2.2 机械基础

2.2.1 机械零件与机械传动

2.2.1.1 机械零件

在游乐设施中，常会包含机械、电气、液压、气动、润滑、冷却、信号、控制、检测等系统的部分或全部，但是游乐设施的主体，仍然是它的机械系统。无论分解哪一台机器，它的机械系统总是由一些机构组成的，每个机构又由许多零件组成。所以，游乐设施的基本组成要素就是机械零件。

1.机械零件总论

（1）机械零件的基本要求 机器是由机械零件组成的。因此，设计的机器是否满足前述基本要求，零件设计的好坏将起着决定性的作用。为此应对机械零件提出以下基本要求。

1）强度、刚度及寿命要求。强度是指零件抵抗破坏的能力。零件强度不足，将导致过大的塑性变形甚至断裂破坏，使机器停止工作甚至发生严重事故。

刚度是指零件抵抗弹性变形的能力。零件刚度不足，将导致过大的弹性变形，引起载荷集中，影响机器工作性能，甚至造成事故。

寿命是指零件正常工作的期限。材料的疲劳、腐蚀、相对运动零件接触表面的磨损以及高温下零件的蠕变等，是影响零件寿命的主要因素。

2）结构工艺性要求。零件应具有良好的结构工艺性。这就是说，在一定的生产条件下，零件应能方便而经济地生产出来，并便于装配成机器。

3）可靠性要求。零件可靠性的定义和机器可靠性的定义是相同的。机器的可靠性主要是由其组成零件的可靠性来保证的。

4）经济性要求。零件的经济性主要取决于零件的材料和加工成本。

5）质量小的要求。尽可能减小质量对绝大多数机械零件都是必要的。减小质量首先可节约材料，另一方面对运动零件可减小其惯性力，从而改善机器的动力性能。

（2）机械零件的主要失效形式及设计准则

1）主要失效形式：机械零件在规定的时间内和规定的条件下不能完成规定的功能称为失效。机械零件的主要失效形式有以下几种：

①整体断裂。在载荷的作用下，零件因危险截面上的应力大于材料的极限应力而引起的断裂称为整体断裂，如螺栓的断裂、齿轮轮齿的折断、轴的折断等。

②过大的弹性变形或塑性变形。机械零件受载荷时会产生弹性变形。当弹性变形量超过许可范围时，零件或机器便不能正常工作了。

③零件的表面破坏。表面破坏是发生在机械零件工作表面上的一种失效，分为磨损、点蚀和腐蚀。磨损是两个接触表面相对运动的过程中，因摩擦而引起零件表面材料丧失或转移的现象。点蚀是在变接触应力作用下发生在零件表面的局部疲劳破坏现象。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。

④破坏正常工作条件引起的失效。有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，若破坏了这些必备条件则将发生不同类型的失效。

2）设计准则：为了避免机械零件的失效，设计机械零件时就应使其具有足够的工作能力。针对各种不同的零件失效形式，分别提出了相应的计算准则。常用的计算准则有：强度准则、刚度准则、寿命准则和振动稳定性准则。

（3）机械零件的标准化

对于机械零件，标准化的作用是很重要的。所谓零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构、材料、检验方法等，制定出大家共同遵守的标准。标准化的优点有以下几点：

1）有利于设计人员将主要精力用于关键零部件的设计。

2）有利于合理使用原材料、节约能源、降低成本、提高质量和可靠性、提高劳动生产率。

3）增加互换性，便于进行设备维修。

4）便于产品改进，增加产品品种数量。

5）采用与国际标准一致的国家标准，有利于产品走向国际市场。

2.机械零件的强度

（1）载荷与应力的分类

1）载荷的分类：作用在机械零件上的载荷，按其大小和方向是否随时间变化而分为静载荷和变载荷。不随时间变化或变化缓慢的载荷称为静载荷，如物体的重力；随时间做周期性或非周期性变化的载荷称为变载荷。

在机械零件的设计计算中，又将载荷分为名义载荷和计算载荷。名义载荷是根据原动机或负载的额定功率，用力学公式计算所得到的作用在零件上的载荷，它没有反映载荷随时间而变化的特征、载荷在零件上作用的不均匀性及其他影响零件载荷的因素等。严格地说，它不能作为零件设计计算时的真实载荷。计算载荷则是综合考虑了各种实际影响因素之后用于零件设计计算的载荷。

2）应力的分类：按应力的大小和方向是否随时间变化，将应力分为静应力和变应力。不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力，静应力只能在静载荷作用下产生，零件的失效形式主要是断裂破坏或塑性变形；随时间变化的应力称为变应力，变应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生（见图2-66），零件的失效形式主要是疲劳失效。

变应力可归纳为非对称循环变应力、脉动循环变应力和对称循环变应力三种基本形式。

（2）机械零件的整体强度

1）静应力下的强度：在静应力作用下，零件材料有两种损坏形式：断裂或塑性变形。对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时应取材料的屈服极限σs作为极限应力，故许用应力［σ］为

式中S为安全系数。

对于用脆性材料制成的零件，应取抗拉强度σb作为极限应力，故许用应力［σ］为

2）许用安全系数的选择：合理选择许用安全系数是强度计算中的一项重要工作。许用安全系数过大，机器显得笨重，而且不符合经济性原则；过小则机器可能不安全。合理选择许用安全系数的原则是：在保证安全可靠的前提下，尽可能选用较小的许用安全系数。

（3）机械零件的疲劳强度 在变应力条件下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低；不管脆性材料还是塑性材料，其疲劳断口都表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未裂开的截面积不足以承受外载荷时，零件就突然断裂。在零件的断口上可清晰地看到这种情况（见图2-67）。在断口上明显地有两个区域：一个是在变应力重复作用下裂纹两边相互摩擦形成的表面光滑区，另一个是最终发生脆性断裂的粗粒状区。

影响机械零件疲劳强度的主要因素有：

1）应力集中：零件受载时，其剖面几何形状突然变化处（如圆角、孔、槽、螺纹等处）的局部应力要远远大于其名义应力，这种现象称为应力集中。

2）几何尺寸：其他条件相同时，尺寸越大的零件疲劳强度越低。这是由于尺寸越大，材料晶粒越粗，出现缺陷的概率就越大，以及机加工后表面冷作硬化层相对减薄等原因引起的。

3）表面状态：当其他条件相同时，零件表面越粗糙，其疲劳强度越低。

3.摩擦、磨损及润滑

正压力作用下相互接触的两个物体，在受到切向外力的作用而发生相对运动或有相对运动趋势时，接触面上就会产生抵抗运动的阻力，这一现象称为摩擦，产生的阻力叫作摩擦力。

摩擦引起发热、温度升高及能量损耗，同时导致接触表面物质的损失和转移，即造成接触表面的磨损。磨损将使零件的表面形状和尺寸遭到缓慢而连续破坏，使机械效率及可靠性逐渐降低，直至丧失原有的工作性能，甚至导致零件突然破坏，故摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因。

为了控制摩擦、减少磨损、减少能量损失、提高机械效率、降低材料消耗、保证机器工作的可靠性，最有效的手段是将润滑剂施加于做相对运动的接触表面之间，这就是润滑。

（1）摩擦 摩擦分为内摩擦和外摩擦两大类。发生在物质内部阻碍分子间相对运动的摩擦称为内摩擦；相互接触的两个物体做相对运动或有相对运动趋势时，在接触表面上产生的阻碍相对运动的摩擦称为外摩擦。仅有相对运动趋势时的摩擦称为静摩擦；相对运动时的摩擦称为动摩擦。按摩擦性质的不同，动摩擦又分为滑动摩擦和滚动摩擦，两者的机理与规律完全不同。

根据摩擦面间摩擦状态的不同，即润滑油量及油层厚度的不同，滑动摩擦又分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，如图2-68所示。

1）干摩擦。干摩擦是指两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜而直接接触的纯净表面间的摩擦。真正的干摩擦只有在真空中才能见到，工程实际中并不存在，因为任何零件表面不仅会因氧化而形成氧化膜，而且或多或少会被含有润滑剂分子的气体所湿润。机械设计中通常把未经人为润滑的摩擦状态当作干摩擦处理（见图2-68a）。干摩擦的摩擦性质取决于配对材料的性质，其摩擦阻力和摩擦功耗最大，磨损最严重，零件使用寿命最短，应尽可能避免。

2）边界摩擦。摩擦表面被吸附在表面上的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面吸附性能时的摩擦，称为边界摩擦，如图2-68b所示。

3）流体摩擦。两摩擦表面被流体层（液体或气体）隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间黏性阻力的摩擦，称为流体摩擦，如图2-68c所示。流体摩擦的摩擦阻力最小，理论上没有磨损，零件使用寿命最长，对滑动轴承来说是一种最为理想的摩擦状态。但流体摩擦必须在载荷、速度和流体黏度等合理匹配的情况下才能实现。

4）混合摩擦。摩擦状态处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态时的摩擦称为混合摩擦，如图2-68d所示。

（2）磨损 一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即磨合阶段、稳定磨损阶段及剧烈磨损阶段。磨合阶段包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程。在稳定磨损阶段内，零件在平稳而缓慢的速度下磨损，它标志着摩擦条件保持相对恒定。这个阶段的长短就代表使用寿命的长短。

目前磨损大体可概括为两类：一类是根据磨损结果对磨损表观的描述，如点蚀磨损、胶合磨损、擦伤磨损等；另一类是根据摩擦机理，分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等。本节按后一种分类依次作简要介绍。

1）黏着磨损。在切向力的作用下，摩擦副表面的吸附膜和脏污膜遭到破坏，使表面轮廓峰在相互作用的各点处发生冷焊，由于相对运动，材料从一个表面转移到另一个表面，形成黏着磨损。在此过程中，有时材料也会再次附着回原表面，出现逆转移，或脱离所黏附的表面而成为游离颗粒。载荷越大，表面温度越高，黏附现象也越严重。严重的黏着磨损会造成运动副咬死。黏着磨损是金属摩擦副之间最普遍的一种磨损形式。

2）磨粒磨损。从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒（如尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖，在较软材料表面划出很多沟纹而引起材料脱落的现象，称为磨粒磨损。磨粒磨损与摩擦副材料的硬度和磨粒的硬度有关。有时选用较便宜的材料，定期更换易磨损的零件，更符合经济原则。

3）疲劳磨损。在变接触应力的作用下，如果该应力超过材料相应的接触疲劳极限，就会在摩擦副表面或表面以下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展及相互连接，金属微粒便会从零件工作表面上脱落，导致表面出现麻点状损伤现象，即形成疲劳磨损或称为疲劳点蚀。

4）腐蚀磨损。摩擦过程中，金属与周围介质（如空气中的酸、润滑油等）发生化学或电化学反应而引起的表面损伤，称为腐蚀磨损。其中氧化磨损最为常见，这是金属摩擦副在氧化介质中工作时，接触表面反复生成、磨去氧化膜的磨损现象，实际上是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行的过程。氧化磨损的大小取决于氧化膜的连接强度和氧化速度。

除上述4种基本磨损类型外，还有一些磨损现象可视为基本磨损类型的派生或复合。

（3）润滑剂 润滑剂是改善摩擦状态以减小摩擦减轻磨损的介质，同时具有防锈蚀功能。液体润滑剂采用循环润滑时，还能起到散热降温的作用。此外，润滑油膜具有缓冲、吸振的能力。润滑脂还具有密封的功能。

润滑剂可分为液体润滑剂、半固体润滑剂、固体润滑剂和气体润滑剂4种基本类型。

1）液体润滑剂：液体润滑剂中应用最广泛的是润滑油，它包括有机油、矿物油和合成油。

2）半固体润滑剂（润滑脂）：润滑脂是在润滑油中加入稠化剂（如钙、锂、钠的金属皂）而制成的膏状混合物，俗称黄油或干油。按用途的不同润滑脂可分为：抗磨润滑脂（主要用于改善摩擦副的摩擦状态以减缓磨损）、防护润滑脂（用于防止零件和金属制品的腐蚀）、密封润滑脂（主要用于密封真空系统、管道配件、螺纹联接等）。

3）固体润滑剂：是利用固体粉末或薄膜将摩擦表面隔开，以达到降低摩擦、减轻磨损的目的。其主要用于怕污染、不易维护和特殊工况（如载荷极大、速度极低、低温、高温、抗辐射、太空或真空等）中。

4）气体润滑剂：通过动压或静压方式由具有足够压力的气膜将运动副摩擦表面分隔开并承受外加载荷作用，从而降低运动时的摩擦阻力与表面磨损。用作润滑剂的气体主要是空气，也可以使用氮、氦、一氧化碳和水蒸气等。

