液压马达：工作原理及参数解析

1.液压马达的分类及特点

液压马达是把液体的压力能转换为机械能的装置，从原理上讲，液压泵可以作为液压马达用，液压马达也可作为液压泵用。但事实上同类型的液压泵和液压马达虽然在结构上相似，但由于两者的工作情况不同，使得两者在结构上也有某些差异。例如：

图2-30 液压缸的缓冲装置

a）缓冲柱塞进入配合孔时 b）缓冲柱塞进入配合孔之后 c）开有三角槽缓冲柱塞

图2-31 排气装置

a）设置进、出油口 b）设置放气孔 c）设置放气阀

1—缸盖 2—放气小孔 3—缸体 4—活塞杆

1）液压马达一般需要正反转，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的，没有这一要求。

2）为了减小吸油阻力，减小径向力，一般液压泵的吸油口比出油口的尺寸大。而液压马达低压腔的压力稍高于大气压力，所以没有上述要求。

3）液压马达要求能在很宽的转速范围内正常工作，因此应采用液动轴承或静压轴承。因为当液压马达速度很低时，若采用动压轴承，就不易形成润滑油膜。

4）叶片泵依靠叶片跟转子一起高速旋转而产生的离心力使叶片始终贴紧定子的内表面，起封油作用，形成工作容积。若将其当液压马达用，必须在液压马达的叶片根部装上弹簧，以保证叶片始终贴紧定子内表面，以便液压马达能正常起动。

5）液压泵在结构上需保证具有自吸能力，而液压马达就没有这一要求。

6）液压马达必须具有较大的起动转矩。所谓起动转矩，就是指液压马达由静止状态起动时，液压马达轴上所能输出的转矩，该转矩通常大于在同一工作压差时处于运行状态下的转矩，所以为了使起动转矩尽可能接近工作状态下的转矩，要求液压马达转矩的脉动小，内部摩擦小。

由于液压马达与液压泵具有上述不同的特点，使得很多类型的液压马达和液压泵不能互逆使用。

液压马达按其额定转速分为高速液压马达和低速液压马达两大类，额定转速高于500r/min（含500r/min）的属于高速液压马达，额定转速低于500r/min的属于低速液压马达。

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，调速和换向的灵敏度高。通常高速液压马达的输出转矩不大（＜1000N·m），所以又称为高速小转矩液压马达。

高速液压马达的基本形式是径向柱塞式，例如单作用曲轴连杆式、液压平衡式和多作用内曲线式等。此外在轴向柱塞式、叶片式和齿轮式中也有低速的结构形式。低速液压马达的主要特点是排量大、体积大、转速低（有时可达每分钟几转甚至零点几转），因此可直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大为简化，通常低速液压马达输出转矩较大（≥1000N·m），所以又称为低速大转矩液压马达。

液压马达也可按其结构类型来分，可以分为齿轮式液压马达、叶片式液压马达、柱塞式液压马达和其他形式的液压马达。

2.液压马达的性能参数

（1）排量、流量和容积效率 习惯上将液压马达的轴每转一周，按几何尺寸计算所进入的液体容积，称为液压马达的排量V，有时也称为几何排量、理论排量，即不考虑泄漏损失时的排量。

液压马达的排量表示出其工作容腔的大小，是一个重要的参数。因为液压马达在工作中输出的转矩大小是由负载转矩决定的。但是，推动同样大小的负载，工作容腔大的马达的压力要低于工作容腔小的马达的压力，所以说工作容腔的大小是液压马达工作能力的主要标志，也就是说，排量的大小是液压马达工作能力的重要标志。

根据液压动力元件的工作原理可知，液压马达转速n、理论流量q_i与排量V之间具有下列关系

q_i=nV （2-45）

式中 q_i——理论流量；

n——转速；

V——排量。

为了满足转速要求，马达实际输入流量q大于理论输入流量q_i，则有

q=q_i+Δq （2-46）

式中 Δq——泄漏流量。

ηV=q_i/q=1/（1+Δq/q_i） （2-47）

所以得实际流量为

q=q_i/η_V （2-48）

（2）液压马达输出的理论转矩 根据排量的大小，可以计算在给定压力下液压马达所能输出的转矩的大小，也可以计算在给定的负载转矩下液压马达的工作压力的大小。当液压马达进、出油口之间的压差为Δp，输入液压马达的流量为q，液压马达输出的理论转矩为T_t，角速度为ω，如果不计损失，液压马达输入的液压功率应当全部转化为液压马达输出的机械功率，即

