气缸的工作原理

气缸的工作原理第十三章气动执行元件和控制元件气动执行元件是一种能量转换装置，它是将压缩空气的压力能转化为机械能，驱动机构实现直线往复运动、摆动、旋转运动或冲击动作。气动执行元件分为气缸和气马达两大类。气缸用于提供直线往复运动或摆动，输出力和直线速度或摆动角位移。气马达用于提供连续回转运动，输出转矩和转速。气动控制元件用来调节压缩空气的压力流量和方向等，以保证执行机构按规定的程序正常进行工作。气动控制元件按功能可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。第一节气缸一、气缸的工作原理、分类及安装形式1.气缸的典型结构和工作原理图131 普通双作用气缸1、3缓冲柱塞 2活塞 4缸筒 5导向套 6防尘圈7前端盖 8气口 9传感器 10活塞杆 11耐磨环 12密封圈 13后端盖 14缓冲节流阀以气动系统中最常使用的单活塞杆双作用气缸为例来说明，气缸典型结构如图131所示。它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。2.气缸的分类气缸的种类很多，一般按气缸的结构特征、功能、驱动方式或安装方法等进行分类。分类的方法也不同。按结构特征，气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种。按运动形式分为直线运动气缸和摆动气缸两类。3.气缸的安装形式气缸的安装形式可分为1）固定式气缸气缸安装在机体上固定不动，有脚座式和法兰式。2）轴销式气缸缸体围绕固定轴可作一定角度的摆动，有U形钩式和耳轴式。3）回转式气缸缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装卡。4）嵌入式气缸气缸缸筒直接制作在夹具体内。二、常用气缸的结构原理1.普通气缸包括单作用式和双作用式气缸。常用于无特殊要求的场合。图132为最常用的单杆双作用普通气缸的基本结构，气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等零件组成。缸筒7与前后缸盖固定连接。有活塞杆侧的缸盖5为前缸盖，缸底侧的缸盖14为后缸盖。在缸盖上开有进排气通口，有的还设有气缓冲机构。前缸盖上，设有密封圈、防尘圈3，同时还设有导向套4，以提高气缸的导向精度。活塞杆6与活塞9紧固相连。活塞上除有密封圈10，11防止活塞左右两腔相互漏气外，还有耐磨环12以提高气缸的导向性；带磁性开关的气缸，活塞上装有磁环。活塞两侧常装有橡胶垫作为缓冲垫8。如果是气缓冲，则活塞两侧沿轴线方向设有缓冲柱塞，同时缸盖上有缓冲节流阀和缓冲套，当气缸运动到端头时，图132 普通双作用气缸1，13弹簧挡圈 2防尘圈压板 3防尘圈 4导向套 5杆侧端盖 6活塞杆7缸筒8缓冲垫9活塞10活塞密封圈11密封圈12耐磨环14无杆侧端盖缓冲柱塞进入缓冲套，气缸排气需经缓冲节流阀，排气阻力增加，产生排气背压，形成缓冲气垫，起到缓冲作用。2.特殊气缸图133 薄膜气缸1缸体 2膜片 3膜盘 4活塞杆为了满足不同的工作需要，在普通气缸的基础上，通过改变或增加气缸的部分结构，设计开发出多种特殊气缸。（1）薄膜式气缸图133为膜片气缸的工作原理图。膜片有平膜片和盘形膜片两种一般用夹织物橡胶、钢片或磷青铜片制成，厚度为 56mm （有用12mm 厚膜片的）。图133所示的膜片气缸的功能类似于弹簧复位的活塞式单作用气缸，工作时，膜片在压缩空气作用下推动活塞杆运动。它的优点是：结构简单、紧凑、体积小、重量轻、密封性好、不易漏气、加工简单、成本低、无磨损件、维修方便等，适用于行程短的场合。缺点是行程短，一般不趁过50mm。平膜片的行程更短，约为其直径的1/10。（2）磁性开关气缸磁性开关气缸是指在气缸的活塞上安装有磁环，在缸筒上直接安装磁性开关，磁性开关用来检测气缸行程的位置，控制气缸往复运动。因此，就不需要在缸筒上安装行程阀或行程开关来检测气缸活塞位置，也不需要在活塞杆上设置挡块。其工作原理如图134所示。它是在气缸活塞上安装永久磁环，在缸筒外壳上装有舌簧开关。开关内装有舌簧片、保护电路和动作指示灯等，均用树脂塑封在一个盒子内。当装有永久磁铁的活塞运动到舌簧片附近，磁力线通过舌簧片使其磁化，两个簧片被吸引接触，则开关接通。当永久磁铁返回离开时，磁场减弱，两簧片弹开，则开关断开。由于开关的接通或断开，使电磁阀换向，从而实现气缸的往复运动。图134磁性开关气缸1动作指示灯 2保护电路 3开关外壳4导线5活塞6磁环7缸筒8舌簧开关气缸磁性开关与其它开关的比较见表3-1。表3-错误！未定义书签。气缸磁性开关与其它开关的比较带阀气缸是由气缸、换向阀和速度控制阀等组成的一种组合式气动执行元件。