【第四章】
静液压驱动功率传输元件的
分类及发展沿革
各种柱塞式液压泵和液压马达的
共性结构
柱塞式变量泵和马达的调节响应时间、容积效率、工作压力、寿命方面均能匹配静液压驱动装置的要求。
现如今，绝大多数的静液压驱动装置都采用专门研制的柱塞式液压泵和马达作为主回路系统的动力传输和能量转化元件。
静液压驱动技术的成长，在很大程度上得益于柱塞式变量泵和马达的技术进步；而静液压驱动装置应用范围的扩大，又反过来促进了柱塞式液压元件自身性能的提高。
让我们一起继续研读王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书的第四章，了解各种柱塞式液压泵和液压马达的共性结构。
柱塞式液压元件的基本工作原理与活塞式的内燃机、气体压缩机、制冷机、输液泵乃至最简单的手动注油器和喷雾器等类似
都是利用一组密封在圆柱形缸筒内作往复运动的圆柱形或球面柱塞，施力于被封闭的流体，产生携带压力势能的工作流体介质的体积流量（泵工况）；
或反过来由带压力势能的流体推动柱塞运动，通过特定的机构转化为驱动轴的连续转矩（马达工况）。
柱塞式元件主要由柱塞 – 缸筒副、配流装置和用于转化运动形式的驱动机构等组成，见图4.2。
它依靠在圆形（也出现过矩形的，但很罕见）截面的缸筒内作往复运动的柱塞，使介于缸盖和柱塞顶之间的空间形成的工作容积中的流体介质的体积产生变化。
图4.2柱塞式液压泵的基本工作原理
1 -驱动轴及偏心轮 2 -缸筒 3 -柱塞 4 -配流装置 5 –含压流体出口 6 –流体进口
这是一个抽像化的表述。实际上在我们的身边采用这样的原理工作的器具比比皆是。输出含能流体的有空压机、冰箱和空调装置的压缩机、洗车用的高压冲洗泵等等和本书要介绍的柱塞式液压泵等等；如果将图示的进出口的流体方向颠倒过来，则变为输出机械旋转动力的汽油机、柴油机等和柱塞式液压马达的运动学原理图。当然由于气体的压缩性较之液体的要大得多，作为动力机的内燃发动机在运转中还存在着燃料的注入、点燃和复杂的热力学循环，气体介质的机械与液压元件的具体结构之间有许多差异，但这并不妨碍各种流体机械具有共同的技术渊源。从本图中还可体会到现代柱塞式流体机械与图1-2所示古老的蒸汽机之间的传承。
同一元件上的缸筒-柱塞副可以有许多个，它们一般设置在公共的缸体中。
在泵工况时，原动机通过某种驱动机构使柱塞作往复运动，同时由与驱动轴联动的配流装置周而复始地在柱塞缸工作容积扩大时将缸筒与吸油腔，缩小时与排油腔接通，完成由吸油腔向排油腔泵送油液并建立一定压力的过程。
对应于柱塞的每一次工作行程所排出的介质体积就是这个缸筒的排量，数值上等于缸筒内径与柱塞行程的乘积。
对于马达工况则是以上的逆过程。有些国家对于泵和马达密封做功容积的变化量使用了不同的术语，而我国则习惯按照泵的工况将流入和流出元件的体积变化量统称为“排量”。
一台柱塞式元件所包含的所有柱塞 – 缸筒副的排量总和即为其总排量。
柱塞式液压元件中柱塞运动是往复性的，而驱动轴则需要连续稳定旋转，所以必须设置专门的运动转化机构。
不同类型柱塞式元件的区别主要表现在采用何种机构使驱动轴，轴的旋转运动与柱塞的往复运动之间进行转化，以及用何种方式实现配流装置的“适时开闭”，即下文中要分析的斜盘、斜轴和偏心曲轴等机构以及各种配流装置。
大多数的柱塞元件在驱动轴的每一转中，每一柱塞-缸筒副吸、排液各一次，称为单作用元件。如果为两次或多次吸排液，则称为双作用和多作用元件。
静液压驱动装置中的柱塞泵都是单作用的，柱塞马达则有不少是多作用的，如内曲线径向柱塞液压马达。当然后者在处于动力制动等吸能工况时，也即转变成为了多作用的柱塞液压泵。
静液压驱动装置中使用的柱塞泵绝大多数是每一转的排液量（排量）能够连续改变的，而且绝大多数变量柱塞泵都是通过调节柱塞有效行程的方式来实现变量。
柱塞式液压马达也有许多是变量的，但除了与采用类似于变量泵的连续变量机构外，还采用了一些非连续有级变量的方式。
综上所述
