4.1 液压马达

4.1.1 液压马达的主要性能参数

液压马达的主要性能参数包括压力、排量与流量、转速、转矩、功率和效率等。

1.压力

（1）工作压力p 液压马达实际工作时的输入压力称为液压马达的工作压力。工作压力取决于负载转矩及排油压力（背压力）的大小。

（2）额定压力p_n 在正常工作条件下，按试验标准规定能连续运转的最高压力，称为液压马达的额定压力，又称为公称压力。液压马达的额定压力受本身的结构强度、泄漏等因素的制约，超过此值即为过载。

（3）最高允许压力p_max 按试验标准规定，超过额定压力的、允许短暂运行的极限压力，称为液压马达的最高允许压力，简称最高压力。

（4）压力差Δp 液压马达的进油口压力与出油口压力之差称为液压马达的压力差。当马达的排油压力近似为零时，可用马达的进口工作压力p来代替Δp。

（5）最低回油背压 为避免出现脱空现象，液压马达排油腔必须保持的最低压力称为最低回油背压。

2.排量与流量

（1）排量q_M 液压马达轴每转一转（或一弧度），由其密封容腔几何尺寸变化计算而得到的流入液体的体积，称为液压马达的理论排量，即在无泄漏的情况下，液压马达轴转一转所需输入液体体积。

（2）理论流量Q_t 液压马达在单位时间内由其密封容腔几何尺寸变化计算而得到的流入液体体积，即在无泄漏的情况下，单位时间内所需流入的液体体积，称为液压马达的理论流量，一般是指在不计液压马达输入液体的脉动性时的平均理论流量。

液压马达的理论流量Q_t与排量q_M的关系式如下

Q_t=q_Mn （4-1）

式中 n———液压马达的转速（r/s）。

（3）瞬时流量Q_inst 液压马达在每一瞬时的流量称为瞬时流量，具有一定的脉动性。

（4）平均流量Q_av 按平均时间计算出的流量称为液压马达的平均流量。

（5）额定流量Q_n 液压马达在额定压力和额定转速下运转时，按试验标准规定，必须保证的输入流量称为额定流量。

（6）实际流量Q 液压马达工作时实际输入的流量，称为液压马达的实际流量。

由于液压马达工作时存在泄漏等因素导致损失部分流量，因此液压马达实际流量要大于理论流量。

Q=Q_t+ΔQ （4-2）

式中 ΔQ———液压马达向外部或低压腔的泄漏等因素而损失的流量。

3.转速

（1）额定转速n_n 在额定压力下，能够长时间正常运转的最高转速，称为液压马达的额定转速。

（2）最高转速n_max 在额定压力下，超过额定转速的、允许短暂运行的转速，称为液压马达的最高转速。

（3）最低转速n_min 液压马达正常运转所允许的最低转速，称为液压马达的最低转速。

4.转矩

（1）理论转矩M_t 不计液压马达在能量转换过程中的能量损失时，液压马达的输出转矩（理论输出转矩）称为液压马达的理论转矩，根据能量守恒关系，则

ΔpQ_t=Δpq_Mn=M_tω=M_t·2πn （4-3）

（2）实际转矩M 在工作过程中，液压马达的实际输出转矩称为实际转矩。由于液压马达工作时会因摩擦造成转矩损失ΔM，使得实际输出转矩M小于理论输出转矩M_t，即液压马达的实际输出转矩为

