第四章 液压传动执行元件

(b) 图形符号
㈢ 伸缩式液压缸
1 2 3 4 B 5 6 A 7
图 4-11 伸缩式液压缸结构示意图
1-活塞 2-套筒 3-小缸 4-套筒 5-大活塞 6-大缸 7-缸盖
㈣ 增速缸
1
2
b a
II III 3
I
c
图 4-12 增速缸结构示意图
1-柱塞 2-活塞 3-缸筒
二 、液压缸的结构和设计计算
p max D 2
当壁厚δ/D =0.08～0.3时
p max D 2.3 3 p max
当壁厚δ/D ≥0.3时
D 0.4 p max 1 2 1.3 p max
式中：pmax—最高允许压力（MPa），当额定压力pn≤16MPa 时，取pmax=1.5；当额定压力pn＞16MPa时,取p max=1.25; 军用产品规范规定pmax=（2～2.5） —缸筒材料的许用应力（MPa), b / n σ b为缸筒材料的抗拉强度（MPa) n-安全系数,n=5(薄壁)
1 叶片 2-定子块 3-缸筒
单叶片和双叶片 摆动液压马达动画:
第二节
液压缸(Cylinder)
液压缸是将液压系统的压力能转换成直线往 复运动形式的机械能。它结构简单，工作可靠， 在各种机械的液压系统中得到广泛应用。 分类: 根据常用液压缸的结构形式，可以分为 活塞缸、柱塞缸和伸缩缸等。 结构及工作原理 图4-6（a）是工程机械采用的一种单活塞杆 液压缸,图4-6（b）是它的图形符号。
（c） （d）
图4-13 缸筒和端盖连接结构
2. 活塞组件
活塞和活塞杆一般采用螺纹和半环联接（图4-14）。
4 3 2 1
（a） （b） 1 2
5
3
3 2 1
4
（c）
（d）
图 4-14 活塞和活塞杆连接的结构
㈡ 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,由于具有的动 量大,致使在行程终了时,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发生破坏性事故,因此在大型、高速或要求较高的液 压缸中往往须设置有缓冲装置，如图4-15。
重点：
1. 液压马达的主要性能参数： 2. 液压马达的选用。 3. 单活塞杆液压缸的工作原理和结构； 4. 液压缸基本参数的确定。
难点：
1. 液压马达的容积效率； 2. 单活塞杆液压缸的差动连接。
第一节
液压马达
液压马达和液压泵在原理上可 逆，结构上类似，但由于用途不同， 它们在结构上有一定差别。常用的 液压马达有柱塞式、叶片式和齿轮 式等。
第四章
液压传动执行元件
本章主要介绍液压系统中做旋转运动或做直线 往复运动的执行元件——液压马达和液压缸，是以 后学习和分析液压基本回路和系统的重要基础。 液压马达和液压缸是将液压系统中的压力能转 换成机械能的能量转换装置，都是执行元件。液压 马达驱动机构实现连续的回转（或摆动）运动，使 系统输出一定的转矩和转速；液压缸实现直线往复 运动，输出推力和速度。
K
式中 L—活塞最大行程； 其它符号见图。为了满足这一要求，图中增加一个环C。
H
L D 20 2
D
d

