《汽车机械基础》课件第18章.ppt

1、第18章液压缸和液压马达 第18章液压缸和液压马达 18.1 液压缸的类型和特点液压缸的类型和特点 18.2 液压缸的结构液压缸的结构 18.3 液压马达液压马达 第18章液压缸和液压马达 18.1液压缸的类型和特点液压缸的类型和特点 18.1.118.1.1活塞式液压缸活塞式液压缸 1.1.双杆活塞式液压缸双杆活塞式液压缸如图18-1所示为双杆活塞式液压缸的原理图，活塞两侧均装有活塞杆。当两活塞杆直径相同（即有效工作面积相等）、供油压力和流量不变时，那么活塞往返运动时两个方向的推力和运动速度均相等，即)(422dDqAquvv（18-1）第18章液压缸和液压马达)(4)(212221ppdD

2、AppF（18-2）式中：u活塞（或缸体）的运动速度；qv供油流量；F活塞(或缸体)上的推力；p1、p2分别为液压缸进、出口压力；A液压缸有效工作面积；D、d分别为活塞、活塞杆直径。这种两个方向等速、等力的特性使双杆液压缸可以用于双向负载基本相等的场合，如磨床液压系统。第18章液压缸和液压马达 图18-1 双杆活塞式液压缸 第18章液压缸和液压马达 2.2.单杆活塞式液压缸单杆活塞式液压缸如图18-2所示为双作用单杆活塞式液压缸。它只在活塞的一侧装有活塞杆，因而，两腔有效作用面积不同。当向两腔分别供油，且供油压力和流量不变时，活塞在两个方向的运动速度和推力都不相等。第18章液压缸和液压马达 图

3、18-2单杆活塞式液压缸(a)无杆腔进油；(b)有杆腔进油；(c)差动连接 第18章液压缸和液压马达（1）当无杆腔进油时，活塞的运动速度u1和推力F1分别为：2114DqAquvv222122212221114)(42)(44pdppDpdDpDApApF（18-3）（18-4）第18章液压缸和液压马达（2）当有杆腔进油时，活塞的运动速度u2和推力F2分别为：)(42222dDqAquvv（18-5）1221222122122124)(44)(4pdppDpDpdDApApF（18-6）式中：qv供油流量；p1、p2分别为液压缸进、出口压力；D、d分别为活塞、活塞杆直径。A1、A2分别是液压缸

4、无杆腔和有杆腔的活塞有效作用面积。第18章液压缸和液压马达（3）液压缸两腔同时供入压力油（如图18-2（c）所示），由于无杆腔工作面积比有杆腔工作面积大，活塞向右的推力大于向左的推力，故其向右移动。液压缸的这种连接方式称为差动连接，差动连接时，活塞的速度和推力分别为：22134dqAAquvv1212212221134)(44pdpdDpDApApF（18-7）（18-8）差动连接时，实际起有效作用的面积是活塞杆的横截面积。与非差动连接无杆腔进油工况相比，在输入油液压力和流量相同的条件下，活塞杆的伸出速度较大而推力较小。第18章液压缸和液压马达 18.1.218.1.2柱塞式液压缸柱塞式液压缸

5、如图18-3所示，柱塞缸由缸筒1、柱塞2、导向套3、密封圈4和压盖5等零件所组成。由于柱塞与导向套配合，以保证良好的导向，故可以不与缸筒接触。因而，对缸筒内壁的要求很低，甚至可以不加工，工艺性好，成本低，特别适合于行程较长的场合。第18章液压缸和液压马达 图18-3柱塞式液压缸 第18章液压缸和液压马达 18.1.3摆动式液压缸摆动式液压缸摆动式液压缸也称摆动马达，是输出转矩并实现往复摆动的执行元件，有单叶片和双叶片两种形式。如图18-4(a)所示为单叶片式摆动缸，它的摆动角较大，可达300。当摆动缸进出油口压力分别为p1和p2，且输入流量为qv时，它的输出转矩T和角速度各为)(2212122

6、ppRRbT)(22122RRbqv（18-9）（18-10）式中：b为叶片的宽度；R1、R2分别为叶片底部、顶部的回转半径。第18章液压缸和液压马达 图18-4摆动缸(a)单叶片式摆动缸；(b)双叶片式摆动缸；(c)图形符号 第18章液压缸和液压马达 18.1.418.1.4组合式液压缸组合式液压缸1.1.伸缩缸伸缩缸伸缩缸也称多级缸，它由两极或两极以上活塞缸套装而成，如图18-5所示，前一级活塞缸的活塞就是后一级活塞缸的缸筒。当伸缩缸逐个伸出时，有效工作面积依次减小，因此，当输入流量相同时，外伸速度依次增大；当负载恒定时，液压缸的工作压力逐渐升高。空载收回的顺序一般是从小活塞到大活塞，活塞

