第五节 低速大扭矩马达课件

1、l低速大扭矩液压马达作为回转运动的执行元件，可将液压泵输出的液压能转化为旋转的机械能（表现为转速和扭矩的乘积），从结构上可分为摆线式和柱塞式两大类，后者又分为轴向与径向柱塞式液压马达，径向柱塞式又分为单作用曲轴型和多作用内曲线型两种。l这类液压马达的主要特点是排量大（在同样压力下可获较大的扭矩）、低速稳定性好（一般可在10r/min以下平稳运转，有的可达0.5r/min以下），因此可以直接与工作机构连接，除重型机械对扭矩需要特别大以外，一般不需要减速装置，可得到良好的无级调速性能，使机械产品使传动结构大为简化,结构紧凑等。低速大扭矩液压马达广泛用于起重、运输、建筑、矿山和船舶等机械上。 l行星

2、转子式摆线齿轮马达是一种利用行星减速机构原理（即少齿差原理）的内啮合摆线齿轮马达，通称摆线齿轮马达，国外称奥比特（Orbit）马达。这种液压马达自从1955年发明以来，以其独特的优点获得了迅速发展。其主要优点是：体积小，重量轻，扭矩大，因此这种马达的单位重量功率远比其它类型的液压马达大。另外其转速范围宽，价格低廉。l摆线齿轮马达一般被列入低速大扭矩液压马达，但到目前为止国内外生产的此类产品，其最大排量为1250ml/r，瞬时最大输出扭矩为3500Nm，最低稳定转速为10r/min左右。因此，严格说来应属于中速中扭矩液压马达的范畴。图图3-55 3-55 摆线马达的工作与配油原理摆线马达的工作与

3、配油原理1-转子组件，2-花键轴，3-定子，4-转子，5-输出轴，6-外壳l摆线齿轮马达的工作原理基于摆线针齿内啮合行星齿轮传动。内齿轮（即定子）的轮齿齿廓（针齿）是由圆弧构成，定子针齿数为z2；外齿轮（即转子）的轮齿齿廓是圆弧的共轭曲线，转子与定子之间有偏心距A。当两轮的齿数差为1时，两轮所有的轮齿都能啮合（见图3-55），且形成z2个独立的密封工作容腔。通过配流机构使定子和转子中心连线一侧的密封容腔与进油口相通，另一侧的容腔与回油口相通（如图3-55a）。l作用于转子齿廓上的液压力相对转子的回转中心产生一个逆时针转矩，使转子在定子内作逆时针转动，转子的自转通过连接轴输出带动外负载作功。定子

4、的齿数为7，转子的齿数为6，转子与定子形成7个密封容腔。转子在定子中作行星运动，转子公转一周时，7个密封容腔的容积各变化一次，而自转一周时要公转6转，相当于有76=42次密封容积发生变化。所以，马达体积虽小，却具有较大的排量、较低的转速和较大的输出扭矩。l根据配流方式不同摆线齿轮马达可分为轴配流摆线齿轮马达和端面配流摆线齿轮马达两种结构。 l1、BYM（A）型摆线齿轮马达lBYM（A）型摆线齿轮马达的结构如图3-56所示。这类马达的配流轴同时又是输出轴，因而具有结构简单、外形尺寸小、成本低廉等优点。但这种轴配流马达由于配流部分高低压腔间的密封间隙会因轴受到径向力作用而增大，所以内部泄漏较大并随

5、着轴的磨损而不断增加，无间隙补偿措施，因此容积效率较低，承载能力较小。l2 2、BM-CBM-C、D D、E E、F F型摆线齿轮马达型摆线齿轮马达lBM-C、D、E、F型摆线齿轮马达为端面配流结构，有标准型和无轴承型两大类。无轴承型应与其它输出装置配合使用，可使系统的结构更为简单紧凑、体积更小。 图3-57 端面配流摆线马达的结构l 端面配流盘具有静压磨损补偿的平面密封，密封性能好，且由于能自动补偿间隙，不但容积效率高，而且效率不会随着平面而很快降低。受热冲击时，不会产生很大内漏。配流盘也便于修复。l输出轴采用了承载能力较大的圆锥滚柱轴承，因而输出轴刚性好，能承受较大的轴向力和径向力。l 配

