自卸汽車舉升機構的機械及液壓系統(tǒng)設計.doc

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摘要 自卸汽車是利用發(fā)動機動力驅動液壓舉升機構，將貨箱傾斜一定角度從而達到自動卸貨的目的，并依靠貨箱自重使其復位。因此，液壓舉升機構是自卸汽車的重要工作系統(tǒng)之一，其結構形式、性能好壞直接影響自卸汽車的使用性能和安全性能。本論文首先對自卸式汽車進行了說明，同時根據設計需要對液壓系統(tǒng)進行了簡要的闡述，并設計液壓舉升機構及液壓系統(tǒng)。液壓缸是一種配置靈活、設計制造比較容易而應用廣泛的液壓執(zhí)行元件。盡管液壓缸有系列化標準的產品和專用系列產品,但由于用戶對液壓機械的功能要求千差萬別,因而非標準液壓元件的設計是不可避免的。本次畢業(yè)設計的主要內容集中于自卸汽車液壓缸的機械結構和液壓系統(tǒng)的設計，介紹了自卸汽車的整個工作原理以及舉升機構的工作原理，按照設計的一般原則和步驟對液壓缸的機械結構和液壓系統(tǒng)進行了詳細的設計計算，并對其附屬部件也進行了合適的選擇。最終得到一整套符合要求的汽車自卸系統(tǒng)。 關鍵詞：自卸汽車，液壓缸機械設計，液壓系統(tǒng)設計 目錄 1 緒論……………………………………………………………………………………1 1.1 自卸汽車的作用…………………………………………………………………1 1.2 自卸汽車的分類…………………………………………………………………1 1.3 常見自卸汽車分類舉例…………………………………………………………2 1.4 自卸汽車的舉升機構……………………………………………………………3 1.5 自卸汽車的結構特點……………………………………………………………3 1.6 小結………………………………………………………………………………4 2 液壓系統(tǒng)設計…………………………………………………………………………5 2.1 液壓概述…………………………………………………………………………5 2.1.1 液壓技術的發(fā)展……………………………………………………………5 2.1.2 液壓傳動……………………………………………………………………5 2.2 自卸汽車液壓系統(tǒng)設計…………………………………………………………6 2.2.1 液壓缸概述…………………………………………………………………6 2.2.2 液壓系統(tǒng)原理圖……………………………………………………………7 2.2.3 液壓系統(tǒng)圖…………………………………………………………………8 2.3 小結…………………………………………………………………………9 3 液壓缸結構設計…………………………………………………………………10 3.1 液壓缸結構設計的依據、原則和步驟……………………………………11 3.1.1 設計依據………………………………………………………………11 3.1.2 設計的一般原則………………………………………………………12 3.1.3 設計的一般步驟………………………………………………………12 3.2 液壓缸基本結構參數及相關標準 …………………………………………13 3.2.1 液壓缸的液壓力分析和額定壓力的選擇……………………………14 3.2.2 液壓缸內徑和外徑………………………………………………16 3.2.3 活塞桿外徑（桿徑）………………………………………………17 3.2.4 液壓缸基本參數的校核………………………………………………18 3.3 液壓缸綜合結構參數及安全系數的選擇 …………………………………19 3.3.1 液壓缸綜合結構參數…………………………………………………19 3.3.2 安全系數的選擇………………………………………………………19 3.4 液壓缸底座結構設計………………………………………………………21 3.5 缸體設計與計算……………………………………………………………22 3.5.1 缸筒設計………………………………………………………………23 3.5.2 缸頭和油口設計………………………………………………………26 3.6 活塞組件設計………………………………………………………………28 3.6.1 活塞桿設計……………………………………………………………28 3.6.2 活塞設計………………………………………………………………30 3.6.3 活塞與活塞桿的連接結構……………………………………………31 3.7 缸蓋設計……………………………………………………………………32 3.7.1缸蓋材料和技術要求…………………………………………………32 3.7.2 缸蓋的結構設計………………………………………………………33 3.8 焊接強度及螺紋連接計算…………………………………………………34 3.8.1焊接強度計算…………………………………………………………32 3.8.2缸蓋螺栓連接強度計算………………………………………………35 2.9 小結…………………………………………………………………………35 4 液壓原件選擇……………………………………………………………………36 4.1 液壓泵的確定………………………………………………………………36 4.2 閥類元件的確定……………………………………………………………37 4.2.1 選擇閥類元件應注意的問題…………………………………………37 4.2.2 