自卸汽车举升机构的机械及液压系统设计.doc

摘要自卸汽车是利用发动机动力驱动液压举升机构，将货箱倾斜一定角度从而达到自动卸货的目的，并依靠货箱自重使其复位。因此，液压举升机构是自卸汽车的重要工作系统之一，其结构形式、性能好坏直接影响自卸汽车的使用性能和安全性能。本论文首先对自卸式汽车进行了说明，同时根据设计需要对液压系统进行了简要的阐述，并设计液压举升机构及液压系统。液压缸是一种配置灵活、设计制造比较容易而应用广泛的液压执行元件。尽管液压缸有系列化标准的产品和专用系列产品,但由于用户对液压机械的功能要求千差万别,因而非标准液压元件的设计是不可避免的。本次毕业设计的主要内容集中于自卸汽车液压缸的机械结构和液压系统的设计，介绍了自卸汽车的整个工作原理以及举升机构的工作原理，按照设计的一般原则和步骤对液压缸的机械结构和液压系统进行了详细的设计计算，并对其附属部件也进行了合适的选择。最终得到一整套符合要求的汽车自卸系统。关键词：自卸汽车，液压缸机械设计，液压系统设计目录1 绪论11.1 自卸汽车的作用11.2 自卸汽车的分类11.3 常见自卸汽车分类举例21.4 自卸汽车的举升机构31.5 自卸汽车的结构特点3 1.6 小结42 液压系统设计5 2.1 液压概述5 2.1.1 液压技术的发展52.1.2 液压传动52.2 自卸汽车液压系统设计62.2.1 液压缸概述62.2.2 液压系统原理图72.2.3 液压系统图82.3 小结93 液压缸结构设计10 3.1 液压缸结构设计的依据、原则和步骤113.1.1 设计依据113.1.2 设计的一般原则12 3.1.3 设计的一般步骤123.2 液压缸基本结构参数及相关标准 13 3.2.1 液压缸的液压力分析和额定压力的选择143.2.2 液压缸内径和外径16 3.2.3 活塞杆外径（杆径）17 3.2.4 液压缸基本参数的校核18 3.3 液压缸综合结构参数及安全系数的选择 19 3.3.1 液压缸综合结构参数19 3.3.2 安全系数的选择19 3.4 液压缸底座结构设计21 3.5 缸体设计与计算22 3.5.1 缸筒设计233.5.2 缸头和油口设计26 3.6 活塞组件设计28 3.6.1 活塞杆设计28 3.6.2 活塞设计30 3.6.3 活塞与活塞杆的连接结构31 3.7 缸盖设计32 3.7.1缸盖材料和技术要求32 3.7.2 缸盖的结构设计33 3.8 焊接强度及螺纹连接计算34 3.8.1焊接强度计算32 3.8.2缸盖螺栓连接强度计算352.9 小结354 液压原件选择364.1 液压泵的确定364.2 阀类元件的确定37 4.2.1 选择阀类元件应注意的问题374.2.2 阀类元件的选择384.3 油箱的选择394.4 滤油器的选择394.5 管路的选择394.6 小结40设计小结41致 谢 辞42参考文献441 绪论1.1 自卸汽车的作用 自卸车的出现是随着时代的发展，搬运工作已经不是人力可以解决的情况下，使用高科技而开发的搬运器械。自卸汽车又称翻斗车(tipper，dump car)，它是依靠发动机动力驱动液压举升机构，将货箱倾斜一定角度从而达到自动卸货的目的，并依靠货箱自重使其复位的一种重要专用汽车。其最大优点是实现了卸货的机械化，从而提高卸货效率，减轻劳动强度，节约劳动力。因此，几十年来它在国内外获得迅速发展与普及，至今其保有量大约占专用汽车的25，并日趋完善，成为系列化多品种的产品。自卸汽车主要运输散装并可散堆的货物（如砂、石、土、垃圾、建材、煤、矿石、粮食和农产品等），还可以运输成件的货物；自卸汽车主要服务于建材场、矿山、工地等，一般是和装载车、挖掘机进行，挖、搬、卸三位一体的一条龙服务。在进行大型工程的时候，都需要使用到自卸车。自卸车也需要定时定期的进行维护，以免在作业过程中出现意外。自卸车在每次作业前，要进行一次简单的检查，确保各个部件正常使用，首先要检查车子的性能是否出现故障，检查车子的车身是否出现不正常，车子检查后就可以正常的进行作业了。做好是一周进行一次全身检查，对车子的内部和外部进行一次检查，一个月进行一次维护，对车子的部件、性能进行专业的测试，需要更换的部件需要及时更换。这样不仅可以保证车子正常的工作，也可以延长车子的使用年限。自卸车是大型的器械，价格也是相当昂贵的，所以要经常的维护，确保车子的质量问题，避免意外的发生 。1.2 自卸汽车的分类 自卸汽车的分类较多，一般按下述方法分类： 1） 按用途分类：公路运输的普通自卸车；非公路运输的重型自卸车；专用自卸汽车。 公路运输的普通自卸车即轻、中、重型（装载质量在220t）的普通自卸车，主要承担沙石、泥土、煤炭等松散货物运输，通常是与装载机配套使用。 非公路运输的重型（装载质量在20t以上）的自卸汽车，即矿用自卸车。