M=M_t-ΔM （4-5）

5.功率

（1）理论功率P_t 不考虑液压马达在能量转换过程中的能量损失，理论输入液压功率与理论输出机械功率相等，表达式为

P_ty=ΔpQ_t=Δpq_Mn

P_tm=M_tω=M_t2πn （4-6）

（2）实际功率P_i液压马达实际输入的液压功率称为实际输入功率，其表达式为

P_i=ΔpQ （4-7）

液压马达轴实际输出的机械功率称为液压马达的实际输出功率，其表达式为

P_o=Mω=M·2πn （4-8）

6.效率

液压马达在实现能量转换的工作过程中，能量损失主要有流量损失（容积损失）和转矩损失（机械摩擦损失）两部分。

（1）容积效率η_MV 液压马达的理论流量与实际流量的比值称为液压马达的容积效率，其表达式为

式中 ΔQ———液压马达损失的流量。

（2）机械效率η_Mm 液压马达的实际输出转矩与理论输出转矩的比值称为液压马达的机械效率，其表达式为

（3）总效率η_M 液压马达输出的机械功率与输入的液压功率的比值，称为液压马达的总效率，表达式为

即液压马达的总效率等于其容积效率和机械效率的乘积。

7.液压马达的特性曲线

液压马达的特性曲线是流量、转矩、效率等性能参数与工作压力p之间的关系曲线，如图4-1所示。

液压马达的实际流量Q随工作压力p增大而增加，但容积效率η_MV随工作压力p增大而减小。由于内摩擦力的作用，工作压力p在零值附近，使马达的转矩、机械效率和总效率特性曲线存在一个“死区”，即实际转矩、机械效率和总效率均为零，只有当工作压力p使马达达到起动转矩后，马达才开始运转而输出转矩。机械效率η_Mm从零开始，随压力增大而迅速增大，而后变缓，所以总效率始于零，且有一个最高点，液压马达应在此点附近区域内工作。

图4-1 液压马达特性曲线

例4-1 某液压马达的排量q=12mL/r，供油压力p=10MPa，供油流量Q=4×10^-4m³/s，容积效率η_MV=0.89，机械效率η_Mm=0.91，试求马达的实际转速、理论转矩和实际输出功率。

解 （1）马达的实际转速

（2）马达的理论转矩

（3）实际输出功率

P_o=pQη_MVη_Mm=10×10⁶×4×10^-4×0.89×0.91kW=3.2kW

4.1.2 液压马达类型

从结构上看，基本形式有齿轮式、叶片式和柱塞式等；根据其排量是否可调，又有定量马达和变量马达之分；根据转速高低和转矩大小，又分为高速小转矩和低速大转矩液压马达。此外，有些液压马达只能做小于某一角度的摆动运动，称为摆动液压马达。液压马达的职能图形符号如图4-2所示。

图4-2 液压马达职能图形符号

4.1.3 典型液压马达的结构和工作原理

1.齿轮式液压马达

（1）外啮合渐开线齿轮马达外啮合渐开线齿轮马达的工作原理如图4-3所示，图中两啮合齿轮中心分别为O₁和O₂，O₁轴上的齿轮为转矩输出齿轮，O₂轴上的齿轮为空转齿轮，啮合点为K。当高压油输入后，处于高压腔的两个齿轮的齿面受到液压力作用，由于该液压力作用在两个齿轮上的作用面积存在差值（如图4-3中箭头所示的不平衡液压力），所以对各齿轮轴产生不平衡转矩，继而推动齿轮克服负载阻力矩而转动。设齿轮的齿高为h，啮合点K到两齿轮齿根的距离分别为a和b。由于a和b都小于h，所以当压力油作用在齿面上时，对两齿轮产生转矩的作用力分别为pB（h-a）和pB（h-b），其中p为输入油液压力，B为齿宽。在该转矩的作用下，两齿轮按图4-3所示方向旋转，并把油液带到低压腔排出。

图4-3 齿轮马达工作原理

端面间隙可自动补偿的外啮合齿轮马达结构如图4-4所示。在后轴套2和前轴套5的外端对称分布4个密封圈，中心密封圈11紧紧包围着两个轴套孔，形成一个中间收缩的8字形区域A₁，因该区域通过两个轴承与泄油孔16相通，所以区域内的压力与泄油腔压力相等。侧边密封圈10和12对称分布在中心密封圈11的两侧（侧边密封圈10和12各有一段长度直接与中心密封圈11接触），分别形成菱形区域A₂和A₃，A₂经通道9与进油腔7相通，A₃经通道13与回油腔14相通。外围密封圈8布置成菱形，包围着密封圈10、11和12（外围密封圈8上有两段长度分别与侧边密封圈10和12直接接触），由于侧边密封圈10和12的两侧都分别与密封圈11和8直接接触，所以在外围密封圈8的包围圈内，又形成两个区域A₄和A₅，由于渗漏和窜油的原因，A₄和A₅内的压力很接近高压腔压力。

与齿轮泵相比，齿轮马达主要有以下特点：

1）在结构上齿轮马达具有对称性，使其反转时性能不受影响，而齿轮泵为单方向旋转。

图4-4 端面间隙可自动补偿的外啮合齿轮马达

1—后泵盖 2—后轴套 3—壳体 4—主动齿轮 5—前轴套 6—前泵盖 7—进油腔 8—外围密封圈 9、13—通道 10、12—侧边密封圈 11—中心密封圈 14—回油腔 15—从动齿轮 16—泄油孔 A₁～A₅—隔离密封区

