【第五章】
静液压驱动功率
传输元件的典型构造
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在前面的各个篇章的转载中，涵盖了王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书的前四章。
教授在书中从现代车辆与行走机械传动装置的用途和功能要求。
到各种不同的传动技术的特征、适用产品及应用展望，到分析静液压传动的适用设备、
介绍传动及静液压传动技术在不同机械设备产品上的探索和发展历程，再从系统到原件，介绍静液压驱动功率传输元件的分类及发展沿革。
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》一书的第五章：静液压驱动功率传输元件的典型构造。
今天，我们来回顾了解：斜盘型轴向柱塞变量液压泵和液压马达的总体构造。
斜盘型轴向柱塞变量泵的典型结构
用于静液压驱动装置的斜盘型轴向柱塞变量泵的典型结构见图5-1，其特征为圆柱形的缸体7与驱动轴1同心。 并由花键联结随驱动轴旋转，柱塞6分布在缸体内的一个圆柱面或一个小锥角的圆锥面上作轴向移动，柱塞的右端伸入缸体的缸筒内，左端经球铰与滑履3连接。 并通过滑履被一个套在滑履和中心球铰上的多孔圆盘4（滑履回程盘）约束在一个不随驱动轴旋转的盘状零件2的端部工作面上。 该工作面与驱动轴的垂直面成一定的倾角α，此零件即被称为斜盘，斜盘泵也由此而得名。 当缸体相对于斜盘旋转时，轴向位置受斜盘约束的柱塞即会在相应的缸筒内作每转一个周期的往复运动，并通过缸体底面处的端面配流盘8完成吸、排油过程。 图5-1 斜盘型轴向柱塞变量泵的典型结构 1-驱动轴 2-斜盘 3-滑履 4-回程盘 5-中心球铰和预压弹簧 6-柱塞 7-缸体 8-配流盘 9-壳体 10-带油口的后盖 斜盘泵可制成定量的和变量的两种，斜盘型定量泵的斜盘直接固定在壳体上，倾角α不可改变， 因此那些端部被斜盘面约束的柱塞在随缸体旋转时产生的往复行程也是固定的。 斜盘型变量泵的斜盘倾角α则可以通过变量机构的动作进行调节，并因之改变了柱塞的往复运动行程及由此形成的排量。 当斜盘与驱动轴的轴线相垂直时，柱塞组的行程和排量都为零。 如果斜盘能相对于驱动轴轴线的垂直面向正负两个方向倾斜，则在倾斜方向改变时可使柱塞缸的吸排油过程及相关的进出油口颠倒，从而实现双向变量。 图示的斜盘型变量泵因装有贯通全泵的传动轴也被称为“通轴泵”。 由于斜盘型柱塞元件的吸、排油是通过缸体–柱塞组件与斜盘之间的相对旋转实现的， 所以原则上也可以采用缸体固定，斜盘旋转的方式。与缸体旋转的方式相比，斜盘旋转型元件虽然由于旋转部件的转动惯量较小， 具有更好的调节品质的优点，但它存在着配流装置密封面多和设置调整斜盘角度的变量机构结构复杂等缺点，工作压力级别较低。目前在静液压驱动装置中几乎没有被应用。 与斜轴泵和只有单端轴伸的工业用斜盘泵相比较，通轴型斜盘泵的重要优点是便于在后轴伸处可直接驱动集成在后盖上的为构成闭式回路所需的补油泵，同时该轴伸也可以进一步驱动其他的柱塞泵或工作装置用泵，构成一个多路的液压动力单元，后轴伸甚至还可以作为机械式动力输出轴（P.T.O）使用，此点在构成静液压功率分流驱动装置时，因其能够同轴连接行星齿轮差速器而具有特殊意义。
另一方面，通轴泵驱动轴的前后轴承的两点简支的配置方式使得驱动轴具有较高的支承刚度和允许更高的工作转速， 便于提高功率密度及与高转速的发动机匹配。有鉴于此，通轴型斜盘泵已成为当今静液压驱动装置用变量液压泵的主流产品。 静液压驱动装置使用的 斜盘泵均采用端面配流的方式 在图5-1中，缸体相对于斜盘位置的右端构成配流端面，为一个平面或与驱动轴同心的曲率半径很大的球面。 缸体上的配流端面在圆周方向上对应于每个柱塞缸筒处开有配流窗口。 并被通过套在驱动轴上的预压弹簧5和柱塞泵运行时各缸筒内压力的合力压紧在一个固定在泵体后盖上的配流盘的工作端面上。 配流盘上与缸体配流窗口对应的圆周上则开有一对新月形的配流槽，分别与泵体后盖10的两个油口相连。 缸体端面的配流窗口在旋转中的适当相位交替与配流盘的两个配流槽接通，完成进排油液的过程； 而互相压紧的缸体与配流盘上的窗口与配流槽之间孔壁处的经过精密加工的配合面（配流镜面），则担当了平衡缸体的轴向推力和分隔不同压力区域的密封任务。 配流镜面处的密封状况对于泵的容积效率有着十分重要的影响，受结构尺寸的限制，此处的密封带相当狭窄， 而压力和对偶摩擦的线速度却都很高，对于材质搭配、加工精度和表面粗糙度都有特殊的要求。 在斜盘泵的运转过程中,由于系统压力的作用，处于排油状态的柱塞端部压在斜盘上的法向力是相当大的。 缸体内所有柱塞作用于斜盘的合力中，垂直于驱动轴的分力由驱动轴及其轴承承受，平行于驱动轴的分力则由斜盘的支撑部件传递到泵的壳体10上。 