QJM球塞式液壓馬達設(shè)計說明書

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）計算和說明備注前言 液壓傳動技術(shù)是一門近代工業(yè)技術(shù)，可以借助導管想任何一位置傳遞動力；可以借助控制壓力油液的流動實現(xiàn)對負載的控制。液壓馬大師一種能實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行機構(gòu)。本設(shè)計QJM型徑向球塞式低速大扭矩液壓馬達目前已廣泛應用于建筑工程、起重運輸、冶金重型、石油、煤礦、船舶、機床、輕工注塑、地質(zhì)勘探等部門?？芍苯域?qū)動履帶行走、軌道輪子驅(qū)動、各種回轉(zhuǎn)提升機械、勘探鉆孔、帶式輸送、物料攪拌、路面切割、船舶推進、塑料預塑等機構(gòu)。其品種規(guī)格繁多，常見的主要有“多作用徑向柱塞式”，“曲軸連桿式”，“擺線式”，“葉片式”，“球賽式”，等，盡管低速大扭矩液壓馬達的結(jié)構(gòu)，工作原理繁多，但按每

2、轉(zhuǎn)柱塞副作用次數(shù)可分為單作用與多作用兩大類，按柱塞排列方式可分為徑向柱塞式和軸向柱塞式。第一章 引子液壓傳動及控制，由于其操作、調(diào)速簡便，易于過載保護，反應迅速，動作準確，單位功率重量輕以及機構(gòu)系統(tǒng)布置的優(yōu)點，得到了日益廣泛的應用。隨著液壓元件的發(fā)展，機床、工程機械、礦石機械、起重機械、船舶甲板機械和軍工機械等相繼采用液壓傳動或液壓控制系統(tǒng)，使整機重量減輕、操作簡化、提高了生產(chǎn)效率?？梢灶A見，液壓技術(shù)作為實現(xiàn)自動化的一種手段，在各種工業(yè)中的應用將愈來愈廣泛，同時。也將對液壓技術(shù)提出新的要求，促進元件研究和系統(tǒng)的應用和發(fā)展。任何液壓裝置，以執(zhí)行元件輸出動力帶動負載，根據(jù)主機工作性質(zhì)和要求，選用液

3、壓缸或液壓馬達作為執(zhí)行元件。液壓缸實現(xiàn)往復運動，回轉(zhuǎn)運動的工作機械則選用液壓馬達驅(qū)動。由于傳遞扭矩較高，并且轉(zhuǎn)速較低，所以采用徑向柱塞式低速大扭矩液壓馬達，低速大扭矩液壓馬達具有轉(zhuǎn)速低，輸出扭矩大的特點。根據(jù)直接帶動負載的低速大扭矩液壓馬達的輸出特點，這類液壓馬達首先應該具有比值： M液壓馬達的輸出扭矩； 液壓馬達的最大角速度。 其次，應該在100r/min一下，直接帶動額定負載穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。因此，對運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)度該作出規(guī)定，凡在轉(zhuǎn)動過程中，因轉(zhuǎn)速脈動而出現(xiàn)或，且其轉(zhuǎn)速的平均值為，若： 時， 稱馬達在該轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，反之，則稱為運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。根據(jù)上述規(guī)定可以得出和在100r/min下直接帶動負載平穩(wěn)

4、運轉(zhuǎn)的兩個條件的馬達稱為低速大扭矩液壓馬達。目前國內(nèi)外使用的低速大扭矩液壓馬達，其轉(zhuǎn)速一般在400r/min以下，這類馬達大多具有較好的低速穩(wěn)定性，如多作用內(nèi)曲線液壓馬達，可在0.51r/min以下平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。這類液壓馬達的輸出扭矩一般都大于，大排量馬達的扭矩可達以上，由于他的低速大扭矩特點，使用時可以直接驅(qū)動負載，一般不用減速裝置。但是有時為了減少液壓馬達的規(guī)格品種，可以通過一級開式齒輪與工作機構(gòu)連接。采用低速大扭矩液壓馬達直接驅(qū)動負載，具有低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，啟動效率高，加速和制動時間短，過載保護，機構(gòu)緊湊，布置靈活等優(yōu)點，但一般情況下，由于輸出扭矩大，制動比較困難。內(nèi)曲線液壓馬達的結(jié)構(gòu)類型也很多

5、，其柱塞有一橫梁傳遞側(cè)向力的，有一柱塞直接傳地側(cè)向力的。根據(jù)參數(shù)要求，并根據(jù)目前國內(nèi)內(nèi)曲線液壓馬達的設(shè)計試驗情況，柱塞副的結(jié)構(gòu)形式采用以橫梁和柱塞共同傳遞側(cè)向力，這種結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)比較簡單，加工簡便，工作比較可靠。QJM系列液壓馬達是內(nèi)曲線多作用徑向液壓馬達的一類，它具有沒曲線多作用液壓馬達的共同特點，同時它也有自身的一些特點。QJM內(nèi)曲線多作用徑向液壓馬達采用球塞（由球塞和鋼球組成）來代替橫梁傳力式徑向馬達的柱塞橫梁和滾輪組成的傳力副，由于采用球塞副結(jié)構(gòu)比較簡單，所以減小了馬達的基本外形尺寸，使得馬達的結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量更輕。由于采用多作用次數(shù)設(shè)計，馬達能輸出更大的扭矩，而且只要柱塞數(shù)和作

