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1、,第三章,执行元件,机械设计制造及其自动化专业,概 述,液压与气动系统中的执行元件，是将流体的压力能转化为机械能的元件。,执行元件驱动机构作直线往复或旋转（或摆动）运动。,执行元件,压力,流量,力（转矩）,速度（转速）,第一节 直线往复运动执行元件,一、液压缸,（一）液压缸的类型,实现直线的往复运动。,1.活塞式液压缸,双杆活塞缸,单杆活塞缸,2.柱塞式液压缸,3.伸缩式液压缸,按结构形式，可以分为：,继续,双杆活塞缸,活塞两侧的活塞杆直径相等。,工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍。,进、出油口位于缸筒两端；,工作台移动范围约为活塞有效行程的二倍。,进、出油口在活塞杆上，或用软管连接在缸筒两
2、端；,双杆活塞缸,当活塞左右运动对应的油压和输入流量相同时，两个方向上输出的推力和速度就是相等的。,设：A-活塞的有效面积；D、d活塞和活塞杆的直径；q输入流量；p1、p2进、出口压力；m、v缸的机械效率、容积效率,返回,单杆活塞缸,只在活塞一端有活塞杆，缸的两腔有效工作面积不相等。,安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种，进、出油口根据安装方式而定。,工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍。,单杆活塞缸,速度和推力计算式,单杆活塞缸,单活塞杆液压缸左右两腔同时接通压力油，这种连接方式称为差动连接，此缸称为差动缸。,此时液压缸两腔压力相等，但两腔活塞的工作面积不相等，活塞将向有杆腔方向运动。,向液压缸
3、右腔输油，左腔通油箱，活塞向左运动。,单杆活塞缸,单活塞杆液压缸左右两腔同时接通压力油，这种连接方式称为差动连接，此缸称为差动缸。,1.在不增加输入流量的情况下提高活塞的运动速度；,2.输出力降低了。,特点,返回,柱塞液压缸,1.柱塞式液压缸是单作用液压缸，即靠液压力只能实现一个方向的运动，回程要靠自重（当液压缸垂直放置时）或其它外力；,2.用两个柱塞缸组合，也能用压力油实现往复运动；,特点,柱塞液压缸,3.柱塞运动时，由缸盖上的导向套来导向，因此，柱塞和缸筒的内壁不接触，缸筒内孔只需粗加工即可。,特点,返回,伸缩式液压缸,1.由两个或多个活塞套装而成，前一级活塞杆是后一级活塞缸的缸筒；,2.
4、伸出时，可以获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸；,特点,伸缩式液压缸,特点,3.在各级活塞依次伸出时，液压缸的有效面积是逐级变化的。,在输入流量和压力不变的情况下，液压缸的输出推力和速度逐级变化：,伸缩式液压缸,4.起动时活塞有效面积最大，输出推力也最大，随着行程逐级增长，推力随之减小；,这种推力变化情况，正适合于自动装卸车对推力的要求。,特点,返回,液压缸类型,小结,1.活塞式液压缸,2.柱塞式液压缸,3.伸缩式液压缸,双作用,单作用,双杆,单杆,双作用,单作用（弹簧复位）,一、液压缸,液压缸的结构形式很多，在此以单杆活塞缸为例，说明液压缸的基本组成。,（二）液压缸的结构,一、液
