第三章 液压马达解读

1、1 2 液压马达分类液压马达分类 ? 液压马达是将液体压力能转换为机械能的装置 ,输出转 矩和转速，是液压系统的执行元件。 ? 马达与泵在原理上有可逆性，但因用途不同结构上有些 差别：马达要求正反转，其结构具有对称性；而泵为了 保证其自吸性能，结构上采取了某些措施。 ? 马达的分类： n s500r/min 为高速液压马达：齿轮马达，叶片马达， 轴向柱塞马达 n s 500r/min 为低速液压马达：径向柱塞马达（单作 用连杆型径向柱塞马达，多作用内曲线径向柱塞马达） 3 输出参量 转矩 T 角速度 液压马达的符号 马达的输入参量 流量 Q 压力 p 单向定量 单向变量 双向定量 双向变量 4

2、 液压马达的特性参数液压马达的特性参数 ? 工作压力与额定压力 工作压力 p 大小取决于马达负载，马达进出口压力的 差值称为马达的压差 p。 额定压力 ps 能使马达连续正常运转的最高压力。 ? 流量与容积效率 输入马达的实际流量 qMqMtq 其中 qMt为理论流量，马达在没有泄漏时， 达到要求 转速所需进口流量。 容积效率Mv qMt / qM 1 q / qM 5 ? 排量与转速 排量V为MV等于1 时输出轴旋转一周所需油液体积。 转速 n qMt/ V qMMV / V ? 转矩与机械效率 实际输出转矩 TMTMt-T 理论输出转矩 TMtp VMm/ 2 机械效率MmTM/TMt ?

3、 功率与总效率 M P Mo/ PmiT 2n/ p qM MvM 式中 P Mo为马达输出功率，Pmi为马达输入功率。 6 齿轮马达 ? 结构特点 ? 进出油口相等，有 单独的泄油口； ? 为减少摩擦力矩， 采用滚动轴承； ? 为减少转矩脉动， 齿轮马达齿数较多。 ? 应用 由于密封性能差，容积效率较低，不能产生较 大的转矩，且瞬时转速和转矩随啮合点变化而变化，因 此仅用于高速小转矩的场合，如工程机械、农业机械及 对转矩均匀性要求不高的设备。 7 叶片马达叶片马达 ? 结构特点 ? 进出油口相等，有单独的 泄油口； ? 叶片径向放置，叶片底部 设置有燕式弹簧； ? 在高低压油腔通入叶片底 部

4、的通路上装有梭阀。 ? 应用 转动惯量小，反应灵敏，能适应较高频率的 换向。但泄漏大，低速时不够稳定。 适用于转矩小、 转速高、机械性能要求不严格 的场合。 8 轴向柱塞马达轴向柱塞马达 ? 结构特点 ? 轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是互逆的。 ? 配流盘为对称结构。 ? 应用 作变量马达。改变斜盘倾角，不仅影响马达的转 矩，而且影响它的转速和转向。斜盘倾角越大，产生的转 矩越大，转速越低。 9 低速大扭矩马达低速大扭矩马达 单作用连杆型径向柱塞马达单作用连杆型径向柱塞马达 10 ? 结构原理 呈五星状（或七星状） 的壳体内均匀分布着柱塞 缸。 柱塞与连杆铰接，连杆的另一端与曲轴偏心轮外 圆接触。

5、高压油进入部分柱塞缸头部，高压油作 用在柱塞上的作用力对曲轴旋转中心形成转矩。 另外部分柱塞缸与回油口相通。 曲轴为输出轴。 配流轴随曲轴同步旋转，各柱塞缸依次与高压进 油和低压回油相通（配流套不转），保证曲轴连 续旋转。 11 ? 排量公式 v =d 2e z / 2 d 为柱塞直径；e 为曲轴偏心距；z 为柱塞数。 ? 应用 结构简单，工作可靠 ，可以是壳体固定曲轴旋 转，也可以是曲轴固定壳体旋转（可驱动车轮 或卷筒），但体积重量较大，转矩脉动，低速 稳定性较差。 采用静压支承或静压平衡后 最低转速可达 3 r/min。 12 低速大扭矩马达低速大扭矩马达 多作用内曲线径向柱塞马达多作用内