6、用數(shù)選取合適，可以使液壓馬達的徑向力在理論上達到完全平衡，具有較高的啟動扭矩效率。設(shè)計中，合理選取導軌曲線，并按照無脈動原則分配副角，理論上都能做到輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的脈動率為零，因而可以獲得更好的低速穩(wěn)定性，而且由于軸向力平衡馬達的壽命可以大大的提高。多作用內(nèi)曲線液壓馬達，按其結(jié)構(gòu)主要有以下四種類型：（1） 橫梁傳力式內(nèi)曲線液壓馬達；（2） 滾輪傳力是內(nèi)曲線液壓馬達；（3） 滾柱式內(nèi)曲線液壓馬達；（4） 球塞式內(nèi)曲線液壓馬達。 本次設(shè)計為徑向鋼球馬達設(shè)計。第二章 QJM球塞式液壓馬達概述1.1 QJM液壓馬達的適用和特點QJM液壓馬達適用范圍: QJM型液壓馬達可與各種油泵、閥及液壓附件配套組成

7、液壓傳動裝置，由于它在設(shè)計上采取了各種措施，故可適應各種機器的工況。該型馬達具有重量輕、體積小、調(diào)速范圍大，可有級變量、機械制動器可自動啟閉、低速穩(wěn)定性能好、工作可靠、耐沖擊、效率高、壽命長等一系列優(yōu)點，目前已廣泛應用于礦山建筑工程、起重運輸、冶金重型、石油、煤礦、船舶、機床、輕工注塑、地質(zhì)勘探等部門?？芍苯域?qū)動履帶行走、軌道輪子驅(qū)動、各種回轉(zhuǎn)提升機構(gòu)、勘探鉆孔、帶式輸送、物料攪拌、路面切割、船舶推進、塑料預塑等機構(gòu)。 QJM型液壓馬達主要特點： 1、該型馬達的滾動體用一只鋼球代替了一般內(nèi)曲線液壓馬達所用的兩只以上滾輪和橫梁，因而結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、體積、重量顯著減少。 2、運動付慣量小，鋼球

8、結(jié)實可靠，故該型馬達可以在較高轉(zhuǎn)速和沖擊負載了連續(xù)工作。 3、磨擦付少，配油軸與轉(zhuǎn)子內(nèi)力平衡，球塞付通過自潤滑復合材料制成的球墊傳力，并具有靜壓平衡和良好潤滑條件，采用可自動補償磨損的軟性塑料活塞環(huán)密封高壓油，因而具有較高的機械和容積效率，能在很低的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，起動力矩較大。 4、因結(jié)構(gòu)具有的特點，該馬達所需回油背壓較低，一般需0.30.8Mpa，轉(zhuǎn)速越高，背壓應越大。 5、因配油軸與定子剛性連接，故該型馬達推出油管允許用鋼管連接。 6、該型馬達具有二級和三級變排量，因而具有較大的調(diào)速范圍。 7、結(jié)構(gòu)簡單，拆修方便，對油清潔度無特殊要求，油的過濾精度可按配套油泵的要求選定。 8、除殻轉(zhuǎn)和帶

9、支承型外，液壓馬達的出軸一般只允許承受扭矩，不能承受徑向和軸向力。 9、帶"T"型液壓馬達，中心具有通孔，傳動軸可以穿過液壓馬達。 10、帶"S"型液壓馬達具有能自動開閉的機械制動器，能實現(xiàn)可靠的制動。 11、帶"Se"和"SeZ"型液壓馬達其啟動和制動可用人工控制也可自動控制，控制壓力較低，制動扭矩大，操作方便、可靠。 12、帶"B"型液壓馬達后端可以安裝轉(zhuǎn)速表，顯示液壓馬達的轉(zhuǎn)速。2.2 QJM軸轉(zhuǎn)液壓馬達結(jié)構(gòu)及工作原理一、QJM軸轉(zhuǎn)馬達的內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 下圖為QJM系列內(nèi)曲線多作用徑向鋼球液壓

10、馬達的基本結(jié)構(gòu)，主要由鋼球、帶輸出軸的缸體、導軌、配流軸、柱塞、后蓋、前端蓋、孔用擋圈、封油悶蓋、定位銷等零部件構(gòu)成。QJM型鋼球馬達結(jié)構(gòu)二、QJM軸轉(zhuǎn)液壓馬達工作原理：下圖為QJM型球塞式內(nèi)曲線液壓馬達的工作原理圖： （a） (b)它由轉(zhuǎn)子缸體2、導軌3、和柱塞5鋼球1組成的球塞副、配流軸4、外殼6等組成。上圖為具有10球塞六作用次數(shù)的液壓馬達。所謂作用次數(shù)，即每個球塞副隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周往復的次數(shù)，也即導軌所具有的曲線凹凸數(shù)。配流軸4的作用是依次將高壓油分配給各球塞，并將低壓油從各球塞依次通過配流軸排出。柱塞5在高壓推動下，帶動鋼球1沿徑向向外運動，與曲線導軌3接觸，鋼球1與導軌曲線的相互作用如

11、上圖（b）所示。柱塞副所產(chǎn)生的液壓力P是沿柱塞軸線的。該力分為兩個力N與F，N力與導軌曲線相垂直，并與導軌曲線的反力相平衡。分力F即為推動缸體旋轉(zhuǎn)的切向力。切向力F與向徑（為滾球中心至馬達旋轉(zhuǎn)中心的距離）的乘積即為該球塞所產(chǎn)生的扭矩。各做功柱塞產(chǎn)生的扭矩之和即為液壓馬達在該瞬時的輸出扭矩。內(nèi)曲線多作用徑向球塞式液壓馬達導軌展開圖如下： 上圖，導軌三的每段曲面都分成球塞上升（即外伸）的半個區(qū)段和下降（即內(nèi)縮）的半個區(qū)段，如一號曲面中的a和b所示。配流軸4的圓周上均勻分布12各如和的所示的配流窗口，這些窗口交替分成兩組，通過配流軸上的軸向孔分別和進、回油口A、B相通。沒一組的六個配流窗口、應分別對

