車輛液壓傳動與控制技術課件：液壓缸 -

液壓缸

教學目標：

通過本章的學習，使讀者能過掌握車輛液壓傳動系統(tǒng)中各種液壓缸的工作原理、基本參數(shù)和結構特性等方面的知識，并能合理設計和選用液壓缸，并進行必要的液壓傳動裝置驗算。返回上一頁下一頁教學要求：

知識要點能力要求相關知識液壓缸學習并掌握液壓缸的工作原理、特性和參數(shù)計算方法。流體靜力學的相關原理，以及工程力學的相關知識。返回上一頁下一頁5.1液壓缸的基本類型5.2液壓缸的構造

5.3液壓缸的設計計算

本章小結

返回上一頁下一頁5.1液壓缸的基本類型液壓缸是將油液的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。液壓缸一般用于實現(xiàn)直線往復運動或回轉(zhuǎn)往復運動。液壓缸根據(jù)其結構特點，可以分為活塞式、柱塞式和回轉(zhuǎn)式三大類。以下主要以活塞式液壓缸為例進行說明。上一頁下一頁返回1單活塞桿液壓缸單活塞桿液壓缸的特點僅在液壓缸的一腔中有活塞桿，液壓缸兩腔的有效工作面積不相等。單活塞桿液壓缸多用于工作行程不長的地方，因單桿伸出過長較易下垂，對工作不利。返回上一頁下一頁圖5.2單活塞桿液壓缸1一活塞桿；2一前端蓋；3一缸筒；4一支承環(huán)：5—活塞；6—密封件；7一后端蓋；8一導向套；9一活塞桿密封件；10—防塵圈

壓力油進入液壓缸右腔，推動活塞向左移動。油缸左腔的油液從液壓缸側(cè)面的孔排出。當活塞運動接近終點時，回油腔的油液必須經(jīng)活塞外圓端部的軸向三角槽流出，使油液受到節(jié)流而起緩沖作用。返回上一頁下一頁

單桿活塞缸的計算簡圖如圖5.3所示。在單桿活塞缸中，由于缸兩腔的有效工作面積不相等，所以左右兩腔的流量與速度、牽引力與壓力之間的關系式不一樣。

在圖5.3a中，當壓力油輸入無桿腔時，輸入的流量Q1為

（5-1）（5-2）或式中Q1——輸入無桿腔的流量；v1——活塞(或缸體)的運動速度。返回上一頁下一頁

活塞上的推力F1為（5-3）返回上一頁下一頁

上式中p1，p2—分別為進油壓力和回油壓力。當壓力油輸入有桿腔時，輸入的流量Q2為（5-4）（5-5）或式中Q2——輸入有桿腔的流量；

v2——活塞(或缸體)的運動速度。返回上一頁下一頁

活塞上的推力F2為圖5.3b所示為左、右兩腔同時通壓力油，即差動連接。開始時差動缸左右兩腔的油液壓力相同，但由于無桿腔面積大于有桿腔的有效面積，故活塞將向右運動。

（5-6）（5-7）（5-8）返回上一頁下一頁

活塞上的推力F3為

由此可見，差動連接時液壓缸推力比非差動連接時小，速度比非差動連接時大，利用這個特點，可實現(xiàn)執(zhí)行機構快速前進、后退和慢速工進的工作循環(huán)。（5-9）返回上一頁下一頁2雙活塞桿液壓缸

雙活塞桿液壓缸的特點是被活塞分隔開的液壓缸兩腔中都有活塞桿伸出，動力是活塞桿傳遞的，兩活塞桿直徑相等。當流入液壓缸兩腔中的油量相同時，活塞往復運動的速度也相等。

圖5.4實心雙活塞桿液壓缸結構圖返回上一頁下一頁如圖5.5所示，需要輸入缸內(nèi)的流量可根據(jù)活塞的面積和要求的運動速度算出，流量Q的計算公式為：

（5-10）式中：D，d——分別為液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑v——活塞(或缸體)的運動速度。由上式可得活塞的運動速度為

上一頁下一頁返回液壓缸牽引力和油壓之間的關系為：（5-11）式中

p1，p2——分別為進油壓力和回油壓力。

返回上一頁下一頁3無桿活塞液壓缸

不用活塞桿傳遞動力的液壓缸，多數(shù)是利用齒條齒輪、棘爪棘輪等機構傳遞動力。輸出件的運動形式大多數(shù)是周期性的回轉(zhuǎn)運動和步進運動。

返回上一頁下一頁5.2液壓缸的構造

如下圖5.8所示為單出桿活塞式液壓缸的典型結構，它由缸體組件和活塞組件兩個基本部分組成。

上一頁下一頁返回1．缸體組件

圖5.9所示為幾種常用的缸體組件的結構。在設計時，主要應根據(jù)液壓缸的工作壓力、缸體材料和具體工作條件來選用不同的結構。圖5.8中缸體和端蓋的連接是采用四根拉桿固緊的方法，缸體的加工和裝拆都方便，只是尺寸較大。

