变量机构轴向柱塞泵设计中的应用研究

张 雪

（新乡职业技术学院，河南 新乡453000）

变量机构的型式很多，按照控制方式，可分为手动式、机动式、电动式、液动式、电液比例控制式等。按照变量执行机构可分为机械式、液压伺服机构式、液压缸式，如图1所示。按照性能参数还可分为恒功率式、恒压式、恒流量式等。

图1 变量执行机构

以上各种型式的变量机构常常组合使用。例如，图1（a)所示，手动变量机构采用杠杆或采用手轮转动丝杠，带动斜盘改变倾斜角，如果用可逆电机旋转丝杠可实现电动变量。图1（b）所示，在伺服阀C端用手轮或杠杆输入一位移量，称手动伺服变量式；若以电机或液压装置输入位移量时，则称电动或液动伺服变量式；如果输入的控制信号量使得泵输出的功率为常值，则构成了压力补偿变量式。再如图1（c）中，用带有电磁阀的外液压源控制，可成为远程液控变量式；如果用伺服阀控制变量缸，并使泵出口压力为恒值，可成为恒压变量型式。

由此可知，变量的型式是多种多样的，下面介绍其中最常用的变量机构。

1 手动变量机构

手动变量机构是一种最简单的变量机构，适用于不经常变量的液压系统。变量时用手轮转动丝杠旋转，丝杠上的螺母直线运动带动斜盘改变倾斜角实现变量。手动变量机构原理图及变量特性如图2所示。

图2 手动变量机构原理及特征

如图2中表明手动变量机构可实现双向变量。流量Q的方向和大小与变量机构行程y成正比。

2 手动伺服变量机构

该机构用机械方式通过伺服阀带动变量缸改变斜盘倾角实现变量。手动伺服变量机构的原理图和变量特性如图3所示。

图3 手动伺服变量机构

如图3中伺服变量机构由双边控制阀和差动变量缸组成。控制阀的阀套与变量活塞杆相连，变量缸的缸体与泵体相连。当控制阀处于中位时，斜盘稳定在一定的位置上。变量时，若控制阀C端向左移动，油路1和2连通，变量缸A﹑B两腔都是泵出口压力。由于B腔面积大于A腔，变量活塞在液压力作用下向右移动，推动斜盘倾斜角减小，流量随之减少。与此同时，由于阀套与活塞杆相连，阀套也向右移动逐步关闭油路l和2，于是斜盘稳定在新的位置上。

反之，控制阀向右移动时，油路2和3连通，变量缸B腔与回油路接通，变量活塞在A腔液压力作用下向左移动，使斜盘倾角增大，流量也增大。同理，由于控制阀阀套的反馈移动，使斜盘稳定在新的位置。

这种利用机械位置反馈的伺服变量机构减少了变量控制力，大大提高了变量的性能和精度。变量信号输入可以是手动，也可以是电动。如用外液压源可实现远程无级变量。因此，这种变量型式广泛用于频繁变速的行走车辆、工程机械、机床等许多液压系统中。

3 恒功率变量机构

恒功率变量机构是根据泵出口压力调节输出流量，使泵输出流量与压力的乘积近似保持不变，即原动机输出功率大致保持恒定。变量机构原理如图3所示。

如图3中恒功率变量机构仍由双边控制阀和差动变量缸组成。与手动伺服变量机构不同的是控制阀C端由弹簧预压调定，D端用控制油路接通泵出口管路。利用液压力与弹簧力平衡的关系控制变量活塞，改变斜盘倾角。工作原理与手动伺服变量机构类似。

为使泵功率为一恒值，理论上，泵出口压力与输出流量应保持双曲线关系，如图4所示。但是，实际泵的变量机构都是采用弹簧来控制的。因此，只能用一段折线(一根弹簧)或二段折钱(二根弹簧)来近似替代双曲线。图3（a）所示的变量特性就是采用内外双弹簧和机械限位装置控制的恒功率变量特性。

图4 恒功率理论变量特征曲线

泵开始工作时，控制阀D端的液压力不足以克服外弹簧预紧力，斜盘倾角最大，流量也最大，变量特性为水平线。当泵出口压力上升到如图4所示值时，控制阀D端按压力大于C端弹簧预紧力，阀芯向左移动，控制变量活塞向右推动斜盘减小倾角，流量随之减少，变量特性为折线。线的斜率取决于外弹簧的则度。当泵压力继续升高到如图4所示值时，内弹簧也参与工作。由于内外弹簧的合成刚度更大，变量特性为折线，线的斜率取决于内外弹簧的合成刚度。随着出口压力继续升高，阀芯碰到限位装置，则输出流星也不再减少，变量特性为折线。

特性曲线中各折点位置可以通过调整弹簧预紧力和限位装置来改变，折线的斜率取决于弹簧刚度。

恒功率变量是常用的变量型式之一，能充分发挥原动机的功率效能，并使液压设备体积小、重量轻。常用于压力经常变化的压力机、重型设备、工程机械等液压系统中。

4 恒流量变量机构

恒流量变量机构是根据装于泵出口主油路中的节流阀两侧的压力差调节输出流量，保持流量为一恒值。变量机构原理及变量特性如图5所示。

图5 恒流量变量机构原理及特征

图5中恒流量变量机构由带有节流阀的双边控制阀(恒流量阀)和差动变量缸组成。控制阀C端预压弹簧调定后，节流阀两侧压力差在控制阀阀芯上产生的液压力与弹簧力相平衡，阀芯处于中垃，斜盘倾角固定在某一角度，泵输出流量为调定值。

当泵转速增加时，输出流量也相应增加。由于节流器面积不变，则节流器两端压力差增大，推动控制阀阀芯左移，带动变量活塞左移，斜盘倾角减小，流量城少，直至恢复到调定值。此时，阀芯上液压力与弹簧力重新平衡阀芯处于中位，斜盘倾角稳定，泵输出流量为恒定值。反之，当泵转速减小后，输出流量减少。类似的分析可知，斜盘倾角会增加，流量也随之增加，仍保持为一恒定值。

图5（b）为变量特性曲线。为保持调定流量的最低稳定转速。从图5中可以看出，从以上，泵输出流量不随转速变化而改变，始终保持恒定值。

恒流量变量泵用于对液压执行机构要求速度恒定的设备中，例如机床、运输机械等液压系统。但是恒流量变量泵恒定流星的精度不高，误差较大，这也限制了它的应用。