液压及气压传动 第四章 液压执行元件

1、课 时 授 课 计 划授课日期班 别题 目第四章 液压执行元件目的要求Ø 掌握液压马达的工作原理及输出转矩Ø 了解各种液压马达的结构Ø 掌握液压缸的典型结构Ø 掌握液压缸的参数计算Ø 掌握液压缸的锁定、排气与缓冲装置重点Ø 液压马达的工作原理Ø 液压缸的典型结构难点液压缸的参数计算教 具课本教 学 方 法课堂教学报书设计第四章 液压执行元件第一节 液压马达第二节 液压缸教学过程：复习：1、液压泵的工作原理及性能参数 2、齿轮泵的工作原理及特点 3、叶片泵的工作原理及特点 4、柱塞泵的工作原理及特点 5、液压泵的选用新 课：第

2、四章 液压执行元件 液压系统中的执行元件是将输入液体的压力能转换成输出机械能的能量转换装置。它驱动执行机构作直线往复运动或旋转（摆动）运动，输出作用力与速度或转矩与转速。 液压执行元件按运动形式分：液压马达、液压缸。第一节 液压马达一、液压马达的工作原理 液压马达是使负载作连续旋转的执行元件，其内部构造与液压泵类似，差别仅在于液压泵的旋转是由电机所带动，输出的是液压油；液压马达则是输入液压油，输出的是转矩和转速。因此，液压马达和液压泵在细部结构上存在一定的差别。二、液压马达分类及特点 液压马达按其结构类型来分可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式等其它形式。也可按液压马达的额定转速分为高速和低速两大类

3、。额定转速高于500r/min的属高速液压马达，额定转速低于500r/min的属于低速液压马达。1、高速液压马达 高速液压马达的基本形式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。高速液压马达的主要特点是转速高、转动惯量小，便于启动和制动。通常高速液压马达输出转矩不大（仅几十N.m到几百N.m），所以又称为高速小转矩马达。2、低速液压马达 低速液压马达的基本形式是径向柱塞式，低速液压马达的主要特点是排量大、体积大、转速低（可达每分钟几转甚至零点几转）、输出转矩大（可达几千N.m到几万N.m）,所以又称为低速大转矩液压马达。三、液压马达图形符号四、液压马达与液压泵的区别从原理上讲，液压泵与液压马达可

4、以互换，但结构有差异1、泵的进油口比出油口大，马达的进、出油口相同2、结构上要求泵有自吸能力3、马达要正反转，结构具有对称性；泵单方向转，不要对称4、要求马达的结构及润滑，能保证在宽速度范围内正常工作5、液压马达应有较大的起动扭矩和较小的脉动五、主要性能参数 1、压力 液压马达的压力是指其工作时进口处的压力。 (1) 工作压力p 液压马达工作时进口处的实际运行压力，其值取决于负载。 (2) 额定压力pn 液压马达在正常工作条件下，根据试验标准规定，允许连续运行的最高压力。 2、排量和流量 (1) 排量V 液压马达在没有泄漏的情况下，马达轴每旋转一周所需输入液体的体积。 (2) 理论流量qt 液

5、压马达在没有泄漏的情况下，单位时间内达到要求转速所需输入液体的体积，即qt =Vn。 (3) 实际流量q 液压马达运行时，单位时间内实际输入液体的体积。在工作压力不为零的情况下，因存在泄漏，所以实际输入流量总是大于理论流量。3、功率和效率 (1) 输入功率Pi驱动液压马达的液压功率。 Pi=pq式中：p液压马达的进、出口压力差。 (2) 输出功率Po液压马达实际输出的机械功率。 Po=T=2nT式中：液压马达的回转角速度； T液压马达的输出转矩； n液压马达的转速。(3) 容积效率v 由于存在泄漏损失，为了达到液压马达要求的转速，实际输入流量q必须大于理论流量qt，实际流量随压力升高而增大。液

6、压马达的容积效率为 式中：q液压马达在某一工作压力下损失的泄漏流量。(4) 机械效率m 由于存在摩擦损失，液压马达实际输出转矩T一定小于理论转矩Tt，因此机械效率为 (5) 总效率液压马达的总效率等于输出机械功率与输入液压功率之比，也等于容积效率与机械效率之积，即 4、转矩和转速 (1) 实际输出转矩T 液压马达的实际输出转矩为理论转矩与机械效率之积。(2) 转速n 液压马达要能旋转，输入的油液必须完全充满其所有工作空间，因此 六、齿轮马达1、工作原理 当压力油进入其进油腔后，由于啮合点的半径x、y小于齿顶圆的半径，因此在齿1和2 的齿面上变形成如图所示不平衡液压力，该液压力相对于轴产生转矩。

