第五章 液压系统的执行元件
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液压缸的设计和计算是在对整个液压系统进行工况分析， 计算了最大负载力，先定了工作压力的基础上进行的。因此， 首先要根据使用要求确定结构类型，在按照负载情况，运动要 求决定液压缸的主要结构尺寸，最后进行结构设计。
液压缸的设计内容和步骤 (1)选择液压缸的类型和各部分结构形式。 (2)确定液压缸的工作参数和结构尺寸。 (3)结构强度、刚度的计算和校核。 (4)导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计。 (5)绘制装配图、零件图、编写设计说明书。
液压缸的典型结构——拉杆液压缸结构
缸体组件
活塞组件
密封装置
要求液压缸所选用的密封元件，在工作压力下具有良好 的密封性能。并且，密封性能应随着压力升高而自动提高， 使泄漏不致因压力升高而显著增加。
液压缸常用的密封方法：
间隙密封 密封元件的密封 间隙密封
缓冲结构示例
排气装置
5.3 液压缸的设计与计算
2.齿条活塞缸
由两个活塞缸和一套齿条传动 装置组成的复合式缸。
齿轮齿条传动装置将活塞的移 动变成齿轮的传动，用于实现工 作部件的往复摆动或间歇进给运 动。
用在机床的进刀机构、回转工 作台转位、分度装置、液压机械 手等。
3.增压缸
增压缸能将输入的低压油转变为 高压油供液压系统中的高压支路 使用。但它不是能量转换装置， 只是一个增压器件。 不计摩擦力，根据力平衡关系，可有如下等式：
液压缸主要尺寸的确定
1、工作压力的选取
根据液压缸的实际工况，计算出外负载大小， 然后参考下表选取适当的工作力。
液压缸工作压力的确定
负载
缸工作压力
0～0.7
70～140
140 ～250
>250
320
P1(bar）
60
100 ～140 180 ～210
2、活塞杆直径d与缸筒内径D的计算 受拉时：d=(0.3-0.5)D
2
q 4q A1 D2
q 4q A2 D2 d 2
F2 A2 p1 A1 p 2 m
D 4
2
d 2 p1 D 2 p 2 m
差动连接
F3 A1 A2 p1 m
4
d p1 m
3
所谓起动扭矩就是马达由静止状态起动时马达轴上所能输出的扭矩该扭矩通常大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩所以为了使起动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩要求马达扭矩的脉动小内部摩擦小
第五章 液压缸
5.1 5.2 5.3 5.4 液压缸 液压缸的结构 液压缸的设计与计算 液压马达
液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动
双杆活塞缸的速度推力特性
当两活塞杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞式液压 缸在左右两个方向上的运动速度和推力都相等。
q 4q A D2 d 2
F p1 p2 Am
D 4
2
d 2 p1 p2 m
2.单杆活塞缸
单杆活塞缸只有一端有活塞杆。其两端进出油口 都可通压力油或回油，以实现双向运动，故又称为双 作用单杆活塞缸。 简单连接式（a,b） 差动连接式 (c)
若把两个方向上的输出速度v2和v1的比值称为速度比，记作λv， v 1 则： 2 d D 1
v
v1
在已知D和λv时，可确定d值。 固定方式和工作过程皆与双杆活塞液压缸相同。
d 1 D
2
v
v
运动行程皆为两倍的活塞或缸体的有 效行程。即无论采用其中哪一种形式， 液压缸运动所占空间长度都是两倍行 程。
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时
两种进油方式比较
单杆活塞缸的计算简图
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时
两种进油方式比较
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时
两种进油方式比较
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时
两种进油方式比较
4.液压泵在结构上需保证具有自吸能力，而液压马达就没有这 一要求。
5.4 液压马达
5.叶片泵依靠叶片跟转子一起高速旋转而产生的离心力使叶片 始终贴紧定子的内表面，起封油作用，形成工作容积。若将其 当马达用，必须在液压马达的叶片根部装上弹簧，以保证叶片 始终贴紧定子内表面，以便马达能正常起动。 6.液压马达必须具有较大的起动扭矩。所谓起动扭矩，就是马 达由静止状态起动时，马达轴上所能输出的扭矩，该扭矩通常 大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩，所以，为了使 起动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩，要求马达扭矩的脉动 小，内部摩擦小。