2）因马达回油有背压，所以在壳体上设有单独的外泄油孔，将泄漏油液引入油箱，而齿轮泵则将泄漏油液引入低压油腔。

3）马达低压腔的油液是被齿轮挤出来的，其压力应稍高于大气压力，因此马达不会像齿轮泵那样因吸入流速过高而产生气蚀现象。

4）齿轮马达产生转矩，强调机械效率，力求好的起动性能和较低的最低稳定转速。由于齿轮马达速度范围很宽，采用动压轴承低速时不能形成润滑油膜，所以必须采用静压轴承，而齿轮泵提供压力和流量，强调容积效率，转速高，其变换范围很小，无此限制。

5）齿轮马达齿数取得比泵多，转矩的脉动小。轴向间隙补偿装置的压紧系数取得比泵小，起动时的摩擦力影响小。

齿轮马达具有结构简单、体积小、价格低、使用可靠性好等优点，但输出转矩的脉动性较大，机械效率较低，低速性能不是很好。

（2）内啮合摆线齿轮马达 内啮合摆线齿轮马达是齿轮马达的一种特殊形式，采用行星转子式摆线内啮合形式，短幅摆线齿形的内转子齿轮与圆弧齿形的内齿轮相啮合，结构紧凑、体积小、输出转矩大、低速稳定性好、转动惯量小，额定压力一般为10～12MPa，是一种小型低速大转矩液压马达，在车辆、工程机械等液压系统中有所应用。

轴配流摆线齿轮马达的结构如图4-5所示。它由内齿轮定子9、摆线齿轮转子10，齿轮联轴器5、配油盘7、输出轴4、泵体3、前端盖1和后端盖8等组成。在泵体3里面有7个孔c，经过配油盘7上相应的7个孔接通定子的齿轮底空间。在输出轴4上有环形槽a和b，分别与泵体上的进出油口相通。轴上开有12条轴向配油槽，其中6条与a槽相通，6条与b槽相通。这些配油槽在圆周上高低压相间，并且和转子的位置保持严格的相位关系，按一定的规律通过c孔使得半数（3个或4个）齿间的工作空间与压力油进油口接通，其余的半数与低压回油口接通，因而转子在压力油的作用下能够带动输出轴不断旋转。转子的运动是通过输出机构传递到输出轴上的。为了输出转子的自转运动，而又不至于妨碍它绕定子轴线公转，该液压马达用一个球面双齿轮联轴器作为输出机构，将转子与输出轴连接起来。齿轮联轴器的中间浮动轴两端是球面花键，分别与转子和输出轴的轴孔内花键啮合，并在随转子转动的同时进行摆动，从而使输出轴随着转子的自转一起旋转。

图4-5 内啮合摆线齿轮马达

1—前端盖 2—止推环 3—泵体 4—输出轴 5—联轴器 6—止推轴承 7—配油盘 8—后端盖 9—定子 10—转子

摆线齿轮转子在啮合过程中一方面绕自身轴线自转，一方面绕定子轴线高速反向公转。摆线齿轮转子与内齿轮定子的啮合情况以及在不同位置时配油轴的配油情况如图4-6所示。图4-6a所示是起始状态，5、6、7齿间进压力油，2、3、4齿间排油，1齿间处在排油到进油的过渡状态。图4-6b所示是转过1/14转时的情形，这时配油状态为1、2、3齿间进压力油，5、6、7齿间排油，4齿间处在排油到进油的过渡状态。图4-6c所示是转过1/7转时的情形，这时4、5、6齿间进压力油，1、2、3齿间排油，7齿间处在过渡状态。图4-6d所示是转子转过一个齿（转动1/6转）时的情形，各齿间都已完成一次进油和排油。转子自转一整圈（绕定子轴线公转6转）后，转子每个齿又回到原来的起始啮合位置，这时7个齿间的密封工作空间各进、排油6次。

图4-6 内啮合摆线齿轮马达配油原理

a）起始状态 b）轴转1/14转 c）轴转1/7转 d）轴转1/6转

2.叶片式液压马达

叶片式液压马达应用较多的类型是双作用定量液压马达，其工作原理如图4-7所示。压力油从进油口进入叶片之间，位于进油腔的叶片有7、8、1和3、4、5两组。叶片8和4两侧均受高压油作用，作用力互相平衡，不产生转矩；叶片7、1和3、5所承受的压力不能平衡，叶片1、5产生顺时针方向转矩，7、3产生逆时针方向转矩，但由于1、5叶片伸出长，作用面积大，顺时针产生的转矩大于逆时针转矩，所以转子按顺时针方向转动。叶片1、5和7、3产生的转矩差就是叶片式液压马达输出的转矩，它与马达的排量和进、出油口之间的压力差成正比。叶片式液压马达的转速取决于输入流量。如果改变输油方向，液压马达即可实现反转。

