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液压与气压传动执行元件有各种缸和马达，它们都是将液体或气体的压力能转换成机械能并将其输出的装置。缸主要是输出直线运动和力，但有的是输出往复摆动运动和扭矩，马达则是输出连续旋转运动和扭矩。
用液体作为工作介质的缸和马达称为液压缸和液压马达。液体的工作压力高，因此液压缸和液压马达常用于需要获得大的输出力和扭矩的场合。气缸和气压马达用压缩空气作为工作介质，其工作压力小，所以输出力和扭矩较小，但压缩空气不污染环境，并且气压元件反应迅速，动作快，因此在自动化生产中，尤其是在电子工业和食品工业中应用十分广泛。
由于结构强度，材质要求和密封条件的不同，液压缸和液压马达与气缸和气动马达不能互换使用。
4 . 1 缸的分类和特点
缸的结构简单，工作可靠，与杠杆、连杆、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配合使用还能实现多种机械运动或与其它传动形式组合满足各种要求，因此在液压与气压传动系统中得到了广泛的应用。缸有多种形式，按照其结构特点的不同它可分为活塞式、柱塞式和摆动式三大类；按照作用方式它又可分为单作用和双作用两种。单作用缸只能使活塞（或柱塞）作单方向运动，即液体或气体只是通向缸的一腔，而反方向运动则必须依靠外力（如弹簧力或自重等）来实现；双作用缸在两个方向上的运动都由液体或气体的推动来实现。
4 . 1 . 1活塞缸
活塞缸是液压和气压传动中最常用的执行元件。活塞式缸可分为双杆和单杆两种结构形式。其固定方式有缸筒固定和活塞杆固定两种。
1 ．双杆活塞缸
图4 . 1 所示为双杆活塞缸的工作原理图。在活塞的两侧都有杆伸出，当两活塞杆直径相同、液体或气体的压力和流量不变时，活塞（或缸体）在两个方向上的运动速度二和推力F 都相等，即：
这种缸常用于要求往返运动速度相同的场合，如外圆磨床工作台往复运动液压缸等。图 4 . l a 所示为缸体固定结构，缸的左腔进液体或气体，推动活塞向右移动，右腔的液体或气体排出；反之，活塞反向移动。其运动范围约等于活塞有效行程的三倍，一般用于中小型设备。图 4 . l b 所示为活塞杆固定结构，缸的左腔进液体或气体，推动缸体向左移动，右腔的液体或气体排出；反之，缸体反向移动。其运动范围约等于缸体有效行程的两倍，因此常用于大中型设备中。
2 ．单杆活塞缸图
4 . 2 所示为双作用单杆活塞缸。其一端伸出活塞杆，两腔有效面积不相等，当向缸两腔分别供液体或气体，且压力和流量都不变时，活塞在两个方向上的运动速度和推力都不相等。如图 4 , 2a ，在无杆腔输人液体或气体时，活塞的运动速度。，和推力 F 。分别为：
这种缸常用于要求往返运动速度相同的场合，如外圆瞎床工作台住复运动液压缸等．
图4。1a听下为缸体固定结构，缸的左腔证液体或气体．推动活塞向右移动．右腔的胪体或气体排出；反之，活塞反向移动-其运动范围约等于活塞有效行程的三倍．一般用于中小型设备。图4。1b所示为活塞杆固定结构．缸的左腔进液体或气体，推动缸体向左移动，右腔的液体或气体排出；反之．缸体反向移动，其运动范围约等于缸体有效行程的两倍，因此常用于大中型设备中。
2.单杆活塞缸
因4 2所示为双作用单杆活塞缸：其一端伸出活塞杆,两腔有效面积不相等，当向缸两腔分别供液体或气体,且压力和流量都不仅时,活塞在两个方向上的运动速度和推力都不相等：如图4．2a，在无秆控输入液体或气体时，活塞的运动速度v1和推力F1分别为：
 
如图4.2b，在有仟腔输入液体或气体时，活塞运动速度v2和推力F2分别为：
 
比较上述各式，由于A1>A2,所以v1<v2,F1>F2.。
由式（4.3）和（4.5）的缸往复运动时的速度比为：
上式表明，当活塞杆直径愈小时，速度比愈接近1，在两个方向上缸的运动速度差值就愈小.
