装甲车水上转向系统液压摆动油缸及液压系统的设计机械CAD图纸

目 录1.绪 论11.1 课题的研究背景及发展状况21.2 两栖装甲车辆概述21.2.1 两栖装甲车辆的问世及发展概况21.2.2 两栖装甲车的结构及战技性能41.2.3 两栖装甲车的未来发展趋势51.3 水上转向系统概述61.4液压摆动油缸概况71.5液压系统概叙81.6液压系统设计的基本要求92.系统设计方案102.1摆动液压缸的设计概况102.2原设计方案相应工作元件的性能特点102.3设计参数132.4所设计的摆动液压油缸技术数据133.油缸的整体设计113.1缸体设计143.1.1缸体端部联接结构143.1.2 缸体的材料143.1.3缸体的技术要求163.1.4 铸造方法163.1.5 缸体的外观视图173.2缸盖173.2.1 缸盖的材料173.2.2 缸盖的内外侧外观视图173.2.3缸盖的技术要求173.3轴与回转叶片183.3.1设计方案的提出183.3.2设计方案一183.3.3设计方案二193.3.4对两个方案的比较203.3.5方案二叶片轴外观图213.3.6关于液压缸的轴与叶片等计算213.4止挡233.4.1材料233.4.2技术要求233.5支撑板233.5.1材料233.6螺纹联接243.7键联接253.8密封的设计与选用原则253.8.1.基本要求263.8.2.影响密封性能的因素263.8.3.密封件的设计选用原则263.8.4密封件的设计选用264.叶片轴的加工工艺规程294.1机械加工工艺规程的作用294.2. 毛坯分析294.3定位基准的选择和加工顺序的安排294.4工艺过程分析304.5加工阶段的划分304.6工序顺序的安排及制造工艺过程315液压油路设计31参考文献34结 论35致 谢36摘 要本设计主要是对水陆两用的装甲车在水中浮动时的驱动装置进行设计，采用液压摆动油缸能够节省空间，减轻重量，借助于控制系统，能够实现其良好的运转。在整个系统中，水门的工作性质决定了对控制的当前优先性，在操作的时候主要是实现摆动油缸的正反转的问题，通过对摆动油缸的机构设计，实现摆动液压油缸需要的转动角度。在油缸的结构中，设计了两块叶片和两个定位挡块，通过定位挡块的限位作用，保证叶片在090度的范围内转动，同时设计两个叶片也有利于摆动液压油缸的内部平衡。对于方案的可行性，通过一系列的计算验证是可行的，在现实中有一定的实际意义,能够用于实际生产。 关键词摆动液压油缸；驱动装置；叶片；定位挡块ABSTRACTThe thesis discusses the design of amphibious armored vehicles drive device,when is floating in the water.It can save space ,reduce weight when we use Hydraulic oscillating cylinder ,and achieve its good functioning by the use of control systerm.throughout the systerm,the work nature of the Watergate decides the current priorities,it mainly focuses on the rotating direction of the tank ,when is swinging in the operation.through the structure design of swinging tank,it can achieve rotation angle of Hydraulic oscillating cylinder,which is needed.In the structure of tank,I design two leaves and two located blocks，it can assure the leavesrotation in the scope of 0-90,and meanwhile the two design leaves are alconducive to swing cylinders inte For the feasibility of the program,we can use a series of calculation,which is proved to be feasible,and there are certain pratical significance too,which can be used for actual productio.Keywords ：Hydraulic oscillating cylinder,drive device,leaves,located block1.绪 论1.1 课题的研究背景及发展状况转向系统是机动车辆非常关键不可缺少的一个部分。转向系统性能的好坏，直接影响到机动车辆的其它系统性能的发挥和车辆安全行驶性能，对于装甲车来说更是如此。当装甲车需要具有渡江渡海能力时，就称为两栖装甲车辆，同样其水上转向系统又是决定它在水中性能否快速反应的关键。现在的两栖装甲车的水上转向系统是把柱塞式液压油缸的往复运动转换为水门或侧舵的旋转运动，使水门或侧舵打开或关闭。其电器系统最早是基于继电器控制；目前为基于单片机和传感器的闭环控制系统或PLC控制；最新的发展趋势是基于CAN总线协议的单片机控制。