4.螺纹联接

螺纹有内螺纹和外螺纹之分，内、外螺纹共同组成螺旋副。螺纹联接和螺旋传动都是利用螺纹副零件进行工作的，但两者的工作性质并不相同，技术要求上也存在差别。起联接作用的螺纹称为联接螺纹，联接螺纹零件属于紧固件，要求保证联接强度（有时还要求紧密性）；起传动作用的螺纹称为传动螺纹，传动螺纹零件是传动件，要求保证螺旋副的传动精度、效率和使用寿命。

在通过螺纹轴线的剖面上，螺纹的轮廓形状称为螺纹牙型。按螺纹牙型不同，常用的螺纹有三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。

常用的螺纹类型主要有普通螺纹、管螺纹、米制螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。前3种主要用于连接，后3种主要用于传动。各类螺纹的基本尺寸、特点及应用可查机械设计手册。

按螺纹的旋向不同，顺时针旋转时旋入的螺纹称为右旋螺纹；逆时针旋转时旋入的螺纹称为左旋螺纹。螺纹的旋向可以用右手来判定：如图2-69所示，伸展右手，掌心对着自己，四指并拢与螺杆的轴线平行，并指向旋入方向，若螺纹的旋向与拇指的指向一致，则为右旋螺纹，反之则为左旋螺纹。一般常用右旋螺纹。按螺旋线的数目不同，又可分成单线螺纹（沿一条螺旋线所形成的螺纹）和多线螺纹（沿两条或两条以上的螺旋线所形成的螺纹，该螺旋线在轴向等距分布）。

（1）螺纹联接的主要类型及应用 螺纹联接的主要类型有螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接。它们的构造、主要尺寸关系、特点及应用见表2-10。

（2）螺纹联接的预紧与防松 通常螺纹联接在装配时都必须拧紧，使螺纹在承受工作载荷之前受到力的作用，这种力称为预紧力。对于重要的联接，螺纹的预紧力既不能太大也不能太小，因为预紧力的大小对螺纹联接的可靠性、强度和密封性有着很大的影响。

1）螺纹联接的预紧。实际应用中，绝大多数的螺纹联接在装配时都必须拧紧，以使联接件在承受工作载荷前，预先受到力的作用。这种在装配时需要预紧的螺纹联接称为紧联接。

对于重要的螺纹联接，为了能够保证装配质量，装配时需要使用专用的工具，如测力矩扳手或定力矩扳手，以达到控制预紧力的目的。

2）螺纹联接的防松。螺纹联接防松的基本原理是防止螺纹副的相对转动。防松的方法有很多，常用方法如图2-70所示。

①利用摩擦力防松。利用摩擦力防松的原理是：在螺纹副中产生正压力，以形成阻止螺纹副相对转动的摩擦力。这种防松方法适用于机械外部静止构件的联接，以及防松要求不严格的场合。一般可采用弹簧垫圈或双螺母等来实现螺纹副的摩擦力防松。

两个螺母拧紧后，利用两个螺母之间产生的对顶作用，使螺栓始终受到附加的轴向拉力，而螺母则受压，这就增大了螺纹之间的摩擦力和变形，从而达到防止螺母自动松脱的目的。

②机械方法防松。机械方法防松是指采用各种专用的止动元件来限制螺纹副的相对转动。这种防松方法比较可靠，但装拆麻烦，适用于机械内部运动构件的联接，以及防松要求较高的场合。

常用的止动元件有：槽形螺母和开口销（这种方法适用于承受冲击载荷或载荷变化加大的联接）、止动垫片防松（这种方法只能用于被联接件边缘部位的联接）、止动垫圈和圆螺母防松。

③破坏螺纹副防松。破坏螺纹副防松是在螺纹副拧紧之后，采用某种措施使螺纹副变为非螺纹副而成为不可拆联接的一种防松方法，适用于装配之后不再拆卸的场合。常用的破坏螺纹副的方法有冲点防松法和黏合剂防松法等。

5.轴、联轴器、离合器

（1）轴 轴主要用于支承转动的带毂零件（如齿轮、带轮等）并传递运动和动力，同时它又被滑动轴承或滚动轴承所支承。轴是机械传动中必不可少的重要零件之一。

根据轴线形状的不同，轴的种类如图2-71所示。

根据承载情况不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴3类。转轴既传递转矩又承受弯矩，在各类机器中最为常见；传动轴只传递转矩而不承受弯矩或承受很小弯矩，如汽车的传动轴；心轴则只承受弯矩而不传递转矩。心轴又可分为固定心轴（如自行车的前轴）和转动心轴（如火车车厢轮轴）。

轴主要由轴颈、轴头、轴身3部分组成。轴上被支承的部位称为轴颈；与齿轮、联轴器等配合的部位称为轴头，外伸的轴头又称为轴伸；连接轴颈和轴头的部分称为轴身。轴上截面尺寸变化的部位称为轴肩或轴环，用于轴上零件的轴向定位与固定。

（2）联轴器 联轴器是用来连接两轴使其一同回转并传递运动和转矩的一种常用部件。回转过程中被连接的两轴不能脱开，必须在机器停车时将连接拆卸后才能使两轴分离。联轴器分为刚性联轴器、挠性联轴器和安全联轴器3大类。

1）刚性联轴器。刚性联轴器由刚性连接元件组成，元件之间不能相对运动，因而不具有补偿两轴间相对位移和缓冲减振的能力，只能用于被连接两轴在安装时能严格对中和工作中不会发生相对位移的场合。刚性联轴器主要有凸缘联轴器（见图2-72）、套筒联轴器（见图2-73）和夹壳联轴器等，其中凸缘联轴器的应用最为广泛。

2）挠性联轴器。挠性联轴器可分为无弹性元件挠性联轴器、非金属元件挠性联轴器、金属弹性元件挠性联轴器和组合挠性联轴器。挠性联轴器对两轴间相对位移的补偿方式有两种。一种是依靠连接元件间的相对可移性使两半联轴器发生相对运动，从而补偿被连接两轴安装时的对中误差以及工作时的相对位移。

另一种是在联轴器中安置弹性元件，弹性元件在受载时能产生显著的弹性变形，从而使两半联轴器发生相对运动，以补偿两轴间的相对位移，同时弹性元件还具有一定的缓冲减振能力。制造弹性元件的材料有非金属和金属两类。非金属材料有橡胶、塑料等，其特点是质量轻，价格低，减振能力强，特别适用于工作载荷有较大变化的场合。金属材料制成的弹性元件（主要为各种弹簧）则强度高，尺寸小，寿命较长。

①无弹性元件挠性联轴器。这类联轴器的组成零件间具有相对可移性，因而可以补偿两轴间的相对位移，但因为无弹性元件，故不能缓冲减振。图2-74～图2-78所示为几种典型的无弹性元件挠性联轴器。

②非金属弹性元件挠性联轴器。非金属弹性元件挠性联轴器的类型很多，如图2-79～图2-82所示。

3）安全联轴器。安全联轴器在所传递的转矩超过规定值时，其中的连接元件便会折断、分离或打滑，使传动中断，从而保护其他重要零件不致损坏。安全联轴器可分为挠性安全联轴器和刚性安全联轴器（见图2-83）两大类。

（3）离合器 离合器是在传递运动和动力过程中通过各种操作方式使连接的两轴随时接合或分离的一种常用机械装置。其可分为操纵离合器和自控离合器两大类。

自控离合器工作过程中，在其主动部分或从动部分的某些性能参数（如转速、转矩、转向等）发生变化时，接合元件能自行接合或分离。接合频率高，控制动作准确。自控离合器又分为超越离合器、离心离合器和安全离合器3类。

对离合器的基本要求是：接合平稳，分离彻底，动作准确可靠；结构简单，质量轻，外形尺寸小，从动部分转动惯量小；操纵省力、方便，容易调节和维护，散热性好；接合元件耐磨损，使用寿命长。

1）操纵离合器。操纵离合器附加有操纵机构，必须通过人为操纵才能使其接合元件具有接合或分离的功能，其接合频率低，控制动作不准确。根据不同的操纵方法，操纵离合器又分为机械离合器、电磁离合器、液压离合器、气压离合器4种。

2）嵌合式离合器。根据组成嵌合副的接合元件的结构形状，嵌合式离合器可分为牙嵌离合器、齿形离合器、销式离合器和键式离合器等，如图2-84所示。

3）摩擦式离合器。摩擦式离合器按其结构不同可分为片式离合器（见图2-85和图2-86）、圆锥离合器、摩擦块离合器和鼓式离合器等。与嵌合式离合器相比，摩擦式离合器的优点是：接合或分离不受主、从动轴转速的限制，接合过程平稳，冲击、振动较小，过载时可发生打滑以保护其他重要零件不致损坏。其缺点是：在接合、分离过程中会发生滑动摩擦，故发热量较大，磨损较大，在接合产生滑动时不能保证被连接两轴精确同步转动，有时其外形尺寸较大。

4）电磁离合器。电磁离合器利用电磁原理实现接合与分离功能。图2-87所示为干式多片电磁离合器，平时该离合器的内、外片相互分离，不传递转矩。电流经过导线接头进入线圈时产生电磁力，吸引衔铁向右移动将内、外片压紧，离合器处于接合状态。

5）自控离合器。自控离合器的种类很多，这里只介绍超越离合器和安全离合器。

①超越离合器。大部分超越离合器只能按照某一转向传递转矩，反向时即自行分离。图2-88所示为内星轮滚柱离合器，这是一种常用的定向超越离合器，主要由星轮、外环、滚柱和弹簧顶杆等组成。

②安全离合器。当传递的转矩超过某一限定值时，离合器便自动分离，故称为安全离合器。图2-89所示为钢球安全离合器，它是一种较常用的安全离合器。

6.轴毂联接

轴与轴上零件（如齿轮、带轮等）的连接称为轴毂联接，其功能主要是实现轴上零件的周向固定并传递转矩，有些还能实现轴向固定或轴向滑移。

（1）键联结 键联结是应用最多的轴毂联接方式，它结构简单、拆装方便、工作可靠。键联结分为平键联结、半圆键联结、楔键联结和切向键联结等4类。

1）平键联结。常用的平键有普通平键（见图2-90）、薄型平键、导向平键和滑键四种。其中普通平键和薄型平键用于静联结，导向平键和滑键用于动联结。

2）半圆键联结。半圆键是一种半圆板状零件，如图2-91所示，也是靠键的侧面来传递转矩。

3）楔键联结。楔键联结如图2-92所示。楔键的上下面都是工作面，键的上表面和与它相配合的轮毂键槽底面均有1∶100的斜度。

4）切向键联结。切向键联结如图2-93所示。切向键由一对斜度为1∶100的楔键组成，装配时，两楔键分别从轮毂两端打入并楔紧。

5）花键联结。由沿轴和轮毂孔周向均布的多个键齿相互啮合而构成的联结，称为花键联结。前者称为外花键，后者称为内花键，如图2-94所示。花键联结既可用于静联结，也可用于动联结。

（2）销联接 销的主要用途是定位，即固定两零件间的相对位置（见图2-95a），这是组合加工和装配时必不可少的。销也可用于轴毂联接（见图2-95b），可传递不大的载荷。销还可用作安全装置中的过载剪断元件（见图2-95c），保护机器中的重要零件。

销的类型很多，图2-96给出了10种销的简图，这些销均已标准化，其中以圆柱销和圆锥销应用最多。

7.轴承

（1）滑动轴承 滑动轴承按其所能承受的载荷方向的不同，可分为径向滑动轴承（承受径向载荷）、止推滑动轴承（承受轴向载荷）和径向止推滑动轴承（同时承受径向载荷和轴向载荷）。

滑动轴承按其滑动表面间摩擦状态的不同，可分为干摩擦轴承、不完全油膜轴承（处于边界摩擦和混合摩擦状态）和流体膜轴承（处于流体摩擦状态）。根据流体膜轴承中流体膜形成原理的不同，又可分为流体（液体、气体）动压轴承和流体静压轴承。

（2）滚动轴承 滚动轴承依靠元件间的滚动接触来承受载荷，相对于滑动轴承，滚动轴承具有摩擦阻力小、效率高、起动容易、润滑简便等优点，在现代机器中应用很广。按照轴承能承受的主载荷方向的不同，滚动轴承可分为向心轴承和推力轴承两大类。能承受的主载荷为径向载荷的轴承称为向心轴承；主载荷为轴向载荷的称为推力轴承。

滚动轴承的基本结构如图2-97所示，它由内圈、外圈、滚动体、保持架等部分组成。内圈安装在轴颈上，外圈安装在轴承座孔内。通常外圈固定，内圈随轴回转，但也可用于内圈不动而外圈回转，或者是内、外圈同时回转的场合。滚动体均匀分布于内、外圈滚道之间，其形状、数量、大小的不同对滚动轴承的承载能力和极限转速有很大的影响。

