第四章 液压缸
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液压 第四章液压缸
= p1
π (D − d )
2 2
4Leabharlann − p2πD4
2
2
= ( p1 − p2 )
πD
4
2
− p1
πd
4
因为： 因为：A无>A有 比较上述结果： 比较上述结果：v <v有，F无>F有
无
即活塞杆伸出时，速度较慢，推力较大； 即活塞杆伸出时，速度较慢，推力较大； 活塞杆缩回时，速度较快，推力较小。 活塞杆缩回时，速度较快，推力较小。 因此适用于伸出时承受工作载荷，缩回时为 因此适用于伸出时承受工作载荷， 空载或轻载场合。 空载或轻载场合。 速度比： 速度比：
二、柱塞式液压缸（单作用式） 柱塞式液压缸（单作用式）
特点： ）柱塞与缸体不接触。 特点：1）柱塞与缸体不接触。 2 ）柱塞重量大 水平安装时会下垂， 柱塞重量大,水平安装时会下垂 水平安装时会下垂， 引起单边磨损，故多垂直使用。 引起单边磨损，故多垂直使用。 3）柱塞工作时受恒压。 ）柱塞工作时受恒压。 4）柱塞缸是单作用缸。为得到双向 ）柱塞缸是单作用缸。 运动，常成对使用。 运动，常成对使用。
v有 D2 λv = = 2 v无 D − d 2
无
当活塞杆直径愈小时， 差值愈小。 当活塞杆直径愈小时，v 与v有差值愈小。
③差动连接： 差动连接： 当单杆缸两腔同时通入压力 油时，由于无杆腔的有效 由于无杆腔的有效 面积大于有杆腔的有效面 积，则活塞受到的向右的 作用力大于向左的作用力， 作用力大于向左的作用力， 活塞右移， 活塞右移，并将有杆腔的 油液挤出，流进无杆腔， 油液挤出，流进无杆腔， 加快活塞杆的右移速度。 加快活塞杆的右移速度。 这种连接方式称~。 这种连接方式称 。
其运动速度和推力的计算： 其运动速度和推力的计算：
π (D − d )
2 2
4Leabharlann − p2πD4
2
2
= ( p1 − p2 )
πD
4
2
− p1
πd
4
因为： 因为：A无>A有 比较上述结果： 比较上述结果：v <v有，F无>F有
无
即活塞杆伸出时，速度较慢，推力较大； 即活塞杆伸出时，速度较慢，推力较大； 活塞杆缩回时，速度较快，推力较小。 活塞杆缩回时，速度较快，推力较小。 因此适用于伸出时承受工作载荷，缩回时为 因此适用于伸出时承受工作载荷， 空载或轻载场合。 空载或轻载场合。 速度比： 速度比：
二、柱塞式液压缸（单作用式） 柱塞式液压缸（单作用式）
特点： ）柱塞与缸体不接触。 特点：1）柱塞与缸体不接触。 2 ）柱塞重量大 水平安装时会下垂， 柱塞重量大,水平安装时会下垂 水平安装时会下垂， 引起单边磨损，故多垂直使用。 引起单边磨损，故多垂直使用。 3）柱塞工作时受恒压。 ）柱塞工作时受恒压。 4）柱塞缸是单作用缸。为得到双向 ）柱塞缸是单作用缸。 运动，常成对使用。 运动，常成对使用。
v有 D2 λv = = 2 v无 D − d 2
无
当活塞杆直径愈小时， 差值愈小。 当活塞杆直径愈小时，v 与v有差值愈小。
③差动连接： 差动连接： 当单杆缸两腔同时通入压力 油时，由于无杆腔的有效 由于无杆腔的有效 面积大于有杆腔的有效面 积，则活塞受到的向右的 作用力大于向左的作用力， 作用力大于向左的作用力， 活塞右移， 活塞右移，并将有杆腔的 油液挤出，流进无杆腔， 油液挤出，流进无杆腔， 加快活塞杆的右移速度。 加快活塞杆的右移速度。 这种连接方式称~。 这种连接方式称 。
其运动速度和推力的计算： 其运动速度和推力的计算：
第四章：液压缸(含习题答案)
（1）缸筒内径D按液压缸推力或速度公式计算后，从标准GB/T2348-1993中规 定的系列，选取合适的标准值圆整得到。 （2）单杆活塞缸d由D和往返速比求得。
d D 1 1
v
（3）活塞杆直径d也可按受力情况初选，然后根据校核最后确定。 表4-4 活塞杆直径的选取 活塞杆受力情况 受 拉 受压及拉 受压及拉 受压及拉 工作压力p／MPa — p≤5 5＜p≤7 p＞7 活塞杆直径d d = (0.3～0.5) D d = (0.5～0.55) D d = (0.6～0.7) D d = 0.7D
38-30
第三节 液压缸的设计和计算
液压缸设计步骤
一、液压缸工作压力的确定 根据负载计算工作压力，也可根据用途查表。 二、液压缸内径和活塞杆直径的确定 内径根据工作负载和工作压力确定。必要时校核强度。 三、液压缸其他部位尺寸的确定 四、液压缸的强度和刚度校核
38-31
第三节 液压缸的设计和计算
一、液压缸工作压力p的确定 F=pA
注意： ① v3>v1， v3>v2 ； F3<F1 ，F3<F2 ，差 动连接是一种减小推力而获得较高 速度的方法。 ② A1=2A2，则差动液压缸在左右两个 运动方向上速度相等时，推力也相 等。（向左运动：有杆腔通压力油 ，无杆腔排油回油箱）
q 4qVV v1 A1 πD 2
v2
4qVV q A2 π D 2 d 2
38-10
第一节 液压缸的类型及特点
二、柱塞式液压缸 单作用式液压缸大多是柱塞式的，单向液压驱动，靠外力回程。
推力：
π 2 F pA m p d m 4
输出速度：
qV V 4 qV V v A πd 2
d D 1 1
v
（3）活塞杆直径d也可按受力情况初选，然后根据校核最后确定。 表4-4 活塞杆直径的选取 活塞杆受力情况 受 拉 受压及拉 受压及拉 受压及拉 工作压力p／MPa — p≤5 5＜p≤7 p＞7 活塞杆直径d d = (0.3～0.5) D d = (0.5～0.55) D d = (0.6～0.7) D d = 0.7D
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第三节 液压缸的设计和计算
液压缸设计步骤
一、液压缸工作压力的确定 根据负载计算工作压力，也可根据用途查表。 二、液压缸内径和活塞杆直径的确定 内径根据工作负载和工作压力确定。必要时校核强度。 三、液压缸其他部位尺寸的确定 四、液压缸的强度和刚度校核
38-31
第三节 液压缸的设计和计算
一、液压缸工作压力p的确定 F=pA
