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1、第三章 液压执行元件 一般要求一般要求 液压缸的设计计算方法 重点要求重点要求 1、液压马达的参数计算、工作原理2、液压缸的类型、结构 具体要求具体要求 掌握液压马达的参数计算、工作原理；掌握液压缸的类型、结构；了解液压缸的设计计算方法。 3.1 液压马达一、液压马达的特点及分类一、液压马达的特点及分类从能量转换的观点来看，液压泵和液压马达是可逆工作的液压元件。但由于工作条件、性能要求不同，所以还存在许多差别，并不可逆。 1、特点（1）能正反转；为满足液压马达正反转的要求，其内部结构对称。（2）应具有最低稳定转速，且需要转速范围足够大，故常采用滚动轴承或静压滑动轴承；（3）因它在输入压力油条件
2、下工作，故可不具备自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起动转矩。 由于存在以上差别，故液压马达和液压泵在结构上相似，但不可替代。液压执行元件液压执行元件液压能液压能机械能的能量转换装置。机械能的能量转换装置。分类：液压马达液压马达：输出旋转运动；输出旋转运动； 液压缸：液压缸：输出直线（或摆线）运动。输出直线（或摆线）运动。第三章第三章 液压执行元件液压执行元件2、分类 (1) 按结构类型分：齿轮式、叶片式、柱塞式和其它型式。(2) 按其额定转速分：高速（500r/min）和低速（500r/min）。 输出转矩、排量与其进、出油口的压力差有关；转速由输入的流量大小来决定。特点：体积
3、小，转动惯量小，动作灵敏。应用：换向频率较高的场合。 主要用于转速高、转矩小、动作要求灵敏的场合（低速工作时不稳定）二、液压马达的工作原理二、液压马达的工作原理1 1、叶片式液压马达的工作原理、叶片式液压马达的工作原理2、径向柱塞式液压马达转子与定子之间有一偏心距e，柱塞在压力油的作用下顶住定子内壁，定子对柱塞的反作用力FF （=pd2/4）分解为FN 和FT ，分力FT =FFtan使缸体转动。在压油区有好几个柱塞，所产生的转矩都使缸体旋转，并输出转矩。应用：低速、大转矩场合。 三、液压马达的基本参数和基本性能1、液压马达的排量及其与转矩的关系液压马达输出转矩大小由负载转矩所决定。工作容腔的
4、大小是其工作能力的重要标志。 根据排量V的大小，可计算给定压力下液压马达所能输出转矩，和给定负载转矩下马达的工作压力。 若进、出油口压差为p，输入流量为q，则输出的理论转矩为Tt，角速度为。若不计损失，液压泵输出的液压功率应当全部转化为液压马达输出的机械功率，即： =2n q=Vn 理论转矩为： 2、液压马达的机械效率m和启动机械效率m0由于液压马达内部存在各种摩擦，实际输出的实际输出的T T总要比理论总要比理论T Tt t小小些些，即：m液压马达机械效率。在启动时，输出转矩要比运动中转矩小，这给液压马达的带载荷启动造成困难，故液压马达的启动性能很重要。液压马达启动性能指标用启动机械效率启动机
5、械效率 m0m0表示，即为：式中T0液压马达的启动转矩启动转矩。 注意：若液压马达带载启动，必须选择启动性能。 3、液压马达的转速和低速稳定性转速转速与供液流量流量q q和液压马达本身排量本身排量V V有关。因内部泄漏，并非所有进入马达的液体都推动液压马达做功，小部分液体泄漏损失，故实际转速n (r/min) 比理想情况低。爬行现象：当工作转速过低时，速度不均匀，进入时动时停的不稳定状态。但因低速大转矩马达的排量大（导致尺寸大），在低速下工作摩擦副的滑动速度也太低，加之马达排量大，泄漏的影响相对变小，马达本身的转动惯量大，故具有较好的低速稳定性。低速大转矩马达比高速马达的低速稳定性好。 v v