7、齿轮在此转矩作用下，使齿轮马达按图示方向旋转，拖动外负载作功，当改变进压力油的方向时，马达反向旋转。2、结构特点1）进出油口相等，有单独的泄油口(因为马达要正反转)；2）消除困油的卸荷槽对称分布；3）用O型密封圈防止油液外漏，减小螺钉拉力；4）端面漏油润滑轴承，有专门设置的回油口；(外泄)5）为减少摩擦力矩，采用滚动轴承；6）为减少转矩脉动，齿数较泵的齿数多。 3、齿轮马达输出的转速、转矩、功率 4、应用 与一般齿轮泵一样，齿轮马达由于密封性差，容积效率低，所以输入的油压不能过高，因而不能产生较大的转矩，且它的转速和转矩都随着齿轮啮合情况而脉动，齿轮马达多用于高速低转矩的液压系统中。 由于密封

8、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。七、叶片液压马达 1、工作原理 如图所示，当高压油 p 从右边进入时，叶片5两侧均受压力油p 作用不产生转矩，叶片1和4一侧受高压油的作用，另一侧受低压油的作用。而叶片1 伸出面积大于叶片4伸出面积，故产生使转子顺时针方向转动的转矩。同理，叶片3和2之间也产生顺时针方向的转矩。如改变进油方向，高压油p 进入叶片3和4之间容积及1和2之间容积时，叶片带动转子逆时针方向转动。2、结构特点1）叶片径向安装（以便马达双向旋转）；2）叶片底部有燕尾弹簧，

9、启动前叶片在弹簧力作用下紧贴定子内表面，以保证马达有足够起动的转矩输出；3）壳体中装有两个单向阀，以使马达正反转动时叶片底部都通压力油；4）外泄结构。5）进出油口相等，有单独的泄油口； 6）在高低压油腔通入叶片底部的通路上装有梭阀。 3、输出的转矩和转速注：式中排量V要用双作用泵的排量V公式求。4、应用  叶片马达一般是双作用式的定量马达，其最大特点是体积小，惯性小，动作灵敏，允许换向频率很高，甚至可在几毫秒内换向。其最大弱点是泄漏较大，机械特性较软，不能在低速下工作，调速范围不能很大。因此适用于低转矩、高转速以及对惯性要求较小，对机械特性要不严的场合。八、轴向柱塞液压马达 1、工作

10、原理 轴向柱塞液压马达结构与轴向柱塞泵基本相同，斜盘和配油盘固定不动，缸体(转子)和马达传动轴用键相连，并一起转动。当压力油通过配油盘窗口输入到缸体柱塞孔中时，压力油对柱塞产生作用力，将柱塞顶出，紧紧顶在斜盘端面上，斜盘给每个柱塞的反作用力F是垂直于斜盘端面的，压力分解为轴向分力Fx 和径向分力Fy 。 轴向分力Fx与柱塞上液压推力相平衡，而径向分力Fy与柱塞轴线垂直，且对缸体中心产生转矩，从而驱动马达轴旋转，输出转矩和转速。改变进油方向，可改变其转向；改变倾角(斜盘与转轴的夹角)就可以改变排量，成为变量马达。2、马达输出的转矩、转速3、结构特点（1）轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是互逆的。（2）配

11、流盘为对称结构。 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。九、 液压泵与液压马达的异同1、相同点 各种液压泵和液压马达均是利用“密封容积(腔)”的周期性变化来工作的。工作中均需要有配流盘等装置辅助，而且，“密封容积”分为高 压区和低压区两个独立部分。 二者在工作中均会产生困油现象和径向力不平衡，液压冲击、流量脉动和液体泄漏等一些共同的物理现象。 液压泵和马达是机械能和压力能互相转换的动力 装置，转换过程中均有能量损失，所以均有容积效率、机械效率和总效率，三者效率之间关系也相同，计算效率时，要清楚输入量与输

