第四章液压执行元件 第一讲 1、授课日期、班级 2、课题41液压马达 3、教学目的要求 了解液压马达的分类,各种类型液压马达的工作原理及使用领域。 4、教学内容要点 液压马达的分类;工作参数和使用性能:各种类型液压马达的工作原理及使用场合 5、重点、难点 液压马达的工作原理 6、教学方法和手段 课堂教学为主,充分利用多媒体动画来表示抽象概念 7.主要参考书目和资料 8、课堂教学 8.1复习提问 回想液压系统的四大组成部分,有 8.2讲授新课 4-1液压马达 hydraulic motor) 、液压马达的分类及特点 液压马达是将液压能转换为机械能的装置,可以实现连续地旋转运动。液压马达可分为高速和 低速两大类。一般认为,额定转速高于500pm的属于高速液压马达;额定转速低速500rpm的则属 于低速液压马达
第四章 液压执行元件 第一讲 1、授课日期、班级 2、课题 4-1 液压马达 3、教学目的要求 了解液压马达的分类，各种类型液压马达的工作原理及使用领域。 4、教学内容要点 液压马达的分类；工作参数和使用性能；各种类型液压马达的工作原理及使用场合 5、重点、难点 液压马达的工作原理 6、教学方法和手段 课堂教学为主，充分利用多媒体动画来表示抽象概念。 7．主要参考书目和资料 8、课堂教学 8.1 复习提问 回想液压系统的四大组成部分，有 8.2 讲授新课 4-1 液压马达(hydraulic motor) 一、液压马达的分类及特点 液压马达是将液压能转换为机械能的装置，可以实现连续地旋转运动。液压马达可分为高速和 低速两大类。一般认为，额定转速高于 500rpm 的属于高速液压马达；额定转速低速 500rpm 的则属 于低速液压马达
齿轮式 高速{叶片式 柱塞式(斜盘式 液压马达 斜轴式 轴向式--双斜盘式 曲柄连杆式 低速大扭矩 径向式静力平衡式 多作用内曲线 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。它们的主要特点是:转 速较高,转动惯量小,便于起动和制动,调节(调速和换向)灵敏度高。通常高速液压马达的输出扭 矩不大,仅几十Nm到几百Nm,所以又称为高速小扭矩液压马达 低速液压马达的基本形式是径向柱塞式,例如多作用内曲线式、单作用曲轴连杆式和静刚压平 衡式等。低速液压马达的主要特点是:排量大,体积大,转速低,有的可低到每分钟几转甚至不到 转,因此可以直接与工作机构连接,不需要减速装置,使传动机构大大简化。通常低速液压马达 的输出扭矩较大,可达几千Nm到几万Nm,所以又称为低速大扭矩液压马达 从原理上讲,马达和泵在工作原理上是互逆的,当向泵输入压力油时,其轴输出转速和转矩就 成为马达。同类型的泵和马达在结构上相似,但由于二者的功能不同,导致了结构上的某些差异 在实际结构上只有少数泵能做马达使用。例如 (1)液压泵的吸油腔一般为真空,为改善吸油性能和抗气蚀能力,通常把进口做得比出口大:而 液压马达的排油腔的压力稍高于大气压力,所以没有上述要求,进、出油口的尺寸相同。 (2)液压泵在结构上必须保证具有自吸能力,而液压马达则没有这一要求 (3)液压马达需要正、反转,所以在内部结构上应具有对称性:而液压泵一般是单方向旋转,其 内部结构可以不对称 (4)在确定液压马达的轴承结构形式及其润滑方式时,应保证在很宽的速度范围内都能正常地工 而液压泵的转速高且一般变化很小,就没有这一苛刻要求 (5)液压马达应有较大的起动扭矩(即马达由静止状态起动时,其轴上所能输出的扭矩)。因为将 要起动的瞬间,马达内部各摩擦副之间尚无相对运动,静摩擦力要比运行状态下的动摩擦力大得多, 机械效率很低,所以起动时输出的扭矩也比运行状态下小。