矿用自卸汽车是在矿山或大型工地使用的大吨位的自卸车；主要承担大型矿山、水利工地等运输任务，通常是与挖掘机配套使用。它的长、宽、高以及轴荷等不受公路法规的限制，但它只能在矿山、工地上使用。专用自卸汽车是指具有专用车厢，以满足所装运货物的特性或特殊要求的自卸汽车；而一般用途的自卸汽车均为普通自卸车。某些自卸汽车是针对专门用途设计的，故称专用自卸车，如摆臂式自动装卸车、自装卸垃圾汽车等。 2） 按装载质量级别分类：轻型自卸车；中型自卸车；重型自卸车。 按我国规定，最大总质量1.8t以上，6t及6t以下的为轻型自卸汽车；最大总质量6t以上，14t及14t以下的为中型自卸汽车；最大总质量大于14t的为重型自卸汽车。 3） 按传动类型分类：机械传动；液力机械传动；电传动。 中型以下自卸汽车多为机械传动，重型汽车为了改善其使用性能往往采用液力机械传动，而矿用超重型自卸汽车往往采用电力传动。 4） 按卸货方式分类：后倾式；侧倾式；三面倾卸式；底卸式；货箱升高后倾式等。 后倾式自卸车的车厢向后翻倾卸货。这类自卸汽车应用广泛。 侧倾式自卸汽车的车厢向左或向右翻倾卸货。这种自卸汽车适用于道路狭窄、卸货方向交换困难的地方。其结构较后倾式自卸汽车复杂，造价高，运载量少，生产效率低，使用较少。也有单侧倾斜的自卸汽车，其车厢只能向某一侧翻倾。这种自卸汽车驶入货场的方向和卸货的位置均受到限制，因此很少采用。 三面倾卸式自卸汽车的车厢可以向左右两侧和向后三个方向翻倾卸货。这种自卸汽车虽有三个方向卸货的优点，但其结构较后倾式自卸汽车更复杂，整备质量增大，装载质量减少，造价高，汽车运输发达国家使用量逐渐减少。 底卸式用于少数特殊场合。 货箱升高后倾式适用于货物堆集、变换货位和往高处卸货的场合。 5） 按倾卸机构分类：直推式自卸车；杠杆举升式自卸车。直推式又可细分为单缸式、双缸式、多级式等。杠杆式又可细分为杠杆前置式、杠杆后置式、杠杆中置式等。 6） 按车厢结构分类：按栏板结构分一面开启式、三面开启式、与无后栏板式(簸箕式)；按底板横断面形状分矩形式、船底式、弧底式。1.3 常见自卸汽车的分类举例 常见自卸汽车的分类举例如下： 1）东风双桥密封自卸车。是东风双桥自卸加装密封盖后的延伸车型。密封盖展翼式开闭，在驾驶室内电动液压控制，操作简单方便，密封严格，是运输矿产、沙石、垃圾等物料的首选车型。2）东风3055自卸车。平头带卧驾驶室，广西玉林135马力柴油发动机，3t级前桥，8t级后桥。此车是应市场需求2006年研发上市的新车型，媲美东风五吨车的承载配置，实惠的价格及运营费用，造就极高的性价比，是中小城镇建设主力军。3）东风五吨自卸车。尖头单排驾驶室，玉柴143马力欧二排放发动机，直通加厚大梁，8t级后桥，为东风五吨这种老款车型注入了新的活力。4）东风工程车。平头带卧驾驶室，康明斯160马力环保柴油发动机，加强大梁，9t级后桥，中吨位自卸车的代表车型之一。 5）东风双桥自卸车。平头带卧的驾驶室，康明斯210/230马力的环保发动机，双10t级贯通后桥，中置前推液压顶，此车是最畅销的中大吨位自卸车。1.4 自卸汽车的举升机构 1) 直推式倾斜机构（液压举升缸直接作用于车厢底架上） 2） 连杆式倾斜机构（液压举升缸通过连杆机构作用于车厢底架上能以较小的液压缸行程实现车厢的倾翻）图1-1 液压举升缸直接作用于车厢底架上 图1-2 液压举升缸通过连杆机构作用于车厢底架上1.5 自卸汽车的结构特点普通自卸车一般是在载货汽车二类底盘(当载货汽车拆除货厢后便称为二类底盘)的基础上，经变型设计而成。通常由底盘、动力传动装置、液压倾卸机构、副车架以及专用货箱等主要部分组成。总质量小于19t的普通自卸车，一般采用FR42式二类底盘，即发动机前置后轴驱动的布置形式。总质量超过19t的自卸车多采用64或62的驱动形式。举升机构的动力传动装置一般从变速器总成的顶部或侧面安装取力器输出动力。取力器直接带动油泵或通过传动轴带动油泵，从而产生液压驱动力。1.6 小结在进入自卸汽车液压缸结构及液压系统设计正题前，了解一下与之密切相关的自卸汽车的作用、分类、结构及其特点对以后的设计是有益的。自卸汽车的介绍为液压缸及液压系统的设计奠定了基础。2 液压系统设计2.1 液压概述2.1.1 液压技术的发展液压技术源于古老的水力学，它的发展是与流体力学的研究成果、工程材料、液压介质等相关学科的发展紧密联系的。液压技术的迅速发展是在世纪中叶前后。目前已成为比较成熟的基础学科。随着近50年来的科学技术的进步与发展，液压技术已成为包括传动、控制和检测在内，对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术和基础学科；随着近20年来的电子技术、计算机技术和信息技术的迅速发展，液压技术不仅是一种传动方式，更多地是作为一种控制手段，作为连接微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程中重要的、不可缺少的环节和手段。