为减轻重量，减少弯曲变形，柱塞常做成空心。
柱塞缸运动速度：
v
4qv d 2
类似差动缸
柱塞缸输出的推力：
F
4
d 2 p1 m
F ( p1 p 2 )
4
d2
柱塞式液压缸特点：
(1)它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方 向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；
(2)柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加 工，故适于做长行程液压缸； (3)工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度； (4)柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂， 造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。
q 4q V 2 V d A1 A2
由上得，差动连接比简单连接:液压缸的推力小，速度高， 正好利用这一点，可使在不加大油源流量的情况下得到较 快的运动速度，这种连接方式被广泛应用于组合机床的液 压动力系统和其他机械设备的快速运动中。
如果要求机床往返快速相等时，即：简单连接向左 运动速度V2 =差动缸向右运动速度V3，则
若有快速返回的要求，则宜用单活塞杆式液压缸，
并可考虑用差动连接。
行程较长时，可采用柱塞缸，以减少加工的困难； 系统的压力比较低，局部需要较大的压力，可用增压缸；
往复摆动运动既可用直线式液压缸加连杆机构或齿轮—— 齿条机构来实现，也可用摆动式液压缸。
5.2 液压缸的结构
一、缸体组件 二、活塞组件 三、液压缸的密封 四、液压缸的缓冲 五、液压缸的排气
三、组合式液压缸
1.伸缩式液压缸
伸缩缸的外伸动作是逐级 进行的。首先是最大直径的缸 筒以最低的油液压力开始外伸， 当到达行程终点后，稍小直径 的缸筒开始外伸，直径最小的 末级最后伸出。随着工作级数 变大，外伸缸筒直径越来越小， 工作油液压力随之升高，工作 速度变快。
伸缩缸结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和 农业机械上。
受压时：d=(0.5-0.55)D (p1<5mpa)
d=(0.6-0.7)D (5mpa< p1<7mpa)
d=0.7D
(p1>7mpa)
3、液压缸缸筒壁厚和外径的计算 缸筒最薄处壁厚：δ≥pyD/2(σ) δ—缸筒壁厚；D—缸筒内径； py—缸筒度验压力，当额定压Pn>160x105Pa时， Py=1.25Pn ；
4q 4q 2 2 ( D d ) d 2
D 2d
单杆活塞缸应用
单杆活塞液压缸连接不同速度不同，可实现如下工作循 环： （差动连接） （无杆腔进油） （有杆腔进油） 快进 → 工进 → 快退 v3、F3 v1、F1 v2、F2
二、柱塞式液压缸
柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压 盖等零件组成，柱塞和缸筒无配合关系， 只是柱塞与缸盖上的导向套有配合关系。 因此缸筒内壁不需精加工，特别适用于行 程较长的场合。
双杆活塞缸的两端都有活塞伸出。一般由缸筒、缸盖、 活塞、活塞杆和密封件等零件构成。缸筒与缸盖用法兰 连接，活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封。
根据安装方式不同分为:
1.双杆活塞缸
缸筒固定式和活塞杆固定 式
缸筒固定，活塞运动：工作台运动所占空间长度为活塞有
效行程的三倍（图a）。一般多用于小机床； 活塞杆固定，缸筒运动：工作台运动所占空间长度为液压 缸有效行程的两倍（图b），适用于中型及大型机床。
液压缸、液压泵、液压马达的共性
油缸油泵油马达，工作原理属一家： 能量转化共同点，均靠容积来变化； 出油容积必缩小，进油容积则扩大。 油泵输出压力油，出油当然是高压， 缸和马达与泵反，出油自然是低压。 工作压差看负载，负载含义要记下： 油泵不仅看外载，管路阻力也得加， 缸和马达带负载，压差只是克服它。 流量大小看速度，再看排量小与大， 单位位移需油量，排量含义就是它。
A1 P1 A2 P2
A1 p2 p1 A2
比值 A1 / A2 称为增压比。
由于 A1 / A2 1 因此压力 p 2 被放大，从而起到增压的作用。
各种类型液压缸的选择
机器的往复直线运动直接采用液压缸来实现是最简单方便 的。
若要求往返运动速度一致，可采用双活塞杆式液压缸；
4
q 4q V 2 V d A1 A2