12、準六個同向半段曲面和的中間位置。 假如內(nèi)曲面的a段對應高壓區(qū)，b段對應低壓區(qū)（即通進油B，接回油A）在圖示瞬間，曲面三、六中的位于a區(qū)的球塞副處在高壓油工作工況；曲面一、四位于b區(qū)段的球塞副處于回油工況；其余球塞副則處于過渡狀態(tài)（即與高、低壓回路均不通）。這樣，球塞三、六在壓力油的作用下產(chǎn)生推力P，將鋼球緊緊壓在導軌曲面上進而產(chǎn)生如圖b所示的切向分力F，推動缸體旋轉(zhuǎn)，形成輸出力矩。 當球塞副一進入a段，就會產(chǎn)生扭矩推動缸體旋轉(zhuǎn)。隨著缸體旋轉(zhuǎn)，球塞副外伸，越過頂點進入b段，使其和回油相通，進而球塞副內(nèi)縮。球塞副在a段和b段過渡的一瞬間，球塞油孔被配流軸密封間隔封閉，此時球塞副應沒有徑向位移，以免

13、發(fā)生困有（劃氣蝕）現(xiàn)象。凡處于a段的球塞副都進油，處于b段的球塞副都回油，而設(shè)計時使曲線數(shù)（即作用次數(shù)x）和球塞數(shù)不相等，因此總有一部分球塞副處于導軌曲面的a段（相應的總有一部分球塞處于曲面的b段），使得缸體和輸出軸能均勻并連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。球塞式液壓馬達與其他內(nèi)曲線馬達一樣，其排量等于馬達一轉(zhuǎn)中所有球塞工作容積之和，即 其中，馬達理論排量（ml/r）；球塞副中柱塞直徑（mm）； 球塞行程（mm）； 作用次數(shù)（即導軌曲線起伏凹凸數(shù)）； 每排球塞個數(shù)； 球塞排數(shù)第三章 QJM參數(shù)和性能分析3.1 基本參數(shù)計算 1QJM21-0.63內(nèi)曲線多作用徑向液壓馬達基本參數(shù)： 額定壓力： 額定排量：q=0.66

14、4L/r 額定轉(zhuǎn)速：N=2-250r/min 額定輸出扭矩：M=1572N.m1、液壓馬達的輸出牽引力根據(jù)牽引力計算公式： 其中：牽引力（kN）最大輸出扭矩， M=1572N.m 輸出軸傳動的機械效率，取 輸出軸直徑， 所以 T=1572×0.93×2÷110=26.58KN2、液壓馬達的理論排量： 其中， 初?。??。?則3、馬達的進出口壓差 其中，馬達的機械效率， p=16Mpa4、馬達平均轉(zhuǎn)速： 其中，最大轉(zhuǎn)速， =250r/min 最小轉(zhuǎn)速， 所以 =126r/min馬達所需要的流量Q 其中，液壓馬達容積效率，取 =0.664×126/0.9=9

15、2.96L/min馬達輸出功率 N=16000000×0.093/60×0.93×0.9=20.8KW3.2 運動學分析該球塞式液壓馬達采用設(shè)計，每轉(zhuǎn)一周，柱塞往復六次，排量q增大了，扭矩也隨之增大。由公式可知，壓力一定時，馬達輸出扭矩僅與排量q有關(guān)，即無論曲線形狀如何，只要保證柱塞行程h一樣大（在柱塞直徑d、柱塞數(shù)、作用數(shù)為一定的情況下），其平均扭矩都是一樣的，即曲線形狀與平均無關(guān)。然而對不同的曲線形狀，柱塞組有不同的運動規(guī)律，對馬達的扭矩和轉(zhuǎn)速的脈動，導軌曲面的受力以及背壓大小都會帶來顯著的影響，這將直接影響馬達壽命和可靠性。幾個有關(guān)運動學的概念：度速度（即折

16、算速度）和度加速度（即折算加速度）一個完整的曲面所占有的中心角稱為作用副角，以表示， 式中 馬達的作用次數(shù)， 一個半曲面的作用副角 由上圖可知，柱塞行程： 式中，馬達中心至滾動體中心的最大半徑（向徑） 馬達中心至滾動體中心的最小半徑（向徑） 在高壓區(qū)段，球塞底部受油壓作用頂滾球組，使?jié)L球緊貼在導軌曲面上。在滾球與曲面的接觸處，產(chǎn)生一個法向力N。若忽略各方面的摩擦力，則通過滾球中心，并可分解為沿半徑方向的力P和與其垂直的切向力F。顯然P和柱塞產(chǎn)生的推力大小一樣。P通過柱塞傳給缸體產(chǎn)生力矩M，即： 式中,馬達中心到鋼球中心的半徑。 式中，壓力角。 在球塞推力P為一定的情況下，隨壓力角的不同，N和F

17、也隨之變化。 式中，度速度（）。度速度的物理意義式缸體轉(zhuǎn)過1弧度時球塞徑向移動的距離，與馬達的轉(zhuǎn)速無關(guān)，它表征著導軌曲線的性質(zhì)。馬達工作的平穩(wěn)性、導軌曲線壓力角的變化及滾動體與導軌的接觸應力等都與有關(guān)。若運動時間為，則上式可寫為： 式中，滾動體相對于敢提的徑向運動速度（） 缸體旋轉(zhuǎn)角速度（）。同理，度加速度為： 式中，滾動體組徑向運動加速度（） 從可以看到，柱塞組運動到任何一點的壓力角的正切等于該點的度速度和該點向徑的比值。 角模數(shù)的概念： 角模數(shù):在一個導軌面上，相鄰兩柱塞組之間的夾角。 的物理意義：每當液壓馬達缸體轉(zhuǎn)動角，柱塞又回到起始的分布狀態(tài)，即每一組柱塞的工作過程以為周期而變化。 其