5、压缸,只有一端有活塞杆，两端进出口油口都可通压力油或回油，以实现双向运动，故为双作用缸。,（二）液压缸的结构,一、液压缸,由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封装置、缓冲装置等主要零件组成。,（二）液压缸的结构,缸体组件包括缸筒、缸盖和一些连接零件。,缸体组件,缸筒和缸盖的常见连接方式如图所示。,缸筒可以用铸铁（低压时）和无缝钢管（高压时）制成。,法兰连接，加工和拆装都很方便，只是外形尺寸大些；,缸体组件,半环连接，要求缸筒有足够的壁厚；,螺纹连接，外形尺寸小，但拆装不方便，要有专用工具；,拉杆式连接，拆装容易，但外形尺寸大；,缸体组件,焊接连接，结构简单，尺寸小，但可能会有因焊接有一些变形。,
6、螺纹式连接结构简单，但要防止螺母脱落；,活塞和活塞杆,活塞和活塞杆的常见连接方式如图所示。,半环式连接结构复杂，但工作可靠。,活塞通常是用铸铁制成的，活塞杆通常用钢料制成。,根据密封位置不同，密封装置有,密封装置,液压缸中的密封是指活塞、活塞杆和缸盖等处的密封。它是用来防止液压缸内部和外部的泄漏。,液压缸中密封设计的好坏，对液压缸的性能有着重要影响。,活塞密封,活塞杆密封,缸盖密封,继续,活塞密封,指活塞外表面与缸筒内表面之间的密封，用来防止液压缸中高压容腔的油液向低压容腔中泄漏。,活塞密封,在活塞上开出的若干道深0.3mm至0.5mm的环形槽，可以增大油液从高压腔向低压腔泄漏的阻力，从而减小
7、泄漏。,间隙密封,间隙密封是一种最简单的密封形式，常用在活塞直径较小、工作压力较低的液压缸中。,活塞密封,通过在活塞外表面的环形槽中放置切了口的金属环来实现密封。,活塞环密封,金属环依靠弹性变形紧贴在缸筒内表面上，在高温、高压和高速运动场合有很好的密封性能。,缺点是制造工艺比较复杂。,活塞密封,橡胶圈密封,磨损后能自动补偿、并且密封性能会随着压力的加大而提高,结构简单、应用广泛。,左图采用了Y形橡胶圈，使两唇面向油压，以便在压力油作用下使两唇张开。,如果压力波动较大、运动速度较高，则须考虑在Y形密封圈中添加支撑件。,活塞密封,橡胶圈密封,磨损后能自动补偿、并且密封性能会随着压力的加大而提高,结
8、构简单、应用广泛。,上图中采用的是O形橡胶圈。,返回,活塞杆密封,指活塞和活塞杆之间的密封。,活塞杆密封,V形和Y形密封圈在安装时都须将两唇面向油压。,注意,返回,缸盖密封,一般采用O形圈密封。,返回,缓冲装置,利用活塞或缸筒移动到接近终点时，将活塞和缸盖之间的一部分液体封住，迫使液体从小孔或缝隙中挤出，从而产生很大的阻力，使工作部件制动，避免活塞和缸盖的相互碰撞。,常用的缓冲装置有：,节流口可调式缓冲装置,节流口变化式缓冲装置,继续,当活塞上的凸台进入端盖凹腔后，圆环形回油腔中的液体只能通过针形节流阀流出，从而使活塞制动。,调节节流阀开口，可改变制动阻力大小。,节流口可调式缓冲装置,这种缓冲
9、装置起始缓冲效果好，随着活塞向前移动，缓冲效果逐渐减弱，因此它的制动行程较长。,返回,活塞上开有变截面的轴向三角节流槽。,节流口变化式缓冲装置,返回,活塞移近端盖时，回油腔油液只能经过三角槽流出，使活塞受到制动作用。,随着活塞的移动，三角槽通流截面逐渐变小，阻力作用增大，因此，缓冲作用均匀，冲击压力较小，制动位置精度高。,排气装置,由于液体中混有空气或液压缸停止使用时空气侵入，在液压缸的最高部位常会聚积空气。,若不排除就会使缸的运动不平稳，引起爬行和振动，严重时会使液体氧化腐蚀液压元件。,排气装置,排气阀和排气塞都要安装在液压缸的最高部位。,并非所有的液压缸都设置排气装置。,注意,对于要求不高
