第三章液壓馬達與液壓缸

第三章液壓馬達與液壓缸.第一頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達液壓馬達的概述高速液壓馬達齒輪馬達葉片馬達軸向柱塞馬達低速液壓馬達單作用連桿型徑向柱塞馬達多作用內(nèi)曲線徑向柱塞馬達第二頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述液壓馬達的工作原理液壓馬達的特性參數(shù)液壓馬達圖形符號液壓馬達的分類和選用第三頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述液壓馬達的工作原理液壓馬達是實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行元件，從原理上講，向容積式泵中輸入壓力油，使其軸轉(zhuǎn)動，就成為液壓馬達，即容積式泵都可作液壓馬達使用。同類型的液壓泵和液壓馬達雖然在結(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，一般情況下不能由于液壓馬達與液壓泵具有上述不同的特點，使得很多類型的液壓馬達和液壓泵不能互逆使用。第四頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述葉片液壓馬達的工作原理當壓力為p的油液從進油口進入葉片1和3之間時，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)生順時針的轉(zhuǎn)矩。同樣道理，壓力油進入葉片5和7之間時，葉片7伸出的面積大于葉片5伸出的面積，也產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)矩。這樣，就把油液的壓力能轉(zhuǎn)變成了機械能，這就是葉片馬達的工作原理。當輸油方向改變時，液壓馬達就反轉(zhuǎn)。第五頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述液壓馬達與液壓泵具有的不同特點：（1）液壓馬達一般需要正反轉(zhuǎn)，所以在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有對稱性，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)采用液動軸承或靜壓軸承。因為當馬達速度很低時，若采用動壓軸承，就不易形成潤滑滑膜。第六頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述液壓馬達與液壓泵具有的不同特點：（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。若將其當馬達用，必須在液壓馬達的葉片根部裝上彈簧，以保證葉片始終貼緊定子內(nèi)表面，以便馬達能正常起動。（5）液壓泵在結(jié)構(gòu)上需保證具有自吸能力，而液壓馬達就沒有這一要求。（6）液壓馬達必須具有較大的起動扭矩。所謂起動扭矩，就是馬達由靜止狀態(tài)起動時，馬達軸上所能輸出的扭矩，該扭矩通常大于在同一工作壓差時處于運行狀態(tài)下的扭矩，所以，為了使起動扭矩盡可能接近工作狀態(tài)下的扭矩，要求馬達扭矩的脈動小，內(nèi)部摩擦小。第七頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述液壓馬達的特性參數(shù)工作壓力與額定壓力工作壓力p大小取決于馬達負載，馬達進出口壓力的差值稱為馬達的壓差Δp。額定壓力ps能使馬達連續(xù)正常運轉(zhuǎn)的最高壓力。流量與容積效率輸入馬達的實際流量qM＝qMt＋Δq

qMt為理論流量，馬達在沒有泄漏時，達到要求轉(zhuǎn)速所需進口流量。容積效率ηMv＝qMt/qM＝1－Δq/qM第八頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述排量與轉(zhuǎn)速排量V為ηMV等于1時輸出軸旋轉(zhuǎn)一周所需油液體積。轉(zhuǎn)速n＝qMt/V＝qMηMV/V轉(zhuǎn)矩與機械效率實際輸出轉(zhuǎn)矩T＝Tt-ΔT

理論輸出轉(zhuǎn)矩Tt＝ΔpVηMm/2π機械效率ηMm＝TM/TMt第九頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述功率與總效率輸入功率PmiPmi＝Δp

qM輸出功率PMoPMo

＝T2πn總效率ηM＝PMo/Pmi＝ηMvηM

第十頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述液壓馬達圖形符號第十一頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（1）概述液壓馬達的分類和選用選擇液壓馬達的原則與選擇液壓泵的原則基本相同。在選擇液壓馬達時，首先要確定其類型，然后按系統(tǒng)所要求的壓力、負載、轉(zhuǎn)速的大小確定其規(guī)格型號。一般來說，當負載扭矩小時，可選用齒輪式、葉片式和軸向柱塞式液壓馬達。如負載扭矩大且轉(zhuǎn)速較低時，宜選用低速大扭矩液壓馬達。第十二頁，共56頁。第十三頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（2）高速馬達一般來說，額定轉(zhuǎn)速高于500r／min的馬達屬于高速馬達，額定轉(zhuǎn)速低于500r／min的馬達屬于低速馬達。高速液壓馬達的基本形式有齒輪式、葉片式和軸向柱塞式等。高速馬達的主要特點是轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動慣量小，便于啟動、制動、調(diào)速和換向，通常高速馬達的輸出轉(zhuǎn)矩不大，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速較高，只能滿足高速小扭矩工況。第十四頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（2）高速馬達齒輪馬達工作原理:由于兩個齒輪的受壓面積存在差值，因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，推動齒輪轉(zhuǎn)動。T=Fr=pBrF1=pB(h–a)F2=pB(h–b)第十五頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（2）高速馬達結(jié)構(gòu)特點