6、曲线径向柱塞马达 13 ? 结构原理 壳体内环由x 个导轨曲 面组成，每个曲面分为 a、b两个区段； 缸体径向均布有z 个柱塞 孔，柱塞球面头部顶在 滚轮组横梁上，使之在 缸体径向槽内滑动 ； ? 柱塞、滚轮组组成柱塞组件， a段导轨对柱塞组件的 法向反力的切向分力对缸体产生转矩； ? 配流轴圆周均布2x 个配流窗口，其中x 个窗口对应于 a段，通高压油，x 个窗口对应于b段，通低压油（xz )； ? 输出轴 ，缸体与输出轴连成一体。 14 ? 排量公式 v =（d 2/4）sxyz s 为柱塞行程； x 为作用次数； y 为柱塞排数； z 为每排柱塞数 。 ? 应用 转矩脉动小，径向力平衡，

7、启 动转矩大，能在低速下稳定运转，普 遍用于工程、建筑、起重运输、煤矿、 船舶、农业等机械中。 15 液压泵的工作特点液压泵的工作特点 ?液压泵的吸油腔压力过低 将会产生吸油不足、 异常噪声，甚至无法工作。 ?液压泵的工作压力取决于外负载 ，为了防止 压力过高，泵的出口常常要采取限压措施。 ?变量泵可以通过调节排量来改变流量， 定量 泵只有用改变转速的办法来调节流量。 ?液压泵的流量脉动。 ?液压泵（齿轮泵） “困油现象”。 液压泵及液压马达的工作特点 16 液压马达的工作特点液压马达的工作特点 ?马达应能 正、反运转 ，因此，就要求液压马达在设 计时具有结构上的对称性。 ?当液压马达的 惯性

8、负载大、转速高 ，并要求 急速制 动或反转 时，会产生较高的 液压冲击 ，应在系统中设 置必要的安全阀或缓冲阀。 ?内部泄漏不可避免 ，因此将马达的排油口关闭而进 行制动时，仍会有 缓慢的滑转 ，所以，需要长时间精 确制动时，应另行设置 防止滑转的制动器（机械） 。 ?某些型式的液压马达必须在回油口具有足够的背压 才能保证正常工作。 17 液压缸液压缸 ? 液压缸与马达一样，也是将液压能转变为机械能的装置， 它将液压能转变为直线运动或摆动的机械能。 图形符号图形符号 18 液压缸 （油 缸）主要用于实 现机构的直线往 复运动，也可以 实现摆动，其结 构简单，工作可 靠，应用广泛。 ?液压缸的输

9、入量是液体的流量和压力， 输出量是速度和力。 p1 p2 F V d Q 21 ppp? A 液压缸 压力p 流量Q 液压功率 作用力F 速度V 机械功率 19 液压缸的类型及特点液压缸的类型及特点 液压缸的分类 按供油方向分：单作用缸和双作用缸。 按结构形式：活塞缸、柱塞缸、伸缩套筒缸、摆动液压缸。 按活塞杆形式分：单活塞杆缸、双活塞杆缸。 A F Q P v 单杆液压缸 A F Q P? v 双杆液压缸 A F Q P v 柱塞式液压缸 3.4摆动液压缸 D d 123 4 4 3 2 4 1 1 伸出 缩回 20 理想液压缸理想液压缸 A F Q P v 理想单杆液压缸 PQ=Fv A

10、F Q P? v 理想双杆液压缸 PQ=Fv F Q P v A 1 理想油缸 数学模型 A / ( ) A 单位位移排量 油缸有效工作面积油缸有效工作面积 _ A A Q v P F v F Q P ? ? ? P 21 活塞式液压缸 活塞式液压缸可分为 双杆式和单杆式 两种结构形式， 其安装又有缸筒固定和活塞杆固定 两种方式。 双杆活塞液压缸 双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体 固定和活塞杆固定两种安装形式，如图 3.1所示。 A F q v (a)缸筒固定式 1 P 2 P A F q v (b)活塞杆固定式 1 P 2 P 图3.1 双杆活塞液压缸 22 因为双活塞杆液压缸

