《汽车液压与液力传动》主要针对于机械类及相关专业学生的理论学习的教学用书,主要介绍了液压与液力传动的基本原理及其在汽车工程中的应用与发展。全书分为3个部分。*部分为引言;第二部分为液压液力传动的理论知识,包括液压液力传动基础、流体力学基础、液压泵、液压马达与液压缸、基本液压控制回路设计等;第三部分为液压液力传动在汽车工程中的应用,包括汽车起重机液压系统、汽车制动器液压系统、变速器液压控制系统、液压助力转向系统等。

第1章

液压与液力传动技术概述


1.1液压传动技术发展历程与发展趋势
1.1.1起源与发展历程


液压传动是基于密闭容器中流体的静压力、并利用机械能与液体的压力能之间的相互转换来实现动力传递的一种形式,传动过程是利用密闭液体作为媒介来完成的,其原理源自于法国物理学家帕斯卡(Blaise Pascal)于1650年提出的封闭静止流体压力传递的帕斯卡定律不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后,此压力增值瞬时间传至静止流体各点。。1686年,牛顿揭示了动性流体的内摩擦定律又称黏性定律。。到18世纪,流体力学的两个重要方程——连续性方程是描述守恒量传输行为的偏微分方程。由于在各自适当条件下,质量、能量、动量、电荷等,都是守恒量和伯努利方程其实质是流体的机械能守恒,即: 动能 重力势能 压力势能=常数。其*为**的推论为: 等高流动时,流速大,压力就小。相继建立。这些理论成果为液压技术的发展奠定了理论基础。
1795年,英国人约瑟夫·布拉曼(Joseph Bramah)发明了世界上**台水压机(见图11),这是帕斯卡定律**被实际应用,这台机器利用水作为介质进行能量传递,同时以水流方向进行控制。
这预示着液压技术在工程应用的开始。到了1850年英国工业革命之后,液压技术逐渐应用到实际工业当中,
由于这时候电能还未被发现和用作动力,液压传动技术逐步被用来驱动起重机、绞车、挤压机、剪切机和铆接机等各种工业设备。


图11世界上**台水压机


当时的液压传动采用的是水,通常是使用蒸汽机驱动水泵并在一定压力下通过管道将高压水送到加工车间,驱动各种机械设备。虽然水具有干净、容易获取且具备阻燃性等优点,但是以水为介质的液压传动系统也具有许多缺点,例如: 水的密封性和润滑性都很差,工作温度范围小,零部件容易锈蚀等,导致液压传动技术的发展一度陷于了停滞状态。直到1905—1908年间,威廉斯(H.Willians)和詹尼(R.Janney)两位英国工程师发明了用矿物油作为工作介质的轴向柱塞式液压传动装置。矿物油代替了水作为工作介质,在很大程度上解决了密封和锈蚀等问题,液压传动技术才开始逐步走向成熟。
**次世界大战(1914—1918年)之后,液压传动技术得到了广泛应用,液压伺服控制技术出现在海军舰艇舵机的操控装置上。到了第二次世界大战(1941—1945年)期间,美国的机床中已有30%应用了液压传动,由于军事工业迫切需要反应快、动作准确、功率大的液压元件、液压传动系统和伺服控制系统,以便用于飞机、坦克、高射炮、舰、艇等装备和武器方面的控制系统以及雷达、声呐的驱动系统,促进了液压技术及其自动控制技术的进一步发展。图12与图13为当时采用液压真空制动技术的Bedford OY军用卡车与采用了液压液力传动技术的M24轻型坦克。20世纪60年代,随着电子技术的发展,液压技术也在更深、更广泛的领域得到了发展和应用,出现了以比例电磁铁为转换器的电液比例控制阀,随后液压技术的应用迅速转入民用工业,在机床、工程机械、船舶机械、锻压机械、冶金机械、农业机械以及汽车、航空航天等部门得到了广泛应用,由于矿物质油易燃,在高温、明火、矿井等特殊环境下,乳化液等合成流体逐步取代了矿物油作为液压系统的工作介质。


图12Bedford OY军用卡车




图13美国M24轻型坦克



我国的液压工业开始于20世纪50年代,产品*初只用于机床和锻压设备,后来才用到拖拉机和工程机械上。自从1964年从国外引进液压元件生产技术以来,我国的液压件生产已从低压到高压形成了系列,20世纪80年代加速了对国外先进液压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作。21世纪以来,我国液压行业步入了快速发展阶段,以工程机械、冶金机械、矿山机械、农业机械、航空航天、智能机床等为代表的装备制造业取得快速发展,