6、流盘由专用的鼓形花键轴带动，消除了一体花键轴因磨损而形成的偏差，与轴配流马达相比，可获得较高的配流精度，因而效率高。l 配流盘上施加了预压紧力，因而启动可靠。l这种马达的容积效率可达95%左右，机械效率达92%左右，因此是当前采用最普遍的摆线齿轮马达。 l这种马达通常制成轴旋转的马达。排量一般为1.95.31L/r（双排、10缸者可达6.8L/r），额定压力可达20.7MPa，峰值压力可达29.3MPa，最低稳定转速可达3r/min。按其配流方式的不同，可分为轴配流马达和端面配流马达；按其能否变量及变量型式的不同，可分为定量马达、双速变量马达等。此外，这些马达还可组合其它功能，组成带机械制动、

7、齿轮减速的马达。曲轴连杆式径向柱塞马达的优点是结构简单、工作可靠、品种规格多、价格低等。其缺点是体积和重量较大，扭矩脉动较大。马达由壳体、曲柄连杆活塞组件、偏心轴及配油轴组成。壳体1内沿圆周呈放射状均匀布置了五只缸体，形成星形壳体；缸体内装有活塞2，活塞2与连杆3通过球绞连接，连杆大端做成鞍型圆柱瓦面紧贴在曲轴4的偏心圆上，配流轴5与曲轴通过十字键连结在一起，随曲轴一起转动。l见图3-59所示。当柱塞与柱塞缸形成的密封容积内通入压力油时，作用于柱塞上的液压力对柱塞产生一个推力P，此力通过连杆作用于偏心轮中心，由于力的作用线不通过回转中心，推力P便对回转中心产生一个逆时针转矩，使输出轴旋转驱动负

8、载做功，而连杆在偏心轮上滑动，压力油通过配流轴被不断送入，同时配流轴随输出轴一起同步转动。l当柱塞所处位置在下止点时，液压力作用线通过回转中心，此时柱塞缸内密封容积既不与压力油相通也不于回油相通。当柱塞越过下止点时，柱塞缸便由配流轴接通总回油口，作功后的液压油通过配流轴回油箱。各柱塞缸依次接通高、低压油，各柱塞对输出轴中心所产生的驱动力矩同向相加，就使马达马达输出轴获得连续而平稳的回转扭矩。当改变油流方向时，便可改变马达的旋转方向。随着驱动轴、配流轴转动，配流状态交替变化。在曲轴旋转过程中，位于高压侧的油缸容积逐渐增大，而位于低压侧的油缸的容积逐渐缩小，因此，高压油不断进入液压马达，从低压腔不

9、断排出。 配 流 轴过渡密封间隔的方位和曲轴的偏心方向保持一致l由于马达的偏心轮在不同位置时，每个柱塞所产生的扭矩大小是变化的，产生扭矩的柱塞数也是变化的（有时为两个柱塞工作，有时为三个柱塞工作），所以马达的瞬时输出扭矩也是变化的，即存在扭矩脉动。通过理论分析，当柱塞数为奇数且柱塞个数较多时，扭矩脉动较小，工作平稳性也较好，因此该类马达一般多用五个柱塞。另外，考虑到惯性力的影响，马达在转速较高时工作平稳性较好，故此类马达一般不宜在10r/min以下工作。图3-58 曲轴连杆式径向柱塞马达1-壳体，2-活塞，3-连杆，4-曲轴，5-轴承，6-配流轴，7-集流器马达的星形壳体1上有径向布置的柱塞缸

10、孔，活塞2可在柱塞缸孔内作往复运动，活塞通过连杆3配置在曲轴4的偏心轮上。曲轴由滚动轴承5并通过十字形连轴节带动配流轴6同步转动。l配流轴安装在集流器7内并由一对滚针轴承支承。连杆的球头部分由高压油强制润滑，柱塞缸内的高压油还通过连杆中的阻尼孔进入连杆瓦（鞍形圆柱面）与偏心轮之间，形成液体静压支承。集流器上的进出油孔分别与高低压油管相连，当高压油经集流器和配流轴进入马达的柱塞缸时，作用在活塞上的液压力通过连杆推动曲轴旋转作功，作功后的液压油回油箱。这种马达有单排和双排柱塞两种，每排有五个或七个柱塞。 图3-60 端面配流盘结构示意图 使配流表面的磨损状况得到改善，即使马达在高压低速下工作也能保