8.弹簧与减速器

（1）弹簧

1）圆柱螺旋弹簧。圆柱螺旋弹簧可分为圆柱压缩螺旋弹簧和圆柱拉伸螺旋弹簧两种。

在自由状态下，圆柱压缩螺旋弹簧各圈之间应有适当的间距存在，以便弹簧受压时有产生变形的空间。弹簧的端部可分为磨平与不磨平、相邻圈之间有并紧与不并紧等多种结构，见表2-11。

圆柱拉伸螺旋弹簧空载时各圈相互并拢，为便于连接和加载，其两端应做出钩环，见表2-12。

2）圆柱扭转螺旋弹簧。扭转弹簧常用于压紧、储能或传递扭矩。它的两端带有用于安装或加载的杆臂或挂钩，如图2-98所示。

3）板弹簧。板弹簧是将多片钢板重叠在一起、具有很大刚度的一种强力弹簧。它主要用于各种车辆的减振装置和某些锻压设备中。按形状和传递载荷方式的不同，板弹簧分为椭圆形、弓形、伸臂形、悬臂形和直线形等几种。

（2）减速器 减速器是指原电动机与工作机之间独立封闭式传动装置，用来降低转速并相应地增大转矩。此外，在某些场合，也有用作增速的装置，被称为增速器。

减速器的种类很多，这里仅讨论由齿轮传动、蜗杆传动以及由它们组成的减速器。若按传动和结构特点来划分，这类减速器包括：齿轮减速器（主要有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器）、蜗杆减速器（主要有圆柱蜗杆减速器、环面蜗杆减速器和蜗杆-齿轮减速器）、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器和谐波齿轮减速器，如图2-99所示。

上述五种减速器均有标准系列产品，使用时只需结合所需传动速率、转速、传动比、工作条件和机器的总体布置等具体要求，从产品目录或有关手册中选取即可。只有在选取不到合适的产品时，才自行设计制造。

2.2.1.2 机械传动

工作机械一般都要靠原动机供给一定形式的能量（多数是机械能）才能工作。但是，把原动机和工作机械直接连接起来的情况是很少的，往往需要在二者之间加入传递动力或者改变运动状态的传动装置。根据工作原理的不同，可将传动分为两类：机械传动（机械能不能改变为另一种形式能的传动）和电传动（机械能改变为电能，或电能改变为机械能的传动）。

在工业生产中，机械传动是一种最基本的传动方式。分析一台机器时，不论是车床、内燃机还是液压机等，其工作过程实际上包含着多种机构和部件的运动过程。例如：经常应用摩擦轮、带轮、齿轮、链轮、螺杆和蜗杆等，组成各种形式的传动装置来传递能量。

用来传递运动和动力的机械装置叫作机械传动装置。按其传递运动和动力的方式，机械传动可分为摩擦传动、啮合传动、液力传动和气力传动。按运动副构件的接触方式可分为直接接触传动和有中间挠性件（带、链等）的传动两种。

这里仅介绍几种常见的传动方式。

1.带传动

（1）概述 根据工作原理的不同，带传动可分为摩擦传动和啮合传动两类。

带传动的工作原理是利用带作为中间挠性件，依靠带与带轮之间的摩擦力或啮合来传递运动和（或）动力的。如图2-100所示，把一根或几根闭合成环形的带张紧在主动轮和从动轮上，使带与两带轮之间的接触面产生正压力（或使同步带与两同步带轮上的齿相啮合），当主动轴O1带动主动轮回转时，依靠带与两带轮接触面之间的摩擦力（或齿的啮合）使从动轮带动从动轴O2回转，实现两轴间运动和（或）动力的传递。

（2）带传动的主要类型和特点

1）摩擦式带传动。如图2-100所示，平带的横截面为扁平矩形，内表面为工作面。而V带的横截面为等腰梯形，两侧面为工作面。根据楔形面的受力分析可知，在相同压紧力和相同摩擦因数的条件下，V带产生的摩擦力要比平带约大3倍，所以V带传动能力强，结构更紧凑，应用最广泛。圆带的横截面为圆形，只用于小功率传动，如缝纫机、仪器等。摩擦式带传动的带工作一段时间后，会由于松弛而使初拉力降低，需重新张紧以保证带传动的正常工作。

2）啮合式带传动。啮合式带传动是靠带的齿与带轮上的齿相啮合来传递动力的，较典型的同步带传动如图2-101所示。

2.链传动

（1）链传动及其传动比 链传动是由链条和具有特殊齿形的链轮组成的传递运动和（或）动力的传动。它是一种具有中间挠性件（链条）的啮合传动。如图2-102所示，当主动链轮1回转时，依靠链条3与两链轮之间的啮合力，使从动链轮2回转，进而实现运动和（或）动力的传递。

（2）链传动的常用类型 链传动的类型很多，如图2-103所示，最常用的是滚子链和齿形链。

图2-104所示为滚子链（套筒滚子链），由外链板、内链板、销轴、套筒和滚子组成。销轴与外链板、套筒与内链板分别采用过盈配合连接组成外链节、内链节，销轴与套筒之间采用间隙配合构成外、内链节的铰链副（转动副），当链条屈伸时，内、外链节之间就能相对转动。滚子装在套筒上，可以自由转动，当链条与链轮啮合时，滚子与链轮轮齿相对滚动，两者之间主要是滚动摩擦，从而减小了链条和链轮轮齿的磨损。

当需要承受较大载荷、传递较大功率时，可使用多排链。多排链相当于几个普通的单排链彼此之间用长销轴连接而成。其承载能力与排数成正比，但排数越多，越难使各排受力均匀，因此排数不宜过多，常用的有双排链（见图2-105）和三排链。当载荷大而要求排数多时，可采用两根或两根以上的双排或三排链。

滚子链的连接使用连接链节或过渡链节：当链条两端均为内链节时使用由外链板和销轴组成的可拆卸连接链节，用开口销（钢丝锁销）或弹性锁片连接（见图2-106a、b），连接后链条的链节数为偶数。当链条一端为内链节另一端为外链节时，使用过渡链节连接（见图2-106c），连接后链条的链节数为奇数。由于过渡链节的抗拉强度较低，因此应尽量不采用。

链轮的结构如图2-107所示。小直径的链轮制成实心式（见图2-107a）；中等直径的链轮可制成孔板式（见图2-107b）；大直径的链轮可采用组合式（见图2-107c）。

（3）链传动的应用特点 链传动中，链条的前进速度和上下抖动速度是周期性变化的，链轮的节距越大，齿数越少，链速的变化就越大。当主动链轮匀速转动时，从动链轮的角速度以及链传动的瞬时传动比都是周期性变化的，因此链传动不宜用于对运动精度有较高要求的场合。链传动的不均匀性特征，是由于围绕在链轮上的链条形成了正多边形这一特点所造成的，故称为链传动的多边形效应。

链轮的转速越高、节距越大、齿数越少，则传动的动载荷就越大。链节和链轮啮合瞬间的相对速度，也将引起冲击和动载荷。链节距越大，链轮的转速越高，则冲击越强烈。

3.齿轮传动

（1）齿轮传动的应用特点

1）齿轮、齿轮副与齿轮传动。齿轮是任意一个有齿的机械元件，它利用齿与另一个有齿元件连续啮合，从而将运动传递给后者，或者从后者接受运动。

齿轮副是由两个互相啮合的齿轮组成的基本机构，两齿轮轴线相对位置不变，并各绕其自身的轴线转动。

齿轮传动是利用齿轮副来传递运动和（或）动力的一种机械传动，如图2-108所示。齿轮副的轮齿依次交替地接触，从而实现一定规律的相对运动的过程和形态称为啮合。齿轮传动属于啮合传动。当齿轮副工作时，主动轮O1的轮齿1，2，3，4，…，通过啮合点（两齿轮轮齿的接触点）处的法向作用力Fn，逐个推动从动轮O2的轮齿1′，2′，3′，4′，…，使从动轮转动并带动从动轴回转，从而实现将主动轴的运动和动力传递给从动轴。

2）传动比。齿轮传动的传动比是指主动齿轮与从动齿轮角速度（或转速）的比值，也等于两齿轮齿数的反比，即

式中，ω1，n1为主动齿轮的角速度和转速；ω2，n2为从动齿轮的角速度和转速；z1为主动齿轮齿数；z2为从动齿轮齿数。

齿轮副的传动比不宜过大，否则会使结构尺寸过大，不利于制造和安装。通常，圆柱齿轮副的传动比i≤8，圆锥齿轮副的传动比i≤5。

（2）齿轮传动的常用类型 齿轮的种类很多，齿轮传动可以按不同方法进行分类。

1）根据齿轮副两传动轴的相对位置不同，齿轮传动可分为平行轴齿轮传动（见图2-109）、相交轴齿轮传动（见图2-110）和交错轴齿轮传动三种。平行轴齿轮传动属于平面传动，相交轴齿轮传动和交错轴齿轮传动属于空间传动。

2）根据齿轮分度曲面不同，齿轮传动可分为圆柱齿轮传动（见图2-109）和锥齿轮传动（见图2-110）。

3）根据齿线形状不同，齿轮传动可分为直齿齿轮传动（见图2-109a、d、e和图2-110a）、斜齿齿轮传动（见图2-109b、图2-110b）和曲线齿齿轮传动（见图2-110c）。

4）根据工作条件不同，齿轮传动可分为闭式齿轮传动、开式齿轮传动和半开式齿轮传动。前者齿轮副封闭在刚性箱体内，并能保证良好的润滑。后者齿轮副外露，易受灰尘及有害物质侵袭，且不能保证良好的润滑。

5）按使用情况不同，齿轮传动可分为动力齿轮传动（以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动）和传动齿轮传动（以运动准确为主，一般为轻载高精度传动）。

6）按齿面硬度不同，齿轮传动可分为软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS）传动和硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS）传动。

7）根据轮齿齿廓曲线不同，齿轮传动可分为渐开线齿轮传动、摆线齿轮传动和圆弧齿轮传动等，其中渐开线齿轮传动应用最广。

齿轮的基本参数包括模数、中心距、基本齿廓、变位系数等。其中，直齿圆柱齿轮的几何要素如图2-111所示。

4.蜗杆传动

（1）蜗杆、蜗轮及其传动

1）蜗杆、蜗轮、蜗杆副等有关术语：

①蜗杆：一个齿轮，当它只具有一个或几个螺旋齿，并且与蜗轮啮合而组成交错轴齿轮副时，称为蜗杆。蜗杆的分度曲面可以是圆柱面、圆锥面或圆环面。

②蜗轮：一个齿轮，它作为交错轴齿轮副中的大轮而与配对蜗杆相啮合时，称为蜗轮。蜗轮的分度曲面可以是圆柱面、圆锥面或圆环面。通常，它和配对的蜗杆呈线接触状态。

③蜗杆副：由蜗杆及其配对蜗轮组成的交错轴齿轮副称为蜗杆副。

④圆柱蜗杆：分度曲面为圆柱面的蜗杆。

⑤圆柱蜗杆副：由圆柱蜗杆及其配对的蜗轮组成的交错轴齿轮副。

除常用的圆柱蜗杆和圆柱蜗杆副外，还有环面蜗杆（分度曲面是圆环面的蜗杆）和环面蜗杆副（见图2-112）；锥蜗杆（分度曲面为圆锥面的蜗杆）和锥蜗杆副（见图2-113）。

2）圆柱蜗杆的分类：

①阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）：齿面为阿基米德螺旋面的圆柱蜗杆，其端面齿廓是阿基米德螺旋线，轴向齿廓是直线，所以又称为轴向直廓蜗杆（见图2-114）。

②渐开线蜗杆（ZI蜗杆）：齿面为渐开螺旋面的圆柱蜗杆，其端面齿廓是渐开线。

③法向直廓蜗杆（ZN）蜗杆：在垂直于齿线的法平面内，或垂直于齿槽中点螺旋线的法平面内，或垂直于齿厚中点螺旋线的法平面内的齿廓为直线的圆柱蜗杆，均称为法向直廓蜗杆。

④锥面包络圆柱蜗杆（ZK蜗杆）。

⑤圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）。

注意：阿基米德蜗杆的加工方法与车削梯形螺纹的方法类似，工艺性能较好，制造和测量均很方便，是应用最为广泛的一种圆柱蜗杆。

3）蜗杆传动：

①蜗杆传动的组成。蜗杆传动是利用蜗杆副传递运动和（或）动力的一种机械传动。蜗杆传动是由交错轴斜齿轮传动演变而成。蜗杆与蜗轮的轴线在空间互相垂直交错成90°，即轴交角Σ=90°（见图2-115），通常情况下，蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。

蜗杆传动类似于螺旋传动。按蜗杆轮齿的螺旋方向不同，蜗杆有右旋和左旋之分，蜗杆螺旋线符合螺旋右手定则，即为右旋（R），反之为左旋（L），常用的为右旋蜗杆。蜗杆副中配对的蜗轮，其旋向与蜗杆相同。蜗杆轮齿的总数（蜗杆的齿数）称为蜗杆头数z1。只有1个齿的蜗杆称为单头蜗杆，有两个或两个以上齿的蜗杆称为多头蜗杆（通常蜗杆头数z1=1～4）。