另外,起动扭矩还受马达扭矩脉动的影 响,如果起动工况下马达的扭矩正处于脉动的最小值,则马达轴上的扭矩也小。为了使起动扭矩尽 可能接近工作状态下的扭矩,要求马达扭矩的脉动小,内部摩擦小。例如齿轮马达的齿数就不能像 齿轮泵那样少,轴向间隙补偿装置的压紧系数也比泵取得小,以减少摩擦。 由于上述原因,就使得很多同类型的泵和马达不能互逆通用。 液压马达的主要工作参数 液压泵的基本性能参数主要是指液压泵的压力、排量、流量、功率和效率等。 液压泵和液压马达的压力(工程上常用单位为MPa) 工作压力p:指马达实际工作时的压力。对马达来讲,则是指它的输入压力,是指其输入油 液的压力,实际工作压力的大小取决于相应的负载(输出轴上的负载转矩) 额定压力p,:马达在额定工况条件下按试验标准规定的连续运转的最高压力,超过此值就是 过载,马达的效率就将下降,寿命就将降低。马达铭牌上所标定的压力就是额定压力。 由于液压系统的用途不同,系统所需要的压力也不相同,为了便于液压元件等设计生产和使用 将压力分为以下几个等 压力分级 压力等级低压中压中高压上高压「超高因
− − 多作用内曲线 静力平衡式 曲柄连杆式 径向式 轴向式 双斜盘式 低速大扭矩 斜轴式 斜盘式 柱塞式 叶片式 齿轮式 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。它们的主要特点是：转 速较高，转动惯量小，便于起动和制动，调节(调速和换向)灵敏度高。通常高速液压马达的输出扭 矩不大，仅几十 N.m 到几百 N.m，所以又称为高速小扭矩液压马达。 低速液压马达的基本形式是径向柱塞式，例如多作用内曲线式、单作用曲轴连杆式和静刚压平 衡式等。低速液压马达的主要特点是：排量大，体积大，转速低，有的可低到每分钟几转甚至不到 一转，因此可以直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大大简化。通常低速液压马达 的输出扭矩较大，可达几千 N.m 到几万 N.m，所以又称为低速大扭矩液压马达。 从原理上讲，马达和泵在工作原理上是互逆的，当向泵输入压力油时，其轴输出转速和转矩就 成为马达。同类型的泵和马达在结构上相似，但由于二者的功能不同，导致了结构上的某些差异， 在实际结构上只有少数泵能做马达使用。例如： (1)液压泵的吸油腔一般为真空，为改善吸油性能和抗气蚀能力，通常把进口做得比出口大；而 液压马达的排油腔的压力稍高于大气压力，所以没有上述要求，进、出油口的尺寸相同。 (2)液压泵在结构上必须保证具有自吸能力，而液压马达则没有这一要求。 (3)液压马达需要正、反转，所以在内部结构上应具有对称性；而液压泵一般是单方向旋转，其 内部结构可以不对称。 (4)在确定液压马达的轴承结构形式及其润滑方式时，应保证在很宽的速度范围内都能正常地工 作；而液压泵的转速高且一般变化很小，就没有这一苛刻要求。 (5)液压马达应有较大的起动扭矩(即马达由静止状态起动时，其轴上所能输出的扭矩)。因为将 要起动的瞬间，马达内部各摩擦副之间尚无相对运动，静摩擦力要比运行状态下的动摩擦力大得多， 机械效率很低，所以起动时输出的扭矩也比运行状态下小。另外，起动扭矩还受马达扭矩脉动的影 响，如果起动工况下马达的扭矩正处于脉动的最小值，则马达轴上的扭矩也小。为了使起动扭矩尽 可能接近工作状态下的扭矩，要求马达扭矩的脉动小，内部摩擦小。例如齿轮马达的齿数就不能像 齿轮泵那样少，轴向间隙补偿装置的压紧系数也比泵取得小，以减少摩擦。 由于上述原因，就使得很多同类型的泵和马达不能互逆通用。 二、液压马达的主要工作参数 液压泵的基本性能参数主要是指液压泵的压力、排量、流量、功率和效率等。 