7、全部收回后，总长度较短，结构紧凑，适用于安装空间受到限制而行程要求很长的场合，如起重机伸缩臂液压缸、自卸汽车举升液压缸等。第18章液压缸和液压马达 图18-5伸缩缸 第18章液压缸和液压马达 2.2.齿条活塞缸齿条活塞缸如图18-6所示为齿条活塞缸，又称无杆活塞缸，它由带齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构所组成。这种液压缸的特点是：将活塞的直线往复运动经过齿轮、齿条机构转换为回转运动。齿条活塞缸常用于机床的进给机构、回转工作台的转位机构等。第18章液压缸和液压马达 图18-6齿条活塞缸 第18章液压缸和液压马达 18.2液压缸的结构液压缸的结构 如图18-7所示为液压滑台液压缸的典型结构，它由缸筒

8、、活塞、活塞杆、端盖等组成。为了防止油液向外泄漏，或由高压腔向低压腔泄漏，在缸筒与端盖、活塞与活塞杆、活塞与缸筒之间均设置密封圈。为了防止灰尘、沙粒、水等脏物进入液压缸内部，在端盖与活塞杆之间装有防尘圈，用以刮除活塞杆上的脏物。为了防止活塞快速退回到行程终端时撞击缸盖，在液压缸的端部还设置了缓冲装置。液压缸用螺钉固定在滑座上，活塞杆通过支架和滑台固定在一起，当活塞杆往复移动时，即带动滑台运动。归纳起来，液压缸由缸体组件、活塞组件、密封件和连接件等基本部分所组成，此外，一般液压缸还设有缓冲装置和排气装置。第18章液压缸和液压马达 图18-7液压滑台液压缸第18章液压缸和液压马达 18.2.118

9、.2.1缸体组件缸体组件1.1.缸体组件的连接形式缸体组件的连接形式缸体组件常见的连接形式如图18-8所示。法兰式结构简单，加工和拆装都很方便，连接可靠，缸筒端部一般采用铸造、镦粗或焊接方式制成粗大的外径，用以穿装螺栓，大中型液压缸大部分采用此种结构。半环式连接分外半环连接和内半环连接两种，半环连接工艺性好，连接可靠，结构紧凑，拆装方便。但半环槽对缸筒强度有所削弱，需加厚缸壁，常用于无缝钢管、缸筒与端盖的连接。螺纹式连接分为外螺纹连接和内螺纹连接两种，其特点是重量轻，外径小，结构紧凑，但缸筒端部结构复杂，装卸需专用工具，旋端盖时易损坏密封圈，一般用于小型液压缸。拉杆式连接结构通用性好，缸筒加工

10、方便，拆装容易，但端盖的体积较大，拉杆受力后会拉伸变形，影响端部密封效果，只适用于长度不大的中低压缸。焊接式连接外形尺寸较大，结构简单，但焊接时易引起缸筒变形，主要用于柱塞式液压缸。第18章液压缸和液压马达 图18-8缸体组件的连接形式(a)法兰式；(b)半环式；(c)外螺纹式；(d)内螺纹式；(e)拉杆式；(f)焊接式 第18章液压缸和液压马达 2.2.缸筒、端盖和导向套缸筒、端盖和导向套缸筒是液压缸的主体，它与端盖、活塞等零件构成密闭的容腔承受油压，因此，要有足够的强度和刚度，以便抵抗液压力和其他外力的作用。缸筒内孔一般采用镗削、绞孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，以使活塞及其密封件、支撑

11、件能顺利滑动和保证密封效果，减少磨损。为防止腐蚀，缸筒内部有时需要镀铬。端盖装在缸筒端部，与缸筒形成密闭容腔，同样承受很大的液压力，因此它们及其连接部件都应有足够的强度。导向套对活塞杆或柱塞起导向和支撑作用。有些液压缸不设导向套，直接用端盖孔导向，结构简单，但磨损后必须更换缸盖。第18章液压缸和液压马达 18.2.218.2.2活塞组件活塞组件1.1.活塞组件的连接形式活塞组件的连接形式如图18-9所示为活塞与活塞杆连接的主要形式。整体式连接（如图18-9（a）所示）和焊接式连接（如图18-9（b）所示）结构简单，轴向尺寸紧凑，但损坏后需整体更换。锥销式连接（如图18-9（c）所示）加工容易，