閥類元件的選擇………………………………………………………38 4.3 油箱的選擇…………………………………………………………………39 4.4 濾油器的選擇………………………………………………………………39 4.5 管路的選擇…………………………………………………………………39 4.6 小結…………………………………………………………………………40 設計小結……………………………………………………………………………41 致 謝 辭………………………………………………………………………………42 參考文獻……………………………………………………………………………44 1 緒論 1.1 自卸汽車的作用 自卸車的出現是隨著時代的發(fā)展，搬運工作已經不是人力可以解決的情況下，使用高科技而開發(fā)的搬運器械。 自卸汽車又稱翻斗車(tipper，dump car)，它是依靠發(fā)動機動力驅動液壓舉升機構，將貨箱傾斜一定角度從而達到自動卸貨的目的，并依靠貨箱自重使其復位的一種重要專用汽車。其最大優(yōu)點是實現了卸貨的機械化，從而提高卸貨效率，減輕勞動強度，節(jié)約勞動力。因此，幾十年來它在國內外獲得迅速發(fā)展與普及，至今其保有量大約占專用汽車的25％，并日趨完善，成為系列化多品種的產品。 自卸汽車主要運輸散裝并可散堆的貨物（如砂、石、土、垃圾、建材、煤、礦石、糧食和農產品等），還可以運輸成件的貨物；自卸汽車主要服務于建材場、礦山、工地等，一般是和裝載車、挖掘機進行，挖、搬、卸三位一體的一條龍服務。在進行大型工程的時候，都需要使用到自卸車。自卸車也需要定時定期的進行維護，以免在作業(yè)過程中出現意外。 自卸車在每次作業(yè)前，要進行一次簡單的檢查，確保各個部件正常使用，首先要檢查車子的性能是否出現故障，檢查車子的車身是否出現不正常，車子檢查后就可以正常的進行作業(yè)了。做好是一周進行一次全身檢查，對車子的內部和外部進行一次檢查，一個月進行一次維護，對車子的部件、性能進行專業(yè)的測試，需要更換的部件需要及時更換。這樣不僅可以保證車子正常的工作，也可以延長車子的使用年限。 自卸車是大型的器械，價格也是相當昂貴的，所以要經常的維護，確保車子的質量問題，避免意外的發(fā)生 。 1.2 自卸汽車的分類 自卸汽車的分類較多，一般按下述方法分類： 1） 按用途分類：公路運輸的普通自卸車；非公路運輸的重型自卸車；專用自卸汽車。 公路運輸的普通自卸車即輕、中、重型（裝載質量在2—20t）的普通自卸車，主要承擔沙石、泥土、煤炭等松散貨物運輸，通常是與裝載機配套使用。 非公路運輸的重型（裝載質量在20t以上）的自卸汽車，即礦用自卸車。礦用自卸汽車是在礦山或大型工地使用的大噸位的自卸車；主要承擔大型礦山、水利工地等運輸任務，通常是與挖掘機配套使用。它的長、寬、高以及軸荷等不受公路法規(guī)的限制，但它只能在礦山、工地上使用。 專用自卸汽車是指具有專用車廂，以滿足所裝運貨物的特性或特殊要求的自卸汽車；而一般用途的自卸汽車均為普通自卸車。某些自卸汽車是針對專門用途設計的，故稱專用自卸車，如擺臂式自動裝卸車、自裝卸垃圾汽車等。 2） 按裝載質量級別分類：輕型自卸車；中型自卸車；重型自卸車。 按我國規(guī)定，最大總質量1.8t以上，6t及6t以下的為輕型自卸汽車；最大總質量6t以上，14t及14t以下的為中型自卸汽車；最大總質量大于14t的為重型自卸汽車。 3） 按傳動類型分類：機械傳動；液力機械傳動；電傳動。 中型以下自卸汽車多為機械傳動，重型汽車為了改善其使用性能往往采用液力機械傳動，而礦用超重型自卸汽車往往采用電力傳動。 4） 按卸貨方式分類：后傾式；側傾式；三面傾卸式；底卸式；貨箱升高后傾式等。 后傾式自卸車的車廂向后翻傾卸貨。這類自卸汽車應用廣泛。 側傾式自卸汽車的車廂向左或向右翻傾卸貨。這種自卸汽車適用于道路狹窄、卸貨方向交換困難的地方。其結構較后傾式自卸汽車復雜，造價高，運載量少，生產效率低，使用較少。也有單側傾斜的自卸汽車，其車廂只能向某一側翻傾。這種自卸汽車駛入貨場的方向和卸貨的位置均受到限制，因此很少采用。 三面傾卸式自卸汽車的車廂可以向左右兩側和向后三個方向翻傾卸貨。這種自卸汽車雖有三個方向卸貨的優(yōu)點，但其結構較后傾式自卸汽車更復雜，整備質量增大，裝載質量減少，造價高，汽車運輸發(fā)達國家使用量逐漸減少。 底卸式用于少數特殊場合。 貨箱升高后傾式適用于貨物堆集、變換貨位和往高處卸貨的場合。 5） 按傾卸機構分類：直推式自卸車；杠桿舉升式自卸車。 直推式又可細分為單缸式、雙缸式、多級式等。杠桿式又可細分為杠桿前置式、杠桿后置式、杠桿中置式等。 6） 按車廂結構分類：按欄板結構分一面開啟式、三面開啟式、與無后欄板式(簸箕式)；按底板橫斷面形狀分矩形式、船底式、弧底式。 1.3 常見自卸汽車的分類舉例 常見自卸汽車的分類舉例如下： 1）東風雙橋密封自卸車。是東風雙橋自卸加裝密封蓋后的延伸車型。密封蓋展翼式開閉，在駕駛室內電動液壓控制，操作簡單方便，密封嚴格，是運輸礦產、沙石、垃圾等物料的首選車型。 2）東風3055自卸車。平頭帶臥駕駛室，廣西玉林135馬力柴油發(fā)動機，3t級前橋，8t級后橋。此車是應市場需求2006年研發(fā)上市的新車型，媲美東風五噸車的承載配置，實惠的價格及運營費用，造就極高的性價比，是中小城鎮(zhèn)建設主力軍。 3）東風五噸自卸車。尖頭單排駕駛室，玉柴143馬力歐二排放發(fā)動機，直通加厚大梁，8t級后橋，為東風五噸這種老款車型注入了新的活力。 4）東風工程車。