气液阻尼气缸结构设计毕业设计.docx
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气液阻尼气缸结构设计毕业设计
摘要
气液阻尼气缸，顾名思义包括气压缸和液压缸，是气缸中比较特殊的一类的气缸。
其特点：
以气压为动力，利用气液转换装置把气压传动转变为液压传动，平稳且能有效控制的运动速度。
因此本设计就气液阻尼缸的结构设计进行论述，综合运用所掌握的机械设计、机械装备设计、机械制造技术基础等方面知识，对其主要零部件包括缸盖、缸体（缸筒）、活塞、活塞杆等进行设计。
不同种类的气液阻尼缸的结构优缺点，以与不同的安装方式与其组成部分。
关键词气缸液缸结构设计
Abstract
Gas-liquiddampingcylinder,justasitsnameimpliesincludingaircylinderandhydrauliccylinder,Thecylinderisinaveryspecialtypeofthecylinder.Thecharacteristics:
Withpressureaspower,gastoliquidconversionofpneumatictransmissiondevicetochangeforhydraulictransmission,smoothandeffectivecontrolmovementspeed.Sothisdesignisgas-liquiddampingcylinderstructuredesignisdiscussed,andthecomprehensiveusebythemasterofthemechanicaldesign,mechanicalequipmentdesign,mechanicalmanufacturingtechnologybaseandsoonknowledge,foritsmainpartsincludingcylindercylinder（cylinder,）,piston,pistonrodofdesign.Differentkindsofgas-liquiddampingcylinderstructure,andtheadvantagesanddisadvantagesofdifferentinstallationanditscomponents.
Keyword；cylinder；Liquidcylinder；Structuredesign
第1章绪论
1.1本课题研究的意义
随着社会的发展，科技的进步，越来越多的高新机械带给了人们高质量的生活。
一部完整的机器是由原动机部件、传动机构与控制部分、工作部分（含辅助装置）组成。
原动机包括电动机、内燃机等。
工作机即完成该机器之工作任务的直接工作部分，如剪床的剪刀，车床的车架、车刀、卡盘等。
由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和工作速度变化范围较宽，以与操纵性能的要求，在原动机与工作机之间设置了传动机构，其作用是把原动机输出功率经过变换后传递给工作机。
传动机构通常分为机械传递、电气传动和流体传动机构。
流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。
它包括液压传动、液力传动和气压传动。
其中，气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。
气动传动主要包括起源装置、控制元件、执行元件、辅助元件。
气动执行元件是将压缩空气的压力转换为机械能的装置，包括气缸和气动马达。
气缸用于直线往复运动，气动马达用于实现连续回转运动。
