液壓馬達(dá)的工作原理

1、液壓馬達(dá)工作原理一、液壓馬達(dá)的特點(diǎn)及分類液壓馬達(dá)是把液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置， 從原理上講， 液壓泵可以作液壓馬達(dá) 用，液壓馬達(dá)也可作液壓泵用。 但事實(shí)上同類型的液壓泵和液壓馬達(dá)雖然在結(jié)構(gòu)上相似， 但 由于兩者的工作情況不同，使得兩者在結(jié)構(gòu)上也有某些差異。例如：1. 液壓馬達(dá)一般需要正反轉(zhuǎn)， 所以在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有對(duì)稱性， 而液壓泵一般是單方向 旋轉(zhuǎn)的，沒有這一要求。2. 為了減小吸油阻力， 減小徑向力， 一般液壓泵的吸油口比出油口的尺寸大。 而液壓馬 達(dá)低壓腔的壓力稍高于大氣壓力，所以沒有上述要求。3. 液壓馬達(dá)要求能在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常工作，因此，應(yīng)采用液動(dòng)軸承或靜壓軸承。 因?yàn)楫?dāng)

2、馬達(dá)速度很低時(shí)，若采用動(dòng)壓軸承，就不易形成潤(rùn)滑滑膜。4. 葉片泵依靠葉片跟轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力使葉片始終貼緊定子的內(nèi)表面， 起封油作用，形成工作容積。若將其當(dāng)馬達(dá)用，必須在液壓馬達(dá)的葉片根部裝上彈簧， 以保 證葉片始終貼緊定子內(nèi)表面，以便馬達(dá)能正常起動(dòng)。5. 液壓泵在結(jié)構(gòu)上需保證具有自吸能力，而液壓馬達(dá)就沒有這一要求。6. 液壓馬達(dá)必須具有較大的起動(dòng)扭矩。 所謂起動(dòng)扭矩， 就是馬達(dá)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)， 馬 達(dá)軸上所能輸出的扭矩，該扭矩通常大于在同一工作壓差時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)下的扭矩，所以， 為了使起動(dòng)扭矩盡可能接近工作狀態(tài)下的扭矩，要求馬達(dá)扭矩的脈動(dòng)小，內(nèi)部摩擦小。由于液壓馬達(dá)與液壓泵具有

3、上述不同的特點(diǎn)， 使得很多類型的液壓馬達(dá)和液壓泵不能互 逆使用。液壓馬達(dá)按其額定轉(zhuǎn)速分為高速和低速兩大類，額定轉(zhuǎn)速高于 500r/min 的屬于高速液 壓馬達(dá)，額定轉(zhuǎn)速低于 500r/min 的屬于低速液壓馬達(dá)。 高速液壓馬達(dá)的基本型式有齒輪式、 螺桿式、 葉片式和軸向柱塞式等。 它們的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn) 速較高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，便于啟動(dòng)和制動(dòng)， 調(diào)速和換向的靈敏度高。 通常高速液壓馬達(dá)的輸出 轉(zhuǎn)矩不大（僅幾十牛米到幾百牛米 ），所以又稱為高速小轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。高速液壓馬達(dá)的基本型式是徑向柱塞式， 例如單作用曲軸連桿式、 液壓平衡式和多作用 內(nèi)曲線式等。 此外在軸向柱塞式、 葉片式和齒輪式中也有低速的結(jié)構(gòu)

4、型式。 低速液壓馬達(dá)的 主要特點(diǎn)是排量大、 體積大、 轉(zhuǎn)速低 （ 有時(shí)可達(dá)每分種幾轉(zhuǎn)甚至零點(diǎn)幾轉(zhuǎn) ） ，因此可直接與工 作機(jī)構(gòu)連接，不需要減速裝置，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，通常低速液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩較大（ 可達(dá)幾千牛頓米到幾萬牛頓米 ），所以又稱為低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。液壓馬達(dá)也可按其結(jié)構(gòu)類型來分，可以分為齒輪式、葉片式、柱塞式和其他型式。、液壓馬達(dá)的性能參數(shù)液壓馬達(dá)的性能參數(shù)很多。下面是液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)：1. 排量、流量和容積效率 習(xí)慣上將馬達(dá)的軸每轉(zhuǎn)一周，按幾何尺寸計(jì)算所進(jìn)入的液體 容積，稱為馬達(dá)的排量 V,有時(shí)稱之為幾何排量、理論排量，即不考慮泄漏損失時(shí)的排量。液壓馬達(dá)的排量表示出其工作容

