【第五章】
静液压驱动功率
传输元件的典型构造
柱塞及滑履
现代斜盘泵均采用以铰接在柱塞端部的滑履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。
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。斜盘、柱塞和缸筒是其中的重要功能部件。
请随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。
了解斜盘型轴向柱塞变量液压泵和液压马达柱塞及滑履的构造。
“点接触”柱塞斜盘型液压元件的结构
早期的斜盘型元件曾采广泛用在斜盘工作面上带有推力滚动轴承的结构，柱塞以其具有较大半径球面的顶端与推力轴承直接接触并传力（图5-3）。
这种“点接触”型斜盘元件的柱塞副结构比较简单，但受许用接触应力的限制，其工作压力一般不超过25MPa。
目前在行走液压中只用于一些廉价的轻系列静液压驱动装置。而重系列和中系列斜盘泵则全部使用带滑履的柱塞副。
图5-3 “点接触”柱塞斜盘型液压元件的结构
柱塞
斜盘型柱塞泵和马达的柱塞多为钢制，表面渗碳淬火后磨光，一些产品的柱塞外表面上制有若干环槽。
这些环槽通过控制柱塞与缸筒之间的油膜和间隙流的形态，对减少泄漏、提高机械效率和“藏污纳垢”略有帮助。
但不能指望像在滑阀中那样靠它们平衡柱塞上的侧向力，因为这种侧向力的存在是斜盘泵和马达工作的基本原理所决定的。
实际上，现在许多泵的柱塞的圆柱面段是完全光滑的。
柱塞工作段应具有与最大倾角相适应的长度，以保证当外伸量最大时，不仅能保留足够的密封长度。
而且留在缸筒内的剩余工作段两端与缸筒筒口及内壁之间由于承受弯矩引起的接触应力仍不至于超限。
为了减少柱塞在旋转和往复运动中的惯性力以改善元件的动态特性，一些厂家采取以下结构措施来减轻柱塞质量。
1
开口型空心柱塞
如图5-4a：结构简单，但其中的空腔增大了缸筒中的无效“死”容积，使工作介质的压缩性对容积效率的不利影响加剧，在实时排量较小时尤甚。
2
封闭型空心柱塞
如图5-4b：用摩擦钎焊等新工艺，由两个部分将柱塞制成如图所示的封闭空心结构，兼顾了重量轻和死容积小两方面的要求，但成本较高，主要用于重系列变量泵。最先使用这一技术的是Sauer Danfoss公司的产品。
3
填充型空心柱塞
如图5-4c：在空心柱塞中间填充轻金属或压缩模量较高的轻质塑料。后者比较简单、便宜，但由于塑料和钢材的热膨胀系数相差悬殊，运行中两者之间难免出现缝隙，降低死容积的效果不如前者，现已基本不用。
虽然从理论上说应该尽量减轻柱塞的质量以改善斜盘泵和马达的动态品质，而简单开口的柱塞又有其影响容积效率的弊端。
许多厂家也曾在这方面下了不少功夫进行研究和改进。
但实践表明，上述不同结构的柱塞在应用于一般车辆与行走机械静液压驱动装置时的性能差异并不明显。
所以Linde新型的HPV02系列斜盘元件上虽然在柱塞与滑履的铰接方式上变化很大，但柱塞本身却继续使用着它传统的开口方式；
而Bosch Rexroth的仅在中心制有为滑履静压推力轴承供油细长孔的A4VG的实心柱塞（图5-4d）也依然如故。
图5-4 斜盘泵的柱塞结构
a）开口型空心柱塞 b）封闭型空心柱塞 c）填充塑料型空心柱塞 d）实心柱塞
后者这种泵最早被设计成将柱塞分布在一个圆锥面上的形式，质量较大的实心柱塞副在旋转离心力分力的作用下能帮助滑履与更好地与斜盘相贴合。
这样的实心柱塞的结构也延续使用到了该公司今天的柱塞平行分布的斜盘元件产品上，参见图4-9a。
图4-9 20世纪80年代起国际上静液压驱动装置采用的斜盘型变量液压泵的三种主流产品的结构
