Giáo trình Điều khiển khí nén và thủy lực - Chương 4: Các phần tử chấp hành

ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
CHƯƠNG 4 
CÁC PHA ÁP HÀNH 
 ¾ 
¾ 
¾ 
 ÀN TỬ CHAĐộng cơ
ƒ Động cơ bánh răng 
ƒ Động cơ cánh gạt 
ƒ Động cơ pít tông 
Xy lanh 
ƒ Xy lanh lực 
ƒ Xy lanh quay 
ƒ Một số xy lanh đặc biệt 
Bài tập 
 45 
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
4.1. ĐỘNG CƠ 
Động cơ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất 
thành năng lượng cơ học – chuyển động quay. 
Đại lượng đặc trưng của động cơ là độ lớn của mô men xoắn đối với hiệu áp suất ở 
đường vào và đường ra xác định với lượng lưu chất cần tiêu thụ trong một vòng quay q, 
l/ph. 
Nếu động cơ được cấp một lưu lượng Q, l/ph thì vận tốc quay của nó được tính theo 
công thức: 
phvg
q
Qn v /,η= (4.1) 
 Công suất mà áp suất lưu chất cung cấp cho động cơ được tính theo công thức: 
 ( )pp 21 − kWQN ,
6120
= (4.2) 
Công suất trên trục động cơ: 
 ( )ppQ 21 − kWNN ,
612
.0 ηη == (4.3) 
Mômen xoắn trên trục quay: 
 ( ) kGmppqqppQN ,)(59,1975 21 ηηη −=−=
Qn
M tlcc
v612
975 21η=
 (4.4) 
Hệ số có ích của bơm: 
η = ηvηtl η (4.5) 
η,ηv, ηtl, ηc - hệ số có ích của bơm, hệ số có ích thể tích, hệ số có ích thủy lực, hệ số 
có ích cơ khí. 
p1, p2 – áp suất ở đường vào và đường ra ống. 
Q
QT
v =η (4.6) 
QT - lưu lượng thực tế; 
Q – lưu lượng lý thuyết. 
4.1.1. Động cơ bánh răng (gear motor) 
 Động cơ bánh răng được phân thành 3 loại: động cơ bánh răng thẳng, động cơ bánh 
răng nghiên, động cơ bánh răng chữ V (hình 4.1). 
 46 
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
4.1.2. Động cơ cánh gạt (rotate motor) 
Nguyên lý hoạt động của động cơ cánh gạt (hình 4.2): lưu chất được dẫn vào cửa 1, 
qua rãnh vòng 2 vào lỗ dẫn lưu chất 3. Dưới tác dụng áp suất lên cánh gạt, rôto quay. Lưu 
chất được thải ra ngoài bằng lỗ 8 (nếu là dầu thì lỗ 8 được nối về bể dầu, còn khí nén thì 
thải ra môi trường không khí). 
4.1.3. Động cơ pít tông ( Piston motor) 
Động cơ pít tông có khả năng làm kín tốt hơn so với bơm cánh gạt và bánh răng, bởi 
vậy động cơ pít tông được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thủy – khí làm việc ở áp 
suất cao. 
Phụ thuộc vào vị trí của pít tông đối với rôto, có thể phân biệt động cơ hướng kính và 
hướng trục. 
1
Hình 4.2 Động cơ cánh gạt
8. Lỗ dẫn lưu chất thoát ra
7. Lỗ dẫn lưu chất
6. Stato 
5. Rôto 
4. Cánh gạt 
3. Lỗ dẫn lưu chất vào
87
6
5
4
3
2
1. Cửu nối lưu chất vào
2. Rãnh vòng 
Cửa ra
Cửa vào
Hình 4.1 Động cơ bánh răng 
Kí hiệu
a. b.
a. Động cơ quay 1 chiều
b. Động cơ quay 2 chiều.