注意： ① v3>v1， v3>v2 ； F3<F1 ，F3<F2 ，差 动连接是一种减小推力而获得较高 速度的方法。 ② A1=2A2，则差动液压缸在左右两个 运动方向上速度相等时，推力也相 等。（向左运动：有杆腔通压力油 ，无杆腔排油回油箱）
q 4qVV v1 A1 πD 2
v2
4qVV q A2 π D 2 d 2
38-10
第一节 液压缸的类型及特点
二、柱塞式液压缸 单作用式液压缸大多是柱塞式的，单向液压驱动，靠外力回程。
推力：
π 2 F pA m p d m 4
输出速度：
qV V 4 qV V v A πd 2
第4章液压缸
第4章液压缸液压缸是液压系统的执行元件，它将液体的压力能转换成工作机构的机械能，用来实现直线往复运动或小于300o的摆动。
液压缸结构简单，配置灵活，设计、制造比较容易，使用维护方便，被广泛应用于各种机械设备中。
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算液压缸按结构特点，分为活塞缸、柱塞缸、组合缸和摆动缸四类。
其中，活塞缸和柱塞缸用以实现直线运动，输出推力和速度；摆动缸用以实现小于300°的转动，输出转矩和角速度。
组合缸具有较特殊的结构和功用。
工程中以活塞缸应用最为广泛。
液压缸按作用方式和供油方向不同，可分为单作用式和双作用式两种。
单作用液压缸只能从一个方向供油，液压作用力只能使活塞（或柱塞）作单方向运动，反方向运动必须靠外力（如弹簧力或自重等）实现，如图4.1所示；双作用液压缸可从两个方向供油，由液压作用力实现两个方向的运动，如图4.2所示。
图4.1 单作用液压缸(a)无弹簧式(b)弹簧式(c)柱塞式图4.2 双作用液压缸(a)单杆式(b)双杆式4.1.1活塞式液压缸在缸体内作相对往复运动的组件为活塞的液压缸，称活塞缸。
活塞缸可分为双杆式和单杆式两种结构。
按其安装方式的不同，又分为缸体固定式和活塞杆固定式两种。
1.双杆活塞缸双杆活塞缸是活塞两端都带有活塞杆的液压缸，其工作原理如图4.3所示。
双杆活塞缸的特点是当两活塞杆直径相同，分别向两腔的供油压力和流量都相等时，活塞（或缸体）两个方向的运动速度和推力也都相等，即具有等推力、等速度特性。
因此，这种液压缸常用于要求往复运动速度和负载相同的场合，如各种磨床。
（a）（b）(c)图4.3双杆活塞缸(a)缸体固定(b)活塞杆固定(c)职能符号1-缸体2-活塞3-活塞杆4-工作台图4.3(a)为缸体固定式结构简图。
缸体1固定在机床床身上，工作台4与活塞杆3相连。
缸体的两端设有进、出油口，动力由活塞杆传出，进油腔位置与活塞运动方向相反。
当油液从a口进入缸左腔时，推动活塞2带动工作台向右运动，缸右腔中的油液从b口回油；反之，右腔进压力油，左腔回油时，活塞带动工作台向左运动。
第四章 液压缸
2 2 2
(D -d )/d =2
D=
2
2
2
3d
第二节
液压缸的结构
一、液压缸的典型结构和组成
1.液压缸的典型结构举例
1—耳环 2—螺母 3—防尘圈 4.17—弹簧挡圈 5—套 6.15—卡键 7.14—O形密封圈 8.12—Y形密封圈 9—缸盖兼导向套 10—缸筒 11—活塞 13—耐磨环 16—卡键帽 18—活塞杆 19—衬套 20—缸底
① 首先是最大直径的缸筒开始外伸，直径最小的末级最后伸出。 ② 推力一定时，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。 ③ 在输入压力和流量不变前提下，其值为：
1 Fi p1 Di2 4
式中: i 指 i 级活塞缸。
4q vi Di2
④在输入压力不变前提下，随着行程逐级增大，推力逐渐减小，这种推力 的变化正好适合于自动装卸车对推力的要求。
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 ；(σ )—缸筒材料许用应力。(σ )=σ b/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； 料许用应力，(σ )=σ b/n。
D 2d
（二）双杆活塞缸
双杆式活塞缸：活塞两端都 有一根直径相等的活塞杆的 液压缸。 根据安装方式：缸筒固定式 （实心双出杆）、活塞杆固
定式（空心双出杆）两种。
工作特点：
（1）当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右 两个方向的推力和速度相等。
(D -d )/d =2
D=
2
2
2
3d
第二节
液压缸的结构
一、液压缸的典型结构和组成
1.液压缸的典型结构举例
1—耳环 2—螺母 3—防尘圈 4.17—弹簧挡圈 5—套 6.15—卡键 7.14—O形密封圈 8.12—Y形密封圈 9—缸盖兼导向套 10—缸筒 11—活塞 13—耐磨环 16—卡键帽 18—活塞杆 19—衬套 20—缸底
① 首先是最大直径的缸筒开始外伸，直径最小的末级最后伸出。 ② 推力一定时，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。 ③ 在输入压力和流量不变前提下，其值为：
1 Fi p1 Di2 4
式中: i 指 i 级活塞缸。
4q vi Di2
④在输入压力不变前提下，随着行程逐级增大，推力逐渐减小，这种推力 的变化正好适合于自动装卸车对推力的要求。
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 ；(σ )—缸筒材料许用应力。(σ )=σ b/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； 料许用应力，(σ )=σ b/n。
D 2d
（二）双杆活塞缸
双杆式活塞缸：活塞两端都 有一根直径相等的活塞杆的 液压缸。 根据安装方式：缸筒固定式 （实心双出杆）、活塞杆固
定式（空心双出杆）两种。
工作特点：
（1）当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右 两个方向的推力和速度相等。
第4章-液压缸-用.