5、腔的大小， 它是一個(gè)重要的參數(shù)。 因?yàn)橐簤厚R達(dá)在工作 中輸出的轉(zhuǎn)矩大小是由負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定的。 但是, 推動(dòng)同樣大小的負(fù)載, 工作容腔大的馬達(dá)的 壓力要低于工作容腔小的馬達(dá)的壓力, 所以說工作容腔的大小是液壓馬達(dá)工作能力的主要標(biāo) 志,也就是說,排量的大小是液壓馬達(dá)工作能力的重要標(biāo)志。根據(jù)液壓動(dòng)力元件的工作原理可知，馬達(dá)轉(zhuǎn)速n、理論流量qi與排量V之間具有下列關(guān)系q i =nV(4-1)式中：qi為理論流量(m/s);n 為轉(zhuǎn)速(r/min) ; V為排量(m/s)。為了滿足轉(zhuǎn)速要求，馬達(dá)實(shí)際輸入流量 q 大于理論輸入流量，則有：q= q i + A q(4-2)式中： q為泄漏流量。n v=qi/

6、q=1/ (1 + A q/ qj(4-3)所以得實(shí)際流量q=qi/n v(4-4)2. 液壓馬達(dá)輸出的理論轉(zhuǎn)矩 根據(jù)排量的大小，可以計(jì)算在給定壓力下液壓馬達(dá)所能輸出的轉(zhuǎn)矩的大小， 也可以計(jì)算在給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下馬達(dá)的工作壓力的大小。 當(dāng)液壓馬達(dá)進(jìn)、 出油口之間的壓力差為AP,輸入液壓馬達(dá)的流量為q,液壓馬達(dá)輸出的理論轉(zhuǎn)矩為Tt，角速度為3,如果不計(jì)損失，液壓馬達(dá)輸入的液壓功率應(yīng)當(dāng)全部轉(zhuǎn)化為液壓馬達(dá)輸出的機(jī)械 功率,即：A Pq=Tt3(4-5)又因?yàn)? =2n n,所以液壓馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)矩為：T=A P- V/2 n(4-6)式中：A P為馬達(dá)進(jìn)出口之間的壓力差。3. 液壓馬達(dá)的機(jī)械效率 由于液

7、壓馬達(dá)內(nèi)部不可避免地存在各種摩擦,實(shí)際輸出的轉(zhuǎn) 矩 T 總要比理論轉(zhuǎn)矩 Tt 小些,即：T=Ttn m(4-7)式中：n m為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率()。4. 液壓馬達(dá)的啟動(dòng)機(jī)械效率nm液壓馬達(dá)的啟動(dòng)機(jī)械效率是指液壓馬達(dá)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，馬達(dá)實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩T。與它在同一工作壓差時(shí)的理論轉(zhuǎn)矩Tt之比。即：n m0=T/Tt(4-8)液壓馬達(dá)的啟動(dòng)機(jī)械效率表示出其啟動(dòng)性能的指標(biāo)。 因?yàn)樵谕瑯拥膲毫ο? 液壓馬達(dá)由 靜止到開始轉(zhuǎn)動(dòng)的啟動(dòng)狀態(tài)的輸出轉(zhuǎn)矩要比運(yùn)轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)矩大,這給液壓馬達(dá)帶載啟動(dòng)造成了困難,所以啟動(dòng)性能對(duì)液壓馬達(dá)是非常重要的, 啟動(dòng)機(jī)械效率正好能反映其啟動(dòng)性能的高低。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低的原因, 一方