11、持较高的容积效率和机械效率，有利于改善马达的制动性能和低速稳定性；对配流表面的磨损和热膨胀有自动补偿作用，这不仅可以使配流机构有较长的使用寿命，保持较高的容积效率，而且可以耐热冲击，这对于在寒冷环境工作的机械设备来说尤为重要。图3-62 缸体摆动曲轴连杆式径向柱塞马达1-摆缸，2-活塞，3-曲轴，4-摆缸耳环，5-静压腔，6-滚子，7-卡环，8-配流盘，9-油道块 该结构马达主要特点有：摆缸与活塞之间没有侧向力，活塞底部设计成静压平衡，活塞与曲轴之间通过滚动轴承传力，这些措施都减小了传力过程中的磨擦损失，因而提高了这种马达的液压机械效率，特别是起动状态，其液压机械效率可达0.90，因此起动转矩

12、很大。再就是采用了端面配流技术，使泄漏大为减小，提高了可靠性。另外，活塞与摆缸之间采用塑料活塞环密封，能达到几乎没有泄漏，从而也大大提高了容积效率。 静力平衡式低速大扭矩马达也叫无连杆马达，静力平衡式低速大扭矩马达也叫无连杆马达，是从曲柄连杆式液压马达改进、发展而来的，它的是从曲柄连杆式液压马达改进、发展而来的，它的主要特点是取消了连杆，并且在主要摩擦副之间实主要特点是取消了连杆，并且在主要摩擦副之间实现了油压静力平衡，所以改善了工作性能。现了油压静力平衡，所以改善了工作性能。 国外把这类马达称为罗斯通（Roston）马达，国内也有不少产品，并已经在船舶机械、挖掘机以及石油钻探机械上使用。 液

13、压马达的偏心轴与曲轴的形式相类似，既是输出轴，又是配流轴。五星轮3套在偏心轴的凸轮上，高压油经配流轴中心孔道通到曲轴的偏心配流部分，然后经五星轮中的径向孔进入油缸的工作腔内。l多作用内曲线式径向柱塞马达是一种较常见的低速大扭矩液压马达，它具有尺寸小、重量轻、扭矩脉动小、径向力平衡、起动效率高、并能在很低的转速下稳定运转等优点。l（一）（一） 工作原理工作原理l如图如图3-633-63所示为多作用内曲线径向柱塞马达的的所示为多作用内曲线径向柱塞马达的的工作原理图。工作原理图。l与传动轴相连的转子2的各径向柱塞缸孔中装有柱塞横梁组件，柱塞上的滚轮5沿定子（外壳）1的内表面滚动，定子的内表面（导轨）

14、曲线由形状相同的若干曲线段组成，每个曲线段可分为工作段、过渡段和回油段（工作段与回油段是相对的，互换后马达改变转向），柱塞的个数一般多于内曲线的段数；配流轴4对应于每个曲线段都有两个油槽，这两个油槽分别与工作段和回油段相对，因而共有曲线段数2倍个油槽，其中单数油槽汇集成一个主油口，双数油槽汇集成另一个主油口，马达的进、出油口通过配流轴4按一定规律周期性地与柱塞底部接通，配流轴与内曲线的相位固定不变。l当高压油进入柱塞、的底部时，这两个柱塞底部的液压力使其通过滚轮紧压在定子曲面的工作段上，这时定子给滚轮的反作用力为N，N可分解为沿柱塞轴线的力FP和与之垂直的切向力FT，FP与柱塞所受的液压力相平

15、衡，FT作用于转子而产生顺时针力矩，转子在该力矩的作用下便可驱动负载转动，转子转动时柱塞不断伸出，高压油也不断进入柱塞底部。而位于定子回油段的柱塞、被迫缩回，其底部的油腔与回油口相通，低压油被排回油箱。在定子曲面的工作段和回油段中间有过度段（死点），柱塞在过度段上所受定子的反作用力通过转子的回转中心，因此这时柱塞底部油腔与进、回油口都不相通。l上述液压马达是轴转动的，假如将转子固定，则会变成壳体旋转的马达，这时须使配流轴与壳体同步转动。l滚轮每经过导轨上的一曲线段，柱塞往复运动一次，液压油对柱塞作用一次，柱塞也对外作功一次，因此转子转动一周，单个柱塞作功的次数为导轨上内曲线的段数，即柱塞要作多