由于当前的两栖装甲车辆的驱动装置是柱塞式液压油缸，因此采用摆动液压油缸在占用空间小、减少传动链、使用安全方面具有特殊的创新意义，具有实际使用价值。这样使得两栖装甲车辆能够装载更多的作战装备，从而使整车的综合性能得到提高。1.2 装甲车辆两栖的概述具有浮渡能力的在水里一类装甲车辆是指两栖装甲车辆，具有两栖性能是本车的最大特色。轮带和履带是两种不同类型的装甲车；两栖装甲战斗车辆、两栖装甲保障车辆两类是根据作战能力的区别而划分，比如说战斗车辆等。两栖装甲救护车属于两栖装甲保证车辆。两栖装甲车辆依靠螺旋桨喷水推进器等装置在水中推进。全球规模较大的各海军陆战队最重要的装备之一是两栖装甲车辆。 两栖装甲车辆的问世及发展概况英国是两栖装甲的原产地。时间大概是1918年10月左右。在1920年间有改装了坦克，作为第一辆水路两栖的装甲车辆。在当时那个年代，可谓是创造了一个很大的奇迹。并且推动了两栖装甲车的发展。不久之后，苏联也发明了水陆坦克。也是推动了装甲车辆划时代的进步。这不仅是苏联人民的骄傲，也是世界的骄傲。从一战到二战期间是装甲车辆发展较慢的时期，这是大家公认的结果。这是为什么？最重要的一个原因是登陆作战没有进入到指挥员的眼睛里。后来在二战期间，由于战争的节节失利，形势非常不乐观。二战开始后，在欧洲、北非及太平洋各战场，由于盟军初期的失利，致使随后的反攻作战非从海上发起不可，因此登陆作战的次数相当频繁，规模越来越大，组织指挥更加复杂登陆作战才再次受到各国军事专家的重视。登陆作战的广泛应用，不仅在各个战区，而且在战争的各个阶段都起了重要作用，给两栖装甲车辆的发展创造了历史机遇。1942年，日本研制成功“卡米沙”水陆坦克，车尾装有螺旋桨，水上最大航速达到了9.6千米/小时。同年，美国开始对一种被叫做“鳄鱼”的LVT1两栖车辆进行改进，并命名为“水牛”LVT2，其中加上装甲的称为LVT（A）2，成为美国第一辆两栖装甲车，专门用于在两栖作战中运送军用物资。1943年，美国又定型生产出发动机前置的LVT3。在此之后，又将LVT3的尾门改装成跳板式，制造出LVT4。LVT4战斗全重16.5吨，乘员3人，载重4086千克可以装载30名士兵或一辆吉普车，或1门反坦克炮，采用风冷汽油机，最大功率184千瓦，水上靠履带划水，最大航速达到10千米/小时，是二战期间LVT系列中生产数量最多的装甲车。美国在不断发展LVT系列装甲车的同时，为了适应登陆作战和岛屿争夺的需要，又在M4中型坦克尾部加装2个直径为66厘米的螺旋桨，并首次采用浮渡围帐提供附加浮力的方式，将重达30吨的坦克浮于水上，使水中最大航速达到了810千米/小时，这型坦克就是M4DD在诺曼底登陆作战中共1个M4DD坦克营参战。5060年代，两栖装甲车辆的技术逐步走向成熟。1952年，前苏联装备了集水陆、侦察等用途于一身的、设计独特的76水陆坦克，随后又利用该坦克底盘研制成功了-50两栖装甲输送车。-76水陆坦克采用船形装甲钢焊接车体，并最早使用了喷水推进器，水上航速达到10千米/小时，装有1门76毫米加农炮，能在水上射击。总产量高达10000辆，曾经有30多个国家的军队装备该车，至今仍有一些-76在编。1960年前苏联又开始装备一些-60轮式两栖装甲输送车，该车累计生产了2.5万辆，是其生产数量最多的一种轮式装甲车辆。与此同时，美国开发出了LVTP5两栖装甲突击车系列。LVTP5有3名乘员和34名载员，装有1挺7.62毫米机枪，车体前部有铰接其上的跳板，由液压机构控制。车体两侧各有1扇紧急舱门，发动机后置，水中靠履带划水，最大航速达10.9千米/小时。美国海军陆战队已于1974年淘汰该系列，目前台湾海军陆战队中还装备有该系列中的LVTH6自行榴弹炮和LVTR1抢救车。1964年，中国军队装备了自行研制的63式水陆坦克。该坦克战斗全重18吨，乘员4人，装有1门85毫米坦克炮，采用喷水推进器，水上最大航速达到12千米/小时，当时称得上是世界最先进的水陆坦克。70年代至今，水陆坦克的发展基本处于停滞状态，但是其他两栖装甲车辆的研制与改进从未停止。美国海军陆战队于1971年8月装备了新一代两栖装甲突击车LVTP7系列。该系列突击车车体为铝合金装甲焊接结构，车首呈尖形，并略向下倾斜，两侧甲板向内倾斜，车尾设有液压控制的跳板，主要武器为1挺12.7毫米机枪，装有喷水推进器，水上最高航速达到13.5千米/小时。从1977年开始，美国又开始对LVTP7的动力装置、瞄准仪器和悬挂装置等进行改进完成了向AAV7A1的过渡。70年代，中国采用63式两栖坦克底盘，发展了771、772两栖装甲输送车和76式两栖坦克抢救车。此间，两栖装甲车辆的范围开始扩大，两栖性能得到普遍重视，这一时期问世的步兵战车，装甲输送车和空降战车，无论是履带式还是轮式，几乎都具备两栖性能。如美国的LAV和“突击队员”系列，苏联的步兵战车系列、伞兵战车系列、70和80装甲输送车、2C9式自行迫榴炮，法国的AMX10P步兵战车，中国的86式和WZ551步兵战车，德国的“狐”式装甲输送车和“山猫”装甲侦察车等。这些两栖装甲车辆大都装有专用的水上推进装置，而采用制式浮箱、浮囊或浮渡围帐并借用陆上行进装置推进的形式已有日见减少的趋势。 两栖装甲车的结构及战技性能两栖装甲车辆因为不仅要满足陆地行驶作战的需求，而且要满足水上行驶作战的要求，所以它的总体设计要求严格，结构比较复杂。首先必须保证两栖装甲车辆的车体具有水密性，通过该密闭车体的排水体积，提供相应的浮力。同时，为保证水上使用的安全性并使战斗车辆具备在水上发扬火力的能力，设计之初就保证具有一定的浮力储备。