S49《车辆与行走机械的静液压驱动》| 了解多作用径向柱塞液压马达的构造原理运动转化机构

【第五章】

静液压驱动功率

传输元件的典型构造

了解多作用径向柱塞液压马达的构造原理

运动转化机构

如果将如同图5-24所示径向柱塞元件的定子环换成与缸体同心的凸轮环，并配置相应的配流装置，就形成了多作用径向柱塞式的内曲线马达的基本构型。

图5-24 变量径向柱塞泵的典型构造（普兰店铲车厂）

    1-变量伺服液压缸  2-壳体  3-偏心定子环  4-柱塞副  5-滚轮  6-配流轴  7-缸体（转子） 8-偏心环枢轴

其主要结构特征是：若干数量的柱塞缸筒副呈星形放射，均布在一个圆柱形的缸体内，配流装置设于缸体的中心部位

缸体外面相隔一定距离包围着一个凸轮环；一组由沿圆周均布、并与缸体中心的距离周期性变化的凹凸交替的曲线生成的滚道被制于凸轮环的内环面上

用以控制缸体内柱塞的径向行程，并完成由缸体的旋转运动到柱塞往复运动之间的转化和产生输出转矩。“内曲线马达”即由此得名。

这里没有再像径向柱塞泵那样把缸体和凸轮环分别称为“转子”和“定子”，是因为作为液压马达，特别是车轮液压马达，它可能有轴转和壳转的两种输出转矩的方式。

缸体通常是与中心枢轴连接，而凸轮环则总是固定在壳体上。“转子”和“定子”的称谓不再能确切地表征它们所有可能的运动状态。

图5-28 内曲线马达中的缸体、柱塞副和凸轮环及它们之间的受力关系（据Poclain）

图5-28中的左图为一个10柱塞8作用马达的定子和转子配置示意图。

8作用是指一个柱塞-滚柱副沿定子旋转一周往复工作8次，作用数与凸轮环内滚道的曲线凹凸数相同。

以运动学观点观察，这个平面系统中的柱塞犹如一个被凸轮环工作面通过滚轮推动的滑块；从动力学角度分析，是柱塞顶面受到的液压力经滚柱作用到凸轮斜面上的切向分力

使得凸轮环和支持柱塞的缸体之间产生相对于驱动轴线的转矩促使它们产生相对的旋转运动。

凸轮环内的滚道曲线由形状相同的若干曲线段构成，每一个曲线段相对于柱塞副的运动分为上升区段、过渡区段和下降区段。

滚柱每经过一个曲线段，所联接的柱塞就沿缸体的半径方向往复运动一次。当滚柱分别处在曲线段的上升区段、过渡区段和下降区段时

由其所联接的柱塞底部所封闭的缸筒腔体相应地与马达配流装置的高压腔连通、与高低压腔均不连通和与低压腔连通。

柱塞副的受力情况如图5-28右图所示。以凸轮环固定、缸体旋转的轴转型马达为例，当柱塞运动到缸筒底部接通配流装置高压油腔的位置区段时

图5-28 右图

图5-28 内曲线马达中的缸体、柱塞副和凸轮环及它们之间的受力关系（据Poclain）

柱塞头部的滚柱被沿柱塞轴线方向的液压力Fy压紧在凸轮环内上升区段的滚道上，该力使滚柱在与定子曲线接触点处受到法向反作用力Fn，Fn可分为切向力Ft和径向力Fr

其中径向力Fr平衡了柱塞顶部被施加的液压力Fy，而切向力Ft则经滚柱和柱塞传至缸体，使缸体产生围绕马达轴线的转矩

进而推动缸体及所连接的输出轴旋转，直到拖带与柱塞连接的滚柱进入过渡区段。当滚柱越过曲线过渡区段进入下降区段时，滚柱沿定子曲线推动柱塞内缩，

柱塞缸筒的底部与回油腔接通，油液排进配流装置的回油腔，直到滚柱进入曲线底部的过渡区段，柱塞缸筒的配流窗口脱离配流装置的回油腔。

每一组柱塞–滚柱副都这样地在缸体的半径方向周而复始地往复运动，凸轮环滚道曲线的内外死点之间的半径差即为柱塞的行程。

在曲线的内、外过渡区段的滚柱和柱塞的径向速度为零或接近于零，称为滚道曲线的“零速区”。

通过同一缸体上的多个柱塞 –滚柱副与适当形状凸轮导轨的配合，就使马达能够实现连续的旋转。所有各柱塞产生的瞬时转矩之和即成为马达轴的合成或总输出转矩。

