乘用车无级变速器液压系统设计

1、二九年六月The Graduation Thesis for Bachelor's DegreePassenger CVT hydraulicsystem designCandidate：Gao XinMingSpecialty：Vehicle EngineeringClass：B05-18Supervisor：Associate Prof. An YongDongHeilongjiang Institute of Technology2009-06·Harbin摘 要液压控制系统是通过控制金属带轮的夹紧力来实现无级自动变速器速比调节的,其设计方法是开发无级变速传动系统的关键

2、技术之一.在分析了金属带式无级变速器的结构特征和力学关系的基础上,通过对汽车典型行驶工况的仿真分析,提出了无级自动变速液压控制系统关键参数速比变化率的设计方法,完成了液压系统的结构参数设计,并进行了仿真验证,从而为无级自动变速汽车的研制开发奠定了基础.针对无级变速器电液控制系统的工作要求，应用数字比例控制技术设计了可用作无级变速器中夹紧力控制阀的数字调压阀。介绍了该数字调压阀的结构以及驱动器的设计方法，并对其进行了静态特性、动态特性试验。试验结果表明，该数字调压阀的控制精度及可靠性高，能满足金属带式无级变速器电液控制系统的要求。关键词:无级变速传动；液压系统；无级变速器；电液控制系统；数字调压

3、阀ABSTRACT The design method on the hydraulic control system is one of the key technologies of a metal V-belt continuously variable transmission(CVT).It can change the ratio of the transmission system by adjusting thepu-Shing force of the pulley.By analyzing the structure characteristics andForce rel

4、ationgs,the design method of an important parameter of the CVTHydranlic system and the rate of transmission ratio are put forward by Simulation to the emblematical driving models. The structure parametersOf hydraulic system is gotten and validated by simulation on specific Driving model. An effectiv

5、e design method is provided to develop the co-ntinuously variable transmission system.In terms of working requirements of the electric-hydraulic controlSystem of continuous variable transmissions,the ditital pressure regulator valve,which can be used as the clamping force valve of CVT,is designed wi

6、th the digital proportional control technology .The st-Ructure of the digital pressure regulator valve and design method forDrivers is introduced. Tests of static characteristics and dynamic cha-racteristics of digital pressure regulator valve is high, it can meetrequirements of the electric-hydraul

7、ic control system of system of metalv-belt type continuous variable transmission.Key words:Continuously variable transmission；Hydraulic system；Electric-hydraulic control system；Digital pressure regulator valve目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景研究目的及意义11.2 乘用车无级变速器液压系统的发展历史和发展趋势21.3 设计的主要工作2主要设计内容2主要技术指标

8、、要求3第2章 乘用车无级变速器液压系统方案设计42.1 液压系统概述4 液压系统的组成和型式4 液压系统的类型和特点4 液压传动与控制的优缺点42.2 液压系统设计5 明确设计要求5 总体规划、确定液压执行元件5 确定系统的工作压力5 方案选择62.3 本章小结6第3章 无级变速器液压系统传动部分设计73.1 金属带式无级变速器带传动部分的设计73.2 轴的设计计算12 主动轴的设计12 从动轴的设计133.3 轴和轴承的校核14 轴的校核14 轴承的校核173.4 箱体的结构设计203.5 本章小结20第4章 液压缸的设计与计算214.1 油缸选型确定214.2 液压缸主要尺寸的确定21液

9、压缸工作压力的确定21液压缸内径D22液压缸壁厚和外径的计算22液压缸工作行程的确定234.3 液压缸的强度和刚度校核24钢筒壁厚的校核244.4 液压缸的结构设计25缸体与缸盖的连接形式25密封装置25液压缸的缓冲装置25液压缸的排气装置264.5 本章小结27第5章 数字调压阀的设计285.1 数字调压阀的理论基础28液阻网络系统概述285.1.2 桥液阻网络285.2 数字调压阀的结构和工作原理295.3 数字调压阀的结构设计325.3.1 几何尺寸确定：335.4 数字调压阀驱动装置的选择355.5 数字调压阀的试验系统设计365.6 本章小结36第6章 液压系统控制元件及辅助元件的选