因而采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志，世界上各先进国家都对液压技术的发展给予了高度重视。当前液压技术向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、高可靠性、高集成化方向发展并取得重大进展，同时在完善比例控制、伺服控制、数字控制和机电一体化方向也取得了许多重大成果。新材料和新介质方向的研究也为液压技术的发展和完善提供了新的动力。2.1.2 液压传动 1）液压传动概述传动的含义是能量（动力）形式的转换、传递和控制。液压传动是以密闭在管路中的受压液体（主要形式为液压油）为工作介质，进行能量的转换、传递、分配和控制的技术，称之液压传动或液压技术。在这种传动方式中，由于能量形式的转换和动力传递是依靠密闭管中受压液体容积变化完成的，又称之容积式液压传动或静压传动。 2）液压系统的组成部分及作用由若干液压元件和管路组成以完成一定动作的整体称液压系统。如果液压系统中含有伺服控制元件（如伺服阀和伺服变量泵）则称液压伺服（控制）系统。如果不使用或明确说明使用了伺服控制元件，则称液压传动系统。液压系统功能不一、形式各异，无论是简单的液压千斤顶，还是其他的复杂的液压系统，都包括如下部分（见图2-1）。图2-1 液压系统的能量转换及构成元件示意图 （1） 动力元件动力元件又称液压泵，其作用是利用密封的容积变化，将原动机(如内燃机，电动机)的输入机械能转变为工作液体的压力能（即液压能），是液压系统的能源(动力)装置。（2） 执行元件将液压能转换为机械能的装置称为执行元件。它是与液压泵作用相反的能量转换装置，是液压缸和液压马达的总称。前者是将液压能转成往复直线运动的执行元件，它输出力和速度;后者是将液压能转换成连续旋转运动的执行元件，它输出扭矩和转速。摆动液压马达（习惯称摆动液压缸）不可连续回转，只能往复摆动（摆动角小于）。（3） 控制元件液压系统中控制液体压力、流量和流动方向的元件，总称为控制元件，通常称为液压控制阀，简称液压阀，控制阀或阀。（4） 辅助元件辅助元件包括油箱、管道、管接头、滤油器、蓄能器、加热器、冷却器等。它们虽然称为辅助元件，但在液压系统中是必不可少的。它们的功能是多方面的，各不相同。 （5） 工作介质液压系统中工作介质为液体，通常是液压油，它是能量的载体，也是液压传动系统最本质的组成部分。液压系统没有工作介质也就不能构成液压传动系统，其重要性不言而喻。2.2 自卸汽车液压系统设计2.2.1 液压缸概述自卸汽车是依靠发动机动力驱动液压举升机构，将货箱倾斜一定角度从而达到自动卸货的目的，并依靠货箱自重使其复位的一种重要专用汽车。根据自卸汽车的这一特点，自卸汽车的液压缸可以设计成单活塞杆单作用式的。前端盖为法兰的焊接型液压缸如图2-1所示，这也是工程机械上常用的液压缸，可以作为自卸汽车液压缸结构设计的参考图。图2-2的液压缸额定工作较高，可达25MPa。 1缸底；2缸筒；3活塞；4、5、6、10密封圈；7活塞杆；8导向套；9前端盖（法兰）；11活塞铰连组件。图2-2 焊接型液压缸2.2.2液压系统原理图 1）液压缸控制回路液压回路能量转换图2）液压回路选择（图2-3）调速回路：系统分析采用节流调速，循环形式为开式。方向控制回路 ：本设计采用手控三位三通换向阀对油路进行方向控制。节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需的压力，并保持恒定 。油泵输出的油液在换向阀内部卸荷，本设计用三位三通换向阀的中位进行卸荷。（a）换向阀换向回路图 （b）溢流阀限压回路 （c）换向阀中位置卸荷图2-3 液压回路2.2.3 液压系统图 利用液压缸实现车厢的举升、中停、下降过程三过程液压系统图如下各图所示。各构件的名称为：1-单活塞杆液压缸，2-节流阀，3-手动换向阀，4-油箱，5-溢流阀，6-液压泵，7-单向阀，8-过滤器 1）举升时（图2-4） 换向阀3处于举升位置，油泵将高压油通过单向阀7进入油缸下腔，推动活塞上升通过三角臂机构使车厢后翻，直到活塞上的限位阀打开，油泵输出的压力油流回油箱，停止举升，溢流阀可用来调节系统最大压力。 2）中停时（图2-5） 换向阀处于中停位置，油泵输出的油液在换向阀内部卸荷，无压力，油缸内油液无压力，不能举升油缸，同时油缸内油液已封闭，所以自卸车处于中停，车厢静止状态。 3）下降时（图2-6）换向阀处于下降位置，油缸下腔油路与油箱相通，车厢在自重下，活塞下移。油缸下腔油液经节流阀2留回油箱，下降速度可用节流阀调节，这个过程中可以让油泵停止转动。 