3．液压缸强度计算与 校核
对于液压缸的缸筒壁厚、端盖处固定螺钉的螺纹强度和活 塞杆直径，在高压系统中，必须进行强度计算。 （1）缸筒壁厚计算 在中、低压液压系统中，缸筒壁厚往往由结构工艺要求决 定，一般不要求校核计算。在高压系统中，可按下列情况分别 进行计算。 当缸筒壁厚δ/D ≤0.08时， 可按薄壁缸筒的实用计算公式计算，即
1
2
3 4
3
5
B
6
7
A
10
9
8
图 4-6（a）单活塞杆式液压缸基本结构
1-端盖 2-缸筒 3-支撑环 4、9、10-密封圈 5-活塞 6-导向套 7-防尘圈 8-活塞杆 （b）
一、液压缸的分类及其特点
（一）活塞式液压缸 1．双杆活塞缸(双作用)
① 特点:图形符号见图4-7。如果两腔分别通入相同流量和压 力油液时，则活塞往返两个方向的运动速度和推力均相等，即
液压缸的设计是在对整个液压系统进行工况分析，编制了负载图，选 定了工作压力的基础上进行的。因此它首先根据使用上要求确定结构类型, 再依照负载的情况、运动要求、最大行程以及各种压力等决定主要尺寸，最 后再进行结构设计确定缸筒壁厚，验算液压缸的稳定性。 ㈠ 主要零件的结构 1. 缸体组件 缸盖尺寸没有严格规定， 一般根据经验来确定它 的尺寸，设计时可采用 类比法。缸筒和缸盖的 （b） （a） 联接方式很多，常用的 有焊接、法兰，半环、 螺纹等联接（图4-13）。
摆动式液压马达是将油液的压力能转变成为摆动形式的机械能。 特点：动力是靠叶片的回转运动传递的，输出的是周期性的回转运动，单 叶片回转角小于300°,双叶片回转角小于150°,密封性差。 应用：低压、送料夹紧和回转夹具等辅助装置。
2 b 3 1
2
3
a 1
图 4-5 摆动液压马达工作原理
（a） 单叶片式 （b） 双叶片式
1 2 3
4
（a）
（b） Hale Waihona Puke Baidu c）
图 4-16 排气装置
1-缸盖 2-放气小孔 3-缸筒 4-活塞杆
二、液压缸的设计计算
设计液压缸需要注意的问题
1) 要尽量缩小外型尺寸，使结构紧凑； 2) 设计活塞杆最好受拉，不受压，以免产生纵向弯曲； 3) 选择合适的密封方式，减小摩擦损失，提高密封效果，防止泄漏； 4) 根据具体情况适当考虑缓冲装置（防止终了活塞杆端部与缸盖撞击）和 排气装置。
F1 p1 A1 p2 A2
F2 p1 A2 p A1

4

4
[ D 2 p1 ( D 2 d 2 ) p2 ] Cm
[( D 2 d 2 ) p1 D 2 p 2 ] Cm
式中：F1、F2—压力油分别进入无杆腔，有杆腔时的推力； p1、p2—高压腔、回油腔的压力； A1、A2—活塞无杆腔、有杆腔的活塞有效面积； D、d—活塞和活塞杆直径； ηcm—液压缸的机械效率。
(一) 液压缸主要尺寸的确定
液压缸的主要尺寸有缸筒内径、活塞杆直径和缸筒长度等。 1. 缸筒内径 根据负载大小和选定的工作压力、运动速度和输入流量，按 本章有关公式计算确定后，再从GB/T2348-93标准中选取相近尺寸加以圆 整。 2. 活塞杆直径 按工作时受力情况来决定,见教材表4-2。对单活塞杆液压 缸，值也可由和速度比来决定。按GB/T2348-93标准进行圆整。
F1 F2 A ( p1 p2 )

4
( D 2 d 2 ) ( p1 p2 ) Cm
v1 v2
q 1 (D2 d 2 ) 4
Cv
②应用: 缸体固定结构 活塞杆固定结构
图 4-7双活塞杆液压缸图形符号
2.单杆活塞液压缸(分单作用和双作用)
① 单作用特点及应用 ②双作用特点及应用
（三）效率和功率 1．容积效率η Mv 马达的理论流量qT与实际输入流量q的比 值。
Mv
qT qT q qT q
式中：Δ q—马达的泄漏量。 2．机械效率η Mm 由于有摩擦损失，液压马达实际输出的 转矩T小于理论转矩TT。如果损失转矩Δ T，则实际输出转 矩M和机械效率η Mm为
当分别给两腔通入相同流量时，两方向得到的运动速度、也不相等，如 图4-8所示。如果液压缸容积效率为η
cv
，其往返速度分别为
v2 4q
4q v1 Cv 2 D
(D d )
2 2
Cv
在活塞往复运动速度有一定要求的情况下，单活塞杆液压缸的活塞杆直 径d通常根据无杆腔和有杆腔活塞有效面积比A1/A2（速度比）φ 的要求以及 缸内径D来确定。
（四）输出的转矩和转速 1．液压马达轴理论输出的转矩Tt和实际输出的转矩T为
T
p V 2
T
p V 2
Mm
2．马达轴实际输出的转速n为
qT q M v n V V
式中：V—马达的排量
三、液压马达的类型
与液压泵类似，从结构上看，常用的液压马达有柱塞式、叶 片式和齿轮式等三大类。根据其排量是否可调，可分为定量马达 和变量马达；根据转速高低和转矩大小，液压马达又分为高速小 转矩和低速大转矩马达等。另外，有些液压马达只能作小于某一 角度的摆动运动，称为摆动式液压马达。各类液压马达图形符号 见图4-2。
A1 A2 v3
F3 p1 ( A1 A2 ) Cm