当单扦活塞缸两腔同时通入相同压力的液体或气体时．如图4。3所示，由于无杆腔受力面积大于有杆腔受力面积，使得活塞向右的用力大于向左的作用力，因此活塞杆作伸出运动，并将有杆腔的液体或气体挤出，流进无杆腔．加快了活塞杆的伸出速度，缸的这种连接方式称为差动连接。
当差动连接时，有杆腔排出流量在考虑／缸的容积效毕L后，活塞什的伸出述度 进入无杆腔，则有：
 （4.8）
欲使差动连接缸的往复运动速度相等．即 ，则由式(4 .5)和(4.8)得 。
差动连接在忽略两腔连通问路压力损产的情况下 1．井考虑到机械效率 时，活塞的推力F3为：
由式（4.8）和（4.9）可知，差动连没时实际的有效作用面积是活塞杆的横截面积．与非差动连接无杆畦进液体或气体工况相比．在液体或气体压力和流量不变的条件下，活塞杆伸出速度较大而椎力较小；在实际应用中．液压与气压传动系统常通过控制阀来改变单扦活塞缸的回路连接，使它有不同的工作方式，从而获得快进(差动连接)一工进(无杆腔进液体或气体)一快退（有杆腔进液体或气体）的工作据环．差动连接是在不增加泵流量的条件下．实双快速运动的有效办法，它的应用常见于组合机床和各类专机中。
单杠活窜缸往复运动范围是有效行程的两倍，结构紧凑．应用广泛；
3．活塞缸的安装形式和选用
活塞缸的安装形式见图4. 4.其中，图4.4a为耳座式．工作时耳座要承受力矩，缸的输出力越大．耳座难受的力矩也越大．图4.4L为前法兰式．其安装螺钉承受较大的拉力(无杆腔液体或气体对活塞的作用力).还有后法兰式(图中未给出)．其安装螺钉承受的拉力较小(仅为有杆腔液体或气体对活塞环形面积的作用力)。图4 .4c为尾合耳环式，缸可绕耳环摆动．活塞杆的挠曲大．到4.4d为头部轴销式，缸可绕轴销摆动，活塞杆的挠曲小.
4.1.2 柱塞缸
活塞缸的内腔因有活塞&密封件频繁往复运动，要求其内孔形状和尺寸精度很高，并且要求表面光滑、这种要求对于大型的或超氏行程的液压缸有时不易实现，在这种情况下可以采用柱缸，如图4．5a所示．柱塞缸由缸简．柱塞，导套．密封圈和压盖等零件组成．住塞和缸简内壁下接触，因此缸筒内孔不需精加工．工艺性好．成本低.
柱塞缸只能制成单作用缸。在大行程设备中，为了得到双向运动，柱塞缸常如图4。5b所示成对使用。柱塞端面是受压面，其面积大小决定了柱塞缸的输出速度和推力。为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，一般柱塞较粗，重量较大，水平安装时易产生单边磨损，故柱塞缸适宜用于垂直安装使用。水平安装使用时为减轻重量，有时制成空心柱塞。为防止柱塞自重下垂．通常要设置柱塞支承套和托架。
柱塞油缸的结构之一见图4 6。柱塞2只与导向套3配合．故缸筒内壁只需粗加工，甚至在缸筒采用无缝钢管坷可不加工．所以结构简单，制造容易．成本低廉，常用于长行捏机床．如龙门刨床．导轨磨床，大型拉床等。水压机的缸筒以及液压电梯的长油缸常采用这种结构。
 柱塞缸的输出力F和运动速度v的计算公式如下：
式中：D——柱塞的直径；
p——液体的工作压力；
q——柱塞缸的输入流量.
柱塞缸的回程，可以是用缸径较小的柱塞缸使主缸回程，或是垂直安放靠柱塞等活动部分的自重回程；
4.1.3摆动缸
摆动缸输出转矩并实观往复摆动运动，它有单叶片和双叶片两种型式．其结构形式如图4. 7所示；图4.7a为单叶片式摆动缸，它由定子块I．缸体2．摆动轴3．叶片4．左右支承盘和左右盖板等主要零件组成，定子块固定在缸体上，叶片和摆动轴连接在一起。其工作原理为：当工作介质从A口进入缸内，叶片破推动井带动轴作逆时针方向回转，叶片另一侧的工作介质从B口排出；反之，工作介质从B口进入，叶片及轴作顺时针方向回转认口排出工作介质。-
当考虑到容积效率 和机械效率 时，叶片式摆动缸的摆动轴输出转矩T和角速 分别为：
式中：Z—-叶片数；
b—-叶片宽度；
D——缸体网孔直径
d——叶片轴直径：
p1——缸的进口压力
p2——缸的背压力；
q——缸的输人流量.