②回转方向的判定。蜗杆传动时，蜗轮的回转方向不仅与蜗杆的回转方向有关，而且与蜗杆轮齿的螺旋方向有关。蜗轮回转方向的判定方法如下：蜗杆右旋时用右手，左旋时用左手。半握拳，四指指向蜗杆回转方向，蜗轮的回转方向与大拇指指向相反，如图2-116所示。

（2）蜗杆传动的特点

1）传动比大。蜗杆传动与齿轮传动一样能够保证准确的传动比，而且可以获得很大的传动比。齿轮传动中，为了避免发生根切，小齿轮的齿数不能太少，大齿轮的齿数又受传动装置尺寸限制不能太多，因此传动比受到限制。蜗杆传动中，蜗杆的头数z1=1～4，在蜗轮齿数z2较少的情况下，单级传动就能得到很大的传动比。用于动力传动的蜗杆副，通常传动比i=10～30；一般传动时i=8～60；用于分度机构时可达i=600～1000，这样大的传动比，如用齿轮传动则需要采用多级传动才能获得。因此，在传动比较大时，蜗杆传动具有结构紧凑的特点。

2）传动平稳及噪声小。蜗杆的齿为连续不断的螺旋面，传动时与蜗轮间的啮合是逐渐进入和退出，蜗轮的齿基本上是沿螺旋面滑动的，而且同时啮合的齿数较多，因此，蜗杆传动比齿轮传动平稳，没有冲击，噪声小。

3）容易实现自锁。和螺旋传动一样，当蜗杆的导程角小于蜗杆副材料的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。此时，只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。这一特性用于机械设备中，能起到安全保险的作用。图2-117所示的手动起重装置，就是利用蜗杆的自锁特性使重物G停留在任意位置上，而不会自动下落。单头蜗杆的导程角较小，一般γ＜5°，大多具有自锁性，而多头蜗杆随头数增多导程角增大，不一定具有自锁能力。例如：采用蜗轮蜗杆传动的电梯，为了提高传动的效率，常使用多头蜗杆，不一定具有自锁能力。

4）承载能力大。蜗杆传动中，蜗轮的分度圆柱面的素线由直线改为弧线，使蜗杆与蜗轮的啮合是线接触，同时进入啮合的齿数较多，因此与点接触的交错轴斜齿轮传动相比，承载能力大。

5）传动效率低。蜗杆传动时，啮合区相对滑动速度很大，磨损损失较大，因此传动效率较齿轮传动低。一般蜗杆传动的效率η=0.7～0.8，具有自锁性的蜗杆传动，其效率η＜0.5。传动效率低限制了传递功率，一般蜗杆传动的功率不超过50kW。为了提高蜗杆传动的效率，减少传动中的摩擦，除应具有良好的润滑和冷却条件外，蜗轮还常采用青铜等减摩材料制造，因而成本较高。

6）制造和安装要求高 对制造和安装误差很敏感，安装时对中心距的尺寸精度要求较高。

5.摩擦轮传动

利用两个或两个以上互相压紧的轮子间的摩擦力传递动力和运动的机械传动称为摩擦轮传动。摩擦轮传动可分为定传动比传动和变传动比传动两类。传动比基本固定的定传动比摩擦轮传动又分为圆柱平摩擦轮传动、圆柱槽摩擦轮传动和圆锥摩擦轮传动3种型式，如图2-118所示。前两种型式用于两平行轴之间的传动，后一种型式用于两交叉轴之间的传动。工作时摩擦轮之间必须有足够的压紧力，以免发生打滑现象，损坏摩擦轮影响正常传动。在相同径向压力的条件下，槽摩擦轮传动可以产生较大的摩擦力，比平摩擦轮具有较高的传动能力，但槽轮易于磨损。变传动比摩擦轮传动易实现无级变速，并具有较大的调速幅度。机械无级变速器如图2-119所示，图中主动轮按箭头方向移动时，从动轮的转速便连续地变化；当主动轮移过从动轮轴线时从动轮就反向转动。摩擦轮传动结构简单、传动平稳、传动比调节方便、过载时尚能产生打滑而避免损坏装置；但其传动比不大、效率低、磨损大，而且通常轴上受力大，所以主要用于传递动力不大或需要无级调速的情况。

对摩擦材料的主要要求是,耐磨性好、摩擦因数大和接触疲劳强度高。在高速、高效率和要求尺寸紧凑的传动中，摩擦轮常采用淬火钢对淬火钢，并放在油中运行。而干式摩擦传动常采用铸铁对铸铁、钢铁对木材或布质酚醛层压板，或在从动轮面覆盖一层皮革、石棉基材料或橡胶等。

摩擦轮传动的设计主要是根据所需传递的圆周力计算压紧力。用金属作为摩擦材料时应限制工作面的接触应力；用非金属时则限制单位接触线上的压力。

（1）摩擦轮传动的工作原理 摩擦轮传动是利用两轮直接接触所产生的摩擦力来传递运动和动力的一种机械传动。图2-120a所示为最简单的外接圆柱式摩擦轮传动，由两个相互压紧的圆柱形摩擦轮组成。在正常传动时，主动轮依靠摩擦力的作用带动从动轮转动，并保证两轮面的接触处有足够大的摩擦力，使主动轮产生的摩擦力矩足以克服从动轮上的阻力矩。如果摩擦力矩小于阻力矩，两轮面接触处在传动中会出现相对滑移现象，这种现象称为“打滑”。

增大摩擦力的两种途径：一是增大正压力，二是增大摩擦因数。增大正压力可以在摩擦轮上安装弹簧或其他施力装置。但这样会增加作用在轴与轴承上的载荷，导致增大传动件的尺寸，使机构笨重。因此，正压力只能适当增加。增大摩擦因数的方法，通常是将其中一个摩擦轮用钢或铸铁材料制造，在另一个摩擦轮的工作表面，粘上一层石棉、皮革、橡胶布、塑料或纤维材料等。轮面较软的摩擦轮宜作主动轮，这样可以避免传动中产生打滑，致使从动轮的轮面遭受局部磨损而影响传动质量。

（2）摩擦轮传动的特点和类型

1）特点：

①结构简单，使用与维修方便，适用于两轴中心距较近的传动。

②传动时噪声小，并可在运转中变速和变向。

③过载时，两轮接触处会产生打滑，因而可防止薄弱零件的损坏，起到安全保护作用。

④在两轮接触处有产生打滑的可能，所以不能保持准确的传动比。

⑤传动效率较低，不宜传递较大的转矩，主要适用于高速、小功率传动的场合。

2）类型：按两轮轴线相对位置不同，摩擦轮传动可分为两轴平行和两轴相交两类。

①两轴平行的摩擦轮传动。两轴平行的摩擦轮传动，有外接圆柱式摩擦轮传动和内接圆柱式摩擦轮传动两种，如图2-120所示。前者两轴转动方向相反，后者两轴转动方向相同。

②两轴相交的摩擦轮传动。两轴相交的摩擦轮传动，其摩擦轮多为圆锥形,并有外接圆锥式和内接圆锥式两种。此外，还有圆柱圆盘式结构。圆锥形摩擦轮安装时，应使两轮的锥顶重合，以保证两轮锥面上各接触点处的线速度相等。

（3）常见故障及其排除方法 摩擦轮传动的失效形式除打滑外，主要是摩擦副及加压装置的表面点蚀、塑性变形、磨损、胶合或烧伤。

湿式工作且两轮均为金属材料时，主要失效为传动打滑及表面点蚀。可按保证有一定的滑动安全系数条件下对传动进行接触强度计算，一般还要进行热平衡计算，以防油漏过高润滑剂失效引起胶合。

干式工作且两轮均为金属材料时，主要失效为传动打滑及磨损和点蚀，一般仍按保证有一定滑动安全系数条件下对传动进行接触强度计算。而当有一轮为软性非金属材料时，主要失效则为打滑、磨损与发热，特别是橡胶的曲挠应力使内部迅速发热，其散热能力较差易形成内部烧伤。

6.螺旋传动

利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动称为螺旋传动。它主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。按工作特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。传力螺旋是以传递动力为主,它用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作,工作速度不高，而且通常要求自锁。传导螺旋是以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋（丝杠）。调整螺旋是用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。

（1）螺旋传动的分类 按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。

1）滑动螺旋传动。通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差，强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。一般螺纹升程和摩擦因数都不大，因此虽然轴向力F相当大，而转矩T则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动的效率低，一般为30%～40%，能够自锁。而且其磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。

2）滚动螺旋传动。用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动叫作滚动螺旋传动，又称为滚珠丝杠传动。滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦因数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90%以上。它不能实现自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分为外循环和内循环。外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器，一个螺母上通常有2～4个反向器，将螺母中滚珠分别联成2～4个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便，但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度，除采用滚珠与螺纹选配外，常用各种调整方法以实现预紧。

3）静压螺旋传动。螺纹工作面间形成液体静压油膜润滑的螺旋传动称为静压螺旋传动。静压螺旋传动的摩擦因数小，传动效率可达99%,无磨损和爬行现象,无反向空程,轴向刚度很高,不自锁,具有传动的可逆性,但螺母结构复杂,而且需要有一套压力稳定、温度恒定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋。这种螺旋采用牙型较高的梯形螺纹。在螺母每圈螺纹中径处开有3～6个间隔均匀的油腔。同一母线上同一侧的油腔连通，用一个节流阀控制。油泵将精滤后的高压油注入油腔，油经过摩擦面间缝隙后再由牙根处回油孔流回油箱。当螺杆未受载荷时，牙两侧的间隙和油压相同。当螺杆受向左的轴向力作用时，螺杆略向左移，当螺杆受径向力作用时，螺杆略向下移。当螺杆受弯矩作用时，螺杆略偏转。由于节流阀的作用，在微量移动后各油腔中油压发生变化，螺杆平衡于某一位置，保持某一油膜厚度。

（2）螺旋传动的特点 螺旋运动是构件的一种空间运动，它由具有一定制约关系的转动及沿转动轴线方向的移动两部分组成。组成运动副的两构件只能沿轴线作相对螺旋运动的运动副称为螺旋副。

螺旋传动是利用螺旋副来传递运动和（或）动力的，可以方便地把主动件的回转运动转变为从动件的直线运动。

与其他将回转运动转变为直线运动的传动装置 （如曲柄滑块机构）相比，螺旋传动具有结构简单，工作连续、平稳，承载能力大，传动精度高等优点，因此广泛应用于各种机械和仪器中。它的缺点是摩擦损失大，传动效率较低;但滚动螺旋传动的应用，已使螺旋传动摩擦大、易磨损和效率低的缺点得到了很大程度的改善。一般螺旋传动都具有自锁作用。

2.2.2 液压传动

液压系统是以液体为工作介质,以液体的压力能进行运动和动力传递的一种传动方式，其传动模型如图2-121所示。与机械传动相比，液压系统具有传递动力大、体积小、重量轻、结构紧凑、易于调速控制和实现自动化等许多优点，因此在游乐设施中广泛应用。

2.2.2.1 常见液压元件

液压系统主要是由动力元件（液压泵）、执行元件（液压缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件等液压元件和工作介质（液压油）构成。

1.液压元件分类

液压元件有动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件等4类。

（1）动力元件 是利用液体把原动机的机械能转换成液压能，也是液压系统中的动力部分。它主要包括齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵等。

（2）执行元件 是将液体的液压能转换成机械能的部分。它主要包括液压缸和液压马达。液压缸有活塞液压缸、柱塞液压缸、摆动液压缸、组合液压缸等；马达有齿轮式液压马达、叶片液压马达、柱塞液压马达等。

（3）控制元件 是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节与控制。它包括方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。方向控制阀有单向阀、换向阀等；压力控制阀有溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀有节流阀、调速阀、分流阀等。

（4）辅助元件 是指除上述三部分以外的其他元件，包括蓄能器、过滤器、冷却器、加热器、油管、管接头、油箱、压力计、流量计和密封装置等。

2.液压动力元件

液压泵是液压系统中主要的动力装置，即动力源，在系统中的作用十分重要。

（1）液压泵的分类

1）单柱塞液压泵。柱式液压泵都是依靠密封容积变化的原理进行工作的，故一般称为容积式液压泵。图2-122所示为单柱塞液压泵的工作原理，图中柱塞2装在缸体3中形成一个密封油腔7，柱塞在弹簧4的作用下始终压紧在偏心轮1上。原动机驱动偏心轮1旋转使柱塞2作往复运动，使密封油腔7的大小发生周期性的交替变化。当油腔7由小变大时就形成部分真空，使油腔中油液在大气压作用下，经吸油管顶开单向阀6进入油腔7而实现吸油；反之，当油腔7由大变小时，油腔7中吸满的油液将顶开单向阀5流入系统而实现压油。这样液压泵就将原动机输入的机械能转换成液体的液压能，原动机驱动偏心轮不断旋转，液压泵就不断地吸油和压油。