16、次功，所以这种马达称为多作用马达。此外，这种马达的柱塞可以是单排的，也可以是作成双排或三排。图3-64 NJM型内曲线径向柱塞马达1-配流轴，2-缸体（转子），3-柱塞，4-横梁，5-滚轮，6-导轨，7-输出轴，8-微调螺钉l图中结构为双排柱塞，也可为单排（如定量马达）。该马达由用螺栓联接的的输出轴7和缸体2、柱塞3、导轨6、配流轴1、横梁4、滚轮5、微调螺钉8等组成。定子导轨对滚轮作用力的切向分力由滚轮通过横梁传给缸体（转子），柱塞只承受轴向力而不受侧向力，磨损小，寿命长，泄漏可减少。 l图示马达共有10对柱塞、8组曲面，这样布置可以使转子所受的径向力平衡，减小主轴承的负荷，提高了轴承的寿命

17、，也可以使输出轴承受较大的外载荷。配流轴的配流相位靠微调螺钉调整并定位。l当对马达的输入流量一定时，为得到不同转速（改变相同压力差下的扭矩输出），可通过电磁阀控制使两排柱塞串联或并联工作以实现双速。柱塞串联工作时的排量相当于并联时1/2，因此，在供油压力和供油量不变的情况下，马达由并联工况转换为串联工况时，其输出扭矩减小一半，转速提高一倍。 1-钢球，2-缸体，3-导轨，4-配流轴，5-柱塞，6-后盖，7-前端盖，8-挡圈，9-封油闷头，10-定位销l该马达的柱塞仅是钢球的外套，外套与钢球之间也设计成静压支承结构，这样使钢球得到了衬托，提高了机械效率，也避免了直接用钢球作柱塞时容积效率低的问题

18、。但由于钢球与导轨表面之间为点接触，当工作压力较高时，定子内表面的磨损较严重，也影响了该类型马达工作压力的提高，常见球塞马达的额定压力在1020MPa之间。 l除液压油压力和工作转速不得超过规定值外，还应注意：l1、保证输出轴连接的同心度，或采用挠性连接，轴上承受的径向负荷不能超过规定数值。l2、某些油马达回油须具有足够的背压才能正常工作。例如内曲线液压马达约需0.5lMPa的回油背压，以保证柱塞在排油段不致因惯性而脱离导轨；连杆式液压马达约需0.010.02MPa的回油背压，以免活塞球铰间产生撞击。l3、初次使用，壳体内应灌满工作油，壳体上的泄油管接口一般向上，保证马达壳体中的油液即使在停车

19、后也不会漏失，以便液压马达工作时能够得到润滑和冷却。l4、壳体内油压应保持在0.030.05MPa以下，不超过0.1MPa，以保证轴封和其它部位密封可靠，为此，需将泄油管单独接回油箱，不与系统的回油管路联接，泄油管上也不宜加其它附件。图7-49l连杆式液压马达结构虽然简单，但工艺性较差(球铰副的加工及缸体流道的铸造和清理都较困难)l球铰以及连杆与偏心轮接触比压大，工作时容易磨损和咬死，故需使用粘度较高的油液，同时，转矩和转速的脉动率大，润滑油膜极易遭到破坏，低速时还会产生“爬行现象”即转速小角度地忽快地慢周期性变动的现象，其最低稳定转速一般是510rminl由于摩擦面多，起动时间内润滑条件差，

20、故起动转矩小，起动效率(起动扭矩额定扭矩)仅为8085。l (1)结构和工作原理 图751为一双列的五星轮式液压马达由图可见，在这种液压马达中，连杆已由一个滑套在偏心轮10外面的五星轮4所代替而配油轴和输出轴也已做成一体，成为曲轴3从配油套1引入的油液，经曲轴的内部钻孔，还可穿过偏心轮和五星轮4，一直通人到空心柱塞5中，因而也就取消了壳体2中的流道。图7-52l图752。当压力油从A，口供入，经曲轴的内部钻孔进入到偏心轮和五星轮之间的1腔时，b 1腔将经B 1 口与油箱相通l由于作用在偏心轮上的油压，其合力通过偏心轮的中心O，因此，也就会对曲轴的中心O形成一顺时针方向的转矩，使曲轴按顺时针方向