一些仅依靠水密车体还不足以产生所需浮力的装甲车辆，还带有一些辅助机构，以便于平时携带、战时迅速展开和固定制式浮箱、浮囊或浮渡围帐。为了减轻车体重量，有些两栖装甲车辆还选用铝合金材料作为防护装甲。其次，除了在水中使用履带或轮胎作为推进工具的以外，其他两栖装甲车辆还设计有一套水上动力传动和推进机构。陆上行驶时，该套机构不工作；水上航行时，该机构用于把发动机的动力传到车体后部安装的螺旋桨或喷水推进器，通过与水的相互作用转变为推力，确保车辆航行的动力需要。第三，驾驶舱内装有一套水上操纵机构，控制两栖车辆在水上的前进、倒车和转向等行动；有些两栖装甲车辆的发动机有陆上和水上两种不同的工作状态，因此，车内还有用于实现陆上和水上工作状态转换的装置。第四，为了保持水上航行的良好姿态，在车首均设有各种防浪板及操纵机构。平时防浪板折放在车首，航行时使用手动或液压机构向前展开，避免浮渡时车首大量涌水和车辆扎头等现象。此外，车内均装有手动或电动排水泵，用于排除车内积水；一般还配备撑杆、驾驶员水上使用的高潜望镜等个别的两栖装甲车辆还装备有空投用具。两栖装甲车辆的机动能力总体上明显优于其他装甲车辆。两栖装甲车辆相对较轻，所用发动机的功率一般大于其同一系列其他车或前一代车，不仅陆上行进速度较高，而且还可以保证水上高速航行对动力的要求；水上航速一般为610千米小时，有些两栖装甲车辆不仅在水上航速较高，而且具有抗海浪和行进间射击能力。为了保证水上航行的浮性和稳性，确保安全，两栖装甲车辆均具有一定的浮力储备，一般为2030；有些两栖装甲车辆还具有空运性能，具备战略机动能力。因两栖装甲车辆的车载武器不尽相同，形成用途各异的战斗车辆。如水陆坦克、两栖装甲突击车、两栖装甲输送车、两栖火炮发射车、两栖导弹发射车等等。在两栖作战中，防御方的坦克、固定火力发射点、永备工事等是进攻方两栖装甲车辆的主要攻击目标。因此现代两栖装甲车辆多配备了反坦克武器。3步兵战车安装了100毫米两用炮，AMX0PAC90水陆坦克安装了90毫米炮，AMX10RC装甲侦察车安装了105毫米坦克炮，俄罗斯的步兵战车、空降战车及美国AAV7A1两栖装甲突击车均配备有反坦克导弹。其中，AMX10RC装甲侦察车的105毫米炮发射的尾翼稳定脱壳穿甲弹可在2009米距离内击穿北约三层重型靶板。俄罗斯3步兵战车上使用的AT10反坦克导弹在有效射程内能击穿650毫米厚钢装甲板。两栖装甲车辆由于受其水上机动性能的制约，主装甲普遍较薄，只能抵御轻武器的射击但是，为了提高装甲防护能力，有的车辆也采取了一些有力的措施。AAV7A1两栖装甲突击车安装了一种双层的增强型附加装甲，使车体两侧、倾斜部、顶部和舱门等增强了防护力，从整体上讲可抵抗127毫米和145毫米机枪及155毫米榴弹片的攻击。3步兵战车采用了铝合金装甲，在重要部位用高强度钢作了加强，在炮塔周围还安装了间隙式附加装甲。 两栖装甲车的未来发展趋势随着科学技术的不断发展，电子化、信息化将在装甲车辆中得到全面反映。如敌我识别器、超近反导、激光报警、热成像、激光测距、影像融合、GPS定位/导航等技术以及全自动火控系统都将根据不同的需要，应用到装甲车辆上。两栖装甲车辆作为一种特殊的装甲车辆，在这方面也不会例外，并且由于两栖作战的迫切需要，还有可能在某些方面领先于其他装甲车辆。此外，两栖装甲车辆的水上性能将呈现两极分化趋势。一方面，那些以陆地性能为主兼具克服水障能力的两栖装甲车辆，其水上推进方式及航行速度将基本保持目前的水平随着一些新技术的采用，两栖装甲车辆的水上推进效率和水上航行速度虽然也会有所提高，但是幅度不会很大，难以产生质的飞跃；另一方面，由于未来登陆作战是高技术条件下的大规模、高强度和陆海空三军联合的立体作战，必将促使那些以由海向陆实施平面登陆作战为主的两栖装甲车辆，在其总体结构、水上推进方式及航行速度等诸多方面有重大突破性发展。最典型的代表就是美国正在开发的AAAV先进两栖突击车，预计将在2008年装备美国海军陆战队。美国AAAV先进两栖突击车最突出的特点就是引进滑行车体的概念，并采用伸缩式悬挂装置，大大减少了水上航行的阻力，消除了以往两栖装甲车辆水上航速达到一定数值就会产生阻力墙这一现象。同时还选用功率高达1911.8千瓦的两级增压发动机和直径为584毫米的喷水推进器，使水上航速达到3746.25千米小时，能够满足美国“超视距”登陆作战概念的要求。这些新技术的实际应用，预示着两栖装甲车辆的发展必将取得实质性突破。1.3 水上转向系统概述水上推进装置是用来将发动机传来的动力转变为喷水推力，使两栖装甲车辆在水上航行的装置。两栖装甲车辆的水上推进装置有两个，分别装在两栖装甲车辆后部的左、右两侧。装甲车辆入水前，打开水门，挂上水档，发动机动力由分动箱传来，带动左、右推进装置中的推进器旋转。入水后，水由车体底部进水道吸入，经叶轮进入推进器体，在导流片的作用下，水的螺旋运动变为直线运动，以很高的速度从尾喷管喷出，产生推力，推动两栖装甲车辆前进。倒车时，水门关闭，水由倒车水道向侧前方喷出，使两栖装甲车辆倒退。关闭一侧水门时，从倒车水道喷出的水流与另一侧水道往后方喷出的水流形成力偶，使两栖装甲车辆以最小的转向半径向关闭水门的一侧转向。目前，国内水陆装甲车水上推进装置是采用柱塞式液压油缸对水门进行驱动，体积较大，占用空间（如图1示），其自身也是用钢铁材料制造，给车增加了重力负担，这对于在水中浮渡来说是很不利的；另外，从推进装置原理可知，对于装甲车在水上转向是通过左右门的开关来实现的，所以就必须有检测水门开闭度的装置传感器。传感器是一种精密的仪器，对其自身及安装的精度都有很高的要求，目前国内的传感器生产技术上与国外还有一定的差距。