10、择376.1 液压泵的选用376.2 方向控制阀的选择376.3 压力控制阀376.4 流量控制阀的选择386.5 液压辅助元件的选用38油箱38滤油器38管件及接头396.6 本章小结39结论40参考文献41致谢42附录43第1章 绪 论1.1 课题背景研究目的及意义 随着工业技术的进步，人类生活节奏的加快，活动空间的迅速增加，汽车已经深入到人类社会的各个方面，成为现代化文明社会不可缺少的东西。汽车工业 历经百余年取得了巨大的发展，究其原因，主要有两点：首先是科学技术的不断 进步，给汽车工业的发展提供了必要的物质条件；其次是汽车工业本身为了不断 适应各个时期的社会背景（能源危机和环境污染等）

11、，满足人们对汽车使用性能的更高要求，在技术上不断改革、创新。因此汽车的发展历史，间接的记录了科学技术的发展，社会背景的改变和人类不断实现完美追求的历史。汽车是人类文 明发展的标志，它的发展必须符合人类社会的发展要求。 节约能源，保护环境已经成为人类发展的主题。而全球数以千万计的汽车已经成为能源消耗和环境污染的一个主要的因素。迫于能源危机和环境污染的压力，世界许多国家或地区都制定了严格的法规，力图降低汽车的排放和提高燃油经济性。因此采取措施，应用新技术，降低汽车能源消耗和减少废气排放已成为汽车的发展方向之一。汽车传动系设计性能的好坏直接关系到整车主要的性能指标，所以,为了达到节能与降低排放的目的

12、，研究与改进汽车传动系统，大力发展和应用速比能够连续变化且具有等功率供应特性的无级变速液压系统（CVT）将不失为一种理想的选择。 无级变速器(CVT)液压系统由液压泵供油、系统的压力由压力控制阀(比例溢流阀)调节，它直接作用在从动轮液压缸内，变速器的速比由速比控制阀(位置伺服阀)调节，调节主动轮液压缸内的压力。在控制系统中，主、从动轮液压缸内的压力由压力传感器测量，测量信号经过AD转换输入给单片机，单片机输出的控制信号经DA、驱动放大去控制比例溢流阀，从而控制主、从动轮液压缸内的压力变化，该控制系统的输入信号为发动机节气门开度、发动机转速，输出信号为两个液压缸的位移，控制规律由单片机产生，液压

13、系统的比例溢流阀、减压阀、位置伺服阀、液压缸、安全阀等液压元件全部集成在阀体上，输入信号经过信号处理、模数转换、传至单片机，单片机产生控制规律控制主、从动轮液压执行缸的位移，以便改变带轮的传动比。位移及压力传感器将信号反馈到输入端与输入信号进行比较形成负反馈控制，该系统为多输人多输出系统。其结构见图1.11。图1.11.2乘用车无级变速器液压系统的发展历史和发展趋势无级变速器 (CVT)的装车使用只有十几年的时间，但是CVT技术的发展已有100多年的历史。目前，市场上的CVT有三种产品：P821型，采用电磁离合器作为起动装置，机一液或电一液控制系统，以外齿轮泵作为液压源，实用于发动机排量在1.

