汽车液压与液力传动

前言

FOREWORD

经过一百余年的技术发展，汽车已经由早先单一的机械装置演变成了机、电、液、控一体化的高新技术产品。液压技术作为一种重要的传动和控制技术，与微电子、计算机技术相结合，在汽车上的应用极为广泛。如今，汽车中的自动变速器、制动系统、悬架系统、转向助力机构、离合器操纵系统等许多装置都应用或部分地应用了液压与液力传动技术。本书围绕汽车液压与液力传动技术特点，在阐述汽车液压与液力传动技术基本内容的基础上，分析了液压与液力传动在汽车工程技术中的具体应用，对汽车典型液压与液力系统的组成、工作原理进行了讲解。
全书包含四部分13章，其中部分为绪论，介绍了液压与液力传动的发展历程、技术特点与国内外现状和趋势； 第二部分为液压传动技术，讲述了液压传动基础知识、液压元件以及液压基本回路等； 第三部分为液力传动技术，分析了液力传动原理及其工程装置； 第四部分为液压与液力传动在汽车中的应用，重点讲述了汽车工程中典型的液压控制机构，包括挖掘机等工程车辆和普通汽车中的液压系统分析等。
在本书的学习过程中我们始终强调对知识的理解和应用，而非对文字公式的死记硬背。通过本书的学习，学生应该达到如下目标：
(1) 能够读懂复杂的液压回路图； 
(2) 可以根据实际需求设计符合功能的液压控制系统； 
(3) 深入理解汽车系统中关键部件的液压控制原理。
希望读者能够以此为目标开展本书的学习，掌握切实的知识并激发对本专业的兴趣。
本书由东北大学陈泽宇担任主编，王长周、刘承皓担任副主编，具体编写分工如下： 陈泽宇、刘承皓编写了第1章，蒋佳芸、王迪编写了第2、6章，王长周编写了第3~5章，陈泽宇编写了第7、8章，陈泽宇、汪坤编写了第9章，张渤、刘承皓编写了第10章，陈泽宇、张浩、刘承皓、陆雨编写了第11章，刘承皓、刘博编写了第12章，曹文伟、汪坤、陈泽宇编写了第13章。全书由陈泽宇、刘承皓共同负责统稿和修改定稿。
在本书编写过程中，参考了大量的文献和资料，在此对原作者一并表示诚挚的谢意。
受编者水平所限，书中如有不妥和错漏之处，欢迎广大读者批评指正，以便在今后的修订中予以完善。
编者
2018年12月于东北大学

《汽车液压与液力传动》主要针对于机械类及相关专业学生的理论学习的教学用书，主要介绍了液压与液力传动的基本原理及其在汽车工程中的应用与发展。全书分为3个部分。*部分为引言；第二部分为液压液力传动的理论知识，包括液压液力传动基础、流体力学基础、液压泵、液压马达与液压缸、基本液压控制回路设计等；第三部分为液压液力传动在汽车工程中的应用，包括汽车起重机液压系统、汽车制动器液压系统、变速器液压控制系统、液压助力转向系统等。

陈泽宇，男，东北大学机械工程与自动化学院，博士，副教授。2014-2015年于美国密歇根大学迪尔伯恩校区任访问学者。从事汽车动力学控制、新能源汽车节能与安全等科研和教学工作，近5年发表论文19篇，其中SCI论文8篇，ESI高被引论文1篇，EI论文5篇，主持国家自然科学基金1项，省部级项目3项，授权发明专利4项。担任《IEEE transactions on Automation Science and Engineering》与 《Applied energy》等国际期刊审稿人，担任中国自动化学会-车辆控制与智能化专业委员会委员。

目录

CONTENTS

部分绪论

第1章液压与液力传动技术概述

1.1液压传动技术发展历程与发展趋势

1.1.1起源与发展历程

1.1.2液压技术发展趋势

1.2液压传动的技术优势

1.3液压传动与液力传动的关系

1.4液压与液力传动技术在汽车领域的应用

1.4.1工程车辆

1.4.2汽车变速器

1.4.3汽车制动系统

1.4.4汽车动力转向机构

1.4.5发动机共轨系统

第二部分液压传动技术

第2章液压传动技术基础知识

2.1帕斯卡定律与液压传动基本原理

2.1.1液压传动的基本原理

2.1.2液压传动的基本组成

2.2流体力学基础知识

2.2.1流体静力学基础知识

2.2.2流体动力学基础知识

2.2.3流量和容积效率

2.2.4连续性方程

2.2.5伯努利方程(能量守恒定律)

