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第4章液壓系統基本原理介紹4-1液壓基本概念4-2巴斯卡原理與液壓傳動4-3液壓裝置組成認識4-4液壓傳動的優缺點4-14-24-34-4EXIT4-24-1液壓基本概念液壓學（hydraulics）一詞其在工程上的定義為藉液體的運動產生力量，來達到方向之控制及能量傳送的一門科學。近年來液壓設備的運用非常普遍，在我們日常生活中到處都可看到液壓應用的實例，諸如：馬路上的怪手、垃圾車、堆土機、以及各種的土木建築機械、農業機械、工廠上的工具機、衝床、壓床，汽車轉向系統及煞車系統、船上方向舵控制裝置、飛機的著陸裝置等都是藉由液壓的原理而達到控制的目的。4-14-24-34-4EXIT4-34-1液壓基本概念尤其是在目前國內，為了提高生產效率與提高品質，正提倡生產自動化，其自動化的要素不外乎為電氣、氣壓、液壓、電腦或可程式控制器，而目前的自動化機械就是分別由這四項要素之特徵所構成，如CNC、機械人等等不勝枚舉。所以液壓在未來的發展，更將無遠弗屈。液壓的應用範圍非常廣，可大列分為：1.以力的傳達為主要目的：行靜力傳達機構，如液壓千斤頂。2.以傳達泵產生的動力至各種運動系統為主要目的：行進給運動的機構。4-14-24-34-4EXIT4-44-1液壓基本概念目前常見的應用液壓機器有：(1)在道路上使用之挖土機堆高機等建設機構。(2)在工廠上使用之壓床、工作母機等。(3)在汽車上使用的有動力轉向及煞車等。(4)在飛機上使用的起落架收放機構等。(5)在農業上的使用上，有曳引機，綜合收獲機等，液壓系統的應用實例在日常生活中可說是到處可見。4-14-24-34-4EXIT4-54-2巴斯卡原理與液壓傳動在靜止液體中，有一高度為h，底面積為A的圓柱，如圖4-1所示。由於液體在靜止狀態，故作用在圓柱底面的壓力均能在平衡狀態。作用於底面的力F與其液柱之自重W平衡。假設液體比重為，則液柱的重量W=Ah，在液柱的底面產生一反作用力F等於W。若F平均作用在底面積A上，則單位面積上所受的力P稱之為靜壓力。4-14-24-34-4EXIT4-64-2巴斯卡原理與液壓傳動4-14-24-34-4EXIT4-74-2巴斯卡原理與液壓傳動4-14-14-24-34-4EXIT4-84-2巴斯卡原理與液壓傳動4-14-14-24-34-4EXIT4-94-2巴斯卡原理與液壓傳動由例題4-1所示，知道在兩個不同形狀的容器內注入同樣的液體，如高度由例題4-1所示，知道在兩個不同形狀的容器內注入同樣的液體，如高度=h一樣，則壓力。由此可知靜壓力的大小僅與液柱的高度有關，而與容器的形狀及容積無關。對以上的敘述及證明可歸納下面三點結論：1.靜止液體中，任何一點靜壓力，等於作用在液面的壓力和液體所產生的壓力之和。2.液體中靜壓力，僅與液柱高度h有關，而與容器的形狀大小無關。3.同一液體中，只要液體的深度相同，其靜壓力也相同。4-14-24-34-4EXIT4-104-2巴斯卡原理與液壓傳動所謂巴斯卡原理係指在一密閉容器中，利用液體的不可壓縮性（圖4-3為液體無論受任何外力壓縮時，壓力均會升高，但其體積永遠保持不變）與力傳導性，當某一部分受到壓力時，其容器內壁任何一Z所受到的壓力P均相等，且均等傳遞到各部。4-14-24-34-4EXIT4-114-2巴斯卡原理與液壓傳動由圖4-3所示可得四點結論。1.液體不可壓縮性。2.壓力垂直作用於作用面。3.容器內任何一點的壓力均相等。4.密封容器中任一部分所產生的壓力均等傳遞到各部，此即所謂巴斯噶原理。