平頭帶臥駕駛室，康明斯160馬力環(huán)保柴油發(fā)動機，加強大梁，9t級后橋，中噸位自卸車的代表車型之一。 5）東風雙橋自卸車。平頭帶臥的駕駛室，康明斯210/230馬力的環(huán)保發(fā)動機，雙10t級貫通后橋，中置前推液壓頂，此車是最暢銷的中大噸位自卸車。 1.4 自卸汽車的舉升機構 1) 直推式傾斜機構（液壓舉升缸直接作用于車廂底架上） 2） 連桿式傾斜機構（液壓舉升缸通過連桿機構作用于車廂底架上能以較小的液壓缸行程實現車廂的傾翻） 圖1-1 液壓舉升缸直接作用于車廂底架上 圖1-2 液壓舉升缸通過連桿機構 作用于車廂底架上 1.5 自卸汽車的結構特點 普通自卸車一般是在載貨汽車二類底盤(當載貨汽車拆除貨廂后便稱為二類底盤)的基礎上，經變型設計而成。通常由底盤、動力傳動裝置、液壓傾卸機構、副車架以及專用貨箱等主要部分組成。總質量小于19t的普通自卸車，一般采用FR42式二類底盤，即發(fā)動機前置后軸驅動的布置形式?？傎|量超過19t的自卸車多采用64或62的驅動形式。 　　舉升機構的動力傳動裝置一般從變速器總成的頂部或側面安裝取力器輸出動力。取力器直接帶動油泵或通過傳動軸帶動油泵，從而產生液壓驅動力。 1.6 小結 在進入自卸汽車液壓缸結構及液壓系統(tǒng)設計正題前，了解一下與之密切相關的自卸汽車的作用、分類、結構及其特點對以后的設計是有益的。自卸汽車的介紹為液壓缸及液壓系統(tǒng)的設計奠定了基礎。 2 液壓系統(tǒng)設計 2.1 液壓概述 2.1.1 液壓技術的發(fā)展 液壓技術源于古老的水力學，它的發(fā)展是與流體力學的研究成果、工程材料、液壓介質等相關學科的發(fā)展緊密聯系的。液壓技術的迅速發(fā)展是在世紀中葉前后。目前已成為比較成熟的基礎學科。 隨著近50年來的科學技術的進步與發(fā)展，液壓技術已成為包括傳動、控制和檢測在內，對現代機械裝備的技術進步有重要影響的基礎技術和基礎學科；隨著近20年來的電子技術、計算機技術和信息技術的迅速發(fā)展，液壓技術不僅是一種傳動方式，更多地是作為一種控制手段，作為連接微電子技術和大功率控制對象之間的橋梁，成為現代控制工程中重要的、不可缺少的環(huán)節(jié)和手段。因而采用液壓傳動的程度已成為衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標志，世界上各先進國家都對液壓技術的發(fā)展給予了高度重視。 當前液壓技術向高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、高可靠性、高集成化方向發(fā)展并取得重大進展，同時在完善比例控制、伺服控制、數字控制和機電一體化方向也取得了許多重大成果。新材料和新介質方向的研究也為液壓技術的發(fā)展和完善提供了新的動力。 2.1.2 液壓傳動 1）液壓傳動概述 傳動的含義是能量（動力）形式的轉換、傳遞和控制。液壓傳動是以密閉在管路中的受壓液體（主要形式為液壓油）為工作介質，進行能量的轉換、傳遞、分配和控制的技術，稱之液壓傳動或液壓技術。在這種傳動方式中，由于能量形式的轉換和動力傳遞是依靠密閉管中受壓液體容積變化完成的，又稱之容積式液壓傳動或靜壓傳動。 2）液壓系統(tǒng)的組成部分及作用 由若干液壓元件和管路組成以完成一定動作的整體稱液壓系統(tǒng)。如果液壓系統(tǒng)中含有伺服控制元件（如伺服閥和伺服變量泵）則稱液壓伺服（控制）系統(tǒng)。如果不使用或明確說明使用了伺服控制元件，則稱液壓傳動系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)功能不一、形式各異，無論是簡單的液壓千斤頂，還是其他的復雜的液壓系統(tǒng)，都包括如下部分（見圖2-1）。 圖2-1 液壓系統(tǒng)的能量轉換及構成元件示意圖 （1） 動力元件 動力元件又稱液壓泵，其作用是利用密封的容積變化，將原動機(如內燃機，電動機)的輸入機械能轉變?yōu)楣ぷ饕后w的壓力能（即液壓能），是液壓系統(tǒng)的能源(動力)裝置。 （2） 執(zhí)行元件 將液壓能轉換為機械能的裝置稱為執(zhí)行元件。它是與液壓泵作用相反的能量轉換裝置，是液壓缸和液壓馬達的總稱。前者是將液壓能轉成往復直線運動的執(zhí)行元件，它輸出力和速度;后者是將液壓能轉換成連續(xù)旋轉運動的執(zhí)行元件，它輸出扭矩和轉速。擺動液壓馬達（習慣稱擺動液壓缸）不可連續(xù)回轉，只能往復擺動（擺動角小于）。 （3） 控制元件 液壓系統(tǒng)中控制液體壓力、流量和流動方向的元件，總稱為控制元件，通常稱為液壓控制閥，簡稱液壓閥，控制閥或閥。 （4） 輔助元件 輔助元件包括油箱、管道、管接頭、濾油器、蓄能器、加熱器、冷卻器等。它們雖然稱為輔助元件，但在液壓系統(tǒng)中是必不可少的。它們的功能是多方面的，各不相同。 （5） 工作介質 液壓系統(tǒng)中工作介質為液體，通常是液壓油，它是能量的載體，也是液壓傳動系統(tǒng)最本質的組成部分。液壓系統(tǒng)沒有工作介質也就不能構成液壓傳動系統(tǒng)，其重要性不言而喻。 2.2 自卸汽車液壓系統(tǒng)設計 2.2.1 液壓缸概述 自卸汽車是依靠發(fā)動機動力驅動液壓舉升機構，將貨箱傾斜一定角度從而達到自動卸貨的目的，并依靠貨箱自重使其復位的一種重要專用汽車。根據自卸汽車的這一特點，自卸汽車的液壓缸可以設計成單活塞桿單作用式的。 前端蓋為法蘭的焊接型液壓缸如圖2-1所示，這也是工程機械上常用的液壓缸，可以作為自卸汽車液壓缸結構設計的參考圖。