普通气缸工作时，由于气体具有可压缩性，当外部负载变化较大或是在超低速控制时，气缸可能产生“爬行”或“自走”现象。
因此，气缸不易获得平稳的运动，也不易使活塞有准确的停止位置；而液压缸则相对运动平稳，且速度调节方便。
为此，在气动传动中，需要准确的位置控制和速度控制，可采用气-液阻尼缸，以气压为动力，利用气液转换装置把气压传动转变为液压传动，以获得平稳且能有效控制的运动速度。
所以，当用气液阻尼气缸代替普通气缸时气动传动能获得更好的效率和平稳性。
因此，用高性能的气液阻尼气缸代替普通气缸，能大大提高机械的工作效率和准确率，改善热能转化率，节约不可再生能源，减少有害气体的排放，减少环境污染。
1.2国内外发展情况
1680年，荷兰科学家霍因斯受到大炮原理的启发，心想如将炮弹的强大力量用来推动其它机械不是挺好吗？
他一开始仍用火药作燃烧爆炸物，将炮弹改成“活塞”，把炮筒作“汽缸”，并开一个单向阀。
他在汽缸内注入火药，当点燃火药后，火药猛烈地爆炸燃烧，推动活塞向上运动，并产生动力。
同时，爆炸气巨大的压力还推开单向阀，排出废气。
而后，汽缸内残余废气逐渐变冷，气压变低，汽缸外部的大气压又推动活塞向下运动，以准备进行下一次爆炸。
当然，由于行程过长，效率太低，他最终没有取得成功。
但作为最原始的气缸结构的创造霍因斯还是为未来的气缸发展创立了可行性的基础。
气缸作为气动技术的执行元件，在国外发展很快，在国内也伴随着气动技术
被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门而取得了长足的发展。
当然，作为特殊类气缸—气液阻尼气缸也得到了极快的发展，种类越来越多，性能也越来越好，在日常的生产生活中占的比例也越来越大。
因此催生出一大批优秀的企业，在气缸生产和制造方面取得显著的成果。
国外，比较有名的如日本的SMC、CKD、德国的FESTO、美国的PARKER等。
国内比较有名就是企业有上海国逸气动成套厂、山东烟台气动元件厂、广东肇庆气动元件厂等。
代表产品展示如下图：
图1—1SMC气缸产品
图1—2肇庆气动元件——气液阻尼气缸产品
1.3调研情况
经过一周的时间的市场调查，在一些气缸销售网点近距离观察和记录气缸的一些实体结构，对气液阻尼气缸的整体构造形成一定的认识，基于整体认识对产品的设计能做到更全面，更合理，更细致。
通过与销售和技术人员的交流，对产品的性能、结构有更深入的了解；对于气液阻尼气缸在生产生活上的作用有更好的认识；对气液阻尼气缸的发展有更深的认识。
虽因资源有限，未能亲身参观气液阻尼缸的生产留有些许遗憾，但总体上这次调研还是比较成功的。
1.4主要功能与系统组成
主要功能将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动，特别在日常生活中的小型机械上应用广泛。
气液阻尼气缸与主要有液压系统和气压系统组成。
通过气液转换装置，把气压系统产生的动力转换成液压系统的动力，使气液阻尼气缸的输出速度和准确率得到大大改善。
第2章结构设计
2.1气缸种类
由于气缸应用广泛，使用条件不同，从而其结构、形状各异，分类方法繁多。
一般有如下几种分类方法。
按结构不同的特点可分为活塞式、柱塞式、摆动式三类。
其中摆动式气缸又有叶片式、齿轮齿条式之分。
按压缩空气作用方式可分为单作用和双作用缸两种。
按安装方式可分为法兰式、轴销式、凸缘式和耳座式。
按功能可分为普通气缸和特殊气缸。
普通气缸一般指活塞式气缸，多用于无特殊要求的场合；特殊气缸包括气—液阻尼缸、膜片式气缸、无杆气缸、冲击气缸、伸缩气缸等，用于特殊要求的场合，一般很难在市场上直接买到，须根据需要订购。
2.1.1单作用气缸
单作用气缸只利用在一个方向上的推力，活塞杆的回缩依靠装入气缸内的弹簧力，或者其它外部的方法如载荷或机械运动等等。
单作用气缸有“推”或“拉”两种型式。