12、出量的关系。 液压泵和马达工作原理是可逆的，理论上输入与输出量有相同的数学关系； 液压泵和液压马达最重要的结构参数都是排量，排量的大小反映了液压泵和液压马达的性能。2、差异 动力不同 液压马达是靠输入液体压力来启动工作的，而液压泵是由电动机等其他动力装置直接带动的，因此结构上有所不同。马达容积密封必须可靠，为此，叶片式马达叶片根部装有燕尾弹簧，使其始终贴紧定子，以便马达顺利起动。 配流机构进出油口的不同 液压马达有正、反转要求，所以配流机构是对称的，进出油口孔径相同；而液压泵一般为单向旋转，其配流机构及卸荷槽不对称，进出油口孔径不同。 液压马达起动转矩大，为使起动转矩与工作

13、状态尽量接近，要求其转矩脉动要小，内部摩擦要小，齿数、叶片数、柱塞数应比液压泵多，马达的轴向间隙补偿装置的压紧力比泵小，以减小摩擦。十、液压马达的选用 一般为获得连续回转和转矩，尽量采用电动机。原因是液压马达成本高，结构复杂。若结构要求特别紧凑和大范围的无级调速，更适合选用液压马达。 一般精度差、价格低、效率低的场合可选用齿轮马达；而高速、小转矩及要求动作灵敏的工作场合，应采用叶片式液压马达，如磨床液压系统；低速大扭矩、大功率的场合应采用径向柱塞液压马达。 液压马达在选择时应尽量与液压泵匹配，减少损失，提高效率，同时要注意以下几点：液压马达的起动性能 不同类型液压马达，内部受力部件的力平衡性不

14、同，摩擦力也不同，所以起动机械效率不同，有的差别较大，如齿轮式起动机械效率只有0.6左右，而高性能低速大转矩的马达可达0.9左右。液压马达转速及低速稳定性 液压马达转速决定于供油的流量及马达本身的排量，所以要提高容积效率，必须注意密封性要好，泄漏太多，低速时转速、转矩不稳定。所以要选用高性能的液压马达，如低速大转矩马达。调速范围 负载从低速到高速在很宽的范围内工作时，其调速范围越大越好，否则还需加装变速机构，使传动机构复杂化，调速范围为允许的最大和最低转速之比值。调速范围宽的液压马达不但有好的低速稳定性，还有好的高速性能。第二节 液压缸一、原理 液压缸是液压传动系统中的执行元件，它的作用是将液

15、压能转换为机械能，驱动工作机构作直线往复运动或往复摆动。 液压缸结构简单、工作可靠，在各种机械的液压系统中广泛应用。二、液压缸的分类1、按结构形式分： （1）活塞缸 又分单活塞杆缸、双活塞杆缸 （2）柱塞缸 （3）摆动缸 又分单叶片摆动缸、双叶片摆动缸2、按作用方式分：（1）单作用液压缸 一个方向的运动依靠液压作用力实现，另一个方向依靠弹簧力、重力等实现；（2）双作用液压缸 两个方向的运动都依靠液压作用力来实现；（3）组合缸 活塞缸与活塞缸的组合、活塞缸与柱塞缸的组合、活塞缸与机械结构的组合等。三、液压缸的组成 缸体组件 包括缸筒、缸盖、缸底等零件。 活塞组件 包括活塞与活塞杆等零件。 密封装

16、置 有活塞与缸筒、活塞杆与缸盖的密封。 缓冲装置 排气装置 四、液压缸基本参数的计算1、双杆活塞缸 双杆活塞缸活塞两侧都有活塞杆伸出，根据安装方式不同又分为活塞杆固定式和缸筒固定式两种。（1）液压缸固定式工作原理 压力油p1 流量为q 从a 口进入缸左腔，当液压油的作用力克服阻力后，活塞和与之相连的工作台一起从左向右运动，缸右腔的油液(p2)则从b 口流出，若改变进油方向， 液压油从b口流入缸右腔，工作台的运动反向。（2）活塞杆固定式工作原理 压力p1 的液压油从孔口a 流入缸左腔，缸筒和工作台 从右向左运动，缸右腔的油液(p2)则从孔口b 流出，改变进油方向，液压油从b口流入缸右腔，缸体向右

