液壓與氣壓傳動第三章 執(zhí)行元件1本章主要內容：第一節(jié)直線往復運動執(zhí)行元件第二節(jié)旋轉運動執(zhí)行元件2目的任務:了解液壓與氣壓傳動中各種執(zhí)行元件的結構形式、工作原理；重點難點:單桿活塞液壓缸；密封、緩沖、排氣。3第三章執(zhí)行元件液壓傳動中的執(zhí)行元件是將流體的壓力能轉化為機械能的元件。它驅動機構作直線往復或旋轉（或擺動）運動，其輸出為力與速度，或轉矩與轉速。第一節(jié)直線往復運動執(zhí)行元件一、液壓缸 液壓缸是用油液的壓力能來實現直線往復運動的執(zhí)行元件（一）液壓缸的類型液壓缸按其結構形式，可以分為活塞缸、柱塞缸和伸縮缸等。它們輸人為壓力和流量，輸出為力和速度。1．活塞式液壓缸(1)雙桿活塞缸圖3－la所示為缸筒固定的雙桿活塞缸，活塞兩側的活塞桿直徑相等，它的進出油口位于缸筒兩端。當工作壓力和輸人流量相同時，兩個方向上輸出的推力F和速度v是相等的。其值為中A——活塞的有效面積；D、d——活塞和活塞桿的直徑；q——輸人流量；式 這種安裝形式，工作臺移動范圍約為活塞有效行程的三倍，占地面積大，適用于小型機械p1、p2——缸的進、出口壓力；ηm、ηv——缸的機械效率、容積效率圖3-1b所示為活塞桿固定的雙桿活塞缸。它的進、出油液可經活塞桿內的通道輸人液壓缸或從液壓缸流出。也可以用軟管連接，進、出口就位于缸的兩端。它的推力和速度與缸筒固定的形式相同。但是其工作臺移動范圍為缸筒有效行程的兩倍。故可用于較大型的機4

械。圖3－2所示為單桿活塞缸。由于只在活塞的一端有活塞桿，使兩腔的有效工作面積不相等，因此在兩腔分別輸人流量相同的情況下，活塞的往復運動速度不相等。它的安裝也有缸筒固定和活塞桿固定兩種，進、出口的布置根據安裝方式而定；但工作臺移動范圍都為活塞有效行程的兩倍。（2）單桿活塞缸單桿活塞缸的推力和速度計算式如下在液壓缸的活塞往復運動速度有一定要求的情況下，活塞桿直徑d通常根據液壓缸速度比的要求以及缸內徑D來確定由此可見，速比λv越大，活塞桿直徑d越大5單桿活塞缸的左右腔同時接通壓力油，如圖3－3所示，稱為差動連接，此缸稱力相等，但左、右腔有差動連接時因回油腔的差動缸推力按下式計算速度按下式計算考慮容積效率ηv2．柱塞式液壓缸柱塞運動時，由缸蓋加工。它特別適用于柱塞缸輸出的推力和速度為式中d——柱塞直徑3．伸縮式液壓缸伸縮式液壓缸由兩個或多桿是后一級活塞缸的缸筒。伸出時保持很小的結構尺單寸柱。塞圖缸3－只5能所實示次伸出時，液壓用缸兩的個有柱效塞面缸積組是合逐，為差動液壓缸。差動液壓缸左、右腔壓效面積不相等，因此，活塞向右運動。油液進人左腔，從而提高活塞運動速度個活塞套裝而成，前一級活塞缸的活塞，可以獲得很長的工作行程，縮回時可現為一一個種方雙向作運用動式，伸反縮向缸要，靠在外各力級，活如塞圖依3－4a如級圖變化的。3－4b所示，也能用壓力油實現往復運動。上的導向套來導向，因此，缸筒內壁不需要精行程較長的場合。在輸人流量和壓力不變的情況下，則液壓缸的輸出推力和速度也逐級變化。其值為式中i——i級活塞缸這種液壓缸起動時，活塞有效面積最大，因此，輸出推力也最大，隨著行程逐級增長，推力隨之逐級減小。這種推力變化情況，正適合于自動裝6