6、液压马达的容积效率。液压马达的容积效率。4、调速范围由于负载从低速到高速在很宽的范围内工作，也要求马达在较大的调速范围下工作。液压马达的调速范围以允许的最大转速和最低稳定速度之比表示，即注意：调速范围宽的调速范围宽的液压马达应具有好的高速性能好的高速性能和低速稳低速稳定性定性。3.2 液压缸一、液压缸的类型和特点按其结构形式分：活塞缸、柱塞缸、摆动缸活塞缸、柱塞缸、摆动缸。（一）活塞式液压缸1、双杆式活塞缸（图3-4）a）图缸体固定缸体固定，活塞杆有效长度 l，工作台行程3 l；b）图活塞杆固定活塞杆固定，工作台行程2 l，进出油口可设置在固定不动的空心活塞杆两端，使油液从活油液从活塞杆中进出
7、塞杆中进出。双杆式两端的活塞杆直径相等，左、右两腔的有效面积就相等。当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右两个方向的推力和速度相等。设活塞直径D，活塞杆直径d，当液压缸进、出油腔的压力p1、p2，输入流量q时，双活塞缸的推力 F 和速度 v 为 式中式中A A活塞的有效工作面积。活塞的有效工作面积。 双杆式活塞缸在工作时，一个活塞杆受拉，而另一个活塞杆不受力，故活塞杆的粗细无特别要求。2、单杆式活塞缸（图3-5）活塞只有一端有活塞杆（活塞两端有效面积不等）（活塞两端有效面积不等）。如果以相同流量相同流量的压力油分别进入液压缸左、右腔，活塞移动速度与进油腔有效面积成反比，进
8、入有效面积大的一腔时速度慢；进入有效面积小的一腔时速度快；而活塞上产生的推力则与进油腔的有效面积成正比。 (a) (b)图3-5单杆式活塞缸（1）无杆腔进油图3-5a），从无杆腔输入无杆腔输入流量q，进出油口压力分别为p1和p2时，在活塞上产生的推力F1和速度v1为 由上四式可知，A1A2， v1v2；又 p1 p2, F1F2。（2）有杆腔进油图3-5b），从有杆腔输入有杆腔输入时，在活塞所产生的推力F2和速度v2为 若把两个方向上的输出速度 v2 和 v1 的比值称为速度比，记作v，则有：活塞杆直径越小，v 越接近于1，活塞两个方向的速度差值也就越小。反之，活塞两个方向的速度差值也就越大。
9、已知D和v，可求得d。（3）差动进油如图3-6，左右两腔同时通压力油，形成差动连接，这种缸称为差动液压缸。开始工作时，差动缸左、右腔的压力相同压力相同 A左缸（有效）A右缸（有效） 活塞右移，而右腔排出的油液（流量q）进入左腔，使左腔q增大到q+ q，使活塞移动速度加快。则活塞推力F3和运动速度v3为：图 3-6 差动缸可知：差动缸推力比非差动缸小，速度大。利用此结果，可在不加大油源流量的情况下得到较快的速度。该连接方式被广泛应用于组合机床的液压动力滑台和其它机械设备的快速运动中。由上式注意：从有杆腔进油，也可得大速度。（为什么？）注意：从有杆腔进油，也可得大速度。（为什么？）（二）柱塞缸 柱
10、塞缸相当于将活塞缸的活塞直径变小与活塞杆的直径相同。工作原理如图3-7a。当柱塞直径d，输入流量q，压力p时，在柱塞上产生的推力F和速度v为：图3-7a）柱塞缸柱塞缸通常是成对反向使用（保证双向运动）。特点：特点：柱塞与缸筒无配合要求，缸筒内孔不需精确加工，甚至可不加工。运动时由缸盖上的导向套来导向，所以适用于行程较长的场合。（三）摆动缸（图3-8a为单作用摆动缸，3-8b为双作用摆动缸） 又称摆动液压马达。当它通入压力油时，它的主轴能输出小于360的摆动运动，常用于工夹具夹紧装置、送料装置、转位装置以及需要周期性紧给的系统中。当进出油口压力为p1和p2，输入流量为q时，输出转矩 T 和角速度
11、各为：图3-8a）为单作用摆动缸 式中 b叶片宽，R1、R2叶片底、顶部的回转半径。（四）其它液压缸1、增压缸又称增压器。有单作用和双作用两种，当低压为p1的油液推动增压缸的大活塞时，大活塞推动与其连成一体的小活塞输出压力为p2的高压液体，当大活塞直径D，小活塞直径为d时，式中：K=D2/d2（增压比，代表增压能力）2、伸缩缸由两个或多个活塞式液压缸套装而成，前一级活塞缸的活塞是后一级活塞缸的缸筒。伸缩时可获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸，伸缩缸被广泛用于起重运输车辆。图3-10 伸缩缸 图3-11 齿轮缸3、齿轮缸又称无杆式活塞缸，由一套柱塞缸和一套齿轮齿条传动装置组成，当压力