14、3L以下的小型轿车；P811型实用于发动机排量在1.8L以下的中型轿车；P844型，采用新型金属传动带，将液力变矩器与CVT综合，全电子控制系统，实用于发动机排量在3.3以下的豪华轿车。日本在研制CVT的初期，即将电子控制技术与CVT技术结合，成功地开发出电子控制技术的CVT，即ECVT，陆续装在Rex，Sambar和Justy上3。 我国对无级变速液压系统的研究工作是近几年才开始的，而且是针对金属带式无级变速器液压系统进行的研究，目前尚处于理论研究阶段。北京理工大学对金属带传动机理的研究做了一些研究，但是还只是停留在定传动比的稳态分析阶段；东北大学致力于金属带的研究与开发；华南理工大学对CV

15、T的液压系统控制进行了一些理论研究；吉林大学在金属带的传动机理、传动系的匹配规律、金属带式无级变速器的特性分析及液压控制等方面的研究取的了初步的进展，并与东风汽车集团公司合作开发出了国内第一台CVT装置，并成功的在吉林大学自主开发的CVT实验台架上进行了一系列的液压系统的台架实验，取得了一些实验数据。1.3设计的主要工作1.3.1主要设计内容本设计的主要工作是在众多的无级变速器液压系统的方案中选择一种能够适应于乘用车无级变速器的液压系统。（1）查阅、分析相关资料，熟悉汽车变速器液压系统的工作原理及各项参数，选出适合轿车的无级变速器液压系统。结合变速器的传动方式和给定设计参数，论证分析确定最优传

16、动方案。（2）依据给定参数设计金属带式无级变速器液压控制系统，包括：动力部分、控制部分、执行部分和辅助部分。1）带传动所需夹紧力的计算；2）液压元件的选用；3）执行元件的设计；4）调压阀的设计（3）应用AUTOCAD2007软件对整个无级变速器的液压系统设计过程进行辅助设计。主要技术指标、要求额定功率：75/6000（）；最大扭矩：135/4500（）；调压阀的性能参数：公称压力：6Mpa、卸荷压力：0.4Mpa、公称流量：60L/min、调压范围：0.5-6Mpa。第2章 乘用车无级变速器液压系统方案设计2.1液压系统概述2.1.1液压系统的组成和型式为实现某种规定功能，由液压元件构成的组合

17、，叫液压回路。液压回路按给定的用途和要求组成的整体，叫做液压系统。液压系统通常由三个功能部分和辅助装置组成，见表2-1。液压系统按液流循环方式有开式和闭式两种。表2-14 液压系统的组成动力部分控制部分执行部分辅助装置液压泵用以将机械能转换成液体压力能，有时也将蓄能器作为紧急或辅助动力源各类压力、流量，方向等控制阀2用以实现对执行元件的运动速度、方向、作用力等的控制，也用于实现过载保护、程序控制等液压缸、液压马达等 用以将液体压力转换成机械能管道、蓄能器、过滤器、油箱、冷却器、加热器、压力表、流量计等2.1.2液压系统的类型和特点表2-25液压系统的类型特 点按主要用途分液压传动系统以传递动力

18、为主液压控制系统注重信息传递，以达到液压元件运动参数的准确控制为主按控制方法分开关控制系统系统由标准的或专用的开关式液压元件组成，控制元件运动参数的控制精度较低伺服控制系统传动部分或控制部分采用液压伺服机构的系统，执行元件的运动参数能够精确控制比例控制系统传动部分或者控制部分采用电液比例元件的系统数字控制系统控制部分采用电液数字控制阀的系统2.1.3液压传动与控制的优缺点（1）优点1）同其他传动方式比较，传动效率相同，液压传动装置的重量轻，体积紧凑。2）可实现无级变速，调速范围大。3）运动件的惯性小，能够频繁迅速换向：传动工作平稳：系统容易是实现缓冲吸震，并能自动防止过载。4）与电气配合，容易

19、实现动作也操作自动化：与微电子技术和计算机结合，能实现各种自动控制工作。5）元件已基本上系列化、通用化和标准化，利于CAD技术的应用，提高工效，降低成本。(2)缺点1）容易产生泄露，污染环境。2）因有泄露和弹性变形大，不易做到精确的定比传动。3）系统内容易混入空气，会引起爬行，噪声和振动。4）适用的环境温度比机械传动小5）故障诊断与排除要求较高技术。2.2液压系统设计液压系统就是液压设备的一个组成部分，它与主机的关系密切。其设计要求，一般是必须从实际出发，重视调查研究，注意吸收国内外先进技术，力求做到设计出的系统重量轻、体积小、效率高、工作可靠、结构简单、操作和维护保养方便、经济性好。设计步骤