2）齿轮泵。齿轮泵是液压系统中广泛采用的一种液压泵,它一般做成定量泵,按结构不同,齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵,而以外啮合齿轮泵应用最广。下面以外啮合齿轮泵为例来剖析齿轮泵。

图2-123所示为外啮合齿轮泵的结构。这种齿轮泵主要由一对几何参数完全相同的主动齿轮4和从动齿轮8、传动轴6、泵体3、前泵盖5、后泵盖1等零件组成。

图2-124为外啮合齿轮泵的工作原理。原动机带动齿轮按图示方向旋转时，右侧的齿轮不断退出啮合，而左侧的齿轮不断进入啮合，因啮合点的啮合半径小于齿顶圆半径，右侧退出啮合的轮齿露出齿间，其密封工作腔容积逐渐增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下经泵的吸油口进入这个密封油腔——吸油腔。随着齿轮的转动，吸入的油液被齿间转移到左侧的密封工作腔。左侧进入啮合的轮齿使用使密封油腔的压油腔容积逐渐减少，把齿间油液挤出，从压油口输出，压入液压系统。齿轮连续旋转，泵连续不断地吸油和压油。

3）叶片泵。叶片泵的结构较齿轮泵复杂,但其工作压力较高,且流量脉动小,工作平稳,噪声较小,寿命较长。所以它被广泛应用于机械制造中的专用机床、自动线等中低液压系统中，但其结构复杂，吸油特性不太好，对油液的污染也比较敏感。

根据各密封工作容积在转子旋转一周吸、排油液次数的不同，叶片泵分为两类，即完成一次吸、排油液的单作用叶片泵（见图2-125）和完成两次吸、排油液的双作用叶片泵（见图2-126）。单作用叶片泵多为变量泵，工作压力最大为7.0MPa，双作用叶片泵均为定量泵，一般最大工作压力为7.0MPa，结构经改进的高压叶片泵最大的工作压力可达16.0～21.0MPa。

（2）液压泵的选用 液压泵是液压系统提供一定流量和压力的油液动力元件,它是每个液压系统不可缺少的核心元件,合理地选择液压泵对于降低液压系统的能耗、提高系统的效率、降低噪声、改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要。

选择液压泵的原则是:根据主机工况、功率大小和系统对工作性能的要求,首先确定液压泵的类型,然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号。

表2-13列出了液压系统中常用液压泵的性能比较。

一般来说,由于各类液压泵各自突出的特点,其结构、功用和动转方式各不相同,因此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵。

3.执行元件

它是将液体的液压能转换成机械能器件，如液压缸和马达等。其中，液压缸做直线运动，马达做旋转运动。

（1）液压缸

1）液压缸的类型和特点：按运动方式分，液压缸可分为直线运动（活塞式、柱塞式）液压缸、摆动（摆动液压缸）液压缸；按作用方式分，它又可分为单作用液压缸和双作用液压缸。单作用液压缸又分为活塞单向作用（由弹簧使活塞复位）的液压缸和柱塞单向作用（由外力使柱塞返回）的液压缸两种。双作用液压缸又分为活塞双作用左右移动速度不等的液压缸和双柱塞双作用的液压缸；按结构形式分为活塞式、柱塞式、摆动式3种液压缸。

2）液压缸的结构：液压缸由缸体组件、活塞组件、密封装置等部分组成。常用的缸体组件结构如图2-127所示。另外，还有缸筒和端盖采用拉杆连接和焊接式连接的结构。活塞组件由活塞、活塞杆组成，它又分为整体式和分体式两种。

密封装置，液压缸中的密封主要指活塞和缸体之间，活塞杆和端盖之间的密封，用于防止内、外泄漏。密封装置的要求是：在一定工作压力下，具有良好的密封性能；相对运动表面之间的摩擦力要小，且稳定；要耐磨，工作寿命长，或磨损后能自动补偿；使用维护简单，制造容易，成本低。

密封形式有间隙密封、活塞环密封和密封圈密封3种。一般使用密封圈密封。其优点是，结构简单，制造方便，成本低；能自动补偿磨损；密封性能可随压力加大而提高，密封可靠；被密封的部位，表面不直接接触，所以加工精度可以降低；既可用于固定件，也可用于运动件。

（2）液压马达 液压马达是把液压能转变为机械能的一种能量转变装置。从能量互相转换的观点看，泵和马达可以依据一定条件而转化。当马达带动其转动时，即为泵，输出液压油（流量和压力）；当向其通入液压油时，即为马达，输出机械能（转矩和转速）。从工作原理上讲，它们是可逆的，但由于用途不同，故在结构上各有其特点。因此，在实际工作中大部分泵和马达是不可逆的。

4.液压控制元件

阀类元件的作用是调节与控制液压系统油液的压力、油流的方向和流量，使系统在安全的条件下按规定的要求平稳而协调地工作。

（1）控制阀的分类 液压阀一般分为压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀3大类，但若按控制方式不同可分为如下3类。

1）开关或定值控制阀：借助于手调机构或通断电磁铁，控制液流通路的开闭，或定值控制液流的压力流量。这类阀最为常见，称为普通液压阀。

2）比例控制阀：这类阀的输出量与输入量成正比，即输出量可按输入量的变化规律连续成比例地进行调节。如比例压力阀、比例流量阀、比例方向阀。

3）伺服控制阀：输入信号对输出信号（流量、压力）进行连续、成比例的控制。与比例阀不同的是，其动态性能和静态性能好，主要用于快速、高精度的控制系统中。

（2）方向控制阀 方向控制阀在液压系统中起阻止和引导油液按规定的流向进出通道，即在油路中起控制油液流动方向的作用。其可分为单向阀和换向阀两类。

1）单向阀：单向阀的作用是控制油液的单向流动（单向导通，反向截止）。其性能要求是，正向流动阻力损失小，反向时密封性好，动作灵敏。它可分为普通单向阀和液控单向阀两种。

①普通单向阀。图2-128所示为一种管式普通单向阀，液压油从阀体左端的通口流入时克服弹簧3作用在阀芯上的力，使阀芯向右移动，打开阀口，并通过阀芯上的径向孔a、轴向孔b从网体右端的通口流出；但是液压油从阀体右端的通口流入时，液压力和弹簧力一起使阀芯压紧在阀座上，使阀口关闭，油液无法通过。

②液控单向阀。如图2-129所示，当控制口K处有液压油通入时，控制活塞1右侧a腔通泄油口（图中未画出），在液压力作用下活塞向右移动，推动顶杆2顶开阀芯，使油口P1和P2接通，油液就可以从P2口流向P1口。

2）换向阀：利用阀芯对阀体的相对运动，使油路接通、关断或变换油流的方向，从而实现液压执行元件及其驱动机构的启动、停止或变换运动方向。按阀芯相对于阀体的运动方式，换向阀可分为滑阀和转阀。按阀芯工作时在阀体中所处的位置，换向阀分为二位和三位等；按换向阀所控制的通路数不同，换向阀分为二通、三通、四通和五通等。

①工作原理。滑阀式换向阀的工作原理如图2-130a所示，当阀芯向右移动一定距离时，由液压泵输出的液压油从阀的P口经A口流向液压缸左腔，液压缸右腔的油经B口流回油箱，液压缸活塞向右运动；反之，若阀芯向左移动某一距离时，液流反向，活塞向左运动。

②控制方式。换向阀按换向方法不同，换向阀可分为手动、机动、电磁、液动和电液5种类型。

a.手动换向阀：是利用手动杠杆来改变阀芯位置实现换向的阀门。它又分为弹簧自动复位和弹簧钢珠定位两种。

图2-131a所示为自动复位式换向阀，可用手操作使换向阀左位或右位工作，但当操纵力取消后，阀芯便在弹簧力作用下自动恢复至中位，停止工作。因而适用于换向动作频繁，工作持续时间短的场合。图2-131b所示为钢球定位式换向阀，其阀芯端部的钢球定位装置可使阀芯分别停止在左、中、右三个位置上，当松开手柄后，阀仍保持在所需的工作位置上，因而可用于工作持续时间较长的场合。

b.机动换向阀：又称为行程阀，主要用来控制机械运动部件的行程，借助于安装在工作台上的挡铁或凸轮迫使阀芯运动，从而控制液流方向。图2-132所示为二位二通机动换向阀。在图示位置，阀芯3在弹簧4作用下处于上位，P与A不相通；当运动部件上的行程挡块1压住滚轮2使阀芯移至下位时，P与A相通。

机动换向阀结构简单，换向时阀口逐渐关闭或打开，故换向平稳、可靠、位置精度高。但它必须安装在运动部件附近，一般油管较长。常用于控制运动部件的行程，或进行快、慢速度的转换。

c.电磁换向阀：是一种利用电磁铁的通电吸合与断电释放而直接推动阀芯来控制液流方向的液压阀。它是电气系统和液压系统之间的信号转换元件。图2-133所示为三位四通电磁换向阀。阀两端有两根对中弹簧4，使阀芯在常态时（两端电磁铁均断电时）处于中位，P、A、B、T互不相通；当右端电磁铁通电时，右衔铁1通过推杆2将阀芯3推至左端，控制油口P与B通，A与T通；当左端电磁铁通电时，其阀芯移至右端，油口P通A、B通T。

电磁阀操纵方便，布置灵活，易于实现动作转换的自动化。但因电磁铁吸力有限，所以电磁阀只适用于流量不大的场合。

d.液动换向阀：是一种利用控制油路的压力油来改变阀芯位置的换向阀。阀芯是由其两端密封腔中油液的压差来移动的。图2-134所示为三位四通液动换向阀。当其两端控制油口K1和K2均不通入液压油时，阀芯在两端弹簧的作用下处于中位；当K1进液压油，K2接油箱时，阀芯移至右端，P通A，B通T；反之，K2进液压油，K1接油箱时，阀芯移至左端，P通B，A通T。

液动换向阀结构简单、动作可靠、平稳，由于液压驱动力大，故可用于流量大的液压系统中，但它不如电磁阀控制方便。

e.电液换向阀：它是由电磁滑阀和液动滑阀组成的复合阀。电磁阀起先导作用，可以改变控制液流方向，从而改变液动滑阀阀芯的位置；这种阀综合了电磁阀和液动阀的优点，具有控制方便、流量大的特点，常用于大中型液压设备中。图2-135所示为三位四通电液换向阀。

（3）压力控制阀 在液压系统中,控制油液压力高低的液压阀称为压力控制阀，简称压力阀。主要有溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等，它们的共同点是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理工作的。

1）溢流阀：主要作用是对液压系统定压或进行安全保护。常用的溢流阀按其结构形式和基本动作方式可归结为直动式和先导式两种。

①直动式溢流阀。图2-136是低压直动式溢流阀，它是依靠系统中的液压油直接作用在阀芯上与弹簧力等相平衡，以控制阀芯的启闭动作，来达到定压目的的。

② 先导式溢流阀。图2-137所示为先导式溢流阀，由于先导阀的阀芯一般为锥阀，受压面积较小，所以用一个刚度不太大的弹簧即可调整较高的开启压力，用螺钉调节弹簧的预紧力，就可调节溢流阀的压力。

2）减压阀：减压阀是使出口压力（二次压力）低于进口压力（一次压力）的一种压力控制阀。其作用是减低液压系统中某一回路的油液压力，使用一个油源能同时提供两个或几个不同压力的输出。其主要用于各种液压设备的夹紧系统、润滑系统和控制系统中。此外，当油压不稳定时，在回路中串入一个减压阀可得到一个稳定的较低压力。根据减压阀所控制的压力不同，它可分为定值输出减压阀、定差减压阀和定比减压阀。

3）顺序阀：顺序阀是利用油液压力作为控制信号实现油路的通断，以控制执行元件顺序动作的压力阀。按控制压力来源不同，顺序阀可分为内控式和外控（液控）式。内控式是直接利用阀进口处的油液压力来控制阀口启闭的；外控式是利用外来的控制油压控制阀口启闭的。按结构的不同，顺序阀也有直动式和先导式之分。

4）压力继电器：压力继电器是一种将油液的压力信号转换成电信号的电液控制元件，当油液压力达到压力继电器的调定压力时发出电信号，以控制电磁铁、电磁离合器、继电器等元件动作，使油路卸压、换向、执行元件实现顺序动作，或关闭电动机，使系统停止工作，起到安全保护作用等。