2.3管路中的液体压力损失

2.3.1沿程压力损失

2.3.2局部压力损失

2.3.3总压力损失

2.4液体流动状态与雷诺数

2.5液压冲击与气穴现象

2.5.1液压冲击

2.5.2气穴与气蚀

第3章动力元件与执行元件

3.1液压泵

3.1.1液压泵的基本工作原理

3.1.2液压泵的主要性能参数

3.1.3液压泵的分类与图形符号

3.1.4齿轮泵

3.1.5叶片泵

3.1.6柱塞泵

3.2液压马达

3.2.1液压马达的工作原理和分类

3.2.2液压马达的主要性能参数

3.2.3液压马达的图形符号

3.3液压缸

3.3.1液压缸的分类

3.3.2液压缸的基本结构

3.3.3活塞式液压缸及其工作特性

3.3.4柱塞式液压缸 

3.3.5伸缩式液压缸

第4章液压控制阀

4.1液压控制阀的分类

4.2方向控制阀

4.2.1单向阀

4.2.2换向阀

4.3压力控制阀

4.3.1溢流阀

4.3.2减压阀

4.3.3顺序阀

4.4流量控制阀

4.4.1节流阀

4.4.2调速阀

4.5伺服阀与比例阀

4.5.1电液伺服与比例控制概述

4.5.2电液伺服阀

4.5.3电液比例阀

第5章液压辅助元件

5.1蓄能器

5.1.1蓄能器的功能

5.1.2蓄能器的类型

5.1.3蓄能器的应用

5.2过滤器与热交换器

5.2.1过滤器的类型和结构

5.2.2过滤器的选用

5.2.3过滤器的安装

5.2.4热交换器

5.3管件

5.3.1管道

5.3.2管接头

5.4密封装置

5.4.1常见的密封方法

5.4.2密封件的类型

第6章液压基本回路

6.1速度控制回路

6.1.1调速回路

6.1.2快速运动回路

6.2压力控制回路

6.2.1多级调压回路

6.2.2双向调压回路

6.2.3减压回路

6.2.4保压回路

6.2.5卸荷回路与启停回路

6.3方向控制回路

6.3.1换向回路

6.3.2锁紧回路

6.4顺序动作回路

6.4.1压力控制的顺序动作回路

6.4.2行程控制的顺序动作回路

6.5同步回路

6.5.1采用分流集流阀的同步回路

6.5.2带补偿装置的串联液压缸同步回路

第三部分液力传动技术

第7章液力传动基本原理

7.1液力传动基本方式

7.2液力传动的流体力学基础

7.2.1欧拉方程

7.2.2动量矩方程

7.3液力传动在汽车中的应用

第8章液力耦合器

8.1液力耦合器在自动变速器中的位置

8.2液力耦合器基本结构与工作原理

8.2.1液力耦合器结构

8.2.2工作原理

8.3液力耦合器特性分析

第9章液力变矩器

9.1液力变矩器的组成

9.2液力变矩器工作原理

9.3单向离合器

9.3.1滚柱式单向离合器

9.3.2楔块式单向离合器

9.3.3棘轮式单向离合器

9.4带锁止离合器的液力变矩器

9.5液力变矩器工作特性曲线

第四部分液压与液力传动在汽车中的应用

第10章工程车辆液压控制系统

10.1汽车起重机液压控制系统

10.1.1支腿收放机构液压控制回路

10.1.2回转机构液压控制回路

10.1.3伸缩回路与变幅回路

10.1.4起升回路

10.2挖掘机液压控制系统

10.2.1工作机构液压控制回路

10.2.2铲斗控制原理

10.2.3回转机构液压控制原理

10.3汽车货箱举升液压系统

第11章汽车变速器液压控制系统

11.1液力自动变速箱

11.1.1离合器

11.1.2制动器

11.1.3行星齿轮机构

11.1.4液压系统

11.1.5液压控制回路

11.2无级变速器

11.2.1无级变速器组成与工作原理

11.2.2液压控制回路

第12章ABS液压控制系统

12.1ABS概述

12.1.1四通道ABS

12.1.2三通道ABS

12.1.3单通道ABS

12.2ABS的组成与基本原理

12.3ABS液压控制阀

12.3.1限压阀与比例阀

12.3.2电磁阀

12.4液压控制回路

12.4.1循环式制动压力调节器

12.4.2可变容积式制动压力调节器

12.5ABS/ASR联合回路

第13章液压助力转向系统

13.1助力转向系统概述

13.2液压助力转向系统的组成及原理

13.2.1转阀式转向控制阀

13.2.2滑阀式转向控制阀

13.3助力转向液压控制回路

13.3.1滑阀式液压转向助力装置

13.3.2转阀式液压助力转向装置

附录常用液压与气动元件图形符号

参考文献

《汽车液压与液力传动》主要针对于机械类及相关专业学生的理论学习的教学用书，主要介绍了液压与液力传动的基本原理及其在汽车工程中的应用与发展。全书分为3个部分。*部分为引言；第二部分为液压液力传动的理论知识，包括液压液力传动基础、流体力学基础、液压泵、液压马达与液压缸、基本液压控制回路设计等；第三部分为液压液力传动在汽车工程中的应用，包括汽车起重机液压系统、汽车制动器液压系统、变速器液压控制系统、液压助力转向系统等。

