液压缸结构设计-汽车流体传动

液压缸的设计是在对所设计的液压系统进行工况分析、负载计算和确定了其工作压力的基础上进行的。首先根据使用要求确定液压缸的类型，再按负载和运动要求确定液压缸的主要结构尺寸，必要时需进行强度验算，最后进行结构设计。

1.液压缸的典型结构形式

图4-7所示为单活塞杆液压缸的结构图。它主要由缸底1、缸筒7、缸盖14、活塞21、活塞杆8和导向套12等组成。缸筒与缸底、缸头法兰连接，缸头与缸盖采用螺纹联接。活塞与活塞杆采用紧固套连接。为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位设置了密封圈4、9、13、17、20、23和防尘圈16。为防止活塞快速退回到行程终端时撞击后缸盖，液压缸端部还应设置缓冲装置；有时还需设置和排气装置。

进行液压缸设计时，根据工作压力、运动速度、工作条件、加工工艺及装拆检修等方面的要求，往往需综合考虑液压缸的各部分结构。

2.液压缸的结构设计

从上面的例子可以看出，液压缸的结构可分为缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置五个主要部分。

图4-7 单活塞杆液压缸结构图

1—缸底 2—带放气孔的单向阀 3—法兰 4—密封圈 5—导向环 6——缓冲套 7—缸筒 8—活塞杆 9—O形密封圈 10—法兰 11—缓冲节流阀 12—导向套 13—O形密封圈 14—缸盖 15—端盖密封圈 16—防尘圈 17—Y形密封圈 18—缸头 19—护环 20—Y形密封圈 21—活塞 22—导向环 23—O形密封圈 24—紧固套 25—沉头螺钉

（1）缸体组件

缸筒是液压缸的主体，其内孔一般采用镗削、绞孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，要求表面粗糙度Ra值在0.1～0.4μm范围内，使活塞及其密封件、支承件能顺利滑动，从而保证密封效果，减小磨损；缸筒要承受很大的液压力，因此，应具有足够的强度和刚度。端盖装在缸筒两端，与缸筒形成封闭油腔，同样承受很大的液压力，因此，端盖及其连接件都应有足够的强度。设计时既要考虑强度，又要选择工艺性较好的结构形式。导向套对活塞杆或柱塞起导向和支承作用，有些液压缸不设导向套，直接用端盖孔导向，这种结构简单，但磨损后必须更换端盖。缸筒、端盖和导向套的材料选择和技术要求可参考相关手册。常见的缸体与缸盖的连接结构如图4-8所示。

图4-8 缸体与缸盖的连接结构

a）法兰式 b）半环式 c）外螺纹式 d）拉杆式 e）焊接式 f）内螺纹式

1）法兰式连接（图4-8a）。结构简单，加工方便，连接可靠，但是要求缸筒端部有足够的壁厚，用以按装螺栓或旋入螺钉。缸筒端部一般用铸造、镦粗或焊接方式制成粗大的外径，它是常用的一种连接形式。

2）半环式连接（图4-8b）。分为外半环连接和内半环连接两种连接形式，半环连接工艺性好，连接可靠，结构紧凑，但削弱了缸筒强度。半环连接应用十分普遍，常用于无缝钢管缸筒与端盖的连接中。

3）螺纹式联接（图4-8c、f）。有外螺纹联接c和内螺纹联接f两种，其特点是缸盖的体积小，重量轻，结构紧凑，但缸筒端部结构较复杂，这种连接形式一般用于要求外形尺寸小，重量轻的场合。

4）拉杆式连接（图4-8d）。结构简单，工艺性好，通用性强，但端盖的体积和重量较大，拉杆受力后会拉伸变长，影响密封效果。只适用于长度不大的中、低压液压缸。

5）焊接式连接（图4-8e）。强度高，制造简单，但焊接时易引起缸筒变形。

（2）活塞组件的连接形式

活塞组件由活塞、密封件、活塞杆和连接件等组成。随液压缸的工作压力、安装方式和工作条件的不同，活塞组件有多种结构形式。

如图4-9所示，活塞与活塞杆的连接最常用的有螺纹式联接和半环式连接，除此之外还有整体式连接、焊接式连接、锥销式连接等。

螺纹式连接如图4-9a所示，结构简单，装拆方便，但一般需有螺母防松装置；半环式连接如图4-9b所示，连接强度高，但结构复杂，装拆不便，半环式连接多用于高压和振动较大的场合；整体式连接和焊接式连接结构简单，轴向尺寸紧凑，但损坏后需整体更换，对活塞与活塞杆比值较小、行程较短或尺寸不大的液压缸，其活塞与活塞杆可采用整体或焊接式连接；锥销式连接加工容易，装配简单，但承载能力小，且需要采取必要的防止脱落措施，在轻载情况下可采用锥销式连接。

图4-9 活塞与活塞杆的连接形式

a）螺纹式连接 1—活塞杆 2—活塞 3—密封圈 4—弹簧圈 5—螺母 b）半环式连接 1—卡键 2—套环 3—弹簧卡圈(www.xing528.com)