（4）流量控制阀 在液压系统中，执行元件运动速度的大小是由输入执行元件的油液流量的大小确定的。流量控制阀就是依靠改变阀口通流面积（节流口局部阻力）的大小或通流通道的长短来控制流量的一种阀体。常用的流量控制阀有普通节流阀、压力补偿和温度补偿调速阀、溢流节流阀和分流集流阀等。

1）流量控制原理及节流口形式：节流阀是一种可以在较大范围内以改变液阻来调节流量的元件。因此可以通过调节节流阀的液阻，来改变进入液压缸的流量，从而调节液压缸的运动速度，故又称为调速阀。

2）普通节流阀：图2-138所示为一种普通节流阀。这种节流阀的节流通道是轴向三角槽式，而且其进出油口可互换。

3）节流阀的压力和温度补偿：节流阀的压力补偿方式是利用流量变动所引起油路压力的变化，通过阀芯的负反馈动作，来自动调节节流部分的压力差，使其基本保持不变。它有两种方式：一种是将定差减压阀与节流阀串联起来，组合而成调速阀；另一种是将稳压溢流阀与节流阀并联起来，组织成溢流节流阀。油温的变化也必然会引起油液黏度的变化，从而导致通过节流阀的流量发生相应的改变，为此出现了温度补偿调速阀。

①调速阀。如图2-139所示，调速阀是在节流阀2前面串接一个定差减压阀1组合而成的。液压泵的出口（即调速阀的进口）压力由溢流阀调定，基本上保持恒定。调速阀出口处的压力由液压缸负载FL决定。

②温度补偿调速阀。温度补偿调速阀的压力补偿原理部分与普通调速阀相同。

③溢流节流阀。溢流节流阀是由定差溢流阀与节流阀并联而成的。在进油路上设置溢流节流阀，通过溢流阀的压力补偿作用达到稳定流量的效果。溢流节流阀也称为旁通调速阀。

5.辅助元件

液压系统中的液压辅件是指动力元件、执行元件和控制元件以外的其他配件，如管件、油箱、过滤器、密封件、压力表和蓄能器等。

2.2.2.2 常见液压系统

应用于各种机械设备上的液压系统可能极其复杂，但都是由若干个液压基本回路构成的。

1.液压系统的分类

液压系统可按照工作介质（液压油）的循环方式、执行元件类型和系统回路的组合方式等进行分类。液压系统按工作介质的循环方式可分为开式系统和闭式系统。

（1）开式系统 泵从油箱中吸油，执行元件的回油返回油箱的系统称为开式系统（见图2-140）。在开式系统中，执行元件的开、停和换向是由换向阀操纵的。

（2）闭式系统 执行元件的回油直接接至泵吸入口的系统称为闭式系统（见图2-141）。在闭式系统中，为了补充系统的泄漏，进行热交换以及供给低压控制油液，必须设置辅助泵。辅助泵的流量视系统的容积损失，热平衡要求和低压控制的需要而定。闭式系统中一般采用双向变量泵来进行调速和换向。

2.液压系统基本回路

液压系统基本回路是由一些液压元件组成，用来完成某项特定功能的油路结构。液压基本回路可以分为方向控制回路、压力控制回路、速度控制回路和多缸动作控制回路等多种类型。

（1）方向控制回路 控制液流的通、断和流动方向的回路称为方向控制回路。在液压系统中用于实现执行元件的启动、停止以及改变运动方向。

1）换向回路。液压系统中执行元件运动方向的变换一般由换向阀实现，根据执行元件的换向要求，可采用二位（或三位）四通（或五通）控制阀，控制方式可以是人力、机械、电动、液动和电液动等。

图2-142a所示为采用二位四通电磁换向阀的换向回路。当电磁铁通电时，液压油进入液压缸左腔，推动活塞杆向右移动；电磁铁断电时，弹簧力使阀芯复位，液压油进入液压缸右腔，推动活塞杆向左移动。此回路只能停留在缸的两端，不能停留在任意位置上。

图2-142b所示为采用三位四通手动换向阀的换向回路。当阀处于中位时，M型滑阀机能使泵卸荷，缸两腔油路封闭，活塞制动；当阀左位工作时，液压缸左腔进油，活塞向右移动；当阀右位工作时，液压缸右腔进油，活塞向左移动。此回路可以使执行元件在任意位置停止运动。

2）闭锁回路。闭锁回路又称为锁紧回路，用以实现使执行元件在任意位置上停止，并防止停止后蹿动。常用的闭锁回路有两种：采用O型或M 型滑阀机能三位换向阀的闭锁回路（见图2-143）；采用液控单向阀的闭锁回路（见图2-144）。

（2）压力控制回路 利用各种压力阀控制系统或系统某一部分油液压力的回路称为压力控制回路。在系统中用来实现调压、减压、增压、卸荷、平衡等控制，以满足执行元件对力或转矩的要求。

1）调压回路。根据系统负载的大小来调节系统工作压力的回路叫作调压回路。调压回路的核心元件是溢流阀。除油量和补偿系统泄漏外，还有油液经溢流阀流回油箱，所以这种回路效率较低，一般用于流量不大的场合。

图2-145b为用远程调压阀的单级调压回路。将远程调压阀2接在先导式主溢流阀1的远程控制口上，液压泵的压力即由阀2进行远程调节。这时，远程调压阀起到调节系统压力的作用，绝大部分油液仍从主溢流阀1溢走。回路中，远程调压阀的调定压力应低于溢流阀的调定压力。

2）减压回路。在定量液压泵供油的液压系统中，溢流阀按照主系统的工作压力进行调定。若系统中某个执行元件或某个支路所需要的工作压力低于溢流阀所调定的主系统压力（如控制系统、润滑系统等），这时就要采用减压回路。减压回路主要由减压阀组成。

图2-146所示为采用减压阀组成的减压回路。减压阀出口的油液压力可以在5×105Pa以上到低于溢流阀调定压力5×105Pa的范围内调节。

图2-147所示为采用单向减压阀组成的减压回路。液压泵输出的压力油液，以溢流阀调定的压力进入液压缸2，以经减压阀减压后的压力进入液压缸1。采用带单向阀的减压阀是为了液压缸1活塞返程时，油液可经单向阀直接回油箱。

3）增压回路。增压回路是用来使局部油路或个别执行元件得到比主系统油压高得多的压力。图2-148所示为采用增压液压缸的增压回路。

增压原理：因为作用在大活塞左端和小活塞右端的液压作用力相平衡，即Fa=Fb，又因Fa=paAa，Fb=pbAb，所以paAa=pbAb，则pb=paAa/Ab。由于Aa＞Ab，则pb＞pa，所以起到增压作用。

4）卸荷回路。当液压系统中执行元件停止运动或需要长时间保持压力时，卸荷回路可以使液压泵输出的油液以最小的压力直接流回油箱，以减小液压泵的输出功率，降低驱动液压泵电动机的动力消耗，减小液压系统的发热，从而延长液压泵的使用寿命。下面介绍两种常用的卸荷回路。

图2-149为采用三位四通换向阀的H型中位滑阀机能实现卸荷的回路。中位时，进油口与回油口相连通，液压泵输出的油液可以经换向阀中间通道直接流回油箱，实现液压泵卸荷，M型中位滑阀机能也有类似功用。

图2-150为采用二位二通换向阀的卸荷回路。当执行元件停止运动时，使二位二通换向阀电磁铁断电，其右位接入系统，这时液压泵输出的油液通过该阀流回油箱，使液压泵卸荷。应用这种卸荷回路时，二位二通换向阀的流量规格应能流过液压泵的最大流量。

5）平衡回路。为防止垂直放置的液压缸及其工作部件因自重自行下落或在下行过程中因自重造成的失控或失速，可设计平衡回路。平衡回路通常用单向顺序阀或液控单向阀来实现平衡控制。

①用单向顺序阀的平衡回路。如图2-151所示，由单向顺序阀组成的平衡回路中，在液压缸的下腔油路上加设一个平衡阀（即单向顺序阀），使液压缸下腔形成一个与液压缸运动部分重量相平衡的压力，可防止其因自重而下滑。这种回路在活塞下行时回油腔有一定的背压，故运动平稳，但功率损失较大。

②用液控单向阀的平衡回路。图2-152中，当换向阀右位工作时，液压缸下腔进油，液压缸上升至终点；当换向阀处于中位时，液压泵卸荷，液压缸停止运动；当换向阀左位工作时，液压缸上腔进油，液压缸下腔的回油由节流阀限速，由液控单向阀锁紧，当液压缸上腔压力足以打开液控单向阀时，液压缸才能下行。由于液控单向阀泄漏量极小，故其闭锁性能较好，回油路上的单向节流阀可用于保证活塞向下运动的平稳性。

（3）速度控制回路 速度控制回路包括调节执行元件工作行程速度的调速回路和使不同速度相互转换的速度换接回路。

1）调速回路。改变输入液压执行元件的流量q（或液压马达的排量VM）可以达到改变速度的目的。调速方法有三种：节流调速（采用定量泵供油，由流量阀改变进入执行元件的流量以实现调速）、容积调速（采用变量泵或变量马达实现调速）、容积节流调速（采用变量泵和流量阀联合调速）。

①节流调速回路。节流调速回路在定量液压泵供油的液压系统中安装了流量阀，调节进入液压缸的油液流量，从而调节执行元件工作行程速度。该回路结构简单，成本低，使用维修方便，但它的能量损失大，效率低，发热大，故一般只用于小功率场合。

根据流量阀在油路中安装位置的不同，可分为进油路节流调速、回油路节流调速、旁油路节流调速等形式。

a.进油路节流调速回路：把流量控制阀串联在执行元件的进油路上的调速回路，如图2-153所示。

b.回油路节流调速回路：把流量控制阀安装在执行元件通往油箱的回油路上的调速回路，如图2-154所示。回油节流调速回路广泛应用于功率不大、负载变化较大或运动平稳性要求较高的液压系统中。

c.旁油路节流调速回路：将节流阀设置在与执行元件并联的旁油路上的调速回路，如图2-155所示。该回路中只有节流损失，无溢流损失，功率损失较小，系统效率较高。

②容积调速回路。容积调速回路通过改变变量泵或变量马达排量以调节执行元件的运动速度。按油液的循环方式不同，容积调速回路可分为开式和闭式。图2-156a所示为开式回路，泵从油箱吸油，执行元件的油液返回油箱，油液在油箱中便于沉淀杂质、析出空气，并得到良好的冷却，但油箱尺寸较大，污物容易侵入。图2-156b所示为闭式回路，液压泵的吸油口与执行元件的回油口直接连接，油液在系统内封闭循环，其结构紧凑、油气隔绝、运动平稳、噪声小，但散热条件较差。闭式回路中需设置补油装置，由辅助泵及与其配套的溢流阀和油箱组成，绝大部分容积调速回路的油液循环采用闭式循环方式。

根据液压泵和执行元件组合方式不同，容积调速回路有以下三种形式：

a.变量泵和定量执行元件组合。图2-156a所示为变量泵1和液压缸组成的容积调速回路，图2-156b所示为变量泵1和定量液压马达4组成的容积调速回路。这两种回路均采用改变变量泵1输出流量的方法来调速的。工作时，溢流阀2起安全阀的作用，它可以限定液压泵的最高工作压力，起到过载保护作用。溢流阀3作为背压阀使用，溢流阀6用于调定辅助泵5的供油压力，补充系统泄漏油液。

b.定量泵和变量液压马达组合。在图2-157所示的回路中，定量泵1的输出流量不变，调节变量液压马达3 的流量，便可改变其转速，溢流阀2 可作安全阀用。

c.变量泵和变量液压马达组合。在图2-158所示的回路中，变量泵1正反向供油，双向变量液压马达3正反向旋转，调速时液压泵和液压马达的排量分阶段调节。在低速阶段，液压马达排量保持最大，由改变液压泵的排量来调速；在高速阶段，液压泵排量保持最大，通过改变液压马达的排量来调速。这样就扩大了调速范围。单向阀6、7用于使辅助泵4双向补油，单向阀8、9使安全阀2在两个方向都能起过载保护作用，溢流阀5用于调节辅助泵的供油压力。

③容积节流调速回路。用变量液压泵和节流阀（或调速阀）相配合进行调速的方法称为容积节流调速。

图2-159所示为由限压式变量叶片泵和调速阀组成的容积节流调速回路。调节调速阀节流口的开口大小，就能改变进入液压缸的流量，从而改变液压缸活塞的运动速度。如果变量液压泵的流量大于调速阀调定的流量，由于系统中没有设置溢流阀，多余的油液没有排油通路，势必使液压泵和调速阀之间油路的油液压力升高，但是当限压式变量叶片泵的工作压力增大到预先调定的数值后，泵的流量会随工作压力的升高而自动减小。

在这种回路中，泵的输出流量与通过调速阀的流量是相适应的，因此效率高，发热量小。同时，采用调速阀，液压缸的运动速度基本不受负载变化的影响，即使在较低的运动速度下工作，运动也较稳定。