 47 
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
4.1.3.1. Động cơ pít tông hướng kính 
 Nguyên lý làm việc của động cơ pít tông hướng kính được mô tả hình 4.3: lưu chất 
vào khoang 4 tác động áp suất lên pít tông 3. Do rôto 5 lệch tâm với stato 2, nên làm cho 
rôto 5 quay tròn và lưu chất được thải ra qua khoang 1. 
4.1.3.2. Động cơ pít tông hướng trục 
 Nguyên lý làm việc của động cơ pít tông hướng trục được mô tả hình 4.4: Các pít 
tông (1) dịch chuyển song song với trục của rôto và được dịch chuyển dưới áp suất của lưu 
chất ở cửa vào tác động lên đáy pít tông. Khi pít tông dịch chuyển tạo cho rôto (2) quay 
xung quanh stato (5) và do rôto được nối đĩa trục quay (4) tạo ra chuyển động quay ở trục 
(3). 
Ví dụ: 
Một động cơ dầu có thể tích trong một vòng quay là 300cm3 và tốc độ quay 200 
rev/min với tổn thất áp suất là 200 bar. Hiệu suất thể tích là 90% và hiệu suất cơ khí là 
95%. Tính công suất của động cơ. 
 48 
Hình 4.4 Động cơ pít tông hướng trục
Hình 4.5 Hình dáng 
Động cơ cánh gạt 
Hình 4.6 Động cơ pít tông hướng kính
Hình 4.3 Động cơ pít tông hướng kính 
5
2
3
4
4 
α
3 
1 
2
5
1
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
- Hiệu suất chung của động cơ : 
η0 = 0.9*0.95 = 0.855 
- Lưu lượng lý thuyết cung cấp cho động cơ là: 
min/60200*
1000
300 lQt == 
- Lưu lượng thật của lưu chất vào động cơ: 
Qm = 60/ηv = 60/0.9 = 66.7 l/min 
- Mômen lý thuyết là: Tt = DmPm/2π 
NmPDT mmt 9552
10*200*10*300
2
56
===
−
ππ 
- Mô men thực tế: 
Tm = Tt * ηt = 955*0.95 = 907 Nm 
- Công suất thực tế đầu ra: 
Hm = 2π* nm * T 
kWsNm 19/18996907*)
60
200(2 === π 
Ta có thể tính toán bằng cách khác: 
- Công suất đầu ra lý thuyết của động cơ: 
 kW
PQHt 23.22600
200*7.66
600
* ===
- Công suất đầu ra thực của động cơ: 
 Hm = Ht*η0 = 22.23*0.855 = 19 kW 
4.2. XY LANH 
Xy lanh có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất thành 
năng lượng cơ học – chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay( góc quay <360o). 
Thông thường xy lanh được lắp cố định, pít tông chuyển động. Một số trường hợp có 
thể pít tông cố định, xy lanh chuyển động. 
Pít tông bắt đầu chuyển động khi lực tác động một trong hai phía của nó( lực áp suất, 
lò xo hoặc cơ khí) lớn hơn tổng các lực cản có hướng ngược lại chiều chuyển động ( lực ma 
sát, phụ tải, lò xo, thủy động, lực ì). 
Xy lanh lực được chia làm hai loại: xy lanh lực và xy lanh quay. Trong xy lanh lực, 
chuyển động tương đối giữa pít tông với xy lanh là chuyển động tịnh tiến. Trong xy lanh 
quay chuyển động giữa pít tông với xy lanh là chuyển động quay. Góc quay thường nhỏ 
hơn 3600. 
 49 
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
4.2.1. Xy lanh lực 
4.2.1.1. Xy lanh tác dụng đơn 
Áp lực tác động vào xy lanh đơn chỉ ở một phía, phía ngược lại là do lò xo tác động 
hoặc là ngoại lực tác động (hình 4.7). 
4.2.1.2. Xy lanh màng 
Xy lanh màng hoạt động như xy lanh tác dụng đơn (hình 4.8). 