d 2 p1 m
特点:
差动连接是在不增加液压泵容 量和功率的条件下，实现快速运 动的有效办法。
简单连接
F1 A1 p1 A2 p 2 m
D 4
2
p1 D 2 d 2 p 2 m
2
1
5.4 液压马达
液压马达是把液体的压力能转换为机械能 的装置。同类型的液压泵和液压马达结构 上相似，但工作情况不同，使得结构上也 有差异。
1.液压马达一般需要正反转，故在内部结构上应具有对称性， 而液压泵一般是单方向旋转的，没有这一要求。 2.为了减小吸油阻力，减小径向力，一般液压泵的吸油口比出 油口的尺寸大。而液压马达低压腔的压力稍高于大气压力，所 以没有上述要求。 3.液压马达要求能在很宽的转速范围内正常工作，因此，应采 用液动轴承或静压轴承。因为当马达速度很低时，若采用动压 轴承，就不易形成润滑滑膜。
（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可
靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没 有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中 得到广泛应用。
翻 斗 车 机 构 机 床 工 作 台 往 复 运 动
5.1
液压缸的类型和工作原理
一、活塞式液压缸
1.单杆活塞缸 2.双杆活塞缸
1）由于两腔面积不等,A1 > A2，所以F1＞F2，v1＜v2。 2）流量相同时速度不等；压力相同时推力不等。 即不具有等推力等速度特性。 3）活塞杆伸出时，F较大，v较小，适用于重载慢速; 活塞杆缩回时，F较小，v较大，适用于轻载快速。
单杆活塞缸简单连接结论
活塞杆直径越小，两个方向速度差值越小。
（2）差动连接
单杆活塞缸两腔同 时通入流体时，利 用两端面积差进行 工作的连接形式。
差动连接的缸只能一个方向运动，图示 为向右。在差动连接时，有杆腔排出流 量进入无杆腔，液压缸的运动速度和推 力分别为： 流量连续性方程
3
q q
,
A1
v
q A2 3
A1
v
3
F3 A1 A2 p1 m
(σ)—缸筒材料许用应力。(σ)=σb/n。
4、活塞杆的计算 直径强度校核：d≥[4F/π(σ)]1/2 d—活塞杆直径；F—液压缸的负载； (σ)—活塞杆材料许用应力，(σ)=σb/n。 5、液压缸缸筒长度的确定 缸筒长度根据所需最大工作行程而定。活塞杆长度根 据缸筒长度而定。对于工作行程受压的活塞杆，当活塞 杆长度与活塞杆直径之比大于15时，应按材料力学有关 公式对活塞进行压杆稳定性验算。
液压缸的设计内容和步骤 (1)选择液压缸的类型和各部分结构形式。 (2)确定液压缸的工作参数和结构尺寸。 (3)结构强度、刚度的计算和校核。 (4)导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计。 (5)绘制装配图、零件图、编写设计说明书。
液压缸的典型结构——拉杆液压缸结构
缸体组件
活塞组件
密封装置
要求液压缸所选用的密封元件，在工作压力下具有良好 的密封性能。并且，密封性能应随着压力升高而自动提高， 使泄漏不致因压力升高而显著增加。
液压缸常用的密封方法：
间隙密封 密封元件的密封 间隙密封
缓冲结构示例
排气装置
5.3 液压缸的设计与计算
2.齿条活塞缸
由两个活塞缸和一套齿条传动 装置组成的复合式缸。
齿轮齿条传动装置将活塞的移 动变成齿轮的传动，用于实现工 作部件的往复摆动或间歇进给运 动。
用在机床的进刀机构、回转工 作台转位、分度装置、液压机械 手等。
3.增压缸
增压缸能将输入的低压油转变为 高压油供液压系统中的高压支路 使用。但它不是能量转换装置， 只是一个增压器件。 不计摩擦力，根据力平衡关系，可有如下等式：
液压缸主要尺寸的确定
1、工作压力的选取
根据液压缸的实际工况，计算出外负载大小， 然后参考下表选取适当的工作力。
液压缸工作压力的确定
负载
缸工作压力
0～0.7
70～140
140 ～250
>250
320
P1(bar）
60
100 ～140 180 ～210
2、活塞杆直径d与缸筒内径D的计算 受拉时：d=(0.3-0.5)D
2
q 4q A1 D2
q 4q A2 D2 d 2
F2 A2 p1 A1 p 2 m
D 4
2
d 2 p1 D 2 p 2 m
差动连接
F3 A1 A2 p1 m
4
d p1 m
3
所谓起动扭矩就是马达由静止状态起动时马达轴上所能输出的扭矩该扭矩通常大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩所以为了使起动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩要求马达扭矩的脉动小内部摩擦小
第五章 液压缸
5.1 5.2 5.3 5.4 液压缸 液压缸的结构 液压缸的设计与计算 液压马达