20、大致如下。2.2.1 明确设计要求（1）明确主机用途、操作过程、周期时间、工作特点、性能指标和作业环境的要求。（2）明确液压系统必须完成的动作，运动形式，执行元件的载荷特性和对速度的要求。（3）动作的顺序、控制精度、自动化程度和连锁要求。（4）防尘、防寒、防爆、噪声控制要求。（5）效率、成本、经济性和可靠性要求等。2.2.2 总体规划、确定液压执行元件 液压执行元件的类型、数量、安装位置和与主机的连接关系，对主机的设计有很大的影响，所以，在考虑液压设备的总体方案时，确定液压执行元件与确定主机整体结构布局是 同时进行的。2.2.3确定系统的工作压力系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术

21、水平而定。系统工作压力高，省材料，结构紧凑，重量轻，是液压的发展方向，但要注意泄漏、噪声控制和可靠性问题的处理。2.2.4方案选择 本设计的方案是针对金属带式无级变速器的液压系统进行设计的2.3本章小结 此章是本设计较重要的一章，其主要内容是针对本次设计的无级变速器液压系统的方案选择，使其设计合理化。第3章 无级变速器液压系统传动部分设计3.1 金属带式无级变速器带传动部分的设计1、确定传动比确定：确定要求的最大变速比、最小传动比和变速范围，设计给定的参数，初步确定最小传动比，则最大传动比。2、确定带轮安装轴径和带轮最小工作半径根据输入转矩初步确定安装轴径，轴的扭转强度条件为： （实心轴） （

22、3.1） （空心轴） （3.2）式中各参数：扭转切应力，单位：；轴所受的扭矩，单位：；轴的抗扭截面系数，单位：；计算截面处轴的直径，单位：；空心轴的内径与外径的比值，； 空心轴的外径，单位：；空心轴的内径，单位：；许用扭转切应力，单位：。即主动轴传递的最大扭矩为，从动轴传递的最大扭矩为。取轴的材料均为40Cr，查表知=2545。由于金属带式无级变速机构中，轴必须是半空心轴，中空部分用来做液压油路，取，按公式(3.2)主动轴的最小允许直径： (3 .3)从动轴的最小允许直径： (3 .4)由于从动轴的最小允许直径比较大，按从动轴的最小允许直径计算，一般设计时都主、从带轮轴径相等，初定，所以锥盘允

23、许的最小工作半径： (3 .5)与金属片的结构有关是为了保证金属带传动的最小节圆，摩擦片下端不与带轮轴相碰，取；则 (3 .6)金属带的结构决定了带轮的工作半径与节圆半径不重合（图3.1），金属带传动的节圆半径与带轮最小工作半径的关系为：与摩擦片的结构尺寸有关，取;则由于要求的最大和最小传动比为和，因为 (3.7)图3.1 带轮径向尺寸参数所以带轮的最大节圆半径为： ( 3.8)则主、从带轮的外径为： (3.9)目的是保证金属带传动节圆最大时，钢带环仍处于带轮V形槽内，取。3、初估中心距 (3.10)4、初估金属带环的长度 (3.11)所以则 5、根据初步确定的金属带环的长度和中心距按所确定的

24、金属片侧边与锥盘母线的共轭关系调整金属带环的长度为，其实主、从动带轮的尺寸并不一致，这是因为所选定的传动的增、减速比分别为0.4和2.64，不成倒数关系，主动轮的最小半径要小于从动轮的最小半径，这样可以有效的减小结构尺寸。调整初估的参数，取、，取。则可以得到、这样，当变速器减速工作时，带轮工作半径：、；可动锥盘的轴向位移：； (3.12)当变速器加速工作时，带轮的工作半径：、，则可动锥盘的轴向位移：。 (3.13)当变速器减速状态带轮工作半径： 可移动锥盘轴向位移： (3.14)当变速器加速状态带轮工作半径： 可移动锥盘轴向位移： (3.15)所以变速器的变速范围 变速比6、确定主、从动带轮的