Xy lanh màng có hành trình dịch chuyển lớn nhất (hmax = 80) nên được dùng trong 
điều khiển, ví dụ trong công nghiệp ô tô (điều khiển thắng, li hợp), trong công nghiệp 
hóa chất (đóng mở van). 
Chú ý: xy lanh màng chỉ được sử dụng trong điều khiển khí nén. 
Tính toán lực đẩy của pít tông: 
F = (4.7) 
H Xy lanh màng
màng p
pít tông
áp suất
3
D d
1 2 54 6
1: cửa vào lưu chất
3: Vòng chắn dầu
2: Thân xy lanh
5: Lò xo
4: Pít tông
Hình 4.7 Xy lanh tác động đơn 
Kí hiệu 
Trong đó: 
F [N} 
 A
D [cm} 
π 2][cm
4
.D2=
Pg [bar] 
Ff [N] 
 A.pg – Ff - Fs ình 4.8lực tác dụng lên pít tông 
Đường kính pít tông 
Diện tích pít tông
Áp suất khí nén trong xy lanh 
Lực ma sát, phụ thuộc vào chất lượng bề mặt giữa 
pít tông và xy lanh, vận tốc chuyển động pít tông, 
 50 
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
loại vòng đệm. 
Fs [N] Lực căn lò xo. 
4.2.1.3. Xy lanh tác dụng kép 
Áp lực tác động vào xy lanh kép theo hai phía (hình 4.9). 
 1. Piston 7. Nắp xy lanh
 8, 13. Cửa lưu chất2. Đệm kín piston 
9. Thân xy lanh3. Trục piston 
10. Buồng trục4. Dẫn hướng trục 
11. Buồng piston 5.Đệm kín trục 
 12. Đế xy lanh 6. vòng chắn bụi
Hình 4.9 Xy lanh tác động kép
Hình 4.11 Xy lanh khí nén
Có trục dẫn hướng Hình 4.10 Hình cắt không 
gian của xy lanh khí nén 
Nếu không tính đến lực ma sát, lực chuyển động trên cần pít tông được tính theo 
công thức: 
F = p.A (4.8) 
P – áp suất chất lỏng; 
A – diện tích làm việc của pít tông. 
 Diện tích làm việc của pít tông phía khoang pít tông được tính theo: 
4
πDA
2
= (4.9) 
D – đường kính của pít tông đồng thời cũng là đường kính trong của xy lanh. 
 Đối với khoang cần, diện tích làm việc của pít tông được tính theo công thức: 
 4
)dDπ(A
22 −= (4.10)
 51 
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
d – đường kính cần pít tông. 
Thể tích làm việc của xy lanh được tính theo công thức: 
H
p
A.HV == F (4.11)
H – là khoảng chạy của pít tông. 
 Vận tốc chuyển động của pít tông phụ thuộc vào lưu lượng Q và diện tích làm việc F 
của pít tông. Nếu không kể đến rò rỉ: 
A
Qv = (4.12) 
Ví dụ: 
Cho cơ cấu ép thủy lực như hình 4.12. Hãy tính Lực tác dụng (F) và thời gian (t) của hành 
trình ép. 
Hình 4.12 – Cơ cấu ép 
d = 25 mm 
H = 250 mm 
D = 50 mm q = 8 l/ph 
p1 = 15 bar
p2 = 10 bar
Giải: 
1. Gọi F là lực tác dụng lên piston. 
Phương trình cân bằng lực: 
 021 =++ FFF 
Suy ra: F = F1 – F2 
 2
22
1
2
444
pdDpD 


 −−= πππ 
 )(1470
4
)025.0(10
4
)05.0(5
4
10
4
5 2222 NdD =+=+= ππππ 
2. Thời gian t của hành trình ép. 
Gọi v là vận tốc của piston ép 
Ta có: 11. At
LAvQ == 
Suy ra: )(68.3
4*8
60*)5.0(**5.2* 21 s
Q
AL === πt 
 52 
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
4.2.1.4. Xy lanh quay 
 Xy lanh quay có khả năng tạo mômen quay rất lớn. Góc quay phụ thuộc vào số cánh 
gạt của trục. Đối với xy lanh có một cánh gạt, góc quay có thể đạt 270 – 2800 (hình 4.12). 