传感器还存在零点漂移，这就存在校准问题，而且这与温度有关，使得校准平衡变得很困难。另外从其安装上来看，不能直接与驱动轴连接，而要通过弹簧（因不能直接刚性联接，同轴度考虑）。图1控制实验台1.4液压摆动油缸概况摆动液压油缸，在很多专业书籍里亦称为摆动液压马达，是一种输出轴作摆动往复运动的液压执行软件。摆动液压油缸突出的优点就是能使负载直接获得往复摆动运动，无需任何变速运动。因此，也被广泛应用于各个领域，如舰用雷达天线稳定平台的驱动，声纳基体的摆动，鱼雷发射架的开启，液压机械手，装载机上铲斗的回转，机床上回转台的转动等等。在矿山和石油机械上用得也比较普遍，以往由于运动部位密封不良，造成内泄漏较大，影响其使用。随着结构和工艺的改进，密封材料的改善，内泄漏已能够控制在允许范围内。应用的压力范围也已扩大到中高压，少数可用于高压（约20MPa）。输出扭矩可以从零点几N.m到几千N.m，个别可达数万N.m.输出轴的低速稳定性，有的产品已能做到0.002-0.003rad/s。我在选择设计方案时，对于液压油缸的选用，主要考虑到实际的负载转矩、系统的工作压力、最大和最小角速度、最大摆动角度、中间位置保持停止的必要性等。通常摆角在310以上时，选用活塞式摆动油缸，对于小摆角的负载，可选用运转平稳的叶片式摆动油缸；若安装空间小而转矩大的负载，且液压系统允许，可选用工作压力较高的油缸，因摆动时油缸的效率不是很高，选用时应使油缸的转矩比负载转矩略大些，对于动态品质要求较高，客选用运转平稳的叶片式摆动油缸；对于回转速度高和负载惯性大的场合，在液压系统中应考虑设置过载保护和缓冲或止动装置。考虑到对于转轴平稳性的要求及转角的范围只需090，所以选用双叶片式结构的摆动液压油缸。双叶片式油缸的叶片和止挡成对配置，压力油腔都对输出轴对称，因此径向液压力克互相抵消，使输出轴不受径向负荷，在相同结构尺寸下双叶片式摆动液压缸的输出扭矩可比单叶片式的要增加一倍。其机械效率更高，但转角则相应减小了，内泄漏也较大，容积效率较低。由查资料可知,其最大转角100工作压力21MPa,输出扭矩83000N.m,角速度100/S以下。其工作原理图如下： 图2油缸工作原理简图1.5液压系统概叙液压系统有液压传动系统和液压控制系统之分，一般所说液压系统的设计则是泛指液压传动系统的设计。其实从结构组成或工作原理上看，这两类系统并无本质上的差别，仅仅一类以传递动力为主，追求传动特性的完善，其执行元件用来驱动主机的某个部件；另一类以实施控制为主，追求控制特性的完善，其执行元件用来驱动某个液压件的操纵装置（例如液压泵、液压纳达的变量机构，液压阀的阀心等）而已。因此，传动系统的设计内容和方法只需略作调整，即可直接用于控制系统的设计。 液压传动系统有液压开关传动系统、液压伺服传动系统、液压比例传动系统等多种类型。从表面上看，它们在设计上存在不少差异，有些区别还是很大的。但是，如果从传递动力这个设计的主导方面来看，它们又相互沟通，掌握了一种就会设计另一种。在这里，液压开关系统的设计不但出现得最早，油路结构亦最复杂，考虑的方方面面也最多，因此也就最具有典型性。任何液压系统的设计，除了应满足主机在动作和性能方面规定的种种要求外，还必须符合重量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用和维护方面等一些公认的普遍设计原则。设计液压系统的出发点，可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于效能，后者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两种观点不同程度的组合。为此，液压传动系统的设计迄今仍没有一个公认的统一步骤，往往随着系统的繁简，借鉴的多寡，涉及人员的经验的不同而在做法上呈现出差异来。液压驱动的优点是：（1）、结构简单、体积小、重量轻、输出功率大；（2）、液压装置工作比较平稳； （3）、液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以在运行过程中进行调速； （4）、液压传动易于自动化，接受远程控制；（5）、液压装置易于实现过载保护，液压件能自行润滑，使用寿命较长； （6）、由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便，元件布置具有较大机动性； （7）、用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单2。其缺点是：（1）、不能保证严格的传动比；（2）、在工作过程中常有较多的能量损失； （3）、液压传动对油温变化敏感，稳定性受环境温度影响，不宜在高温或是低温条件下工作； （4）、元件的制造精度要求要，造价较贵，对油液的污染敏感； （5）、要求有独立的能源； （6）、出现故障时不易找出原因。1.6液压系统设计的基本要求主机的用途、主要结构、总体布局；主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。（1）、主机的工作循环，液压执行元件的运动方式（移动、转动或摆动）及其工作范围。（2）、液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围。（3）、主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求。（4）、对液压系统工作性能（如工作平稳性、转换精度等）、工作效率、自动化程度等方面的要求。