21、回转l而滑套在偏心轮上的五星轮，由于受柱塞底部端面的约束，则只能作平面运动而不能转动。l随着输出轴的转动和五星轮的相应位移，1号、2号和5号液压缸的空间容积将增大，于是压力油液也会从1腔经五星轮和柱塞中的通道进入其间，与此同时，3号液压缸和4号液压缸的容积则不断减小，其中的油液将经B2口不断排出l由图可见，5号缸柱塞即将达到下止点，而该缸将由通进油腔转为通排油腔l只要对A 1口始终供送压力油液，并使召B1一直与油箱相通，那么，液压马达的曲轴也就会持续运转l从图751中可以看到，在柱塞的底部还设有压力环8，它和五星轮的配合间隙较大，具有足够的浮动余地，故可补偿缸体、柱塞和五星轮等的加工误差，保证

22、柱塞底部端面的密封l在压力环下面，还装有尼龙挡圈和O形密封圈，其最大压缩量是由内套7的高度确定，压力环由定位套6固定，而定套6则用弹簧挡圈来固定。l(2)主要部件的静力平衡这种液压马达只要将压力环和五星轮的尺寸选择得当；则柱塞、压力环和五星轮上承受的油压就可基本实现静力平衡。由图753可见，当压力环外径与柱塞外径相等时，由于压力环内径到外径的压力分布将因漏泄而按线性规律减小到零，所以，作用在柱塞顶面的压紧力，比底面的撑开力略大，此不完全平衡的油压力和弹簧力(很小，用以保证起动时的密封)一起，使柱塞紧贴在压力环和密封圈上，从而既保证了密封良好，又不致在相对滑动时产生严重磨损。l但柱塞上下方的液压

23、力在工作过程中并不能经常保持同心，故将形成一侧倾力矩，使柱塞与缸壁的磨损加剧，机械效率降低，甚至有使柱塞和压力环脱开的危险，这是静力平衡式液压马达的主要弱点之一。l压力环底部的液压力虽也略大于其项部的油压作用力，但不存在侧倾力矩。l至于五星轮，只要宽度选取合适，就可使内圆弧面上进油窗口的油压作用力等于压力环孔内的油压作用力，以致完全处于静力平衡的“悬浮”状态。l由于油压作用在液压缸和曲轴上的力是作用力与反作用力的关系，是不能平衡的，因此，当采用单列液压缸时，曲轴的轴承就会承受径向负荷l而当采用双列结构时，由于两偏心轮的偏心方向彼此相反，因而就可使径向负荷接近抵消，仅剩下不太大的力矩l双列液压马

24、达还可停止一列液压缸的进油，并使相应的进排油口与油箱相通的办法，将每转排量q减半，而达到轻载时转速提高一倍的目的。l静力平衡式液压马达因实现了油压的静力平衡，使主要滑动面间的摩擦力大为减少,故适用于高压，而且工作可靠，寿命长l其转矩和转速的脉动率较小(当采用五柱塞时，脉动率约为5)，也不存在油膜破坏的问题，所以低速稳定性好，最低转速可达5rmin以下，l这种液压马达工艺性好，并能做成壳转或双输出轴的型式。凡此种种，都是它的优点l但是五星轮运动时需要较大的空间，与连杆式液压马达相比，其曲轴的偏心距不能太大，因此在每转排量相同的条件下，其外形尺寸和重量较大l输出轴与转子相连, 由滚动轴承支承l转子

25、中径向均布若干个液压缸每缸配有柱塞，柱塞头顶在横梁上横粱可在转子槽内横向滑动，横粱装有滚轮滚轮可在定子内工作表面上滚动l定子内工作表面由几段均匀分布特定曲面组成，称为导轨l转子套装在固定不动的配油轴上l配油轴圆周均布2K个配油窗口配油窗口彼此相间地分为数目相等的两组每一对相邻的窗口都分属两组而彼此不通总是相反地各自对应于导轨的升降段l工作时每一配油窗口都可与转子液压缸底部油孔轮流相通还经轴内的通道分别与外接油孔A、B相联l如将压力油从油孔A通入油液就会从配油窗口进入1、2、6、7号液压缸这些缸滚轮此时正处在各段导轨的同一侧曲面上(称为工作段)通过柱塞作用在导轨曲面上的油压力P，可分解为N、T两个分力l法向分力法向分力N与导轨对滚轮的反作用力N1平衡l切向分力切向分力T使转子顺时针旋转，带动输出轴转动l处在各段导轨曲面另一侧(排油段)的3、4、8、9号