從以上對液壓缸典型結構的分析中可以看出：液壓缸是由缸體組件、活塞組件以及密封裝置、緩沖裝置、排氣裝置等所組成。它們的結構和性能直接影響到液壓缸的工作質(zhì)量和制造成本，現(xiàn)分述如下：返回上一頁下一頁圖5.9缸體組件結構返回上一頁下一頁

圖5.10為幾種常用的活塞結構形式，其中a、b、c圖所示為整體活塞，d圖為分體活塞。常用的活塞與活塞桿連接結構型式見圖5.11。

2．活塞及活塞的連接圖5.10活塞結構返回上一頁下一頁圖5.11活塞與活塞桿的連接結構型式1一卡環(huán)；2—軸套；3一彈簧圈；4—活塞桿；5—活塞；6—螺釘；7一鎖緊螺母由于活塞組件在液壓缸中是一個支承件，必須有足夠的耐磨性能，所以活塞材料一般采用鑄鐵，而活塞桿采用鋼材。返回上一頁下一頁液壓缸中的密封主要指活塞和缸體之間、活塞桿和端蓋之間的密封，它是用來防止內(nèi)、外泄漏的，液壓缸中密封性能的好環(huán)，直接影響到液壓缸的工作性能和效率，因此在設計時應根據(jù)液壓缸不同的工作條件來選用相應的密封方式。

3．密封裝置返回上一頁下一頁

一般對密封裝置的要求是：①在一定工作壓力下，具有良好的密封性能。最好是隨壓力的增加能自動提高密封性能，使泄漏不致因壓力升高而顯著增加；②相對運動表面之間的摩擦力要小，且穩(wěn)定；③要耐磨，工作壽命長或磨損后能自動補償；④使用維護簡單，制造容易，成本低。返回上一頁下一頁液壓缸中常見的密封形式有下列幾種：(1)間隙密封間隙密封是靠相對運動件配合表面間微小間隙防止泄漏的。

圖5.12間隙密封返回上一頁下一頁(2)活塞環(huán)密封

在活塞的環(huán)形槽中，嵌有開口的金屬活塞環(huán)?；钊h(huán)依靠其彈性變形所產(chǎn)生的漲力緊貼在油缸內(nèi)壁，從而實現(xiàn)密封。

圖5.13活塞環(huán)密封返回上一頁下一頁

(3)密封圈密封密封圈密封是液壓元件中應用最廣的一種密封形式。圖5.14密封圈形狀返回上一頁下一頁

圖5.15中的a、b、c分別表示了O形、V形和Y形密封圈在活塞桿和端蓋密封處的應用情況。在液壓泵、液壓馬達和擺動缸的轉(zhuǎn)軸上，通常采用回轉(zhuǎn)軸密封圈，其形狀如圖5.16所示。

圖5.15活塞桿和端蓋處的密封裝置圖5.16回轉(zhuǎn)軸密封圈返回上一頁下一頁4．緩沖裝置當液壓缸所驅(qū)動的工作部件質(zhì)量較大，移動速度較快時，由于具有的動量大，致使在行程終了時，活塞與端蓋發(fā)生撞擊，造成液壓沖擊和噪聲，甚至嚴重影響工作精度和發(fā)生破壞性事故，因此在大型、高速或要求較高的液壓缸中往往需設置有緩沖裝置。盡管液壓缸中的緩沖裝置結構形式很多，但它的工作原理都是相同的。當活塞在接近端蓋時，增大液壓缸回油阻力，使緩沖油腔內(nèi)產(chǎn)生足夠的緩沖壓力，使活塞減速，從而防止活塞撞擊端蓋。返回上一頁下一頁

液壓缸上常用的緩沖裝置如圖5.17所示。圖5.17液壓缸的緩沖裝置返回上一頁下一頁5.3液壓缸的設計計算

液壓缸的設計是整個液壓系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容之一，由于液壓缸是液壓傳動的執(zhí)行元件，它和工作機構有直接的聯(lián)系，對于不同的工作機構，液壓缸具有不同的用途和工作要求，因此在設計液壓缸之前，應作好充分的調(diào)查研究，收集必要的原始資料和設計依據(jù)，包括機械用途、性能和工作條件；工作機構的型式、結構特點、負載情況、行程大小和動作要求；液壓缸所選定的工作壓力和流量；同類型機械液壓缸的技術資料和使用情況以及有關國家標準和技術規(guī)范等。上一頁下一頁返回不同的液壓缸有不同的設計內(nèi)容和要求，一般在設計液壓缸的結構時應注意下列幾個問題：