卸車對推力的要求。圖3-6

單作用式三級同步伸縮液壓缸1—外缸筒

2—

一級活塞缸筒3—二級活塞缸筒

4—三級活塞單作用式三級同步伸縮液壓缸該缸的各級活塞面積設計成A1=2A2、A2=2A3、A3=2A4，并在一級和二級活塞缸筒的左端各設一帶有頂桿的單向閥，而在其缸筒右側壁面各開有小孔。正常工作時單向閥均關閉。當壓力油進入B腔時，一級活塞2向左移動，C腔油通過小孔進入D腔，推動二級活塞3以相同速度向左移動；同樣原理，三級活塞4也以同一速度向左移動，若因泄漏原因，二級或三級活塞沒有移動到最左位置，則相應的單向閥開啟，補充液壓油使其到位。外力推其向右移動時各活塞動作與向左移動時相反。一

級和二級活塞運動到最右端時，兩個單向閃的頂桿使其開啟，從而恢復各級間的平衡狀態(tài)

。7圖3-6

單作用式三級同步伸縮液壓缸1—外缸筒

2—

一級活塞缸筒3—二級活塞缸筒

4—三級活塞單作用式三級同步伸縮液壓缸這種同步伸縮缸輸出的推力和速度為：（3-15）（3-16）8（二）液壓缸的典型結構圖3－6所示為空心雙桿活塞式液壓缸，它由缸筒10，活塞8，兩空心活塞桿1、15，缸蓋18、24，密封圈4、7、17，導向套6、19，壓板11、20等主要零件組成。這種液壓缸活塞桿固定，缸筒帶動工作臺作往復運液壓缸的結構可以分為缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五個部分。動。活塞用錐銷9、22與空心活塞桿連接，并用堵頭2堵死活塞桿的一頭，缸筒兩端外圓上套有鋼絲環(huán)12、21，缸筒和缸蓋的常見連接結構形式如圖3－7所示。活塞和活塞桿的結構密封裝置用來防止液壓系統油液的內外泄漏和防止外界雜質侵人緩沖裝圖活置3塞－是和7利a活采用塞用活桿法塞的蘭或結連缸構接筒形，移式結動很構到多簡接，單近除。終了加點上工時例和，的裝將錐拆活銷都塞式方和連便缸接，蓋外但之，外間還形的有尺一螺寸部紋和分式重油連量液接都封和大住半。，環(huán)圖迫式3使－連油7接b液為等從半，小環(huán)如孔連圖或接3－縫，8隙加所中工示擠和。出裝前，拆者從方結而便構產，簡生但單很是，，大這但需種結阻有螺構，須母防在工缸松裝筒部外置。部后開動有者結環(huán)避形構復槽活而雜，削和弱但工其蓋強作較度相，可靠有碰時。此要。為外，此見增在尺加緩缸寸較的裝壁小的厚如。場合圖3，－活97所C塞為示和螺。活紋圖塞連3桿－接也9，a有所裝制示拆成為時整節(jié)要體流使式口用結可專構調用的式工緩具沖，裝適置用。于當較小活的塞缸上筒的。凸圖臺進3－人端7d為蓋拉凹桿腔式后連，接圓，環(huán)容形易的加回工油和腔裝中拆的，油但液外只形能尺通寸過較針大形，節(jié)且流較閥重流。出圖，這3－就7e使為活焊塞接制式動連。接調，節(jié)結節(jié)構流簡閥單的，開尺口寸，小可，改但變缸制底處動內阻經力孔不的C易大和小右。端這且種活緩塞沖桿裝中置心起孔始緩，沖從效油果口好d，排隨出著。活反塞向之前則移向動右，移緩動沖效。果當逐缸漸筒減移弱動，因到此左它右的終制端動時行程，較徑長向。孔圖a3和－c9的b所開示口為節(jié)流口變逐化漸式減緩沖小裝，置對，移它動在部活塞件上起開制有動變緩截沖面的作軸用向。三為角了形排節(jié)流除槽缸。中當空活氣塞，移近缸端蓋蓋上時設，有回排油腔氣油孔液14只和能5經，過經三導角向槽套流出環(huán)，槽因的而側使活塞受到面制孔動道作用（。圖隨中著未活示塞）的移引動出，與三排角氣槽閥通流相截連面逐漸變小，阻力作用增大，因此，緩沖作用均勻，沖擊壓力較小，制動位置精度高排氣裝置用來排除積聚在液壓缸內的空氣用于阻止壓板11、20向外常，用這的樣排通氣過裝螺置如釘圖分3別-10將所缸示蓋。圖183、－2140a壓所緊示在為在缸液筒壓的缸兩的端最。缸筒相對活塞桿運動，由左右導向套導向。為高了部提位高設密置封排氣性孔能與、排在氣活閥塞連接和進缸行簡排之氣間。、圖3缸－蓋10和b為活在塞液壓桿缸之的間最、高缸蓋和缸筒之間裝有密封圈和紙墊。壓力油經油部口位b處、安左裝端排活氣塞塞桿的中心孔和孔a進人液壓缸左腔，推動缸筒向左移動。液壓缸右腔的回油9（三）液壓缸的特性液壓缸的特性是指它在穩(wěn)態(tài)下工作時的各項參數間的關系液壓缸的推力和速度液壓缸的推力和速度的數值由液壓缸類型和工作方式決定容積效率、機械效率和總效率液壓缸難免會存在泄漏，它的容積效率可用下式表示式中q——輸人液壓缸的流量；