25、外径，并验算中心距。 (3.16) (3.17)其中为主、从两带轮安装后边缘之间的间隙，中心距与初估尺寸一致，说明上一步的设计正确的，确定锥盘母线及各项参数可得。7、校核金属带环的强度金属带环的厚度为：金属带环的宽度为：金属带环的层数为：金属带环许用疲劳强度极限为：带环的初拉应力为： (3.18)带的紧边拉力为： (3.19) 带的紧边拉应力：(3.20)钢带环的弯曲应力： (3.21)钢带环的最大拉应力： (3.22)确定锥盘的轴向压： (3.23)3.2 轴的设计计算本设计中轴的设计理念就是结构紧凑、布局合理、强度符合设计要求。轴的结构设计应满足以下要求：（1）轴应便于加工，轴上零件应易于

26、安装、调整和拆卸(制造安装要求)；（2）轴的受力要合理，应力集中小；（3）轴上零件应定位准确、固定可靠；（4）轴的加工工艺性好。各轴的设计基本相同， 本节主要是针对主动轴和从动轴设计3.2.1 主动轴的设计根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：（1）由于主动轴的最小直径为，首先确定、和，由于金属带的传动半径，取段直径为，长度为，锥盘的顶圆宽度和的锥度确定；为了保证滚珠滑道结构的长度保证传动强度，取段为，。初步选择滚动轴承，因为主动轴上只承受径向力，而且整轴采用左侧完全定位，所以左侧选择0基本游隙组、标准精度级的深沟球轴承6207和6208，尺寸分别，并根据轴承相对机体留有一定的距离，所以取

27、。（2）轴上各零件周向定位方法的选择动锥盘与轴的周向定位采用滚子滑道结构进行联接。根据，选择滑道的长度为60mm，滚子直径为5mm，为了保证传动强度，采用三个滑道沿圆周均匀分布。（3）轴上倒角和圆角的尺寸，按照下表3.1进行选择：表3.1 零件倒角C和圆角半径R的推荐值 mm直径C或R1.21.62.02.53.0图3.2 主动轴设计原理图3.2.2从动轴的设计1、根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：由于从动轴的最小直径为，首先确定、和、，由于金属带的传动半径，取、段直径分别为、，长度为、，锥盘的顶圆宽度和的锥度确定；为了保证滚珠滑道结构的长度来保证传动强度，取段为。初步选择滚动轴承，因

28、为从动轴上既承受轴向力也承受径向力，而且整轴采用左侧完全定位，所以左侧选择两个0基本游隙组、标准精度级的圆锥滚子轴承32208反向安装，其尺寸为，并根据轴承相对机体留有一定的距离。右侧选择圆锥滚子轴承32207，其尺寸根据从动轴和中间轴的轴向相对安装尺寸进行调整，取段长度。对于段，；由同理装配轴承可知。2、轴上各零件周向定位方法的选择（1）动锥盘与轴的周向定位采用滚子滑道结构进行联接。根据，选择滑道的长度为50mm,滚子直径为5mm，为了保证传动强度，采用三个滑道沿圆周均匀分布。齿轮与轴的周向定位选择平键联接，一般8级精度以上的齿轮有定心精度要求应选择平键联结。由于齿轮不在轴端，故选择圆头平键