1、液压泵和液压马达的压力（工程上常用单位为 MPa） 工作压力 p ：指马达实际工作时的压力。对马达来讲，则是指它的输入压力，是指其输入油 液的压力，实际工作压力的大小取决于相应的负载（输出轴上的负载转矩）。 额定压力 s p ：马达在额定工况条件下按试验标准规定的连续运转的最高压力，超过此值就是 过载，马达的效率就将下降，寿命就将降低。马达铭牌上所标定的压力就是额定压力。 由于液压系统的用途不同，系统所需要的压力也不相同，为了便于液压元件等设计生产和使用， 将压力分为以下几个等级。 压力分级 压力等级 低压 中压 中高压 高压 超高压
压力MPa[≤25>25~8>8~16>6~32>32 最高压力 按试验标准规定进行超过额定压力而允许短暂运行的最高压力。它的值主要 取决于零件及相对磨擦副的破坏强度极限。 液压马达背压:为保证马达正常工作所需的出口背压,它的值与马达结构有关 2、液压泵和液压马达的转速(常用单位为r/min) 额定转速n:在额定压力下,根据试验结果推荐能长时间连续运行并保持较高运行效率的转 最高转速n:在额定压力下,为保证使用性能和使用寿命所允许的短暂运行最高转速。随 着转速的提高,泵或马达流道中的流速增加。因而流体的摩擦损失增加,效率降低。马达的最高转 速还受其零件摩擦副最高允许相对摩擦速度及其他工作机理的限制。 最低转速n:为保证使用性能所允许的最低转速。当马达在低速运行时,其运行效率将下 降。过低的运行效率将无法被用户所接受。对马达来说,由于泄漏、摩擦力、流量脉动等因素的影 响,在低速时会出现爬行现象,所以还有最低稳定转速的限制 3、液压泵和液压马达的排量及流量(常用单位为cm/r及m/r,工程上也常用L/min (皿L/min毫升/分),1m3/r=6000L/r) 排量V:泵、马达的轴每转一周,由其密封容腔几何体积变化所排出、吸入液体的体积,亦即 在无泄漏的情况下,其轴转动一周时油液体积的有效变化量,有时候也称为理论排量。排量取决于 泵的结构参数,而与其工况无关,它是衡量和比较不同泵的供液能力的统一标准,是液压泵的一个 特征参数。 理论流量qn指在不考虑泄漏的前提下,在单位时间内由其密封容腔几何体积变化而排出(吸 入)的液体体积。泵、马达的流量为其转速与排量的乘积。 qn 平均理论流量qn:不考虑泄漏及流量脉冲,在单位时间内进入马达的理论流量 式中:qn-…理论流量,单位为m/s n---转速,单位为r/min V-排量,单位为m3/r。 实际流量q1:实际运行时,在各种不同的压力下,或进入马达的流量,qn=qn+q。上 式Δq中为一定压力下的泄漏量。泄漏量是通过液压马达各个运动副的间隙所泄漏的液体体积。这 部分液体不传递功率,也称马达的容积损失,泄漏量与压力的乘积便是容积损失功率 额定流量qn:指在正常工作条件下,按试验标准规定必须保证的流量,亦即在额定转速和 额定压力下泵输出的实际流曩。因为马达存在内泄漏,油液具有压缩性,所以额定流量和理论流 量是不同的。 瞬时流量qn:由于运动学机理,马达的流量往往具有脉动性。某一瞬间的流量称为瞬时流 量(通常是指理论瞬时流量,不考虑泄漏,主要指在硏究某一运动过程)。 4、液压马达的转矩 理论输出转矩T,:不考虑能量损失时,马达轴上的输出转矩。 实际输出转矩Tm: Tm=I'n 式中:Tm-液压马达实际输出转矩,单位为N.m