（5）、液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质、环境温度、湿度、尘埃情况、外界冲击振动等。（6）、其他方面的要求，如也要装置在重量、外形尺寸、经济性等方面的规定或限制。在液压系统设计的第一个步骤中，往往还包含着“主机采用液压传动是否合理或在多大程度上合理（即液压传动应否合其他传动结合起来，共同发挥各自的优点以形成合理的传动组合）”主要一个潜在的检验内容在内，勉强采用一种不太合理的传动方案是不会给主机带来任何好处的。2.系统设计方案2.1摆动液压缸的设计概况（1）、要求：性能稳定，控制转向角度090，能够在海水环境下作业，要求油缸耐水、耐盐腐蚀，总体布局要求合理，体积和重量尽可能的小。（2）、所需完成动作:摆动液压缸输出轴控制水陆装甲车在水上推进时的水门开合。（3）、运动形式及运动速度：运动形式为转动，由目前状态转换到另一状态结束所需时间为4秒。（4）、对调速范围、运动平稳性、转换精度及性能方面的要求：调速范围小，运动平稳性好，转换精度高。（5）、自动化程度和操作控制方式的要求。（6）、对效率、成本等方面的要求：要求效率比较高，服役时间10年以上，成本无特殊要求。2.2原设计方案相应工作元件的性能特点原来设计采用的是德国HKS摆动液压缸对水门进行驱动（见图3），根据原来的设计的要求和计算，我在网上查阅了许多关于这方面的资料，同时我们与上海金撼神贸易（提供德国HKS摆动液压缸等机械产品）取得联系，根据该公司所提供的一些资料及我们工作台的工作及尺寸的要求等实际情况进行一些分析。首先从力学方面考虑，传动扭距的确定，如果将一个质量从静止状态中在时间tges內摆动角度ges，除去克服阻力（摩擦力），还要考虑对质量的加速， 对质量的迟滞，这些扭距之和就是摆动缸所需要的工作扭距。这里值得注意的是，在任何一个位置，如下的不等式都要计算到满足:MtMr+Mb其中:Mt=扭距之和Mr=负载扭距Mb=加速扭距图3驱动装置联接负载扭距Mr和加速扭距Mb必须按照摆动过程中力的传递方向（水平， 垂直）分别计算。装甲车水门驱动力已从设计要求得知，即最大扭矩是：611.520Nm，力是：24460.8N。鉴此，我摘取了HKS集团产品中的DA-H 50（技术数据见表），产品结构见图5。表1 DA-H 50型摆动液压油缸技术数据项目单位数据最大额定转矩Nm700最大额定转矩（带控制轴）Nm658单位压力的额定扭矩N/m3.3最大额定压力N/m440最大径向负载N2976最大轴向负载N1000排量（立方米） 90/180/270/360/ 0.066/0.123/0.198/0.264重量(Kg) 90/180/270/360/ 10 / 11.5 /13.8/15该等系列产品能提供的摆动角度最多能达到 270 至 300。用角度传感器来监测其工作水门的开关度，要求是87010（对于此大小精度要求并不很高，可以在8590），而该产品能提供的摆动角度最多能达到 270 至 300， 所以能满足要求。其工作原理是：从P1和P2输入的压力介质作用在传动轴G上产生一个旋转运动。在其间，活塞K的直线运动经过机箱，活塞及传动轴之间的多重螺旋齿啮合，被转化成为旋转运动。图4摆动液压油缸结构简图图5 产品结构外观图在此特别提出来的是在与水门相联接的法兰上的尺寸要求生产公司产品以我们的需要为准，HKS摆动油缸具有结构紧凑、安全可靠、占位空间小，易于设计、输出扭矩和扭角大等明显优点。在选用摆动缸时，不仅考虑了效率，摆动角度和尺寸等参数。更要考虑到技术进步和功能性的最佳匹配。HKS 摆动缸的典型特性:1、8 种系列尺寸，20个不同的级别，扭矩从36 Nm至 250,000 Nm，活塞直径从40mm到450mm（注，伸出部分小于活塞，即尺寸A）；2、每个系列尺寸都有4 种转角: 90, 180, 270 和360；3、双键驱动轴或花键轴（DIN 5480）；4、驱动轴上的双重密封；5注意：空心轴的形式要求使用高强度材料。特殊形式：KW花键轴DIN 5480没有给出尺寸选件：1、两端的缓冲装置；2、角度调整 至 4；3、控制轴；4、空心轴 （DIN 5463, DIN 5480 或 DIN 6885）。特殊设计:1、KW-结构的驱动轴（DIN 5463）；2、带第二个驱动头的驱动轴；3、按客户要求尺寸生产的输出轴或安装法兰；4、在整个摆动范围内对角度的调整；5、接近开关6、阀的直接接口；6、3倍-定位；7、所有客户要求的角度均可供货；8、摆动范围超出 360；9、抗盐污；10承受更高的径向力；11、不同的摆动方向；12、其它的特殊要求均可得到满足；13、可提供250 帕或更高的系统压力。2.3设计参数已知推动力F1=3920N 拉力F2=3430N力臂L=156mm=0.156m则最大扭矩T=F1L=39200.156=611.52N.m 伸出轴直径=50mm2.4所设计的摆动液压油缸技术数据表2摆动液压油缸技术数据 项 目数 值单 位最大额定转矩611.52N.m 输入油压16MP3.油缸的整体设计3.1缸体设计缸体端部联接结构根据机械设计手册表37.7-46 缸体端部联接型式，同时针对本设计中对液压缸体积及外形尺寸的要求、缸体结构加工及维修，选取采用外螺纹联接，其主要特点有：径向尺寸小，重量较轻，使用广泛。需要注意的事项有：缸体外径需加工，且应与内径同轴；装卸需专用工具，安装时应防止密封圈扭曲。 缸体的材料缸体材料，一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸体，还要求有良好的焊接性能。