12、装配简单，但承载能力小，且需要必要的防止脱落装置。螺纹式连接（如图18-9（d）、（e）所示）结构简单，装拆方便，但一般需备有防松螺母。半环式连接（如图18-9（f）、（g）所示）强度高，但结构复杂。在轻载情况下，可采用锥销式连接。一般情况使用螺纹式连接；高压和振动较大的情况下，使用半环式连接；行程较短或尺寸不大的液压缸，其活塞与活塞杆可采用整体式或焊接式连接。第18章液压缸和液压马达 图18-9活塞与活塞杆的连接形式(a)整体式；(b)焊接式；(c)锥销式；(d)、(e)螺纹式；(f）、（g)半环式 第18章液压缸和液压马达 2.2.活塞和活塞杆活塞和活塞杆活塞受油压的作用在缸筒内做往复运动

13、，因此，活塞必须具有一定的强度和良好的耐磨性。活塞一般用铸铁制造。活塞的结构通常分为整体式和组合式两类（如图18-9所示）。活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，它必须具备足够的强度和刚度。活塞杆无论是实心的还是空心的，通常都用钢料制造。活塞杆在导向套内往复运动，其外圆表面应当耐磨并具有防锈能力，故活塞杆外圆表面一般镀铬。第18章液压缸和液压马达 18.2.318.2.3密封装置密封装置密封装置的作用是用来防止液压油的泄漏。液压泵、液压缸、液压马达等是依靠密闭容积的变化来传递能量的，所以，密封装置的优劣将直接影响液压元件的性能。根据两个需要密封的偶合面间有无相对运动，可把密封装置分为动密封和静

14、密封两类。密封装置应该具有良好的密封性能，并能随着压力的增加自动提高其密封性能，同时，摩擦阻力要小，耐油性、耐腐蚀性、耐磨性要好，使用寿命长，还要制造简单，装拆方便，使用的温度范围宽等。常见的密封方法主要有间隙密封、活塞环密封和密封圈密封。第18章液压缸和液压马达 1.1.间隙密封间隙密封间隙密封是依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄漏实现密封的，因此，可用减小间隙的办法来减少泄漏。一般的间隙为0.010.05mm，这就要求配合面的加工精度很高。在圆柱配合面的间隙密封中，常在配合表面上开有几道环行的沟槽（宽0.30.5mm，深0.51mm，间距25mm），一般称平衡槽。其作用是可使活塞自

15、动对中，各向油压趋于平衡，减小摩擦阻力；可减小偏心量，增大油液泄漏阻力，提高密封性能；可储存油液，使活塞能自动润滑。间隙密封的特点是结构简单，摩擦阻力小，磨损小，润滑性能好，但对零件的加工精度要求较高，密封效果较差，因此，间隙密封仅适用于尺寸较小，压力较低，运动速度较高的活塞与缸体内孔间的密封。第18章液压缸和液压马达 2.2.活塞环密封活塞环密封活塞环密封是依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴缸筒内壁实现密封，如图18-10所示。其密封效果较间隙密封好，适应的压力和温度范围宽，能自动补偿磨损和温度变化的影响，能在高速条件下工作，摩擦阻力小，使用寿命长，工作可靠。但因活塞环与其对应的滑动面之间

16、为金属接触，故不能完全密封，且活塞环加工复杂，缸筒内表面加工精度要求高，一般用于高压、高温、高速的场合。第18章液压缸和液压马达 图18-10活塞环密封(a)活塞环的安装；(b)活塞环 第18章液压缸和液压马达 3.3.密封圈密封密封圈密封（1）O形密封圈。O形密封圈的截面是圆形，主要用于静密封和滑动密封。O形圈密封的原理如图18-11所示，它属于挤压密封。当密封圈装入密封槽后，其截面受到一定的压缩变形。在无液压力时，靠密封圈的弹性对接触面产生预接触压力p0，实现初始密封（如图18-11（a）所示）。当密封腔充入压力油后，在液压力p的作用下，O形圈被挤到槽的一侧，O形圈变成如图18-11（b）