8、面是在靜止?fàn)顟B(tài)下的摩擦因數(shù)最大, 在摩擦表面出現(xiàn)相對(duì)滑 動(dòng)后摩擦因數(shù)明顯減小, 另一方面也是最主要的方面是因?yàn)橐簤厚R達(dá)靜止?fàn)顟B(tài)潤(rùn)滑油膜被擠 掉,基本上變成了干摩擦。一旦馬達(dá)開始運(yùn)動(dòng),隨著潤(rùn)滑油膜的建立,摩擦阻力立即下降, 并隨滑動(dòng)速度增大和油膜變厚而減小。實(shí)際工作中都希望啟動(dòng)性能好一些, 即希望啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)機(jī)械效率大一些。 現(xiàn)將不同 結(jié)構(gòu)形式的液壓馬達(dá)的啟動(dòng)機(jī)械效率nmo的大致數(shù)值列入表4-1中。液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)形式啟動(dòng)機(jī)械效率n m(/%齒輪馬達(dá)老結(jié)構(gòu)0.60 “7.80新結(jié)構(gòu)0.85 “7.88葉片馬達(dá)高速小扭矩型0.75 “7.85軸向柱塞馬達(dá)滑履式0.80 “-0.90非滑履式0.82

9、 “7.92曲軸連桿馬達(dá)老結(jié)構(gòu)0.80 “-0.85新結(jié)構(gòu)0.83 “-0.90靜壓平衡馬達(dá)老結(jié)構(gòu)0.80 “-0.85新結(jié)構(gòu)0.83 “-0.90多作用內(nèi)曲線馬達(dá)由橫梁的滑動(dòng)摩擦副傳遞切 向力0.90 “-0.94傳遞切向力的部位具有滾動(dòng) 副0.95 “-0.98由表4-1可知，多作用內(nèi)曲線馬達(dá)的啟動(dòng)性能最好，軸向柱塞馬達(dá)、曲軸連桿馬達(dá)和 靜壓平衡馬達(dá)居中，葉片馬達(dá)較差，而齒輪馬達(dá)最差。5. 液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速取決于供液的流量和液壓馬達(dá)本身的排量V,可用下式計(jì)算：n t=qi/V(4-9)式中：nt為理論轉(zhuǎn)速(r/min)。由于液壓馬達(dá)內(nèi)部有泄漏，并不是所有進(jìn)入馬達(dá)的液體都推動(dòng)液壓

10、馬達(dá)做功，一小部分因泄漏損失掉了。所以液壓馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要比理論轉(zhuǎn)速低一些。n=ntv(4-10)式中：n為液壓馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(r/min) ； n v為液壓馬達(dá)的容積效率()。6. 最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是指液壓馬達(dá)在額定負(fù)載下，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象的最低轉(zhuǎn)速。所謂爬行現(xiàn)象，就是當(dāng)液壓馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速過低時(shí)，往往保持不了均勻的速度，進(jìn)入時(shí)動(dòng)時(shí)停的不穩(wěn)定狀態(tài)。液壓馬達(dá)在低速時(shí)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象的原因是：(1)摩擦力的大小不穩(wěn)定。通常的摩擦力是隨速度增大而增加的，而對(duì)靜止和低速區(qū)域工作的馬達(dá)內(nèi)部的摩擦阻力，當(dāng)工作速度增大時(shí)非但不增加，反而減少，形成了所謂“負(fù)特性”的阻力。另一方面，液壓馬達(dá)和負(fù)載是由液壓油被壓

11、縮 后壓力升高而被推動(dòng)的，因此，可用圖4-1(a)所示的物理模型表示低速區(qū)域液壓馬達(dá)的工作過程：以勻速 vo推彈簧的一端(相當(dāng)于高壓下不可壓縮的工作介 質(zhì))，使質(zhì)量為m的物體(相當(dāng)于馬達(dá)和負(fù)載質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)克服“負(fù)特性”的摩擦阻力而運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物體靜止或速度很低時(shí)阻力大，彈簧不斷壓縮，增加推力。只有等到彈簧壓縮到其推力大于靜摩擦力時(shí)才開始運(yùn)動(dòng)。一旦物體開始運(yùn)動(dòng)， 阻力突然減小，物體突然加速躍動(dòng)， 其結(jié)果又使彈簧的壓縮量減少，推力減小，物體依靠慣性前移一段路程后停止下來，直到彈簧的移動(dòng)又使彈簧壓縮，推力 增加，物體就再一次躍動(dòng)為止，形成如圖4-1(b)所示的時(shí)動(dòng)時(shí)停的狀態(tài)，對(duì)液壓馬達(dá)來說，這就是爬