4-14-24-34-4EXIT4-124-2巴斯卡原理與液壓傳動4-24-14-24-34-4EXIT4-134-2巴斯卡原理與液壓傳動液壓傳動係根據巴斯卡原理，以小的力量作用在小活塞上而能在大活塞上舉起重物，如圖4-4所示。4-24-14-24-34-4EXIT4-144-2巴斯卡原理與液壓傳動由公式4-3知作用力的大小與活塞面積成正比，截面積愈大由外加的力所產生的作用力也愈大。現今的一般車輛大都採用液壓煞車，即根據此原理，以小力踩煞車踏板來產生大的力量來控制煞車作用，除此之外液壓千斤頂也是利用此原理，如圖4-5所示。4-14-24-34-4EXIT4-154-2巴斯卡原理與液壓傳動4-34-44-14-24-34-4EXIT4-164-2巴斯卡原理與液壓傳動4-34-44-14-24-34-4EXIT4-174-2巴斯卡原理與液壓傳動圖4-6為兩個不同面積的活塞以一連桿連接，當外力F1作用於截面積為A1的活塞上產生壓力P，當壓力P作用在A2上時，在大活塞上產生一作用力F2，此一作用力經由活塞桿的傳遞而作用在小活塞A3上，因此產生P3的壓力。由於A3A2，因此P3P2達到增壓作用。由上式知在增壓器上壓力的大小與截面積成反比。4-14-24-34-4EXIT4-184-2巴斯卡原理與液壓傳動4-54-14-24-34-4EXIT4-194-2巴斯卡原理與液壓傳動4-54-14-24-34-4EXIT4-204-2巴斯卡原理與液壓傳動流體在某一任何橫斷面的流動狀態，不隨時間而改變者稱為穩定流動，反之稱為非穩定流動，在穩定流動的狀況下，管道任何一橫斷面之流體的流量恆維持一定，此稱之為連續定理。4-14-24-34-4EXIT4-214-2巴斯卡原理與液壓傳動由圖4-7所示管路中，斷面A流速為v，斷面A的流速的v，根據連續定理由公式4-4得知，油流經管路斷面積較大之位置其流速較慢，管路面積較小的位置其流速較快。4-14-24-34-4EXIT4-224-2巴斯卡原理與液壓傳動4-64-14-24-34-4EXIT4-234-2巴斯卡原理與液壓傳動4-64-14-24-34-4EXIT4-244-2巴斯卡原理與液壓傳動在管路內穩定流動的液體具有壓力能、位能、動能三種形式的能量，如不考慮流體在管路內因摩擦所造成之熱能損失，根據能量守恆定律，可知在同一管路每一截面積上的總能量都是相等的，如圖4-8所示。管路液體流過截面積A及B兩斷面，它們的能量是相等的，可用公式4-5表示。4-14-24-34-4EXIT4-254-2巴斯卡原理與液壓傳動在液壓系統中，一般液壓管路配置都不會太高，位能可以忽略不計，所以公式可以改寫如公式4-6所示。又由連續定理得知油流經斷面大時速度慢，反之則速度快，所以由圖知的速度比慢，所以。由此可知液體流經斷面大時壓力大，速度慢。反之流斷面小時壓力小速度快，此即所謂的柏努力定理。4-14-24-34-4EXIT4-264-2巴斯卡原理與液壓傳動所謂功率，係指單位時間內所做的功，以下我們以千斤頂的輸出力量F和移動距離S來導出壓力P，流量Q和功率L三者的關係式：4-14-24-34-4EXIT4-274-2巴斯卡原理與液壓傳動由上式公式知要提高系統之功率，可以提高壓力P及增加流量Q來達成，以液壓千斤頂來說，如圖4-9所示。若負荷被要求以等速上升，如希望推動的負荷要越大，則手壓把柄的力也就要越大，若是負荷不變而要求上升速度加快，則手壓把柄往下壓的速度也就要越快。4-14-24-34-4EXIT4-284-2巴斯卡原理與液壓傳動4-14-24-34-4EXIT4-294-2巴斯卡原理與液壓傳動在實際計算中尚須考慮其泵效率，故其修正後泵的輸入功率如公式中4-8所示。