17、所示。O形圈以更大的弹性变形力密封，密封面上的接触压力上升为pm，提高了密封效果。O形圈在安装时必须保证适当的预压缩量，压缩量的大小直接影响O形圈的使用性能和寿命，过小不能密封，过大则摩擦力增大，且易损坏。第18章液压缸和液压马达 图18-11O形圈密封原理 第18章液压缸和液压马达 在静密封中，当压力大于32MPa时，或在静密封中，当压力大于10MPa时，O形圈就会被挤入间隙中而损坏，以致密封效果降低或失去密封作用，为此在O形圈低压侧需设置由聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈（如图18-12所示），其厚度为1.252.5mm。当双向受高压时，两侧都要加挡圈。第18章液压缸和液压马达 图18-12挡圈

18、的设置 第18章液压缸和液压马达（2）Y形密封圈。Y形密封圈的截面呈Y形，属唇形密封圈，它主要用于往复运动的密封。Y形密封圈的密封作用是依赖于它的唇边对偶合面的紧密接触，在液压力的作用下产生较大的接触压力，达到密封的目的。液压力越大，贴得越紧，接触压力越大，密封性能越好。因此，Y形圈从低压到高压的压力范围内都表现了良好的密封性能，还能自动补偿唇边的磨损。当Y形圈安装时，唇口端对应着液压力高的一侧。当压力变化较大，且滑动速度较快时，为避免翻转，要使用支撑环，以固定密封圈，如图18-13所示。第18章液压缸和液压马达 图18-13Y形密封圈(a)Y形圈一般安装(b)Y形圈带支撑环安装 第18章液压

19、缸和液压马达（3）V形密封圈。V形密封圈的截面是V形，如图18-14所示，它是由压环、V形圈和支撑环组成的。所采用的V形圈的数量可根据工作压力来选定，安装时，V形圈的开口应向压力高的一侧。V形圈的密封性能良好、耐高压、寿命长、通过选择适当的V形圈的数量和调节压紧力，可获得最佳的密封效果，但V形圈的摩擦阻力及轴向结构尺寸较大，它主要用于活塞杆的往复运动密封。第18章液压缸和液压马达 图18-14V形密封圈 第18章液压缸和液压马达（4）防尘圈。防尘圈设置在活塞杆或柱塞密封圈的外部，防止外界灰尘、沙粒等异物进入液压缸内，以避免影响液压系统的工作液压元件的使用寿命。目前，常用的防尘圈一般为唇形，按其

20、有无骨架分为骨架式和无骨架式两种。其中，无骨架式应用最为广泛，其工作状态如图18-15所示。防尘圈的唇部对活塞杆应有一定的过盈量，以便当活塞杆做往复运动时，唇口刃部能将粘附在杆上的灰尘、沙粒等清除掉。第18章液压缸和液压马达 图18-15防尘圈 第18章液压缸和液压马达 18.2.418.2.4液压缸的缓冲装置液压缸的缓冲装置1.1.圆柱形环隙式缓冲装置圆柱形环隙式缓冲装置如图18-16(a)所示，当缓冲柱塞A进入缸盖上的内孔时，缸盖和活塞间形成环形缓冲油腔B，被封闭的油液只能经环形间隙排出，产生缓冲压力，从而实现减速缓冲。这种装置在缓冲过程中，由于回油通道的节流面积不变，故缓冲开始时产生的缓

21、冲制动力很大，其缓冲效果较差，液压冲击较大，且实现减速所需行程较长。但这种装置结构简单，便于设计和降低成本，所以，在一般系列化的成品液压缸中多采用这种缓冲装置。第18章液压缸和液压马达 2.2.圆锥形环隙式缓冲装置圆锥形环隙式缓冲装置如图18-16(b)所示，由于缓冲柱塞A为圆锥形，所以，缓冲环形间隙随位移量不同而改变，即节流面积随缓冲行程的增大而缩小，使机械能的吸收较均匀，其缓冲效果较好，但仍有液压冲击。3.3.可变节流槽式缓冲装置可变节流槽式缓冲装置如图18-16(c)所示，在缓冲柱塞A上开有三角节流沟槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，其缓冲压力变化较平缓。第18章液压缸和液压马达

22、 4.4.可调节流孔式缓冲装置可调节流孔式缓冲装置如图18-16(d)所示，当缓冲柱塞A进入到缸盖内孔时，回油口被柱塞堵住，只能通过节流阀C回油，调节节流阀的开度，可以控制回油量，从而控制活塞的缓冲速度。当活塞反向运动时，压力油通过单向阀D很快进入到液压缸内，并作用在活塞的整个有效作用面上，故活塞不会因推力不足而产生启动缓慢现象。这种缓冲装置可以根据负载的情况调整节流阀的开度，进而改变缓冲压力的大小，因此适用范围较广。第18章液压缸和液压马达 图18-16液压缸的缓冲装置(a)圆柱形环隙式；(b)圆锥形环隙式；(c)可变节流槽式；(d)可调节流孔式 第18章液压缸和液压马达 18.2.518.