ql——液壓缸的泄漏流量ql與采用的密封形式有關。當采用橡膠圈密封時，ql較小，ηv≈l；采用間隙密封時，ql就大，ηv就低。液壓缸運動時，要克服密封裝置和導向部分的摩擦力，就會造成機械損失，把這些損失折算成壓力損失△p，則機械效率可表示為式中p——液壓缸的工作壓力液壓缸的機械效率，一般在額定壓力下，可取ηm=0．9。液壓缸的總效率為η=ηvηm10二、氣缸（一）氣缸的類型氣缸活塞式單活塞雙活塞有桿無桿單活塞桿雙活塞桿機械耦合

磁性耦合

繩索、鋼纜膜片式（二）普通氣缸普通氣缸是在缸筒內只有一個活塞和一根活塞桿的氣缸，有單作用氣缸和雙作用氣缸兩種。11普通氣缸12（三）其他形式氣缸l·無桿氣缸活塞5帶動與負載相連的滑塊6一起在槽內移動，且借助缸體上的一個管狀溝槽防止其產生旋轉。132．磁性氣缸在活塞上安裝了一組高磁性的稀土永久磁環(huán)，磁力線穿過薄壁缸筒（不銹鋼或鋁合金非導磁材料）作用在套在缸筒外面的另一組磁環(huán)上。由于兩組磁環(huán)極性相反，兩者間具有很強的吸力，當活塞在輸入氣壓作用下移動時，則通過磁力線帶動缸筒外的磁環(huán)套與負載一起移動。143·開關氣缸開關氣缸又稱帶磁性開關氣缸，這是指在氣缸活塞上置有永久磁環(huán)，利用直接安裝在缸筒上的行程開關來檢測氣缸活塞位置的一種氣缸。154．制動氣缸帶有制動裝置的氣缸稱為制動氣缸，也稱鎖緊氣缸。制動裝置一般安裝在普通氣缸的前端165·坐標氣缸坐標氣缸是一種單活塞桿雙作用氣缸，具有精密的導向功能，極強的抗扭性能和良好的負載性能，位置重復精度高達0.0lmm，常用來構成各種加工、定位的坐標系統，故稱為坐標氣缸，又稱

