机械设计中需要掌握的液压传动、气压传动和液力传动基础知识

一、液压传动

液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。

液压传动的基本原理利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。

液压传动系统由液压泵、液压控制阀、液压执行元件(液压缸和液压马达等)和液压辅件(管道和蓄能器等)组成的液压系统。

液压传动系统组成元件动力元件，即液压泵，其智能是将原动机的机械能转换为液体的压力动能(表现为压力、流量)，其作用是为液压系统提供压力油，是系统的动力源；执行元件，指液压缸或液压马达，其职能是将液压能转换为机械能而对外做功，液压缸可驱动工作机构实现往复直线运动(或摆动)，液压马达可完成回转运动；控制元件，指各种阀利用这些元件可以控制和调节液压系统中液体的压力、流量和方向等，以保证执行元件能按照人们预期的要求进行工作；辅助元件，包括油箱、滤油器、管路及接头、冷却器、压力表等。它们的作用是提供必要的条件使系统正常工作并便于监测控制；工作介质，即传动液体，通常称液压油。液压系统就是通过工作介质实现运动和动力传递的，另外液压油还可以对液压元件中相互运动的零件起润滑作用；

液压系统组成框图

液压传动系统的工作原理

以下图简单磨床为例。电动机带动液压泵从油箱吸油，液压泵把电动机的机械能转换为液体的压力能。液压介质通过管道经节流阀和换向阀进入液压缸左腔，推动活塞带动工作台右移，液压缸右腔排出的液压介质经换向阀流回油箱。换向阀换向之后液压介质进入液压缸右腔，使活塞左移，推动工作台反向移动。改变节流阀的开口可调节液压缸的运动速度。液压系统的压力可通过溢流阀调节。在绘制液压系统图时，为了简化起见都采用规定的符号代表液压元件，这种符号称为职能符号。

基本回路

由有关液压元件组成，用来完成特定功能的典型油路。任何一个液压传动系统都是由几个基本回路组成的，每一基本回路都具有一定的控制功能。几个基本回路组合在一起，可按一定要求对执行元件的运动方向、工作压力和运动速度进行控制。根据控制功能不同，基本回路分为压力控制回路、速度控制回路和方向控制回路。

压力控制回路

用压力控制阀来控制整个系统或局部范围压力的回路。根据功能不同，压力控制回路又可分为调压、变压、卸压和稳压 4种回路。

速度控制回路通过控制介质的流量来控制执行元件运动速度的回路。按功能不同分为调速回路和同步回路。

方向控制回路

控制液压介质流动方向的回路。用方向控制阀控制单个执行元件的运动方向，使之能正反方向运动或停止的回路，称为换向回路。在执行元件停止时，防止因载荷等外因引起泄漏导致执行元件移动的回路，称为锁紧回路。

优点：1)结构其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率在四类传动方式中是力压群芳的，有很大的力矩惯量比，在传递相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、布局灵活。2)工作性能速度、扭矩、功率均可无级调节，动作响应性快，能迅速换向和变速，调速范围宽，调速范围可达100：1到2000：1;动作快速性好，控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，便于与电气控制相配合，以及与CPU(计算机)的连接，便于实现自动化。3)使用维护元件的自润滑性好，易实现过载保护与保压，安全可靠;软件易于实现系列化、标准化、通用化。4)可靠性所有采用液压技术的设备安全可靠性好。5)经济液压技术的可塑性和可变性很强，可以增加柔性生产的柔度，和容易对生产程序进行改变和调整，液压元件相对说来制造成本也不高，适应性比较强。6)数字化液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化已成为世界发展的潮流，便于实现数字化。缺点：1)液压传动因有相对运动，表面不可避免地存在泄漏，同时油液不是绝对不可压缩的，加上油管等弹性变形，液压传动不能得到严格的传动比，因而不能用于如加工螺纹齿轮等机床的内联传动链中。2)油液流动过程中存在沿损失、局部损失和泄漏损失，传动效率较低，不适宜远距离传动。3)在高温和低温条件下，采用液压传动有一定的困难。4)为防止漏油以及为满足某些性能上的要求，液压元件制造精度要求高，给使用与维修保养带来一定困难。5)发生故障不易检查，特别是液压技术不太普及的单位，这一矛盾往往阻碍着液压技术的进一步推广应用。液压设备维修需要依赖经验，培训液压技术人员的时间较长。