圖2-2的液壓缸額定工作較高，可達25MPa。 1—缸底；2—缸筒；3—活塞；4、5、6、10—密封圈；7—活塞 桿；8—導向套；9—前端蓋（法蘭）；11—活塞鉸連組件。 圖2-2 焊接型液壓缸 2.2.2液壓系統(tǒng)原理圖 1）液壓缸控制回路 液壓回路能量轉換圖 2）液壓回路選擇（圖2-3） 調速回路：系統(tǒng)分析采用節(jié)流調速，循環(huán)形式為開式。 方向控制回路 ：本設計采用手控三位三通換向閥對油路進行方向控制。 節(jié)流調速系統(tǒng)中，通常由定量泵供油，用溢流閥調節(jié)所需的壓力，并保持恒定 。 油泵輸出的油液在換向閥內部卸荷，本設計用三位三通換向閥的中位進行卸荷。 （a）換向閥換向回路圖 （b）溢流閥限壓回路 （c）換向閥中位置卸荷 圖2-3 液壓回路 2.2.3 液壓系統(tǒng)圖 利用液壓缸實現車廂的舉升、中停、下降過程三過程液壓系統(tǒng)圖如下各圖所示。各構件的名稱為：1-單活塞桿液壓缸，2-節(jié)流閥，3-手動換向閥，4-油箱， 5-溢流閥，6-液壓泵，7-單向閥，8-過濾器 1）舉升時（圖2-4） 換向閥3處于舉升位置，油泵將高壓油通過單向閥7進入油缸下腔，推動活塞上升通過三角臂機構使車廂后翻，直到活塞上的限位閥打開，油泵輸出的壓力油流回油箱，停止舉升，溢流閥可用來調節(jié)系統(tǒng)最大壓力。 2）中停時（圖2-5） 換向閥處于中停位置，油泵輸出的油液在換向閥內部卸荷，無壓力，油缸內油液無壓力，不能舉升油缸，同時油缸內油液已封閉，所以自卸車處于中停，車廂靜止狀態(tài)。 3）下降時（圖2-6） 換向閥處于下降位置，油缸下腔油路與油箱相通，車廂在自重下，活塞下移。油缸下腔油液經節(jié)流閥2留回油箱，下降速度可用節(jié)流閥調節(jié)，這個過程中可以讓油泵停止轉動。 圖2-4 舉升時自卸汽車舉升機構液壓系統(tǒng)圖 圖2-5 中停時自卸汽車舉升機構液壓系 統(tǒng)圖 圖2-6 下降時自卸汽車舉升機構液壓系統(tǒng)圖 2.3 小結 本章確定了自卸汽車液壓系統(tǒng)，對液壓缸結構設計也有重要的作用，是本次設計的重要環(huán)節(jié)。液壓系統(tǒng)設計的關鍵就是確定各個回路，從而實現液壓系統(tǒng)的功能。在該液壓系統(tǒng)中通過手動換向閥實現液壓缸的三個工作位置，使自卸汽車順利完成工作任務。 3 液壓缸結構設計 3.1 液壓缸結構設計的依據、原則和步驟 3.1.1 設計的依據 液壓缸與機器及機器上的機構直接相聯系，對于不同的機構，液壓缸的具體用途和工作性能也不同，因此設計之前，要進行全面地分析和研究，收集必要的原始資料并加以整理作為設計的依據。 1) 了解和掌握液壓缸在機器上的用途和工作要求 滿足機構的動作要求和用途是設計液壓缸的主要目的。比如，液壓翻斗自卸汽車的液壓缸的作用是將翻斗（車廂）舉升成傾斜狀態(tài)，使所載的物料自動卸掉，其回程可在翻斗（車廂）的重力作用下而完成。這種情況下的液壓缸可設計成單（活塞）桿單作用液壓缸，也可設計成柱塞缸。再如汽車起重機的吊臂液壓缸，為適應不同的起吊高度要求和工作場地的轉換，其吊臂液壓缸必須采用伸縮式多級液壓缸，具體結構形式可以是單作用的柱塞式多級液壓缸，或活塞式多縮液壓缸，或末級活塞式的多級液壓缸。 2) 了解液壓缸工作環(huán)境條件 工作環(huán)境條件不同，液壓缸的結構和設計參數也不盡相同。比如用于采煤工作面液壓支架上的立（支）柱缸，工作條件惡劣，粉塵大，支護（工作）壓力變化大（負載變化大），要求立（支）柱缸絕對安全可靠，不允許有泄漏。針對這種工作條件，設計時要考慮防塵措施；缸體和柱塞的強度和穩(wěn)定性要絕對可靠，安全系數就要取大些，密封性能要好。象精密外（內）圓磨床用的液壓缸，工作環(huán)境比較清潔，負載穩(wěn)定并且較小，結構和設計參數就應當適應它的工作條件。 3) 了解外部負載情況 主要指外部負載的質量、幾何形狀、空間體積大小、運動軌跡、摩擦阻力及連接部位的連接形式等。例如液壓翻斗自卸汽車，液壓缸的外負載是翻斗（車廂）和所裝的貨物，翻斗（車廂）上升傾斜時，液壓缸的軸線發(fā)生擺動，這就要求活塞桿頭部與翻斗（車廂）的連接采用耳環(huán)式或銷軸式，液壓缸底座與車身的安裝形式也要采用耳環(huán)式或耳軸式。 4) 了解液壓缸運動形態(tài)及安裝約束條件 包括了解液壓缸的最大行程、運動速度或時間、安裝空間所允許的外形尺寸及液壓缸的運動形式，例如液壓缸軸線固定或擺動，作往復直線運動或往復擺動，連續(xù)運動還是間歇周期運動，缸體運動或活塞桿運動。以作用力為主要要求的液壓缸與以運動速度或時間為主要要求的液壓缸，設計考慮的出發(fā)點也是不同的。 5) 了解液壓系統(tǒng)的情況 液壓缸的設計是液壓系統(tǒng)設計的一部分。設計已知液壓系統(tǒng)的液壓缸，應了解液壓泵的工作壓力和流量大小，管路的通徑和布置情況，各種液壓閥的安裝和控制情況等。 6) 了解有關國家標準、技術規(guī)定和其它參考資料。借鑒已有的液壓缸的設計是十分必要的。 3.1.2 設計的一般原則 液壓缸設計時應注意如下問題。 1) 保證液壓缸的輸出力推力、拉力(或轉矩)、行程和往返運動速度滿足要求。液壓缸的工作壓力（輸出力的折算值）以液壓泵的額定工作壓力的為宜。 2) 保證液壓缸的每個零件有足夠的強度、剛度和耐用性（壽命）。 3) 在保證上述兩個條件的前提下，盡量減小液壓缸的外形尺寸和重(質)量。