d D
Hình 4.13 Xy lanh quay khí 
Khí vào 
Khí vào 
Hình 4.12 xy lanh quay thủy 
Hình 4.14 Kết cấu xy lanh quay khí nén 
Giá trị lý thuyết mômen quay M và vận tốc góc trên trục xy lanh có thể tính theo 
công thức: 
 ( ) ( )22 dD.∆p.bdD.bdD∆p −=+−
842
∆p.F.RP.RM ===
( )22 dDb 8Qω −=
 (4.13)
(4.14) 
Trong đó: 
 P – lực áp suất tác động lên cánh gạt; 
 R – khoảng cách từ trọng tâm diện tích làm việc của cánh gạt đến tâm quay; 
 ∆p – chênh lệch áp suất giữa hai phía cánh gạt; 
 53 
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
 F – diện tích làm việc của cánh gạt; 
 D – đường kính trong của xy lanh; 
d – đường kính của trục lắp cánh gạt; 
b – chiều rộng cánh gạt ( theo chiều dài xy lanh). 
 Nếu sử dụng nhiều cánh gạt thì mô men quay sẽ tăng với số lần bằng số cánh gạt, 
nhưng góc quay sẽ giảm với số lần như thế. 
( )22 dDZ.b 8Qω −=( )22 dD.8p.bZ.M −∆=
Z – số cánh gạt. 
Ví dụ: 
Một tay máy một khâu dùng để gắp sản phẩm có khối lượng m = 100 kG từ một băng 
tải này sang một băng tải khác với 
góc quay là 1800. Chiều dài của cánh 
tay L = 750mm, trọng lượng của 
cánh tay mr = 25kG. Cho biết sử 
dụng xy lanh quay thủy lực với các 
thông số:D = 100mm; d = 35mm; b = 
80mm. Độ chênh áp suất dầu giữa 
các cánh gạt là bao nhiêu? 
m Thân tay máy (khâu) 
Khớp xoay tay máy nối với trục động cơ 
Giải: 
- Trọng lượng của khối lượng m: 
Pm = mg = 100 * 9.81 = 981 N 
- Trọng lượng của thân tay máy : 
Pt = mtg = 25* 9.81 = 245.25 N 
- Mômen trục quay 
M = L*m + mt*L/2 
 = 0.75*981 + 0.375*245.25 
 = 827.72 Nm 
- Độ chênh áp được xác định: 
 bar
dDbZ
Mp 2.47
])035.0()1.0[(*08.0*2
72.827*8
)(**
8
2222 =−=−=∆ 
4.3. MỘT SỐ XY LANH ĐẶC BIỆT. 
4.3.1. Xy lanh lồng 
Xy lanh lồng là một loại xy lanh lực gồm nhiều xy lanh và pít tông lồng đồng tâm với 
nhau. Khoảng chạy của xy lanh lồng là bằng tổng khoảng chạy của các pít tông. 
Xy lanh được sử dụng trong các trường hợp cần khoảng chạy lớn nhưng không gian 
không cho phép lắp đặt một xy lanh dài. 
 54 
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
 Hình 4.15 sơ đồ kết cấu xy lanh 
lồng hai xy lanh. Khoang trong của cần 
2 pít tông lớn 5 là xy lanh của pít tông 4. 
Cần 1 của pít tông 4 nối với phụ tải. Khi 
cấp chất lỏng có áp suất vào khoang 
phải e xy lanh 3, chất lỏng sẽ đồng thời 
đi qua lỗ 6 vào khoang c của xy lanh bé 
2. Do tác động của chất lỏng có áp suất, 
cả hai pí tông 4 và 5 sẽ chuyển động 
sang trái. 