陈泽宇，男，东北大学机械工程与自动化学院，博士，副教授。2014-2015年于美国密歇根大学迪尔伯恩校区任访问学者。从事汽车动力学控制、新能源汽车节能与安全等科研和教学工作，近5年发表论文19篇，其中SCI论文8篇，ESI高被引论文1篇，EI论文5篇，主持国家自然科学基金1项，省部级项目3项，授权发明专利4项。担任《IEEE transactions on Automation Science and Engineering》与 《Applied energy》等国际期刊审稿人，担任中国自动化学会-车辆控制与智能化专业委员会委员。

第1章

液压与液力传动技术概述

1.1液压传动技术发展历程与发展趋势
1.1.1起源与发展历程

液压传动是基于密闭容器中流体的静压力、并利用机械能与液体的压力能之间的相互转换来实现动力传递的一种形式，传动过程是利用密闭液体作为媒介来完成的，其原理源自于法国物理学家帕斯卡(Blaise Pascal)于1650年提出的封闭静止流体压力传递的帕斯卡定律不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后，此压力增值瞬时间传至静止流体各点。。1686年，牛顿揭示了动性流体的内摩擦定律又称黏性定律。。到18世纪，流体力学的两个重要方程——连续性方程是描述守恒量传输行为的偏微分方程。由于在各自适当条件下，质量、能量、动量、电荷等，都是守恒量和伯努利方程其实质是流体的机械能守恒，即： 动能 重力势能 压力势能=常数。其为著名的推论为： 等高流动时，流速大，压力就小。相继建立。这些理论成果为液压技术的发展奠定了理论基础。
1795年，英国人约瑟夫·布拉曼(Joseph Bramah)发明了世界上台水压机（见图11)，这是帕斯卡定律首次被实际应用，这台机器利用水作为介质进行能量传递，同时以水流方向进行控制。
这预示着液压技术在工程应用的开始。到了1850年英国工业革命之后，液压技术逐渐应用到实际工业当中，
由于这时候电能还未被发现和用作动力，液压传动技术逐步被用来驱动起重机、绞车、挤压机、剪切机和铆接机等各种工业设备。

图11世界上台水压机

当时的液压传动采用的是水，通常是使用蒸汽机驱动水泵并在一定压力下通过管道将高压水送到加工车间，驱动各种机械设备。虽然水具有干净、容易获取且具备阻燃性等优点，但是以水为介质的液压传动系统也具有许多缺点，例如： 水的密封性和润滑性都很差，工作温度范围小，零部件容易锈蚀等，导致液压传动技术的发展一度陷于了停滞状态。直到1905—1908年间，威廉斯(H.Willians)和詹尼(R.Janney)两位英国工程师发明了用矿物油作为工作介质的轴向柱塞式液压传动装置。矿物油代替了水作为工作介质，在很大程度上解决了密封和锈蚀等问题，液压传动技术才开始逐步走向成熟。
次世界大战(1914—1918年)之后，液压传动技术得到了广泛应用，液压伺服控制技术出现在海军舰艇舵机的操控装置上。到了第二次世界大战(1941—1945年)期间，美国的机床中已有30%应用了液压传动，由于军事工业迫切需要反应快、动作准确、功率大的液压元件、液压传动系统和伺服控制系统，以便用于飞机、坦克、高射炮、舰、艇等装备和武器方面的控制系统以及雷达、声呐的驱动系统，促进了液压技术及其自动控制技术的进一步发展。图12与图13为当时采用液压真空制动技术的Bedford OY军用卡车与采用了液压液力传动技术的M24轻型坦克。20世纪60年代，随着电子技术的发展，液压技术也在更深、更广泛的领域得到了发展和应用，出现了以比例电磁铁为转换器的电液比例控制阀，随后液压技术的应用迅速转入民用工业，在机床、工程机械、船舶机械、锻压机械、冶金机械、农业机械以及汽车、航空航天等部门得到了广泛应用，由于矿物质油易燃，在高温、明火、矿井等特殊环境下，乳化液等合成流体逐步取代了矿物油作为液压系统的工作介质。

图12Bedford OY军用卡车

图13美国M24轻型坦克

我国的液压工业开始于20世纪50年代，产品初只用于机床和锻压设备，后来才用到拖拉机和工程机械上。自从1964年从国外引进液压元件生产技术以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成了系列，20世纪80年代加速了对国外先进液压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作。21世纪以来，我国液压行业步入了快速发展阶段，以工程机械、冶金机械、矿山机械、农业机械、航空航天、智能机床等为代表的装备制造业取得快速发展，