＝b(D8q2－ vd2 ) b—叶片宽度；D—缸体内径；d—摆动轴直径
2.双叶片式摆动缸 在径向尺寸和工作压力相同的条件下，是单叶片式摆动缸输出转矩 的2倍，但回转角度相应减少，一般不超过150°。
特点和应用： 结构紧凑、输出转矩大，但密封困难。 一般只用于中、低压系统中的往复摆动， 转位或间歇运动的场合。 如：机床回转夹具、送料装置等。
1A 2
18 0
A 1
1 0 0
2.速度计算
缸1 q v1A1
v1A q11 1 0 6 0 1 1 0 0 341.6m/m in
缸2 q1出v1A2 q2进 v2A1
v 2 v 1 A A 1 2 A A 1 2v 1 1 8 0 0 0 1 .6 m /m in 1 .2 8 m /m in
（3）柱塞重量往往比较大，水平放置时容易因自重而下 垂，造成密封件和导向件单边磨损，故柱塞式液压缸垂直使 用较为有利；
（4）当柱塞行程特别长时，仅靠导向套导向不够，可在 缸筒内设置各种不同形式的辅助支承，起到辅助导向的作用。
推力Ｆ F＝pA＝ｐ４ ｄ２
速度ｖ ｖ＝q＝ 4q A d2
2.应用 柱塞式液压缸的主要特点是柱塞与缸筒无配合要求，缸筒 内孔不需精加工，甚至可以不加工。 运动时由缸盖上的导向套来导向，所以它特别适用在行程 较长的场合。
三、摆动式液压缸 摆动式液压缸是输出转矩并实现往复摆动的执行元件。 当通入压力油时，它的主轴能输出小于3600的摆动运动。
单叶片式 双叶片式
1-定子块；2-缸体；3-摆动轴；4-叶片
1.单叶片式摆动缸
当摆动缸进出油口压力为ｐ1和ｐ2，输入流量为 ｑ时，输出转矩Ｔ和角速度ω各为
T＝ b 8(D2－ d2)(p1－ p2)m
2.双叶片式摆动缸 在径向尺寸和工作压力相同的条件下，是单叶片式摆动缸输出转矩 的2倍，但回转角度相应减少，一般不超过150°。
特点和应用： 结构紧凑、输出转矩大，但密封困难。 一般只用于中、低压系统中的往复摆动， 转位或间歇运动的场合。 如：机床回转夹具、送料装置等。
1A 2
18 0
A 1
1 0 0
2.速度计算
缸1 q v1A1
v1A q11 1 0 6 0 1 1 0 0 341.6m/m in
缸2 q1出v1A2 q2进 v2A1
v 2 v 1 A A 1 2 A A 1 2v 1 1 8 0 0 0 1 .6 m /m in 1 .2 8 m /m in
（3）柱塞重量往往比较大，水平放置时容易因自重而下 垂，造成密封件和导向件单边磨损，故柱塞式液压缸垂直使 用较为有利；
（4）当柱塞行程特别长时，仅靠导向套导向不够，可在 缸筒内设置各种不同形式的辅助支承，起到辅助导向的作用。
推力Ｆ F＝pA＝ｐ４ ｄ２
速度ｖ ｖ＝q＝ 4q A d2
2.应用 柱塞式液压缸的主要特点是柱塞与缸筒无配合要求，缸筒 内孔不需精加工，甚至可以不加工。 运动时由缸盖上的导向套来导向，所以它特别适用在行程 较长的场合。
三、摆动式液压缸 摆动式液压缸是输出转矩并实现往复摆动的执行元件。 当通入压力油时，它的主轴能输出小于3600的摆动运动。
单叶片式 双叶片式
1-定子块；2-缸体；3-摆动轴；4-叶片
1.单叶片式摆动缸
当摆动缸进出油口压力为ｐ1和ｐ2，输入流量为 ｑ时，输出转矩Ｔ和角速度ω各为
T＝ b 8(D2－ d2)(p1－ p2)m
第四章 液压缸(柱塞式)
A
缸 筒
柱 塞 p q （ a ） 图4.3柱塞式液压缸
2柱塞式液压缸是 单作用的它的回程 Q V需要借助自重或弹簧
等其它外力来完成。 如果要获得双向运动，
4Q V 2 d
p1
d
可将两柱塞液压缸成
对使用为减轻柱塞的 重量，有时制成空心 d p2 Q
d 2 m
柱塞。成对连接推力
为：
F ( p1 p2 )
4
图4.3柱塞式液压缸
式中：d—柱塞直径，p1—进油压力，p2—另一缸的回油压力。
3
4.1.2 柱塞式液压缸
当活塞式液压缸行程较长时，加工难度大,使得制造成本 增加。 某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸 正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。
A
缸 筒
图4.3柱塞式液压缸
柱 塞 p q
（ a ）
1
如图 4.3 （ a ）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、 导套、密封圈和压盖等零件组成，柱塞和缸筒内 壁不接触，因此缸筒内孔不需精加工，工艺性好， 成本低。
缸 筒
柱 塞 p q （ a ） 图4.3柱塞式液压缸
2柱塞式液压缸是 单作用的它的回程 Q V需要借助自重或弹簧
等其它外力来完成。 如果要获得双向运动，
4Q V 2 d
p1
d
可将两柱塞液压缸成
对使用为减轻柱塞的 重量，有时制成空心 d p2 Q
d 2 m
柱塞。成对连接推力
为：
F ( p1 p2 )
4
图4.3柱塞式液压缸
式中：d—柱塞直径，p1—进油压力，p2—另一缸的回油压力。
3
4.1.2 柱塞式液压缸
当活塞式液压缸行程较长时，加工难度大,使得制造成本 增加。 某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸 正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。
A
缸 筒
图4.3柱塞式液压缸
柱 塞 p q
（ a ）
1
如图 4.3 （ a ）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、 导套、密封圈和压盖等零件组成，柱塞和缸筒内 壁不接触，因此缸筒内孔不需精加工，工艺性好， 成本低。