一般說來，在外負載一定的條件下，提高液壓缸的額定工作壓力可減小液壓缸的外形尺寸。 4) 在保證液壓缸性能的前提下，盡量減少零件數量，簡化結構。 5) 盡量避免液壓缸承受橫（側）向負載和偏心負載，活塞桿工作時最好受拉力，以免產生縱向彎曲而引發(fā)穩(wěn)定問題。 6) 液壓缸的安裝形式、活塞桿頭部與外負載的連接形式要合理，盡量減小活塞桿伸出后的有效安裝長度，避免產生“憋勁”現象，增加液壓缸的穩(wěn)定性。 7) 密封部位的設計和密封件的選用要合理，保證性能可靠、泄漏量少、摩擦力小、壽命長、更換方便。密封部位的設計是保證液壓缸性能的重要一環(huán)，對所選用的密封件，應使其壓縮量和壓縮率在合理范圍內。 8) 根據液壓缸的工作條件和具體情況設置適當的排氣、緩沖和防塵措施。在工作條件惡劣的情況下應考慮活塞桿的防護措施。 9) 各種零件的結構形式和尺寸設計，應盡量采用標準形式和規(guī)范系列尺寸，盡量選用標準件。 10) 液壓缸應做到成本低、制造容易、維修方便。 3.1.3 設計的一般步驟 不同類型、用途和結構的液壓缸，設計內容是不同的。由于液壓缸各參數之間往往具有內在聯系，所以液壓缸的設計沒有硬性規(guī)定或統(tǒng)一的格式。一般情況下，應根據已確定的工作條件和掌握的設計資料，靈活地選擇設計程序和步驟，反復推敲和計算，直到獲得滿意的設計結果。一般設計工作可參考下列步驟進行。 1） 根據設計依據和負載機構的動作要求，初步確定設計方案：缸體結構形式、安裝方式、連接方式等。 2） 在以輸出力為主的液壓缸設計中，根據負載和選定的額定（工作）壓力，確定缸筒內徑（即活塞外徑）和活塞桿直徑。比較方便的方法是根據液壓計算的相關圖表或液壓缸性能參數表，由選定的額定（工作）壓力或負載確定和。和應符合系列尺寸之規(guī)定，兩者是液壓缸設計的基本參數。 3） 選擇缸筒材料，計算缸筒厚度或外徑。缸筒外徑要符合系列尺寸之規(guī)定。缸筒通常選擇冷撥或熱軋無縫鋼管，以節(jié)省加工費用，特殊要求時選用鍛件或鑄件。有焊接要求時，選用焊接性能較好的號鋼或。無焊接要求時通?？蛇x用號鋼，有特殊要求的，可選用合金鋼。 4） 選擇缸底和缸蓋的結構形式，計算缸底厚度、缸筒與缸蓋的連接強度；確定具體安裝型式及結構尺寸；確定缸筒上油口的位置、尺寸和連接形式。 5） 活塞組件設計，包括活塞的寬度、密封和支承形式、與活塞桿的連接方式；活塞桿與負載的連接形式和尺寸；根據負載校核活塞桿的強度。根據行程、活塞寬度等確定活塞的長度。對于活塞桿直徑與液壓缸行程之比小于，即≥時，應進行活塞桿縱向彎曲強度校核及液壓缸穩(wěn)定性校核。僅承受拉負載的液壓缸可不作上述校核。 6） 必要時設計緩沖和排氣裝置。當液壓運動速度較高或運動部質量較大時，為防止活塞在行程末端與缸蓋或缸底發(fā)生機械碰撞而引起沖擊或造成液壓缸及被驅動件的損壞，必須設計緩沖裝置。液壓缸速度時不需要設計緩沖裝量。 7） 審定全部設計資料及其他技術文件，對圖紙進行修改和補充。 8） 繪制液壓缸裝配圖和零件圖，編制技術文件。 當根據選擇的液壓缸內徑和活塞桿直徑進行結構的設計和校核，液壓缸設計的步驟也可簡單劃分為三個階段：基本性能參數的計算、結構設計計算和設計文件的編制。 3.2 液壓缸基本結構參數及相關標準 液壓缸結構設計參數有：液壓缸的液壓力、液壓缸的額定壓力、液壓缸的內徑（活塞外徑），缸筒外徑、活塞桿直徑d等。這些結構型式、尺寸參數的選擇或確定的依據是液壓缸的負載力和運動速度，這些基本參數是設計或選用液壓缸時必須知曉的。 在以輸出力為主要要求的液壓缸設計中，性能參數（或性能參數）計算的第一步是進行負載分析，選擇適當的額定（設計）壓力和相匹配的液壓缸內徑，以滿足負載要求；根據活塞桿伸出速度要求選擇液壓泵的供液流量；根據速比要求確定活塞桿直徑；再根據選擇的液壓缸內徑D和活塞桿直徑d進行結構的設計和校核。 3.2.1 液壓缸的液壓力分析和額定壓力的選擇 1）液壓力分析 假定不計液壓缸回液腔壓力，液壓缸的液壓力有兩種形式，一是作用在活塞上的液壓力即推力；二是作用在活塞桿側環(huán)形面積上的液壓力即拉力。有些液壓缸主要做功力為推力，如自卸汽車的液壓缸，有些則是以拉力為主要做功力，如皮帶機液壓張緊裝置的張緊液壓缸。單活塞桿單作用液壓缸作伸出運動時的一般模型如圖3-1所示。 圖3-1 單活塞桿單作用液壓缸伸出運動模型 液壓力計算式如下： （3-1） 式中 ——作用在活塞上的液壓力（推力），； ——進液腔壓力(產生推力時液壓缸無桿腔進液），； ——活塞(無桿腔面積），,； ——有桿腔面積(活塞桿側環(huán)形面積），，； ——液壓缸內徑（活塞外徑），； ——活塞桿直徑，； 由式（3-1）知，當較大時，在負載相同的條件下，液壓缸所需的額定壓力較低；反之，則需要的額定壓力較高。一些在重載荷下工作的液壓機械，為減小液壓裝置的重量和體積，都趨向于采用高壓或超高壓，但過高的工作壓力就要對液壓缸強度、剛度、密封的可靠性及液壓泵的品質提出更高的要求，反而提高了制造成本。國內外對液壓缸的綜合經濟性研究表明，以優(yōu)質碳素鋼制造的液壓缸最佳工作壓力為。綜合經濟性包括液壓缸重量與工作壓力的關系，液壓缸制造成本與工作壓力的關系。 由于液壓缸設計是液壓系統(tǒng)的一部分，液壓缸的綜合經濟性并不能保證整機的經濟性。另外，在一定的外負荷條件下，工作壓力較低則液壓缸的直徑較大，工作時有較多的油液通過，易于精確地控制流量，以獲得平穩(wěn)的低速運動。 2） 額定壓力 也稱公稱壓力，是液壓缸能以長期工作的壓力。國家標準（等效）規(guī)定了液壓缸的公稱壓力系列，見表3-1所列。