18、中，m液壓馬達的作用數(shù)x和球塞數(shù)z的最大公約數(shù)。作用數(shù)x和球塞數(shù)z的最大公約數(shù)m表示球塞副可以分成相位角相同的m個球塞組，球塞組的受力完全一樣，但是分布相位不一樣。每組的球塞數(shù)應為： 作用副角：一個完整的曲面所占有的中心角。 ，3.3 QJM液壓馬達徑向力分析徑向力是一切徑向式液壓馬達的一個共性問題。齒輪式、葉片式等單作用液壓馬達，由于半邊高壓，半邊低壓，轉(zhuǎn)子上作用有較大的不平衡徑向力，加劇了相對運動零部件間的摩損，降低液壓馬達的啟動特性。為此，必須增大主軸承的容量，限制了液壓馬達使用壓力的提高，而軸承壽命，往往決定了液壓馬達的工作壽命。為了提高壓力，改善性能，齒輪馬達采用了平衡徑向力的結(jié)構(gòu)。

19、葉片馬達則設(shè)計成對稱的雙作用或多作用形式。多作用的內(nèi)曲線液壓馬達，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當時，也會出現(xiàn)很大的徑向不平衡力。因此在設(shè)計本型（QJM）液壓馬達是必須把徑向力考慮進去，盡可能減小馬達的徑向力不平衡性。由馬達作用數(shù)x和球塞數(shù)z存在最大公約數(shù)，由力學分析可知當（一般）可以做到馬達的徑向力理論上達到平衡。因此馬達的作用數(shù)和球塞數(shù)的選擇可根據(jù)下表（x與z的組合）選擇：在本次設(shè)計中x和z的選擇是：，.他們有最大公約數(shù)m=2，因此理論上可以做到也就是說10個球塞可以分成兩組完全相同的球塞組，每組5各球塞占有180°中心角，所以兩組球塞所產(chǎn)生的合力大小相等，方向相反，并且都通過軸心，因此馬達

20、的徑向力理論平衡。3.4 扭矩脈動性分析扭矩與轉(zhuǎn)速的脈動性，是容積是液壓機械的一個普遍存在的問題。最初的單作用活塞泵，存在很大的周期性脈動，隨使用機械精度的提高，大家都在尋找減小脈動的方法。隨之，出現(xiàn)了徑向式與軸向式的柱塞泵和馬達，以合理的結(jié)構(gòu)布置和增加柱塞數(shù)（一般取奇數(shù)柱塞），減小其脈動量，目前，又出現(xiàn)了利用馬達的多作用特點，經(jīng)過合理的曲線設(shè)計，使徑向柱塞式多作用馬達做到理論上無脈動輸出，從而提高液壓馬達的低速穩(wěn)定性，這對要求很大速比的控制馬達具有特殊的意義。系統(tǒng)中液壓馬達輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的脈動只要產(chǎn)生于： 油泵供油的波動； 各類閥工作中的不穩(wěn)定性波動； 馬達本身轉(zhuǎn)動中間隙泄漏和機械摩擦的不均

21、勻性，以及在低速下油膜的破壞； 馬達本身結(jié)構(gòu)特點所決定的作用原理； 馬達主要零件的設(shè)計及加工的不合理； 工作液體的壓縮性等。 若不考慮外部因素，內(nèi)曲線液壓馬達的扭矩脈動性，主要取決于導軌曲線的設(shè)計，柱塞副結(jié)構(gòu)和制造精度等因素，柱塞副的運動規(guī)律受導軌曲線支配，對輸出特性起決定性作用。扭矩及轉(zhuǎn)速脈動率為零的條件：假定輸入馬達的Q=常數(shù)，馬達沒有容積損失和機械損失；忽略慣性矩的影響；馬達的輸入壓力常數(shù)；并且忽略其他外部因素的影響。內(nèi)曲線液壓馬達的瞬時扭矩為： 在忽略回油背壓時，則 因為 所以 內(nèi)曲線馬達瞬時扭矩變化規(guī)律，為各柱塞相對運動速度的變化規(guī)律之和。輸出扭矩的脈動率用脈動系數(shù)表示 式中 瞬時扭

22、矩的最大值 瞬時扭矩的最小值 輸出扭矩的平均值。若每個瞬時不相等，對應有： 在忽略機械損失情況下，輸出扭矩的平均值： 式中，A柱塞工作面積。所以 轉(zhuǎn)速脈動系數(shù)用表示則 在任一瞬時 各瞬時柱塞的相對運動和不等時，和分別對應和 平均轉(zhuǎn)速 所以 式 表明，輸出扭矩和轉(zhuǎn)速脈動率為零的必要條件，是任一瞬時各柱塞的相對速度之和為一常數(shù)，即：因此 這條件說明，脈動性取決于柱塞副的相對運動規(guī)律，而對多作用馬達，這一條件的滿足決定于導軌曲線的設(shè)計。第四章 導軌曲線的設(shè)計導軌曲線也就是定子曲線，導軌曲線設(shè)計是內(nèi)曲線液壓馬達設(shè)計中的一個關(guān)鍵部分。其曲線設(shè)計有兩中方法：（1） 給定導軌曲線的幾何尺寸，由此繪制導軌曲線