12、油推动活塞左右往复运动时，齿条就推动齿轮件往复旋转，从而齿轮驱动工作部件作周期性的往复旋转运动。二、液压缸的组成典型液压缸见图3-12。液压缸的基本结构：缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。 1、缸筒和缸盖（1）当工作压力p10MPa时：使用铸铁缸筒。缸筒和缸盖连接方式：法兰连接（图3-13a ）。特点：特点：易于加工和拆装，但外形尺寸大。图3-13a 法兰连接（2）当工作压力p20MPa时：使用无缝钢管缸筒。（3）当工作压力p20MPa时：使用铸钢或锻钢缸筒。缸筒和缸盖连接方式：半环连接（图3-13b）和螺纹连接（图3-13c）。图3-13b 半环连接图3-13c
13、 螺纹连接2、活塞和活塞杆（1 1）活塞和活塞杆的连接方式）活塞和活塞杆的连接方式 连接方式很多，但无论采用何种连接方式，都必须保证连接可靠。 常用连接方式：常用连接方式：锥销式连接、双螺纹连接、半环式连接（图3-14）；活塞和活塞杆制成整体式（只适用于尺寸较小的场合）。（2 2）活塞和活塞杆的材料）活塞和活塞杆的材料活塞：耐磨铸铁；活塞杆：钢材。3、密封装置（见第五章第四节）液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏防止油液的泄漏。其设计的好坏重要影响液压缸的静、动态性能。要求：要求：良好的密封性，尽可能长的寿命、制造简单、拆装方便、成本低。密封装置有活塞、活塞杆处的动密封活塞、活塞杆处的动密封和缸
14、盖等处的静密封缸盖等处的静密封。 密封件的主要类型：密封件的主要类型： OO型、型、V V型、型、Y Y型等几种型等几种。 4、缓冲装置当液压缸所驱动的工作部件质量较大，移动速度较快时，因动量大，在行程终了时，活塞与端盖发生撞击，造成液压冲击和噪声，甚至严重影响工作精度和引起整个系统及元件损坏。大型、高速或要求较高的液压缸中一般要设置缓冲装置。大型、高速或要求较高的液压缸中一般要设置缓冲装置。 缓冲装置的工作原理：当活塞行程到终点而接近缸盖时，增大 液压缸回油阻力，使回油腔中产生足够大的缓冲压力，使活 塞减速，从而防止活塞撞击缸盖。 三种液压缸缓冲装置三种液压缸缓冲装置 （1 1）间隙式缓冲装
15、置）间隙式缓冲装置间隙式缓冲装置的原理：间隙式缓冲装置的原理：当活塞移进缸盖时，凸台进入凹腔（lc缓冲长度），将封闭在回油腔中的油液从间隙挤压出来，使回油腔中压力升高，从而减速。注意注意：缓冲压力不可调节。 （2 2）可调节流缓冲装置：）可调节流缓冲装置：除了以上的凸台、凹腔，还有针形节流阀（可调节节流阀）、单向阀，可根据负载大小，调节针形节流阀的开口大小。其基本原理除上述的外，回油腔中的油液只能从针形节流阀流出。适用范围广。（3 3）可变节流缓冲装置：）可变节流缓冲装置：在活塞上有横截面为三角形的轴向斜横截面为三角形的轴向斜槽槽，节流口间隙在运动过程中是变化的，在缓冲过程中自动改变节流口大小
16、。缓冲均匀，冲击压力小，制动位置精度高。 5 5、排气装置、排气装置液压系统在开始工作前应使系统中的空气排出。为此可在缸的最高部位（空气易聚集地方）设置排气装置。排气装置通常有两种：（1）在液压缸最高部位处开排气孔，并用管道连接排气阀进行排气；（2）在液压缸的最高部位安放排气塞。 三、液压缸的设计和计算步骤三、液压缸的设计和计算步骤（1）对整个液压系统工况分析，编制负载图；（2）选定系统工作压力；（3）根据使用要求，选择结构类型；（4）按负载情况、运动要求、最大行程确定其主要工作尺寸；（5）进行强度、稳定性和缓冲验算验算；（6）最后进行结构设计。 1、液压缸设计的注意事项：（1）尽量使液压缸的活