Δpq=T_tω （2-49）

又因为ω=2πn，q=Vn，所以液压马达的理论转矩为

T_t=ΔpV/2π （2-50）

（3）液压马达的机械效率 由于液压马达内部不可避免地存在各种摩擦，实际输出的转矩T总要比理论转矩T_t小些，即

T=T_tη_m （2-51）

式中 η_m——液压马达的机械效率。

（4）液压马达的起动机械效率η_m 液压马达的起动机械效率是指液压马达由静止状态起动时，马达实际输出的转矩T₀与它在同一工作压差时的理论转矩T_t之比，即(www.xing528.com)

η_m0=T₀/T_t （2-52）

液压马达的起动机械效率表示出其起动性能的指标。因为在同样的压力下，液压马达由静止到开始转动的起动状态的输出转矩要比运转中的转矩大，这给液压马达带载起动造成了困难，所以起动性能对液压马达是非常重要的，起动机械效率正好能反映其起动性能的高低。起动转矩降低的原因，一方面是在静止状态下的摩擦因数最大，在摩擦表面出现相对滑动后摩擦因数明显减小，另一方面也是最主要的方面是因为液压马达静止状态润滑油膜被挤掉，基本上变成了干摩擦。一旦马达开始运动，随着润滑油膜的建立，摩擦阻力立即下降，并随滑动速度增大和油膜变厚而减小。

实际工作中都希望起动性能好一些，即希望起动转矩和起动机械效率大一些。现将不同结构形式的液压马达的起动机械效率η_m0的大致数值列在表2-3中。

表2-3 液压马达的起动机械效率

由表2-3可知，多作用内曲线液压马达的起动性能最好，轴向柱塞液压马达、曲轴连杆液压马达和静压平衡液压马达居中，叶片液压马达较差，而齿轮液压马达最差。

（5）液压马达的转速 液压马达的转速取决于供液的流量q_i和液压马达本身的排量V，其计算公式为

n_t=q_i/V （2-53）

式中 n_t——理论转速。

由于液压马达内部有泄漏，并不是所有进入液压马达的液体都推动液压马达做功，一小部分因泄漏损失掉了，所以液压马达的实际转速要比理论转速低一些。即

n=n_tη_V （2-54）

式中 n——液压马达的实际转速；

η_V——液压马达的容积效率。

3.各类液压马达的工作原理

常用的液压马达的结构与同类型的液压泵很相似。下面对齿轮液压马达、叶片液压马达、轴向柱塞液压马达和摆动液压马达的工作原理做一介绍。

（1）齿轮液压马达的工作原理 图2-32所示为外啮合齿轮液压马达的工作原理。图中Ⅰ为输出转矩的齿轮，Ⅱ为空转齿轮，当高压油输入液压马达高压腔时，处于高压腔的所有齿轮均受到液压油的作用（如图中箭头所示，凡是齿轮两侧面受力平衡的部分均未画出），其中互相啮合的两个齿的齿面，只有一部分处于高压腔。设啮合点c到两个齿轮齿根的距离分别为a和b，由于a和b均小于齿高h，因此两个齿轮上就各作用一个使它们产生转矩的作用力pB（h-a）和pB（h-b）。这里p代表输入油压力，B代表齿宽（图中未画出）。在这两个力的作用下，两个齿轮按图示方向旋转，由转矩输出轴输出转矩。随着齿轮的旋转，油液被带到低压腔排出。

图2-32 外啮合齿轮液压马达的工作原理

齿轮液压马达的结构与齿轮泵相似，但是由于液压马达的使用要求与泵不同，两者是有区别的。例如，为适应正反转要求，液压马达内部结构以及进、出油道都具有对称性，并且有单独的泄漏油管，将轴承部分泄漏的油液引到壳体外面去，而不能向泵那样由内部引入低压腔。这是因为液压马达低压腔油液是由齿轮挤出来的，所以低压腔压力稍高于大气压。若将泄漏的油液由液压马达内部引到低压腔，则所有与泄漏油道相连部分均承受回油压力，而使轴端密封容易损坏。