為直線驅動裝置。坐標氣缸是構成模塊化氣動機械手水平移動和

垂直移動的驅動模塊。176．手指氣缸187．氣液阻尼缸8.仿生氣動肌腱新型的拉伸型執(zhí)行元件能量轉換裝置19第二節(jié)旋轉運動執(zhí)行元件液壓馬達是一種將液壓能轉換為機械能的轉換裝置，是實現連續(xù)旋轉或擺動的執(zhí)行元件圖3－21所示為軸向柱塞式液壓馬達的工作原理。斜盤1和配油盤4固定不動，柱塞3可在缸體2的孔內移動，斜盤中心線與缸體中心線相交一個傾角δ。高壓力油經配油盤的窗口進人缸體的柱塞孔時，處在高壓腔中的柱塞被頂出，壓在斜盤上，斜盤對柱塞的反作用力F可分解為兩個分力，軸向分力Fx和作用在柱塞上的液壓力平衡，垂直分力Fy使缸體產生轉矩，帶動馬達軸5轉動。一、液壓馬達（一）液壓馬達的工作原理設第i個柱塞和缸體的垂直中心線夾角為θ，則在柱塞上產生的轉矩為Ti＝Fyr＝FyRsinθ＝FRtanδsinθ式中R——柱塞在缸體中的分布圓半徑液壓馬達產生的轉矩應是處于高壓腔柱塞產生轉矩的總和，即T＝∑FRtanδsinθ隨轉矩著角θ的變化，每個柱塞產生的也發(fā)生變化，故液壓馬達產生的總泵流也是脈動的，它的脈動情況和討論量脈動時的情況相似（二）液壓馬達的主要性能參數轉矩1．工作壓力和額定壓力工作壓力是指馬達實際工作時的壓力2．排量和理論流量排量是指在沒有泄漏的情況下，馬達軸轉一周所需輸入的油液體積Vt理論流量q

是指在沒有泄漏的情況下，達到要求轉速所需輸入油液的流量。額定壓力是指馬達在正常工作條件下，按試驗標準規(guī)定能連續(xù)運轉的最高2壓0

力。3．效率和功率容積效率：由于有泄漏損失，為了達到液壓馬達要求的轉速時，實際輸入的流量q必須大于理論流量q

t，容積效率為機械效率：由于有摩擦損失，液壓馬達的實際輸出轉矩T一定小于理論轉矩Tt。因此機械效率為馬達的總效率為馬達輸人功率Pi為馬達輸出功率P0為Pi=△pqPo＝TΩ＝2πnT式中△p——馬達進、出口的壓力差；Ω，n——馬達的角速度和轉速。4．轉矩和轉速液壓馬達能產生的理論轉矩Tt為液壓馬達輸出的實際轉矩為液壓馬達的實際輸人流量為q時，馬達的轉速為（三）液壓馬達的分類和結構液壓馬達和液壓泵結構基本相同，按結構分有齒輪式、葉片式和柱塞21式等幾種。按工作特性可分為高速馬達和低速馬達兩大類。和上柱桿對傳帶這因塞圖3－22所示是軸向點接液壓馬達的典型結構。在缸體72間裝人鼓輪4，在鼓輪的圓周分布著推桿10，液壓力作用在并通過推桿作用在斜盤上，推盤反作用力的作用下產生一個轉矩，迫使鼓輪轉動，又通過帶動馬達軸，同時通過傳動銷6體旋轉。缸體在彈簧5和柱塞孔力油作用下貼緊在配油盤8上。構使缸體和柱塞只受軸向力，油盤表面、柱塞和缸體上的柱柱塞式斜盤均勻塞上在斜軸1的動鍵動缸的壓種結而配孔磨接觸油以是一種定量液壓馬達。2.低速液壓馬達低速液壓馬達的基本觸形式是徑向柱塞式，它的特點是輸人油液壓力高、排量大，可在馬達軸轉速為10r／min以下平穩(wěn)運轉，低速穩(wěn)定性好，輸出轉矩大，可達幾百N·m

到幾千內N·m。所以又稱低速大扭矩馬達。面較小，圖3－23有所一示定的為自連位桿作型用徑，向使柱缸的柱塞缸，柱塞的配油表面和配油盤的配油表面貼2通過球鉸與連桿3相油軸好，減少了端面間的泄漏，并使配5與曲軸用聯軸節(jié)相連。盤表面磨損后能得到自動補償。壓力