23、2.5排气装置排气装置液压系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，并产生振动、噪声及工作部件爬行和前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作。因此，在设计或使用液压缸时，必须考虑排除空气。在液压系统安装或长时间停止工作后又重新启动时，必须把液压系统中的空气排出去。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置，而是将油口布置在缸筒两端的最高处，这样也能使空气随油液排往油箱，再从油面逸出。对于速度稳定性要求较高的液压缸或大型液压缸，常在液压缸两侧面的最高位置处(该处往往是空气聚集的地方)设置专门的排气装置，如排气塞、排气阀等。如图18-17所示为两种排气塞。当松开排气塞螺钉后，让液压缸全行程空载往复运动若

24、干次，带有气泡的油液就会被排出，然后再拧紧排气塞螺钉，液压缸便可正常工作。第18章液压缸和液压马达 图18-17排气塞 第18章液压缸和液压马达 18.3液压马达液压马达 18.3.118.3.1液压马达的主要性能参数液压马达的主要性能参数1.1.液压马达的转速和容积效率液压马达的转速和容积效率由于马达存在泄漏，输入马达的实际流量qv应大于理论流量qvt，故液压马达的容积效率为 vvtvqq（18-11）将qv=Vn代入上式，可得液压马达的转速为：vvVqn（18-12）第18章液压缸和液压马达 2.液压马达的转矩和机械效率液压马达的转矩和机械效率因为液压马达工作时存在摩擦，所以它的实际输出转

25、矩T必然小于理论转矩Tt，故液压马达的机械效率为 tmTT（18-13）设马达进、出口间的压差为p，则马达的理论功率为Pt=2nTt=pqvt=pVn，因而有 2pVTt第18章液压缸和液压马达 将上式代入式（18-13），可得液压马达的输出转矩公式为 mpVT2（18-14）第18章液压缸和液压马达 3.液压马达的总效率液压马达的总效率液压马达的输入功率Pi=pqv，输出功率Po=2nT。马达的总效率为输出功率Po与输入功率Pi的比值，即 vmvvipVTpqnTPP220（18-15）从上式可知，液压马达的总效率等于液压马达的机械效率m和容积效率v的乘积。第18章液压缸和液压马达 18.3

26、.218.3.2液压马达液压马达液压马达的结构与同类型的液压泵基本相同。按照液压马达的输出转速不同，可分为高速马达和低速马达两类，一般认为额定转速高于500r/min的属于高速马达，额定转速低于500r/min的属于低速马达。按照排量是否可以调节，液压马达可分为定量马达和变量马达两类，其中变量马达又可分为单向变量马达和双向变量马达。下面以常用的轴向柱塞式液压马达为例介绍液压马达的工作原理。第18章液压缸和液压马达 如图18-18所示，当压力油经配油盘通入柱塞底部孔时，柱塞受压力油作用向外伸出，并紧压在斜盘上，这时斜盘对柱塞产生一反作用力F。由于斜盘倾斜角为，所以，F可分解为两个分力：一个是轴向

27、分力Fx，它和作用在柱塞上的液压作用力相平衡；另一个是分力Fy，它使缸体产生转矩。设柱塞和缸体的垂直中心线成角，此柱塞产生的转矩为 Ti=Fya=FyRsin=FxRtansin(18-16)式中：R为柱塞在缸体中的分布圆半径。第18章液压缸和液压马达 图18-18轴向柱塞式液压马达的工作原理 第18章液压缸和液压马达 液压马达输出的转矩应是处于高压腔各柱塞产生转矩的总和，即 T=FxR tansin(18-17)由于柱塞的瞬时方位角是变量，柱塞产生的转矩也发生变化，故液压马达产生的总转矩也是脉动的。当马达的进、回油口互换时，马达将反向转动。如果改变斜盘倾角的大小，就改变了马达的排量；如果改变斜盘倾角的方向，就改变了马达的旋转方向，这时就成为双向变量马达。