内曲线马达中，促使柱塞沿半径往复运动的凸轮导轨曲线可以根据多种优化目标函数进行设计。

常用的是使输出部件的转速脉动最小的曲线，或是基于最长工作寿命的目标而将柱塞滚柱与导轨面的接触应力峰值控制到最小的曲线。

此外，通过偏移柱塞缸轴线和设置不对称的导轨曲线，还可以人为地专门增强内曲线马达在某一旋转方向的性能。

我国科技工笔者在内曲线马达凸轮环导轨曲线的形成和优化理论方面进行了较深入的研究。

现代数字化的先进加工技术已使得按不同的数学模型高精度地制造具有特定曲线导轨的凸轮环成为不再是很困难的事情。

凸轮环中的曲线滚道与柱塞的传力滚动体（滚轮、滚柱或钢球）之间的受力情况类似于滚动轴承，其滚动体和滚道之间的许用接触应力值是限制马达工作压力和运行寿命的重要、甚至是首要的因素，滚道或滚动体工作面的疲劳点蚀是其失效的主要形式。

采用钢球作为为传力滚动体的轴向或径向多作用“钢球马达”以结构简单著称，但钢球与滚道之间是点接触状态，传递同样的力产生的接触应力较之大多数内曲线马达采用的圆柱形滚动体的线接触状态要高很多，

这是钢球马达的工作压力和使用寿命都难以提高的主要原因。接触应力引起的失效是一种与载荷值及载荷交替循环次数相关的疲劳性点蚀性破坏。

在一定范围内，载荷值和循环次数这两个因子可以互相补偿，亦即可以用缩短寿命的代价换取短期内的高载荷运行的能力。然而这样的互补关系并不是线性比例的，

在极端情况下，一次特别高的接触应力峰值的出现就足以消耗掉滚轮和轨道全寿命载荷循环数容量的95%以上。

而如果接触应力足够小，则可能永远不会发生点蚀破坏的失效达到所谓的“无限寿命”的境界。

这样的特性有别于一次超载就可能造成永久性胶合性破坏而立即失效的滑动轴承和静压支承等机构，因而能用相对紧凑的结构来包容和覆盖起步转矩与常用转矩相差悬殊、作业中载荷变化剧烈等更经常地需要“爆发力”的车辆与行走机械的工况要求。

内曲线马达的凸轮环和圆柱形传力滚动体（滚轮或滚柱）这两个零件都采用了与滚柱轴承零件相似的材料和热处理工艺。

为提高接触强度和疲劳寿命，要求零件的滚动接触面具有很高而且很均匀的硬度，并加工到非常光滑，只允许有很低的粗糙度，还必须排除所有微裂纹、局部软点和脱碳区等表面缺陷。

为了使滚子与滚道接触良好，避免滚子边缘的应力集中，常将滚子的圆柱面制成略呈鼓形，并对棱边进行修缘。

为保证凸轮环的内在性能和滚道表面质量，现代内曲线马达的凸轮环多采用高合金、低夹杂的细晶粒优质渗碳钢，这类材料较之整体硬化的高碳合金轴承钢具有更好的综合性能，制造成本也略低。

先进的毛坯制造工艺是用辊锻法成型，力求钢材的纤维沿滚道呈环状分布。加工好的凸轮环要在真空炉中进行热处理和光亮淬火，以防止滚道表面脱碳而降低了硬度（图5-29）。

图5-29 内曲线马达的凸轮环滚道应该具有精细的内在金相组织和很高的表面加工质量（Poclain）

受静摩擦系数显著高于动摩擦系数的自然规律的制约及加速惯性力的影响，所有型式的液压马达在启动时所能输出的转矩总是要比额定转速下转矩的为低。

在额定压力下这两者的比值称为启动效率（粗略一些并偏于保守的是用启动转矩与理论转矩的比值表示），这是各种液压马达、尤其是低速液压马达的一个重要性能指标。

启动效率较高是许多工业用的内曲线马达和早期的车辆用内曲线马达的重要优点之一，这得益于它们的运动转化机构普遍采用了动、静摩擦系数相差不大的滚动体及其支承系统。

此类内曲线马达的滚动体是用带加厚外圈的滚动轴承制成的直径较大的滚轮，在硬质滚道上的滚动阻力和自身旋转的阻力都非常小。

而且当时的设计原则之一还在于尽量避免柱塞和缸筒之间出现侧向力，让柱塞只起密封作用和承受径向液压推力，而滚道对于滚轮产生的切向力则由专门设置的起滑块作用的部件传递到缸体上另设的径向滑槽内壁，

