车辆液压传动与控制技术课件：液压缸 -

液压缸

教学目标：

通过本章的学习，使读者能过掌握车辆液压传动系统中各种液压缸的工作原理、基本参数和结构特性等方面的知识，并能合理设计和选用液压缸，并进行必要的液压传动装置验算。返回上一页下一页教学要求：

知识要点能力要求相关知识液压缸学习并掌握液压缸的工作原理、特性和参数计算方法。流体静力学的相关原理，以及工程力学的相关知识。返回上一页下一页5.1液压缸的基本类型5.2液压缸的构造

5.3液压缸的设计计算

本章小结

返回上一页下一页5.1液压缸的基本类型液压缸是将油液的压力能转变为机械能的能量转换装置。液压缸一般用于实现直线往复运动或回转往复运动。液压缸根据其结构特点，可以分为活塞式、柱塞式和回转式三大类。以下主要以活塞式液压缸为例进行说明。上一页下一页返回1单活塞杆液压缸单活塞杆液压缸的特点仅在液压缸的一腔中有活塞杆，液压缸两腔的有效工作面积不相等。单活塞杆液压缸多用于工作行程不长的地方，因单杆伸出过长较易下垂，对工作不利。返回上一页下一页图5.2单活塞杆液压缸1一活塞杆；2一前端盖；3一缸筒；4一支承环：5—活塞；6—密封件；7一后端盖；8一导向套；9一活塞杆密封件；10—防尘圈

压力油进入液压缸右腔，推动活塞向左移动。油缸左腔的油液从液压缸侧面的孔排出。当活塞运动接近终点时，回油腔的油液必须经活塞外圆端部的轴向三角槽流出，使油液受到节流而起缓冲作用。返回上一页下一页

单杆活塞缸的计算简图如图5.3所示。在单杆活塞缸中，由于缸两腔的有效工作面积不相等，所以左右两腔的流量与速度、牵引力与压力之间的关系式不一样。

在图5.3a中，当压力油输入无杆腔时，输入的流量Q1为

（5-1）（5-2）或式中Q1——输入无杆腔的流量；v1——活塞(或缸体)的运动速度。返回上一页下一页

活塞上的推力F1为（5-3）返回上一页下一页

上式中p1，p2—分别为进油压力和回油压力。当压力油输入有杆腔时，输入的流量Q2为（5-4）（5-5）或式中Q2——输入有杆腔的流量；

v2——活塞(或缸体)的运动速度。返回上一页下一页

活塞上的推力F2为图5.3b所示为左、右两腔同时通压力油，即差动连接。开始时差动缸左右两腔的油液压力相同，但由于无杆腔面积大于有杆腔的有效面积，故活塞将向右运动。

（5-6）（5-7）（5-8）返回上一页下一页

活塞上的推力F3为

由此可见，差动连接时液压缸推力比非差动连接时小，速度比非差动连接时大，利用这个特点，可实现执行机构快速前进、后退和慢速工进的工作循环。（5-9）返回上一页下一页2双活塞杆液压缸

双活塞杆液压缸的特点是被活塞分隔开的液压缸两腔中都有活塞杆伸出，动力是活塞杆传递的，两活塞杆直径相等。当流入液压缸两腔中的油量相同时，活塞往复运动的速度也相等。

图5.4实心双活塞杆液压缸结构图返回上一页下一页如图5.5所示，需要输入缸内的流量可根据活塞的面积和要求的运动速度算出，流量Q的计算公式为：

（5-10）式中：D，d——分别为液压缸内径和活塞杆直径v——活塞(或缸体)的运动速度。由上式可得活塞的运动速度为

上一页下一页返回液压缸牵引力和油压之间的关系为：（5-11）式中

p1，p2——分别为进油压力和回油压力。

返回上一页下一页3无杆活塞液压缸

不用活塞杆传递动力的液压缸，多数是利用齿条齿轮、棘爪棘轮等机构传递动力。输出件的运动形式大多数是周期性的回转运动和步进运动。

返回上一页下一页5.2液压缸的构造

如下图5.8所示为单出杆活塞式液压缸的典型结构，它由缸体组件和活塞组件两个基本部分组成。

上一页下一页返回1．缸体组件

图5.9所示为几种常用的缸体组件的结构。在设计时，主要应根据液压缸的工作压力、缸体材料和具体工作条件来选用不同的结构。图5.8中缸体和端盖的连接是采用四根拉杆固紧的方法，缸体的加工和装拆都方便，只是尺寸较大。