图14我国生产的世界*大的8万t模锻压机

到“十一五”末期,我国已经成为世界上*大的液压市场和世界上第二大液压产品生产国。但是目前我国中高端液压产品对外依存度仍然较高,大部分液压产品处于价值链中低端,研发投入占销售额比例不足3%,

产品集中度和品牌影响力都不够强。国内挖掘机使用的高端液压件基本依赖博世力士乐(Bosch Rexroth)、川崎重工等国外厂商,存在着巨大的进口替代需求。数据显示,2015年度我国液压件进口数量为352.08万件,进口总金额为10.10亿美元; 2015年度我国液压件出口数量为933.05万件,出口总金额为7.12亿美元。近年来,部分国内自主品牌通过长时间的技术攻关,局部突破了国外知名液压企业在中高端液压产品上的技术垄断,并推出一系列技术含量较高的液压产品。图14所示为我国自主研发的8万t大型模锻压机。

1.1.2液压技术发展趋势
液压技术已广泛用于各工业部门和领域,成为对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术。如今,超过95%的工程机械、90%的数控机床、95%以上的自动化生产线都采用了液压传动技术。世界上先进的工业**均对液压技术的发展给予了高度重视,液压传动技术已成为衡量一个**工业水平的重要标志之一。在液压技术的发展过程中,随着科技的进步,液压技术逐渐融合了现代计算机信息技术等高新技术,在科技水平、工作效率等方面都得到了很大提高。为了和*新技术的发展保持同步,液压技术必须不断发展,不断提高和改进局部与整体的性能以满足日益变化的市场需求。
1. 高压化
对于给定功率等级的液压系统,高压化会使外形尺寸减小、重量减轻。近年来,高压结构强度问题得以解决、高压情况下的泄漏减少,滑动面间的润滑、摩擦和材料质量研究取得了很大进展,液压系统高压化发展已成为一个趋势。

2. 轻量化
液压元件和液压系统的轻量化设计也是当前液压传动的重要研究课题之一,尤其在要求液压元件或系统具有较小体积与重量要求的领域,如航空航天、行走机械、船舶机械等。轻量化设计是在满足结构强度、抗变形和工作要求的前提下,采用轻量化材料进行等强度的设计,并合理减小结构尺寸,达到节约用材、减少排放的目的。
3. 模块化/集成化
集成化的发展使得液压系统结构紧凑、工作可靠,而且简便,也易于维护保养。液压技术与电子技术结合的过程中,液压技术自身也在迅速地提升与演进,不断向高压、大流量、集成化等方向发展,其突出的表现便是液压阀的集成模块化趋势,图15所示为美国BD公司的机器人Big Dog。液压控制阀由于具有标准化、组合化和通用化的良好基础,在其演化发展历程中始终伴随着集成化和模块化。液压阀产品在功能、结构层面不断得到改进。在连接方式上,液压阀*初通过管道采用螺纹接头和法兰连接; 此后,为了克服管式连接的缺点,引进了过渡底板,使得板式连接和管道安装得到兼顾; 后来,随着少管化和无管化的发展,出现了公用过渡块和叠加式连接; 随着设计和工艺技术的进步,集成化进一步得到发展,液压控制元件也进一步从“安装面”模块化叠加到“安装孔”块式集成; 现在以集成块为主的液压控制形式迅速普及和多样化,集成块日趋多样化和定制化。


图15液压控制系统的集成化趋势


4. 新介质
随着密封技术的发展,矿物型液压油以良好的性能取代水成为主要的传动介质,推动了液压技术的进步,但是一些弊端依然存在,如泄漏造成环境污染等。随着近年来人们对环境保护和节能的重视,西方各国政府制定相应的法律、法规,从而激励了人们研究洁净的新的液压介质来代替旧有的液压油(如水和生物可降解液压油)。