23、。然后用數(shù)學分析的方法，求出沿導軌曲線運動的滾輪中心運動軌跡方程，得到球塞運動規(guī)律，并對之進行性能分析； （2）根據(jù)設(shè)計者要求給出球塞的加速度運動運動變化規(guī)律，然后用運動學分析方法，求得位移變化規(guī)律（即滾球中心運動軌跡），并由此繪制導軌曲線。 常用的曲線有以下幾種： 余弦加速度運動規(guī)律曲線； 正弦加速度運動規(guī)律曲線； 等加速等減速運動規(guī)律曲線； 拋物線加速度運動規(guī)律曲線； 梯形加速度運動規(guī)律曲線；4.1 定子曲線的選取為了得到性能良好的定子曲線，通常是先給處球塞組合理的運動規(guī)律，再根據(jù)這個規(guī)律來確定導軌曲線?，F(xiàn)在就以下幾種常用運動曲線作比較分析：（1）等加速度運動規(guī)律曲線：特點：球塞的加速度在

24、曲線上各點是相等的，球塞的位移按拋物線的規(guī)律變化，采用這種運動規(guī)律時，在導軌曲線幾何參數(shù)相同的條件下，加速度比其他導軌小，因而可以在高效率條件下得到較高的轉(zhuǎn)速。同時，配流軸的運作和球塞的運動很協(xié)調(diào)，理論上可使扭矩脈動率，但有較大的“軟沖”。該曲線是目前國內(nèi)使用最多的一種導軌曲線。（2）有等速過渡的等加速運動規(guī)律曲線 特點：這種運動規(guī)律具有梯形加速圖，位移按拋物線阿基米德螺旋線變化。它使馬達的扭矩無脈動，轉(zhuǎn)速十分均勻，軟沖現(xiàn)象有所減小，其最大速度比等加速運動規(guī)律曲線小，單是加速度較大。（3）副角修正等加速運動規(guī)律曲線 特點：這種運動規(guī)律，可以使，并可減小“軟沖”現(xiàn)象。（4）可變加速修正的等加速運

25、動規(guī)律曲線特點：其加速度按梯形規(guī)律變化，位移按二次拋物線和三次拋物線組合的規(guī)律變化，這種運動規(guī)律可使，并可減小“軟沖”現(xiàn)象。（5）加速度按正弦變化曲線特點：具有這種運動規(guī)律時，其位移按擺線規(guī)律變化，這種運動規(guī)律可使扭矩無脈動，但具有很大的加速度。曲面往往出現(xiàn)“變尖”或“沉切”等現(xiàn)象。（6）加速度按余弦規(guī)律變化的余弦曲線特點：這種運動規(guī)律不能使馬達扭矩完全均勻，但在球塞數(shù)目大于5時，扭矩脈動不大。其加工容易，用一個偏心輪作靠模即可加工出導軌曲面。一般情況下，其進油段的加速度較大，導軌在處曲率半徑較小，具有較大的接觸應力。（7）加速度按修正余弦規(guī)律變化的曲線較小，具有較大的接觸應力。最大壓力角略微

26、增大。綜上所述：本次設(shè)計，導軌曲線選取有等速過渡區(qū)的等加速運動規(guī)律曲線，即等加速阿基米德螺旋線等減速曲線。首先應明確：內(nèi)曲線液壓馬達球塞與導軌的接觸應力大小和變化，相對運動傳力部件間的比壓大小，取取決于球塞運動的加速度，以及球塞運動速度的瞬時值和最大值，球塞副的平均速度相同，但運動規(guī)律不同等液壓馬達，零件件的接觸應力和比功可以有較大的不同，球塞副的平均速度相同，但運動規(guī)律不同的液壓馬達，其加速度和速度的大小又完全決定于所選取的基本結(jié)構(gòu)、參數(shù)（x、z、h等）和導軌曲線的運動規(guī)律。所謂運動方程，是討論球塞副的位移、速度和加速度隨相位角變化的函數(shù)關(guān)系，即 ；球塞副相對運動的度加速度： 相對運動的線加

27、速度：牽連運動加速度：牽連運動速度：科氏加速度：設(shè)加速區(qū)段副角為： 等速區(qū)段副角為： 減速區(qū)段副角為： 零速區(qū)副角為： 則： 工作副角；鋼球中心由起點位置，沿鋼球中心運動軌跡運動到任意點所轉(zhuǎn)過的相位角；鋼球中心到缸體中心的距離（向徑）隨相位角而不斷變化；球塞副徑向相對運動的度速度（），其物理意義：缸體以速度轉(zhuǎn)過角度時，球塞徑向移動了距離。與液壓馬達的轉(zhuǎn)速無關(guān)，它表明了導軌曲線的特征。4.2 導軌曲線設(shè)計計算由內(nèi)曲線多作用液壓馬達轉(zhuǎn)排量公式： 角模數(shù)： m為作用次數(shù)x與球塞數(shù)目的最大公約數(shù)，；作用副角： ， 在選取與的組合時，應充分考慮多作用內(nèi)曲線液壓馬達徑向力平衡的問題。若在段導軌曲線上有個球