图4-7 叶片式液压马达工作原理

双作用叶片马达与双作用叶片泵对比，其结构特点如下：

1）为了保证叶片可靠压向定子的工作表面，结构上设置了扭力弹簧（燕形弹簧），作用在叶片根部，使叶片始终贴紧定子，以防起动时高低压油腔相通，保证液压马达顺利起动。

2）叶片数通常取偶数，在转子中对称分布，工作中转子所承受的径向液压力平衡。

3）液压马达一般要正反两个方向旋转，因此叶片在转子中径向放置，叶片倾角为零。

4）为使叶片液压马达在正反转时，叶片根部都能受压力油的作用，在其内部装有单向阀（梭阀）。

3.柱塞式液压马达

（1）轴向柱塞式液压马达轴向柱塞马达与轴向柱塞泵结构基本相同，工作原理是可逆的，一般来讲，大多数同一结构既可以作为液压泵来使用，也可以作为液压马达使用。

图4-8 斜盘式轴向柱塞马达工作原理图

斜盘式轴向柱塞马达工作原理如图4-8所示。缸体内的柱塞轴向布置，当压力油进入马达的高压腔之后，滑靴便受到作用力压向斜盘，其反作用力F_N分解成两个分力，分力F_x平行于柱塞轴线，并与柱塞所受液压力平衡，另一个分力F_y与柱塞轴线垂直，则这个力对缸体及马达轴产生转矩，驱动液压马达旋转做功，输出机械能。必须指出，液压马达是用来驱动外负载做功的，只有当外负载转矩存在时，进入液压马达的油液才能建立起相应的压力，产生相应的转矩去克服负载阻力矩。所以，液压马达的转矩是随外负载转矩变化而变化的。

（2）径向柱塞式液压马达 径向柱塞马达的结构有很多种，下面以柱塞装在转子中的一种为例，说明能够产生转距的原理，如图4-9所示。

以一个柱塞受力情况进行分析，转子的中心为O₁，定子的中心为O₂。输入柱塞下腔中的压力油作用在柱塞底部，使柱塞给定子内壁一个作用力，定子内壁同时给柱塞顶端反作用力，其方向是沿着柱塞和定子接触点的法线方向，也就是力作用线通过定子中心O₂，该作用力可以分解成两个分力，分力p₁平行于柱塞中心线，并与油液的作用力平衡，另一分力p₂垂直于转子半径，产生转矩，使转子按顺时针方向回转。这是一个柱塞产生转矩的情况，由于在压油区同时有几个柱塞，这些柱塞所产生的转矩使转子回转，并通过马达轴输出总转矩。径向柱塞马达多用于低速大转矩的场合。

图4-9 径向柱塞马达工作原理图

4.摆动液压马达

摆动液压马达是一种实现往复摆动的执行元件。其类型可分为叶片式和活塞式两大类。叶片式摆动马达有单叶片、双叶片和多叶片之分。活塞式摆动马达有齿轮齿条式、活塞螺旋式、链式、曲柄连杆式等类型。

（1）叶片式摆动马达 单叶片摆动马达是由定子块和叶片把工作腔分隔成两腔，如图4_-10a所示，叶片摆动角度最大不超过310°。当压力油进入其中一腔时，叶片受压力油作用，带动输出轴一起旋转，输出转矩，另一腔容积减小，进行排油。压力油反向输入时，叶片及输出轴反转。

双叶片摆动马达如图4-10b所示。两个A腔必须同时通入压力油，两个B腔同时回油。其摆动角度最大不超过100°。与单叶片比较，结构尺寸和输入压力、流量都相等的条件下，输出转矩可增加1倍，输出轴不受径向力，机械效率高。但转角较小，内泄漏较大，容积效率较低。多叶片摆动马达的叶片数量超过2片，其工作原理与双叶片摆动马达相似。

图4-10 叶片式摆动液压马达工作原理

a）单叶片型 b）双叶片型

（2）活塞式齿轮齿条型摆动马达 单缸单作用式齿轮齿条型摆动液压马达结构，如图4-11所示。两个活塞4、7固定在齿条活塞杆5的两端，齿条5和齿轮6啮合作为机械转换器。当左腔输入压力油时，带有齿条的活塞杆在压力作用下向右运动，驱动齿轮旋转，由齿轮轴输出转矩，带动负载旋转。压力油反向输入时，输出轴反转。这种摆动马达优点是结构简单，密封容易，传动效率高，转矩和角速度传递平稳，位置精确便于控制，缺点是制造与安装要求高。

图4-11 单缸单作用式摆动液压马达结构

1—调节螺钉 2—端盖 3—卡环 4、7—活塞 5—齿条 6—齿轮