单作用气缸用于压紧、打印、出料等等。
它的空气耗气量低于大小相当的双作用气缸。
推出时由于要克服弹簧力所以会减低推力，因而需要较大的缸径，而且为适合弹簧本身的长度，气缸的总长相应加长，从而限制行程的长度。
图2—1为单作用气缸结构件图
2.1.2双作用气缸
双作用气缸这种执行组件是利用空气压力交替作用于活塞的相对面上而产生这两种伸出和回缩的力。
由于有效活塞面积较小的缘故，所以推力在回缩行程时较弱。
但只在气缸“拉”相同负载时才考虑。
图2—2双作用气缸
双作用气缸的结构如图2所示。
缸筒通常由无缝钢管制成，工作面加工成高的光洁度和镀有硬铬，使摩擦和摩损成到最小值。
端盖由铝合金或可锻铸铁制成与用拉杆夹紧缸筒，或小型气缸是用螺纹或碾边固定缸筒。
铝合金、黄铜、青铜或不锈钢制成的缸筒用于腐蚀性和不安全的环境中。
不同型式的密封件保证了气缸的密封性。
图2—3带气缓冲的双作用气缸
2.1.3带缓冲装置气缸
气缸能有很高的速度，因此在行程的终端会产生很大的冲击力。
所以气缸也常常安装缓冲，即用橡胶减震垫来吸收冲击和预防气缸内部故障。
对于大气缸，冲击可用气缓冲来减震，使活塞到达行程末端区域时降速。
这种缓冲的吸收是靠行程的末端排出空气到泄放通道，通过可调节流阀减慢活塞的运动速度。
（图6.4）
若缓冲活塞插入缓冲密封体时，排气口正常排入大气的空气被封闭，只能通过可调节流口排出，抑制空气被压缩成相当高的压力制动活塞的惯性。
当活塞反向时，缓冲密封件的作用如一个单向阀，允许空气流向活塞。
它由于会节流空气流量和抑制活塞的加速，所以缓冲冲程越短越好。
减低载荷重或活塞速度高的气缸的速度，就需要外加震动吸收器。
当活塞速度超过500mm／s，虽然内部安装缓冲器，但也还必须提供外部机械制动。
图2—4气缓冲原理图
2.1.4专用气缸
双活塞杆气缸
图2—5单作用气缸
图2—6双活塞杆气缸的典型原理
图6表示双活塞杆气缸用于长行程工作台的装置。
用活塞杆的端部固定，气缸的缸筒随工作台运动，因而得到导向和附加的刚性。
串联气缸
图2—7串联气缸的原理
串联气缸是两个双作用气缸活塞杆连接在一起成为一个单元。
同时将压力进入两个气缸腔内，输出力几乎是同样大小的标准，是一般气缸的两倍。
这种串联气缸具有一个气缸直径但有较大的输出力，用于安装位置有限的地方。
2.1.5多位置气缸
图2—8多位气缸的两种形式
一个标准气缸的两个终端位置提供两个固定的位置。
如果需要大于两个位置，可利用联合两个双作用气缸。
有两种方法：
第一种方法对于三个位置，组合成下列状态，气缸都固定。
它非常适合垂直运动，例如输送装置。
第二种方法是将两个独立的气缸安装在一起，它们的缸盖背靠着。
就有4种不同的位置，但气缸不能固定。
同样，用3个气缸可组合成8个位置，4个气缸为16个位置。
2.1.6带锁（定位）气缸
图2—9典型的带锁气缸
在标准气缸的杆盖端安装了一个锁紧头，它能在任意位置握住活塞杆。
锁紧作用是机械式的。
保证活塞杆安全可靠地夹持，在满载荷下也不变。
2.2气缸的安装
气缸的安装方式主要有：
直接式、脚接式、螺纹轴颈式、法兰式（前法兰和后法兰）等。
为了保证气缸合适地安装，制造者常常提供符合需要的安装件以供选择，包括铰接式安装能产生摆动运动。
有时候学辅助装置配合，才能达到安装要求，如浮动接头。
调节不可避免的气缸活塞杆运动方向和设备的连接轴之间的“不同轴性”，就需要用浮动接头安装到活塞杆的头部。
图2—10浮动接头
图2—11气缸安装的各种方法
2.3气液阻尼气缸
气液阻尼气缸的基本工作原理：
以气压为动力，利用气液转换装置把气压传动转变为液压传动，以获得平稳且能有效控制的运动速度。
气液阻尼气缸的种类有多种。
按气缸与液缸的连接形式，可分为串联型和并连型两种。
工作原理图如图12、13所示。
