汽车机械基础：液压控制阀及其功能

液压助力转向系统的转向器中采用方向控制阀来调节油液的流向，以满足汽车转向的要求。为了保证执行元件能按设计要求安全可靠地工作，不仅要对液压油流动的方向进行控制，还要对液压油的压力和流量进行控制，这些控制元件就是液压控制阀，按其用途分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀3类。

控制阀安装在液压泵和执行元件之间，在系统中不做功，只对执行元件起控制作用。它们都是由阀体（阀座）、阀芯和阀的操纵机构三大部分组成。阀的操作机构可以是手动、机动、电动、液动等方式。虽然各类阀的工作原理不完全相同，但它们基本上都是通过阀芯的移动来控制油口的开闭或限制、改变油液的流动来工作的，而且只要液体流过阀孔都会产生压力降及温度升高等现象。因此，液压控制阀就必须满足以下基本要求。

1）动作灵敏，工作平稳可靠，冲击、振动和噪声尽可能小。

2）油液流经阀时阻力损失小。

3）密封性要求良好，泄漏量少。

4）结构要简单紧凑，体积小，通用性强，寿命长。

1.方向控制阀

方向控制阀在液压系统中主要是用来连通油路或切换油流的方向，从而控制执行元件的启动、停止或改变其运动方向。按其用途可分为单向阀和换向阀。

（1）单向阀 单向阀的作用是控制油液的单向流动，可分为普通单向阀和液控单向阀。

普通单向阀又称止回阀。它由阀体1、阀芯2、弹簧3等零件组成，如图9-9所示。阀芯2有锥阀式和钢球式两种，图9-9a所示为锥阀式。钢球式阀芯结构简单，但密封性不如锥阀式。当压力油从进油口P₁输入时，会克服弹簧3的作用力，顶开阀芯2，并经阀芯2上四个径向孔a及轴向孔b，从出油口P₂输出。当液流反向流动时，在弹簧和压力油的作用下，阀芯锥面紧压在阀体1的阀座上，油液不能通过。图9-9b所示是板式连接单向阀，其进、出油口开在底平面上，用螺钉将阀体固定在连接板上，其工作原理和管式单向阀相同。图9-9c所示为单向阀的图形符号。

图9-9 单向阀

1—阀体 2—阀芯 3—弹簧

普通单向阀的弹簧主要用来克服阀芯运动时的摩擦力和惯性力。为了使单向阀工作灵敏可靠，弹簧力量应较小，以免液流产生过大的压力降。一般单向阀的开启压力在0.035～0.05MPa，额定流量通过时的压力损失不超过0.1MPa。当利用单向阀作背压阀时，应换成较硬的弹簧，使回油保持一定的背压。作背压阀用时，开启压力一般在0.2～0.6MPa。

普通单向阀常与某些阀组合成一体，称为组合阀或称复合阀，如单向顺序阀（平衡阀）、可调单向节流阀、单向调速阀等。

液控单向阀的结构如图9-10a所示，它与普通单向阀相比，增加了一个控制油口X，当控制油口X处无压力油通入时，液控单向阀起普通单向阀的作用，主油路上的压力油经P₁口输入，P₂口输出，不能反向流动。当控制油口X通入压力油时，活塞1的左侧受压力油的作用，右侧a腔与泄油口相通，于是活塞1向右移动，通过顶杆2将阀芯3打开，使进、出油口接通，油液可以反向流动，不起单向阀的作用。控制油口X处的油液与进、出油口不通。通入控制油口X的油液的最小压力不应低于主油路压力的30%。图9-10b为液控单向阀的图形符号。

图9-10 液控单向阀

1—控制活塞 2—顶杆 3—阀芯

（2）换向阀 换向阀的作用是利用阀芯和阀体间相对位置的改变，来变换油流的方向、接通或关闭油路，从而控制执行元件的换向、启动或停止。当阀芯和阀体处于图9-11所示的相对位置时，液压缸两腔不通压力油，处于停机状态。若对阀芯施加一个从右往左的力使其左移，阀体上的油口P和A连通，B和T连通，压力油经P、A进入液压缸左腔，活塞右移；右腔油液经B、T回油箱。反之，若对阀芯施加一个从左往右的力使其右移，则P和B连通，A和T连通，活塞左移。