根据液压缸的参数、用途和毛坯的来源等，可运用以下各种材料：常用的碳素钢材料为20、35、45号钢铸件等，因20号钢的机械性能略低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需焊接时，则应采用焊接性能较好的35号钢，粗加工后调质。一般情况下，均采用45号钢，并应调质到241-285HB。缸体毛坯也可采用合金结构钢：如30CrMo、35CrMo、38CrMoAlA等。铸钢：ZG35、ZG45等。不锈钢：Cr18Ni9特殊情况下，可采用铝合金等材料，铝合金材料主要有：ZL105、LF3、LF6等，青铜材料主要有：QAl9-4、QAl10-3-1.5等。加工公差的表面粗糙度应参照ISO4391/1材料性能：铝硅铜系铸造铝合金，由查表有：表3铝硅铜系铸造铝合金材料性能代号（旧）铸造方法（旧）热处理状态（旧）力学性能（不低于）/MPa%硬度(HB)ZL105JT52110.570JT71730.165防锈铜系铝合金，由查表有：表4防锈铜系铝合金牌号牌号合金系化学成分%。其 他CuwMgwMnwSiLF6A06AL-Mg0.100.10wFe=0.4,wZn=0.2LF3A03AL-Mg0.100.4wFe=0.4,wTi=0.5其机械性能表5防锈铜机械性能类别牌号材料状态EG泊松比V10HBMpa防锈漆LF3退火M70000270000.302001001552250半冷作硬化Y270000270000.30250180160870LF6退火横向M68000210202570LF3焊接性能好，耐蚀性高，疲劳强度比其他铝合金均高，塑性好，软态时切削性差，热处理不能强化，常用于液体条件下的焊接零件、管道容器、中等强度的焊接构件，冷冲压件和骨架等。LF6具有较高强度和腐蚀稳定性，在退火状态下塑性尚好，用氩弧焊焊缝气密性尚好，焊缝塑性良好，气焊和点焊的焊接头强度为基体强度的9095%，切削性良好，用于制作受力零件、飞机蒙皮及骨架零件。ZL105用于铸造形状复杂、高静载荷的零件以及要求焊接性能好、气密性高或工作温度在225以下的零件，如水冷发动机的气缸体、气缸头、气缸盖、空冷发动机头和发动机曲轴箱等。ZL105属于硅铝明，Al-Si系合金。在此系合金中，ZL102由于其共晶组织（+Si）中的共晶硅常呈粗大的针状且性能硬脆，其强度及塑性很低（=120160MPa ，=2%），不能满足使用要求，因此，在生产中常采用变质处理来细化组织，改善性能。研究表明，在合金的熔体中加入钠盐混合物（m(NaF):m(NaCl)=2:1）进行变质处理，可使ZL102合金结晶后获得亚共晶组织 （+Si），对比其变质处理前后的图片，可发现变质后的亚共晶组织细小分散，其强度和塑性明显高于前者。至于变质处理为什么可以改善合金的组织，一般认为，这是由于溶入合金液体中的活性Na一方面促进Si的形核，另一方面Na又能吸附在长大中的Si晶体表面，并阻止其晶体长大；从而使共晶体（+Si）中的Si晶体变得细小。同时，加入Na还促使过冷度增大，共晶点右移，以致过共晶成分的合金结晶后具有亚共晶组织。此种合金熔点低，流动性好，经变质处理后其力学性能还能获得一定的提高，是较为理想的铸造合金。但因变质后其强度仍不够高，故通常只用来制造形状复杂，强度要求不高的铸件，如内燃机缸体、缸盖、仪器支架、壳体等。在简单硅铝明的基础上加入Cu、Si、Mg等合金元素，就构成复杂硅铝明，其代号如ZL105、ZL107、ZL109等。这类合金的组织中出现了更多的强化相，、及，在变质处理与时效强化综合作用下，可使强度升到200230MPa。复杂硅铝明常用来制造气缸体、风扇叶片等形状复杂的铸件，尤其是ZL108和ZL111两种合金，具有良好的高温强度、高的耐磨性和很低的热膨胀系数，是制造汽车、拖拉机等内燃机活塞的专用材料。通过以上性能综合比较，决定选择ZL105材料作为缸体和缸盖材料，通过变质处理与时效强化，使强度升高至230MPa。缸体的技术要求（1）缸体内径采用H8、H9配合，当叶片采用橡胶密封圈密封时，Ra为0.10.4m,需研磨。（2）缸体内径AL（图）的圆度公差值由查表知可按9、10或11级精度选取，圆柱度公差值应按8级精度选取。（3）缸体端面T（图）的垂直度公差可按7级精度选取。图6缸体（4）缸体与缸盖采用螺纹联接，螺纹取为6级精度的公制螺纹。（5）为防止腐蚀和提高寿命，缸体内表面应镀以厚度为3040m的鉻层，镀后研磨合抛光。 铸造方法表6 ZL105铸造方法牌 号铸造方法合金状态b(MPa)5（%）HB（5/250/30）ZL105J 、 JBT5290285SB、R、KT5271185J：金属型铸造 B：变质处理 S：砂型铸造 R：熔模铸造 K：壳型铸造T5：固熔处理加不完全人工时效 T7：固熔处理加稳定化处理 缸体的外观视图图7缸体外观图3.2缸盖 缸盖的材料液压缸的缸盖可选用35、45号锻钢或ZG35、ZG45铸钢或HT300、HT350铸铁等材料，考虑到缸盖的重量问题，同时参照缸体材料的选择，综合其各种因素，同时因需要采用压入支撑板的结构，故也采用铝合金材料作为缸盖材料，支撑板材料则应为耐磨材料，选取黄铜或青铜。 缸盖的内外侧外观视图图8缸盖外观图缸盖的技术要求（1）直径d（基本尺寸与缸径同）D1、D2、D3的圆柱度公差值，应按9.、10或11级精度选取。（2）D1、D2、D3与d的同轴度公差值为0.003mm。（3）端面A、B与直径d轴心线的垂直度公差值，应按7级精度选取。图9缸盖图3.3轴与回转叶片设计方案的提出方案一：采用轴与回转叶片分离式，叶片与轴采用螺纹联接。