進出油口相等，有單獨的泄油口；為減少摩擦力矩，采用滾動軸承；為減少轉(zhuǎn)矩脈動，齒數(shù)較泵的齒數(shù)多。應(yīng)用

由于密封性能差，容積效率較低，不能產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，且瞬時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨嚙合點而變化，因此僅用于高速小轉(zhuǎn)矩的場合，如工程機械、農(nóng)業(yè)機械及對轉(zhuǎn)矩均勻性要求不高的設(shè)備。第十六頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（2）高速馬達葉片液壓馬達工作原理結(jié)構(gòu)特點進出油口相等，有單獨的泄油口；葉片徑向放置，葉片底部設(shè)置有燕式彈簧；在高低壓油腔通入葉片底部的通路上裝有梭閥。

應(yīng)用

轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)靈敏，能適應(yīng)較高頻率的換向。但泄漏大，低速時不夠穩(wěn)定。適用于轉(zhuǎn)矩小、轉(zhuǎn)速高、機械性能要求不嚴格的場合。第十七頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（2）高速馬達軸向柱塞馬達工作原理當壓力油輸入液壓馬達時，處于壓力腔的柱塞被頂出，壓在斜盤上，設(shè)斜盤作用在柱塞上的反力為F，F(xiàn)可分解為軸向分力Fx和垂直于軸向的分力Fy。其中，軸向分力Fx和作用在柱塞后端的液壓力相平衡，垂直于軸向的分力Fy使缸體產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當液壓馬達的進、出油口互換時，馬達將反向轉(zhuǎn)動，當改變馬達斜盤傾角時，馬達的排量便隨之改變，從而可以調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。第十八頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（2）高速馬達

結(jié)構(gòu)特點軸向柱塞泵和軸向柱塞馬達是互逆的。配流盤為對稱結(jié)構(gòu)。改變斜盤傾角，不僅影響馬達的轉(zhuǎn)矩，而且影響它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。斜盤傾角越大，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越低。

應(yīng)用

其輸出扭矩較齒輪馬達和葉片馬達大，且容積效率高，因此常用于工程、礦山等機械。第十九頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（3）低速馬達低速大扭矩液壓馬達是相對于高速馬達而言的，通常這類馬達在結(jié)構(gòu)形式上多為徑向柱塞式，其特點是：最低轉(zhuǎn)速低，大約在5~10r／min，輸出扭矩大，可達幾萬N·m；徑向尺寸大，轉(zhuǎn)動慣量大。由于上述特點，它可以直接與工作機構(gòu)聯(lián)接，不需要減速裝置，使傳動結(jié)構(gòu)大為簡化。。低速大扭矩液壓馬達的基本形式有曲柄連桿馬達和多作用內(nèi)曲線馬達。第二十頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（3）低速馬達單作用連桿型徑向柱塞馬達結(jié)構(gòu)由殼體1、連桿3、活塞組件2、曲軸4及配流軸5等組成，殼體內(nèi)沿圓周呈放射狀均勻布置了五只缸體，形成星形殼體；缸體內(nèi)裝有活塞，活塞與連桿通過球鉸連接，連桿大端做成鞍形圓柱瓦面緊貼在曲軸的偏心圓上，其圓心為O1，它與曲軸旋轉(zhuǎn)中心O的偏心距OO1=e，液壓馬達的配流軸5與曲軸4通過十字鍵連接在一起，隨曲軸一起轉(zhuǎn)動。第二十一頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（3）低速馬達工作原理馬達的壓力油經(jīng)過配流軸通道，由配流軸分配到對應(yīng)的活塞油缸，在圖中，油缸的①、②、③腔通壓力油，活塞受到壓力油的作用；根據(jù)曲柄連桿機構(gòu)運動原理，受油壓作用的柱塞就通過連桿對偏心圓中心O1作用一個力N，推動曲軸繞旋轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動，對外輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，其余的活塞油缸則與排油窗口接通；配流軸隨曲軸同步旋轉(zhuǎn)，各柱塞缸依次與高壓進油和低壓回油相通保證曲軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)。如果進、排油口對換，液壓馬達也就反向旋轉(zhuǎn)。第二十二頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（3）低速馬達排量公式