从以上对液压缸典型结构的分析中可以看出：液压缸是由缸体组件、活塞组件以及密封装置、缓冲装置、排气装置等所组成。它们的结构和性能直接影响到液压缸的工作质量和制造成本，现分述如下：返回上一页下一页图5.9缸体组件结构返回上一页下一页

图5.10为几种常用的活塞结构形式，其中a、b、c图所示为整体活塞，d图为分体活塞。常用的活塞与活塞杆连接结构型式见图5.11。

2．活塞及活塞的连接图5.10活塞结构返回上一页下一页图5.11活塞与活塞杆的连接结构型式1一卡环；2—轴套；3一弹簧圈；4—活塞杆；5—活塞；6—螺钉；7一锁紧螺母由于活塞组件在液压缸中是一个支承件，必须有足够的耐磨性能，所以活塞材料一般采用铸铁，而活塞杆采用钢材。返回上一页下一页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，它是用来防止内、外泄漏的，液压缸中密封性能的好环，直接影响到液压缸的工作性能和效率，因此在设计时应根据液压缸不同的工作条件来选用相应的密封方式。

3．密封装置返回上一页下一页

一般对密封装置的要求是：①在一定工作压力下，具有良好的密封性能。最好是随压力的增加能自动提高密封性能，使泄漏不致因压力升高而显著增加；②相对运动表面之间的摩擦力要小，且稳定；③要耐磨，工作寿命长或磨损后能自动补偿；④使用维护简单，制造容易，成本低。返回上一页下一页液压缸中常见的密封形式有下列几种：(1)间隙密封间隙密封是靠相对运动件配合表面间微小间隙防止泄漏的。

图5.12间隙密封返回上一页下一页(2)活塞环密封

在活塞的环形槽中，嵌有开口的金属活塞环。活塞环依靠其弹性变形所产生的涨力紧贴在油缸内壁，从而实现密封。

图5.13活塞环密封返回上一页下一页

(3)密封圈密封密封圈密封是液压元件中应用最广的一种密封形式。图5.14密封圈形状返回上一页下一页

图5.15中的a、b、c分别表示了O形、V形和Y形密封圈在活塞杆和端盖密封处的应用情况。在液压泵、液压马达和摆动缸的转轴上，通常采用回转轴密封圈，其形状如图5.16所示。

图5.15活塞杆和端盖处的密封装置图5.16回转轴密封圈返回上一页下一页4．缓冲装置当液压缸所驱动的工作部件质量较大，移动速度较快时，由于具有的动量大，致使在行程终了时，活塞与端盖发生撞击，造成液压冲击和噪声，甚至严重影响工作精度和发生破坏性事故，因此在大型、高速或要求较高的液压缸中往往需设置有缓冲装置。尽管液压缸中的缓冲装置结构形式很多，但它的工作原理都是相同的。当活塞在接近端盖时，增大液压缸回油阻力，使缓冲油腔内产生足够的缓冲压力，使活塞减速，从而防止活塞撞击端盖。返回上一页下一页

液压缸上常用的缓冲装置如图5.17所示。图5.17液压缸的缓冲装置返回上一页下一页5.3液压缸的设计计算

液压缸的设计是整个液压系统设计的重要内容之一，由于液压缸是液压传动的执行元件，它和工作机构有直接的联系，对于不同的工作机构，液压缸具有不同的用途和工作要求，因此在设计液压缸之前，应作好充分的调查研究，收集必要的原始资料和设计依据，包括机械用途、性能和工作条件；工作机构的型式、结构特点、负载情况、行程大小和动作要求；液压缸所选定的工作压力和流量；同类型机械液压缸的技术资料和使用情况以及有关国家标准和技术规范等。上一页下一页返回不同的液压缸有不同的设计内容和要求，一般在设计液压缸的结构时应注意下列几个问题：

