1.2 液压传动的工作原理
1.2.1 液压传动模型
在机械传动中，人们利用各种机械构件来传递力和运动，如杠杆、凸轮，轴、齿轮和皮带等。在液压传动中，则利用没有固定形状但具有确定体积的液体来传递力和运动。图1.1所示为一个简化的液压传动模型。图中有两个直径不同的液压缸2和4，缸内各有一个与内壁紧密配合的活塞1和5。假设活塞能在缸内自由（无摩擦力）滑动，而液体不会通过配合面产生泄漏。缸2、4下腔用一管道3连通，其中充满液体。这些液体是密封在缸内壁、活塞和管道组成的容积中的。如果活塞5上有重力为W的重物，则当在活塞1上施加的力F达到一定大小时，就能阻止重物下降，这就是说可以利用密封容积中的液体传递力。当活塞1在力F作用下向下运动时，重物将随之上升，这说明密封容积中的液体不但可传递力，还可传递运动。所以，液体是一种传动介质，但必须强调指出，液体必须在封闭的容器中才能起到传动的作用。这里，我们可以回想一下中学所学过的帕斯卡定律：加在密闭液体上的压强，能够大小不变地由液体向各个方向传递。
图1.1 简化的液压传动模型
1—小活塞；2—小液压缸；3—管道；4—大液压缸；5—大活塞
1.2.2 力比、速比及功率关系
设图1.1中活塞1、5的面积分别为A1、A2，当作用在大活塞5的负载为W、作用在小活塞1的作用力为F时，根据帕斯卡原理，即“在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将同时以等值传递到液体内各点”。设缸内压力为p，运动摩擦力忽略不计，则有
或
式中 A1、A2——分别为小活塞和大活塞的作用面积；
F——作用在小活塞上的力；
W——作用在大活塞上的负载。
如果不考虑液体的可压缩性、泄漏损失和缸体、油管的变形，设h1为小活塞1的下降距离，h2为大活塞5的上升距离，则被小活塞压出的液体的体积必然等于大活塞向上升起后大缸扩大的体积，即
将式（1.3）两端同除以活塞移动的时间t，得
的物理意义是单位时间内，液体流过截面积为A的体积，称为流量q，即
因此，得 q=A1.v1=A2.v2，即
式中 v1、v2——分别为小活塞和大活塞的运动速度。
使负载W上升所需的功率为
式中，p的单位为Pa（N/m）；q的单位为m3/s；P的单位为W（N.m/s）。
由此可见，压力p和流量q是液压传动中最基本、最重要的两个参数，它们相当于机械传动中的力和速度，它们的乘积即为功率，可称为液压功率。
由于计算时功率P的常用单位为kW，而压力p的常用单位为MPa，流量q的常用单位为L/min，所以还必须进行单位换算。经换算可得
从以上分析可知，液压传动是以液体的压力能来传递动力的。
液体的压力是指液体在单位面积上所受的作用力，确切地说应该是压力强度（或压强），工程上习惯称为压力，单位为Pa（N/m2）。
1.2.3 压力与负载的关系
在如图1.1所示的液压传动模型中，只有大活塞上有了负载W，小活塞上才能施加上作用力F，而有了负载和作用力，才产生液体压力p。有了负载，液体才会有压力，并且压力大小取决于负载，而与流入的流体多少无关。这是一个很重要的关系。这在后面分析液压传动系统中元件和系统的工作原理时经常要用到它。实际上，液压传动中液体的压力相当于机械传动中机械构件的应力。机械构件的应力是取决于负载的，同样液体的压力也是取决于负载的。机械构件在传动时可以承受拉、压、弯、剪等各种应力，而液压传动中液体只能承受压力，这是二者的重要区别。
1.2.4 速度与流量的关系
同样在如图1.1所示的模型中，我们调节进入缸体的流量q，即可调节活塞的运动速度v，这就是液压传动能实现无级调速的基本原理，即活塞的运动速度（马达的转速）取决于进入液压缸（马达）的流量，而与液体压力大小无关。
压力与负载的关系及速度与流量的关系将在本门课程的学习和应用中贯穿始终，必须熟练掌握运用。
实例1 液压千斤顶的工作原理
液压千斤顶常用于顶升重物，其工作原理如图1.2所示。实际上它是在如图1.1所示的模型上进一步完善而成的。当用手向下压杠杆1时，小活塞3使小缸2下腔油液经管道6、阀7进入大缸9，大活塞8上升，顶起重物，适当选择大、小活塞的直径和杠杆比，就可以用人力顶起很重的重物。
这在实用中还需要解决两个问题：①在杠杆上没有作用力时，防止负载在自重作用下下降；②负载要有足够的提升高度。为此，增加了两个只允许油液单向流动的单向阀4、7。单向阀7的存在，使得在向上提升小活塞3时，防止大缸9中油液经管道6流回小缸2，这就解决了上述第1个问题。在提升小活塞3时，油箱12内的油液可经吸油管5、单向阀4进入小缸2；而向下压小活塞3时，小缸2内油液则经管道6、单向阀7进入大缸9，使大活塞8上升。反复使小活塞上下运动，大活塞就持续上升，其上升距离只受到大活塞行程的限制。这样，第2个问题也得到解决。随之产生另一个问题，即由大缸、管道和小缸组成的密封容积在变化，一开始所讲的液压传动基本工作原理是否适用？实际上，我们如果只考虑小活塞下压及大活塞上升的过程，密封容积中油液体积还是保持不变的，对系统工作原理不产生影响。图1.2中还有一个放油阀门11。在千斤顶工作时，它是关闭的；当结束工作后，打开放油阀门11，大活塞下部的油液在自重作用下流回油箱，千斤顶处于复位状态。
图1.2 液压千斤顶的工作原理
1—杠杆；2—小液压缸；3—小活塞；4、7—单向阀；5、6、10—管道；8—大活塞；9—大液压缸；11—放油阀门；12—油箱
小缸、小活塞及单向阀4、7组合在一起，就可不断从油箱吸油和将油液压入大缸，我们把这个组合体称为液压泵。液压泵的作用是提供一定流量的压力油液。大活塞和大缸用于带动负载，使之获得所需运动，我们称它为执行元件，而放油阀门的启闭决定执行元件是否向下运动，它是一个方向控制阀。