2）快速运动回路。执行元件在一个工作循环的不同阶段要求有不同的运动速度和承受不同的负载，在空行程阶段其速度较高负载较小。采用快速回路，可以在尽量减少液压泵流量损失的情况下使执行元件获得较快的速度，以提高生产率。常见的快速运动回路有以下几种。

①差动连接快速运动回路。图2-160所示的差动回路是利用差动液压缸的差动连接来实现的。当二位三通电磁换向阀处于右位时，液压缸呈差动连接，液压泵输出的油液和液压缸小腔返回的油液合流，进入液压缸的大腔，实现活塞的快速运动。这种回路比较简单、经济，但液压缸的速度加快有限。

②双泵供油快速运动回路。图2-161所示的回路中采用了低压大流量泵1和高压小流量泵2并联，它们同时向系统供油时可实现液压缸的空载快速运动；进入工作行程时，系统压力升高，液控顺序阀3（卸荷阀）打开，使大流量液压泵1卸荷，仅由小流量液压泵2 向系统供油，液压缸的运动变为慢速工作行程，工进时压力由溢流阀5调定。

③蓄能器快速运动回路。在图2-162所示的用蓄能器辅助供油的快速回路中，用蓄能器使液压缸实现快速运动。当换向阀处于左位或右位时，液压泵1和蓄能器3同时向液压缸供油，实现快速运动。当换向阀处于中位时，液压缸停止工作，液压泵经单向阀向蓄能器供油，随着蓄能器内油量的增加，压力升高，至液控顺序阀2的调定压力时，液压泵卸荷。

这种回路适用于短时间内需要大流量的场合，并可用小流量的液压泵使液压缸获得较大的运动速度，但蓄能器充油时，液压缸必须有足够的停歇时间。

3）速度换接回路。速度换接回路可使执行元件在一个工作循环中，从一种运动速度变换到另一种运动速度。

①快速与慢速的速度换接回路。如图2-163所示，在用行程阀控制的快慢速换接回路中，活塞杆上的挡块未压下行程阀时，液压缸右腔的油液经行程阀回油箱，活塞快速运动；当挡块压下行程阀时，液压缸回油经节流阀回油箱，活塞转为慢速工进。

②两种慢速的速度换接回路。如图2-164所示，在两个调速阀并联实现两种进给速度的换接回路中，两调速阀由二位三通换向阀换接，它们各自独立调节流量，互不影响，一个调速阀工作时，另一个调速阀没有油液通过。在速度换接过程中，由于原来没工作的调速阀中的减压阀处于最大开口位置，速度换接时大量油液通过该阀，将使执行元件突然前冲。

图2-165所示为用两调速阀串联的方法实现两种不同速度的换接回路，两调速阀由二位二通换向阀换接，但后接入的调速阀的开口要小，否则，换接后得不到所需要的速度，起不到换接作用。该回路的速度换接平稳性比调速阀并联的速度换接回路好。

（4）多缸动作控制回路 当液压系统有两个或两个以上的执行元件时，一般要求这些执行元件作顺序动作或同步动作。

1）顺序回路。控制液压系统中执行元件动作的先后次序的回路称为顺序动作回路。按照控制的原理和方法不同，顺序动作的方式分为压力控制、行程控制和时间控制三种。时间控制的顺序动作回路控制准确性较低，应用较少。常用的是压力控制和行程控制的顺序动作回路。

①用压力控制的顺序动作回路。压力控制是利用油路本身压力的变化来控制阀口的启闭，使执行元件按顺序动作的一种控制方式。其主要控制元件是顺序阀和压力继电器。

a.采用顺序阀控制的顺序动作回路。图2-166为采用顺序阀控制的顺序动作回路。阀1和阀2是由顺序阀与单向阀构成的组合阀——单向顺序阀。系统中有两个执行元件：夹紧液压缸A和加工液压缸B。两液压缸按夹紧→工作进给→快退→松开的顺序动作。

b.采用压力继电器控制的顺序动作回路。图2-167是采用压力继电器控制的顺序动作回路。按下按钮，使二位四通换向阀1电磁铁通电，左位接入系统，液压油液进入液压缸A 左腔，推动活塞向右运动，回油经换向阀1 流回油箱，完成动作①；当活塞碰上定位挡铁时，系统压力升高，使安装在液压缸A进油路上的压力继电器动作，发出电信号，使二位四通换向阀2 电磁铁通电，左位接入系统，液压油液进入液压缸B左腔，推动活塞向右运动，完成动作②；实现A、B两液压缸先后顺序作。

采用压力继电器控制的顺序动作回路，简单易行，应用较普遍。使用时应注意，压力继电器的压力调定值应比先动作的液压缸A 的最高工作压力高3×105～5×105Pa，同时又应较溢流阀调定压力低3×105～5×105Pa，以防止压力继电器误发信号。

②用行程控制的顺序动作回路。行程控制是利用执行元件运动到一定的位置时发出控制信号，启动下一个执行元件的动作，使各液压缸实现顺序动作的控制过程。

a.采用行程阀控制的顺序动作回路。图2-168是采用行程阀控制的顺序动作回路。循环开始前，两液压缸活塞处于图示位置。二位四通换向阀电磁铁通电后，左位接入系统，液压油液经换向阀进入液压缸A右腔，推动活塞向左移动，实现动作①；到达终点时，活塞杆上的挡块压下二位四通行程阀的滚轮，使阀芯下移，液压油液经行程阀进入液压缸B的右腔，推动活塞向左运动，实现动作②；当二位四通换向阀电磁铁断电时，弹簧复位，使右位接入系统，液压油经换向阀进入液压缸A左腔，推动活塞向右退回，实现动作③；当挡块离开行程阀滚轮时，行程阀复位，液压油经行程阀进入液压缸B左腔，使活塞向右运动，实现动作④。

这种回路动作灵敏，工作可靠，其缺点是行程阀只能安装在执行元件的附近，调整和改变动作顺序也较为困难。

b.采用行程开关控制的顺序动作回路。图2-169为用行程开关控制的顺序动作回路，液压缸按①→②→③→④的顺序动作。这种回路使用方便，调节行程和动作顺序也方便，但顺序转换时有冲击，且电气控制电路比较复杂，回路的可靠性取决于电器元件的质量。

2）同步回路。同步运动包括速度同步和位置同步两类。速度同步是指各执行元件的运动速度相同，而位置同步是指各执行元件在运动中或停止时都保持相同的位移量。同步回路就是用来实现同步运动的回路。

①液压缸机械连接的同步回路。图2-170所示为液压缸机械连接的同步回路，这种同步回路是用刚性梁、齿轮、齿条等机械零件在两个液压缸的活塞杆间实现刚性连接以实现位移的同步，此方法比较简单经济，能基本上保证位置同步的要求。

②采用调速阀的同步回路。图2-171所示是采用调速阀的单向同步回路。两个液压缸是并联的，在它们的进（回）油路上，分别串接一个调速阀，调节两个调速阀的开口大小，便可控制或调节进入或流出液压缸的流量，使两个液压缸在一个运动方向上实现同步，即单向同步。这种同步回路结构简单，但是两个调速阀的调节比较麻烦，而且还受油温、泄漏等的影响，故同步精度不高，不宜用在偏载或负载变化频繁的场合。

③用串联液压缸的同步回路。图2-172所示为带有补偿装置的两个液压缸串联的同步回路。这种回路允许较大偏载，偏载所造成的压差不影响流量的改变，只会导致微小的压缩和泄漏，因此同步精度较高，回路效率也较高。

④用同步马达的同步回路。图2-173所示为采用相同结构、相同排量的两个液压马达作为等流量分流装置的同步回路。两个马达轴刚性连接，把等量的油分别输入两个尺寸相同的液压缸中，使两液压缸实现同步。图中的节流阀用于消除行程终点两缸的位置误差。

影响这种回路同步精度的主要因素有：马达由于存在制造误差而引起排量上的差别；作用于液压缸活塞上的负载不同引起的漏油以及摩擦阻力的不同等。

2.2.3 气压传动

气压传动系统的工作原理是利用气体压缩机，以压缩气体作为工作介质，把电动机或其他原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线或回转运动形式的机械能而做功；通过气动逻辑元件或射流元件以实现传递信息、逻辑运算等功能。

气压传动系统由气源装置、执行元件、控制元件和辅助元件四部分组成。气源装置一般由电动机、空气压缩机、贮气罐等组成，并为系统提供符合一定质量要求的压缩气体。气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工作部件，包括气缸和气动马达。控制元件用来调节气流的方向、压力和流量，相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。辅件元件包括：净化空气用的分水滤气器，改善空气润滑性能的油雾器，消除噪声的消声器及管子联接件等。在气压传动系统中还有用来感受和传递各种信息的气动传感器，如图2-174所示。

气压传动系统与其他传动方式的性能比较见表2-14。

2.2.3.1 常见气压元件

1.气源装置

气源装置的主体是空气压缩机，有的还配有贮气罐、气源净化处理装置等附属设备。

（1）气源装置的组成和布置 一般气源装置的组成和布置如图2-175所示。空气压缩机1产生一定压力和流量的压缩空气，其吸气口装有空气过滤器，以减少进入压缩空气内的污染杂质量；冷却器2（又称为后冷却器）用以将压缩空气温度从140～170℃降至40～50℃，使高温汽化的油分、水分凝结出来；油水分离器3使降温冷凝出的油滴、水滴杂质等从压缩空气中分离出来，并从排污口除去；贮气罐4和7贮存的压缩空气用于平衡空气压缩机流量和设备用气量，并稳定压缩空气压力，同时还可以除去压缩空气中的部分水分和油分；干燥器5进一步吸收并排除压缩空气中的水分、油分等，使之变成干燥空气；过滤器6（又称为一次过滤器）进一步过滤及除去压缩空气中的灰尘颗粒杂质。贮气罐4中的压缩空气用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统（如气动仪表、射流元件等组成的系统）。

（2）空气压缩机 空气压缩机简称空压机，是气源装置的核心，用以将原动机输出的机械能转化为气体的压力能。

气压传动系统最常用的空气压缩机是往复活塞式压缩机，其工作原理如图2-176所示。当活塞5向右运动时，气缸容积增大，形成部分真空，外界空气在大气压力pa的作用下推开吸气阀2进入气缸，这就是吸气过程；当活塞5向左运动时，吸气阀2在缸内压缩气体的作用下关闭，随着活塞的左移，缸内气体受到压缩后压力升高，这就是压缩过程；当气缸内压力增高到略高于输气管路内压力p时，排气阀1打开，压缩空气排入输气管路内，这就是排气过程。曲柄9旋转一周，活塞往复行程一次，即完成“吸气—压缩—排气”一个工作循环。活塞的往复运动由电动机带动曲柄9转动，通过连杆8、滑块7、活塞杆6转化成直线往复运动。图只表示一个活塞一个气缸的空气压缩机，而大多数空气压缩机是多缸多活塞的组合。

（3）冷却器 冷却器安装在空压机输出管路上，用于降低压缩空气的温度，并使压缩空气中的大部分水汽、油汽冷凝成水滴、油滴，以便经油水分离器析出。其结构形式有列管式、套管式、散热片式和蛇管式等。蛇管式冷却器结构简单，使用维护方便，适于流量较小的任何压力范围，应用最广泛。图2-177为蛇管式后冷却器。

（4）油水分离器 油水分离器主要是用离心、撞击、水洗等方法使压缩空气中凝聚的水分、油分等杂质从压缩空气中分离出来，让压缩空气得到初步净化。其结构形式有环形回转式、撞击并折回式（见图2-178）、离心旋转式、水浴式以及以上形式的组合使用等。

（5）贮气罐 它的作用是消除压力波动，保证输出气流的连续性,储存一定数量的压缩空气,调节用气量或以备发生故障和临时需要应急使用，并可进一步分离压缩空气中的水分和油分，如图2-179所示。

（6）干燥器 它的功能是进一步吸收和排除压缩空气中的水分、油分，使之变为干燥空气，以供对气源品质要求较高的系统使用。图2-180为吸附式干燥器。

2.执行元件

执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能转换成机械能以实现往复、回转或摆动运动的一种能量转换装置。实现直线往复运动的气动执行元件称为气缸；实现回转运动或往复摆动的称为气动马达或摆动马达。

（1）气缸 气缸能够实现直线往复运动并做功，是气压传动系统中使用最广泛的一种气动执行元件。除几种特殊气缸外，普通气缸及结构形式与液压缸基本相同。

气缸按压缩空气对活塞作用力的方向可分为单作用式和双作用式；按气缸的结构特征可分为活塞式、薄膜式、柱塞式和无杆气缸；按气缸的功能可分为普通气缸（包括单作用和双作用气缸）、薄膜气缸、冲击气缸、气液阻尼缸、缓冲气缸和摆动气缸等。