11、的 两活塞杆直径相等，所以当输入 流量和油液压力不变时，其往返运动速度和推力相等。则 缸的运动速度V和推力F分别为： vv dD q A q v? ? ? )( 4 22 ? ? m ppdDF? ? )( 4 21 22 ? 式中: 、 1 p 2 p 分别为缸的进、回油压力；分别为缸的进、回油压力； v ? m ? 分别为缸的容积效率和机械效率； 、 D 、d 分别为活塞直径和活塞杆直径； q 输入流量； A活塞有效工作面积。 这种液压缸常用于要求往返运动速度相同 的场合。 A F q v 活塞杆固定式 1 P 2 P A F q v (a)缸筒固定式 1 P 2 P 23 单活塞杆液压缸

12、 单活塞杆液压缸的活塞 仅一端带有活塞杆，活 塞双向运动可以获得不同的速度和输出力，其简 图及油路连接方式如图 3.2所示。 2 A 1 F 1 v (a)无杆腔进油 1 P 2 P 1 A D d q 2 A 2 F (b)有杆腔进油 1 P 2 P 1 A 2 v q 图3.2 单杆活塞液压缸 24 无杆腔进油 vv D q A q v? ? ? 2 1 1 4 ? mm pdDpDApApF? ? ?)( 4 )( 2 22 1 2 22111 ? 1 v 1 F 活塞的运动速度 和推力 分别为: 2 A 1 F 1 v (a)无杆腔进油 1 P 2 P 1 A D d q 25 有杆腔

13、进油 活塞的运动速度 和推力 分别为: 2 v2 F 2 A 2 F (b)有杆腔进油 1 P 2 P 1 A 2 v q vv dD q A q v? ? ? )( 4 22 2 2 ? ? mm pDpdDApApF? ? ?) ( 4 )( 1 2 2 22 11222 ? 26 比较上述各式，可以看出： , ；液压缸 往复运动时的速度比为： 2 v 1 v 1 F 2 F 22 2 1 2 dD D v v ? ? 上式表明： 当活塞杆直径愈小时，速度比 接近1，在两个方向上的速度差值就愈小。 2 A 1 F 1 v (a)无杆腔进油 1 P 2 P 1 A D d q 2 A 2 F

14、 (b)有杆腔进油 1 P 2 P 1 A 2 v q 27 两腔进油, 差动联接 2 A 3 F (c)差动联接 1 P 1 A 3 v q 当单杆活塞缸两腔同时通入压力油 时，由于无杆腔有效 作用面积大于有杆腔的有效作用面积 ，使得活塞向右的作 用力大于向左的作用力，因此， 活塞向右运动，活塞杆向 外伸出； 与此同时，又将有杆腔的油液挤出，使其流进无杆腔， 从而加快了活塞杆的伸出速度，单活塞杆液压缸的这种连 接方式被称为差动连接。 P 28 两腔进油,差动联接 2 A 3 F (c)差动联接 1 P 1 A 3 v q vv d q AA q v? ? ? 2 21 3 4 ? ? ? v

15、m pdAApF? ? ? 1 2 2113 4 )(? 在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，差动连 接液压缸的推力为： 3 F 1 P 21 AA ? 3 v q 等效 活塞的运动速度为： P ？ 29 两腔进油,差动联接 2 A 3 F (c)差动联接 1 P 1 A 3 v q 3 F 1 P 21 AA ? 3 v q 等效 差动连接时,液压缸的有效作用面积是活塞杆的 横截面积，工作台运动速度比无杆腔进油时的大， 而输出力则较小。 差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件 下，实现快速运动的有效办法 。 P 30 差动液压缸计算举例差动液压缸计算举例 例：已知单活塞杆液压缸的缸筒内径

16、D=100mm ，活塞杆直径d=70mm ，进入液压 缸的流量q=25L/min ，压力P 1=2Mpa，P2=0。 液压缸的容积效率 和机械效率 分别为0.98 、 0.97，试求在图3.2(a)、(b)、(c)所示的三种工 况下，液压缸可推动的最大负载和运动速度 各是多少？并给出运动方向。 31 ? 解：在图3.2（a）中，液压缸无杆腔进压力油， 回油腔压力为零，因此，可推动的最大负载为： ? 液压缸向右运动，其运动速度为： )(1523797. 01021 . 0 44 62 1 2 1 NpDF m ? ? ? ? )/(052. 0 601 . 0 98. 0102544 2 3 2