串联型缸体较长，加工与安装时对同轴度要求较高；有时两缸之间会产生窜气窜油现象。
并连型缸体较短、结构紧凑；气、液缸分置，不会产生窜气窜油现象；因液压缸工作压力可以相当高，液压缸可制成相当小的直径（不必与气缸等直径）；但因气、液两缸安装在不同的轴线上，会产生附加力矩，会增加导轨装置磨损，也可能产生“爬行”现象。
串联型气液阻尼缸还有液压缸在前或在后之分。
如液压缸在后，液压缸活塞两端作用面积不等，工作过程中需要储油或补油，油杯较大。
如将液压缸放在前面，则液压缸两端都有活塞，两端作用面积相等，除补充泄露之后就不存在储油额、补油问题，油杯可以很小。
图2—12串联型图2—13并联型
1-节流阀2-油杯3-单向阀1-液压缸2-气缸
4-液压缸5气缸6-外载荷
按调速特性可分为：
慢进慢退式、慢进快退式、快进慢进快退式。
其调解速性机应用见下表1。
其他类型气液阻尼气缸的结构和不足：
辅助缸储油式气液阻尼缸：
如图14用一只辅助缸来储存阻尼油液，这种阻尼缸的缺点是对是对活塞要求高，稍有不妥，气液就会相互渗漏。
阻尼油进入气缸，通过活塞杆和换向阀泄露进入大气，耗费阻尼油液压油，污染环境；同时也有气体混入液压油内，从而降低运动精度和控制精度，影响运动平稳性。
油罐储油式气液阻尼缸：
如图15这种阻尼缸配备了一只储油罐，为了防止气体和阻尼液压油进入储油罐时产生喷射，油罐的气口和油口分别设置缓冲装置。
气液之间还设置了浮动隔板。
这种缸存在活塞运动密封间隙产生的泄露问题，此外，还会造成油液的乳化。
这是因为气、液中间只有一块隔板，气液的分离性差的缘故。
图2—14辅助缸储油式图2—15油罐储油式
调速方式
机构示意图
特性曲线
作用原理
应用
双向节流调速
在气液阻尼缸的回油管路装设可调试节流阀，使活塞往复运动的速度可调并相同
适用于空行程与工作行程都较短的场合
单向节流调速
将一单向阀和一节流阀并联在调速油路中。
活塞向右运动时，单向阀关闭节流慢进；反之，单向阀打开，不节流快退。
适用于空行程较短而工作行程较长的场合
快速趋近单向节流调速
将液压缸的f点和a点用管路相同，活塞开始向右运动时，右腔油经由fgea回路直接流入a端实现快速趋近，当活塞移过f点，油只能经节流阀流入a端，实现慢进，活塞向左运动时，单向阀打开实现快退。
由于快速趋近，节省了空程时间，提高了劳动生产率。
是各种机床设备最常用的方式
表2-1气液阻尼缸调速特性与应用
2.4气缸力
根据ISO4393和ISO497RlO推荐，直线型气缸以缸径表示为：
8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，140，160，200，250，320毫米
气缸产生的力是根据活塞直径、操作压力和摩擦阻力，对于稳定活塞的理论出力，用下列计算公式：
力（牛顿N）＝活塞的面积（平方米m2）×空气的压力（牛顿／平方米N／m2，）或者
力（磅Ibf）=活塞的面积（平方英寸in2）×空气的压力（磅／平方英寸Ibf/in2）
因而，对于双作用气缸：
推力行程：
（D＝活塞直径，Pg＝表压）
拉力行程：
（d=活塞杆直径）
对于单作用气缸：
推力行程：
（
＝行程终端的弹簧力）
例如：
气缸的操作压力为6巴，产生的压紧力1600N，求气缸的理论直径。
假定推力行程：
移项：
取气缸直径为60mm。
较大直径给予克服摩擦力的额外力。
比较实用的以图16相似的图形表示理论力，压力在10，7和5巴，或近似输入压力的数据，来选择气缸的直径大小。
图2—16气缸理论力分析图表
负荷率
气缸负荷率不能高于85%。
如果要速度精密控制或者负荷变化大，负荷串不能大于70%。
2.5弯曲强度
当超过标准的推力施加到气缸上时，必须要考虑弯曲强度。
这个超过标淮的推力本身是：
1、压缩应力；