图2-4 举升时自卸汽车举升机构液压系统图 图2-5 中停时自卸汽车举升机构液压系 统图 图2-6 下降时自卸汽车举升机构液压系统图2.3 小结 本章确定了自卸汽车液压系统，对液压缸结构设计也有重要的作用，是本次设计的重要环节。液压系统设计的关键就是确定各个回路，从而实现液压系统的功能。在该液压系统中通过手动换向阀实现液压缸的三个工作位置，使自卸汽车顺利完成工作任务。3 液压缸结构设计3.1 液压缸结构设计的依据、原则和步骤3.1.1 设计的依据液压缸与机器及机器上的机构直接相联系，对于不同的机构，液压缸的具体用途和工作性能也不同，因此设计之前，要进行全面地分析和研究，收集必要的原始资料并加以整理作为设计的依据。1) 了解和掌握液压缸在机器上的用途和工作要求满足机构的动作要求和用途是设计液压缸的主要目的。比如，液压翻斗自卸汽车的液压缸的作用是将翻斗（车厢）举升成倾斜状态，使所载的物料自动卸掉，其回程可在翻斗（车厢）的重力作用下而完成。这种情况下的液压缸可设计成单（活塞）杆单作用液压缸，也可设计成柱塞缸。再如汽车起重机的吊臂液压缸，为适应不同的起吊高度要求和工作场地的转换，其吊臂液压缸必须采用伸缩式多级液压缸，具体结构形式可以是单作用的柱塞式多级液压缸，或活塞式多缩液压缸，或末级活塞式的多级液压缸。2) 了解液压缸工作环境条件工作环境条件不同，液压缸的结构和设计参数也不尽相同。比如用于采煤工作面液压支架上的立（支）柱缸，工作条件恶劣，粉尘大，支护（工作）压力变化大（负载变化大），要求立（支）柱缸绝对安全可靠，不允许有泄漏。针对这种工作条件，设计时要考虑防尘措施；缸体和柱塞的强度和稳定性要绝对可靠，安全系数就要取大些，密封性能要好。象精密外（内）圆磨床用的液压缸，工作环境比较清洁，负载稳定并且较小，结构和设计参数就应当适应它的工作条件。3) 了解外部负载情况主要指外部负载的质量、几何形状、空间体积大小、运动轨迹、摩擦阻力及连接部位的连接形式等。例如液压翻斗自卸汽车，液压缸的外负载是翻斗（车厢）和所装的货物，翻斗（车厢）上升倾斜时，液压缸的轴线发生摆动，这就要求活塞杆头部与翻斗（车厢）的连接采用耳环式或销轴式，液压缸底座与车身的安装形式也要采用耳环式或耳轴式。4) 了解液压缸运动形态及安装约束条件包括了解液压缸的最大行程、运动速度或时间、安装空间所允许的外形尺寸及液压缸的运动形式，例如液压缸轴线固定或摆动，作往复直线运动或往复摆动，连续运动还是间歇周期运动，缸体运动或活塞杆运动。以作用力为主要要求的液压缸与以运动速度或时间为主要要求的液压缸，设计考虑的出发点也是不同的。5) 了解液压系统的情况液压缸的设计是液压系统设计的一部分。设计已知液压系统的液压缸，应了解液压泵的工作压力和流量大小，管路的通径和布置情况，各种液压阀的安装和控制情况等。6) 了解有关国家标准、技术规定和其它参考资料。借鉴已有的液压缸的设计是十分必要的。3.1.2 设计的一般原则液压缸设计时应注意如下问题。1) 保证液压缸的输出力推力、拉力(或转矩)、行程和往返运动速度满足要求。液压缸的工作压力（输出力的折算值）以液压泵的额定工作压力的为宜。2) 保证液压缸的每个零件有足够的强度、刚度和耐用性（寿命）。3) 在保证上述两个条件的前提下，尽量减小液压缸的外形尺寸和重(质)量。一般说来，在外负载一定的条件下，提高液压缸的额定工作压力可减小液压缸的外形尺寸。4) 在保证液压缸性能的前提下，尽量减少零件数量，简化结构。5) 尽量避免液压缸承受横（侧）向负载和偏心负载，活塞杆工作时最好受拉力，以免产生纵向弯曲而引发稳定问题。6) 液压缸的安装形式、活塞杆头部与外负载的连接形式要合理，尽量减小活塞杆伸出后的有效安装长度，避免产生“憋劲”现象，增加液压缸的稳定性。7) 密封部位的设计和密封件的选用要合理，保证性能可靠、泄漏量少、摩擦力小、寿命长、更换方便。密封部位的设计是保证液压缸性能的重要一环，对所选用的密封件，应使其压缩量和压缩率在合理范围内。8) 根据液压缸的工作条件和具体情况设置适当的排气、缓冲和防尘措施。在工作条件恶劣的情况下应考虑活塞杆的防护措施。9) 各种零件的结构形式和尺寸设计，应尽量采用标准形式和规范系列尺寸，尽量选用标准件。10) 液压缸应做到成本低、制造容易、维修方便。3.1.3 设计的一般步骤不同类型、用途和结构的液压缸，设计内容是不同的。由于液压缸各参数之间往往具有内在联系，所以液压缸的设计没有硬性规定或统一的格式。一般情况下，应根据已确定的工作条件和掌握的设计资料，灵活地选择设计程序和步骤，反复推敲和计算，直到获得满意的设计结果。一般设计工作可参考下列步骤进行。1） 根据设计依据和负载机构的动作要求，初步确定设计方案：缸体结构形式、安装方式、连接方式等。2） 在以输出力为主的液压缸设计中，根据负载和选定的额定（工作）压力，确定缸筒内径（即活塞外径）和活塞杆直径。