第1章 緒論

1.1 流體傳動基本原理與基本特征

一臺機器離不開動力源、傳動系統、工作機構。動力源有的在機器內如內燃機、渦輪機、電池等，有的在機器外如人力、電力等。機器的工作機構（如挖掘機的大臂、小臂和鏟斗）對外做功執行工作任務時，其輸出量（力/轉矩、位移/角位移、速度/角速度、加速度/角加速度等）通常要滿足一定的規律與特性。傳動系統（或傳動裝置）的功能是將動力源的輸出進行轉換，對動力進行傳遞與控制，使工作機構的性能滿足要求。功能（function）即用途或作用。

傳動分為機械傳動、電氣傳動、流體傳動。機械傳動（mechanical drive）用可動機械零部件（如傳動軸、桿、帶、鏈條、齒輪、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿等）進行傳動，將機械能轉換成機械能。電氣傳動（electric drive，又稱電力拖動）用電磁場進行傳動，用電動機將電能轉換成機械能。流體傳動即流體傳動與控制（fluid power and cotrol），是用受壓流體作為介質傳遞、控制、分配信號和能量的方式或方法，它將機械能轉換成機械能，按傳動介質不同可分為：

1）液壓傳動與控制（hydraulic fluid power and cotrol），簡稱液壓，其傳動介質為液體。

2）氣壓傳動與控制（pneumatic fluid power and cotrol），簡稱氣動，其傳動介質為氣體。

機械傳動可單獨使用，也可與電氣傳動、流體傳動組成復合傳動使用。示例：①在汽車的發動機與驅動輪之間有傳動軸、手動變速器等（機械傳動）；②在電力與電動風扇的搖頭機構之間有電動馬達（電動機）、蝸輪蝸桿減速器等（電氣-機械復合傳動）；③在電動螺絲刀的電池與批頭連接頭之間有電動機、行星減速器等（電氣-機械復合傳動）；④在挖掘機的發動機與驅動輪之間有液壓泵、液壓馬達、行星減速器等（液壓-機械復合傳動）；⑤在發動機與氣扳機的套筒或氣鎬的破碎釬桿之間有空氣壓縮機、氣動馬達或氣缸等（氣動-機械復合傳動）；⑥在電力與三梁四柱液壓機（如萬噸水壓機）的壓頭之間有電動機、液壓泵、液壓缸和動梁等（電氣-液壓-機械復合傳動）。

發源于17世紀中葉的帕斯卡原理（施加在密閉管路流體表面上的壓力在流體內部等值傳遞，見圖1-1）奠定了流體傳動的基礎。壓力、壓強是GB 3102.3—1993《力學的量和單位》對壓力強度給出的兩種稱謂，在流體傳動和工程界均稱壓力，物理領域通常稱作壓強。

液壓與氣動的基本工作原理相同。下面以圖1-2所示的液壓千斤頂為例，講述流體傳動基本工作原理。

液壓千斤頂是利用液壓力驅動液壓缸頂升的便攜輕小起重設備。當舉升重物時，先關閉截止閥4，再壓動手動泵1杠桿手柄而頂升重物；工作完畢后，打開截止閥4，液壓油在液壓缸柱塞及外力作用下流回油箱5，液壓缸6復位。液壓千斤頂的工作過程可分解為如下兩個動作：

（1）上提吸油 上提手動泵1杠桿手柄時，手動泵1的油腔容積變大而有真空趨勢，使單向閥3關閉（液壓缸底部油腔壓力大于手動泵油腔壓力）、單向閥2打開（油箱壓力大于手動泵油腔壓力），液壓缸6靜止，手動泵1從油箱5吸油。

（2）下壓舉升 下壓手動泵1杠桿手柄時，手動泵1的油腔容積變小，液壓油被擠壓，使單向閥2關閉、單向閥3打開，受壓液壓油進入液壓缸6底部而使其柱塞向外伸出。

液壓千斤頂在舉升時，等效于如圖1-3所示的液壓杠桿。

要使杠桿平衡，輸出力F₂與負載力F_L相等，作用在杠桿上的兩個力矩（力與力臂的乘積）大小必須相等，主動力F₁×主動力臂L₁=負載力F_L×負載力臂L₂?？梢?，主動力F₁通過杠桿被放大為F₂=F₁L₁/L₂，即機械傳動用力臂放大力。

要使液壓杠桿平衡，輸出力F₂與負載力F_L相等，作用在液壓杠桿上的壓力必須相等，主動力F₁÷作用面積A₁=負載力F_L÷作用面積A₂。可見，主動力F₁通過液壓杠桿被放大為F₂=F₁A₂/A₁，即流體傳動用面積放大力。

對于杠桿，如果F_L越大，則所需主動力F₁越大；如果F_L=0，則F₁=0。

對于液壓杠桿，如果F_L越大，則壓力p越大，所需主動力F₁越大；如果F_L=0，則壓力p=0、F₁=0?？梢姡鲃恿θQ于負載力，負載力（廣義負載力）使流體被壓縮、擠壓而產生壓力，即

廣義負載力包括質量力（重力、慣性力）、摩擦力、彈性力，以及其他外力和阻力。千斤頂舉升重物時，若不計摩擦力、彈性力及其他外力和阻力，負載力就只有質量力；若計及摩擦力，負載力則包括質量力和摩擦力。

如果液壓杠桿不平衡，例如F₁<A₁p，則不能推動缸運動（流體傳動有防止流體逆流措施，如圖1-2的單向閥3，避免缸反推泵運動，此時缸底部流體壓力仍為p）；事實上，F₁無法大于A₁p，因缸可運動而使流體不再受到更大的壓縮?？梢?，不管F₁有多大，壓力始終僅取決于負載力。圖1-3中，將缸的柱塞撤除就沒有負載（無法施加負載力），則不能建立壓力；將缸的柱塞撤除并將缸封閉、封閉后開足夠小的小孔，都可以建立壓力，因為流動受阻，阻力使流體受到壓縮而產生壓力。

由式（1-1），得

可見，流體傳動的輸出力F₂與作用面積A₂、壓力p成比例。

改變力的大小和方向的方法有很多，如軸、鏈條、齒輪、流體傳動等，這其中，流體傳動是最能方便靈活地改變力的大小和方向的。例如，管路布置靈活的汽車液壓制動（見圖1-4），人力促動制動踏板，推動制動主缸運動，壓力p通過傳動介質（制動液）傳遞到制動輪缸，制動輪缸推動制動襯片使其與制動盤摩擦而制動。

下面繼續研究圖1-3，由質量守恒定律可知，泵底部減少的流體體積等于缸底部增加的流體體積，即

A₁ L₁=A₂L₂

兩邊分別求導，得

v₁、v₂分別為泵和缸的運動速度，有

即流量相等。q為流量（單位時間內流過的體積），單位為m3/s。

缸的運動速度v₂為

可見，流體傳動的運動速度v₂與流量q成正比，與作用面積A₂成反比。

綜上，流體傳動依靠壓力p和流量q來傳遞動力（壓力p和流量q是流體傳動的兩個基本參量，兩者之積pq即為功率），其動力傳遞特征是：

（1）用壓力p傳遞輸出力 當流體傳動裝備制造完成后，作用面積A₂通常固定不變。當作用面積A₂不變時，輸出力F₂僅取決于壓力p（而與流量q無關）。

（2）用流量q傳遞運動速度 作用面積A₂不變時，運動速度v₂僅取決于流量q（而與壓力p無關）。