（2）叶片液压马达的工作原理 图2-33为叶片液压马达的工作原理。当压力为p的油液从进油口进入叶片1和叶片3之间时，叶片2因两面均受液压油的作用，所以不产生转矩。叶片1和叶片3的一侧作用有高压油，另一侧作用有低压油，并且叶片3伸出的面积大于叶片1伸出的面积，因此使转子产生顺时针方向的转矩。同样，当液压油进入叶片5和叶片7之间时，叶片7伸出面积大于叶片5伸出的面积，也产生顺时针方向的转矩，从而把油液的压力能转换成机械能，这就是叶片液压马达的工作原理。为保证叶片在转子转动前就要紧密地与定子内表面接触，通常是在叶片根部加装弹簧，弹簧的作用力使叶片压紧在定子内表面上。叶片马达一般均设置单向阀为叶片根部配油。为适应正反转的要求，叶片沿转子径向安置。

叶片液压马达的体积小，转动惯量小，因此动作灵敏，可适应的换向频率较高；但其泄漏较大，不能在很低的转速下工作，因此叶片液压马达一般用于转速高、转矩小和动作灵敏的场合。

（3）轴向柱塞液压马达的工作原理 轴向柱塞液压马达包括斜盘式轴向柱塞液压马达和斜轴式轴向柱塞液压马达两类。由于轴向柱塞液压马达和轴向柱塞泵的结构基本相同，工作原理是可逆的，因此大部分产品可作为泵使用。图2-34所示为轴向柱塞液压马达的工作原理。斜盘1和配油盘4固定不动，缸体2和马达轴5相连接，并可一起旋转。当液压油经配油窗口进入缸体孔作用到柱塞端面上时，液压油将柱塞顶出，对斜盘产生推力，斜盘则对处于压油区一侧的每个柱塞都要产生一个法向反力F，这个力的水平分力F_x与柱塞上的液压力平衡，而垂直分力F_y则使每个柱塞都对转子中心产生一个转矩，使缸体2和马达轴5做逆时针方向旋转。如果改变液压马达液压油的输入方向，液压马达轴就可做顺时针方向旋转。

图2-33 叶片液压马达的工作原理

图2-34 轴向柱塞液压马达的工作原理

1—斜盘 2—缸体 3—柱塞 4—配油盘 5—马达轴

一般来说，轴向柱塞液压马达都是高速液压马达，输出转矩小，因此，必须通过减速器来带动工作机构。如果能使液压马达的排量显著增大，也就可以使轴向柱塞液压马达做成低速大转矩液压马达。

（4）摆动液压马达 摆动液压马达的工作原理如图2-35所示。图2-35a所示是单叶片摆动液压马达。若从油口Ⅰ通入高压油，叶片做逆时针摆动，低压油从油口Ⅱ排出。因叶片与输出轴连在一起，使输出轴摆动的同时输出转矩、克服负载。

此类摆动液压马达的工作压力小于10MPa，摆动角度小于280°。由于径向力不平衡，叶片和壳体、叶片和挡块之间密封困难，限制了其工作压力的进一步提高，从而也限制了输出转矩的进一步提高。

图2-35b所示是双叶片式摆动液压马达。在径向尺寸和工作压力相同的条件下，它是单叶片式摆动液压马达输出转矩的2倍，但回转角度要相应减少，双叶片式摆动液压马达的回转角度一般小于120°。

叶片液压摆动马达的总效率_η=70%～95%，对单叶片摆动液压马达来说，设其机械效率为1，出口背压为零，则其输出转矩为

式中 p——单叶片摆动液压马达的进口压力；

B——叶片宽度；

R₁——叶片轴外半径，叶片内半径；

R₂——叶片外半径。

图2-35 摆动液压马达的工作原理

a）单叶片摆动液压马达 b）双叶片式摆动液压马达