油經配油軸進人馬達的進這種液壓馬達的斜盤的傾角固定，部，作用在柱塞上的液壓作用力F

通N

1

r所過連桿作用于偏心輪中心O

，它的切向分力F

對曲軸旋轉中心形成轉矩T，使曲軸逆時針方向旋轉。由于三個柱塞缸位置不同，所以產生的轉矩大小也不同。曲軸輸出的總轉矩等于與高壓腔相通的柱塞所產生的轉矩之和。此時柱塞損均勻，又缸體內孔與馬達軸的這種液壓馬達的優(yōu)點是結塞體馬達的結構原理圖。在殼體1內有五個沿徑向均勻分布合連接，連桿的另一端與曲軸4的偏心輪外圓接觸，配構簡單，工作可靠，但其缺點是體積和重量較大，轉矩脈動油腔后，通過殼體槽①、②、③進人相應的柱塞缸的頂較大，低速穩(wěn)定性較差。1.高速液壓馬達缸④、⑤與排油腔相通，油液經配油軸流回油箱。曲軸旋轉時帶動配油軸同步旋轉，因此，配流狀態(tài)不斷發(fā)生變化，從而保證曲軸會連續(xù)旋轉。若進、回油口互換，則液壓馬22達反轉，過程與以上相同。圖3-29所示為多作用內曲線徑向柱塞液壓

馬達的結構原理圖。馬達的配油軸2是固定的，其上有進油口和排油口。壓力油經配油窗口穿過襯套5進入缸體1的柱塞孔中，并作用于柱塞3的底部，柱塞3與橫梁4之間無剛性連接，在液壓力的作用下，柱塞3的頂部球面與橫梁4的底部相接觸，從而使橫梁4兩端的滾輪6壓向定子7的內壁。定子內壁在與滾輪接觸處的反作用力N的周向分力F對缸體產生轉矩，使缸體及與其剛性連接的主軸轉動；而徑向分力P則與柱塞底部的液壓力相平衡。由于定子內壁由多段曲面構成，滾輪每經過一段曲面，柱塞往復運動一次，故稱多作用式

。這種液壓馬達的優(yōu)點是輸出轉矩大，轉速低，平穩(wěn)性好。其缺點是配油軸磨損后不

能補償，使效率下降

。圖3-29

多作用內曲線徑向柱塞液壓馬達結構原理圖1—缸體

2—配油軸3—柱塞

4—橫梁5—襯套

6—滾輪

7—定子23（四）擺動液壓馬達擺動液壓馬達是一種實現往復擺動的液壓執(zhí)行元件。它有單葉片式和雙葉片式兩種結構。設進出油口壓力為p1、p2，葉片寬度為b，葉片底端、頂端半徑為R1、R2，輸人流量為q，擺動液壓馬達機械效率、容積效率分別為ηm、ηv,則輸出的轉矩T和角速度ω為的回油圖3－24a所示為單葉片式擺動液壓馬達，壓力油從進油口進人缸口排出。其擺動角度小于300°，分隔片2用以隔開高低壓腔。圖3－24b所示為雙葉片式擺動液壓馬達。它有兩個進、出油口，其擺動角度小于150°。在相同的條件下，它的輸出轉矩是單葉片式的兩倍，角速度是單葉片式的一半。筒3，推動葉片1和軸一起作逆時針方向轉動，回油從缸筒如果在液壓缸的活塞桿上帶有齒條，使之和一小齒輪相嚙合，則當活塞桿伸縮時便能使小齒輪作回轉運動，這種結構的液壓缸也稱為擺動馬達，其擺角可以超過360°24二、氣動馬達（一）氣動馬達的分類（二）葉片式氣動馬達1．工作原理輸出功率為0．l～20kw，轉速為500～25000r／min。主要用于礦山機械和氣動工具中。252．特性曲線3.工作特性與工作壓力的關系(三)齒輪式氣動馬達(四)擺動氣動馬達26第三節(jié)設計計算一、液壓缸的設計計算（一）設計時應注意的問題1）盡設量計使液活壓塞缸桿時在，受要拉在力對狀液態(tài)壓下系承統受工最作大情負況載分，析或的在基受礎壓上狀，態(tài)根下據活液塞壓桿缸應在具機有構良中好所的要縱完向成穩(wěn)的定任性務。來選擇液壓缸的結構形式，然后按負載、運動要求、最大行程2等）確液定壓主缸要各尺部寸分，的進結行構強盡度可、能穩(wěn)按定推性薦和的緩結沖構驗形算式，和最設后計進標行準具進體行的設結計構，設盡計量。做到結構簡單、緊湊，加工、裝配和維修方便。考慮液壓缸行程終端處的制動和液壓缸的排氣問題。正確確定液壓缸的安裝和固定方式。考慮液壓缸的熱變形，它只能一端定位。，按本章有關算式確定后，再從GB