它省去了连接管道和管接头，减少了能量损耗，具有结构紧凑，安装方便等优点。带阀气缸的阀有电控、气控、机控和手控等各种控制方式。阀的安装形式有安装在气缸尾部、上部等几种。如图135所示，电磁换向阀安装在气缸的上部，当有电信号时，则电磁阀被切换，输出气压可直接控制气缸动作。图135 带阀组合气缸1管接头2气缸3气管4电磁换向阀5换向阀底板6单向节流阀组合件7密封圈。（4）带导杆气缸图136为带导杆气缸，在缸筒两侧配导向用的滑动轴承（轴瓦式或滚珠式），因此导向精度高，承受横向载荷能力强。 136典型带导杆气缸的结构 （5）无杆气缸 无杆气缸是指利用活塞直接或间接方式连接外界执行机构，并使其跟随活塞实现往复运动的气缸。这种气缸的最大优点是节省安装空间。1）磁性无杆气缸 活塞通过磁力带动缸体外部的移动体做同步移动，其结构如图137所示。它的工作原理是：在活塞上安装一组高强磁性的永久磁环，磁力线通过薄壁缸筒与套在外面的另一组磁环作用，由于两组磁环磁性相反，具有很强的吸力。当活塞在缸筒内被气压推动时，则在磁力作用下，带动缸筒外的磁环套一起移动。气缸活塞的推力必须与磁环的吸力相适应。 图137磁性无杆气缸1套筒 2外磁环 3外磁导板 4内磁环 5内磁导板 6压盖 7卡环8活塞 9活塞轴 10缓冲柱塞 11气缸筒 12端盖 13进、排气口2）机械接触式无杆气缸 称机械接触式无杆气缸，其结构如138所示。在气缸缸管轴向开有一条槽，活塞与滑块在槽上部移动。为了防止泄漏及防尘需要，在开口部采用聚氨脂密封带和防尘不锈钢带固定在两端缸盖上，活塞架穿过槽，把活塞与滑块连成一体。活塞与滑块连接在一起，带动固定在滑块上的执行机构实现往复运动。这种气缸的特点是：1) 与普通气缸相比，在同样行程下可缩小1/2安装位置；2) 不需设置防转机构；3) 适用于缸径1080mm ，最大行程在缸径40mm 时可达7m ；4) 速度高，标准型可达0.10.5m/s ；高速型可达到0.33.0m/s 。其缺点是：1) 密封性能差，容易产生外 泄漏。在使136 典型带导杆气缸的结构 用三位阀时必须选用中压式；2) 受负载力小，为了增加负载能力，必须增加导向机构。图138 机械接触式无杆气缸l节流阀2缓冲柱塞3密封带4防尘不锈钢带 5活塞 6滑块 7活塞架（6）锁紧气缸带有锁紧装置的气缸称为锁紧气缸按锁紧位置分为行程末端锁紧型和任意位置锁紧型。1）行程末端锁紧型气缸如图139所示，当活塞运动到行程末端，气压释放后，锁定活塞1在弹簧力的作用下插入活塞杆的卡槽中，活塞杆被锁定。供气加压时，锁定活塞1缩回退出卡槽而开锁，活塞杆便可运动。图139 带端锁气缸的结构原理a）手动解除非锁式b）手动解除锁式。1锁定活塞2橡胶帽3，12帽4缓冲垫圈5锁用弹簧6密封件7导向套8螺钉9旋钮10弹簧11限位环2）任意位置锁紧型气缸按锁紧方式可分为卡套锥面式、弹簧式和偏心式等多种形式。卡套锥面式锁紧装置由锥形制动活塞6、制动瓦1、制动臂4和制动弹簧7等构成，其结构原理如图1310所示。作用在锥状锁紧活塞上的弹簧力由于楔的作用而被放大，再由杠杆原理得到放大。这个放大的作用力作用在制动瓦1上，把活塞杆锁紧。要释放对活塞的锁紧，向供气口A供应压缩空气，把锁紧弹簧力撤掉。图1310 制动气缸制动装置工作原理a）自由状态b）锁紧状态l制动瓦 2制动瓦座3转轴 4制动臂 5压轮 6锥形制动活塞7制动弹簧（7）气动手爪气动手爪这种执行元件是一种变型气缸。它可以用来抓取物体，实现机械手各种动作。在自动化系统中，气动手爪常应用在搬运、传送工件机构中抓取、拾放物体。图1311 平行开合手指气动手爪有平行开合手指（如图1311所示）、肘节摆动开合手爪、有两爪、三爪和四爪等类型，其中两爪中有平开式和支点开闭式驱动方式有直线式和旋转式。气动手爪的开闭一般是通过由气缸活塞产生的往复直线运动带动与手爪相连的曲柄连杆、滚轮或齿轮等机构，驱动各个手爪同步做开、闭运动。（8）气液阻尼缸气缸以可压缩空气为工作介质，动作快，但速度稳定性差，当负载变化较大时，容易产生“爬行”或“自走”现象。另外，压缩空气的压力较低，因而气缸的输出力较小。为此，经常采用气缸和油缸相结合的方式，组成各种气液组合式执行元件，以达到控制速度或增大输出力的目的。气液阻尼缸是利用气缸驱动油缸，油缸除起阻尼作用外，还能增加气缸的刚性（因为油是不可压缩的），发挥了液压传动稳定、传动速度较均匀的优点。常用于机床和切削图131装置的进给驱动装置。串联式气液阻尼缸的结构如图1312所示。它采用一根活塞杆将两活塞串在一起，油缸和气缸之间用隔板隔开，防止气体串入油缸中。当气缸左端进气时，气缸将克服负载阻力，带动油缸向右运动，调节节流阀开度就能改变阻尼缸活塞的运动速度 。 图1312气液阻尼缸 （10）摆动气缸 摆动气缸是一种在小于360角度范围内做往复摆动的气缸，它是将压缩空气的压力能转换成机械能，输出力矩使机构实现往复摆动。