液壓缸的實際工作壓力決定于負載，一般以為宜。 選擇液壓缸的工作壓力可以采用類比的方法，參照其他同類機械設備的工作壓力，并按實際情況加以適當調整，可參看表3-2和表3-3。 表3-1 液壓缸的公稱壓力(GB7938-1987) 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10.0 16.0 25.0 31.5 40.0 表3-2 各類液壓設備常用的設計壓力 主機類型 設計壓力 機 床 精加機床如磨床） 0.8~2 半精加機床如組合機床） 3~5 龍門刨床 2~8 拉床 8~10 農業(yè)機械、小型工程機械、工程機械輔助機構 10~16 液壓機、大中型挖掘機、中型機械、起重運輸機械 20~32 表3-3 根據負載選擇壓力 負載/KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 ≥50 設計壓力/MPa <0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥50 由已知推舉力為2t得， 同時由于自卸汽車屬于小型工程機械，故由表3-2知液壓缸的工作壓力在10~16MPa間選取。由表3-1查得液壓缸的公稱壓力。 3.2.2 液壓缸內徑和外徑 1) 缸筒內徑（缸徑） 對于推力負載的液壓缸，可根據下式計算缸筒內徑并把它圓整到規(guī)定的系列尺寸： （3-2） （3-3） 式中 ——缸筒內徑，； ——推力負載（取最大負載值），； ——供液壓力（回液壓力為大氣壓），； ——液壓缸總效率； ——機械效率（初算時可取）； ——密封效率（活塞密封為彈性材料可取）； —— 回油效率（排油直接回油箱可?。?。 將 ，，代入式 （3-2）得 （3-4） 將 ,， 代入式（3-4）得 由表3-4所列，缸筒內徑即活塞直徑（名義尺寸相同，公差不同），國家標準GB/T2348-1993（等效于ISO3320-1987）規(guī)定了液壓缸內徑（缸徑）尺寸系列。 表3-4 液壓缸內徑系列GB/T2348-1993/mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 110 125 140 160 （180） 200 （220） 250 280 320 360 400 450 500 注釋 括號尺寸為非優(yōu)選系列 綜上可知缸筒內徑。 2） 缸筒外徑 根據額定工作壓力及液壓缸內徑選擇 所以， 3.2.3 活塞桿外徑（桿徑） 國家標準GB/T2348-1993（等效于ISO3320-1987）規(guī)定了液壓缸活塞桿外徑（桿徑）尺寸系列，見表3-5所列。 表3-5 液壓缸活塞桿（桿徑）系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 60 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 由前面敘述可以看出，除額定壓力與活塞外徑外，液壓缸基本參數還有一個即活塞桿直徑。的取值總是與活塞外徑的取值相聯系。這種聯系可用液壓缸速度比來表示。液壓缸速比可用活塞（桿）退回速度（有桿）腔供液與活塞（桿）伸出速度（無桿）腔供液表示為 得， （3-5） 速比是在設計時要確定的參數之一。而的取值與工作壓力相關，一般來說，工作壓力小時可取較小的值，工作壓力高時可取較大的值，可參照表3-6確定之。 表3-6 液壓缸速比與工作壓力的關系 工作壓力/ <10 12.5~20 >20 速比 1.33 1.46,2 2 由于，故取。 確定速度比的主要目的是為了計算活塞桿的直徑及考慮液壓缸是否要設計緩沖裝置。速度比不宜過大，過大時，雖然活塞桿直徑也較大，有利于穩(wěn)定性，但導致活塞桿側環(huán)形面積變小而引起壓力升高（拉力）時，同時也導致（回液）時速度升高，容易產生較大的背壓或引起壓力沖擊（無緩沖裝置）時。反之，速度比過小時，則導致活塞桿較細，對穩(wěn)定性不利。液壓缸速度比的取值應符合國家標準（等效于之規(guī)定）；根據式（3-5）和國家標準之規(guī)定計算的活塞桿直徑與液壓缸內徑的關系如表3-7所列；在設計時，表3-7中的計算值應圓整到國家標準（等效于規(guī)定）的活塞桿直徑尺寸系列值。 表3-7 根據速度比計算的與的關系 速度比值 1.06 1.12 1.25 1.33 1.46 1.61 2 2.5 活塞桿直徑d 0.24D 0.36D 0.45D 0.5D 0.56D 0.62D 0.7D 0.77D 由 查上表得，，最后查國家標準 定出。 活塞桿有實心式（整體式）和空心式（分體焊接式）兩種情況，一般情況下應采用實心式?？招氖匠Ｓ糜谔厥庖蟮那闆r下（如伺服液壓缸中的活塞桿內必須裝有傳感器）。為節(jié)約材料，有些文獻是推薦或時采用空心結構，但會造成生產成本的增加。所以，該活塞桿做成實心式的。 3.2.4 液壓缸基本參數的校核 1) 缸筒厚度強度校核 由于，得 當 時， 校核公式： （3-6） 式中 ——缸筒厚度，； ——最大工作壓力，； ——液壓缸內徑，； ——缸體材料許用應力，， ——安全系數，一般； ——缸體材料抗拉強度，。 綜合考慮選擇缸筒材料為，故 將，，代入式（3-6）得 所以，滿足條件 2）活塞桿直徑強度校核 校核公式如下： (3-7) 式中 ——活塞桿直徑，； ——外負載力，； ——活塞桿材料許用應力，，； ——安全系數，一般； ——活塞桿材料抗拉強度，。 