 从图4．7中可看出．单叶片式摆动缸的最大回转角小于360度，一般不超过280度；双叶片式摆动缸则小于180度，一般不超过150度。当输入工作介质的工作压力和流量不变时，双叶片摆动缸摆动轴输出转矩是单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度则是单叶片摆动缸的—半。
摆动缸结构紧凑，输出转矩大．但密封困难，一般只用在低中压系统中作住复摆动．转位或间歇运动的地方。
例4．1? 如图4．8所示单叶片摆动曲缸，供油压力p1=10MPa，流量q=25L／min，回油压力p2=0。5 MP，R=100mm．r=40mm，若输出轴的角速度 0.7 rad/s，在不考虑摆动缸的容积效率和机械效率时．求摆动油缸的叶片宽度和输出转矩。
解? （1）摆动油缸叶片宽匿b根据单叶片摆动缸角速度公式（4.13）经变化后可得：
 （2）摆动油缸输出转矩根据公式（4．12)可得．
4．2? 其它型式的常用缸
为了满足特定的需要，可由上述缸的三种基本形式和机械传动机构或其它传动形式组合特种缸来满足各种要求，下面分别介绍。
1 ．增压缸
增压缸又称增压器。它能将输人的低压转变为高压供液压或气压传动系统中的高压支路使用。它有两个直径分别为D1 ，和D2 的压力缸筒和固定在同一根活塞杆上的两个活塞或直径不等的两个相连柱塞等构成，其工作原理如图4 . 9 所示。设缸的人口压力为p1 ，出口压力为p2 , 若不计摩擦力，根据力平衡关系可有如下等式：
整理得：
 式中：k ― 增压比，
由式（4 . 14 ）可知，当 时， . 即增压至原来的4 倍。
增压缸常用以获得高压或超高压，以代替昂贵的高压或超高压泵。推动增压缸大活塞的工作介质通常是用压力较低的液压油、液压液或压缩空气等。图4 . 10 所示是一种增压缸的结构图。
2 ．多级缸
多级缸又称伸缩套筒式缸，它由两级或多级活塞缸套装而成，其特点是活塞杆的伸出行程长度比缸体的长度大，占用空间较小，结构紧凑。图4.11 所示为一种多级液压缸的结构简图。前
一级缸的活塞是后一级缸的缸套，活塞伸出的顺序是从大到小，相应的推力也是从大到小，而伸出的速度则是由慢变快。空载缩回的顺序一般是从小活塞到大活塞。多级缸的级数可大于两级，它适用于工程机械和其它行走机械，常用于起重机伸缩臂液压缸，翻斗汽车、拖拉机翻斗挂车和清洁车自卸系统举升液压缸，液压电梯以及其它装置。
3 ．齿条活塞缸
齿条活塞缸是活塞缸与齿轮齿条机构联合组成的能量转换和输出装置，齿条活塞缸由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构组成。它将活塞的往复直线运动经齿轮齿条机构转换为齿轮轴的往复回转运动，它多用于自动线、组合机床等转位或分度机构中。
图4 . 12 所示是一个齿条活塞液压缸，气压传动的齿条活塞缸其结构与其相似。
齿条活塞缸工作时，齿轮轴输出的扭矩T 和回转角速度。按下列公式计算：
 
式中：p ― 缸的工作压力；
D ― 缸的直径；
Df ― 齿轮的分度圆直径；
q ― 缸的输人流量。
4 ．气-液阻尼缸
气体具有可压缩性，气缸会因此在外载荷发生变化时导致运动产生”爬行”或“自走”现象。在要求气缸运动速度平稳的场合，宜使用气一液阻尼缸。
气一液阻尼缸是由气缸和液压缸组合而成，动力源为压缩空气，其中的液压缸是利用液体压缩性小的特点，通过适当的调节和控制得到整个缸的运动速度，从而达到调速和稳速的目的。
图4 , 13 为气一液阻尼缸的工作原理图。它将液压缸和气缸串联成一个整体，两个活塞固定在一根活塞杆上。当气缸5 右端供气时，活塞克服外载荷并带动液压缸6 的活塞同时向左运动。此时液压缸左腔排液，单向阀2 和3 关闭，液体只能经节流阀4 缓缓流人液压缸的右腔，对活塞的运动起到阻尼的作用。调节节流阀的开口面积，就能调节活塞的运动速度。当压缩空气从气缸的左腔进入时，液压缸的右腔排液，此时因单向阀3 开启，活塞能够快速回程。
这种气一液阻尼缸的结构，一般是将双活塞杆缸作为液压缸，这样可使液压缸左右两腔的进排液量相等，此时油杯内的液体只用于补充因液压缸泄漏而减少的液量，其容积便可选小。
5 ．气压油缸
气压油缸是一种使气压直接转换成液压的装置。它利用气压控制达到液压传动的目的。其工作原理如图4 , 14 所示。压缩空气进人气压油缸2 后，直接作用在油的液面上，使缸内油液具有和压缩空气相同的压力，并通过管道将油液输送到工作油缸3 去推动活塞。因为油的压缩性极小，所以可以使工作油缸获得平稳的运动速度，还可通过节流阀进行调速，当差压控制换向阀1 切换气路后，工作油缸的活塞因自重而下降，油液经单向阀流回气压油缸，空气经换向阀排至大气。