摆动气缸按结构特点可分为叶片式和活塞式两种。1）叶片式摆动气缸 单叶片式摆动气缸的结构原理如图1313所示。它是由叶片轴转子（即输出轴）、定子、缸体和前后端盖等部分组成。定子和缸体固定在一起，叶片和转子联在一起。在定子上有两条气路，当左路进气时，右路排气，压缩空气推动叶片带动转子顺时针摆动。反之，作逆时针摆动。叶片式摆动气缸体积小，重量最轻，但制造精度要求高，密封困难，泄漏是较大，而且动密封接触面积大，密封件的摩擦阻力损失较大，输出效率较低，小于80%。因此，在应用上受到限制，一般只用在安装位置受到限制的场合，如夹具的回转，阀门开闭及工作台转位等。 图1313 单叶片式摆动气缸工作原理图1叶片2转子3定子4缸体2）活塞式摆动气缸活塞式摆动气缸是将活塞的往复运动通过机构转变为输出轴的摆动运动。按结构不同可分为齿轮齿条式、螺杆式和曲柄式等几种。图1314 齿轮齿条式摆动气缸结构原理1齿条组件2弹簧柱销3滑块4端盖5缸体6轴承7轴8活塞9齿轮齿轮齿条式摆动气缸是通过连接在活塞上的齿条使齿轮回转的一种摆动气缸，其结构原理如图1314所示。活塞仅作往复直线运动，摩擦损失少，齿轮传动的效率较高，此摆动气缸效率可达到95%左右。三、气缸的技术参数1）气缸的输出力气缸理论输出力的设计计算与液压缸类似，可参见液压缸的设计计算。如双作用单活塞杆气缸推力计算如下：理论推力（活塞杆伸出）F t1A1p（13-1）理论拉力（活塞杆缩回）F t2A2p（13-2）式中F t1、F t2气缸理论输出力（N）；A1、A2无杆腔、有杆腔活塞面积（m2）；p气缸工作压力（Pa）。实际中，由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。气缸的效率 是气缸的实际推力和理论推力的比值，即t F F = （13-3）所以 ()p A F 1= （13-4） 气缸的效率取决于密封的种类，气缸内表面和活塞杆加工的状态及润滑状态。此外，气缸的运动速度、排气腔压力、外载荷状况及管道状态等都会对效率产生一定的影响。2）负载率 从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。于是在研究气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。气缸的负载率定义为%100t F F 气缸的理论输出力气缸的实际负载 （l35） 气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率，则由定义就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。对于阻性负载，如气缸用作气动夹具，负载不产生惯性力，一般选取负载率为0.8；对于惯性负载，如气缸用来推送工件，负载将产生惯性力，负载率的取值如下 0.65 当气缸低速运动，v 100 mm/s 时；0.5 当气缸中速运动，v 100500 mm/s 时；0.35 当气缸高速运动，v 500 mm/s 时。3）气缸耗气量 气缸的耗气量是活塞每分钟移动的容积，称这个容积为压缩空气耗气量，一般情况下，气缸的耗气量是指自由空气耗气量。4）气缸的特性 气缸的特性分为静态特性和动态特性。气缸的静态特性是指与缸的输出力及耗气量密切相关的最低工作压力、最高工作压力、摩擦阻力等参数。气缸的动态特性是指在气缸运动过程中气缸两腔内空气压力，温度，活塞速度、位移等参数随时间的变化情况。它能真实地反映气缸的工作性能。四、气缸的选型及计算1.气缸的选型步骤气缸的选型应根据工作要求和条件，正确选择气缸的类型。下面以单活塞杆双作用缸为例介绍气缸的选型步骤。（1）气缸缸径。根据气缸负载力的大小来确定气缸的输出力，由此计算出气缸的缸径。（2）气缸的行程。气缸的行程与使用的场合和机构的行程有关，但一般不选用满行程。（3）气缸的强度和稳定性计算（4）气缸的安装形式。气缸的安装形式根据安装位置和使用目的等因素决定。一般情况下，采用固定式气缸。在需要随工作机构连续回转时（如车床、磨床等），应选用回转气缸。在活塞杆除直线运动外，还需作圆弧摆动时，则选用轴销式气缸。有特殊要求时，应选用相应的特种气缸。（5）气缸的缓冲装置。根据活塞的速度决定是否应采用缓冲装置。（6）磁性开关。当气动系统采用电气控制方式时，可选用带磁性开关的气缸。（7）其它要求。如气缸工作在有灰尘等恶劣环境下，需在活塞杆伸出端安装防尘罩。要求无污染时需选用无给油或无油润滑气缸。2.气缸直径计算气缸直径的设计计算需根据其负载大小、运行速度和系统工作压力来决定。