教学课件第四章液压缸new
四、缓冲装置 当液压缸拖动质量较大的部件快速运动到缸的终端时，会与端盖 发生机械碰撞，产生很大的冲击和噪声，会引起液压缸的损坏。故一 般应在液压缸内设置缓冲装置，或在液压系统中设置缓冲回路。 缓冲的一般原理是：当活塞快速运动到接近缸盖时，通过节流的 方法增大了回油阻力，使液压缸的排油腔产生足够的缓冲压力，活塞 因运动受阻而减速，从而避免与缸盖快速相撞。常见的缓冲装置如图 4-18所示。 1．圆柱形环隙式缓冲装置(图4-18a) 2．圆锥形环隙式缓冲装置(图4-18b) 3．可变节流槽式缓冲装置(图4-18c) 4. 可调节流孔式缓冲装置(图4-18d)
系列值(可查液压设计手册) 。
(二)活塞杆直径d
活塞杆直径d可根据工作压力或设备类型选取，见表4-1和表4-2。
计算所得活塞杆直径d 亦应圆整为标准系列值(可查液压设计手册)。
(三)液压缸缸筒长度L 液压缸的缸筒长度L由液压缸最大行程、活塞宽度、活塞杆导向
套长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其它长度确定。其中，活塞
中、高压缸一般用无缝钢管作缸筒，属薄壁筒(δ/D ≤0.08)，
可按材料力学薄壁圆筒公式验算壁厚：
当液压缸采用铸造缸筒时，壁厚由铸造工艺确定，这时应按厚 壁圆筒公式验算壁厚。
当δ/D = 0.08～0.3时，可用实用公式验算：
当δ/D≥0.3时，可用下式验算：
式中 D ——缸筒内径; pmax——缸筒内的最高工作压力； [σ]——缸筒材料的许用应力。[σ]＝σb/n，σb为缸筒材
3．V形密封圈 (1) 密封原理 V形圈的截面为V形， 如图4-15所示。 V形密封装置是由压环、V 形圈和支承环组成。所采用的V形圈的数量 可根据工作压力来选定。安装时，V形圈的 开口应而向压力高的一侧。 (2) 特点及应用 V形圈密封性能良好， 耐高压，寿命长，通过选择适当的V形圈个 数和调节压紧力，可获得最佳的密封效果； 但V形密封装置的摩擦阻力及轴向结构尺寸 较大。它主要用于活塞及活塞杆的往复运动 密封。
第四章液压缸
第四章 液压执行元件
4.1液压缸的工作原理
一、液压缸的组成
液压缸组成：活塞2、缸体1、活塞杆3、端盖4、 密封5
二、液压缸的工作原理
缸筒固定，一腔连续地输入压力油，当油的 压力足以克服活塞杆上的所有负载时，活塞以速 度连续向另一腔运v 1 动，活塞杆对外界做功；反之 亦然。
活塞杆固定，一腔连续地输入压力油时，则 缸筒向另一方向运动；反之亦然。
柱塞缸只能作单作用缸，要求往复运动时，需 成对使用。柱塞缸能承受一定的径向力。
（1）单柱塞缸
●单向液压驱动，回程靠外力。
（2）双柱塞缸
●双向液压驱动
（3）参数计算
推力：F pApd2
4
速度：v
q A
4q
d2
●柱塞粗、受力好。
●简化加工工艺（缸体内孔和柱塞没有配合，不 需精加工；柱塞外圆面比内孔加工容易。）
由两个或多个活塞式缸套装而成，前一级活塞 缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。各级活塞依次 伸出可获得很长的行程，当依次缩回时缸的轴向尺 寸很小。
除双作用伸缩液压缸外，还有单作用伸缩液压 缸，它与双作用不同点是回程靠外力，而双作用靠 液压作用力。
4.3液压缸的结构
液压缸按结构组成可以分为缸体组件、活塞 组件、密封装置、缓冲装置和排气装置等
1、缸体组件
缸体组件包括缸筒 、缸盖和一些连接零 件。缸筒可以用铸铁 （低压时）和无缝钢 管（高压时）制成。
缸筒和缸盖的常见连接方式如图所示。从加工的工艺 性、外形尺寸和拆装是否方便不难看出各种连接的特点。图 a)是法兰连接，加工和拆装都很方便，只是外形尺寸大些。 图b)是半环连接，要求缸筒有足够的壁厚。图 c）是拉杆式 连接，拆装容易，但外形尺寸大。图d）是螺纹连接，外形 尺寸小，但拆装不方便，要有专用工具。图 e）是焊接连接 ，结构简单，尺寸小，但可能会有因焊接有一些变形。
4.1液压缸的工作原理
一、液压缸的组成
液压缸组成：活塞2、缸体1、活塞杆3、端盖4、 密封5
二、液压缸的工作原理
缸筒固定，一腔连续地输入压力油，当油的 压力足以克服活塞杆上的所有负载时，活塞以速 度连续向另一腔运v 1 动，活塞杆对外界做功；反之 亦然。
活塞杆固定，一腔连续地输入压力油时，则 缸筒向另一方向运动；反之亦然。
柱塞缸只能作单作用缸，要求往复运动时，需 成对使用。柱塞缸能承受一定的径向力。
（1）单柱塞缸
●单向液压驱动，回程靠外力。
（2）双柱塞缸
●双向液压驱动
（3）参数计算
推力：F pApd2
4
速度：v
q A
4q
d2
●柱塞粗、受力好。
●简化加工工艺（缸体内孔和柱塞没有配合，不 需精加工；柱塞外圆面比内孔加工容易。）
由两个或多个活塞式缸套装而成，前一级活塞 缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。各级活塞依次 伸出可获得很长的行程，当依次缩回时缸的轴向尺 寸很小。
除双作用伸缩液压缸外，还有单作用伸缩液压 缸，它与双作用不同点是回程靠外力，而双作用靠 液压作用力。
4.3液压缸的结构
液压缸按结构组成可以分为缸体组件、活塞 组件、密封装置、缓冲装置和排气装置等
1、缸体组件
缸体组件包括缸筒 、缸盖和一些连接零 件。缸筒可以用铸铁 （低压时）和无缝钢 管（高压时）制成。
