜盘直成灾滚动轴承上，而且变量缸直径较大，故变量机构操纵压力较低。

变量缸中的弹簧，当发动机熄火时，可使斜盘自动回零，使泵在零偏角下启动，保证了车辆的安全。

该泵的额定压力和最高压力分别为21Mpa和四.斜轴式轴向柱塞泵的结构斜轴式轴向柱塞泵的柱塞与斜盘之间是由连杆和两个铰链连接起来的，这样可以消除柱塞所受的弯矩。

根据缸体的驱动方式，这种泵分为单万向铰式、双万向铰式和无万向铰式。

目前应用较为广泛的是无万向铰式。

图3-4-7为斜轴泵的结构。

该泵为定量泵，由传动轴1、法兰盘2、连杆3柱塞4、缸体5、壳体6、中心杆7、配流盘8等零件组成。

在壳体6内安置传动轴1和阀兰盘2，法兰盘与传动轴并为一体。

缸体内附带七个柱塞和球头连杆3，缸提倾斜传动轴25°。

球头连杆3的一头铰接在阀兰盘球窝上，另一头铰接在柱塞4内。

缸体安装在中间中心杆7上。

该泵配流盘为球面配流式。

球面配流盘能自动定心，能保证缸体和配流盘间密封性良好。

斜轴泵可以通过变量机构改变缸体与传动轴的倾斜角γ，γ可在 25°范围内变化，使泵的排量可变，成为变量泵。

五.斜盘泵主要零件分析斜盘泵通常有滑靴与斜盘、柱塞与缸孔和缸底与配流盘三对主要的摩擦副，它们也是泵的易损部位。

下面对这三个摩擦副的结构进行分析。

1.滑靴与斜盘早期的轴向柱塞泵柱塞与斜盘采用点接触的结构，由于处在高压区的柱塞与斜盘的接触应力过大，常常发生金属烧结现象。