①在保證滿足設計要求的前提下，盡量使液壓缸的結構簡單緊湊，尺寸小，盡量采用標準形式和標準件，使設計、制造容易，裝配、調(diào)整和維護方便。②應盡量使活塞桿在受拉力的情況下工作，以免產(chǎn)生縱向彎曲。③在確定液壓缸的固定形式時，必須考慮缸體受熱后的伸長問題。④當液壓缸很長時，應防止活塞桿由于自重而產(chǎn)生過大的下垂而使局部磨損加劇。⑤應盡量避免用軟管連接。返回上一頁下一頁1.液壓缸壁厚校核

對于中、低壓系統(tǒng)，缸體的壁厚往往由結構工藝上的要求來決定，強度已足夠，通常不需要進行強度校核。但在高壓系統(tǒng)中，特別是液壓缸直徑較大時，必須進行壁厚的強度校核。當D／δ≥10時，可依據(jù)材料力學中的薄壁圓筒公式計算（5-12）式中δ——缸體最薄處的壁厚；

D——缸體內(nèi)徑；p——液壓缸的最大工作壓力；返回上一頁下一頁

[σ]——缸體材料的許用拉應力，，為材料的抗拉強度，n為安全系數(shù)，一般取n=5。當D/δ<10時，應按厚壁筒公式計算式中各符號與上式同。2.活塞桿的校核（1）強度校核（5-13）（5-14）返回上一頁下一頁

上式中d——活塞桿直徑；

F——液壓缸載荷；

dt——空心活塞桿孔徑，實心桿dt=0；

[σ]——活塞桿材料的許用應力。，為材料的抗拉強度，n為安全系數(shù)，一般取n/1.4。（2）穩(wěn)定性校核對于受壓的活塞桿來說，一般其直徑d應不小于長度的1／15。當／d/15時，需進行穩(wěn)定性校核，應使活塞桿所承受的載荷力F小于使其保持工作穩(wěn)定的臨界負載力Fk，F(xiàn)k的值與活塞桿材料的性質(zhì)、截面形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關。

上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回上一頁下一頁根據(jù)材料力學中的公式，受壓活塞桿的穩(wěn)定條件是返回上一頁下一頁（5-15）式中

nk——安全系數(shù)，一般取nk=2~4。當活塞桿的長細比時當活塞桿的長細比，而時（5-16）

式中——安裝長度，即液壓缸安裝面至活塞完全伸出時的桿端連接處的距離；

rk——活塞桿截面的最小回轉(zhuǎn)半徑，，J為活塞桿橫截面慣性矩，A為活塞桿橫截面積；

Φl

——柔性系數(shù)，對鋼來說Φl=85；

Φ2——末端系數(shù)，其值與液壓缸支承方式有關；

E——活塞桿材料的彈性模量，對鋼來說，取E=2.063×1011N／㎡；

f——由材料強度決定的一個實驗值，對鋼來說，f≈4.9×108N／㎡；

α——系數(shù)，對鋼來說取。返回上一頁下一頁（5-17）3．液壓缸聯(lián)接螺栓的強度校核

當缸體與缸蓋用螺栓連接時，螺栓同時承受拉應力和扭應力，在計算時可將螺栓所受外力加大30％來考慮，即合成應力。返回上一頁下一頁（5-18）（5-19）式中F——液壓缸的荷載力；

k——螺紋擰緊系數(shù)，k=1.12～1.5；

d1——螺紋內(nèi)徑，普通螺紋dl=d－1.224t(mm)t為螺紋的螺距，d為螺紋外徑(mm)；

Z——螺栓數(shù)目；

[σ]——許用應力；

σs——材料的屈服極限，當材料為45號鋼時σs=3×103Pa：

n——安全系數(shù)，一般取n=1.2～2.5。4．液壓缸的緩沖計算

液壓缸的緩沖計算主要是估計緩沖時的最大沖擊壓力，校核液壓缸的耐壓強度，檢驗減速度是否合乎要求（下面以圖5.17中節(jié)流口可調(diào)流量式緩沖裝置作為例加以說明）。返回上一頁下一頁（1）沖擊壓力的估算在圖5.17b中，背壓腔內(nèi)產(chǎn)生的液壓能E1和工作部件產(chǎn)生的機械能E2分別為