缸筒和缸盖的常见连接方式如图所示。从加工的工艺 性、外形尺寸和拆装是否方便不难看出各种连接的特点。图 a)是法兰连接，加工和拆装都很方便，只是外形尺寸大些。 图b)是半环连接，要求缸筒有足够的壁厚。图 c）是拉杆式 连接，拆装容易，但外形尺寸大。图d）是螺纹连接，外形 尺寸小，但拆装不方便，要有专用工具。图 e）是焊接连接 ，结构简单，尺寸小，但可能会有因焊接有一些变形。
第四章 液压缸
21
πd2
4
q 4q 速度： 速度：v = = 2 A πd
●柱塞粗、受力好。柱塞重量大自重造成单边磨损，
组合式液压缸
伸缩缸工作原理: 伸缩缸工作原理: 活塞或柱塞伸出时，从大到小， 活塞或柱塞伸出时，从大到小， 速度逐渐增大，推力逐渐减小。 速度逐渐增大，推力逐渐减小。 活塞或柱塞缩回时，从小到大。 活塞或柱塞缩回时，从小到大。
得： D=√4q/ΠV2＋d2 ※求出D后，按国标圆整为标准尺寸。
52
液压缸活塞杆直径d的计算（ 液压缸活塞杆直径d的计算（二）
（1）按工作压力和设备类型确定： 按工作压力和设备类型确定：
表4－1、表4－2
（2）按液压缸的往复速度比λv 确定： 确定：
v2 D2 λv = = 2 2 v1 D − d
34
35
36
37
38
39
40
41
42
缓冲装置
缓冲的必要性: 缓冲的必要性: ∵ 在质量较大、速度较高(v>12m/min），由于 惯性力较大，活塞运动到终端时会撞击缸盖， 产生冲击和噪声，严重影响加工精度，甚至 使液压缸损坏。 ∴ 常在大型、高速、或高精度液压缸中设置缓 冲装置或在系统中设置缓冲回路。
12
有杆腔进油参数计算
1）推力 ）
F2 = ( p1 A2 − p2 A1 ) = [ p1 (
π D2
4
−
πd2
4
) − p2
π D2
4
]
=[
π D2
4
( p1 − p2 ) −
πd2
4
p1 ]
2）运动速度 ）
qv 4 qv v2 = = A2 π ( D 2 − d 2 )
πd2
4
q 4q 速度： 速度：v = = 2 A πd
●柱塞粗、受力好。柱塞重量大自重造成单边磨损，
组合式液压缸
伸缩缸工作原理: 伸缩缸工作原理: 活塞或柱塞伸出时，从大到小， 活塞或柱塞伸出时，从大到小， 速度逐渐增大，推力逐渐减小。 速度逐渐增大，推力逐渐减小。 活塞或柱塞缩回时，从小到大。 活塞或柱塞缩回时，从小到大。
得： D=√4q/ΠV2＋d2 ※求出D后，按国标圆整为标准尺寸。
52
液压缸活塞杆直径d的计算（ 液压缸活塞杆直径d的计算（二）
（1）按工作压力和设备类型确定： 按工作压力和设备类型确定：
表4－1、表4－2
（2）按液压缸的往复速度比λv 确定： 确定：
v2 D2 λv = = 2 2 v1 D − d
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35
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37
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39
40
41
42
缓冲装置
缓冲的必要性: 缓冲的必要性: ∵ 在质量较大、速度较高(v>12m/min），由于 惯性力较大，活塞运动到终端时会撞击缸盖， 产生冲击和噪声，严重影响加工精度，甚至 使液压缸损坏。 ∴ 常在大型、高速、或高精度液压缸中设置缓 冲装置或在系统中设置缓冲回路。
12
有杆腔进油参数计算
1）推力 ）
F2 = ( p1 A2 − p2 A1 ) = [ p1 (
π D2
4
−
πd2
4
) − p2
π D2
4
]
=[
π D2
4
( p1 − p2 ) −
πd2
4
p1 ]
2）运动速度 ）
qv 4 qv v2 = = A2 π ( D 2 − d 2 )
第四章液压缸(流体传动)
11
重庆大学机械工程学院
4.1 类型及特点
1.活塞缸 单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。两端进出油口A和B都
可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。
1-缸底2-弹簧挡圈3-套环4-卡环5-活塞6- 型密封圈7-支承环8-挡圈9- 形密封圈 10-缸筒 11-管接头 12-导向套 13-缸盖 14-防尘圈 15-活塞杆 16-定位螺钉 17-耳环
4.2 液压缸的典型结构
径向销式连接 用锥销1把活塞2固连在活塞杆3上。特别适用于双出杆式
活塞。
32
重庆大学机械工程学院
4.2 液压缸的典型结构
缓冲装置 作用：防止活塞在行程的终点与前后端盖板发生碰撞，引起 噪音，影响工件精度或使液压缸损坏。 前后端盖上设缓冲装置 缓冲原理：
利用节流方法在液压缸的 回油腔产生阻力，减小速 度，避免撞击。
螺母连接
结构简单，适用负载较小，受力无冲击 的缸中，安装方便可靠，但在活塞杆上车 螺纹将削弱其强度。
30
重庆大学机械工程学院
4.2 液压缸的典型结构
卡环式连接 活塞杆上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环3以夹紧 活塞4，半环3由轴套2套住，而轴套2的轴向位置用弹簧卡 圈1来固定。
31
重庆大学机械工程学院
缸筒内要经过精细加工，表面粗糙度Ra<0.08m，以 减少密封件的摩擦。
27
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4.2 液压缸的典型结构
缸盖
通常由钢材制成，有前端盖和后端盖，安装在缸筒的前后两端， 盖板和缸筒的连接方法有焊接、拉杆、法兰、罗纹连接等。
28