4-14-24-34-4EXIT4-304-2巴斯卡原理與液壓傳動4-74-14-24-34-4EXIT4-314-2巴斯卡原理與液壓傳動4-74-14-24-34-4EXIT4-324-3液壓裝置組成認識基本液壓裝置組成必須包括下列四大部門，在此用一簡單方塊圖，如圖4-10所示加以說明。1.液壓產生裝置：將電能或機械能轉變成液體的壓力能。2.液壓控制裝置：控制液體的流動方向、壓力及流量，使其作動合於系統之要求。3.液壓作動裝置：將液壓產生機構所產生的壓力能以機械的方式輸出，以達到工作之目的。4.操作裝置：藉以手動、機械、電氣等各種方式以控制方向閥、流量閥及壓力控制閥，以改變其作動方向、流量及壓力的裝置。4-14-24-34-4EXIT4-335.液壓附屬元件：液壓系統所使用各種附屬裝置。各液壓裝置組成元件，如表4-1所示。4-4液壓傳動的優缺點4-14-24-34-4EXIT4-344-4液壓傳動的優缺點4-14-24-34-4EXIT4-354-4液壓傳動的優缺點為何使用油？水是否也可以呢？當然也可以，利用泵送水的壓力（水壓機即是），但因為水有其限度，亦即水到100℃時會沸騰，成為水蒸氣。即使未到100℃，也會大量蒸發，高溫時因黏性低，容易外洩，也容易生銹，又無潤滑性，機器很快磨耗，所以須要用特別材料，而油除了沒有水的缺點之外尚有以下的優點。4-14-24-34-4EXIT4-364-4液壓傳動的優缺點和氣壓機器比較，相同輸出的液壓設備其構造較小，輸出比較大，一般使用壓力在70kgf/cm2(6.86MPa)。即使使壓力升高到350kgf/cm2(34.3MPa)，也不會有爆炸的危險，不像空氣那樣在高壓時有爆炸的危險。因為氣壓系統必須透過儲氣筒蓄存工作壓力源，而當壓力高於儲氣筒所能承受的最大壓力時會爆裂。一般機械或電氣過負荷時容易發生故障及燒壞，而液壓系統一般均裝有溢流閥，當負荷達到某一限度時，溢流閥會自動打開流回油箱，唯溢流閥打開，將因損失能量而降低效率。4-14-24-34-4EXIT4-374-4液壓傳動的優缺點一般機械要改變其輸出，相當困難而複雜，而液壓系統要改變其輸出，僅需調整其溢流閥的壓力即可，相當方便。因F=P×A；力＝壓力×截面積。要調整液壓系統速度的變化，僅須調整其流量控制閥的流量即可，就像調整水龍頭的水量那麼簡單。一般的機械或馬達慣性大，起動、停止、逆轉時會有衝擊震動現象，而液壓系統由於其慣性小，所以對於轉動、急加速、減速、逆轉、停止、作動比較圓滑。4-14-24-34-4EXIT4-384-4液壓傳動的優缺點如要做遠距離的控制，僅需延長管線即可，如再與氣壓、電氣、電腦配合使用，將更能發揮自動化的特點。液壓油本身具有潤滑作用，所以機件磨耗損失也較小，故有耐久性。4-14-24-34-4EXIT4-394-4液壓傳動的優缺點液壓系統是由許多液壓元件組合而成，而各元件之間信號的傳送必須藉由配管來達成，接頭多、配管麻煩，接頭部分常會有漏油問題產生。通常使用的油具有可燃性，其閃點大約在210℃左右，周圍有高溫時很危險，雖也可採用不燃性油，但由於價格高，物理性質比一般油差，故較少採用。液壓系統中，最大問題就是油溫度對黏度的影響，當壓力高時溫度也升高，溫度高時，油的黏度變低、流速會變快，所以對精密速度控制困難。4-14-24-34-4EXIT4-404-4液壓傳動的優缺點由於液壓系統的動力來源，必須先藉由機械的能量，來帶動液壓泵，將機械能轉換成壓力能，然後再將壓力能轉換成機械能，比一般機械直接傳動多出一道轉換過程，所以能量損失較大、效率較低。