压力(MPa) ≤2.5 >2.5～8 >8～16 >16～32 >32 最高压力 max p ：按试验标准规定进行超过额定压力而允许短暂运行的最高压力。它的值主要 取决于零件及相对磨擦副的破坏强度极限。 液压马达背压：为保证马达正常工作所需的出口背压，它的值与马达结构有关。 2、液压泵和液压马达的转速（常用单位为 r/min） 额定转速 n ：在额定压力下，根据试验结果推荐能长时间连续运行并保持较高运行效率的转 速。 最高转速 nmax ：在额定压力下，为保证使用性能和使用寿命所允许的短暂运行最高转速。随 着转速的提高，泵或马达流道中的流速增加。因而流体的摩擦损失增加，效率降低。马达的最高转 速还受其零件摩擦副最高允许相对摩擦速度及其他工作机理的限制。 最低转速 nmin ：为保证使用性能所允许的最低转速。当马达在低速运行时，其运行效率将下 降。过低的运行效率将无法被用户所接受。对马达来说，由于泄漏、摩擦力、流量脉动等因素的影 响，在低速时会出现爬行现象，所以还有最低稳定转速的限制。 3、液压泵和液压马达的排量及流量（常用单位为 cm 3 /r 及 m 3 /r，工程上也常用 L/min （mL/min 毫升/分），1m3 /r=60000 L/r） 排量 V：泵、马达的轴每转一周，由其密封容腔几何体积变化所排出、吸入液体的体积，亦即 在无泄漏的情况下，其轴转动一周时油液体积的有效变化量，有时候也称为理论排量。排量取决于 泵的结构参数，而与其工况无关，它是衡量和比较不同泵的供液能力的统一标准，是液压泵的一个 特征参数。 理论流量 m q ：指在不考虑泄漏的前提下，在单位时间内由其密封容腔几何体积变化而排出（吸 入）的液体体积。泵、马达的流量为其转速与排量的乘积。 q V n m = 平均理论流量 vt q ：不考虑泄漏及流量脉冲，在单位时间内进入马达的理论流量 60 V n qvt = 式中： vt q -----理论流量，单位为 m 3 /s； n -----转速，单位为 r/min； V-----排量，单位为 m 3 /r。 实际流量 v q ：实际运行时，在各种不同的压力下，或进入马达的流量， qv = qvt + q 。上 式 q 中为一定压力下的泄漏量。泄漏量是通过液压马达各个运动副的间隙所泄漏的液体体积。这 一部分液体不传递功率，也称马达的容积损失，泄漏量与压力的乘积便是容积损失功率。 额定流量 vn q ：指在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的流量，亦即在额定转速和 额定压力下泵输出的实际流量。因为马达存在内泄漏，油液具有压缩性，所以额定流量和理论流 量是不同的。 瞬时流量 qvsh ：由于运动学机理，马达的流量往往具有脉动性。某一瞬间的流量称为瞬时流 量（通常是指理论瞬时流量，不考虑泄漏，主要指在研究某一运动过程）。 4、液压马达的转矩 理论输出转矩 Tt ：不考虑能量损失时，马达轴上的输出转矩。 2 pV Tt = 实际输出转矩 Tm ： m t m m pV T T 2 = = 式中： Tm -----液压马达实际输出转矩，单位为 N.m；
V--液压马达的排量,单位为m/r 液压马达进出口压差,单位为Pa 7m-液压马达的机械效率 液压马达的启动转矩:当马达在一定的压力下,由静止状态起动时,输出轴上的瞬时比 T=7n=2n.要小,这是因为:()、在起动瞬间,马达内部零件间的静摩擦力比正常运行 时的动摩擦力大;(2)、由于马达的瞬时转矩具有脉动性。 各种不同结构的液压马达的起动转矩与实际平均输出转矩的比值(称为起动效率)各不相同。 在液压马达带载起动时,应使液压马达的起动转矩大于负载转矩 5、液压马达的功率和效率 液压马达输出的液压功率用流量和压力的的乘积来表示。 它们的理论功率是 pq=2TI,n 式中:7,n一液压马达的理论转矩Nm)和转速(rm) P,q一液压马达的压力(Pa)和流量(m3/s) 实际上,液压泵和液压马达在能量转换过程中是有损失的,因此输出功率小于输入功率。