方案二：在轴上加工回转叶片。设计方案一.1回转叶片的材料：常采用的材料为耐磨铸铁，灰铸铁（HT300、HT350），钢（有的在外径商讨由尼龙66、尼龙1010或夹布酚醛塑料的耐磨环，铝合金等。同样是出于对机器的重量等因素的考虑，选用铝合金ZL105作回转叶片的原材料，外采用弹簧片压紧镶条，镶条为耐磨材料。.2回转叶片的技术要求（图）（1）D1、D2、D3、d圆柱度公差值应按9、10或11精度选取；（2）D1、D2、D3、d同轴度公差值为0.03mm；（3）端面A、B与轴的轴心线的垂直度公差值应按7级精度选取。图10 回转叶片示意图.3轴的材料：为保证其能够承受大的扭矩，选用45号钢。.4轴的技术要求（图）图11轴示意图（1）轴的热处理，粗加工后调质到硬度为229-285HB，必要时再经高频淬火，硬度达到HRC45-55。（2）轴 mm的圆度公差值，按9、10或11级精度选取；（3）轴 mm的圆柱值应按8级精度选取（4）端面T的垂直公差值，应按7级精度选取。（5） 轴上的螺纹，一般应按6级精度加工，如负载较小，机械振动也较小时，允许按7级或8级精度制造（6）轴上采用了联接销孔，该孔径应按H11级加工，该孔轴线与轴的中轴线的垂直度公差值，按6级精度选取。（7）轴上的工作表面的粗糙度为Ra0.8 m，必要时，可以镀鉻，镀层厚度约为0.05mm，镀后抛光，由于本设计有此要求，所以采用镀鉻。设计方案二.1 材料：合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入适量的一种或几种合金元素而形成的，它比碳素结构钢的综合性能要好，是合金钢中用量最大的一类钢，它广泛地用于制造各种重要的机器零件和各类工程结构。当零件的形状复杂、截面尺寸较大、机械性能较高、淬透性较好时，采用碳素结构钢常常难于满足要求，而合金结构钢由于合金元素的作用，能够明显地提高强度、韧性和耐磨性，并具有良好的淬透性。对于大型零件，由于合金结构钢淬透性较高，能够在零件整个大截面上淬透而得到均匀一致的良好的综合机械性能，既有高强度又有足够的韧性。因此，强度、韧性要求均高的重要零件或截面尺寸较大、形状复杂的零件采用合金结构钢制造比较理想。根据含碳量，合金结构钢属于亚共析钢；根据合金元素含量，合金结构钢多属于低合金钢，一部分为中合金钢。从我国资源实际出发，我国发展了以硅、锰、钒、钛、硼等为主的合金结构钢系统。合金结构钢通常需要热处理，以获得良好的综合性能，按其含碳量和热处理工艺的不同，可将合金结构钢分为合金调质钢和渗碳钢两类。35CrMoV强度较高，淬透性良好，焊接性差，冷变形时塑性低，经调质后使用。用于制造高应力下的重要零件，如500520C以下工作的汽轮机叶片、高级涡轮鼓风机和压缩机的转子、盖盘、轴盘、发电机轴、强力发动机的零件。考虑到轴与叶片是在重载荷下工作，且叶片表面要求耐磨，轴的心部强度要求较高，所以选用渗氮齿轮钢35CrMoV.2技术要求：图12轴技术要求示意图（1）D、d圆柱度公差值应按9、10或11精度选取；（2）D、d同轴度公差值为0.03mm；（3）端面A、B与轴的轴心线的垂直度公差值应按7级精度选取。（4）轴的热处理，粗加工后调质到硬度为229-285HB，必要时再经高频淬火，硬度达到HRC45-55。35CrMoV通过热处理之后硬度可以达到280-310HB。（5）轴 d的圆度公差值，按9、10或11级精度选取；（6）端面T的垂直公差值，应按7级精度选取。（7）轴上采用了联接销孔，该孔径应按H11级加工，该孔轴线与轴的中轴线的垂直度公差值，按6级精度选取。（8）轴上的工作表面的粗糙度为Ra0.68 m，必要时，可以镀鉻，镀层厚度约为0.05mm，镀后抛光。 本设计中对淬火深度一般要求0.51mm，镀硬鉻30-50m，轴的直线度0.002/100。对两个方案的比较方案一：优点：安装方便，由于回转叶片采用铝合金材料，可以减轻整机的重量，同时其T型结构可以设计止挡为倒T型的结构，对进出油口的安排都很合理。缺点：回转叶片与轴之间的配合要求较高，此内弧面的加工需要高精度数控立铣机床来完成，且其加工过程不方便，同时叶片与轴之间采用螺纹连接（设计为沉头螺钉），所以在加工过程中，为保证其精确度，必然会增加其加工工序，同时，为保证叶片与轴之间的密封，需在叶片与轴的接触面上设计一道密封槽，里面压入镶条或尼龙材料。而在方案二中，采用直接在轴上加工回转叶片的设计，加少了加工工序，同时省去了固定叶片及叶片间的密封，使得其更加科学，所以对比之后，决定在接下来的计算和核算中使用方案二。方案二叶片轴外观图图13叶片轴图关于液压缸的轴与叶片等计算已知：输出轴推动力3920N，力臂0.156m，可知输出力矩311.52Nm。初定输出油压16MPa，设止挡与轴接触的两径为30mm，将叶片的高度初定为25mm，则液压油实际作用的高度为35，则可将液压力视为一个单独的力作用于作用高度的中间，即离中心线32.5mm处。由此绘制示意图如图:图14 叶片尺寸图则有则可求出叶片高度b=0.0336m，取b=34mm查表有30CrMoSi的机械性能如下：表730CrMoSi的机械性能尺寸sb第一次淬火冷却剂回火温度冷却剂退火状态的布氏硬度25mm885Mpa1080Mpa880 油520水、油229HB由 (使用安全系数1.3) (1) (2)叶片底部两边，一边受拉力，一边受压应力，一般拉应力的屈服强度比压应力大得多，所以只用根据压应力许应值计算叶片厚度。 (3) (4) 取叶片厚度为12mm根据 (=100mm =50mm) (5)故合格。