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4.2 液压缸的典型结构
活塞 活塞的材料通常用钢或铸铁，也可采用铝合金。活塞应有一
第4章液压缸
同时，外伸速度逐次增大，当负载恒定时，液压缸的工作压力逐级增高。 空载缩回的顺序是从小活塞到大活塞，收缩后液压缸总长度较短，占用空 间较小，结构紧凑。收缩缸常用于工程机械和其它行走机械，如起重机伸 缩臂液压缸、自卸汽车举升液压缸等。
第4章 液压缸
图4-12 伸缩缸
第4章 液压缸 2. 齿条活塞缸
第4章 液压缸
图4-5 单杆活塞缸的运动范围
第4章 液压缸
单杆活塞缸还有另外一种非常重要的工作方式，即两腔同时通入压力
油，如图4-6所示，这种油路连接方式称为差动连接。在忽略两腔连通油路 压力损失的情况下，差动连接时液压缸两腔的油液压力相等。但由于无杆 腔受力面积大于有杆腔，活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞杆作 伸出运动，并将有杆腔的油液挤出，流进无杆腔，加快了活塞杆的伸出速 度。 差动连接时，有杆腔排出流量 q' v3 A2 ，进入无杆腔后，无杆腔流量 为
齿条活塞缸又称无杆式液压缸，它由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮
组成，如图4-13所示。活塞的往复移动经齿轮齿条机构转换成齿轮轴的周
期性往复转动。它多用于自动生产线、组合机床等的转位或分度机构中。
图4-13 齿条活塞缸
4.1.1 活塞式液压缸
1、双杆活塞缸
图4-1所示为双杆活塞缸的原理图。活塞两侧均装有活塞杆。当两活塞 杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞（或缸体）在两个方向的运动速 度和推力也都相等，即
第4章 液压缸
q 4q A (D 2 - d 2) F p1 - p 2）A (p1 - p 2)(D 2 - d 2) （ 4
第4章 液压缸
液压缸往复运动时的速度比为
v2 D2 2 2 v v1 D - d
第4章 液压缸
图4-12 伸缩缸
第4章 液压缸 2. 齿条活塞缸
第4章 液压缸
图4-5 单杆活塞缸的运动范围
第4章 液压缸
单杆活塞缸还有另外一种非常重要的工作方式，即两腔同时通入压力
油，如图4-6所示，这种油路连接方式称为差动连接。在忽略两腔连通油路 压力损失的情况下，差动连接时液压缸两腔的油液压力相等。但由于无杆 腔受力面积大于有杆腔，活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞杆作 伸出运动，并将有杆腔的油液挤出，流进无杆腔，加快了活塞杆的伸出速 度。 差动连接时，有杆腔排出流量 q' v3 A2 ，进入无杆腔后，无杆腔流量 为
齿条活塞缸又称无杆式液压缸，它由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮
组成，如图4-13所示。活塞的往复移动经齿轮齿条机构转换成齿轮轴的周
期性往复转动。它多用于自动生产线、组合机床等的转位或分度机构中。
图4-13 齿条活塞缸
4.1.1 活塞式液压缸
1、双杆活塞缸
图4-1所示为双杆活塞缸的原理图。活塞两侧均装有活塞杆。当两活塞 杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞（或缸体）在两个方向的运动速 度和推力也都相等，即
第4章 液压缸
q 4q A (D 2 - d 2) F p1 - p 2）A (p1 - p 2)(D 2 - d 2) （ 4
第4章 液压缸
液压缸往复运动时的速度比为
v2 D2 2 2 v v1 D - d
第四章液压缸
第四章 液压缸第一节 液压缸的分类和特点液压缸按结构特点的不同可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。
按作用方式不同，可分为单作用式和双作用式两种。
1.活塞式液压缸 活塞式液压缸根据其使用要求不同可分为双杆式和单杆式两种。
(1)双杆式活塞缸。
活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出的液压缸称为双杆式活塞缸，它一般由缸体、缸盖、活塞、活塞杆和密封件等零件构成。
根据安装方式不同可分为缸筒固定式和活塞杆固定式两种。
如图4-5(a)所示的为缸筒固定式的双杆活塞缸。
它的进、出口布置在缸筒两端，活塞通过活塞杆带动工作台移动，当活塞的有效行程为l 时，整个工作台的运动范围为3l ，所以机床占地面积大，一般适用于小型机床，当工作台行程要求较长时，可采用图4-5(b)所示的活塞杆固定的形式，这时，缸体与工作台相连，活塞杆通过支架固定在机床上，动力由缸体传出。
这种安装形式中，工作台的移动范围只等于液压缸有效行程l 的两倍(2l)，因此占地面积小。
进出油口可以设置在固定不动的空心的活塞杆的两端，但必须使用软管连接。
由于双杆活塞缸两端的活塞杆直径通常是相等的，因此它左、右两腔的有效面积也相等，当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右两个方向的推力和速度相等。
当活塞的直径为D ，活塞杆的直径为d ，液压缸进、出油腔的压力为p 1和p 2，输入流量为q 时，双杆活塞缸的推力F 和速度v 为：F=A(p 1-p 2)=π (D 2-d 2) (p 1-p 2) /4 (4-18)v=q/A=4q/π(D 2-d 2) (4-19)式中：A 为活塞的有效工作面积。