藉以卸除以柱塞直接作为运动学中的“滑块”时所承受的侧向力负荷。

常见的有将一对滚轮担在与柱塞头部浮动接触的矩形“横梁”两端（图5-30）和用连杆连接柱塞和滚轮轴（图5-31）等型式，后者并进一步采用滚轮作为传力的“滑块”。

图5-30 装有横梁型柱塞侧向力卸载机构的壳转型内曲线车轮液压马达（Poclain）

    a) 带有蹄式制动器的壳转型端面配流的车轮马达（Poclain） b) 国产轴转型轴配流工业用马达1-滚轮  2-凸轮环  3-带导向槽的缸体  4-配流轴  5-配流轴微调机构  6-端盖  7-输出轴套  8-柱塞  9-横梁

图5-31 带有传力连杆和滚轮滑槽的壳转型轴配流船用及工业用内曲线液压马达（Hägglunds，另可参见图4-16）1-滚轮轴  2-连杆  3-柱塞  4-配流轴  5-导向滚轮  6-传力滚轮  7-凸轮环  8-端盖  9-缸体  10-十字滑块联轴器

但为包容这些卸载部件不仅需要增加凸轮环的直径，对于横梁卸载型的还需要采用两个母线相同的曲线导轨面分别承载横梁两端的滚轮，又增加了凸轮环的总宽度以及昂贵的凸轮环材料和加工费用。

此类以采用滚动轴承支承滚轮微结构特征的内曲线马达具有达90-95%的很高的启动效率，但结构复杂而笨重，现在主要用于工业固定设备和船用甲板机械等场合。

随着材料和制造技术的进步，现在流行的新一代行走机械用内曲线液压马达一方面打破了原本不用柱塞直接承受侧向力的禁忌，

取消了上述种种卸载机构中的大部分零部件，另一方面用单一的实心滚柱或钢球取代了装有滚动轴承的整套滚轮作为传力的滚动体，

滚动体的尺寸也缩小到了可以直接装在柱塞头部随柱塞进出缸筒的程度。这些更为紧凑的设计（图5-32、33）显著地压缩了凸轮环导轨的直径和宽度，

图5-32 一种以滚柱向柱塞直接传力的轴配流型内曲线液压马达（Renord）

1-驱动轴  2-柱塞-滚柱副  3-凸轮环  4-钢制的缸体  5-球墨铸铁制壳体和后盖  6-流道  7-SAE矩形法兰主回路油口  8-轴承  9-壳体泄油口  10-配流轴  11-安装法兰

英国Renord公司属于采用这种以滚柱直接经柱塞向缸体传力方式的先行者，图示马达的转速相当高，曾被试用于小轿车的静液压驱动，但落伍的配流装置、较低的35MPa级工作压力、过大的质量和出现了更强的竞争者和其他一些原因使它已逐渐为人们所淡忘。

图5-33 滚柱向柱塞直接传力的端面配流型内曲线车轮液压马达的典型构造（Poclain）

1-蝶形弹簧  2-压盘  3-驻车制动器控制油口  4-制动器壳体  5-制动盘组  6-配流盘预压弹簧组  7-主回路油口  8-配流盘  9-带固定安装法兰的配流装置壳体  10-内曲线凸轮环  11-柱塞导向片  12-缸体  13-驱动轴系壳体  14=轴承组  15-带车轮辐板安装法兰的驱动轴  16-外旋转密封元件  17-内旋转密封元件  18-柱塞密封环  19-滚轮挡盖  20-柱塞  21-滚柱  22-变量滑阀  23-变量控制油口

将同等排量马达的尺寸重量减小了30%左右（图5-34），并因之大大提高了功率密度。然而有得必有失，这样的内曲线马达的运转效率虽然没有什么变化，

图5-34 滚轮经过横梁传力（左，Sisu）和滚柱向柱塞直接传力（右，（Metso）的两种排量相当的内曲线马达的凸轮环尺度的对比

但启动效率却由采用带滚动轴承的滚轮时的90%以上降低到了以柱塞中的滑动轴瓦支承的滚柱的85%以下，

与具有众多滑动摩擦副的轴向柱塞马达和其他形式的单作用径向柱塞马达相比，已不再具有优势。在马达的低速稳定性方面也有类似的问题。

不过在作为车轮液压马达使用场合，由于几个内曲线马达分置于各个同时接触地面的车轮中，

它们之间在启动和低速运转中彼此的转速波动之间具有一定的补偿效应，所以整车的启动和低速特性仍然能保持较高的水平。

图示Poclain的MS型车轮液压马达是当今销售量最大的内曲线液压马达品系，连Bosch Rexroth这样的液压工业大亨都要屈就克隆已被业界称为“波克兰型”马达的设计来打造自己的MCR系列马达。图示a与b的区别在于，后者是变量型的和带有选装的多盘驻车制动器。其左下方的滑阀用于切换配流通道而实现两级变量。右侧的输出轴法兰可直接安装车轮辐板。

       为什么马达启动时所能输出的转矩总是要比额定转速下转矩的为低？