10、的液压缸往往不设专门的排气装置，而是将通油口布置在缸筒两端的最高处，使缸中的空气随油液的流动而排走。,第一节 直线往复运动执行元件,二、气缸,气缸以压缩空气为动力，驱动机构作直线往复运动。,气缸是气动系统中使用最多的执行元件。,（一）气缸的类型,普通气缸在缸筒内只有一个活塞和一个活塞杆，也有单作用和双作用之分。,（二）普通气缸,回程靠弹簧实现。,（二）普通气缸,由于气缸活塞杆初始位置处于退回的位置，因此也称为预缩型单作用气缸。,有无杆气缸、磁性气缸、开关气缸、制动气缸、坐标气缸、手指气缸、气液阻尼气缸等。,（三）其他形式气缸,与液体相比，气体具有可压缩性。因此，在外载荷发生变化时会导致气缸的输
11、出运动产生爬行或自移现象。,气液阻尼气缸,在要求气缸有较高的位置和速度精度时，宜使用气液阻尼缸。,气液阻尼缸是一种由气缸和液压缸构成的组合缸。,气液阻尼气缸,气液阻尼缸有串联式和并联式两种结构：,由气缸产生驱动力，用液压缸的阻尼调节作用获得平稳运动。,串联式,并联式,继续,在液压缸的进、出口处连接了调速用的液压单向节流阀，通过调节液压缸的排油量，从而调节活塞运动的速度。,气液阻尼气缸,气缸活塞和液压缸活塞用一根活塞杆串联起来，两缸之间用中盖6隔开，防止空气与液压油互窜。,串联式,气液阻尼气缸,工作进给时，气缸右腔进气，活塞杆左行，液压缸左腔排油。,串联式,由于此时单向阀4关闭，所以排油路线只能
12、经由节流阀3进入液压缸右腔。由此，调节节流阀3的开口量大小，就可调节活塞的运动速度。,气液阻尼气缸,返回时，气缸左腔进气，活塞杆右行，液压缸右腔排油；,串联式,由于此时单向阀4打开，所以排油路线可经单向阀4快速进入液压缸左腔，实现快退。,气液阻尼气缸,一般将双活塞杆腔作为液压缸，使液压缸左右两腔进排油量相等；,串联式,贮油杯内的油液只用于补充因液压缸泄漏而减少的流量。,返回,工作原理和特性与串联式气液阻尼缸相同。,气液阻尼气缸,液压缸与气缸用刚性连接板并联在一起，但液压缸活塞杆可在连接板内浮动一段行程（可调节）。,并联式,注意使气缸活塞杆轴线应与负载作用线处在同一轴线上，从而减小附加力矩对运动
13、平稳性的影响。,气液阻尼气缸,结构紧凑，气缸和液压缸之间没有窜气现象。,并联式,返回,第二节 旋转运动执行元件,一、液压马达,（一）液压马达的工作原理,输出连续旋转或摆动的执行元件。,（一）液压马达的工作原理,以轴向柱塞式液压马达为例：,高压油经配油盘的窗口进入缸体的柱塞孔时，高压腔的柱塞被顶出，压在斜盘上。,斜盘1和配油盘4固定不动，柱塞3可在缸体2的孔内移动。斜盘中心线和缸体中心线相交一个倾角。,（一）液压马达的工作原理,液压马达产生的转矩应为所有处于高压腔的柱塞产生的转矩之和，即,斜盘对柱塞的反作用力F分解为轴向分力FN和垂直分力FT。FN与作用在柱塞上的液压力平衡，FT则产生使缸体发生
14、旋转的转矩，带动轴5转动。,（一）液压马达的工作原理,液压马达对外输出的总的转矩也是脉动的。,随着柱塞和缸体垂直中心线的夹角的变化，每个柱塞产生的转矩是变化的。,（一）液压马达的工作原理,说明,因为考虑到压力平衡、间隙密封的自动补偿等因素，液压泵吸、排油腔的结构多是不对称的，只能单方向旋转。但作为液压马达，通常要求正、反向旋转，要求结构对称。,从工作原理上讲，相同形式的液压泵和液压马达是可以相互代换的。,但是，一般情况下未经改进的液压泵不宜用作液压马达。,（二）液压马达的主要性能参数,1.工作压力和额定压力,工作压力是指马达实际工作时的压力。,额定压力是指马达在正常工作条件下，按试验标准规定能