a) A4V/A4VG（Bosch Rexroth） b) BPV（Linde） c) SPV90（Sauer Danfoss）
滑履及其与柱塞头部的铰接
滑履通常由耐磨的铜合金制成，压在斜盘上的一端的支撑平面上制有几条同心环槽，靠由柱塞中心孔引入的压力油形成静压推力轴承。
此工作面上有时还镀有银、铟等软金属减摩层。滑履的另一端用球铰铰接在柱塞头部，按照球铰设置位置的不同，有两种铰接型式：
1
正装型
如图5-5a：球头制于柱塞的头部，球窝制于滑履上，通过收口方式与柱塞铰接。由于滑履材料的塑性较好，收口工艺比较简单成熟，为目前大多数产品所采用；
图5-5 滑履及其与柱塞的连接
a) 带球窝的正装型滑履 b）带球头的倒装型滑履
2
倒装型
如图5-5b：球头制于滑履上，球窝则在柱塞内。优点是可增大柱塞直径，并使斜盘对柱塞的推力作用线进入缸体内，使作用在柱塞上的弯距和缸筒内壁特别是孔口棱边处的应力均有所减小，有利于增大斜盘的最大倾角和缩短元件轴向尺寸。并进而提高元件的最高许用转速和最低稳定转速，对于工作压力的提升也有裨益。但由于须对已热处理过的柱塞进行收口，工艺上较为困难。这种结构早期曾用于某些轻系列的开式回路用柱塞泵和双斜盘型低速柱塞马达上（参见图4-15）。
图4-15早期静液压驱动拖拉机采用的车轮液压马达样式
a) 第一台静液压驱动拖拉机车轮液压马达的设置 b) 轴配流曲柄连杆液压马达的结构
c) 端面配流的曲柄连杆液压马达（Pleiger）
1-柱塞式变量液压泵 2-内设液压管道的梁架 3-壳体旋转的径向柱塞车轮液压马达
由于现在已经很难找到相关的资料，图b所示为轴转型的而并非像图a上那样的直接装于拖拉机后轮中的壳转型马达，不过它们的基本结构是类似的。c图则是改用端面配流的当代产品的样式。这种马达的另一个发展成果是研制成功了曲柄的偏心距可连续改变的变量型产品。
近年来Linde公司将其重新开发，成为了斜盘最大倾角达到21°的新型HPV/HMV/HMF02系列变量泵和变/定量马达的主要结构特征之一（图5-6）。
图5-6 装有带球头滑履的柱塞副特写（a，Linde）和斜盘型元件机芯（b）。注意后者的柱塞仍然保留了实心的结构
在柱塞和滑履之间无论采取哪一种方式进行铰接，都必须既牢固可靠又能灵活转动。
因为这些铰接副既要在柱塞缸处于与高压油连接的区段时传递作用在柱塞端面上的液压力，又要在与低压油连接的区段承受使柱塞外伸的回程力（包括惯性力）。
这些球铰副同时还应该具有良好的密封性，以减少工作油液的泄漏和保证滑履与斜盘之间的静压轴承的正常工作。
滑履与斜盘表面之间的静压推力轴承的品质对于元件的机械效率和容积效率都有不小的影响，
而且两者对于结构参数的要求互相矛盾：增加静压轴承的油膜厚度对于提高机械效率有利，却会增大高压油液的漏损而降低容积效率，所以设计时要仔细权衡和折中（图5-7）。
但由于滑履工作面的漏损对于整个元件容积效率的影响不像缸体另一端的配流镜面处的那样明显。
所以新的设计理念一般更为倾向于通过增大中心油孔把滑履和斜盘之间的油膜设计得厚一些。
尽量减小它的摩擦损失以改善机械效率，特别是提高作为马达运用时的启动转矩效率。
图5-7 几种实物滑履的静液压推力轴承的形状（摄自德国布伦瑞克工业大学农机所）
应用于一般车辆与
行走机械静液压驱动时，
不同结构的柱塞
有什么典型的性能差别 ？
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44课 I 了解斜盘型轴向柱塞变量液压泵和液压马达柱塞及滑履的构造
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