比较方便的方法是根据液压计算的相关图表或液压缸性能参数表，由选定的额定（工作）压力或负载确定和。和应符合系列尺寸之规定，两者是液压缸设计的基本参数。3） 选择缸筒材料，计算缸筒厚度或外径。缸筒外径要符合系列尺寸之规定。缸筒通常选择冷拨或热轧无缝钢管，以节省加工费用，特殊要求时选用锻件或铸件。有焊接要求时，选用焊接性能较好的号钢或。无焊接要求时通常可选用号钢，有特殊要求的，可选用合金钢。4） 选择缸底和缸盖的结构形式，计算缸底厚度、缸筒与缸盖的连接强度；确定具体安装型式及结构尺寸；确定缸筒上油口的位置、尺寸和连接形式。5） 活塞组件设计，包括活塞的宽度、密封和支承形式、与活塞杆的连接方式；活塞杆与负载的连接形式和尺寸；根据负载校核活塞杆的强度。根据行程、活塞宽度等确定活塞的长度。对于活塞杆直径与液压缸行程之比小于，即时，应进行活塞杆纵向弯曲强度校核及液压缸稳定性校核。仅承受拉负载的液压缸可不作上述校核。6） 必要时设计缓冲和排气装置。当液压运动速度较高或运动部质量较大时，为防止活塞在行程末端与缸盖或缸底发生机械碰撞而引起冲击或造成液压缸及被驱动件的损坏，必须设计缓冲装置。液压缸速度时不需要设计缓冲装量。7） 审定全部设计资料及其他技术文件，对图纸进行修改和补充。8） 绘制液压缸装配图和零件图，编制技术文件。当根据选择的液压缸内径和活塞杆直径进行结构的设计和校核，液压缸设计的步骤也可简单划分为三个阶段：基本性能参数的计算、结构设计计算和设计文件的编制。3.2 液压缸基本结构参数及相关标准 液压缸结构设计参数有：液压缸的液压力、液压缸的额定压力、液压缸的内径（活塞外径），缸筒外径、活塞杆直径d等。这些结构型式、尺寸参数的选择或确定的依据是液压缸的负载力和运动速度，这些基本参数是设计或选用液压缸时必须知晓的。 在以输出力为主要要求的液压缸设计中，性能参数（或性能参数）计算的第一步是进行负载分析，选择适当的额定（设计）压力和相匹配的液压缸内径，以满足负载要求；根据活塞杆伸出速度要求选择液压泵的供液流量；根据速比要求确定活塞杆直径；再根据选择的液压缸内径D和活塞杆直径d进行结构的设计和校核。3.2.1 液压缸的液压力分析和额定压力的选择 1）液压力分析 假定不计液压缸回液腔压力，液压缸的液压力有两种形式，一是作用在活塞上的液压力即推力；二是作用在活塞杆侧环形面积上的液压力即拉力。有些液压缸主要做功力为推力，如自卸汽车的液压缸，有些则是以拉力为主要做功力，如皮带机液压张紧装置的张紧液压缸。单活塞杆单作用液压缸作伸出运动时的一般模型如图3-1所示。 图3-1 单活塞杆单作用液压缸伸出运动模型液压力计算式如下： （3-1）式中 作用在活塞上的液压力（推力），；进液腔压力(产生推力时液压缸无杆腔进液），；活塞(无杆腔面积），,；有杆腔面积(活塞杆侧环形面积），；液压缸内径（活塞外径），；活塞杆直径，；由式（3-1）知，当较大时，在负载相同的条件下，液压缸所需的额定压力较低；反之，则需要的额定压力较高。一些在重载荷下工作的液压机械，为减小液压装置的重量和体积，都趋向于采用高压或超高压，但过高的工作压力就要对液压缸强度、刚度、密封的可靠性及液压泵的品质提出更高的要求，反而提高了制造成本。国内外对液压缸的综合经济性研究表明，以优质碳素钢制造的液压缸最佳工作压力为。综合经济性包括液压缸重量与工作压力的关系，液压缸制造成本与工作压力的关系。由于液压缸设计是液压系统的一部分，液压缸的综合经济性并不能保证整机的经济性。另外，在一定的外负荷条件下，工作压力较低则液压缸的直径较大，工作时有较多的油液通过，易于精确地控制流量，以获得平稳的低速运动。2） 额定压力也称公称压力，是液压缸能以长期工作的压力。国家标准（等效）规定了液压缸的公称压力系列，见表3-1所列。液压缸的实际工作压力决定于负载，一般以为宜。选择液压缸的工作压力可以采用类比的方法，参照其他同类机械设备的工作压力，并按实际情况加以适当调整，可参看表3-2和表3-3。表3-1 液压缸的公称压力(GB7938-1987)1.0 1.62.54.06.310.016.025.031.540.0表3-2 各类液压设备常用的设计压力主机类型设计压力机床精加机床如磨床）0.82半精加机床如组合机床）35龙门刨床28拉床810农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构1016液压机、大中型挖掘机、中型机械、起重运输机械2032表3-3 根据负载选择压力负载/KN551010202030305050设计压力/MPa0.811.522.53344550由已知推举力为2t得，同时由于自卸汽车属于小型工程机械，故由表3-2知液压缸的工作压力在1016MPa间选取。由表3-1查得液压缸的公称压力。