4.3.2 Xy lanh có hãm cuối khoảng 
chạy 
Ở giai đoạn cuối khoảng chạy, khi 
pít tông chạm lên bề mặt đầu của xy 
lanh có thể gây ra va đập nếu vận tốc dịch chuyển của pít tông lớn, đặc biệt đối với những 
pít tông xy lanh có khối lượng lớn. Để tránh hiện tượng này, ở cuối hành trình pít tông một 
số xy lanh được lắp đặt thêm phần tử giảm chấn ở cuối hành trình (hình 4.16). 
4.3.3. Xy lanh có vị trí pít tông trung gian. 
Hình 4.17 sơ đồ kết cấu xy lanh có vị trí 
trung gian của pít tông. Xy lanh có hai pí tông, pít 
tông thứ nhất có đường kính D1, nối với cần 4, 
còn pít tông thứ hai có đường kính D2 trượt tự do 
trong xy lanh 1 và trên cần 5. Khi cấp chất lỏng 
vào khoang a; ở giai đoạn đầu của chuyển động, 
diện tích làm việc của pít tông là F2 ; sau 
khi pít tông 2 dịch chuyển đến cữ của xy 
lanh, diện tích làm việc sẽ còn là f2. Khi 
cấp chất lỏng vào khoang b, diện tích làm 
việc là F1. 
 55 
Hình 4.15 Xy lanh lồng 
c eba
D
1D
2
D
4
1 2 3 4 5 
D d
Giảm chấn
Hình 4.16 Xy lanh có giảm chấn ( )
;
4
;
4
;
4
2
1
2
1
1
2
2
2
2
2
2
dDFdfDF −=== πππ
a b
d1D
2
1 2 3 4
d2 D
1
Hình 4.18 Hình dáng xy lanh 
thủy lực 
Hình 4.17 Xy lanh có vị trí 
 trung gian của pít tông.
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương 4 – Các phần tử chấp hành 
BÀI TẬP CHƯƠNG 4 
Bài 1: 
Cho cơ cấu xy lanh truyền lực như hình BT4.1 
F
Với: Q = 16l/min 
D = 120mm 
d = 40mm 
p = 25 bar 
1. Xác định lực tác dụng lên piston. 
2. Xác định vận tốc của cần piston. Hình BT4.1
Bài 2: 
Cho xy lanh truyền lực có piston bậc như hình BT4.2 
Với: Q = 25l/min 
32
D D1d 
D = 160mm 
d = 80mm 
D1 = 100mm 1
p = 35 bar 
1. Xác định vận tốc và lực đẩy của piston trong các 
trường hợp sau: 
Hình BT4.2 - Khi cấp chất lỏng vào cửa số 1 
- Khi cấp chất lỏng vào cửa số 2 
- Khi cấp chất lỏng vào cửa số 1 và 2 
- Khi cấp chất lỏng vào cửa số 3 
2. Đưa ra nhận xét. 
D 
Ô tô 
Bài 3: 
Người ta dùng một xy lanh thủy lực để nâng một chiếc ô tô (hình 
BT4.3) có trọng lượng 1000 kG lên khỏi mặt đất để bảo dưỡng với vận 
tốc nâng là 800mm/min. Cho đường kính của piston D = 0.25m. Xác 
định áp suất và lưu lượng của dầu tác dụng. 
Bài 4: Hình BT4.3 
Một xy lanh thủy lực có đường kính xy lanh 200mm và đường kính 
piston 140mm. Vận tốc piston duỗi ra là 5m/min, tính: 
1. Giá trị lưu lượng cung cấp (QE) 
2. Giá trị lưu lượng của buồng xả khi duỗi (qE) 
3. Vận tốc giật lùi của piston với lưu lượng QE 
4. Giá trị lưu lượng buồng xả giật lùi (QR) 
 56