二、气压传动气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而作功;传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。

气压传动的特点工作压力低，一般为0.3~0.8兆帕，气体粘度小，管道阻力损失小，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；但气压传动速度低，需要气源。

气压传动的组成气压传动由气源、气动执行元件、气动控制阀和气动辅件组成。气源一般由压缩机提供。气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工作部件，包括气缸和气动马达。气动控制阀用来调节气流的方向、压力和流量，相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。气动辅件包括:净化空气用的分水滤气器，改善空气润滑性能的油雾器，消除噪声的消声器，管子联接件等。在气压传动中还有用来感受和传递各种信息的气动传感器。

气压传动的优点用空气做介质，取之不尽，来源方便，用后直接排放，不污染环境，不需要回气管路因此管路不复杂；空气粘度小，管路流动能量损耗小，适合集中供气远距离输送；安全可靠，不需要防火防爆问题，能在高温，辐射，潮湿，灰尘等环境中工作；气压传动反应迅速；气压元件结构简单，易加工，使用寿命长，维护方便，管路不容易堵塞，介质不存在变质更换等问题；

气压传动的缺点空气可压缩性大，因此气动系统动作稳定性差，负载变化时对工作速度的影响大；气动系统压力低，不易做大输出力度和力矩；气控信号传递速度慢于电子及光速，不适应高速复杂传递系统；排气噪音大；

三、液力传动

以液体为工作介质，利用液体动能来传递能量的流体传动。叶轮将动力机(内燃机、电动机、涡轮机等)输入的转速、力矩加以转换，经输出轴带动机器的工作部分。液体与装在输入轴、输出轴、壳体上的各叶轮相互作用，产生动量矩的变化，从而达到传递能量的目的。

液力传动与靠液体压力能来传递能量的液压传动在原理、结构和性能上都有很大差别。液力传动的输入轴与输出轴之间只靠液体为工作介质联系，构件间不直接接触，是一种非刚性传动。液力传动的特点自动适应性。液力变矩器的输出力矩能够随着外负载的增大或减小而自动地增大或减小，转速能自动地相应降低或增高，在较大范围内能实现无级调速；防振、隔振性能。因为各叶轮间的工作介质是液体，它们之间的连接是非刚性的，所以可吸收来自发动机和外界负载的冲击和振动，使机器启动平稳、加速均匀，延长零件寿命；透穿性能。指泵轮转速不变的情况下，当负载变化时引起输入轴(即泵轮或发动机轴)力矩变化的程度。由于液力元件类型的不同而具有不同的透穿性，可根据工作机械的不同要求与发动机合理匹配，借以提高机械的动力和经济性能；

▲液力变矩器液力传动的基本原理原动机(内燃机、电动机等)带动泵轮旋转，使工作液体的速度和压力增加，这一过程实现了机械能向液体动能的转化；然后具有动能的工作液体再冲击涡轮，此时液体释放能量给涡轮，使涡轮转动将动力输出，实现能量传递。

液力传动装置是以液体为工作介质以液体的动能来实现能量传递的装置，常见的有液力耦合器、液力变矩器和液力机械元件。

液力耦合器又称液力联轴器，是一种用来将动力源(通常是发动机或电机)与工作机连接起来传递旋转动力的机械装置。曾应用于汽车中的自动变速器，在海事和重工业中也有着广泛的应用。

液力变矩器

由泵轮、涡轮、导轮组成的液力元件。安装在发动机和变速器之间，以液压油为工作介质，起传递转矩、变矩、变速及离合的作用。

液力传动的应用液力传动用于现代化机器始于20世纪初，最早作为船舶动力装置与螺旋桨之间的传动机构，解决大功率、高转速的气轮机和转速受到"气蚀"限制的螺旋桨间的减速传动问题。现在液力传动已广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、建筑机械、铁路机车、坦克装甲车辆、石油钻探机械、起重运输机械、风机、水泵等产品上。