图9-11 换向阀

1—阀芯 2—阀体

按阀芯在阀体内的工作位置数和换向阀所控制的油口通路数分，换向阀有二位二通、二位三通、二位四通、二位五通、三位四通、三位五通等类型，见表9-3。不同的位数和通数是由阀体上的沉割槽和阀芯上台肩的不同组合而成的。

1）位数用方格（一般为正方格，五通阀用长方格）数表示，二格即二位，三格即三位。

表9-3 常见换向阀的图形符号

2）在一个方格内，箭头、封闭符号“┹”或“┮”与方格的交点数为油口通路数，即“通”数。箭头表示两油口处于连通状态，但并不一定表示油流的实际流向；“┹”或“┮”表示该油口不通流。

3）控制机构和复位弹簧的符号画在主体的任意位置上（通常位于一边或中间）。

4）通常阀与系统供油路连接的进油口用字母P表示，阀与系统回油路连接的回油口用字母T表示（有时用字母O），阀与执行元件连接的工作油口用字母A、B表示，有时在图形符号上还表示泄漏油口，用字母L表示。

5）三位阀的中格、二位阀画有弹簧的一格为常态位。常态位应画出外部连接油口。

按阀芯控制的方式划分，换向阀有手动、机动、电动、液动和电液动等类型。表9-4所示为阀芯控制方式的图形符号。

表9-4 换向阀阀芯控制方式图形符号

2.压力控制阀

在液压系统中，压力控制阀主要用来控制系统或回路的压力，或利用压力作为信号来控制其他元件的动作。这类阀工作原理的共同特点是利用作用在阀芯上的液压力与弹簧力相平衡来进行工作。根据在系统中的功用不同，可分为溢流阀、顺序阀、减压阀和压力继电器等。

（1）溢流阀 溢流阀的主要功用是控制和调整液压系统的压力，以保证系统在一定的压力或安全压力下工作，常用于溢流稳压，防止过载，实现远程调压等场合。按结构原理分为直动式和先导式两种。

图9-12所示的直动式溢流阀，当进油口P从系统接入的油液压力不高时，锥阀芯2被弹簧3紧压在阀座上，阀口关闭。当进油口压力升高到能克服弹簧阻力时，便推开锥阀芯使阀口打开，油液就由进油口P流入，再从回油口T流回油箱（溢流），进油压力也就不会继续升高。当通过溢流阀的流量变化时，阀口开度即弹簧压缩量也随之改变。但在弹簧压缩量变化很小的情况下，阀芯在液压力和弹簧力作用下保持平衡，溢流阀进口处的压力基本保持为定值。拧动调压螺钉改变弹簧预压缩量，便可调整溢流阀的溢流压力。

图9-12 直动式溢流阀及其符号

1—阀体 2—锥阀芯 3—弹簧 4—调压螺钉(www.xing528.com)

先导式溢流阀由先导阀和主阀两部分组成，如图9-13所示。先导阀是一个小规格的 直动式溢流阀，其作用是用来控制和调节溢流压力。主阀阀芯是一个具有锥部、中间开有阻尼小孔R的圆柱体，其功能在于溢流。

图9-13 先导式溢流阀及其符号

1—先导阀 2—主阀

油液从进油口P进入，当进油压力不高时，液压力不能克服先导阀的弹簧阻力，先导阀口关闭，阀内无油液流动。这时，主阀芯因前后腔油压相同，故被主阀弹簧紧压在阀座上，主阀口亦关闭。当进油口压力升高到先导阀弹簧的预调压力时，先导阀口打开，主阀弹簧腔的油液流过先导阀口并经阀体上的通道和回油口T流回油箱。这时，油液流过阻尼小孔，产生压力损失，使主阀芯两端形成了压力差。主阀芯在此压差作用下克服弹簧阻力向上移动，使进、回油口连通，达到溢流稳压的目的。拧动先导阀的调压螺钉，便能调整溢流压力。更换不同刚度的弹簧，便能得到不同的调压范围。