液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动
双杆活塞缸的速度推力特性
当两活塞杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞式液压 缸在左右两个方向上的运动速度和推力都相等。
q 4q A D2 d 2
F p1 p2 Am
D 4
2
d 2 p1 p2 m
2.单杆活塞缸
单杆活塞缸只有一端有活塞杆。其两端进出油口 都可通压力油或回油，以实现双向运动，故又称为双 作用单杆活塞缸。 简单连接式（a,b） 差动连接式 (c)
若把两个方向上的输出速度v2和v1的比值称为速度比，记作λv， v 1 则： 2 d D 1
v
v1
在已知D和λv时，可确定d值。 固定方式和工作过程皆与双杆活塞液压缸相同。
d 1 D
2
v
v
运动行程皆为两倍的活塞或缸体的有 效行程。即无论采用其中哪一种形式， 液压缸运动所占空间长度都是两倍行 程。
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时
两种进油方式比较
单杆活塞缸的计算简图
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时
两种进油方式比较
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时
两种进油方式比较
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时
两种进油方式比较
4.液压泵在结构上需保证具有自吸能力，而液压马达就没有这 一要求。
5.4 液压马达
5.叶片泵依靠叶片跟转子一起高速旋转而产生的离心力使叶片 始终贴紧定子的内表面，起封油作用，形成工作容积。若将其 当马达用，必须在液压马达的叶片根部装上弹簧，以保证叶片 始终贴紧定子内表面，以便马达能正常起动。 6.液压马达必须具有较大的起动扭矩。所谓起动扭矩，就是马 达由静止状态起动时，马达轴上所能输出的扭矩，该扭矩通常 大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩，所以，为了使 起动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩，要求马达扭矩的脉动 小，内部摩擦小。
为减轻重量，减少弯曲变形，柱塞常做成空心。
柱塞缸运动速度：
v
4qv d 2
类似差动缸
柱塞缸输出的推力：
F
4
d 2 p1 m
F ( p1 p 2 )
4
d2
柱塞式液压缸特点：
(1)它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方 向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；
(2)柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加 工，故适于做长行程液压缸； (3)工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度； (4)柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂， 造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。
q 4q V 2 V d A1 A2
由上得，差动连接比简单连接:液压缸的推力小，速度高， 正好利用这一点，可使在不加大油源流量的情况下得到较 快的运动速度，这种连接方式被广泛应用于组合机床的液 压动力系统和其他机械设备的快速运动中。
如果要求机床往返快速相等时，即：简单连接向左 运动速度V2 =差动缸向右运动速度V3，则
若有快速返回的要求，则宜用单活塞杆式液压缸，
并可考虑用差动连接。
行程较长时，可采用柱塞缸，以减少加工的困难； 系统的压力比较低，局部需要较大的压力，可用增压缸；
往复摆动运动既可用直线式液压缸加连杆机构或齿轮—— 齿条机构来实现，也可用摆动式液压缸。
5.2 液压缸的结构
一、缸体组件 二、活塞组件 三、液压缸的密封 四、液压缸的缓冲 五、液压缸的排气
三、组合式液压缸
1.伸缩式液压缸
伸缩缸的外伸动作是逐级 进行的。首先是最大直径的缸 筒以最低的油液压力开始外伸， 当到达行程终点后，稍小直径 的缸筒开始外伸，直径最小的 末级最后伸出。随着工作级数 变大，外伸缸筒直径越来越小， 工作油液压力随之升高，工作 速度变快。
伸缩缸结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和 农业机械上。
受压时：d=(0.5-0.55)D (p1<5mpa)
d=(0.6-0.7)D (5mpa< p1<7mpa)