图14我国生产的世界的8万t模锻压机

到“十一五”末期，我国已经成为世界上的液压市场和世界上第二大液压产品生产国。但是目前我国中高端液压产品对外依存度仍然较高，大部分液压产品处于价值链中低端，研发投入占销售额比例不足3%，

产品集中度和品牌影响力都不够强。国内挖掘机使用的高端液压件基本依赖博世力士乐(Bosch Rexroth)、川崎重工等国外厂商，存在着巨大的进口替代需求。数据显示，2015年度我国液压件进口数量为352.08万件，进口总金额为10.10亿美元； 2015年度我国液压件出口数量为933.05万件，出口总金额为7.12亿美元。近年来，部分国内自主品牌通过长时间的技术攻关，局部突破了国外知名液压企业在中高端液压产品上的技术垄断，并推出一系列技术含量较高的液压产品。图14所示为我国自主研发的8万t大型模锻压机。

1.1.2液压技术发展趋势
液压技术已广泛用于各工业部门和领域，成为对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术。如今，超过95%的工程机械、90%的数控机床、95%以上的自动化生产线都采用了液压传动技术。世界上先进的工业国家均对液压技术的发展给予了高度重视，液压传动技术已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。在液压技术的发展过程中，随着科技的进步，液压技术逐渐融合了现代计算机信息技术等高新技术，在科技水平、工作效率等方面都得到了很大提高。为了和技术的发展保持同步，液压技术必须不断发展，不断提高和改进局部与整体的性能以满足日益变化的市场需求。
1. 高压化
对于给定功率等级的液压系统，高压化会使外形尺寸减小、重量减轻。近年来，高压结构强度问题得以解决、高压情况下的泄漏减少，滑动面间的润滑、摩擦和材料质量研究取得了很大进展，液压系统高压化发展已成为一个趋势。

2. 轻量化
液压元件和液压系统的轻量化设计也是当前液压传动的重要研究课题之一，尤其在要求液压元件或系统具有较小体积与重量要求的领域，如航空航天、行走机械、船舶机械等。轻量化设计是在满足结构强度、抗变形和工作要求的前提下，采用轻量化材料进行等强度的设计，并合理减小结构尺寸，达到节约用材、减少排放的目的。
3. 模块化/集成化
集成化的发展使得液压系统结构紧凑、工作可靠，而且简便，也易于维护保养。液压技术与电子技术结合的过程中，液压技术自身也在迅速地提升与演进，不断向高压、大流量、集成化等方向发展，其突出的表现便是液压阀的集成模块化趋势，图15所示为美国BD公司的机器人Big Dog。液压控制阀由于具有标准化、组合化和通用化的良好基础，在其演化发展历程中始终伴随着集成化和模块化。液压阀产品在功能、结构层面不断得到改进。在连接方式上，液压阀初通过管道采用螺纹接头和法兰连接； 此后，为了克服管式连接的缺点，引进了过渡底板，使得板式连接和管道安装得到兼顾； 后来，随着少管化和无管化的发展，出现了公用过渡块和叠加式连接； 随着设计和工艺技术的进步，集成化进一步得到发展，液压控制元件也进一步从“安装面”模块化叠加到“安装孔”块式集成； 现在以集成块为主的液压控制形式迅速普及和多样化，集成块日趋多样化和定制化。

图15液压控制系统的集成化趋势

4. 新介质
随着密封技术的发展，矿物型液压油以良好的性能取代水成为主要的传动介质，推动了液压技术的进步，但是一些弊端依然存在，如泄漏造成环境污染等。随着近年来人们对环境保护和节能的重视，西方各国政府制定相应的法律、法规，从而激励了人们研究洁净的新的液压介质来代替旧有的液压油(如水和生物可降解液压油)。

5. 新材料和新工艺

图16陶器镀层活塞杆

新型材料的使用，如工程陶瓷、工程塑料或聚合物，可使液压元件质量提高、成本降低，促进液压技术新的发展，图16所示为陶器镀层活塞杆。采用新型磁性材料，可以提高磁力，增大阀的推力，进而增大阀的控制流量，使系统响应更快，工作更可靠。铸造工艺的发展，对优化液压元件内部流动，减少压力损失和降低噪声，实现元件小型化、模块化，都有良好的促进作用。

6. 节能化
液压系统在机械装置和设备中的应用十分广泛，但液压传动效率较低，液压系统在传递运动过程中的能耗转化为热能，使系统温度升高，引起很多不良影响。因此，必须合理使用高效率的液压元件，合理设置和分配元件，正确选择油液，并对系统进行综合调节，以提高系统的效率。随着科技的发展，越来越多的