3.2.2 液压缸内径和外径 1) 缸筒内径（缸径）对于推力负载的液压缸，可根据下式计算缸筒内径并把它圆整到规定的系列尺寸： （3-2） （3-3） 式中 缸筒内径，； 推力负载（取最大负载值），；供液压力（回液压力为大气压），；液压缸总效率； 机械效率（初算时可取）； 密封效率（活塞密封为弹性材料可取）； 回油效率（排油直接回油箱可取）。将 ，代入式 （3-2）得 （3-4）将 ,， 代入式（3-4）得 由表3-4所列，缸筒内径即活塞直径（名义尺寸相同，公差不同），国家标准GB/T2348-1993（等效于ISO3320-1987）规定了液压缸内径（缸径）尺寸系列。 表3-4 液压缸内径系列GB/T2348-1993/mm810121620253240506380（90）100110125140160（180）200（220）250280320360400450500注释括号尺寸为非优选系列综上可知缸筒内径。2） 缸筒外径 根据额定工作压力及液压缸内径选择 所以，3.2.3 活塞杆外径（杆径）国家标准GB/T2348-1993（等效于ISO3320-1987）规定了液压缸活塞杆外径（杆径）尺寸系列，见表3-5所列。表3-5 液压缸活塞杆（杆径）系列456810121416182022252832364045505660708090100110125140160180200220250280320360由前面叙述可以看出，除额定压力与活塞外径外，液压缸基本参数还有一个即活塞杆直径。的取值总是与活塞外径的取值相联系。这种联系可用液压缸速度比来表示。液压缸速比可用活塞（杆）退回速度（有杆）腔供液与活塞（杆）伸出速度（无杆）腔供液表示为 得， （3-5）速比是在设计时要确定的参数之一。而的取值与工作压力相关，一般来说，工作压力小时可取较小的值，工作压力高时可取较大的值，可参照表3-6确定之。表3-6 液压缸速比与工作压力的关系工作压力/20速比1.331.46,22由于，故取。确定速度比的主要目的是为了计算活塞杆的直径及考虑液压缸是否要设计缓冲装置。速度比不宜过大，过大时，虽然活塞杆直径也较大，有利于稳定性，但导致活塞杆侧环形面积变小而引起压力升高（拉力）时，同时也导致（回液）时速度升高，容易产生较大的背压或引起压力冲击（无缓冲装置）时。反之，速度比过小时，则导致活塞杆较细，对稳定性不利。液压缸速度比的取值应符合国家标准（等效于之规定）；根据式（3-5）和国家标准之规定计算的活塞杆直径与液压缸内径的关系如表3-7所列；在设计时，表3-7中的计算值应圆整到国家标准（等效于规定）的活塞杆直径尺寸系列值。表3-7 根据速度比计算的与的关系速度比值1.061.121.251.331.461.6122.5活塞杆直径d0.24D0.36D0.45D0.5D0.56D0.62D0.7D0.77D由 查上表得，最后查国家标准定出。活塞杆有实心式（整体式）和空心式（分体焊接式）两种情况，一般情况下应采用实心式。空心式常用于特殊要求的情况下（如伺服液压缸中的活塞杆内必须装有传感器）。为节约材料，有些文献是推荐或时采用空心结构，但会造成生产成本的增加。所以，该活塞杆做成实心式的。3.2.4 液压缸基本参数的校核 1) 缸筒厚度强度校核 由于，得 当 时， 校核公式： （3-6） 式中 缸筒厚度，； 最大工作压力，； 液压缸内径，； 缸体材料许用应力， 安全系数，一般； 缸体材料抗拉强度，。综合考虑选择缸筒材料为，故将，代入式（3-6）得 所以，满足条件 2）活塞杆直径强度校核 校核公式如下： (3-7)式中 活塞杆直径，； 外负载力，； 活塞杆材料许用应力，； 安全系数，一般； 活塞杆材料抗拉强度，。综合考虑选择活塞杆材料为35号钢，故将，代入式（3-7）得 所以，满足条件3.3 液压缸综合结构参数及安全系数的选择3.3.1 液压缸综合结构参数活塞外径和活塞杆直径是液压缸的基本结构参数，除和外，液压缸的结构参数尚有活塞行程、缸体长度、活塞宽度B、活塞杆长度及活塞杆头部及尾部的结构型式及尺寸、导向距离、油口直径及接口螺纹（或法兰）尺寸。液压缸的行程应根据工作需要设定，为简化制造工艺和节约制造成本，应采用标准化行程尺寸系列参数。为减小活塞杆伸出时与缸体轴线的偏斜，液压缸应有合理的导向长度。3.3.2 安全系数的选择液压缸结构参数确定下来之后（最终定下来至少要反复一次）便可进行结构的具体设计：零件的形状、尺寸和加工要求、材料、连接方式并进行强度校核，为做到设计合理化，这时涉及到安全系数的选择。安全系数的选择并没有硬性规定，但必须在保证安全的条件下，尽量选择较小的数值。安全系数过大，不仅造成不必要的浪费，提高了成本，而且导致所设计的液压缸外形尺寸大，重量也较大，常常不能适应工作要求。但安全系数也不能取得太低，以免发生事故。影响液压缸安全性因素多，可大致归为五个方面：(1) 液压冲击。