1）普通气缸。图2-181所示为单杆双作用气缸的结构，它由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等零件组成。缸筒在前后缸盖之间固定连接，有活塞杆侧的缸盖为前缸盖，缸底侧则为后缸盖。一般在缸盖上开有进气排气通口，有的还设有气缓冲结构。前缸盖上设有密封圈、防尘圈，同时还设有导向套，以提高气缸的导向精度。活塞杆与活塞紧固连接，活塞上除有密封圈防止活塞左右两腔相互串气外，还有耐磨环以提高气缸的导向性。

2）气液阻尼缸。普通气缸工作时，由于气体的压缩性，当外部载荷变化较大时，会产生“爬行”或“自走”现象，使气缸的工作不稳定。为了使气缸运动平稳，普遍采用气液阻尼缸。其工作原理如图2-182所示。气液阻尼缸将气缸和液压缸串联成一个整体，两个活塞固定在一根活塞杆上。当气缸右端供气时，气缸克服外负载并带动液压缸同时向左运动，此时液压缸左腔排油，单向阀关闭，油液只能经节流阀缓慢流入液压缸右腔，对整个活塞的运动起到阻尼作用。调节节流阀的阀口大小就能达到调节活塞运动速度的目的。当压缩空气从气缸左腔进入时，油缸右腔排油，此时因单向阀开启，活塞能快速返回原来位置。

3）薄膜气缸。薄膜气缸是一种利用压缩空气通过膜片推动活塞杆作往复直线运动的气缸，由缸体、膜片、膜盘和活塞杆等主要零件组成，其功能类似于活塞式气缸，分为单作用式和双作用式两种，如图2-183所示。

（2）气动马达 气动马达分为摆动式和回转式两类，前者实现有限回转运动，后者实现连续回转运动。表2-15所示是各种气马达的特点及应用范围。

图2-184和图2-185分别是叶片式和活塞式气马达的工作原理。

3.控制元件

气压传动系统中的气动控制元件与液压控制元件类似，按照功能和用途可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。此外，还有通过改变气流方向和通断以实现各种逻辑功能的气动逻辑元件。

（1）压力控制阀 根据控制作用不同，压力控制阀可分为减压阀（见图2-186）、溢流阀（见图2-187）和顺序阀（见图2-188）。

（2）流量控制阀 流量控制阀是通过改变阀的流通面积来实现流量控制的元件。流量控制阀包括节流阀、单向节流阀和排气节流阀等。排气节流阀是节流阀装在排气口调节排入大气的流量，以改变气动执行元件的运动速度的气阀。排气节流阀常带有消声器以减小排气噪声，并能防止环境中的粉尘通过排气口污染元件。

（3）方向控制阀 按气流在阀内的作用方向，方向控制阀可分为单向型方向控制阀和换向型方向控制阀两类。只允许气流沿一个方向流动的方向控制阀称为单向型方向控制阀，如或门型梭阀（见图2-189）、与门型梭阀（见图2-191）、快速排气阀（见图4-193）等。可以改变气流流动方向的方向控制阀称为换向型方向控制阀，简称换向阀。

1）或门型梭阀。或门型梭阀常用于选择信号，如手动和自动控制并联的回路，如图2-190所示。电磁阀通电，梭阀阀芯推向一端，A口有输出，气控阀被切换，活塞杆伸出；电磁阀断电，则活塞杆收回。电磁阀断电后，按下手动阀按钮，梭阀阀芯推向一端，A口有输出，活塞杆伸出；放开按钮，则活塞杆收回。此回路手动或电控均能使活塞杆伸出。

2）与门型梭阀（双压阀）。与门型梭阀（双压阀）有两个输入口，一个输出口。当输入口P1、P2同时都有输入时，A口才会有输出，因此具有逻辑“与”的功能。图2-191所示为与门型梭阀。当P1输入时，A无输出；当P2输入时，A无输出；当P1和P2同时有输入时，A有输出。

与门型梭阀应用较广，如用于钻床控制回路中，如图2-192所示。只有工件定位信号压下行程阀1和工件夹紧信号压下行程阀2之后，与门型梭阀3才会有输出，使气控阀换向，钻孔缸进给。定位信号和夹紧信号仅有一个时，钻孔缸不会进给。

3）快速排气阀。快速排气阀是用于给气动元件或装置快速排气的阀，简称快排阀。通常气缸排气时，气体从气缸经过管路，由换向阀的排气口排出。如果气缸到换向阀的距离较长，而换向阀的排气口又较小时，排气时间就会较长，气缸运动速度较慢。若采用快速排气阀，则气缸内的气体就能直接由快排阀排出，从而加快气缸的运动速度。

图2-193所示为快速排气阀。当P腔进气时，膜片被压下封住排气孔O，气流经膜片四周小孔从A腔输出；当P腔排空时，A腔压力将膜片顶起，隔断P、A通路，A腔气体经排气孔O迅速排向大气。

（4）气动逻辑元件 气动逻辑元件是一种采用压缩空气为工作介质，通过元件内部可动部件（如膜片、阀芯）的动作，改变气体流动方向，从而实现了一定逻辑功能的气动控制元件。在结构原理上，气动逻辑元件基本上和方向控制阀相同，仅仅是体积和通径较小，一般用来实现信号的逻辑运算功能。

4.辅助元件

辅助元件是净化压缩空气、润滑、消声以及用于元件间连接等所需要的一些装置，如过滤器、油雾器、气源处理三联件、消声器及管件等。

（1）过滤器 过滤器用以除去压缩空气中的油污、水分和灰尘等杂质。过滤器分为一次过滤器、二次过滤器和高效过滤器3种。图2-194a是一次过滤器的结构，图2-194b是普通分水过滤器的结构。

（2）油雾器 在气动元件中，气缸、气马达或气阀等内部常有滑动部分，为使其动作灵活、经久耐用一般需要加入润滑油。油雾器是一种特殊的注油装置，其作用是使润滑油雾化后注入空气流中，随着空气流动进入需要润滑的部件，达到润滑的目的。图2-195是一次油雾器（也称为普通油雾器）的结构。

（3）气源处理三联件 在气动技术中，将空气过滤器、减压阀和油雾器统称为气动“三大件”，它们虽然都是独立的气源处理元件，可以单独使用，但在实际应用时却又常常组合在一起作为一个组件使用，即气源处理三联件，如图2-196所示。

2.2.3.2 常见气压系统

气压系统也是由一些回路所组成的。能够实现某种特定功能的气动元件的组合称为气动基本回路。按照作用不同，气动基本回路分为速度控制回路、压力控制回路、方向控制回路和其他基本回路等。

1.速度控制回路

速度控制回路有执行元件的调速、差动快速和速度换接等回路。

（1）调速回路 气动执行元件运动速度的调节和控制大多采用节流调速原理。调速回路有节流调速回路、慢进快退调速回路、快慢速进给回路及气液复合调速回路等。

1）节流调速回路。节流调速回路有进口节流、出口节流和双向节流调速等，而进口和出口节流调速回路的组成及工作原理与液压节流调速回路相同。

图2-197所示为单作用缸双向节流调速回路，两个单向节流阀1和2反向串接在单作用气缸4的进气路上，由二位三通电磁换向阀3控制气缸换向。图2-198所示为双作用缸双向节流调速回路，采用二位五通气控换向阀3对气缸换向，采用单向节流阀1，2进行双向调速。在换向阀3的排气口安装排气节流阀也可实现双向调速。

2）气液复合调速回路。为了改善气缸运动的平稳性，工程上有时采用气液复合调速回路。常见的回路有气液阻尼缸和气液转换器的两种调速回路。

图2-199所示为一种气液阻尼缸调速回路，其中气缸1为负载缸，液压缸2为阻尼缸。当二位五通气控换向阀3切换至左位时，气缸的左腔进气、右腔排气，活塞杆向右伸出口液压虹右腔容积减小，排出的液体经节流阀5返回容积增大的左腔。

图2-200所示为一种气液转换器调速回路，当二位五通气控换向阀1切换至左位时，气液缸单向阀4的左腔进气，右腔液体经单向节流阀3的节流阀排入气液转换器2的下腔。缸的活塞杆向右伸出，伸出速度由节流阀调节。

（2）差动快速回路（增速回路）与液压差动回路相同，气压差动回路也可在气缸结构尺寸和形式已定、不增大气源供气量的情况下实现气缸的快速运动。图2-201所示为二位三通手动换向阀的差动快进回路。图示为气缸有杆腔进气、无杆腔排气的退回状态。当压下二位三通手动换向阀1使其切换至右位时，气缸2的无杆腔进气推动活塞右行，有杆腔排出的气体经换向阀1的右位反馈进入气缸无杆腔。山于气缸无杆腔流量增大，故活塞右行进给速度加大。

（3）速度换接回路 速度换接回路的功用是使执行元件从一种速度转换为另一种速度。图2-202为用行程阀实现气缸空程快进、接近负载时转慢进的一种常用回路。

图2-203所示是常见的一种慢进转快退回路，当二位五通气控换向阀1切换至左位时，气源通过换向阀1、快速排气阀2进入气缸4无杆腔，有杆腔经单向节流阀3和换向阀1排气，此时，气缸活塞慢速进给（右行），进给速度由节流阀3调节。当换向阀1在图示右位时，压缩空气经换向阀1、节流阀3的单向阀进入气缸有杆腔，推动活塞退回。当气缸无杆腔气压增高并开启排气阀2时，无杆腔的气体通过排气阀2直接排向大气，活塞快速退回，实现了慢进快退的换接控制。

2.压力控制回路

压力控制回路的主要功用是调节与控制气动系统的供气压力以及过载保护。

（1）一次压力控制回路 用于控制气源的压力，使其不超过规定值，常采用的元件为外控式滥流阀，如图2-204所示。这种回路结构简单，但在溢流阀开启过程中无功能耗较大。

（2）二次压力控制回路 它的作用是输出被控元件所需的稳定压力气体。如图2-205所示，它是在一次压力控制回路的出口（气罐右侧排气口）上串接带压力表4的气动三联件（分水过滤器2,减压阀3、油雾器5）而成的。

（3）过载保护回路 用于防止系统过载而损坏元件。如图2-206所示，当二位三通手动换向阀1切换至左位时，压缩气体使二位三通气控换向阀4和5切换至左位，气缸6进给（活塞杆伸出）。若活塞杆遇到较大负载或行程到右端点时，气缸无杆腔压力急速上升。当气压升高至顺序阀3的设定值时顺序阀开启，高压气体推动二位二通气控换向阀2切换至上位，使阀4和阀5控制腔的气体经阀2排空，阀4和阀5复位，活塞退回，从而实现了系统保护。

（4）方向控制回路（换向回路）它的功用是通过各种通用气动换向阀改变压缩气体的流动方向，从而改变气动执行元件的运动方向。

1）单作用气缸换向回路：单作用气缸可直接采用二位三通电磁阀控制换向，但二位三通阀控制气缸只能换向而不能在任意位置停留。如需在任意位置停留，则必须使用三位四通阀或三位五通阀控制。

2）双作用气缸换向回路：

①用电磁阀的双作用缸往复换向回路。双作用气缸可以采用一个四通电磁换向阀实现换向，也可以采用两个二位三通电磁阀组合控制其往复换向，如图2-207所示，在图示位置，压力气体经电磁换向阀2的右位进入气缸3的有杆腔，并推动活塞退回，无杆腔经电磁换向阀1的右位排气。当阀1和阀2的电磁铁都通电时，气缸的无杆腔进气，有杆腔排气，活塞杆伸出。当电磁铁都断电时，活塞杆退回。电磁铁的通断电可采用行程开关触发。

②气缸一次往复换向回路。如图2-208所示，利用手动换向阀1、气控换向阀2和行程阀3控制气缸实现一次往复换向。阀2具有双稳态功能。当按下阀1时，阀2切换至左位，气缸活塞进给（右行）。当活动挡块5压下阀3时，阀2右位工作。气缸有杆腔进气、无杆腔排气，推动活塞退回，从而手动阀发出一次控制信号，气缸往复动作一次。

③气缸连续往复换向回路。图2-209所示为气缸连续往复换向回路，图示状态，气缸5的活塞退回（左行），当行程阀3被活塞杆上的活动挡块6压下时，气路处于排气状态。当按下具有定位机构的手动换向阀1时，控制气体经阀1的右位、阀3的上位作用在气控换向阀2的右控制腔，阀2切换至右位，气缸的无杆腔进气、有杆腔排气，实现右行进给。当挡块6压下行程阀4时。气路经阀4上位排气，阀2在弹簧力作用下回到图示左位。此时，气缸有杆腔进气，无杆腔排气，作退回运动。当挡块压下阀3时，控制气体又作用在阀2的右控制腔，使气缸换向进给。周而复始，气缸自动往复运动。当拉动阀1至左位时，气缸停止运动。