綜合考慮選擇活塞桿材料為35號鋼，故 將，代入式（3-7）得 所以，滿足條件 3.3 液壓缸綜合結構參數及安全系數的選擇 3.3.1 液壓缸綜合結構參數 活塞外徑和活塞桿直徑是液壓缸的基本結構參數，除和外，液壓缸的結構參數尚有活塞行程、缸體長度、活塞寬度B、活塞桿長度及活塞桿頭部及尾部的結構型式及尺寸、導向距離、油口直徑及接口螺紋（或法蘭）尺寸。液壓缸的行程應根據工作需要設定，為簡化制造工藝和節(jié)約制造成本，應采用標準化行程尺寸系列參數。為減小活塞桿伸出時與缸體軸線的偏斜，液壓缸應有合理的導向長度。 3.3.2 安全系數的選擇 液壓缸結構參數確定下來之后（最終定下來至少要反復一次）便可進行結構的具體設計：零件的形狀、尺寸和加工要求、材料、連接方式并進行強度校核，為做到設計合理化，這時涉及到安全系數的選擇。 安全系數的選擇并沒有硬性規(guī)定，但必須在保證安全的條件下，盡量選擇較小的數值。安全系數過大，不僅造成不必要的浪費，提高了成本，而且導致所設計的液壓缸外形尺寸大，重量也較大，常常不能適應工作要求。但安全系數也不能取得太低，以免發(fā)生事故。 影響液壓缸安全性因素多，可大致歸為五個方面： (1) 液壓沖擊。高壓或高速液壓缸急劇換向、液壓缸進入緩沖行程瞬間、液壓缸運行中突然制動（或油路突然阻切斷），都會產生液壓沖擊。假設靜負荷時液壓沖擊因素所決定的安全系數為，那么有輕度液壓沖擊時安全系數取,較強液壓沖擊取安全系數，特強液壓沖擊安全系數可取。 (2) 機械沖擊。液壓缸承受強的沖擊載荷(如鍛壓機或活塞—活塞桿承受較大的慣性力負載)運動到行程末端時（無緩沖裝置），容易發(fā)生機械沖擊。輕度的機械沖擊安全系數可取，沖擊較大時安全系數可取。 (3) 材料。液壓缸零件的材料是決定液壓缸安全系數的重要因素之一。脆性材料(如鑄鐵)承受沖擊的能力差，安全系數要取大一些，一般可取。塑料材料承受沖擊的能力優(yōu)于脆性材料，在斷裂之前要經過塑性變形，安全系數可取低些，一般為。如果采用鍛造或冷擠壓的材料，安全系數可取更小些。液壓缸常用材料的安全系數及許用應力可參看表3-8所列。 表3-8 液壓缸常用材料的安全系數和許用應力 機械 類型 材料 缸筒 缸底平底） 活塞桿 n 許用應力 n 許用應力 n 許用應力 工程 機械 碳鋼20 碳鋼45 鑄鋼35 2．5～4 105～168 120 140 90～110 2～3 195～203 注 釋 1. 此表根據統(tǒng)計資料整理，僅供參考；2. 缸蓋的安全系數可參考缸底；3. 連接和緊固件安全系數為1.5～2.5。 (4) 其他因素。如液壓缸的工作溫度較低時，材料性質變脆，在高溫下零件容易發(fā)生蠕變；液壓缸尺寸較大時，安全系數可小些，小型零件的安全系數要取大些；液壓缸承受偏心或橫向負載時安全系數要取大些等。 (5) 不可預見的因素。除前面所列的影響液壓缸安全的因素外，液壓缸的破壞因素尚有許多不可預見的因素。由不可預見的因素決定的安全系數一般可取。上述的諸多因素也不一定對每一個零件都產生影響，這需要對每一個零件的工作情況作具體分析，但液壓缸的關鍵零件及連接部位的安全系數要取大些。液壓缸的綜合安全系數可按下式計算 式中 ——材料因素決定的安全系數（最重要）； ——機械沖擊因素決定的安全系數； ——液壓沖擊因素決定的安全系數； ——不可預見的因素決定的安全系數； ——其它因素決定的安全系數 3.4 液壓缸底座結構設計 圖3-2所示的液壓缸底座是為底部鉸支安裝的液壓缸而設計的，相應的尺寸見表3-9所列。它與缸筒為焊接連接，材料為焊接性能較好的。  技術要求： （1）正火處理；（2）鑄件不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷； （3）鑄造圓角R=3~5；（4）未注明倒角245。 圖3-2 液壓缸底座 3.5 缸體設計與計算 液壓缸的設計相對較簡單，但并不是輕而易舉的，而是一件細致的工作。如果白手起家設計一臺液壓缸，那也是相當耗時和費力的。尤其對第一次從事液壓元件設計的新手來說，最大的困難并不是理論計算，而是零件圖的細節(jié)設計：結構形狀的構思、配合精度等級的選擇、形位公差的確定、工藝要求和技術要求等。 液壓缸設計是一個交叉設計過程，不是一次設計可以完成的，只有經過多次反復才能最終確定下來。 對單活塞桿液壓缸來說，缸體通常由缸底（底蓋）、缸筒、缸頭（與前端蓋的連接部位）組成。缸體的結構要根據安裝或工作要求確定。對于缸體軸線擺動的液壓缸，可采用兩端鉸支安裝或中間耳軸支承安裝型式。兩端鉸支安裝或中間耳軸支承（鉸支）安裝的液壓缸，缸底通常為平底，與缸筒焊接連接。缸頭結構形式有多種，不主張使用卡環(huán)式或螺紋式，建議使用法蘭式，以利于液壓缸的密封。對端部法蘭型液壓缸，缸頭采用焊接法蘭比較方便，特殊需要時，可將頭部墩粗，加工螺紋孔以安裝法蘭的前端蓋。對于耳軸安裝方式，一般應將耳軸設置 在液壓缸頭部位置，以利于液壓缸的穩(wěn)定。圖3-3為工程機械中常用的焊接式法蘭缸體，它與圖3-2所示的底座焊接在一起，則構成了液壓缸完整的缸體組件。缸筒與頭部法蘭座材料為，油口為35號鋼。缸筒、頭部法蘭座、油口結構及相應尺寸見零件圖所示。有關配合精度等級可參照類似零件選擇之。 序號 名稱 件數 材料 1 缸筒 1 2 油口 1 35 3 法蘭座 1 圖3-3 法蘭式缸體 3.5.1 缸筒設計 1）缸筒與缸蓋的連接形式 缸體的結構型式即缸筒與端蓋的連接方式，它與液壓缸的用途、工作壓力、使用環(huán)境及安裝要求等因素有關。 端蓋分為前端蓋和后端蓋。前端蓋將活塞桿（柱塞）腔封閉，并起著為活塞桿導向、密封和防塵之作用。