2、如果受压的部分，即气缸是长的或细长的。
弯曲强度比较大地取决于安装的方式。
安装有4种主要的方式：
1、一端是刚性固定，相对的另一端是松的。
2、两端均装在轴销上。
3、一端是刚性固定，另一端装在轴销上。
4、两端均刚性固定。
第1种状态是符合的，如果气缸垂直地举起载荷，或者在任何其它方式推动载荷，那是以压缩强度为条件。
第2种状态是现实的，如果确信规定的行程长度是超过，可能有一些混乱，但可根据一般的经验是：
在产品目录上，与弯曲长度的图表相符。
如果气缸缸径大于50mm，行程是缸径的三倍，或者在小气缸情况下，气缸是推负载，行程是缸径的5倍。
空气流量和耗气量
有两种方法表示气缸或气动系统耗气量的数据。
第1种是每小时的平均耗气量，这种推测是用于预测能量的价格作为生产总价的一部分。
第二种是气缸需要的最大耗气量，确定它的合适的阀的大小，或在系统情况下，确定适当的F.R.L组件的大小。
气缸的耗气量用下式表示：
活塞面积×行程长度×行程的次数。
当气缸反向时，空气排入大气。
这个耗气量是用于估计压缩机和空气的主要管道系统的体积。
工作压力（P）
缸径（毫米）
2
3
4
5
6
7
20
0.09
0.13
0.16
0.19
0.22
0.25
25
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
32
0.24
0.33
0.40
0.48
0.56
0.64
40
0.38
0.51
0.64
0.75
0.88
1.00
50
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
63
0.95
1.25
1.55
1.87
2.20
2.50
80
1.50
2.00
2.55
3.00
3.50
4.00
100
2.40
3.20
4.00
4.80
5.60
6.40
表2-2双作用气缸从20-100mm缸径的理论耗气量在每100mm行程时的公升数
应该注意，上表中的耗气量不包括“失效值”（DEADVOLUME）。
两个行程末端中一个即使有的话。
对于大气缸，因在双作用气缸的情况下确定耗气量时，剩余空气量足以被活塞杆体积所忽略不计。
表2所给出的耗气量是每个行程的平均耗气量。
机器中所有气缸的耗气量计算总数可以被算出，耗气量相当于能量的消耗。
对于单个气缸的阀的大小选择，我们需要其它的数值：
最高负荷流量，它取决于气缸的最高速度。
所有同时运动的气缸在一个工作循环中最高负荷计算总数，也表示P.R.L单元的流量，从而确定它的大小。
表3给出流量的实际值，这个流量是阀的大小的根据。
这个流量是高于理论值，它包括在连接管路和安装时出现的附加压力降。
事实上最终的速度高于平均速度，总行程长度和高速气缸快速膨胀产生冷却而减少空气体积是要加以考虑的。
气缸平均速度毫米/秒
缸径（毫米）
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
20
16
32
49
66
84
112
120
139
159
180
25
25
50
76
103
131
175
188
217
248
279
32
40
82
125
169
214
286
308
357
406
457
40
63
128
195
266
334
447
481
557
635
714
50
99
201
305
413
523
699
752
870
992
1116
63
157
318
487
658
830
1110
1193
1382
1575
1772
80
253
511
782
1057
1340
1792
1926
2230
2541
2860
100
395
804
1223
1653
2094
2801
3011