由此可以看出，气压油缸传动装置无需使用油泵和驱动电机，便可获得结构简单，价格低廉的速度平稳和可调的液压传动。但由于液压缸工作油液的压力等于压缩空气的压力．压力较低，故这种装置只适于传递功率较小的场合。
6 ．多速缸
多速缸又称复合缸，它是以较大活塞缸的活塞杆作为较小活塞缸的缸体，再配以小活塞或柱塞组成，如图 4 ．巧所示。
在图 4 . 15 中，两个活塞在缸中的有效作用面积分别为 A1、A2 和A3。且 A1>A2>A3。控制 X 、Y 和 Z 三个液体进、出口的进、排液组合，可使大活塞获得 6 种运动速度和输出力，如表 4 . 1 所示。其中， p 为液体的工作压力， q 为流量。液压缸的内腔由于活塞向下运动产生真空，充液
阀被吸开，液体从充液油箱经充液阀吸入腔内。多速缸结构紧凑、体积小，但缸的制造技术要求高、难度大。常用于液压机、注塑饥、机械手和某些数控机床的主轴等。
7．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，它可应用在汽车刹车裴置、调节阀和夹具等上.薄膜气缸由缸体、膜片、膜盘和活塞杆等主要零件组成，如图4．16所示.其中，图4．16a是单作用式，需借助弹簧力回程；固4 16b是双作用式,靠气压回程。
膜片的形状有盘形和平形两种,材料可以是夹物橡胶\钢片或磷青铜片，第一种材料较常用,厚度通常为5—6mm,有时也有用1—3 mm。金属膜片只用于行程较小的气缸。
薄膜气缸具有结构紧凑和简单、制造容易、成本低、泄漏少、寿命K、效率高等优点，但是膜片的表形量有限，故其行程较短，一般不超过40—50 mm。若为平膜片，有时可短到只有几毫米。此外，这种缸的活塞杆输出力随行程的加大而减小。
薄膜气缸输出力的汁算如图4 17所示，作用到活塞杆上的力有：
(1)作用在膜盘范围内的气体作用力
(2)通过未受膜盘支承部分的膜片作用的气体压力对膜盘和活塞杆产生的力
 ?(4.18)
图4.17 膜片和膜盘尺寸
(3）复位弹簧的反作用力
所以，薄膜气缸活塞杆的输出力F为：
 ? (4.19)
式中： ——气体工作压力；
r——膜盘半径；
R——气缸半径；
 ——膜盘直径；
D——气缸直径；
 ——复位弹簧作用力。
8．冲击气缸
冲击气缸是使压缩空气在缸内形成短时的高速气流，推动活塞等快速下行并产生很大的动能，以完成破碎、模锻等需要瞬时大能量的工作，如型材下抖．打印、铆接、弯曲、冲孔、镦粗等．
冲击气缸与普通气缸相比增加了一个具有一定容积的蓄能腔和喷嘴．其构成和工作原理图如图4 18所示。当压缩空气刚进入蓄能腔1时．其压力只能通过喷嘴口4的小面积作用在活塞7上，还不能克服有杆腔的排气背压力和各密封处的摩擦力，喷嘴处于关闭状态，随着蓄能腔中充气压力逐渐升高．当作用在喷嘴口面积上的总推力能克服有杆腔的排气压力的作用力和摩擦力的总和时，活塞向下移动，喷嘴口开启，积聚在蓄能腔中的压缩空气通过喷嘴突然作用在活塞的全部面积上，喷嘴口处的气流速度达到声速。喷入无杆腔的高速气流进一步膨胀，产生冲击波，波的阵面压力高达气源压力的几倍到几十倍，给予活塞很大的向下推力。此时有杆腔处于排气状态，气压很低，活塞便在很大压差的作用下立即加速下行，加速度可达1000  以上，在约0.25--1.25 s的很短时间内，以平均约8 m/s的高速同下冲击。从而获得很大的动能。
泄排口的作用是在活塞开始冲击之前，使活塞腔2的压力接近于大气压，当活塞开始冲击后又最好能关闭，以免造成泄漏。比较埋想的是采用低压排气阀(类似于单向阀)，它的作用是在低压寸时排气，即与大气相通，而在高压时关闭，但这种阀需专门设计。通常冲击气缸的泄排口也可采用小型针阀，当活塞开始冲击时，活塞腔的压缩空气全通过泄排口的针阀与大气相通而造成一些泄漏，因此泄排口的环行节流通道不宜过大。泄排口的另一个作用是在必要时可作为控制信号孔使用。
根据有杆腔的气体能否在工作时迅速排出，冲出气缸分为快排型扣非快排型两种。图4．19所示为非快排型冲击气缸的结构。图中的排泄装置的作用是在活塞开始冲击之前，使无杆腔与大气相通，消除腔内庄
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