5. 新材料和新工艺


图16陶器镀层活塞杆

新型材料的使用,如工程陶瓷、工程塑料或聚合物,可使液压元件质量提高、成本降低,促进液压技术新的发展,图16所示为陶器镀层活塞杆。采用新型磁性材料,可以提高磁力,增大阀的推力,进而增大阀的控制流量,使系统响应更快,工作更可靠。铸造工艺的发展,对优化液压元件内部流动,减少压力损失和降低噪声,实现元件小型化、模块化,都有良好的促进作用。

6. 节能化
液压系统在机械装置和设备中的应用十分广泛,但液压传动效率较低,液压系统在传递运动过程中的能耗转化为热能,使系统温度升高,引起很多不良影响。因此,必须合理使用**率的液压元件,合理设置和分配元件,正确选择油液,并对系统进行综合调节,以提高系统的效率。随着科技的发展,越来越多的数字技术和软件技术整合到液压节能技术中,液压节能技术正在向着稳定**的方向发展。
7. 数字化/智能化
数字化控制早在20世纪80年代已经开始研究和应用。随着液压伺服控制技术和计算机电子技术的结合,数字化液压控制系统和数字液压元件不断涌现。与比例控制和伺服控制等模拟量液压控制技术相比,数字化液压控制可靠性更好,抗干扰能力更强,性价比更高,且易于与计算机通信。为实现液压系统的高速、高精度控制,数字控制技术成为重要的发展趋势之一。
1.2液压传动的技术优势
液压传动具有很多技术优势,主要可以体现在以下几个方面:
(1) 易于实现大功率传动。液压传动易于获得很大的力,承载能力大,因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等大功率设备,相比于机械传动,液压传动更容易实现增矩,且传动平稳,能实现无级调速,调速范围大。
(2) 易于控制。由于几乎不受执行机构和机械系统运动惯性的影响,液压油具有流动性和几乎无体积改变等特点,因此液压控制更容易实现执行元件运动速度和位移的控制。液压元件质量轻、惯性小,可以实现高频率的换向控制,提高系统的动作灵敏度和运动精度。
(3) 柔性安装形式。柔性化液压系统由各个单元组成,每个单元在结构上可独自一体,然后通过柔性管路连接。尤其是在一些弯曲较多、布置空间受限的场合,液压传动的柔性连接优势使得设计人员可以根据传动的目的和控制要求,设计出更**、更优化、更经济的布置方案。
(4) 可实现自润滑作用。液压系统的传动介质为油液,因此自身具备润滑作用,有利于延长液压元件的使用寿命。同时,在采用液压传动的机构中,液压油也可为其他部件实现润滑,例如汽车自动变速器中,液压泵为变速器机械部件提供润滑。
(5) 易于标准化。液压系统由多个独立的液压元件组成,液压元件易于实现标准化、系列化和通用化,有利于组织生产、设计以及系统维护和零件更换。
液压传动也有不足之处,例如传动效率低,传动比不如机械传动**,且工作时受温度影响较大,不适宜在很高或很低的温度条件下工作,液压元件的制造精度要求较高,成本也较高,液压传动系统出现故障时不易找出原因。
1.3液压传动与液力传动的关系
传动系统在工程应用中广泛存在,其本质是将动力从一处(动力机构)传递到另一处(执行机构),并在这个传递过程中合理地改变力的大小与方向。根据传递动力的工作媒介不同,传动系统可以具体分为机械传动、流体传动与电力传动三种主要形式,如图17所示。