12、行現(xiàn)象。I*圖4-1液壓馬達(dá)爬行的物理模型(2)泄漏量大小不穩(wěn)定。液壓馬達(dá)的泄漏量不是每個(gè)瞬間都相同，它也隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的相位角度變化作周期性波 動(dòng)。由于低速時(shí)進(jìn)入馬達(dá)的流量小，泄漏所占的比重就增大，泄漏量的不穩(wěn)定就會(huì)明顯地影響到參與馬達(dá)工作的流量數(shù)值，從而造成轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。當(dāng)馬達(dá)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分及所帶的負(fù)載表現(xiàn)出的慣性較小，上述影響比較明顯，因而出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。實(shí)際工作中，一般都期望最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越小越好。7. 最高使用轉(zhuǎn)速液壓馬達(dá)的最高使用轉(zhuǎn)速主要受使用壽命和機(jī)械效率的限制，轉(zhuǎn)速提高后，各運(yùn)動(dòng)副的磨損加劇，使用壽命降低，轉(zhuǎn)速高則液壓馬達(dá)需要輸入的流量就大，因此各 過流部分的流速相應(yīng)增大，壓力

13、損失也隨之增加，從而使機(jī)械效率降低。對(duì)某些液壓馬達(dá)，轉(zhuǎn)速的提高還受到背壓的限制。例如曲軸連桿式液壓馬達(dá)，轉(zhuǎn)速提高時(shí)， 回油背壓必須顯著增大才能保證連桿不會(huì)撞擊曲軸表面，從而避免了撞擊現(xiàn)象。隨著轉(zhuǎn)速的提高，回油腔所需的背壓值也應(yīng)隨之提高。但過分的提高背壓，會(huì)使液壓馬達(dá)的效率明顯下降。為了使馬達(dá)的效率不致過低，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速不應(yīng)太高。8. 調(diào)速范圍液壓馬達(dá)的調(diào)速范圍用最高使用轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之比表示，即：i=n max/n min(4-11)三、液壓馬達(dá)的工作原理F面對(duì)葉片馬達(dá)、軸向柱塞馬達(dá)和擺常用的液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)與同類型的液壓泵很相似, 動(dòng)馬達(dá)的工作原理作一介紹。1. 葉片馬達(dá)圖4-2所示為葉片液

14、壓馬達(dá)的工作原理圖。圖4-2葉片馬達(dá)的工作原理圖17葉片當(dāng)壓力為p的油液從進(jìn)油口進(jìn)入葉片1和3之間時(shí)，葉片2因兩面均受液壓油的作用所以不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。葉片 1、3上，一面作用有壓力油，另一面為低壓油。由于葉片3伸出的面積大于葉片1伸出的面積，因此作用于葉片3上的總液壓力大于作用于葉片1上的總液壓力， 于是壓力差使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生順時(shí)針的轉(zhuǎn)矩。同樣道理，壓力油進(jìn)入葉片 5 和 7 之間時(shí)，葉片 7 伸出的面積大于葉片 5 伸出的面積， 也產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)矩。 這樣， 就把油液的壓力能轉(zhuǎn)變成了 機(jī)械能，這就是葉片馬達(dá)的工作原理。當(dāng)輸油方向改變時(shí)，液壓馬達(dá)就反轉(zhuǎn)。當(dāng)定子的長(zhǎng)短徑差值越大，轉(zhuǎn)子的直徑越大，以及輸入的壓

15、力越高時(shí)，葉片馬達(dá)輸出的 轉(zhuǎn)矩也越大。在圖4-2中，葉片2、4、6、8兩側(cè)的壓力相等，無轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。葉片3、7產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為T,方向?yàn)轫槙r(shí)針方向。假設(shè)馬達(dá)出口壓力為零，則：久 2(尺 r)BP?(R BR2 R22) p2(4-12)式中：B為葉片寬度；Ri為定子長(zhǎng)半徑；r為轉(zhuǎn)子半徑；p為馬達(dá)的進(jìn)口壓力。 葉片1、5產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為T2，方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，則：(4-13)其輸出轉(zhuǎn)矩T決定于輸入油的2 2 T Ti T2 B( RiR2 ) p由式(4-12)、式(4-13)看出，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸已確定的葉片馬達(dá)， 壓力。由葉片泵的理論流量 qi的公式：2 2qi =2 n Bn(R1 -R2)2 2(4-1