柱塞式液压元件主要由活动密封部件、配流装置、运动转化机构、必要时的变量机构和包容它们的带有支承系统和进出油口等的壳体等几部分构成。
现代静液压驱动装置所使用的各类、各型和各种品牌的柱塞式液压泵和马达的活动密封部件和配流装置的结构已基本同质化，只有一些细节上的差异，但运动转化机构却往往很不相同。
这两个部分不仅是进行柱塞式液压元件分类时所依据的主要结构特征之一，而且在过去和今后都是柱塞式液压元件技术进步最重要的发展空间和创新舞台。
近年来这方面的一个重要进展是出现了数字控制配流装置。这种配流装置与元件主轴不再用机械机构而是通过转角传感器及电子调节器实现电气关联。
如同现代活塞式内燃机有往复式活塞发动机和旋转活塞转子式发动机的区别，液压元件的核心部件也分往复运动和连续旋转两类。
柱塞式元件属于前者，而齿轮式、叶片式和螺杆式等都属于后者。
它们的主轴都是连续旋转的，但前者需要通过运动转化部件把主轴的旋转运动转化为柱塞的往复运动，机构比较复杂，然而它们的活动密封部件具有连续的密封线，密封条件较好；
后者的主轴可以直接驱动活动密封部件，结构可以十分简单，但核心部件的密封线不连续，可视为是采用了矩形或其他形式密封线的一些柱塞，密封条件不如前者。
这点与往复活塞内燃机与旋转活塞转子发动机的情况类似。
活塞式内燃机与活塞式气体压缩机械的机构原理是相似的；
静液压驱动装置所使用的柱塞式液压马达的机构原理与柱塞式液压泵在很多方面也都是相同或相似的，只是传力方式是液压泵的逆过程。
由于传力机构主动和被动部件的互易，液压泵和液压马达的运动转化部件中的摩擦行为有所区别，并因此影响到了相关结构的配置方式和设计参数的选取。
在各种功率传输用液压元件中，有一类元件中承受液压力的零部件直接构成壳体的一部分，典型的如齿轮泵和齿轮马达；
另一类承压零部件不直接暴露在外，而是被封闭在专门的壳体内部，它们的壳体主要用来承受施加于元件上的各种机械性质的载荷、容纳低压状态的部分工作液和保护精密的高压部件，但不直接承受用于做功的高压密封腔内的液压作用力。
各种柱塞式液压元件多属于后一类。采用专门壳体包容承压部件的方式虽然增加了元件的体积和重量，结构也比较复杂，
但却能在承压部件外设置一个能够容纳高压腔通过间隙泄漏出来的油液，并将它们引回油箱的空间，
由于液压元件中采用间隙密封柱塞副和缸筒等相对运动部件之间在高压力作用下不可避免地存在泄漏，使用能引出泄漏油液的内压很低的壳体包容高压部件具有疏堵结合的功效。
静液压驱动装置中过剩的补油流量和冲洗阀排溢的油流通常也进入液压泵或马达的壳体，壳体内的油液同时还导出了元件运转中产生的部分热量。
由于从壳体到液压油箱之间存在着泄油管道和可能设置的冷却器等器件的阻力，这种“非承压”的元件壳体内的液压油其实相对于外界大气也有一定的压力，
该压力有时可用来防止补油泵吸空气蚀，以及在某些内曲线马达进入“自由轮”工况时，用以将柱塞压入缸体内而使其脱离工作滚道切断功率流。
限制壳体压力的主要因素是元件外露轴伸处的旋转密封件的耐压能力。
现代静液压驱动用的柱塞泵和马达在轴伸处大多采用唇形橡胶自紧油封，连续运转时的许用最高压力一般为0.1 – 0.3MPa，
在低温启动时液压油运动黏度很高或某些安全阀突然开启泄压等情况下可耐0.5 – 1MPa的短时超压。
也有一些元件采用了耐压更高但也更为复杂昂贵的端面机械密封方式。
类似的以低压“卸载”腔槽环绕高压密封腔体的方式在液压技术中业已被广泛应用，有效地防止了液压元件或管路系统内的油液泄漏到环境中造成损失和污染。
柱塞式液压元件
未来技术进步的
创新点可能在
哪些方面？
2022/10
注明
以上内容引用或改编自王意先生著作《车辆与行走机械的静液压驱动》化学工业出版社，2014.
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原文始发于微信公众号（波克兰液压）：第37课 I 各种柱塞式液压泵和液压马达的共性结构
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