（3）密封装置

缸筒与缸盖、活塞与活塞杆之间的密封均为固定密封，常采用O形密封圈；缸盖与活塞杆、活塞与缸筒之间的密封系滑动密封，常用O形、Y形、Yx形、V形及滑环式组合密封等密封圈。为了清除活塞杆外露部分粘附的尘土，避免缸内油液的污染，缸盖上还设有防尘装置，常用专门的防尘圈来实现。

1）对密封件的要求。在液压元件中，液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊液压缸。液压缸不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度的适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装拆，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。密封件一般以断面形状分类，有O形、Y形、U形、V形和Yx形等。除O形密封圈外，其他都属于唇形密封件。其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨酯等。

2）O形密封圈的选用。液压缸的静密封部位主要有活塞内孔与活塞杆、支承座外圆与缸筒内孔、端盖与缸体端面等处。静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。

3）动密封部位密封圈的选用。由于O形密封圈用于往复运动时存在起动阻力大的缺点，所以用于往复运动的密封件一般不用O形密封圈，而使用唇形密封圈或金属密封圈。

液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支承座（或导向套）的密封等。活塞环是具有弹性的金属密封圈，摩擦阻力小，耐高温，使用寿命长，但密封性能差，内泄漏量大，而且工艺复杂，造价高。对内泄漏量要求不严而要求耐高温的液压缸，使用这种密封圈较合适。

V形密封圈的密封效果一般，密封压力通过压圈可以调节，但摩擦阻力大，温升严重。因其是成组使用的，模具多，也不经济。对于运动速度不高、出力大的大直径液压缸，用这种密封圈较好。

U形密封圈虽是唇形密封圈，但安装时需用支承环压住，否则就容易卷唇，而且只能在工作压力低于10MPa时使用，对压力高的液压缸不适用。

比较而言，能保证密封效果，摩擦阻力小，安装方便，制造简单、经济的密封圈就属Yx形密封圈了。它属于不等高双唇自封压紧式密封圈，分轴用和孔用两种。

（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，为避免因惯性力大，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引起整个系统及元件的损坏，在大型、高速或要求较高的液压缸中往往要设置缓冲装置，如图4-10所示。尽管液压缸中的缓冲装置结构形式很多，但它们的工作原理都是相同的，即当活塞运行到接近缸盖时，增大液压缸的回油阻力，使回油腔中产生足够大的缓冲压力，使活塞减速，从而防止活塞撞击缸盖。

1）圆柱形环隙式缓冲装置（图4-10a）。当缓冲柱塞1进入缸盖上的内孔时，缸盖和活塞间形成环形缓冲油腔2，被封闭的油液只能经环形间隙δ排出，产生缓冲压力，从而实现减速缓冲。这种装置在缓冲过程中，由于回油通道的节流面积不变，故缓冲开始时，产生的缓冲制动力很大，其缓冲效果差，液压冲击较大，且实现减速所需行程较长，但这种装置结构简单，便于设计和降低成本，所以在一般系列化的成品液压缸中常采用这种缓冲装置。

2）圆锥形环隙式缓冲装置（图4-10b）。由于缓冲柱塞1为圆锥形，所以缓冲环形间隙δ随位移量不同而改变，即节流面积随缓冲行程的增大而缩小，使机械能的吸收较均匀，其缓冲效果好，但仍有液压冲击。

3）可变节流槽式缓冲装置（图4-10c）。在缓冲柱塞1上开有三角节流沟槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，其缓冲压力变化较平缓。

4）可调节流孔式缓冲装置（图4-10d）。当缓冲柱塞1进入到缸盖内孔时，回油口被柱塞堵住，只能通过节流阀3回油，调节节流阀的开度，可以控制回油量，从而控制活塞的缓冲速度。当活塞反向运动时，液压油通过单向阀4很快进入液压缸内，并作用在活塞的整个有效面积上，故活塞不会因推力不足而产生起动缓慢现象。这种缓冲装置可以根据负载情况调整节流阀开度的大小，改变缓冲压力，减小液压冲击，缓冲效果良好。

图4-10 液压缸缓冲装置

a）圆柱形环隙式 b）圆锥形环隙式 c）可变节流槽式 d）可调节流孔式 1—缓冲柱塞 2—缓冲油腔 3—节流阀 4—单向阀

（5）排气装置

液压系统中往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动，爬行或前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作。因此，设计液压缸时，必须考虑空气的排除。

对于要求不高的液压缸，往往不设计专门的排气装置，而是将油口布置在缸筒两端的最高处，这样也能使空气随油液排往油箱，再从油箱溢出，对于速度稳定性要求较高的液压缸和大型液压缸，常在液压缸的最高处设置专门的排气装置，如排气塞、排气阀等。当松开排气塞的锁紧螺钉后，低压往复运动几次，带有气泡的油液就会排出，空气排完后拧紧螺钉，液压缸便可正常工作。排气塞通常有A型、B型两种，如图4-11所示。

图4-11 排气塞

a）A型排气塞 b）B型排气塞