双杆活塞缸在工作时，设计成一个活塞杆是受拉的，而另一个活塞杆不受力，因此这种液压缸的活塞杆可以做得细些。
(2)单杆式活塞缸。
如图4-6所示，活塞只有一端带活塞杆，单杆液压缸也有缸体固定和活塞杆固定两种形式，但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的两倍。
图4-6单杆式活塞缸由于液压缸两腔的有效工作面积不等，因此它在两个方向上的输出推力和速度也不等，其值分别为：F 1=(p 1A 1-p 2A 2)=π［(p 1-p 2)D 2-p 2d 2］/4 (4-20)F 1=(p 1A 1-p 2A 2)=π［(p 1-p 2)D 2-p 2d 2 ］/4 (4-21)v 1=q/A 1=4q/πD 2 (4-22)v 2=q/A 2=4q/π(D 2-d 2) (4-23)由式(4-20)～式(4-23)可知，由于A 1＞A 2,所以F 1＞F 2，v 1＜v 2。
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结构简单，尺寸紧凑，但需整 体更换。常用于D/d比值小，尺 寸不大的场合。
1.半环 2.轴套 3.弹簧圈 活塞与活塞杆的连接形式
33
密封装置
作用：防止液压油的泄漏。 设计要求：密封性能好，摩擦阻力小，耐腐蚀耐磨，寿命长。 密封方法： 间隙密封：依靠配合件间的微小间隙防止泄漏。 结构简单，摩擦力小，零件加工精度高，难以完全消除泄漏。 减小间隙以减小泄漏。活塞上开平衡槽，减小偏心量，提高密封性能 活塞环密封：活塞环形槽内弹性金属环紧贴缸筒实现密封。 加工复杂，自动补偿，工作可靠，寿命长。 密封圈密封：利用橡胶或塑料的弹性使环形圈紧贴密封面。 密封圈形式：O形、Y形、V形、组合式密封。 防尘圈：设在活塞杆密封圈外部防止外界灰尘等异物进入液压缸内。
59
习题
一个单活塞杆液压缸，无杆腔进压力油时 为工作行程，此时负载为55000N。有杆 腔进油时为快速退回，要求速度提高一倍。 液压缸工作压力为7MPa，不考虑背压， 计算选用活塞和活塞杆直径。
43
缓冲原理：利用节流方法在液压缸的回油腔产生
阻力，减小速度，避免撞击。
常用的缓冲装置：
环隙式： (a、b)利用缓冲柱塞A与缓冲油腔B的 间隙，产生缓冲压力，实现减速制动。 节流式： (c、d)通过节流槽、节流阀调节缓冲 压力的大小，使缓冲压力变化较平缓。
44
45
排气装置
作用：液压系统混入空气后，使液压 缸产生爬行或振动、前冲。需设置排 气装置。 位置：排气孔的位置应配置在缸两侧 的最高处。 排气装置：排气塞、排气阀。
6
应用及安装
应用场合：两个方向力和速度一样的场合。 安装方式：l——活塞有效工作行程。 L——活塞两端的活动范围。
7
缸固定 L=3 l
实心双杆活塞式液压缸
8
杆固定 L=2 l
空心双杆活塞式液压缸
9
单杆活塞式液压缸
结构：缸体、活塞、活塞杆、密封、缸盖等
10
单出杆液压缸工作原理
无杆腔 进油腔 回油腔 有杆腔
46
47
液压缸的设计与计算
液压缸内径D的计算 活塞杆直径d的计算 液压缸缸筒长度l的计算 缸筒壁厚 的校核 缸盖固定螺栓直径d1的校核 活塞杆稳定性验算
主要尺寸计算
校核计算
48
液压缸工作压力的确定
49
液压缸内径D的计算(一)
一、根据最大总负载和工作压力确定 无杆腔进油时：
34
35
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42
缓冲装置
缓冲的必要性: ∵ 在质量较大、速度较高(v>12m/min），由于 惯性力较大，活塞运动到终端时会撞击缸盖， 产生冲击和噪声，严重影响加工精度，甚至 使液压缸损坏。 ∴ 常在大型、高速、或高精度液压缸中设置缓 冲装置或在系统中设置缓冲回路。
l / d 10 时，强度校核即可
F
l / d 10 时，要进行稳定性计算
稳定条件：
d
FK F nk
l
式中：F — 活塞杆所受最大压力 Fk — 活塞杆的稳定临界力 nk — 稳定安全系数 nk = 2 ~ 4
57
58
学习要求
重点掌握双作用单杆活塞式液压缸 的三种连接方式的分析和计算； 掌握活塞式、柱塞式三种液压缸的 结构特点和图形符号； 了解液压缸结构的要求和密封的种 类； 了解液压缸设计计算要点及强度、 刚度的校核。
液压缸
液压缸是将液压能转变为机械能 的、做直线往复运动（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。
1
液压缸的类型及特点 液压缸的结构 液压缸的设计与计算
2
目的任务： 了解液压缸结构形式 掌握液压缸参数计算和特点 重点难点： 单杆活塞液压缸 密封、缓冲、排气
圆整为标准壁厚: 1）铸造：满足最小尺寸; 2）无缝钢管：查手册。
55
二、缸盖固定螺栓直径的校核 固定螺栓在工作中同时承受拉应力和剪 切应力。 校核公式： d1=√5.2KF/πZ[σ] 式中：d1－螺栓底径 K－螺纹拧紧系数 F－缸筒端部承受的最大推力 Z－螺栓数
56
三、活塞杆稳定性校核
q v3 A杆
2
Ｖ3 ＞ｖ1 。差动连接后，在不增加流量的前提下，实 现快速运动. 若要使活塞往返速度相等，即： v2 v3
16
单杆活塞液压缸应用
单杆活塞液压缸不同连接，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
v3、F3
→
工进
v1、F1
→
快退
v2、F2
17
23
齿条活塞缸
结构: 缸体、活塞、齿条、齿轮、端盖等 应用: 常用于需要回转运动的场合，如：自动线、组合 机床等的转位或分度机构中.