28、塞，則有的在進油區(qū)段受高壓作用，有的在回油區(qū)段受低壓油作用，、的不同組合，其受力狀況也將改變，導軌對球塞的反作用力，其徑向分力由液壓力平衡。不平衡的徑向力，將使液壓馬達啟動扭矩效率、機械效率下降，主軸承壽命降低，低速穩(wěn)定性差，配流軸上的不平衡徑向力，將惡化配流軸在缸體中的浮動狀態(tài)，增大偏心，泄漏增大，甚至配合面磨損咬傷，不平衡的徑向力還會引起殼體的變形，為此必須加厚導軌和殼體。因此，減小徑向力使之平衡，是內(nèi)曲線馬達設(shè)計中的重要問題。根據(jù)馬達的排量以及x和z組合表可查，和的組合，能夠使液壓馬達徑向力得到平衡。本次設(shè)計，導軌曲線選取有等速過渡區(qū)的等加速運動規(guī)律曲線，即等加速阿基米德螺旋線等減速曲線

29、。4.2.1 等加速規(guī)律曲線脈動性分析 （1）等加速規(guī)律曲線脈動性分析為使，進油區(qū)段中球塞的運動，必須滿足。進油區(qū)段中，對于所研究的一組球塞，設(shè)位于加速區(qū)內(nèi)的球塞數(shù)為，等速區(qū)（阿基米德螺旋線）內(nèi)的球塞數(shù)為，減速區(qū)段的球塞數(shù)，即 則有, 式中，急速區(qū)段的加速度； 等速區(qū)段的加速度； 減速區(qū)段的加速度。 可得， 因為，故欲使, ,必須： 即， 式中，總為正整數(shù)。，分別為加速區(qū)和減速區(qū)的副角。所以 , 必為正整數(shù)。而作用副角 ： 令， 則， 稱K為副角總分配系數(shù)，它表示一組球塞中同時工作在進油區(qū)段（或回油區(qū)段）的球塞數(shù)。式中： 加速區(qū)段副角分配系數(shù)，必須為正整數(shù)；等速區(qū)段（包括零速區(qū)）副角分配系數(shù)，

30、 可以為整數(shù)2或者具有0.5的小數(shù)；減速區(qū)段分配系數(shù)，必須為正整數(shù)；按照以上原則分配幅角，可使所設(shè)計的液壓馬達理論上輸出脈動率為零。（2）保證扭矩和轉(zhuǎn)速脈動率為零的副角分布零速角在設(shè)計中為了一般取，當配流軸的直徑較大時取下限；當配流軸直徑較小時取上限。在本次QJM馬達設(shè)計中取。本次設(shè)計的球塞式徑向馬達的和組合為，。，因此，由扭矩脈動率和轉(zhuǎn)速脈動率為零的輸出特性要求，必為正整數(shù)，為0.5的倍數(shù)，因此，的取值如下： 又由于， 故引入 稱為幅角利用系數(shù)。通常，為充分利用幅角，減小，應增大。4.2.2 導軌曲線的運動方程計算導軌曲線是指滾動體在導軌曲面上滾動時，鋼球（或滾輪）中心的運動軌跡。顯然，當滾

31、動體轉(zhuǎn)過一個作用副角時，將從曲線的最小向徑移動到最大向徑，然后又回到最小向徑，球塞完成一個完整運動，其行程。等加速度規(guī)律運動曲線的設(shè)計，圖如下： 位移、（度）速度、（度）加速度曲線1. 加速度、速度和位移（1） 零速區(qū) ，所以（2）加速區(qū)段： 速度 確定積分常數(shù)：當時，所以則 當時，具有最大值 位移 確定：當時，所以則 當時， （3）等速區(qū)段 加速度 所以位移 確定 當時，所以 則 當時，（4）減速區(qū) 加速度 速度 確定：當時，所以 則 當時， 位移 確定：當時，所以則 當時，（5）零速區(qū)段 求加速度，得出其相互關(guān)系 當時，減速區(qū)段終點處，由式(2-26)得: 即: 由上式可見，設(shè)計中，以及加

32、、減速區(qū)段的副角和的選取互相約束，應根據(jù)具體要求與馬達的結(jié)構(gòu)參數(shù)一起確定。 令 稱C為副角分配不對稱系數(shù)。副角分配主要確定加速區(qū)和減速區(qū)副角。若C大于1，表示大于，這將降低加速區(qū)段的加速度，對減小回油背壓，降低導軌與滾輪的接觸應力是有益的。但是一般，不能為減小而將C增大過多，否則增大了流道中流動的不均勻性，導致馬達流道內(nèi)的流體損失增加。由式，當，在見速區(qū)段終點處，則有 由式，則代入上式經(jīng)整理得到 又 所以 由于， 故，解得： 等加速阿基米德螺旋線等減速導軌曲線各區(qū)段的，的計算公式如下表：球塞副運動區(qū)間幅角范圍（）相對運動加速度相對運動速度相對位移等加速區(qū)段0.0780.078等速區(qū)段00等減速

33、區(qū)段-0.078-0.0780在各區(qū)段交接處，球塞副運動加速突然變化，發(fā)生沖擊，但是這是由加速度突變的慣性力引起的“軟沖”，對于工作壓力較大的系統(tǒng)，不會由此引起系統(tǒng)的振動和導軌接觸應力的徒增。在加速區(qū)段和加速區(qū)段之間設(shè)計了等速區(qū)，等速區(qū)段的大小不影響馬達工作的均勻性。,，即不對稱性等于1，采用了對稱性幅角分配。對稱性副角分布加速區(qū)分配相對較小，較大，導軌和鋼球間具有較大的接觸應力。為了減小導軌和鋼球間的接觸應力，必須對副角進行副角修正。這里引入幅角修正曲線及其分配方法。如下圖，使加速區(qū)段和減速區(qū)段重疊一個角度，因而為加速區(qū)段和減速區(qū)段共有，稱為幅角修正區(qū)。顯然，區(qū)段中的球塞只能以一種加速度運動