d=0.7D
(p1>7mpa)
3、液压缸缸筒壁厚和外径的计算 缸筒最薄处壁厚：δ≥pyD/2(σ) δ—缸筒壁厚；D—缸筒内径； py—缸筒度验压力，当额定压Pn>160x105Pa时， Py=1.25Pn ；
4q 4q 2 2 ( D d ) d 2
D 2d
单杆活塞缸应用
单杆活塞液压缸连接不同速度不同，可实现如下工作循 环： （差动连接） （无杆腔进油） （有杆腔进油） 快进 → 工进 → 快退 v3、F3 v1、F1 v2、F2
二、柱塞式液压缸
柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压 盖等零件组成，柱塞和缸筒无配合关系， 只是柱塞与缸盖上的导向套有配合关系。 因此缸筒内壁不需精加工，特别适用于行 程较长的场合。
双杆活塞缸的两端都有活塞伸出。一般由缸筒、缸盖、 活塞、活塞杆和密封件等零件构成。缸筒与缸盖用法兰 连接，活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封。
根据安装方式不同分为:
1.双杆活塞缸
缸筒固定式和活塞杆固定 式
缸筒固定，活塞运动：工作台运动所占空间长度为活塞有
效行程的三倍（图a）。一般多用于小机床； 活塞杆固定，缸筒运动：工作台运动所占空间长度为液压 缸有效行程的两倍（图b），适用于中型及大型机床。
液压缸、液压泵、液压马达的共性
油缸油泵油马达，工作原理属一家： 能量转化共同点，均靠容积来变化； 出油容积必缩小，进油容积则扩大。 油泵输出压力油，出油当然是高压， 缸和马达与泵反，出油自然是低压。 工作压差看负载，负载含义要记下： 油泵不仅看外载，管路阻力也得加， 缸和马达带负载，压差只是克服它。 流量大小看速度，再看排量小与大， 单位位移需油量，排量含义就是它。
A1 P1 A2 P2
A1 p2 p1 A2
比值 A1 / A2 称为增压比。
由于 A1 / A2 1 因此压力 p 2 被放大，从而起到增压的作用。
各种类型液压缸的选择
机器的往复直线运动直接采用液压缸来实现是最简单方便 的。
若要求往返运动速度一致，可采用双活塞杆式液压缸；
4
q 4q V 2 V d A1 A2
d 2 p1 m
特点:
差动连接是在不增加液压泵容 量和功率的条件下，实现快速运 动的有效办法。
简单连接
F1 A1 p1 A2 p 2 m
D 4
2
p1 D 2 d 2 p 2 m
2
1
5.4 液压马达
液压马达是把液体的压力能转换为机械能 的装置。同类型的液压泵和液压马达结构 上相似，但工作情况不同，使得结构上也 有差异。
1.液压马达一般需要正反转，故在内部结构上应具有对称性， 而液压泵一般是单方向旋转的，没有这一要求。 2.为了减小吸油阻力，减小径向力，一般液压泵的吸油口比出 油口的尺寸大。而液压马达低压腔的压力稍高于大气压力，所 以没有上述要求。 3.液压马达要求能在很宽的转速范围内正常工作，因此，应采 用液动轴承或静压轴承。因为当马达速度很低时，若采用动压 轴承，就不易形成润滑滑膜。
（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可
靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没 有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中 得到广泛应用。
翻 斗 车 机 构 机 床 工 作 台 往 复 运 动
5.1
液压缸的类型和工作原理
一、活塞式液压缸
1.单杆活塞缸 2.双杆活塞缸
1）由于两腔面积不等,A1 > A2，所以F1＞F2，v1＜v2。 2）流量相同时速度不等；压力相同时推力不等。 即不具有等推力等速度特性。 3）活塞杆伸出时，F较大，v较小，适用于重载慢速; 活塞杆缩回时，F较小，v较大，适用于轻载快速。
单杆活塞缸简单连接结论
活塞杆直径越小，两个方向速度差值越小。
（2）差动连接
单杆活塞缸两腔同 时通入流体时，利 用两端面积差进行 工作的连接形式。
差动连接的缸只能一个方向运动，图示 为向右。在差动连接时，有杆腔排出流 量进入无杆腔，液压缸的运动速度和推 力分别为： 流量连续性方程
3
q q
,
A1
v
q A2 3
A1
v
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F3 A1 A2 p1 m
(σ)—缸筒材料许用应力。(σ)=σb/n。
4、活塞杆的计算 直径强度校核：d≥[4F/π(σ)]1/2 d—活塞杆直径；F—液压缸的负载； (σ)—活塞杆材料许用应力，(σ)=σb/n。 5、液压缸缸筒长度的确定 缸筒长度根据所需最大工作行程而定。活塞杆长度根 据缸筒长度而定。对于工作行程受压的活塞杆，当活塞 杆长度与活塞杆直径之比大于15时，应按材料力学有关 公式对活塞进行压杆稳定性验算。