29、（A型）。根据从动轴，查得键的截面尺寸：宽度、高度，由于轮毂的宽度，参考键的长度系列，选取键长（比轮毂宽度小些）。（2）校核键联结的强度由于键、轴、齿轮的材料都是钢，由于无级变速器工作时几乎无冲击，载荷可定性为静载荷，查得许用挤压应力为，可取。键的工作长度，键与轮毂的接触深度为，所以 < （3.24）键的选择合适，标记为：键 GB/T1096-1979（3）轴上各处倒角和圆角的尺寸根据表3.1选择。（4）轴上各段的长度如图3.3图3.3 从动轴的设计原理图3.3轴和轴承的校核3.2.1轴的校核整体观察两根轴，由于安装尺寸的缘故，第二轴的轴承支撑点的跨度最大，而且，受力最复杂，汽车处于低速

30、工作时，第二轴受到的转矩也相当大，对第二轴的校核过程如下： (a) (b)图3.4 第二轴锥盘受力分析由前可以知道，由得，所以，金属带传动， （3.25）紧边拉力： ； （3.26）松边拉力： （3.27）平移到轴线上然后分解成竖直方向的分力和水平方向的分力，如图3.4b、从动轴的齿轮部分分解的力：切向力：， （3.28）径向力： （3.29）轴向力： （3.30）由于主动轴、从动轴夹角成，做弯扭合成图校核从动轴：水平面上： （3.31） （3.32），如图3.5b;垂直面上： （3.33） （3.34）如图3.5c:,弯矩和扭矩合成图如图3.5d、3.5e：可见1截面是危险截面，根据公式 （

31、3.35）式中参数：轴的计算应力，单位：；为折合系数，扭转减怯应力 循环变应力时，；M轴所受到的弯矩，单位：；T轴所受的扭矩，单位：；W轴的抗弯截面系数，单位为，（1截面处有键槽），d为轴的直径，b为轴上键槽的宽度，t为键槽的深度；图3.5弯扭合成图根据上面图3.5可以得到以下结论：对称循环应力时轴的许用弯曲应力，所以=70MPa，满足强度要求。3.3.2 轴承的校核轴承的校核，滚动轴承的正常失效形式是滚动体或者内外圈滚道上的点蚀破坏。这是在安装、润滑、维护良好的情况下，由于大量重复地承受变化的接触力所致。滚动轴承在工作时，滚动体或轴套的滚动表面反复受接触应力的作用，工作一段时间后，出现疲劳裂

32、缝并继续发展，使金属表层产生麻坑或片状剥落，造成疲劳点蚀。致使轴承不能正常工作。通常点蚀是滚动轴承的主要失效形式。因为汽车大多数工作在高速状态，所以校核轴承时应校核轴承工作在高速时的寿命。首先对差速器轴承进行校核：轴承效率由于第二根轴使用了圆锥滚子轴承，其效率、齿轮传递效率、金属带传动部分的效率，所以 （3.36） （3.37） （3.38）对于轴和轴上斜齿轮的受力分析：如图3.6： （3.39） （3.40） （3.41）图3.6 受力图垂直面内 （3.42） （3.43）水平面内 （3.45） （3.46）所以 （3.47）轴承2被压紧，所以， （3.48）轴承1的寿命计算 （3.49），

33、对于几乎无冲击的轴承取计算系数，所以 （3.50） （3.51）对于圆锥滚子轴承，查得， （3.52）3.4 箱体的结构设计箱体是减速器的重要组成部件。它是传动零件的基座，应具有足够的强度和刚度。通常用灰铸铁铸造，对于受冲击载荷的重型减速器也可采用铸钢箱体。汽车变速器箱体类铸铁件的平做平浇铸造工艺，克服了其立做立浇铸造工艺所存在的缺点，可以减少加工余量、提高铸件表面质量，优化浇注系统、冒口系统的设计，还可使该箱体类铸件型腔内金属液的温度梯度趋于正温度梯度分布的良性状况，有利于减少气孔、浇不足、冷隔类铸造缺陷。1、机体结构的选择对于轿车变速器来说，尤其是金属带式无级变速器，对变速传动的轴向定位要