高压或高速液压缸急剧换向、液压缸进入缓冲行程瞬间、液压缸运行中突然制动（或油路突然阻切断），都会产生液压冲击。假设静负荷时液压冲击因素所决定的安全系数为，那么有轻度液压冲击时安全系数取,较强液压冲击取安全系数，特强液压冲击安全系数可取。(2) 机械冲击。液压缸承受强的冲击载荷(如锻压机或活塞活塞杆承受较大的惯性力负载)运动到行程末端时（无缓冲装置），容易发生机械冲击。轻度的机械冲击安全系数可取，冲击较大时安全系数可取。(3) 材料。液压缸零件的材料是决定液压缸安全系数的重要因素之一。脆性材料(如铸铁)承受冲击的能力差，安全系数要取大一些，一般可取。塑料材料承受冲击的能力优于脆性材料，在断裂之前要经过塑性变形，安全系数可取低些，一般为。如果采用锻造或冷挤压的材料，安全系数可取更小些。液压缸常用材料的安全系数及许用应力可参看表3-8所列。表3-8 液压缸常用材料的安全系数和许用应力机械类型材料缸筒缸底平底）活塞杆n许用应力n许用应力n许用应力工程机械碳钢20碳钢45铸钢352541051681201409011023195203注释1. 此表根据统计资料整理，仅供参考；2. 缸盖的安全系数可参考缸底；3. 连接和紧固件安全系数为1.52.5。 (4) 其他因素。如液压缸的工作温度较低时，材料性质变脆，在高温下零件容易发生蠕变；液压缸尺寸较大时，安全系数可小些，小型零件的安全系数要取大些；液压缸承受偏心或横向负载时安全系数要取大些等。(5) 不可预见的因素。除前面所列的影响液压缸安全的因素外，液压缸的破坏因素尚有许多不可预见的因素。由不可预见的因素决定的安全系数一般可取。上述的诸多因素也不一定对每一个零件都产生影响，这需要对每一个零件的工作情况作具体分析，但液压缸的关键零件及连接部位的安全系数要取大些。液压缸的综合安全系数可按下式计算 式中 材料因素决定的安全系数（最重要）；机械冲击因素决定的安全系数； 液压冲击因素决定的安全系数；不可预见的因素决定的安全系数；其它因素决定的安全系数3.4 液压缸底座结构设计图3-2所示的液压缸底座是为底部铰支安装的液压缸而设计的，相应的尺寸见表3-9所列。它与缸筒为焊接连接，材料为焊接性能较好的。技术要求：（1）正火处理；（2）铸件不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷；（3）铸造圆角R=35；（4）未注明倒角245。图3-2 液压缸底座3.5 缸体设计与计算 液压缸的设计相对较简单，但并不是轻而易举的，而是一件细致的工作。如果白手起家设计一台液压缸，那也是相当耗时和费力的。尤其对第一次从事液压元件设计的新手来说，最大的困难并不是理论计算，而是零件图的细节设计：结构形状的构思、配合精度等级的选择、形位公差的确定、工艺要求和技术要求等。液压缸设计是一个交叉设计过程，不是一次设计可以完成的，只有经过多次反复才能最终确定下来。 对单活塞杆液压缸来说，缸体通常由缸底（底盖）、缸筒、缸头（与前端盖的连接部位）组成。缸体的结构要根据安装或工作要求确定。对于缸体轴线摆动的液压缸，可采用两端铰支安装或中间耳轴支承安装型式。两端铰支安装或中间耳轴支承（铰支）安装的液压缸，缸底通常为平底，与缸筒焊接连接。缸头结构形式有多种，不主张使用卡环式或螺纹式，建议使用法兰式，以利于液压缸的密封。对端部法兰型液压缸，缸头采用焊接法兰比较方便，特殊需要时，可将头部墩粗，加工螺纹孔以安装法兰的前端盖。对于耳轴安装方式，一般应将耳轴设置在液压缸头部位置，以利于液压缸的稳定。图3-3为工程机械中常用的焊接式法兰缸体，它与图3-2所示的底座焊接在一起，则构成了液压缸完整的缸体组件。缸筒与头部法兰座材料为，油口为35号钢。缸筒、头部法兰座、油口结构及相应尺寸见零件图所示。有关配合精度等级可参照类似零件选择之。序号名称件数材料1缸筒12油口1353法兰座1 图3-3 法兰式缸体3.5.1 缸筒设计 1）缸筒与缸盖的连接形式缸体的结构型式即缸筒与端盖的连接方式，它与液压缸的用途、工作压力、使用环境及安装要求等因素有关。端盖分为前端盖和后端盖。前端盖将活塞杆（柱塞）腔封闭，并起着为活塞杆导向、密封和防尘之作用。后端盖即缸底将缸筒内腔一端封闭，并通常起着将液压缸与其他机件连接的作用。缸筒与端盖常见的连接方式有八种：拉杆式、法兰式、焊接式、内螺纹和外螺纹式、内卡环和外卡环式和钢丝挡圈式，其中焊接式只适应缸筒与后端盖的连接。对于固定机械，若尺寸与质量没有特殊要求时，建议采用法兰式连接，该连接方式结构较简单、易加工、易装卸、使用广泛，如图3-3所示。故该液压缸缸筒与缸盖采用焊接法兰式连接。图3-4 缸筒与缸盖法兰式连接 2） 对缸筒的要求缸筒是液压缸的主要零件，它与端盖、活塞构成密封容腔，用以容纳压力油液、驱动负载而做功，因而对其有强度、刚度、密封等方面的要求。 (1) 要有足够的强度，在长期承受额定工作压力和短期动态实验压力下而不致产生永久变形。 (2) 要有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装时的反作用力而不致产生弯曲。(3) 密封的可靠性。缸筒内表面与活塞密封组件、支承环处的尺寸公差等级、形位公差精度设计要合理，既要保证可靠的密封要求，又要减小磨损。(4) 需要焊接的缸筒要有良好的可焊性，以便在焊接法兰或缸底或接头后不致于产生裂纹或过大的变形。以上要求靠缸筒材料的适当选择和设计制造时的合理工艺要求来保证。 3) 缸筒的材料选择(1) 缸筒的毛坯普遍采用退火的冷拔或热轧的无缝钢管，市场上已有内孔经过珩磨或内孔经过精加工的半成品，只需按所要求的长度切割无缝钢管，材料有、号钢和合金钢。 （2） 对于工作温度低于的液压缸缸筒，必须用或号钢，且要作调质处理。(3) 与缸盖或法兰焊接的缸筒，使用号钢，机械预加工后再调质。不与其他零件焊接的缸筒，使用调质的号钢。 （4） 缸壁较厚的缸筒，采用铸铁或锻件，或用厚钢板卷成筒形，焊接后退火，焊缝需用光射线或磁力探伤检查。常用的材料有碳素钢：、号等；普通低合金结构钢如、等；合金结构钢如、35CrMo-ALA等；不锈钢如等；铝合金：、等；铸钢如ZG230-450、ZG310-500等；防锈铝合金如、等。 4) 缸筒加工的技术要求缸筒的技术要求高，工艺过程复杂，是液压缸中最难加工的零件。缸筒的技术要求要合理，过高时将会导致制造成本的大幅提高，过低时又将影响液压缸的工作性能和使用寿命。一般来说可分为如下几个方面：(1) 缸筒内径公差等级和表面粗糙度缸筒与活塞一般采用基孔制的间隙配合。活塞采用橡胶、塑料、皮革材质密封件时，缸筒内孔可采用，公差等级，与活塞组成、等不同的间隙配合。缸筒内孔粗糙度为。采用活塞环密封时，缸筒内孔公差等级一般要取，与活塞组成、等不同的间隙配合，内孔表面粗糙度为。 采用间隙密封时，缸筒内孔公差等级一般取，与活塞组成的间隙配合，表面粗糙度为。 以上配合应尽量不采用对的配合，因为它有可能出现配合过紧的现象。 (2) 缸筒的形位公差(图3-5)缸筒内径的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半；缸筒轴线的直线度误差不大于，缸筒端面对轴线的圆跳动不大于。 (a) 缸筒加工要求； (b) 安装部位要求。图3-5 缸筒的加工和安装部位要求(3) 安装部位的技术要求（图3-5）缸筒端面和端盖接合面对缸筒轴线的垂直度误差不大于；安装缸盖的螺纹应采用级精度的公制螺纹；采用耳环（轴）安装时，耳环（轴）轴线对缸筒轴线的位置误差不大于，垂直度误差不大于；采用销轴安装时，位置误差不大于，垂直度误差不大于。(4) 其他技术要求（图3-5）缸筒内径端部倒角，或倒以上的圆角，表面粗糙度不低于，以免装配时损伤密封件。缸筒端部需要焊接时，缸筒内部工作表面到焊缝的距离不得小于。热处理调质硬度。为防腐蚀和提高寿命，缸筒内孔镀铬厚度，然后进行研磨式抛光。需要在缸筒上焊接法兰、油口、排气阀座时，都必须在半精加工之前进行，以免精加工后焊接而引起内孔变形。缸筒外表面涂油漆。 5） 缸筒的结构设计(见零件图) 技术要求：除及其面外，其余焊后加工图3-6 缸筒3.5.3 缸头和油口设计1） 油口设计液压缸进出油口如图3-7所示，油口的设计涉及的问题有：油口尺寸、位置尺寸、与外界的连接方式。油口的对外连接方式多为普通的细牙螺纹，液压缸油口连接螺纹应符合GB/T2878-1993之规定，见表3-9所示。该液压缸油口油口通常开设在缸筒上，其结构及尺寸见零件图所示。 （a）进油口 （b）出油口 图3-7 油口表3-9 液压缸油口连接螺纹GB/T2878-1993）/mmM50.8M81M101M121.5M141.5M161.5M181.5M201.5M221.5M272M332M422M502M602油口多采用螺纹连接，推荐使用快速管接头，安装拆卸方便。油口开设在缸筒上时，要加焊凸台，增加螺纹长度；管接头处要注意加密封圈。2） 缸筒头部设计 缸筒头部即缸筒与前端盖的连接处结构，其结构如图3-7所示；其机构尺寸见零件图。 技术要求：（1）采用铸钢件时需正火处理；（2）铸件不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷；（3）2及面焊后加工。图3-8 法兰座3.6 活塞组件设计 除非有特殊要求或说明，一般通常默认活塞组件是液压缸的直接做功元件。活塞组件的主体是活塞与活塞杆。除此之外，还有活塞支承环和密封件、活塞与活塞杆的密封件、活塞杆与活塞的连接件及活塞杆头部连接件、活塞杆的导向环与密封件及防尘圈（三者都在液压缸的端盖中）。3.6.1 活塞杆设计 1）活塞杆的材料和技术要求 活塞杆有空心式和实心式两种，实