图17传动形式的分类


流体传动技术在国民经济的各个部门都得到了广泛的应用,例如工程机械、制造业、航空航天、石油化工等都离不开流体传动技术。液压传动与液力传动同属于流体传动的范畴,二者都是以液体作为工作介质,但二者在原理上又有一定的区别。从流体力学的角度来看,液压传动的基本原理是帕斯卡原理,而液力传动则是基于流体力学的欧拉方程,它是以动量矩方程为工作原理。在中学学习能量守恒定律时,我们认为一个运动的物体包含动能和势能,且二者数值之和是恒定的,但是对于流体而言,其携带的能量可以表现为三种形式,即动能、势能和压能,其三者之和守恒。然而在大部分情况下液体势能很小且几乎不变,可以忽略不计,因此流体所承载的能量主要是压能和动能这两种形式来体现。而液压传动和液力传动的主要区别就在于: 传动时,流体是以压能的形式来承载能量,还是以动能的形式来承载能量?以液体压能为载体来进行传动的系统即为液压传动系统,此时流体动能可以忽略(因为油液流速很低); 而液力传动系统中是依靠流体动能来实现传动。上述过程也可以形象地理解为: 液压传动是通过流体来“推”着执行机构运动,而液力传动是通过流体来“冲”着执行机构运动。
1.4液压与液力传动技术在汽车领域的应用
对于汽车而言,传动系统特指发动机与驱动轮之间的动力传递装置,通常由离合器、变速器、万向传动装置、主减速器、差速器、半轴等组成,它能够实现必要时的动力中断,确保车辆平稳起步以及换挡平顺,使汽车具有在各种行驶条件下所必需的牵引力得以正常传递到驱动轮,并控制传动比随车速协调变化,使汽车具有良好的动力性和燃油经济性; 要确保汽车具有倒车功能,并且左、右驱动轮适应差速等要求。在汽车发明之初,发动机直接通过齿轮连接驱动轴,不**制了发动机的安装位置,且无法实现大范围调速。随着百余年的发展,如今的传动系统已经日渐走向成熟,新技术的不断涌现使得现代汽车传动系统可以*佳地匹配发动机的动力特性。液压与液力传动技术在汽车传动系统中应用广泛。
1.4.1工程车辆
与机械传动相比,液压传动具有柔性连接、布置灵活、可操作性好、便于控制等优势。这些优势使得液压传动非常适合于复杂动作的工程车辆。近几年来,随着液压技术的发展,液压元件的性能不断提高,价格不断降低,液压传动的缺点逐渐减少甚至消失,液压传动系统在工程车辆和特种车辆上应用日渐广泛,例如液压挖掘机、汽车起重机、载货翻斗汽车等,均采用了液压传动技术。液压传动系统的柔性连接特点,使得它们非常适用于控制这种多关节的机械装置。
一些常见的工程车辆如图18所示。


图18常见工程车辆

(a) 液压挖掘机; (b) 汽车起重机; (c) 液压推土机; (d) 液压自卸车


1.4.2汽车变速器
变速器是汽车传动系统中的核心部件之一,早期的变速器多为手动变速器,随着液压与液力技术的发展,自动变速器逐渐成为了汽车变速机构的**。如图19所示液力自动变速器(AT),可以自动实现换挡操作,它的换挡原理就是根据车辆行驶状态和驾驶员动作来切换液压控制油路。AT主要是由液力变矩器、行星齿轮机构和换挡控制系统组成,其中的换挡控制系统通常是由液压控制来实现; 而其中的液力变矩器,则是液力传动技术在汽车传动系统中技术优势的体现,可以作为柔性联轴器,保证发动机平稳起步(不会熄火),同时还可以实现自适应地变矩。如图110所示无级变速器(CVT),可以连续地改变变速器传动比,它是使用液压控制来实现工作带轮接触直径的连续变化,同时在CVT中,液压控制系统还负责前进/倒退行星齿轮的控制等。


图19液力自动变速器(AT)




图110无级变速器(CVT)