首先，根据气缸安装及驱动负载的实际工况，分析计算出气缸轴向实际负载F ，再由气缸平均运行速度来选定气缸的负载率，初步选定气缸工作压力（一般为0.4 MPa 0.6 MPa ），再由 F ，计算出气缸理论出力F t ，最后计算出缸径及杆径，并按标准圆整得到实际所需的缸径和杆径。例题 气缸推动工件在水平导轨上运动。已知工件等运动件质量为 m 250 kg ，工件与导轨间的摩擦系数 0.25，气缸行程 s 为 400 mm ，经1.5 s 时间工件运动到位，系统工作压力p = 0.4 MPa ，试选定气缸直径。解：气缸实际轴向负载F mg 0.25 250 9.81613.13 N气缸平均速度mm/s 2675.1400=t s v 选定负载率 0.5 则气缸理论输出力N 6.12265.013.6131=F F 双作用气缸理论推力p D F =2141气缸直径 mm 48.624.014.33.122644=p F D t 按标准选定气缸缸径为63 mm 。 气缸的工作原理1.2.1单作用气缸单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。其原理及结构见图42.2-2。图42.2-2单作用气缸1缸体；2活塞；3弹簧；4活塞杆；单作用气缸的特点是：1）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小。2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出力。3）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。4）气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。1.2.2双作用气缸双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。1）双活塞杆双作用气缸双活塞杆气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。其工作原理见图42.2-3。缸体固定时，其所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程s的3倍。安装所占空间大，一般用于小型设备上。活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷（工作台）连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程s的2倍。适用于中、大型设备。图42.2-3双活塞杆双作用气缸a）缸体固定；b）活塞杆固定1缸体；2工作台；3活塞；4活塞杆；5机架双活塞杆气缸因两端活塞杆直径相等，故活塞两侧受力面积相等。当输入压力、流量相同时，其往返运动输出力及速度均相等。2）缓冲气缸对于接近行程末端时速度较高的气缸，不采取必要措施，活塞就会以很大的力（能量）撞击端盖，引起振动和损坏机件。为了使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击现象。在气缸两端加设缓冲装置，一般称为缓冲气缸。缓冲气缸见图42.2-4，主要由活塞杆1、活塞2、缓冲柱塞3、单向阀5、节流阀6、端盖7等组成。其工作原理是：当活塞在压缩空气推动下向右运动时，缸右腔的气体经柱塞孔4及缸盖上的气孔8排出。在活塞运动接近行程末端时，活塞右侧的缓冲柱塞3将柱塞孔4堵死、活塞继续向右运动时，封在气缸右腔内的剩余气体被压缩，缓慢地通过节流阀6及气孔8排出，被压缩的气体所产生的压力能如果与活塞运动所具有的全部能量相平衡，即会取得缓冲效果，使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击。调节节流阀6阀口开度的大小，即可控制排气量的多少，从而决定了被压缩容积（称缓冲室）内压力的大小，以调节缓冲效果。若令活塞反向运动时，从气孔8输入压缩空气，可直接顶开单向阀5，推动活塞向左运动。如节流阀6阀口开度固定，不可调节，即称为不可调缓冲气缸。图42.2-4缓冲气缸1活塞杆；2活塞；3缓冲柱塞；4柱塞孔；5单向阀6节流阀；7端盖；8气孔气缸所设缓冲装置种类很多，上述只是其中之一，当然也可以在气动回路上采取措施，达到缓冲目的。1.2.3、组合气缸组合气缸一般指气缸与液压缸相组合形成的气-液阻尼缸、气-液增压缸等。众所周知，通常气缸采用的工作介质是压缩空气，其特点是动作快，但速度不易控制，当载荷变化较大时，容易产生“爬行”或“自走”现象；而液压缸采用的工作介质是通常认为不可压缩的液压油，其特点是动作不如气缸快，但速度易于控制，当载荷变化较大时，采用措施得当，一般不会产生“爬行”和“自走”现象。