3487
3973
4471
表2-3双作用气缸从20～100mm缸径的实际流量 单位1／min
速度控制气缸的速度明确是活塞的推力超过负载。
如果要规定在一定速度负荷率不超过85%。
负荷率愈低，速度控制愈好。
特别在负载变化时，利用限流阀（速度控制阀）控制气缸排气时节流便得到正向速度控制，限流阀由一个单向阀与一个可调节流阀组成。
气流反向时它容许空气无阻地经过单向阀流到气缸。
2.6特殊的执行组件
2.6.1无活塞杆气缸
传统气缸，若气缸行程假定为500mm，则总长可达1100mm。
一个同样500mm行程的无活塞杆气缸安装所需总长相应较短，约600mm左右。
它特别的优点是当需要很长的行程时或标准行程1m或更长时可特别订购。
图2—17活塞与拖板之间磁性偶合的典型活塞杆气缸
图2—18机械偶合式无活塞杆气缸
磁性偶合型无活塞杆气缸的有效力受磁性保持力的限制。
提升或带动重的载荷，“开槽气缸”型常有较大的能力，但是它不像磁性偶合式的无杆气缸是绝对密封，而是有极微泄漏的。
2.62滑动单元
滑动单元是精密的尺寸紧凑的直线型的执行组件。
可用于机械制造或机械手的组合。
图2—19典型的滑动单元
当安装在机器的输送带上或定位机构时，因精密地加工工件安装表面和并联活塞导向杆而保证精确的直线运动。
在一个位置上，气缸缸体能固定而杆端的活塞杆运动（b）。
反过来，杆端能固定在安装表面，而本体运动（c）。
在这两种情况，方向阀可连接到固定气口，A和B口，或者是A'和B'口见图19。
空心活塞杆气缸
图2—20带不转动的真空连接的空心活塞杆气缸
空心活塞杆能提供真空发生器和真空吸盘之间直接连接到工件端的杆上。
在活塞杆伸出和回缩时，连接管在气缸的尾部保持固定。
空心活塞杆气缸专门被设计用于“采集和接装”（pickandplace）的用途。
第3章部件设计
3.1缸盖的设计
气缸盖是发动机的重要零件之一。
它承受很高的机械负荷和热负荷，而且几何形状复杂，各部分受热不均。
气缸盖内表面受炽热燃气的作用，外表面则受冷却空气的吹刷。
因此，在气缸盖中存在着较大的热应力，有时还产生较大的变形。
3.1.1气缸盖的设计要求
1）气缸盖应根据混合气形成和燃烧方式布置出合理的燃烧室、气门和性能良好的气道，力求使发动机性能良好。
2）气缸盖各部分温度应尽可能均匀分布，工作温度应不超过其材料的临界温度，在整个工作温度范围内均有足够的强度。
3）气缸盖散热片表面积的大小应与散出的热量相适应。
4）发动机工作时，气缸盖不发生变形。
5）气缸盖应有良好的工艺性。
3.1.2气缸盖的材料
气缸盖的材料应具有良好的导热性和耐热性，在高温时能保持必要的强度。
摩托车发动机气缸盖材料一般都采用铝合金铸造，铝合金密度小，导热性好．热导率约为铸铁的2～3倍，且铸造性能也较好，有可能铸成节距较小、高度较高的散热片。
本设计中采用ZL105来铸造缸盖。
3.1.3气缸盖的散热
风冷发动机散热片所散走的热量占全部散出热量的85％～90％，其散热面积主要由气缸盖、气缸体上的散热面组成，约占总散热面的90％～95％，其余表面散出的热量不大于10％～15％，因此，在确定发动机散热表面积时，只考虑气缸盖和气缸体的散热表面积，而不考虑其他部分的散热表面积。
可以用比散热表面积评价散热表面积是否足够。
对于摩托车发动机单位功率散热表面积为250～700cm2／kw，升排量散热表面积为3000～8000cm2／L。
由于气缸盖散出的热量比较多，因此散热片的温度较高，为使整个气缸盖的温度均匀分布并获得最低平均温度，通常摩托车发动机气缸盖散热面积为总散热面积的60％～65％，而气缸体的散热面积为35％～40％。
但是，由于在气缸
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