液压马达的工作原理

1  什么是液压马达的图形符号？

液压马达的图形符号液压马达的图形符号如图5-2所示。

a)                  b)

图5-2液压马达图形符号

    a)定量液压马达    b)变量液压马达

2  齿轮液压马达是怎样工作的？

外啮合齿轮液压马达工作原理如图5-3所示，c为I、Ⅱ两齿轮的啮合点，h为齿轮的全齿高。啮合点C到两齿轮I、Ⅱ的齿根距离分别为h和b，齿宽为B。当高压油P进入马达的高压腔时，处于高压腔所有轮齿均受到压力油的作用，其中相互啮合的两个轮齿的齿面只有一部分齿面受高压油的作用。由于h和b均小于齿高h，所以在两个齿轮I、II上就产生作用力pB(h-a)和pB(h-b)。在这两个力作用下，对齿轮产生输出转矩，随着齿轮按图示方向旋转，油液被带到低压腔排出。齿轮液压马达的排量

V = 2πz m ² B

    式中z —齿数，m —齿轮模数，B—齿宽。

 图5-3外啮合齿轮液压马达工作原理

    齿轮马达在结构上为了适应正反转要求，进出油口相等、具有对称性、有单独外泄油口将轴承部分的泄漏油引出壳体外；为了减少起动摩擦力矩，采用滚动轴承；为了减少转矩脉动，齿轮液压马达的齿数比泵的齿数要多。

    齿轮液压马达由于密封性差，容积效率较低，输入油压力不能过高，不能产生较大转矩，并且瞬间转速和转矩随着啮合点的位置变化而变化，因此齿轮液压马达仅适合于高速小转矩的场合。一般用于工程机械、农业机械以及对转矩均匀性要求不高的机械设备上。

3  叶片液压马达是怎样工作的？

    常用叶片液压马达为双作用式，现以双作用式来说明其工作原理。

    叶片液压马达工作原理如图5-4所示。当高压油P从进油口进入工作区段的叶片1和4之间的容积时，其中叶片5两侧均受压力油P作用不产生转矩，而叶片1和4一侧受高压油P的作用，另一侧受低压油P_t的作用。由于叶片1伸出面积大于叶片4伸出的面积，所以产生使转子顺时针方向转动的转矩。同理，叶片3和2之间也产生顺时针方向转矩。由图看出，当改变进油方向时，即高压油P进入叶片3和4之间容积和叶片1和2之间容积时，叶片带动转子逆时针转动。

 图5-4  叶片液压马达工作原理

叶片液压马达的排量

V = 2πB（R ² – r ²）- 2 z BS（R - r）

式中：R—大圆弧半径，r—小圆弧半径， z—叶片数，B—叶片宽度，S—叶片厚度。

    为了适应马达正反转要求，叶片液压马达的叶片为径向放置，为了使叶片底部始终通入高压油，在高、低油腔通入叶片底部的通路上装有梭阀。为了保证叶片液压马达在压力油通入后，高、低压腔不致串通能正常起动，在叶片底部设置了预紧弹簧——燕式弹簧。

    叶片液压马达体积小，转动惯量小，反应灵敏，能适应较高频率的换向。但泄漏较大，低速时不够稳定。它适用于转矩小，转速高，机械性能要求不严格的场合。

4  轴向柱塞马达是怎样工作的？

    轴向柱塞泵除阀式配流型不能做马达用外，配流盘配流的轴向柱塞泵只需将配流盘改成对称结构，即可作液压马达用，因此二者是可逆的。轴向柱塞马达的工作原理如图5-5所示，配油盘4和斜盘1固定不动，马达轴5与缸体2相连接一起旋转。当压力油经配油盘4的窗口进入缸体2的柱塞孔时，柱塞3在压力油作用下外伸，紧贴斜盘l，斜盘1对柱塞3产生一个法向反力F，此力可分解为轴向分力Fx和垂直分力Fy。Fx与柱塞上液压力相平衡，而Fy则使柱塞对缸体中心产生一个转矩，带动马达轴逆时针方向旋转。轴向柱塞马达产生的瞬时总转矩是脉动的。若改变马达压力油输入方向，则马达轴5按顺时针方向旋转，实现换向。改变斜盘倾角α，可改变其排量。这样，在马达的进、出口压力差和输入流量不变的情况下，改变了马达的输出转矩和转速，斜盘倾角越大，产生的转矩越大，转速越低。若改变斜盘倾角的方向，则在马达进出油口不变的情况下，可以改变马达的旋转方向。