v=πd2ez/2d為柱塞直徑；e為曲軸偏心距；z為柱塞數(shù)。特點結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，可以是殼體固定曲軸旋轉(zhuǎn)，也可以是曲軸固定殼體旋轉(zhuǎn)（可驅(qū)動車輪或卷筒），但體積重量較大，轉(zhuǎn)矩脈動，低速穩(wěn)定性較差。采用靜壓支承或靜壓平衡后最低轉(zhuǎn)速可達3r/min。第二十三頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（3）低速馬達多作用內(nèi)曲線徑向柱塞馬達結(jié)構(gòu)缸體2與輸出軸3通過螺栓連成一體，柱塞4、滾輪組5成柱塞組件，放于缸體徑向孔中，配流軸6由微調(diào)凸輪7限制其相對殼體1周向固定不動。柱塞底部油腔的進排油由配流軸控制，配流軸上有兩組配流窗口，每組的窗口數(shù)同導軌曲線段數(shù)相同，兩組配流窗口的位置應(yīng)分別與導軌曲線上的工作區(qū)段和排油區(qū)段的位置嚴格對應(yīng)。第二十四頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（3）低速馬達工作原理工作時，油液通過配流軸上的配流窗口分配到工作區(qū)段的柱塞底部油腔，壓力油使柱塞組的滾輪頂緊導軌表面，在接觸點上導軌對滾輪產(chǎn)生法向反作用力N，其方向垂直導軌表面并通過滾輪中心，該力可分解為兩個分力，沿柱塞軸向的分力P和垂直于柱塞軸線的分力T，P與柱塞底部的液壓作用力平衡，T通過柱塞組傳給缸體，對缸體產(chǎn)生力矩。進排油口互換，則馬達反轉(zhuǎn)。主軸轉(zhuǎn)一周，柱塞往復運動多次（圖中為6次），因而在柱塞直徑數(shù)目和行程相同情況下，其輸出扭矩較單作用式柱塞馬達增加了作用次數(shù)的倍數(shù)。除單排柱塞外，還可做成雙排、三排柱塞，所以容易達到排量大、尺寸小的要求。第二十五頁，共56頁。第一節(jié)液壓馬達（3）低速馬達排量公式

v=（πd2/4）sxyzd為柱塞直徑；s為柱塞行程；x為作用次數(shù)；y為柱塞排數(shù)；z為柱塞數(shù)。特點轉(zhuǎn)矩脈動小，徑向力平衡，啟動轉(zhuǎn)矩大，能在低速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，普遍用于工程、建筑、起重運輸、煤礦、船舶、農(nóng)業(yè)等機械中。第二十六頁，共56頁。典型例題解析例1如圖所示，某馬達排量V=250cm3/r，入口壓力p1=100×105Pa，出口壓力為p2＝5×105Pa，其總效率為η=0.9，容積效率ηv=0.92。當輸入流量為qm=22L/min時，求：（1）馬達的實際轉(zhuǎn)速；（2）馬達的輸出轉(zhuǎn)矩。例2已知某液壓馬達的排量V=105cm3/r，如果它輸出轉(zhuǎn)矩M=52.5N·m，轉(zhuǎn)速n=30r/min，馬達的機械效率ηm=0.9，容積效率ηv=0.9，出口壓力p2＝2×105Pa，試求馬達需要輸入多少流量和壓力。第二十七頁，共56頁。典型例題解析解：（1）馬達的實際轉(zhuǎn)速