17、 1 sm D q v v ? ? ? ? ? ? ? ? 2 A 1 F 1 v (a)无杆腔进油 1 P 2 P 1 A D d q 32 )(777197. 0102)07. 01 . 0( 4 )( 4 622 1 22 2 NpdDF m ? ? ? ? )/(102. 0 60)07. 01 . 0( 98. 010254 )( 4 22 3 22 2 sm dD q v m ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 在图3.2 （b）中，液压缸为有杆腔进压力油， 无杆腔回油压力为零，可推动的负载为： 液压缸向左运动，其运动速度为： 2 A 2 F (b)有杆腔进油 2 P 1 P

18、1 A 2 v q 33 ? 在图3.2（c）中，液压缸差动连接，可推动的负 载力为： ? 液压缸向右运动， 其运动速度为： )(6466097. 010207. 0 44 62 1 2 3 NpdF m ? ? ? ? )/(106. 0 6007. 0 98. 0102544 2 3 2 3 sm d q v v ? ? ? ? ? ? ? ? 2 A 3 F (c)差动联接 1 P 1 A 3 v q 3 F 1 P 21 AA ? 3 v q 等效 34 柱塞式液压缸柱塞式液压缸 当活塞式液压缸行程较长时，加工难度大,使得制 造成本增加。 柱塞 p q 缸筒 A 图3.3柱塞式液压缸

19、某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式 液压缸正是满足了这种使用要求的一种 价格低廉的 液压缸。 2 A 2 F (b)有杆腔进油 2 P 1 P 1 A 2 v q 35 如图3.3 所示，柱塞缸由 缸筒、柱塞、 导套、密封圈和压盖 等零件组成， 柱塞和 缸筒内壁不接触 ，因此缸筒内孔不需精加 工，工艺性好，成本低。 柱塞 p q 缸筒 A （a） 图3.3柱塞式液压缸 36 柱塞式 液压缸 是单作 用的，它的回程需要借助 自重或弹簧等其它 外力来 完成。 如果 要获得 双向运动 ， 可将两柱塞液压缸成对使 用。为减轻柱塞的重量， 有时制成空心柱塞。 图3.3柱塞式液压缸 Q Q V

20、d d 2 4 d Q V ? ? 2 21 4 )(dppF ? ? 式中：d柱塞直径，p1进油压力，p2另一缸的回油压力。 p1 p2 柱塞 p q 缸筒 A （a） 图3.3柱塞式液 压缸 37 摆动式液压缸 3.4摆动液压缸 D d 123 4 4 3 2 4 1 1 摆动液压缸能实现小于360角度的往复摆动运动， 由于它可直接输出扭矩，故又称为摆动液压马达，主 要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。 38 图3.4摆动液压缸 D d 123 4 4 3 2 4 1 1 单叶片摆动液压缸主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、 叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。定子块 固定在缸体上，

21、叶片和摆动轴固连在一起，当两油口相继 通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复摆动。 39 图3.4摆动液压缸 D d 123 4 4 3 2 4 1 1 当考虑到机械效率时， 单叶片缸的摆动轴输出转矩 为 p1 p2 m ppdD b T?)( 8 21 22 ? D 缸体内孔直径； d 摆动轴直径； b 叶片宽度； 40 图3.4摆动液压缸 D d 1 2 3 4 4 3 2 4 1 1 q 根据能量守恒原理,结合转矩公式得输出 角速度为 D 缸体内孔直径； d 摆动轴直径； b 叶片宽度； )( 8 22 dDb q v ? ? ? ? 41 D d 123 4 4 3 2 4 1 1 q