两者 之间的差值即为功率损失,功率损失可以分为容积损失和机械损失两部分。 容积损失是因泄漏、气穴和油液在高压下压缩等造成的流量损失(内泄漏), 对液压马达来说,输入液压马达的实际流量q必然大于它的理论流量即q=q,+q,它的容 积效率 9=9-q=1-9 机械损失是指因摩擦而造成的转矩上的损失。对于液压马达来说,由于摩擦损失的存在,其实 际输出转矩T小于理论转矩T,它的机械效率7m为 T T 液压马达的总效率是其输出功率和输入功率之比,由上式可得 7=7,7 液压马达的总效率都等于各自容积效率和机械效率的乘积 马达的容积效率和机械效率在总体上与油液的泄漏和摩擦副的摩擦损失有关,而泄漏及摩擦损 失则与马达的工作压力、油液粘度、泵和马达转速有关,马达的使用转速、工作压力和传动介质均 会影响使用效率
V-----液压马达的排量，单位为 m 3 /r; p -----液压马达进出口压差，单位为 Pa； m -----液压马达的机械效率。 液压马达的启动转矩：当马达在一定的压力下，由静止状态起动时，输出轴上的瞬时比 m t m m pV T T 2 = = 要小。这是因为：(1)、在起动瞬间，马达内部零件间的静摩擦力比正常运行 时的动摩擦力大；(2)、由于马达的瞬时转矩具有脉动性。 各种不同结构的液压马达的起动转矩与实际平均输出转矩的比值（称为起动效率）各不相同。 在液压马达带载起动时，应使液压马达的起动转矩大于负载转矩。 5、液压马达的功率和效率 液压马达输出的液压功率用流量和压力的的乘积来表示。 它们的理论功率是： N = pq = 2Ttn 式中： Tt , n—液压马达的理论转矩(N.m)和转速(r/min)。 p,q —液压马达的压力(Pa)和流量( m /s 3 ) 实际上，液压泵和液压马达在能量转换过程中是有损失的，因此输出功率小于输入功率。两者 之间的差值即为功率损失，功率损失可以分为容积损失和机械损失两部分。 容积损失是因泄漏、气穴和油液在高压下压缩等造成的流量损失（内泄漏）， 对液压马达来说，输入液压马达的实际流量 q 必然大于它的理论流量 t q 即 q =qt +ql ，它的容 积效率 q q q q q q qt l l v = − − = = 1 机械损失是指因摩擦而造成的转矩上的损失。对于液压马达来说，由于摩擦损失的存在，其实 际输出转矩 T 小于理论转矩 Tt ，它的机械效率 m 为 t f t t f t m T T T T T T T = − − = = 1 液压马达的总效率 是其输出功率和输入功率之比，由上式可得 =v m 液压马达的总效率都等于各自容积效率和机械效率的乘积。 马达的容积效率和机械效率在总体上与油液的泄漏和摩擦副的摩擦损失有关，而泄漏及摩擦损 失则与马达的工作压力、油液粘度、泵和马达转速有关，马达的使用转速、工作压力和传动介质均 会影响使用效率
a)液压泵 b)液压马达 液压泵、马达的特性曲线图 为使液压泵和液压马达中的能量转换关系更清晰,将上述讨论的结果绘制成能量转换图,如图 习(9) 7(9) 容积效率η 实际流量q 容积效率实际流量q 机械效率 总效 机械损失 理论马达转换 液压泵、马达的特性曲线及能量传递方框图 (a)泵的效率曲线;(b)马达的效率曲线;(c)泵的能量传递方框图;(d)马达的能量传递方框图 三、齿轮液压马达 gear motor) 1、齿轮液压马达的工作原理
a)液压泵 b)液压马达 液压泵、马达的特性曲线图 为使液压泵和液压马达中的能量转换关系更清晰，将上述讨论的结果绘制成能量转换图，如图 所示。 三、齿轮液压马达(gear motor) 1、齿轮液压马达的工作原理