（2）馬達的輸出轉(zhuǎn)矩第二十八頁，共56頁。典型例題解析解：（1）馬達需要的輸入流量：

（2）馬達進出口壓差：馬達需要輸入壓力：第二十九頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的、做直線往復運動（或擺動運動）的液壓執(zhí)行元件。它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。用它來實現(xiàn)往復運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)，因此在各種機械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。液壓缸的基本類型液壓缸的工作原理和特點液壓缸的典型結(jié)構(gòu)第三十頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸液壓缸的基本類型按結(jié)構(gòu)形式分：活塞式柱塞式伸縮式擺動式單活塞桿式雙活塞桿式{第三十一頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸按作用方式分：（1）單作用液壓缸：活塞單向作用，由彈簧或重力使活塞復位；柱塞單向作用，由外力使柱塞返回。（2）雙作用液壓缸：活塞雙作用，左右移動速度不等；雙柱塞雙作用第三十二頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸單活塞桿缸只有一端有活塞桿。如圖所示是一種單活塞液壓缸。其兩端進出口油口A和B都可通壓力油或回油，以實現(xiàn)雙向運動，故稱為雙作用缸。第三十三頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸速度推力特性簡單連接向右運動速度v1＝qηv/A1＝4qηv/πD2向右運動推力F1＝（A1p1－A2p2）ηm

向左運動速度v2＝qηv/A2＝4qηv/π（D2－d2）

向左運動推力F2＝（A2p1－A1p2）ηm

往返速比λv＝v2/v1＝1/［1－（d/D）2］式中ηv為缸的容積效率，ηm為缸的機械效率第三十四頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸差動連接單活塞桿缸兩腔同時通壓力油，有桿腔排出的流量與泵的流量匯合進入無桿腔。差動連接的缸只能一個方向運動。圖示為向右運動。運動速度v3＝（q＋q‘）/A1＝（q＋A2v3）/A1活塞推力

F3＝p1（A1－A2）ηm第三十五頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸特點

單活塞桿液壓缸可以是缸筒固定，活塞運動；也可以是活塞桿固定缸筒運動。無論采用其中哪一種形式，液壓缸運動所占空間長度都是兩倍行程。（見下圖）第三十六頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸雙活塞桿缸雙活塞桿液壓缸的兩端都有活塞伸出，如圖所示。其組成與單活塞桿液壓缸基本相同。缸筒與缸蓋用法蘭連接，活塞與缸筒內(nèi)壁之間采用間隙密封。第三十七頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸速度推力特性雙活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑通常相等，活塞兩端有效面積相同。如果供油壓力不變，那么活塞反復運動時兩個方向的作用力和速度相等。運動速度v＝q/A＝4qηv/π(D2－d2)ηv為缸的容積效率。活塞推力F＝A(p1－p2)ηm＝π(D2－d2)(p1－p2)ηm/4ηm為缸的機械效率。第三十八頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸特點將缸筒固定在床身上，活塞桿和工作臺相聯(lián)接時，工作臺運動所占空間長度為活塞有效行程的三倍（見圖A）。一般多用于小機床；反之，將活塞桿固定在床身上，缸筒和工作臺相聯(lián)接時，工作臺運動所占空間長度為液壓缸有效行程的兩倍（見圖B），適用于中型及大型機床。第三十九頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸柱塞式液壓缸

柱塞與缸筒無配合關(guān)系，缸筒內(nèi)孔不需精加工，只是柱塞與缸蓋上的導向套有配合關(guān)系。為減輕重量，減少彎曲變形，柱塞常做成空心.第四十頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸速度推力特性運動速度v＝qηv/A＝4qηv/πd2柱塞推力F＝pAηm＝p（πd2/4）ηm第四十一頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸特點（１）它是一種單作用式液壓缸，靠液壓力只能實現(xiàn)一個方向的運動，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；（２）柱塞只靠缸套支承而不與缸套接觸，這樣缸套極易加工，故適于做長行程液壓缸；（３）工作時柱塞總受壓，因而它必須有足夠的剛度；（４）柱塞重量往往較大，水平放置時容易因自重而下垂，造成密封件和導向單邊磨損，故其垂直使用更有利。第四十二頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸伸縮式液壓缸它由兩個或多個活塞式缸套裝而成，前一級活塞缸的活塞桿是后一級活塞缸的缸筒。第四十三頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸特點伸縮式液壓缸中活塞伸出的順序式從大到小，而空載縮回的順序則一般是從小到大。伸縮缸可實現(xiàn)較長的行程，而縮回時長度較短，結(jié)構(gòu)較為緊湊。除雙作用伸縮液壓缸外，還有單作用伸縮液壓缸，它與雙作用不同點是回程靠外力，而雙作用靠液壓作用力。第四十四頁，共56頁。第二節(jié)液壓缸擺動式液壓缸擺動式液壓缸是輸出扭矩并實現(xiàn)往復運動的執(zhí)行元件，也稱擺動式液壓馬達。有單葉