15、连续运转的最高压力。,2.排量和理论流量,排量是指在没有泄漏的情况下，马达轴旋转一周所需输入的液体体积。,理论流量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。,（二）液压马达的主要性能参数,3.效率和功率,容积效率：由于有泄漏损失，为了达到液压马达所要求的转速，实际输入的流量q必须大于理论输入流量qt。,机械效率：由于有摩擦损失，液压马达的实际输出转矩T一定小于理论转矩Tt。,（二）液压马达的主要性能参数,3.效率和功率,液压马达的总效率：,液压马达的输入功率：,液压马达的输出功率：,p液压马达进、出口的压力差,，n液压马达的角速度和转速,（二）液压马达的主要性能参数,4.转矩和转
16、速,液压马达产生的理论转矩：,液压马达输出的实际转矩：,转矩和转速是液压马达输出的两个最重要物理量，是输出机械能的表现形式。,液压马达输出的实际转速：,（V排量）,（三）其它类型的液压马达,液压马达按结构可以分为齿轮式、叶片式和柱塞式等。,按工作性能可分为高速马达和低速马达两大类。,高速液压马达转子转动惯量小，反应迅速，额定转速大于500r/min，但输出的转矩相对较小。,低速液压马达旋转速度低、转矩大。,（三）其它类型的液压马达,属于高速马达。,齿轮式液压马达,为了减小输出转矩的脉动，齿轮式液压马达中齿轮的齿数比泵的齿数多。,（三）其它类型的液压马达,齿轮式液压马达,由于齿轮马达的容积效率比
17、较低，输入油压不能过高，因此输出转矩较低。,通常适用于高速小转矩的场合，例如工程机械和农业机械中。,（三）其它类型的液压马达,属于高速马达。,叶片式液压马达,叶片式液压马达转动惯量小，动作灵敏，运转均匀脉动小。,缺点是泄漏较大，不能在很低的转速下工作，机械特性较软（即当负载增加时转速将迅速降低）。,（三）其它类型的液压马达,属于高速马达。,叶片式液压马达,叶片式液压马达转动惯量小，动作灵敏，运转均匀脉动小。,适用于低转矩、高转速的场合，其最高转速可达2000r/min。,（三）其它类型的液压马达,一般多采用径向柱塞式。,低速液压马达,特点是输入压力高、排量大，因此输出转矩很大，可达几百N.m到
18、几千Nm。,低速液压马达可在10r/min以下平稳运转。所以又称低速大扭矩液压马达。,（三）其它类型的液压马达,摆动液压马达,摆动液压马达也称摆动式液压缸，是一种输出轴作往复摆动（不是连续回转）的液压执行元件。,摆动液压马达有单叶片和双叶片两种结构。,（三）其它类型的液压马达,摆动液压马达,单叶片式摆动马达的摆动角度小于300。,双叶片式摆动马达的摆动角度小于150。,在相同情况下，双叶片式的输出转矩是单叶片式的两倍，角速度是单叶片式的一半。,第二节 旋转运动执行元件,一、液压马达,二、气动马达,气动马达是将压缩空气的能量转换为回转运动的气动执行元件。,气动马达的转动惯量很小，可频繁做正、反方向转动。,第二节 旋转运动执行元件,一、液压马达,二、气动马达,图示为叶片式气动马达，一般在高速回转的范围使用，其输出功率为0.120KW，转速为50025000 r/min。,叶片式气动马达的启动特性和低速特性不好，主要用于矿山机械和气动工具。,第三节 设计计算（自学）,作业：,P133：3-2,本 章 结 束,机械与电气工程学院,