把气缸与液压缸巧妙组合起来，取长补短，即成为气动系统中普遍采用的气-液阻尼缸。气-液阻尼缸工作原理见图42.2-5。实际是气缸与液压缸串联而成，两活塞固定在同一活塞杆上。液压缸不用泵供油，只要充满油即可，其进出口间装有液压单向阀、节流阀及补油杯。当气缸右端供气时，气缸克服载荷带动液压缸活塞向左运动（气缸左端排气），此时液压缸左端排油，单向阀关闭，油只能通过节流阀流入液压缸右腔及油杯内，这时若将节流阀阀口开大，则液压缸左腔排油通畅，两活塞运动速度就快，反之，若将节流阀阀口关小，液压缸左腔排油受阻，两活塞运动速度会减慢。这样，调节节流阀开口大小，就能控制活塞的运动速度。可以看出，气液阻尼缸的输出力应是气缸中压缩空气产生的力（推力或拉力）与液压缸中油的阻尼力之差。图42.2-5 气-液阻尼缸1节流阀；2油杯；3单向阀；4液压缸；5气缸；6外载荷气-液阻尼缸的类型有多种。按气缸与液压缸的连接形式，可分为串联型与并联型两种。前面所述为串联型，图42.2-6为并联型气-液阻尼缸。串联型缸体较长；加工与安装时对同轴度要求较高；有时两缸间会产生窜气窜油现象。并联型缸体较短、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，液压缸在后参见图42.2-5，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（气缸在后面），则液压缸两端都有活塞杆，两端作用面积相等，除补充泄漏之外就不存在储油、补油问题，油杯可以很小。图42.2-6 并联型气-液阻尼缸1液压缸；2气缸按调速特性可分为：1）慢进慢退式；2）慢进快退式；3）快进慢进快退式。其调速特性及应用见表42.2-3。就气-液阻尼缸的结构而言，尚可分为多种形式：节流阀、单向阀单独设置或装于缸盖上；单向阀装在活塞上（如挡板式单向阀）；缸壁上开孔、开沟槽、缸内滑柱式、机械浮动联结式、行程阀控制快速趋近式等。活塞上有挡板式单向阀的气-液阻尼缸见图42.2-7。活塞上带有挡板式单向阀，活塞向右运动时，挡板离开活塞，单向阀打开，液压缸右腔的油通过活塞上的孔（即挡板单向阀孔）流至左腔，实现快退，用活塞上孔的多少和大小来控制快退时的速度。活塞向左运动时，挡板挡住活塞上的孔，单向阀关闭，液压缸左腔的油经节流阀流至右腔（经缸外管路）。调节节流阀的开度即可调节活塞慢进的速度。其结构较为简单，制造加工较方便。图42.2-8为采用机械浮动联接的快速趋近式气-液阻尼缸原理图。靠液压缸活塞杆端部的T形顶块与气缸活塞杆端部的拉钩间有一空行程s1，实现空程快速趋近，然后再带动液压缸活塞，通过节流阻尼，实现慢进。返程时也是先走空行程s1，再与液压活塞一起运动，通过单向阀，实现快退。表42.2-3气-液阻尼缸调速特性及应用调速方式结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式节流阀，使活塞往复运动的速度可调并相同适用于空行程及工作行程都较短的场合（s20mm）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；活塞向左运动时，单向阀打开，不经节流快退。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点与点用管路相通，活塞开始向右运动时，右腔油经由fgea回路直接流入端实现快速趋近，当活塞移过点，油只能经节流阀流入端，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、设备最常用的方式图42.2-7活塞上有挡板式单向阀的气-液阻尼缸图42.2-8浮动联接气-液阻尼缸原理图1-气缸；2顶丝；3T形顶块；4拉钩；5液压缸1图42.2-9是又一种浮动联接气-液阻尼缸。与前者的区别在于：T形顶块和拉钩装设位置不同，前者设置在缸外部。后者设置在气缸活塞杆内，结构紧凑但不易调整空行程s1（前者调节顶丝即可方便调节s1的大小）。1.2.4 特殊气缸（1）冲击气缸图42.2-9 浮动联接气-液阻尼缸冲击气缸是把压缩空气的能量转化为活塞、活塞杆高速运动的能量，利用此动能去做功。冲击气缸分普通型和快排型两种。1）普通型冲击气缸普通型冲击气缸的结构见图42.2-10。与普通气缸相比，此种冲击气缸增设了蓄气缸1和带流线型喷气口4及具有排气孔3的中盖2。其工作原理及工作过程可简述为如下五个阶段（见图42.2-11）：第一阶段：复位段。见图42.2-10和图42.2-11a，接通气源，换向阀处复位状态，孔A进气，孔B排气，活塞5在压差的作用下，克服密封阻力及运动部件重量而上移，借助活塞上的密封胶垫封住中盖上的喷气口4。中盖和活塞之间的环形空间C经过排气小孔3与大气相通。