在先导式溢流阀中，先导阀因为只用来泄油，其阀口直径较小，即使在较高压力的情况下，作用在锥阀上的液压推力也不是很大，因此调压弹簧的刚度不必很大，压力调整也就比较轻便。主阀芯因两端均受到油压作用，主阀弹簧只需很小的刚度，当溢流量变化引起弹簧压缩量变化时，进油口的压力变化不大，故先导式溢流阀的稳压性能优于直动式溢流阀。但先导式溢流阀是二级阀，其灵敏度和响应速度低于直动式溢流阀。

（2）顺序阀 顺序阀是以压力为信号自动控制油路通断的压力控制阀，常用于控制系统中多个执行元件动作的先后顺序。按结构不同，顺序阀也可分为直动式和先导式两种。先导式顺序阀用于压力较高的场合。

图9-14a所示为直动式顺序阀的结构图。它由螺堵1、下阀盖2、控制活塞3、阀体4、阀芯5、弹簧6、上阀盖7等零件组成。当其进油口的油压低于弹簧6的调定压力时，控制活塞3下端油液向上的推力小，阀芯5处于最下端位置，阀口关闭，油液不能通过顺序阀流出。当进油口油压达到弹簧调定压力时，阀芯5抬起，阀口开启，压力油即可从顺序阀的出口流出，使阀后的油路工作。这种顺序阀利用其进油口压力控制，称为普通顺序阀（也称为内控式顺序阀），其图形符号如图9-14b所示。由于阀的出油口接压力油路，因此其上端弹簧处的泄油口必须另接一油管通油箱，这种连接方式称为外泄。

图9-14 顺序阀

a）直动式顺序阀 b）直动式顺序阀符号 c）先导式顺序阀符号

1—螺堵 2—下阀盖 3—控制活塞 4—阀体 5—阀芯 6—弹簧 7—上阀盖

若将下端盖2相对于阀体转过90°或180°，将螺堵1拆下，在该处接控制油管并通入控制油，则阀的启闭便由外供控制油控制。这时即成为先导式顺序阀，其图形符号如图9-14c所示。若再将上端盖7转过180°，使泄油口处的小孔a与阀体上的小孔b连通，将泄油口用螺堵1封住，并使顺序阀的出油口与油箱连通，则顺序阀就成为卸荷阀。其泄漏油可由阀的出油口流回油箱，这种连接方式称为内泄。

先导式顺序阀的结构原理与先导式溢流阀类似，其工作原理也基本相同。顺序阀与溢流阀的不同之处是：顺序阀的出油口通向系统的工作油路，而溢流阀出口接油箱；由于顺序阀进、出油口均为压力油，所以它的泄油口L必须单独外接油箱，否则将无法工作，而溢流阀的泄油可在内部连通回油口直接流回油箱。

顺序阀是液压系统中自动控制元件，其弹簧压力的调定应高于前一执行元件所需压力，但应低于溢流阀的调定压力。除作卸荷阀外，顺序阀的出油口必须接系统，推动负载进行工作，而泄油口一定要单独接回油箱，不能与出油口相通。

（3）减压阀 减压阀是利用油液流经缝隙产生压力降的原理，使得出口压力低于进口压力的压力控制阀，减压阀缝隙越小，压力损失越大，减压作用就越强。减压阀常用于要求某一支路压力低于主油路压力的场合，如控制、夹紧、润滑回路。

按其控制压力可分为：定值减压阀（出口压力为定值）、定比减压阀（进口和出口压力之比为定值）和定差减压阀（进口和出口压力之差为定值）。其中定值减压阀的应用最为广泛，简称减压阀，按其结构又有直动式和先导式之分，先导式减压阀性能较好，最为常用。这里仅介绍先导式定值减压阀。

对定值减压阀的性能要求是：出口压力保持恒定，且不受进口压力和流量变化的影响。

图9-15所示为先导式减压阀的结构原理及符号。压力为p₁的压力油从阀的进油口A流入，经过缝隙δ减压以后，压力降低为p₂，再从出油口B流出。当出口压力p₂大于调整压力时，锥阀就被顶开，主滑阀右端油腔中的部分压力便经锥阀开口及泄油孔Y流入油箱。由于主滑阀阀芯内部阻尼小孔R的作用，滑阀右端油腔中的油压降低，阀芯失去平衡而向右移动，因而缝隙δ减小，减压作用增强，使出口压力p₂降低至调整的数值。该数值还可以通过上部调压螺钉来调节。为使减压回路可靠地工作，减压阀的最高调定压力应比系统调定压力低一定的数值。