34、，為了仍然保證所設(shè)計的導軌曲線滿足脈動率為零的要求，即 則必須 由，得， 將代入上式，得到 因此有， 根據(jù)馬達無脈動條件，得 上式中，在馬達轉(zhuǎn)動過程中必須為正整數(shù)，所以因而其幅角分配設(shè)計方法為： 解方程組得到： 為了減小導軌與滾球之間的接觸應力，減小，且總幅角K=2.5。所以在引入副角修正曲線及分配方法后，的分配方法： 由于，。修正后副角分配如下： 幅角修正區(qū)實質(zhì)是作減速運動，是作等速運動的特殊情況，而經(jīng)過幅角修正后，在幅角修正區(qū)，滾球作減速運動。同樣，修正后用積分法可推得幅角修正曲線各區(qū)段的度加速度、度速度和位移的計算公式：加速區(qū)段： 當， 幅角修正區(qū)： 當時， 減速區(qū)段： 當時， 即， 引

35、入修正幅角后，各作用區(qū)段的度加速度、度速度和位移的計算公式如下表：球塞副運動區(qū)間幅角范圍（）相對運動加速度相對運動速度相對位移等加速區(qū)段0.0650.0650.975幅角修正區(qū)段-0.065-0.065等減速區(qū)段-0.13-0.130 通過對等加速幅角修正曲線等減速曲線的運動方程的分析，推導其度加速度、度速度和位移的數(shù)值如下：00001.50.0650020.0650.0330.00830.0650.0980.07340.0650.1630.20350.0650.2280.39860.0650.2930.65870.0650.3580.98380.0650.4231.37390.0650.48

36、81.828100.0650.5532.348110.0650.6182.933120.0650.6833.583130.0650.7484.398140.0650.8135.078150.0650.8785.92316.50.0650.9757.31317-0.0650.9437.79218-0.0650.8788.70219-0.0650.8139.54720-0.0650.74810.32721-0.0650.68311.04222-0.0650.61811.69223-0.0650.55312.27724-0.0650.48812.79725.5-0.130.3913.45526-0.

37、130.32513.63427-0.130.19513.89428-0.130.06514.02428.50014.04300014.04引入修正副角后，導軌曲線的度加速度、度速度和位移圖如下：4.3 最小向徑的確定 最小向徑必須滿足導軌材料和熱處理工藝所決定的許用接觸應力要求，保證，使導軌加速度起點處不產(chǎn)生“變尖”和“反凹”，并得到合理的尺寸排定。設(shè)計中，首先根據(jù)導軌接觸強度計算所需的，然后，由已知參數(shù)排量結(jié)構(gòu)尺寸，二者相比較，取最大值作為的設(shè)計值。1、球塞馬達表面接觸應力計算內(nèi)曲線多作用對球塞式液壓馬達，導軌上開有圓弧形凹槽，鋼球在凹槽中，滾動，凹槽半徑常?。闈L球的半徑），所以接觸應力：

38、 式中，取決于值的系數(shù)， 將、和代入上式，對鋼對鋼滾動： 式中，當量曲率半徑。 為滾輪數(shù)。 由內(nèi)曲線多作用馬達的最小向徑和、的關(guān)系可得： 初取，加速區(qū)起點處有： 即 則由，得 液壓力： 所以 而導軌的許用接觸應力：，故導軌和滾球產(chǎn)生的最大表面接觸應力小于導軌許用的接觸應力。導軌滿足使用要求。2、最大壓力角計算： 式中， 3、液壓力P、側(cè)向力T、法向力N計算： 液壓力： 其中，球塞的直徑，=45mm 壓力油壓力，=10MPa 側(cè)向力： 法向力： 軸向力：所以導軌的最小向徑：。 4.4 導軌壽命的計算采用表面火焰淬火或者高頻淬火的導軌表面的硬度不均勻，或表面淬硬層較薄（），芯部硬度很低時，容易出現(xiàn)

39、大面積脫離，表面淬深足夠，但芯部硬度很低時，在高應力交替作用下，容易在表面產(chǎn)生裂紋，并導致脫離。如果導軌表面硬度較低，在高應力碾壓作用下，不僅產(chǎn)生疲勞脫落，而且會出現(xiàn)大面積的碾壓粘咬現(xiàn)象。因此，只有對導軌選用較好的材料和采用合理的熱處理工藝，使在到軌表面一定深度（37mm）得到較高的硬度（HRC5060），才能使導軌有較好的使用特性，導軌的工作壽命較高。在周期性的高壓力作用下，導軌壽命可由下式計算： 式中，馬達的單排球塞數(shù)，=10 額定轉(zhuǎn)速（r/min），=2125 r/min，取=67.5 導軌材料的許用接觸應力，=250MPa 實際計算得到導軌接觸應力，=162MPa 導軌曲面一般不宜修復

40、使用，導軌損壞，即認為馬達壽命終止，由于此原因，導軌壽命應該高于球塞副壽命，因此，計算接觸應力必須小于許用值。4.5 背壓計算 內(nèi)曲線液壓馬達，一般需要背壓運轉(zhuǎn)，否則球塞會脫離導軌曲面，造成有害后果，相對加速度越大，背壓也越大。背壓是一種功率浪費，背壓很大是不合理的，為保證球塞副不脫離定子導軌曲面，取背壓小值，設(shè)背壓，則背壓的計算公式如下： 式中，A球塞的面積， G球塞副總重量，G=2000g g重力加速度， 最大相對加速度， 牽連加速度，由上式確定的背壓值偏低，由于受油壓力脈動，球塞副重量，配油系統(tǒng)和軌道曲面的加工誤差等因素的影響，在實際使用中，馬達實際所需背壓值，的計算約為計算值的35倍，