①在保证满足设计要求的前提下，尽量使液压缸的结构简单紧凑，尺寸小，尽量采用标准形式和标准件，使设计、制造容易，装配、调整和维护方便。②应尽量使活塞杆在受拉力的情况下工作，以免产生纵向弯曲。③在确定液压缸的固定形式时，必须考虑缸体受热后的伸长问题。④当液压缸很长时，应防止活塞杆由于自重而产生过大的下垂而使局部磨损加剧。⑤应尽量避免用软管连接。返回上一页下一页1.液压缸壁厚校核

对于中、低压系统，缸体的壁厚往往由结构工艺上的要求来决定，强度已足够，通常不需要进行强度校核。但在高压系统中，特别是液压缸直径较大时，必须进行壁厚的强度校核。当D／δ≥10时，可依据材料力学中的薄壁圆筒公式计算（5-12）式中δ——缸体最薄处的壁厚；

D——缸体内径；p——液压缸的最大工作压力；返回上一页下一页

[σ]——缸体材料的许用拉应力，，为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5。当D/δ<10时，应按厚壁筒公式计算式中各符号与上式同。2.活塞杆的校核（1）强度校核（5-13）（5-14）返回上一页下一页

上式中d——活塞杆直径；

F——液压缸载荷；

dt——空心活塞杆孔径，实心杆dt=0；

[σ]——活塞杆材料的许用应力。，为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n/1.4。（2）稳定性校核对于受压的活塞杆来说，一般其直径d应不小于长度的1／15。当／d/15时，需进行稳定性校核，应使活塞杆所承受的载荷力F小于使其保持工作稳定的临界负载力Fk，Fk的值与活塞杆材料的性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。

上一页下一页返回上一页下一页返回上一页下一页根据材料力学中的公式，受压活塞杆的稳定条件是返回上一页下一页（5-15）式中

nk——安全系数，一般取nk=2~4。当活塞杆的长细比时当活塞杆的长细比，而时（5-16）

式中——安装长度，即液压缸安装面至活塞完全伸出时的杆端连接处的距离；

rk——活塞杆截面的最小回转半径，，J为活塞杆横截面惯性矩，A为活塞杆横截面积；

Φl

——柔性系数，对钢来说Φl=85；

Φ2——末端系数，其值与液压缸支承方式有关；

E——活塞杆材料的弹性模量，对钢来说，取E=2.063×1011N／㎡；

f——由材料强度决定的一个实验值，对钢来说，f≈4.9×108N／㎡；

α——系数，对钢来说取。返回上一页下一页（5-17）3．液压缸联接螺栓的强度校核

当缸体与缸盖用螺栓连接时，螺栓同时承受拉应力和扭应力，在计算时可将螺栓所受外力加大30％来考虑，即合成应力。返回上一页下一页（5-18）（5-19）式中F——液压缸的荷载力；

k——螺纹拧紧系数，k=1.12～1.5；

d1——螺纹内径，普通螺纹dl=d－1.224t(mm)t为螺纹的螺距，d为螺纹外径(mm)；

Z——螺栓数目；

[σ]——许用应力；

σs——材料的屈服极限，当材料为45号钢时σs=3×103Pa：

n——安全系数，一般取n=1.2～2.5。4．液压缸的缓冲计算

液压缸的缓冲计算主要是估计缓冲时的最大冲击压力，校核液压缸的耐压强度，检验减速度是否合乎要求（下面以图5.17中节流口可调流量式缓冲装置作为例加以说明）。返回上一页下一页（1）冲击压力的估算在图5.17b中，背压腔内产生的液压能E1和工作部件产生的机械能E2分别为