34、求比较严格，要有很高的轴向定位精度，并且为了本设计的装备关系，本设计采用上一箱、下两箱的设计。2、机体要有足够的刚度机体刚度不够，工作过程中产生不允许的变形，引起轴承座孔中心线歪斜，在传动中产生偏载，影响减速器的正常工作。因此在设计机体时，首先应保证轴承座的刚度。为此应使轴承座有足够的壁厚，并在轴承座附近加支撑肋。3、应便于机体内零件的润滑、密封及散热 由于无级变速器的特殊性，金属带出动部分的动力传动并非靠，金属片和锥盘之间的金属摩擦传递动力，而是靠两者之间的压力油膜的拖动来传递动力的，这需要整个变速器腔体内充满油液，所以腔体内部各传动部件的润滑也是靠这种油液来进行的，所以在进行机体设计时没有

35、必要对润滑部分做特殊设计，不过要保证密封部分的制造精度。4、机体结构要有良好的工艺性 机体结构工艺性的好坏，对提高加工精度和装配质量、提高劳动生产率以及便于检修维护等方面有直接影响。设计铸造机体时，应考虑到铸造工艺特点，力求形状简单、壁厚均匀、过渡平缓、金属不要局部积聚。3.5 本章小结本章是本设计中最为重要的一章，其中包括了带传动、各个轴的设计，同时也对部分的轴和轴承进行了校核，在设计过程中不断修改完善金属带式无级变速器液压系统的各个部件6，使其更加合理，更加符合本设计的要求第4章 液压缸的设计与计算液压缸作为液压系统7中的执行元件，以直线往复运动或回转摆动的形式，将液压能转变为机械能输出。

36、液压缸结构简单，制造容易，用来实现直线往复运动尤其方便，其应用范围广泛。在设计液压缸时，首先应根据工作条件和液压缸在机构中所要执行的任务来选择液压缸的类型和结构，然后根据工作要求（输出的力、速度和行程）计算液压缸的结构尺寸，对液压缸进行强度计算。4.1油缸选型确定为了满足各种机械的不同用途，液压缸的种类繁多8。按供油方式可分为单作用缸和双作用缸。单作用缸仅作单向出力运动，靠外力使活塞杆返回。双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油，活塞的正反方向运动均靠液压力来完成。液压缸是液压系统中的执行元件，其形式多样，按照其结构特点可分为活塞式、柱塞式和摆动式按照作用方式分又可分为单作用和双作用两种。其中以双

37、作用活塞式液压缸应用最多。活塞式液压缸重量轻、结构简单、工作可靠、拆装方便，易于维修的特点，广泛适用于车辆、工程机械、起重运输机械、矿山机械及其它机械工业的液压传动系统中。柱塞式液压缸适用于行程较长的场合。摆动式液压缸加工工艺较复杂一般用于回转机构。由于本设计所设计的液压缸是无级变速器的液压缸所以与我们常见的液压缸结构上有所不同，但其工作原理与双作用单活塞液压缸的工作原理相似！如图4.1所示4.2液压缸主要尺寸的确定已知参数见表4-1参数表4-1 设计参数公称压力Mpa58公称流量L/min55液压缸行程L/(mm)12.59液压缸负载力F/(N)280474.2.1液压缸工作压力的确定液压缸

38、工作压力主要根据液压设备的类型确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可采用类比法来确定。如表4-2列出的数据，可供选定工作压力时参考。图4.1表4-2液压设备常用的工作压力设备类型机 床农业机械、小型工程机械工程、机械中的辅助机构压力机重型机械、起重运输机械船舶起货机大中型挖掘机磨床组合机床车、镗、铣床龙门刨床、拉床工作压力p/MPa0.82.03524<10101620324.2.2液压缸内径D按运动速度计算缸筒的内径D 当液压缸运动速度v有要求的时，可根据液压缸的流量q计算。对于无活塞杆腔，当运动速度为v1,进入液压缸的流量为q时 （4.1）