41、有時達10倍，即QJM型液壓馬達的背壓要求在0.30.8MPa左右。轉(zhuǎn)速較小時取小值，轉(zhuǎn)速大時取大值。4.6導軌的材料選擇與制造工藝1.材料的選取在一定的接觸應力下，表面的淬火硬度、淬火深度以及金相組織和缺陷程度決定著導軌的工作壽命。導軌不同材料和熱處理工藝，表面淬火硬度和淬火深度有較大的差別。導軌材料的選取常依結(jié)構(gòu)而異，目前國內(nèi)整體式鑄鋼的導軌多數(shù)采用ZG50MnSi、ZG35Mn、ZG45Mn、或ZG40Gr制作，中、高碳鋼由于流動性較差，鑄件的廢品率較高，因此有的采用低碳合金鋼鑄鋼滲碳淬火。分片式導軌采用GCr15、GCr15SiMn等較多，或者采用20GrMiTi、20GrNi等鋼種滲

42、碳淬火，單由于滲碳層較薄，難以淬深，芯部較軟，工藝周期較長，所以宜在小規(guī)格馬達中采用。本次設(shè)計導軌材料選用ZG40Gr。2.熱處理工藝本次設(shè)計導軌材料選用ZG40Gr。熱處理工藝如下：本導軌淬火方式，采用整體油淬。淬火后進行12此球化處理，細化晶體，消除網(wǎng)狀碳化物。淬火前調(diào)質(zhì)處理，使硬度小于HB220。整體淬火后，用240低溫回火，保溫4h左右，或者200左右回火保溫56h。這樣得到的導軌表面硬度HRC5560,滲碳層深度>3mm，達到導軌工作的表面硬度要求。導軌表面淬火后，應該留有一定的磨削余量，大概0.10.15mm。保證磨削后導軌的表面光潔度能達到設(shè)計的要求。導軌滾槽的最大表面粗糙

43、度應在0.40.8左右。第五章 滾球和球塞的設(shè)計5.1 滾球設(shè)計在正常的工作條件下，內(nèi)曲線液壓馬達的壽命主要取決于滾球和導軌的壽命，設(shè)計中應使導軌的壽命高于滾球壽命。所謂壽命計算，是指在一定的動負載下，滾球應滿足轉(zhuǎn)速壽命要求必須的尺寸計算，計算采用國際標準化組織（ISO）推薦的額定動負載法。（1） 軸承壽命系數(shù)（） 式中，速度系數(shù)，取決于滾輪的轉(zhuǎn)速 滾球的轉(zhuǎn)速； C軸承的額定動負載； 平均當量動載荷； 軸承壽命系數(shù)，根據(jù)試驗得到， 軸承壽命指數(shù)，對球軸承=3，對滾子軸承=10（2）額定動負載的計算額定動負載C，是指額定壽命時軸承所能承受的負載。 式中，系數(shù)，與材料和所采用的計算單位制有關(guān)的系數(shù)

44、，根據(jù)之比，由表2-5查得： 滾動體直徑， 公稱接觸角，為作用于滾子上的合成負載向量與軸線的垂直平面的公稱交角。對于滾球軸承，滾球上只有徑向力作用，；滾動體中心所在的直徑； 軸承中的滾動體列數(shù)； 滾動體有效接觸長度； 每列滾動體數(shù)。 （3）當量動負載計算首先假設(shè)，在正常工作情況下，內(nèi)曲線液壓馬達滾輪的損壞，是長時間在額定工況下工作的疲勞破壞。因此，滾輪壽命計算中以額定壓力進行。但是，滾輪沿導軌曲面工作時，相互接觸的法向力由在零速區(qū)的，逐漸增大至最大壓力角處，隨后又逐漸下降，到工作行程終了時，又回到。法向力的大小與壓力角有關(guān)，它取決于曲線類型及其幅角組成。但即使是同一類曲線，對于所設(shè)計的馬達，其

45、基本結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同，或?qū)τ谙嗤摹⒔M合，幅角分配不對稱系數(shù)C和幅角利用系數(shù)不同，法向力沿導軌曲線的變化規(guī)律也不相同。因此，精確計算整個工作過程的法向力是十分困難的，只能用近似方法計算。沿導軌曲線的平均當量動負載可按下式計算： 式中，當量計算負載 對應的和分別為滾球在導軌曲線滾動時最大和最小的當量計算負載； 軸向負載，對滾球軸承， 徑向系數(shù)，對滾球軸承， 旋轉(zhuǎn)系數(shù)， 徑向負載，對導軌曲線零速區(qū)和最大壓力角處顯然有： 故有：因此，導軌受到滾輪的當量負載為： （4）滾球轉(zhuǎn)速計算在軸轉(zhuǎn)馬達中，滾球作行星運動，其轉(zhuǎn)速： 所以，滾球的額定工作壽命為： 液壓馬達每轉(zhuǎn)中，滾輪有一半時間在回油區(qū)段工作，故工作壽命為： 不同材料，不同熱處理工藝和加工精度的滾輪壽命相差很大。其最大高壽命可以為最低壽命的幾十倍，平均壽命為額定計算壽命的十幾倍。因此滾球的計算壽命只是一種相對比較值，過分強調(diào)它的壽命時沒有意義的。當材料適合，而且熱處理工藝和加工精度符合要求時，鋼球的實際工作壽命都高于計算壽命。本次設(shè)計中滾球選用標準件。5.2 球塞的結(jié)構(gòu)與設(shè)計球塞在工作中，并與缸體壁組成間隙密