4
q' q p1
F3
[ D 2 ( D 2 d 2 )] p1 Cm

'

4
qq v3 Cv A1
图 4-9 差动连接
q'
d 2 p1 Cm

4
( D d ) v3
2 2
v3
（a）定量马达
（b）变量马达
（c）双向定量马达
（d）双向变量马达
（e）摆动液压马达
图4-2 液压马达图形符号
四、典型液压马达的结构和工作原理
1．齿轮液压马达
h o1
K a o2 h
图 4-3 齿轮马达工作原理图
b
p
2．叶片马达
1 5 4 3 2
p
图 4-4 叶片马达的工作原理
3．摆动式液压马达
v
δ
1
2
（a）
1
（b）
（c）
图 4-15 液压缸的缓冲装置
㈢ 排气装置
当液压系统长时间停止工作，系统中的油液由于本身重量的作用和其 它原因而流出时，易使空气吸入系统，如果液压缸中有空气或油中混入空 气，都会使液压缸运动不平稳，因此一般在工作前应使系统中的空气排出, 为此可在液压缸的最高部位（那里往往是空气聚积的地方）设置排气装置 排气装置通常有两种：一种是在液压缸的最高部位处开排气孔，并用管 道连接排气阀进行排气，当系统工作时该阀应关闭（图4-16 a）。另一种是 在液压缸的最高部位处装排气阀（图4-16 b、c）
T TT T1
Mm
T TT T1 T1 1 TT TT TT
3．马达的总效率η
M
M Mv Mm
4．马达的输入功率Pi
Pi p q
5．马达的输出功率Po
Po T 2 n T
式中：Δ p—马达进、出口的压力差；ω,n—马达的角速 度和转速。
4q
d
2
Cv
1
2
3
4 56
㈡ 柱塞式液压缸（单作用）
伸出靠油压，回程靠外力（成对使用） 如图4-10，柱塞缸有下列特点： 1.结构简单，制造容易。 2. 应用：用于行程较长的场合
图 4-10 (a) 柱塞式液压缸
8
7
1-缸体 2-柱塞 3-导向套 4-密封装置 5、6-密封压紧装置 7-防尘圈 8-泄油口

当壁厚δ/D =0.08～0.3时
p max D 2.3 3 p max
一、液压马达的主要性能参数
（一）工作压力和额定压力 1．工作压力 液压马达实际工作时的压力。 2．额定压力 液压马达在正常工作条件下，按试验标准规定能 连续运转所允许的最高压力。 （二）排量和流量 1．排量 液压马达转一周，其排油口排出的液体体积 2．流量 液压马达在单位时间内，需输进液体的体积，也有理 论和实际流量之分。理论流量qT是指在没有泄漏的情况下，达 到要求转速所需输入液体的流量。其值由理论排量和转速计算 而得。由于有泄漏损失，实际输入的流量q必须大于理论流量
3. 缸筒长度L≤(20-30)D
H A C B L
图 4-17 最小导向长度 由最大工作行程决定及结构上的需要确定，液压缸筒长度=活塞行 程+活塞长度+活塞导向长度+活塞杆密封及导向长度+其它长度。其中 活塞长度B=（0.6～1）D；活塞杆导向长度A=（0.6～1.5）d。其它长 度是指一些特殊装置所需长度，例如液压缸两端缓冲装置所需长度等。 对某些单杆活塞缸有时提出最小导向长度H的问题，见图4-17，要求
v1 F1
v2 F2 p2
A1 v 2 A2 v1
1 d 1 D
2
p1 q （a）从左腔通压力油 （b）从右腔通压力油
q p1
p2
dD
图 4-8 液压缸推力和速度计算
1
• 差动连接:当液压油同时通入单活塞杆液压缸的两腔时（图4-
8），由于作用在活塞两侧端面上的推力不等，无杆腔的作用 力较大，使活塞杆向右伸出，此时有杆腔排出的油液与泵供 给油液汇合后进入液压缸的无杆腔，从而提高了运动速度。 这种工况称为差动连接，差动连接时的推力F3和差动速度v3 为