最后，活塞有杆腔压力升高至气源压力，蓄气缸内压力降至大气压力。第二阶段：储能段。见图42.2-10和图42.2-11b，换向阀换向，B孔进气充入蓄气缸腔内，A孔排气。由于蓄气缸腔内压力作用在活塞上的面积只是喷气口4的面积，它比有杆腔压力作用在活塞上的面积要小得多，故只有待蓄气缸内压力上升，有杆腔压力下降，直到下列力平衡方程成立时，活塞才开始移动。式中 d中盖喷气口直径（m）；p30活塞开始移动瞬时蓄气缸腔内压力（绝对压力）（Pa）；p20活塞开始移动瞬时有杆腔内压力（绝对压力）（Pa）；G运动部件（活塞、活塞杆及锤头号模具等）所受的重力（N）；D活塞直径（m）；d1活塞杆直径（m）；F0活塞开始移动瞬时的密封摩擦力（N）。若不计式（42.2-1）中G和F0项，且令d=d1，则当时，活塞才开始移动。这里的p20、p30均为绝对压力。可见活塞开始移动瞬时，蓄气缸腔与有杆腔的压力差很大。这一点很明显地与普通气缸不同。图42.2-10 普通型冲击气缸第三阶段：冲击段。活塞开始移动瞬时，蓄气缸腔内压力p30可认为已达气源压力ps，同时，容积很小的无杆腔（包括环形空间C）通过排气孔3与大气相通，故无杆腔压力p10等于大气压力pa。由于pa/ps大于临界压力比0.528，所以活塞开始移动后，在最小流通截面处（喷气口与活塞之间的环形面）为声速流动，使无杆腔压力急剧增加，直至与蓄气缸腔内压力平衡。该平衡压力略低于气源压力。以上可以称为冲击段的第I区段。第I区段的作用时间极短（只有几毫秒）。在第I区段，有杆腔压力变化很小，故第I区段末，无杆腔压力p1（作用在活塞全面积上）比有杆腔压力p2（作用在活塞杆侧的环状面积上）大得多，活塞在这样大的压差力作用下，获得很高的运动加速度，使活塞高速运动，即进行冲击。在此过程B口仍在进气，蓄气缸腔至无杆腔已连通且压力相等，可认为蓄气-无杆腔内为略带充气的绝热膨胀过程。同时有杆腔排气孔A通流面积有限，活塞高速冲击势必造成有杆腔内气体迅速压缩（排气不畅），有杆腔压力会迅速升高（可能高于气源压力）这必将引起活塞减速，直至下降到速度为0。以上可称为冲击段的第区段。可认为第区段的有杆腔内为边排气的绝热压缩过程。整个冲击段时间很短，约几十毫秒。见图42.2-11c。图42.2-11 普通型冲击气缸的工作原理1蓄气缸；2中盖；3排气孔；4喷气口；5活塞第四阶段：弹跳段。在冲击段之后，从能量观点来说，蓄气缸腔内压力能转化成活塞动能，而活塞的部分动能又转化成有杆腔的压力能，结果造成有杆腔压力比蓄气-无杆腔压力还高，即形成“气垫”，使活塞产生反向运动，结果又会使蓄气-无杆腔压力增加，且又大于有杆腔压力。如此便出现活塞在缸体内来回往复运动即弹跳。直至活塞两侧压力差克服不了活塞阻力不能再发生弹跳为止。待有杆腔气体由A排空后，活塞便下行至终点。第五阶段：耗能段。活塞下行至终点后，如换向阀不及时复位，则蓄气-无杆腔内会继续充气直至达到气源压力。再复位时，充入的这部分气体又需全部排掉。可见这种充气不能作用有功，故称之为耗能段。实际使用时应避免此段（令换向阀及时换向返回复位段）。对内径D=90mm的气缸，在气源压力0.65MPa下进行实验，所得冲击气缸特性曲线见图42.2-12。上述分析基本与特性曲线相符。对冲击段的分析可以看出，很大的运动加速使活塞产生很大的运动速度，但由于必须克服有杆腔不断增加的背压力及摩擦力，则活塞速度又要减慢，因此，在某个冲程处，运动速度必达最大值，此时的冲击能也达最大值。各种冲击作业应在这个冲程附近进行。冲击气缸在实际工作时，锤头模具撞击工件作完功，一般就借助行程开关发出信号使换向阀复位换向，缸即从冲击段直接转为复位段。这种状态可认为不存在弹跳段和耗能段。2）快排型冲击气缸由上述普通型冲击气缸原理可见，其一部分能量（有时是较大部分能量）被消耗于克服背压（即p2）做功，因而冲击能没有充分利用。假如冲击一开始，就让有杆腔气体全排空，即使有杆腔压力降至大气压力，则冲击过程中，可节省大量的能量，而使冲击气缸发挥更大的作用，输出更大的冲击能。这种在冲击过程中，有杆腔压力接近于大气压力的冲击气缸，称为快排型冲击气缸。其结构见图42.2-13a。快排型冲击气缸是在普通型冲击气缸的下部增加了“快排机构”构成。快排机构是由快排导向盖1、快排缸体4、快排活塞3、密封胶垫2等零件组成。快排型冲击气缸的气控回路见图42.2-13b。接通气源，通过阀F1同时向K1、K3充气，K2通大气。阀F1输出口A用直管与K1孔连通，而用弯管与K3孔连通，弯管气阻大于直管气阻。这样，压缩空气先经K1使快排活塞3推到上边，由快排活塞3与密封胶垫2一起切断有杆腔与排气口T的通道。然后经K3孔向有杆腔进气，蓄气一无杆腔气体经K4孔通过阀F2排气，则活塞上移。