图15 叶片工作图因为液压缸要控制叶片在油缸内090范围内转动。则：与前面所设的30mm相近，故取30mm合适。3.4止挡材料液压缸的止挡可选用35、45号锻钢或ZG35、ZG45铸钢或HT300、HT350铸铁以及黄铜、青铜等材料，考虑到缸盖的重量问题，同时参照缸体材料的选择，综合摩擦、使用寿命等各种因素，决定选择ZL105铝合金。技术要求（1）止挡内弧面、外弧面的圆度公差值，按9、10或11级精度选取；（2）止挡内弧面、外弧面的圆柱值应按8级精度选取（3）端面T的垂直公差值，应按7级精度选取。（4）止挡上的螺纹，一般应按6级精度加工，如负载较小，机械振动也较小时，允许按7级或8级精度制造3.5支撑板材料由查表可得铜合金QA19-4的机械性能有：表8铜合金QA19-4的机械性牌 号试样状态HBE（MP）摩擦系数涂润滑剂无润滑剂QA19-4棒材硬模铸造5002003501251120000.0120.18压制550300380140116000主要用于制作在高负荷工作下的抗磨、耐蚀零件，如轴承、轴套、齿轮、涡轮、阀座等，也用于制作双金属耐磨零件。图16支撑板（1）D、d圆柱度公差值应按9、10或11精度选取；（2）D、d同轴度公差值为0.03mm；（3）端面A、B与轴的轴心线的垂直度公差值应按7级精度选取3.6螺纹联接螺纹联接是利用螺纹零件构成的可拆联接，应用广泛，螺纹传动在几何和受力关系上与螺纹联接相似。螺纹联接的主要类型：(1)主要类型紧固件都为标准件，常用的有螺栓，双头螺柱、 螺钉和紧定螺钉等。拧紧的螺栓联接称为紧联接，不拧紧 的称为松联接，后者应用较少。(2)按螺栓主要受力状况不同可分为受拉螺栓联接和受剪螺栓联接两种，所用螺栓的结构形式和联接的结构细节一有所不同，前一种制造和装拆方便，应用广泛，后一种多用于板状件的联接，有时兼起定位作用。螺栓联接的拧紧和防松：拧紧联接能增强联接的刚性、紧密性和防松能力。对于受拉螺栓联接还可提高螺栓的疲劳强度；对于受剪螺栓联接，有利于增大联接中的摩擦力。当然，过度拧紧也是不适合的。拧紧螺母时，需要克服螺纹副的螺纹力矩和螺母的承压面力矩。控制拧紧力矩，例如：使用测力矩扳手或定力矩扳手，装配时测量螺栓的伸长，规定开始拧紧后的扳动角度或圈数。对于大型联接，还可利用液力来拉伸螺栓，或加热使螺栓伸长到需要的变形量再把螺母拧到与被联接相贴合。近年来发展了利用微机通过轴力传感器拾取数据并画出预紧力与所加拧紧力矩对应曲线的方法。由于摩擦系数不稳定和加在扳手上的力难于准确控制，有时可能拧得过紧而使螺栓拧断，所以以下对缸盖与缸体联接螺栓进行计算与校核：图17缸体联接螺栓已知螺孔直径为10，即螺栓规格为M10 ，A级。根据GB/T5782-2000，以及缸体和缸盖的宽度可知28+40+26=94mm经查表知：K公称=6.4 Cmax=0.6则根据上图，可求得螺栓总长度为：94+6.4+0.6=101mm 由查表知emin=17.77 S公称（max）=16 K公称=6.4Cmax=0.6 Cmin=0.5 dwmin=14.63当叶片回转至止挡位置时，止挡受到的扭转力为 (6)3.7键联接键和花键联接主要用于轴和带毂零件，实现周向固定以传递转矩的轴毂联接。其中，有些还能实现轴向力；有些则能构成轴向动联接。销主要用来固定零件的相互位置。销联接通常只传递少量载荷。销还可用作安全装置。成形联接和弹性环联接是轴毂联接的其他型式，后者只能构成静联接。成型联接又称无键联接，轴毂联接段为非圆形。键联接的分类和构造：键是标准零件，分为两大类：（1）、平键和半圆键，构成松键联接；（2）、斜键，构成紧联接。平键和半圆键联接：平键联接，键的侧面是工作面。工作时，靠键与键槽的互压传递转矩。按用途，平键分为普通平键，导向键和滑键三种，导向平键称导键。有一种键高较小的普通平键称为薄型平键，可用于薄壁零件。普通平键用于静联接，按结构分为圆头的、方头的、一端圆头一端方头。圆头键牢固地卧于指状铣刀铣出的键槽中，方头键卧于用盘状铣刀铣出的键槽中，常用螺钉紧固一端圆头一端方头的键用于轴伸处。导键联接和滑键联接都是动联接。导键固定在轴上而毂可以沿着键移动，滑键固定在毂上一同沿着轴上键槽移动。键与其相对滑动的键槽之间的配合为间隙配合。键与键槽的滑动面应具有较低的粗糙度值，以减小移动时的摩擦阻力。当轴向移动距离较大时，宜采用滑键，因为如用导键，键将很长，增加制造的困难。导键按结构分为圆头和方头的，一般用螺钉紧固在轴上。滑键结构依固定方式而定。3.8密封的设计与选用原则在机械设备中,工作介质的泄漏会造成失效、物质的浪费及环境的污染。对于那些易燃、易爆、剧毒、腐蚀性及放射性物质的泄漏，将会危害人身的安全，引起设备事故。环境中的气、尘、水等漏入到设备内，会使轴承、齿轮等零件的磨损加剧，造成机器设备寿命过短。在化式企业中，密封故障是造成非计划停车的主要原因，据统计，60%的非计划停车事例与密封故障有关。密封的功用就是阻止泄漏或防止外界杂质侵入机器设备内部，起密封作用的零部件，亦简称为密封。它的性能是评价机械产品质量的一个重要指标。对密封的基本要求是严密、可靠、寿命长、力求结构紧凑、简单、制造维修方便，成本低廉。大多数密封件为易损件，应保证互换性，实现标准化、系列化。.基本要求（1）在工作压力下，应具有良好的密封性能，并随着压力的增加能自动提高其密封性能，即泄露在高压下，没有明显的增加。（2）密封件长期在流体介质中工作，必须保证其材质物性的稳定。（3）动密封装置的动、静摩擦阻力要小，摩擦系数要稳定，不能出现运动偶件卡住或运动不均匀等现象（4）摩损小，使用寿命长（5）制造简单、拆装