后端蓋即缸底將缸筒內腔一端封閉，并通常起著將液壓缸與其他機件連接的作用。 缸筒與端蓋常見的連接方式有八種：拉桿式、法蘭式、焊接式、內螺紋和外螺紋式、內卡環(huán)和外卡環(huán)式和鋼絲擋圈式，其中焊接式只適應缸筒與后端蓋的連接。 對于固定機械，若尺寸與質量沒有特殊要求時，建議采用法蘭式連接，該連接方式結構較簡單、易加工、易裝卸、使用廣泛，如圖3-3所示。故該液壓缸缸 筒與缸蓋采用焊接法蘭式連接。 圖3-4 缸筒與缸蓋法蘭式連接 2） 對缸筒的要求 缸筒是液壓缸的主要零件，它與端蓋、活塞構成密封容腔，用以容納壓力油液、驅動負載而做功，因而對其有強度、剛度、密封等方面的要求。 (1) 要有足夠的強度，在長期承受額定工作壓力和短期動態(tài)實驗壓力下而不致產生永久變形。 (2) 要有足夠的剛度，能承受活塞側向力和安裝時的反作用力而不致產生彎曲。 (3) 密封的可靠性。缸筒內表面與活塞密封組件、支承環(huán)處的尺寸公差等級、形位公差精度設計要合理，既要保證可靠的密封要求，又要減小磨損。 (4) 需要焊接的缸筒要有良好的可焊性，以便在焊接法蘭或缸底或接頭后不致于產生裂紋或過大的變形。 以上要求靠缸筒材料的適當選擇和設計制造時的合理工藝要求來保證。 3) 缸筒的材料選擇 (1) 缸筒的毛坯普遍采用退火的冷拔或熱軋的無縫鋼管，市場上已有內孔經過珩磨或內孔經過精加工的半成品，只需按所要求的長度切割無縫鋼管，材料有、、號鋼和合金鋼。 （2） 對于工作溫度低于的液壓缸缸筒，必須用或號鋼，且要作調質處理。 (3) 與缸蓋或法蘭焊接的缸筒，使用號鋼，機械預加工后再調質。不與其他零件焊接的缸筒，使用調質的號鋼。 （4） 缸壁較厚的缸筒，采用鑄鐵或鍛件，或用厚鋼板卷成筒形，焊接后退火，焊縫需用光射線或磁力探傷檢查。常用的材料有碳素鋼：、、號等；普通低合金結構鋼如、等；合金結構鋼如、、35CrMo-ALA等；不銹鋼如等；鋁合金：、、等；鑄鋼如ZG230-450、ZG310-500等；防銹鋁合金如、等。 4) 缸筒加工的技術要求 缸筒的技術要求高，工藝過程復雜，是液壓缸中最難加工的零件。缸筒的技術要求要合理，過高時將會導致制造成本的大幅提高，過低時又將影響液壓缸的工作性能和使用壽命。一般來說可分為如下幾個方面： (1) 缸筒內徑公差等級和表面粗糙度 缸筒與活塞一般采用基孔制的間隙配合?；钊捎孟鹉z、塑料、皮革材質密封件時，缸筒內孔可采用，公差等級，與活塞組成、、、、、、、等不同的間隙配合。缸筒內孔粗糙度為。采用活塞環(huán)密封時，缸筒內孔公差等級一般要取，與活塞組成、、、等不同的間隙配合，內孔表面粗糙度為。 采用間隙密封時，缸筒內孔公差等級一般取，與活塞組成的間隙配合，表面粗糙度為。 以上配合應盡量不采用對的配合，因為它有可能出現配合過緊的現象。 (2) 缸筒的形位公差(圖3-5) 缸筒內徑的圓度、錐度、圓柱度不大于內徑公差之半；缸筒軸線的直線度誤差不大于，缸筒端面對軸線的圓跳動不大于。 (a) 缸筒加工要求； (b) 安裝部位要求。 圖3-5 缸筒的加工和安裝部位要求 (3) 安裝部位的技術要求（圖3-5） 缸筒端面和端蓋接合面對缸筒軸線的垂直度誤差不大于；安裝缸蓋的螺紋應采用級精度的公制螺紋；采用耳環(huán)（軸）安裝時，耳環(huán)（軸）軸線對缸筒軸線的位置誤差不大于，垂直度誤差不大于；采用銷軸安裝時，位置誤差不大于，垂直度誤差不大于。 (4) 其他技術要求（圖3-5） 缸筒內徑端部倒角，或倒以上的圓角，表面粗糙度不低于，以免裝配時損傷密封件。 缸筒端部需要焊接時，缸筒內部工作表面到焊縫的距離不得小于。 熱處理調質硬度。 為防腐蝕和提高壽命，缸筒內孔鍍鉻厚度，然后進行研磨式拋光。 需要在缸筒上焊接法蘭、油口、排氣閥座時，都必須在半精加工之前進行，以免精加工后焊接而引起內孔變形。缸筒外表面涂油漆。 5） 缸筒的結構設計(見零件圖) 技術要求：除φ及其⊥面外，其余焊后加工 圖3-6 缸筒 3.5.3 缸頭和油口設計 1） 油口設計 液壓缸進出油口如圖3-7所示，油口的設計涉及的問題有：油口尺寸、位置尺寸、與外界的連接方式。油口的對外連接方式多為普通的細牙螺紋，液壓缸油口連接螺紋應符合GB/T2878-1993之規(guī)定，見表3-9所示。該液壓缸油口油口通常開設在缸筒上，其結構及尺寸見零件圖所示。 （a）進油口 （b）出油口 圖3-7 油口 表3-9 液壓缸油口連接螺紋GB/T2878-1993）/mm 　M50.8 　M81 　M101 M121.5 M141.5 M161.5 M181.5 M201.5 M221.5 M272 　M332 M422 　M502 　M602 　 油口多采用螺紋連接，推薦使用快速管接頭，安裝拆卸方便。油口開設在缸筒上時，要加焊凸臺，增加螺紋長度；管接頭處要注意加密封圈。 2） 缸筒頭部設計 缸筒頭部即缸筒與前端蓋的連接處結構，其結構如圖3-7所示；其機構尺寸見零件圖。 技術要求：（1）采用鑄鋼件時需正火處理；（2）鑄件不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷；（3）φ2及⊥面焊后加工。 圖3-8 法蘭座 3.6 活塞組件設計 除非有特殊要求或說明，一般通常默認活塞組件是液壓缸的直接做功元件?；钊M件的主體是活塞與活塞桿。除此之外，還有活塞支承環(huán)和密封件、活塞與活塞桿的密封件、活塞桿與活塞的連接件及活塞桿頭部連接件、活塞桿的導向環(huán)與密封件及防塵圈（三者都在液壓缸的端蓋中）。 3.6.1 活塞桿設計 1）活塞桿的材料和技術要求 活塞桿有空心式和實心式兩種，實