当活塞封住中盖喷气口时，装在锤头上的压块触动推杆6，切换阀F3，发出信号控制阀F2使之切换，这样气源便经阀F2和K4孔向蓄气腔内充气，一直充至气源压力。冲击工作开始时，使阀F1切换，则K2进气，K1和K3排气，快排活塞下移，有杆腔的压缩空气便通过快排导向盖1上的多个圆孔（8个），再经过快排缸体4上的多个方孔T（10余个）及K3直接排至大气中。因为上述多个圆孔和方孔的通流面积远远大于K3的通流面积，所以有杆腔的压力可以在极短的时间内降低到接近于大气压力。当降到一定压力时，活塞便开始下移。锤头上压块便离开行程阀F3的推杆6，阀3在弹簧的作用下复位。由于接有气阻7和气容8，阀3虽然复位，但F2却延时复位，这就保证了蓄气缸腔内的压缩空气用来完成使活塞迅速向下冲击的工作。否则，若F3复位，F2同时复位的话，蓄气缸腔内压缩空气就会在锤头没有运动到行程终点之前已经通过K4孔和阀F2排气了，所以当锤头开始冲击后，F2的复位动作需延时几十毫秒。因所需延时时间不长，冲击缸冲击时间又很短，往往不用气阻、气容也可以，只要阀F2的换向时间比冲击时间长就可以了。在活塞向下冲击的过程中，由于有杆腔气体能充分地被排空，故不存在普通型冲击气缸有杆腔出现的较大背压，因而快排型冲击气缸的冲击能是同尺寸的普通型冲击气缸冲击能的34倍。（2）数字气缸它由活塞1、缸体2、活塞杆3等件组成。活塞的右端有T字头，活塞的左端有凹形孔，后面活塞的T字头装入前面活塞的凹形孔内，由于缸体的限制，T字头只能在凹形孔内沿缸轴向运动，而两者不能脱开，若干活塞如此顺序串联置于缸体内，T字头在凹形孔中左右可移动的范围就是此活塞的行程量。不同的进气孔A1Ai（可能是A1，或是A1和A2，或A1、A2和A3，还可能是A1和A3，或A2和A3等等）输入压缩空气（0.40.8MPa）时，相应的活塞就会向右移动，每个活塞的向右移动都可推动活塞杆3向右移动，因此，活塞杆3每次向右移动的总距离等于各个活塞行程量的总和。这里B孔始终与低压气源相通（0.050.1MPa），当A1Ai孔排气时，在低压气的作用下，活塞会自动退回原位。各活塞的行程大小，可根据需要的总行程s按几何级数由小到大排列选取。设s=35mm，采用3个活塞，则各活塞的行程分别取1=5mm；2=10mm；3=20mm。如s=31.5mm，可用6个活塞，则1、2、36分别设计为0.5、1、2、4、8、16mm，由这些数值组合起来，就可在0.531.5mm范围内得到0.5mm整数倍的任意输出位移量。而这里的1、2、3i可以根据需要设计成各种不同数列，就可以得到各种所需数值的行程量。（3）回转气缸主要由导气头、缸体、活塞、活塞杆组成。这种气缸的缸体3连同缸盖6及导气头芯10被其他动力（如车床主轴）携带回转，活塞4及活塞杆1只能作往复直线运动，导气头体9外接管路，固定不动。固转气缸的结构如图42.2-15b所示。为增大其输出力采用两个活塞串联在一根活塞杆上，这样其输出力比单活塞也增大约一倍，且可减小气缸尺寸，导气头体与导气头芯因需相对转动，装有滚动轴承，并以研配间隙密封，应设油杯润滑以减少摩擦，避免烧损或卡死。回转气缸主要用于机床夹具和线材卷曲等装置上。（4）挠性气缸挠性气缸是以挠性软管作为缸筒的气缸。常用挠性气缸有两种。一种是普通挠性气缸见图42.2-16，由活塞、活塞杆及挠性软管缸筒组成。一般都是单作用活塞气缸，活塞的回程靠其他外力。其特点是安装空间小，行程可较长。第二种挠性气缸是滚子挠性气缸见图42.2-17。由夹持滚子代替活塞及活塞杆，夹持滚子设在挠性缸筒外表面，A端进气时，左端挠性筒膨胀，B端排气，缸左端收缩，夹持在缸筒外部的滚子在膨胀端的作用下，向右移动，滚子夹带动载荷运动。可称为挠性筒滚子气缸。这种气缸的特点是所占空间小，输出力较小，载荷率较低，可实现双作用。（5）钢索式气缸钢索式气缸见图42.2-18，是以柔软的、弯曲性大的钢丝绳代替刚性活塞杆的一种气缸。活塞与钢丝绳连在一起，活塞在压缩空气推动下往复运动，钢丝绳带动载荷运动，安装两个滑轮，可使活塞与载荷的运动方向相反。这种气缸的特点是可制成行程很长的气缸，如制成直径为25mm ，行程为6m左右的气缸也不困难。钢索与导向套间易产生泄漏。懒虫回答采纳率:24.5% 2021-03-14 20:56一、四行程汽油发动机工作原理发动机工作须经过进气，把可燃混合气(或新鲜空气)引入气缸；然后将进入气缸的可燃混合气压缩，压缩接近终点时点燃可燃混合气；可燃混合气着火燃烧，膨胀推动活塞下行实现对外作功；最后排出燃烧后的废气。进气、压缩、作功、排气四个过程。把这四个过程叫做发动机的一个工作循环，工作循环不断地重复，就实现了能量转换，使发动机能够连续运转。1、进气行程活塞在曲轴带动下从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，在气缸内形成一定的真空度，空气和汽油混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步形成可燃混合气。