39、查机械设计手册，取无级变速器液压缸内缸径标准值为60 mm。4.2.3液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值D/10的圆筒称为薄壁圆筒。汽车和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 （4.2）式中 液压缸壁厚； D 液压缸的内径； 试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（MPa）；缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢：=110120 MPa；

40、9铸钢：=100110 MPa；钢管：=100110 MPa；高强度铸铁：=60 MPa；灰铸铁：=25 MPa。=1.516=24 MPa本设计的转向液压缸的材质是钢管，其=100110 MPa，所以选=110 MPa将Py、值代入（4. 2）式中，可求得5.45mm液压缸壁厚度算出后，即可求出缸体的外径为 （4. 3）将值代入（4.3）式中，可求得=129.35mm查机械设计手册10，取液压缸外径标准值为130mm。4.2.4液压缸工作行程的确定(1)液压缸工作行程的确定 （4 .4）式中工作时液压缸两铰接点最长距离工作时液压缸两铰接点的最短距离液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的

41、最大行程来确定，本设计的主要技术指标中给出液压缸行程是12.59mm。查液压系统设计手册，主要技术指标中给出液压缸行程13mm所以本设计的液压缸行程为13mm，为活塞行程S标准值。4.3液压缸的强度和刚度校核4.3.1钢筒壁厚的校核对中、低压液压系统，由于液压缸缸筒的壁厚由结构工艺来决定，强度一般是足够的，不必校核。在高压系统中，若1时为厚壁，按薄壁公式校核缸筒最薄处的壁厚，即 （4. 5）式中 缸筒壁厚； D 缸筒内径； 缸筒试验压力，液压缸的额定压力 16 MPa时的=1.5，额定压力>16MPa的=1.25； 缸筒材料许用应力12，=，为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5。

42、 D/<时为厚壁，按材料力学中壁厚公式进行校核，即 （4. 6）由于D=60mm，=5.45mm，所以1。按薄壁公式校核缸筒最薄处的壁厚，即（4. 6）公式。因为16 MPa的=1.5，所以=24MPa。=1.33 MPa=0.226 MPa。将、D值代入（4. 5）式中，可求得=4.26mm 取=5mm因为=5mm<5.45mm,所以缸筒壁厚满足强度要求。缸筒材料多为钢管，其外径无需加工，算出的壁厚一般要根据无缝钢管标准或有关标准向大尺寸方向作适当的圆整。4.4液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、密封装置、缓冲装置、排气

43、装置、及液压缸的安装连接结构等9。由于工作条件不同、结构形式也各部相同。设计时根据具体情况进行选择。4.4.1缸体与缸盖的连接形式（1）缸体与缸盖的连接形式缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。表4-3为常见的缸盖连接形式。因为设计的液压缸安装到变速器内，所以要考虑径向尺寸、重量、成本、强度等因素，因此所设计的液压缸缸体与缸盖的连接形式为法兰连接4.4.2密封装置密封装置11的作用是防止液体泄露或污染杂质从外部侵入液压传动系统，密封装置应满足以下4点要求。（1）在工作压力下具有良好的密封性能，并随着压力的增大能自动提高密封性能。（2）密封装置对运动零件的摩擦阻力要小，并且摩擦阻力稳定。（3）耐磨性好，工作寿命长。（4）制造简单，便于安装和维修。本设计采用接触密封，选用O形密封圈保证油液清洁及减少磨损，在端盖外侧增加防尘圈。4.4.3液压缸的缓冲装置液压缸带动工作部件运动时，因为运动件的质量较大，运动速度较高，则在到达行程 终点时，会产生液压冲击。为防止这种现象的发生，在行程末端设置缓冲装置。现介绍几种常见的缓冲结构。（1）环状间隙式节流缓冲装置12适用于运动惯性不大、运动速度不高的液压系统。表4-3液压缸缸体与缸盖的连接形式连接方式优 缺 点连接方式优 缺 点法兰连接优点：（1）结构简单、成本低（2）容易加工、便于装拆（3）强度较大、能承受高压缺