22、单叶片摆动液压缸的摆角一般不超过280 o ，双 叶片摆动液压缸的摆角一般不超过150 o 。 当输入压力和流量不变时，双叶片摆动液压缸摆 动轴输出转矩是相同参数单叶片摆动缸的两倍，而 摆 动角速度则是单叶片的一半。 42 D d 123 4 4 3 2 4 1 1 q 摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困难， 一般只用于中、低压系统 中往复摆动，转位或间 歇运动的地方。 常用于辅助运动 ，例如送料和转位装置、液压 机械手以及间歇进给机构。 43 44 缸体 伸缩式液压缸伸缩式液压缸 伸出 缩回 套筒活塞 活塞 伸缩式单作用缸 45 伸出 缩回 伸缩式液压缸的特点 是：活塞杆伸出的行 程长，收

23、缩后的结构尺寸小，适用于翻斗汽 车，起重机的伸缩臂等。 46 47 伸缩式双作用缸 伸出 B A 二级活塞 缸体两端有进、出油口 A和B。当A口进油， B口回油时，先推动一级活塞向右运动。一级活 塞右行至终点时， 二级活塞 在压力油的作用下 继续向右运动。 48 缩回 B A 二级活塞 当B口进油， A口回油时 ，先推动 二级活塞 向左 运动。二级活塞左行至终点时，一级活塞 在压力油 的作用下继续向左运动。 49 齿条活塞缸齿条活塞缸 齿条活塞缸由带有齿条杆的双作用活塞缸和齿轮齿条机 构组成，活塞往复移动经齿条、齿轮机构变成齿轮轴往复 转动。 图3.6齿条活塞液压缸的结构图 1 紧固螺帽；2

24、调节螺钉；3 端盖；4 垫圈； 5 O形密封圈；6 挡圈；7 缸套；8 齿条活塞； 9 齿轮；l0 传动轴；11 缸体；12 螺钉 q 50 增 压 缸 ? 增压比为大活塞与小柱塞的面积比 KD 2/d 2 小柱塞缸输出的压力 pb paK m ? 增压能力是在降低有效流量的基础上得到的。 ? 应用：增压缸作为中间环节，用在 低压系统要求 有局部高压油路的场合。 ? 增压缸是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸，但它不 是能量转换装置，只是一个增压器件。 51 增速缸 应用：增速缸用于快速运动回路，在不增加泵的流量的 前提下，使执行元件 获得尽可能大的工作速度。 ? 增速缸也是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸

25、，活塞缸的活 塞内腔是柱塞缸的缸筒，柱塞固定在活塞缸的缸筒上。 ?当液压油进入柱塞缸时，活塞将快速运动（活塞缸大腔 必须补油）；当液压油同时进入柱塞缸和活塞缸 时，活塞 慢速运动。 52 液压缸的结构 图 3.9 双作用单活塞杆液压缸结构图 l 缸底；2 卡键；3、5、9、11 密封圈；4 活塞； 6 缸筒；7 活塞杆；8 导向套；10 缸盖； 12 防尘圈；13 耳轴 ? 主要包括缸体组件、活塞组件、密封装置、缓 冲装置和排气装置等。 53 图 3.9 双作用单活塞杆液压缸结构图 l 缸底；2 卡键；3、5、9、11 密封圈；4 活塞； 6 缸筒；7 活塞杆；8 导向套；10 缸盖； 12

26、防尘圈；13 耳轴 单活塞杆液压缸主要由 缸底1、缸筒6、缸盖10、活塞 4、活塞杆7和导向套8等组成。缸筒一端与缸底焊接，另 一端与缸盖采用 螺纹连接。活塞与活塞杆采用 卡键连接。 为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位设置了密封圈3、 5、9、11和防尘圈12。 54 缓冲装置 为了防止这种危害，保证安全，应采取 缓冲措施， 对液压缸运动速度进行控制。 当液压缸带动质量较大的部件作快速往复运动时， 由于运动部件具有很大的动能，因此当 活塞运动到液 压缸终端时，会与端盖碰撞，而产生冲击和噪声。这 种机械冲击不仅引起液压缸的有关部分的损坏，而且 会引起其它相关机械的损伤。 55 缓冲装置缓冲装置 图3.13 液压缸缓冲装置 56 当活塞移至端部， 缓冲柱塞 开始插入缸端的 缓冲孔时， 活塞与缸端之间形成封闭空间，该腔中 受困挤的剩余油液 只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝 中挤出， 从而造成背压迫使运动柱塞 降速制动，实现缓冲。 57 排气装置