16、4)得：n=qi/2 n B(R1 -R2)式中：q為液壓馬達(dá)的理論流量，q=qn v； q為液壓馬達(dá)的實(shí)際流量，即進(jìn)口流量。由式(4-14)看出，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸已確定的葉片馬達(dá)，其輸出轉(zhuǎn)速n決定于輸入油的流量。葉片馬達(dá)的體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，因此動(dòng)作靈敏，可適應(yīng)的換向頻率較高。但泄漏較大, 不能在很低的轉(zhuǎn)速下工作，因此，葉片馬達(dá)一般用于轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小和動(dòng)作靈敏的場(chǎng)合。2. 軸向柱塞馬達(dá)軸向柱塞馬達(dá)的結(jié)構(gòu)形式基本上與軸向柱塞泵一樣，故其種類與軸向柱塞泵相同，也分為直軸式軸向柱塞馬達(dá)和斜軸式軸向柱塞馬達(dá)兩類。軸向柱塞馬達(dá)的工作原理如圖4-3所示。圖4-3斜盤式軸向柱塞馬達(dá)的工作原理圖當(dāng)壓力油進(jìn)入液壓馬

17、達(dá)的高壓腔之后，工作柱塞便受到油壓作用力為pA(p為油壓力，A為柱塞面積)，通過滑靴壓向斜盤, 與柱塞所受液壓力平衡；另一分力其反作用為N。N力分解成兩個(gè)分力， 沿柱塞軸向分力p, F,與柱塞軸線垂直向上，它與缸體中心線的距離為r ,這個(gè)力便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的力矩。F力的大小為:式中：丫為斜盤的傾斜角度( )。這個(gè)F力使缸體產(chǎn)生扭矩的大小,F=pAta n 丫由柱塞在壓油區(qū)所處的位置而定。設(shè)有一柱塞與缸體的垂直中心線成 $角，則該柱塞使缸體產(chǎn)生的扭矩T為:T=Fr=FRsin =pARta門丫 sin $(4-15)式中：R為柱塞在缸體中的分布圓半徑(m)。隨著角度$的變化，柱塞產(chǎn)生的扭矩也跟

18、著變化。整個(gè)液壓馬達(dá)能產(chǎn)生的總扭矩，是所有處于壓力油區(qū)的柱塞產(chǎn)生的扭矩之和，因此，總扭矩也是脈動(dòng)的， 當(dāng)柱塞的數(shù)目較多且為單數(shù)時(shí)，脈動(dòng)較小。液壓馬達(dá)的實(shí)際輸出的總扭矩可用下式計(jì)算：T=n m -A pV/2 n(4-16)式中： p為液壓馬達(dá)進(jìn)出口油液壓力差 (N/m2) ; V為液壓馬達(dá)理論排量(m3/r) ; n m為液壓 馬達(dá)機(jī)械效率。從式中可看出，當(dāng)輸入液壓馬達(dá)的油液壓力一定時(shí)，液壓馬達(dá)的輸出扭矩僅和每轉(zhuǎn)排量有關(guān)。因此，提高液壓馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量，可以增加液壓馬達(dá)的輸出扭矩。一般來說，軸向柱塞馬達(dá)都是高速馬達(dá)，輸出扭矩小，因此，必須通過減速器來帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)。如果我們能使液壓馬達(dá)的排量顯著增大，也就可以使軸向柱塞馬達(dá)做成低速大扭矩馬達(dá)。1.1.擺動(dòng)馬達(dá) 擺動(dòng)液壓馬達(dá)的工作原理見圖4-4。圖4-4擺動(dòng)缸擺動(dòng)液壓馬達(dá)的工作原理圖圖4-4(a)是單葉片擺動(dòng)馬達(dá)。若從油口 I通入高壓油，葉片2作逆時(shí)針擺動(dòng)，低壓力從油口H排出。因葉片與輸出軸連在一起，幫輸出軸擺動(dòng)同時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩、克服負(fù)載。此類擺動(dòng)馬達(dá)的工作壓力小于10MPa擺動(dòng)角度小于280。由于徑向力不平衡，葉