现代斜盘泵均采用以铰接在柱塞端部的滑履（亦称：滑靴）在斜盘工作面上作带有摆动分量的高速圆周滑动的方式。 通过斜盘与柱塞之间的推力将驱动轴的旋转运动转化为柱塞的往复运动，同时由柱塞与杠筒之间侧向力相对于驱动轴产生的转矩拖带缸体旋转。 在滑履与斜盘贴合的表面上制有环形的压力补偿油腔，通过引入微量的工作系统中的高压油液起到静压推力轴承的作用。 斜盘本身则经由一套可摆动的机构和轴承支撑在泵的壳体内。 斜轴泵的柱塞和缸筒之间的侧向力随斜盘的角度而增大，所有柱塞副的侧向合力及合力作用线与配流镜面的距离的乘积形成了一个力图使缸体的配流端面脱离配流盘的颠覆力矩，配流镜面和驱动轴的支承系统的设计必须保证能够可靠地平衡这个力矩。由缸体、柱塞和滑履等构成的轴向柱塞泵核心部件的实物见图5-2。 图5-2 斜盘型柱塞元件的缸体、柱塞、滑履、中心球铰和回程盘的装配关系 请注意左面的是一个有些“离经叛道”的具有8个柱塞副的偶数柱塞元件的测试部件 斜盘型液压马达的构造原理 与斜盘泵基本相同 功能方面则是逆向的 在压力油液作用下，柱塞产生的轴向推力经过滑履压在斜盘上，它的法向反作用力的切向分力作用于柱塞。 再通过柱塞的侧面拖动缸体连同与之用花键配合的驱动轴一起旋转，由驱动轴输出转矩以克服负荷做功。 同时，旋转的缸体端面上各缸筒的配流窗口交替与配流盘上的新月形高低压配流槽口联通，在适当的旋转相位引入压力油和排出回油。 如果忽略摩擦力的影响，可以认为斜盘型元件中的各零部件在泵工况和马达工况的受力条件和运动状况都是相同的，仅受力和运动的方向相反而已。 但是在考虑了摩擦力的影响时，两者之间在柱塞的往复运动和驱动轴的旋转运动之间进行转化的环节上的行为却有了明显的区别。 对于泵工况，斜盘面上的切向力是驱动力，被斜盘倾角的斜楔效应所增大了的轴向力很容易推动柱塞运动，摩擦力的存在对于这样的运动转化只有微小的影响。 当然在斜盘倾角很小时，由于机构刚度和柱塞腔内油液的压缩效应的影响会使容积效率下降，但并不至于无法运转。 而在马达工况时则不同，柱塞的轴向推力反过来成为了主动的驱动力，它与斜盘之间较大的法向压力角使得由柱塞传递的用以驱动缸体和马达轴旋转切向分力显著小于法向力。 而滑履的摩擦力却是与法向力成正比的。在倾角不大的斜盘上产生的摩擦力会占到驱动切向力的相当大的比例， 斜盘倾角越小，摩擦力的比例越大，柱塞轴向力对于输出转矩的转化效率（机械效率）就越低。 在极端情况下，当斜盘的倾角α的正切值小于滑履的摩擦系数时，马达将进入无法转动的摩擦圆自锁区。 有鉴于此，并考虑到小排量工况时容积效率的下降等因素，斜盘型变量液压马达能正常运转的斜盘最小倾角应不小于5 – 7°，而最大倾角则应该尽可能大一些，使最大、最小排量之比（变排比）达到或超过3。 然而受到缸体支承系统所能够抗衡的柱塞侧向力引起的颠覆力矩的限制，历史上已知的斜盘型元件中的斜盘倾角α最大为22.5°(Bosch)，一般仅为18 – 19°。 当然，现在也出现了可将斜盘倾角调小至零的“零排量”马达，但这主要是为针对多个液压马达并联的系统和在某些非全时运转的辅助驱动装置中扩大调速范围而考虑的。 在这种应用条件下，零排量马达会被其他液压马达或机械传动装置通过机械或地面牵引力的耦合而拖转，即处于自由轮状态。 零排量马达自身在排量很小时并没有输出转矩的能力。 为了满足通用化、系列化的要求，获取规模效益，同一厂家生产的斜盘泵和斜盘马达如图5-2所示的芯部零件都十分相近，仅在一些细节之处有所不同。 对于斜盘型变量液压泵来说，其输入轴的转向在订货时即已确定，转速范围相对也比较小，因此各相关零部件都尽可能地按所确定了的旋转方向和转速进行优化。 例如配流盘上的配流槽口之间，常按照所确定的转向配置了不对称的过渡节流槽，以降低常用转速下的换向噪声； 有些产品还为调节斜盘的回程力而有意地偏置了配流中性面等等。 而斜盘马达需要双向旋转，两个旋转方向的性能应该相同，必须采用完全对称的配流装置， 而且斜盘马达所需的转速范围较之斜盘泵来说也要宽得多，配流装置的结构优化因之也更为困难。 虽然如此，斜盘泵和斜盘马达二者结构上的的共性仍然是主要的。 下一次开始，将介绍的一些重要零部件的具体结构特点，原则上对于泵和马达都适用。 除功能原理上， 力和力矩的作用方向相反以外， 斜盘型液压泵和 斜盘型液压马达还有哪些差别 ？ 
2022/12
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.
原文始发于微信公众号（波克兰液压）：第43课 I 斜盘型轴向柱塞变量液压泵和液压马达的总体构造。
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