24
液压缸的结构
液压滑台液压缸
25
26
组成：缸体组件、活塞组件、密封件、 连接件等组成。 设置缓冲装置、排气装置。 根据工作压力、运动速度、工作条件、 加工工艺、装拆检修等要求考虑缸的结 构。
缸体组件连接形式
30
活塞组件组成
活塞：受油压在缸筒内往复运动。
保证强度和良好的耐磨性，可为整体式和组合 式。铸铁制造。 保证足够的强度的刚度，外圆应耐磨和防锈。 钢料制造。
活塞杆：连接活塞和工作部件的传力零件。
连接件
31
活塞组件的连接形式
整体式(a)
焊接式(b) 锥销式(c )：加工容易，装配简单，承载小。 用于轻载。 螺纹式(d、e)：结构简单、装拆方便，需防 松。常用结构。 半环式(f、g)：强度高，结构复杂。高压、 振动大时采用。 32
得：D =√4q/ΠV1
有杆腔进油时： 由：V2=4q/Π(D2-d2)
得： D=√4q/ΠV2＋d2 ※求出D后，按国标圆整为标准尺寸。
52
液压缸活塞杆直径d的计算（二）
（1）按工作压力和设备类型确定：
表4－1、表4－2
（2）按液压缸的往复速度比λv 确定：
v2 D2 v 2 2 v1 D d
v 1 dD v
推荐液压缸的往复速度比λv见表4－3 ※求出d后,按国标圆整为标准尺寸。
53
液压缸筒长度的确定（三）
液压缸筒长度L由所需行程及结构需 要确定。 液压缸筒长度L＝活塞最大行程＋活 塞宽度＋活塞杆导向长度＋活塞杆密 封长度＋其他长度（如缓冲装置所需 长度等） 为减小加工难度，一般液压缸筒长度 不大于内径的20－30倍。
3
液压缸的类型及特点
按结构特点可分为:
{
直线运动
{ {
活塞缸 柱塞缸 组合缸
单杆 双杆
摆动运动{ 齿轮缸来自摆动缸（摆动马达）按作用方式可分为:
{
单作用 双作用
液体只控制缸的一腔 实现单向运动 液体控制缸的两腔实 4 现双向运动
活塞式液压缸
定义：在缸体内作相对往复运动的 组件为活塞的液压缸。
双 杆
按伸出活塞杆不同 < 单 杆 缸体固定 按固定方式不同 <
活塞杆固定
5
双杆活塞式液压缸
结构特点：活塞两侧均装有活塞杆，当杆径相同， 有效工作面积一样。供油压力和流量不变时,活 塞在两个方向的运动速度和推力也相等.
基本参数：
qv 4qv v A (D2 d 2 )
F ( p1 p2 ) A
4
( D 2 d 2 )( p1 p2 )
F1 ( p1 A1 p2 A2 ) [
4F d 2 p2 D ( p1 p2 ) p1 p2
——以单杆缸为例
D2
4
( p1 p2 )
d2
4
p2 ]
有杆腔进油时：
F2 ( p1 A2 p2 A1 ) [
D 4F d p1 ( p1 p2 ) p1 p2
54
液压缸的校核
一、缸筒壁厚δ的校核：
薄壁筒（无缝钢管，δ/D≤0.08)
pmax D 2[ ] 式中：pmax — 缸筒内最高工作压力 厚壁筒（铸造0.08≤δ/D≤0.03） pmax D 2.3[ ] 3Pmax
厚壁筒（铸造δ/D≥0.03 ）
[ ] 0 . 4 p D max 1 2 [ ] 1 . 3 p max
2
D2
4
( p1 p2 )
d2
4
p1 ]
50
设计中，常初步选回油压力P2＝0，公式可简化为
无杆腔进油时
D
4F 1 p1
有杆腔进油时
4F 2 2 D d P1
※求出D后,按国标圆整为标准系列尺寸。
51
二、根据执行机构速度要求和选定液压泵流量来确定
无杆腔进油时： 由：V1=4q/ΠD2
27
缸体组件组成
缸筒：液压缸主体。
保证足够的强度、刚度，加工的尺寸精度和 粗糙度。 保证强度，选择工艺性较好的结构形式。
端盖：与缸筒形成密闭容积。
连接件：保证足够的强度和刚度。 导向套：起导向和支承作用。
28
缸体组件连接形式
法兰式（A）：加工装拆方便，连接可靠。 螺纹式（C、D）：重量轻，结构紧凑、 复杂。 半环式（B）：连接可靠，装拆方便，需 加厚筒壁。 拉杆式（E）：加工装拆方便，体积重量 大，拉杆易变形。 焊接式（F）：结构简单，尺寸小，焊接 29 易引起缸筒变形。