2348—80標準中選取相近尺寸加以圓整。（二）主要尺寸的確定(1)缸筒內徑D（2）根據活負載塞大桿小和直選定徑的工d作。壓力，或運動速度和輸人流量對于液壓缸的缸筒壁厚8、活塞桿直徑d和缸蓋處固定螺釘的直徑，在高壓系統中，必須進行強度校核（3）缸筒長度L

由最大工作行程決定。按工作時受力情況來決定，如表3－3所示。對單桿活塞缸，d值也可由D和λv來決定。按GB

3458—80標準進行圓整（三）強度校校1．缸筒壁厚δ在中、低壓液壓系統中，缸筒壁厚往往由結構工藝要求決定，一般不要校校。在高壓系統中，須按下列情況進行校核。27當D／δ＞10時為薄壁，δ可按下式校核式中D——缸筒內徑；py—試驗壓力，當缸的額定壓力pn≤16MPa時，取py=1.5

pn；pn＞16MPa時，取py

=1·25

pn；［σ］—缸筒材料的許用應力［σ］=σb/n,σb為材料抗拉強度，n為安全系數，一般取n=5。當D／δ＜10時為厚壁，按下式進行校核活塞桿直徑d的校核式中F——活塞桿上的作用力。［σ］——活塞桿材料的許用應力，［σ］=σb/1．4缸蓋固定螺栓ds的校核式中F——液壓缸負載；k——螺紋擰緊系數，k=1·12～1·5；z——固定螺栓個數；σ——螺栓材料許用應力，［σ］=σs/（1．22～2．5），σs為材料屈服點。

28（四）穩(wěn)定性校核活塞桿受軸向壓縮負載時，其值F超過某一臨界值Fk，就會失去穩(wěn)定。活塞桿穩(wěn)定性按下式進行校核式中nk——安全系數，一般取nk=2～4當活塞桿的細長比滿足當活塞桿的細長比滿足式中l(wèi)——安裝長度，其值與安裝方式有關，見表3－4；rk——活塞桿橫截面最小回轉半徑，ψ1——柔性系數，其值見表3－5；ψ2——為由液壓缸支承方式決定的末端系數，見表

3－4；E——活塞桿材料的彈性模量，對鋼，可取E=2·06×

1011N／m2；J——活塞桿橫截面慣性矩；

A——活塞桿橫截面積；f——由材料強度決定的實驗值，見表3－5；d——系數，具體數值見表3－5。29（五）液壓缸的緩沖計算液壓缸的緩沖計算主要是估計緩沖時缸內出現的最大沖擊壓力，以便校校缸筒強度，另外還應校核制動距離是否符合要求。液壓缸緩沖時，背壓腔內產生的液壓能E1和工作部件產生的機械能E2分別為E1＝pcAclc式中pc——緩沖腔中的平均緩沖壓力；pp——高壓腔中的油液壓力；Ac、Ap——緩沖腔、高壓腔的有效工作面積lc——緩沖行程長度；m——工作部件質量；v0——工作部件運動速度；

Ff——摩擦力上式表示：工作部件產生的機械能E2是高壓腔中的液壓能與工作部件的動能之和，再減去因摩擦消耗的能量。當E1=E2，即工作部件的機械能全部被緩沖腔液體吸收時，則得30圖3-33氣缸的壓力特性曲線起動以后，活塞所受的摩擦阻力由靜摩

擦轉為動摩擦而變小，使活塞加速運動，圖示無狀桿態(tài)腔時的，壓無力桿有腔所內下的降氣。壓若p1供為氣大充氣分，壓，活有塞桿繼腔續(xù)內運的動氣，壓無p2桿為腔工壓作力氣基壓本。保當持不換向變閥；切而換有后桿，腔無容桿積腔的與相氣對源減接少通量，越因來越若活大塞，桿在上排的氣負過載程保中持其恒壓定力，繼會續(xù)出下現降氣。缸進排氣速度與活塞運動速度相平衡的情況，這時壓力特性曲線趨于水平，活塞在兩腔不變的壓差推動下勻速前進。其容腔當小活，塞氣行體至以終高端速時向，無無桿桿腔腔充壓氣力，再次并很快急升劇至