图9-15 减压阀

a）结构原理 b）先导式减压阀图形符号 c）直动式减压阀（二通式）图形符号

减压阀与溢流阀的主要区别：

1）减压阀利用出口油压与弹簧力平衡；而溢流阀则利用进口油压与弹簧力平衡。

2）减压阀的进、出油口均有压力，所以弹簧腔的泄油需要从外部单独接回油箱（称外部回油）；而溢流阀的泄油可沿内部通道经回油口流回油箱（称内部回油）。

3）非工作状态时，减压阀的阀口常开（为最大开口）；而溢流阀则是常闭的。

3.流量控制阀

流量控制阀在液压系统中，主要用来调节通过阀口的流量，以满足对执行元件运动速度的要求。流量控制阀均以节流单元为基础，利用改变阀口通流截面的大小或通流通道的长短来改变液阻（液阻即为小孔缝隙对液体流动产生的阻力），以达到调节通过阀口的流量的目的。常用的流量控制阀包括节流阀、调速阀及其与单向阀、行程阀组成的各种组合阀。

（1）节流阀 图9-16所示为普通节流阀。它的节流油口为轴向三角槽式（节流口除轴向三角槽式之外，还有偏心式、针阀式、周向缝隙式、轴向缝隙式等），压力油从进油口P₁流入，经阀芯左端的轴向三角槽后由出油口P₂流出。阀芯1在弹簧力的作用下始终紧贴在推杆2的端部。旋转手轮3，可使推杆沿轴向移动，改变节流口的通流截面积，从而调节通过阀的流量。

图9-16 节流阀

1—阀芯 2—推杆 3—手轮 4—弹簧

这种节流阀结构简单，制造容易，体积小，使用方便，但负载和温度的变化对流量稳定性的影响较大，故只适用于负载和温度变化不大或速度稳定性要求不高的场合。

（2）调速阀 调速阀与节流阀的不同之处是带有压力补偿装置，即由定差减压阀与节流阀串联而成的组合阀。由于定差减压阀的自动调节作用，可使节流阀前后压差保持恒定，从而在开口一定时使阀的流量基本不变，因此，调速阀具有调速和稳速的功能，常用于执行元件负载变化较大、运动速度稳定性要求较高的液压系统。其缺点为结构较复杂，压力损失较大。

图9-17a、b、c所示分别为调速阀的工作原理、图形符号和简化符号。图中定差减压阀1与节流阀2串联。若减压阀进口压力为p₁，出口压力为p₂，节流阀出口压力为p₃，则减压阀a、b腔油压为p₂，c腔油压为p₃。若减压阀a、b、c腔有效工作面积分别为A₁、A₂、A，则A＝A₁＋A₂，节流阀出口压力p₃由液压缸的负载决定。

当减压阀阀芯在其弹簧力F_S、油液压力p₂和p₃的作用下处于某一平衡位置时，则有p₂^A1＋p2A2＝p₃A＋F_S，即p₂-p₃＝F_S/A。由于弹簧刚度较低，且工作过程中减压阀阀芯位移很小，可以认为F_S基本不变，故节流阀两端的压差Δp＝p₂-p₃也基本保持不变。因此，当节流阀通流面积A_T不变时，由流量特性方程可知，通过它的流量q也基本不变。也就是说，无论负载如何变化，只要节流阀通流面积不变，液压缸的速度亦会保持基本恒定。例如，当负载增加使p₃增大的瞬间，减压阀右腔推力增大，其阀芯左移，阀口开大，阀口液阻减小，使p₂也增大，p₂与p₃的差值Δp基本不变；反之亦然。因此，调速阀适用于负载变化较大，对速度平稳性要求较高的系统。各类组合机床、车床、铣床等设备的液压系统常用调速阀调速。

图9-17 调速阀

1—减压阀 2—节流阀