目录 CONTENTS **部分绪论 第1章液压与液力传动技术概述 1.1液压传动技术发展历程与发展趋势 1.1.1起源与发展历程 1.1.2液压技术发展趋势 1.2液压传动的技术优势 1.3液压传动与液力传动的关系 1.4液压与液力传动技术在汽车领域的应用 1.4.1工程车辆 1.4.2汽车变速器 1.4.3汽车制动系统 1.4.4汽车动力转向机构 1.4.5发动机共轨系统 第二部分液压传动技术 第2章液压传动技术基础知识 2.1帕斯卡定律与液压传动基本原理 2.1.1液压传动的基本原理 2.1.2液压传动的基本组成 2.2流体力学基础知识 2.2.1流体静力学基础知识 2.2.2流体动力学基础知识 2.2.3流量和容积效率 2.2.4连续性方程 2.2.5伯努利方程(能量守恒定律) 2.3管路中的液体压力损失 2.3.1沿程压力损失 2.3.2局部压力损失 2.3.3总压力损失 2.4液体流动状态与雷诺数 2.5液压冲击与气穴现象 2.5.1液压冲击 2.5.2气穴与气蚀 第3章动力元件与执行元件 3.1液压泵 3.1.1液压泵的基本工作原理 3.1.2液压泵的主要性能参数 3.1.3液压泵的分类与图形符号 3.1.4齿轮泵 3.1.5叶片泵 3.1.6柱塞泵 3.2液压马达 3.2.1液压马达的工作原理和分类 3.2.2液压马达的主要性能参数 3.2.3液压马达的图形符号 3.3液压缸 3.3.1液压缸的分类 3.3.2液压缸的基本结构 3.3.3活塞式液压缸及其工作特性 3.3.4柱塞式液压缸 3.3.5伸缩式液压缸 第4章液压控制阀 4.1液压控制阀的分类 4.2方向控制阀 4.2.1单向阀 4.2.2换向阀 4.3压力控制阀 4.3.1溢流阀 4.3.2减压阀 4.3.3顺序阀 4.4流量控制阀 4.4.1节流阀 4.4.2调速阀 4.5伺服阀与比例阀 4.5.1电液伺服与比例控制概述 4.5.2电液伺服阀 4.5.3电液比例阀 第5章液压辅助元件 5.1蓄能器 5.1.1蓄能器的功能 5.1.2蓄能器的类型 5.1.3蓄能器的应用 5.2过滤器与热交换器 5.2.1过滤器的类型和结构 5.2.2过滤器的选用 5.2.3过滤器的安装 5.2.4热交换器 5.3管件 5.3.1管道 5.3.2管接头 5.4密封装置 5.4.1常见的密封方法 5.4.2密封件的类型 第6章液压基本回路 6.1速度控制回路 6.1.1调速回路 6.1.2快速运动回路 6.2压力控制回路 6.2.1多级调压回路 6.2.2双向调压回路 6.2.3减压回路 6.2.4保压回路 6.2.5卸荷回路与启停回路 6.3方向控制回路 6.3.1换向回路 6.3.2锁紧回路 6.4顺序动作回路 6.4.1压力控制的顺序动作回路 6.4.2行程控制的顺序动作回路 6.5同步回路 6.5.1采用分流集流阀的同步回路 6.5.2带补偿装置的串联液压缸同步回路 第三部分液力传动技术 第7章液力传动基本原理 7.1液力传动基本方式 7.2液力传动的流体力学基础 7.2.1欧拉方程 7.2.2动量矩方程 7.3液力传动在汽车中的应用 第8章液力耦合器 8.1液力耦合器在自动变速器中的位置 8.2液力耦合器基本结构与工作原理 8.2.1液力耦合器结构 8.2.2工作原理 8.3液力耦合器特性分析 第9章液力变矩器 9.1液力变矩器的组成 9.2液力变矩器工作原理 9.3单向离合器 9.3.1滚柱式单向离合器 9.3.2楔块式单向离合器 9.3.3棘轮式单向离合器 9.4带锁止离合器的液力变矩器 9.5液力变矩器工作特性曲线 第四部分液压与液力传动在汽车中的应用 第10章工程车辆液压控制系统 10.1汽车起重机液压控制系统 10.1.1支腿收放机构液压控制回路 10.1.2回转机构液压控制回路 10.1.3伸缩回路与变幅回路 10.1.4起升回路 10.2挖掘机液压控制系统 10.2.1工作机构液压控制回路 10.2.2铲斗控制原理 10.2.3回转机构液压控制原理 10.3汽车货箱举升液压系统 第11章汽车变速器液压控制系统 11.1液力自动变速箱 11.1.1离合器 11.1.2制动器 11.1.3行星齿轮机构 11.1.4液压系统 11.1.5液压控制回路 11.2无级变速器 11.2.1无级变速器组成与工作原理 11.2.2液压控制回路 第12章ABS液压控制系统 12.1ABS概述 12.1.1四通道ABS 12.1.2三通道ABS 12.1.3单通道ABS 12.2ABS的组成与基本原理 12.3ABS液压控制阀 12.3.1限压阀与比例阀 12.3.2电磁阀 12.4液压控制回路 12.4.1循环式制动压力调节器 12.4.2可变容积式制动压力调节器 12.**BS/ASR联合回路 第13章液压助力转向系统 13.1助力转向系统概述 13.2液压助力转向系统的组成及原理 13.2.1转阀式转向控制阀 13.2.2滑阀式转向控制阀 13.3助力转向液压控制回路 13.3.1滑阀式液压转向助力装置 13.3.2转阀式液压助力转向装置 附录常用液压与气动元件图形符号 参考文献