2、压缩行程：进气结束终了，曲轴继续旋转，带动活塞从下止点向上止点运动，这时进、排气门均关闭，气缸内成为封闭容积，随着活塞移动，气缸容积不断减小，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。3、做功行程;做功行程包括燃烧过程和膨胀过程，在这一行程中，进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点(即点火提前角)位置时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，点燃可燃混合气，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，温度和压力急剧升高，最高压力可达3.06.5MPa，最高温度可达22002800K，高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点移动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外做功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度逐渐降低，当活塞运动到下止点时，做功行程结束，气体压力降低到0.350.5MPa，气体温度降低到12001500K。4、排气行程：可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。排气行程开始时，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点向上止点运动时，此时废气在自身生剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。受排气阻力的影响，排气终止时，气体压力仍高于大气压力，约为0.1050.12MPa，温度约为9001100K。曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。可见四行程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环，这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。实际汽油机的进气过程中，进气门打开。在排气行程中，是排气门早于下止点开启，迟于上止点关闭。进气门早开晚关的目的是为了增加进入气缸的混合气量，排气门早开晚关的目的是为了减少气缸内的残余废气量。减少残余废气量，会相应增加进气量。二、四行程柴油机的工作原理四行程柴油机和四行程汽油机的工作过程一样，每一个工作循环同样包括进气、压缩、作功和排气四个行程，但由于柴油机使用的燃料是柴油，柴油与汽油有较大的差别，柴油粘度大，不易蒸发，自燃温度低，故可燃混合气的形成，着火方式，燃烧过程以及气体温度压力的变化都和汽油机不同.四冲程柴油机工作原理如下：1、进气冲程与汽油机相比，进入柴油机汽缸的不是可燃混合气而是纯空气。进气行程结束时，气体压力为80 -90kpa，温度为310-350K。2、压缩冲程压缩的是纯空气，由于柴油机压缩比大，压缩终了时气体的温度和压力比汽油机高。压力约为3000-5000kpa,温度约为800-1000k。3、做工冲程压缩行程结束，高压柴油经喷油器呈雾状喷入汽缸，迅速汽化并与空气形成混合气。由于压缩终了汽缸内温度远高于柴油的自然温度(500K左右)柴油立即自行着火燃烧。因此，柴油机没有点火系统。燃烧最高压力为5000-10000kpa，最高温度约为1800-2200K。匿名回答采纳率:6.5% 2021-03-14 20:57第一步叫做【进气冲程】，其过程是将进气阀打开，活塞下降，汽缸吸入汽油和空气的混合物。第二步叫做【压缩冲程】，这一步的过程是将进气阀关闭，活塞上升，混合物被压缩在活塞上的小空间里。【动力冲程】是第三步，此时汽缸上的火花塞的火花会令混合物燃烧，产生的热气体膨胀，迫使活塞下降。【排气冲程】是四冲程引擎的最后一步，这时排气阀会打开，活塞上升，燃烧过的气体（废气）被排出汽缸。相较于二冲程引擎，四冲程的结构较为复杂。它拥有活瓣及凸轮轴，至少要有进气活瓣、排气活瓣及凸轮轴各一。因为它的容积效率较低，所以两种引擎在相同扫气容积下，它会有较少之输出功率。但它有稳定的扭力及马力输出，所以它适用于道路的车辆和船只。虽然它提升转数较慢，它不能算是真的问题。其实，转数提升缓慢可以以减轻飞轮的重量、活塞的重量及曲轴的重量来解决汽油机的