轴向柱塞马达的排量

V =（πd ² / 4 ）D z tg α

   式中：z —柱塞数，D—分布圆直径，d—柱塞直径，α—斜盘相对传动轴倾角。

图5-5  轴向柱塞马达工作原理

    l一斜盘 2一缸体 3一柱塞 4一配流盘 5一马达轴

5  低速液压马达有何特点？

    低速液压马达通常是径向柱塞式结构，为了获得低速和大转矩，采用高压和大排量，它的体积和转动惯量很大，不能用于反应灵敏和频繁换向的场合。

低速液压马达按其每转作用次数，可分单作用式和多作用式。若马达每旋转一周，柱塞作一次往复运动，称为单作用式，若马达转一周，柱塞作多次往复运动，称为多作用式。

6  单作用连杆型径向柱塞马达是怎样工作的？

    单作用连杆型径向柱塞马达如图5-6所示，工作原理见图5-7。马达的外形呈五角星状(或七星状)，壳体内有五个沿径向均匀分布的柱塞缸，柱塞与连杆铰接，连杆的另一端与曲轴的偏心轮外圆接触。在图5-7a位置，高压油进人柱塞缸1、2的顶部，柱塞受高压油作用；柱塞缸3处于与高压进油和低压回油均不相通的过渡位置；柱塞缸4、5与回油口相通。于是，高压油作用在柱塞1和2的作用力F通过连杆作用于偏心轮中心O₁，对曲轴旋转中心O形成转矩T，曲轴逆时针方向旋转。曲轴旋转时带动配流轴同步旋转，因此，配流状态发生变化。如配流轴转到图5-7b所示位置：柱塞1、2、3同时通高压油，对曲轴旋转中心形成转矩，柱塞4和5仍通回油。如配流轴转到图5-7c所示位置，柱塞1退出高压区处于过渡状态，柱塞2和3通高压油，柱塞4和5通回油。如此类推，在配流轴随同曲轴旋转时，各柱塞缸将依次与高压进油和低压回油相通，保证曲轴连续旋转。若进回油口互换，则液压马达反转，过程同上。

图5-6  单作用连杆型径向柱塞马达

1柱塞 2壳体 3连杆 4挡圈 5曲轴 6滚柱轴承 7配流轴 8卡环    

图5-7单作用连杆型径向柱塞马达工作原理

    这是壳体固定、曲轴旋转的情况。若将曲轴固定，进回油口直接接到固定的配流轴上，可使壳体旋转。这种壳体旋转马达可作驱动车轮、卷筒之用。

    单作用连杆型径向柱塞马达的排量V为

       (5-11)

    式中  d——柱塞直径；

             e——曲轴偏心距；

              z——柱塞数。

    单作用连杆型径向柱塞马达的优点是结构简单，工作可靠。缺点是体积和重量较大，转矩脉动，低速稳定性较差。近几年来因其主要摩擦副大多采用静压支承或静压平衡结构，其低速稳定性有很大的改善，最低转速可达3r／min。

7  多作用内曲线径向柱塞马达是怎样工作的？

    多作用内曲线径向柱塞马达的典型结构如图5-8所示。壳体1的内环由z个(图5-8中x=6)形状相同均布的导轨面组成。每个导轨面可分成对称的a、b两个区段。缸体2和输出轴3通过螺栓连成一体。柱塞4、滚轮组5组成柱塞组件。缸体2有z个(图3—5中z=8)径向分布的柱塞孔，柱塞4装在孔中。柱塞顶部做成球面顶在滚轮组的横梁上。横梁可在缸体径向槽内沿直径方向滑动。连接在横梁端部的滚轮在柱塞腔中压力油作用下顶在导轨曲面上。

配流轴6圆周上均匀分布2z个配油窗口(图5-8中为12个窗口)，这些窗口交替分成二组，通过配流轴6的两个轴向孔分别和进回油口A、B相通。其中每一组z个配油窗口应分别对准x个同向曲面的。段或b段。若导轨曲面a段对应高压油区，则b段对应低压油区。如图所示，柱塞工、V在压力油作用之下；柱塞Ⅲ、Ⅶ处于回油状态；柱塞Ⅱ、Ⅵ、Ⅳ、Ⅷ处于过渡状态(即高、低压油均不通)。柱塞I、V在压力油作用下，推动柱塞向外运动，使滚轮紧紧地压在导轨曲面上。滚轮受到一法向反力N，它可以分解为径向分力F_r和切向分力F_τ。其中径向分力F_r与柱塞端液压作用力相平衡，而切向分力F，通过柱塞对缸体2产生转矩，带动输出轴3转动，同时，处于回油区柱塞受压缩后，将低压油从回油窗口排出。由于导轨曲线段x和柱塞数z不相等，所以总有一部分柱塞在任一瞬间处于导轨面的a段(相应的总有一部分柱塞处于b段)，使得缸体2和输出轴3连续转动。 

  

图5-8多作用内曲线径向柱塞马达

  1壳体 2缸体 3输出轴 4柱塞 5滚轮组 6配流轴

    总之，有z个导轨曲面，缸体旋转一转，每个柱塞往复运动z次，马达作用次数就为z次。

图5-8所示为六作用内曲线径向柱塞马达。由于马达作用次数多，并可设置较多柱塞(也可设多排柱塞结构)，这样，较小的尺寸可得到较大的排量。

    当马达的进、回油口互换时，马达将反转。这种马达既可做成轴旋转结构，也可做成壳体旋转结构。

    多作用内曲线径向柱塞马达的排量为

         (5-12)

式中  d——柱塞直径；

      s——柱塞行程；

      x——作用次数；

      y——柱塞排数；

      z——每排柱塞数。

多作用内曲线径向柱塞马达在柱塞数z与作用次数z之间存在一个大于1小于z的最大公约数m时，通过合理设计导轨曲面，可使径向力平衡，理论输出转矩均匀无脉动。同时马达的起动转矩大，并能在低速下稳定地运转，故普遍应用于工程、建筑、起重运输、煤矿、船舶、农业。