17、运动。（3）推力及速度计算 双杆活塞缸的两个活塞杆的直径通常是相等的(直径用d 表示)，故其左右两腔的有效工作面积也是相等的(缸筒直径用D 表示)。当进入液压缸的流量相同时，其往返(正反)速度相等；当进入液压缸的压力相同时，正反两方向的推力相等；（4）双作用双活塞杆式液压缸的图形符号（5）应用 缸固定安装方式占地面积大，常用于小型机床(设备)。 杆固定占地面积较小，适用于中型及大型机床(设备) 。2、双作用单活塞杆式液压缸 如图所示，单杆活塞缸也有缸固定式和杆固定式两种安装方式，无论是缸固定式还是杆固定式，其工作台的最大活动范围都是活塞(缸筒)有效行程L 的2 倍。 单杆活塞缸由于左右两腔的有

18、效工作面积不相等，所以两腔所产生的推力和左右方向的速度不相等。（1） 压力油进入无杆腔(以无杆腔作为工作油腔) 压力油为p1进入无杆腔，推动活塞向右运动速度为v1，回油压力p2，则推力F1为： 若输入的油液流量为q，则速度v1为：（2）压力油进入有杆腔(以有杆腔作为工作油腔)速度v2为： 工程实用上常把两方向上的速度v2和v1的比值称为速度比，并记为v，即： 在已知活塞的直径 D 和速比v，可确定活塞杆的直径d 值，速比v越大，活塞杆的直径d 越大 。 （3）双作用单活塞杆式液压缸的图形符号3、差动油缸( cylinder with differential)（1）差动连接 当双作用

19、单杆液压缸左右两腔同时通压力油时，由于油缸左、右两腔的有效工作面积不相等，两腔的推力也不相等，从而产生差动运动，这种油路的连 接形式称差动连接。 简单定义差动连接：双作用单杆油缸左右两腔相互接通并同时输入压力油时，称为差动连接。 差动连接时的速度v3，推力F3 可见，差动连接时，实际起作用的有效面积是活塞杆的横截面积A3，又称差动面积差动连接的意义：采用差动连接时，不增大油泵的供油量却可得到较大的速度。 活塞反向运动，其速度v2 从上面推导可知，差动连接不能使运动反向。要活塞反向运动必须进行如下油路设计。反向运动的速度v2这种的油路设计既可以差动连接，又可以反向运动。 当要求正反向运动速度相等

20、时， 结论：把活塞杆的直径d做成活塞直径D的0.707倍的双作用单杆缸，采用差动连接，可有速度v3，反向运动非差动连接，可有速度v2，且可得到正反向运动速度相等v2=v3。（2）差动油缸定义： 结构尺寸满足d=0.707D的双作用单杆的液压缸称为差动油缸。差动油缸图形符号为：差动油缸的意义： 在用定量泵供油时，以无杆腔为工作油腔，采用差动连接，有正向运动速度v3，以有杆腔为工作油腔，不能采用差动连接，可以得到反向运动速度v2，且可使正反向运动的速度相等（v2=v3）。4、摆动式液压缸 摆动式液压缸也称回转式液压缸或摆动马达。 常有单叶片和双叶片式两种结构形式，(也有多叶片式的)，摆动式液压缸由

21、缸筒1、叶片轴2、定位块3 和叶片4 组成，见图。结构：叶片、缸体、输出轴 单叶片摆动缸，其摆动角度可达300° ，双叶片摆缸其摆动角最大可达150°。双叶片摆动缸输出转矩是单叶片的2倍，在同等条件下角速度则是单叶片的一半。图形符号为：对单叶片摆动缸,输出转矩TM和回转角速度分别为： 当叶片为z 时,其输出转矩TM为： 回转角速度为：式中：p1缸的进口压力； p2缸的出口压力； b叶片宽； m缸的机械效率； v缸的容积效率； z叶片数； R1叶片底部的回转半径(叶片轴半径)； R2叶片顶部的回转半径(缸体内半径)； TM缸输出转矩； 缸输出角速度。 摆动式液压缸的主要特点是结构紧凑，但加工制造比较复杂。在机床上，用于回转夹具、送料装置、间歇进刀机构等；在液压挖掘机、装载机上，用于铲斗的回转机构。目前，在舰船的液压舵机上逐步由摆动式液压缸取代柱塞式液压缸；在舰船稳定平台的执行机构中，也不少采用摆动式液压缸。 5、齿轮齿条液压缸 齿轮齿条液压缸是活塞缸与齿轮齿条机构组成的复合式缸。它将活塞的直线往复运动转变为齿轮的旋转运动，用