JZS125-360度齿轮齿条摆动液压缸毕业设计说明书

毕业论文(设计)题目名称：JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计题目类型：毕业设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

目录长江大学毕业论文(设计)任务书 I长江大学毕业设计开题报告 IV长江大学毕业设计指导教师评审意见 XVIII长江大学毕业设计评阅教师评语 XIX长江大学毕业设计答辩记录及成绩评定 XX中文摘要 1外文摘要 21前言 31.1选题的意义 31.2齿轮齿条摆动液压缸的研究现状和发展方向 31.3本文的研究内容 42摆动缸结构方案确定 42.1缸体 52.1.1缸体与外部的连接 52.1.2缸体的材料 52.1.3缸体的技术要求 62.2.缸盖 62.2.1缸盖的连接 62.2.2缸盖的材料 62.2.3缸盖的技术要求 72.3缸筒 72.3.1缸筒的连接 72.3.2缸筒的材料 72.4.活塞 82.4.1活塞的安装要求 82.4.2活塞结构形式 82.4.3活塞的密封形式 92.4.4活塞的材料 102.4.5活塞的技术要求 112.5活塞杆 112.5.1活塞杆结构图（图4） 112.5.2活塞杆的材料 122.5.3活塞杆的技术要求 122.6活塞杆的导向、密封和防尘 122.6.1导向套 122.6.2活塞杆的密封与防尘 132.7液压缸的缓冲装置 152.8液压缸的排气装置 172.9密封结构设计 192.9.1密封的主要形式 192.9.2密封件的选用 22(1)O形密封圈的选用 22(2)动密封部位密封圈的选用 223几何参数的计算及结构设计 233.1齿轮齿条传动及齿轮轴的设计 233.1.1选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 243.1.2按齿轮接触强度设计 243.1.3.按齿根弯曲强度设计 263.1.4.几何尺寸计算 273.1.5轮齿的受力分析 293.1.6.齿轮轴的强度校核计算 293.2液压缸主要几何尺寸及结构尺寸的计算 303.2.1液压缸工作压力的确定 303.2.2液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 303.2.3液压缸壁厚和外径的计算 313.2.4.液压缸工作行程的确定。 323.2.5缸盖厚度的确定 333.2.6最小导向长度的确定 333.2.7缸体长度的确定 344三维造型设计及Ansys分析 354.1三维模型设计 354.2摆动缸主要零件Ansys-Workbench分析 394.2.1齿轮轴的Ansys-Workbench分析 394.2.2齿条的Ansys-Workbench分析 474.2.3缸体的Ansys-Workbench分析 545总结 60参考文献 61致谢 63附录 64长江大学毕业论文任务书IIII长江大学毕业论文(设计)任务书学院（系）机械工程学院专业机械设计制造及其自动化班级机械10905学生姓名夏远志指导教师/职称1．毕业论文(设计)题目：JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计2．毕业论文(设计)起止时间：2013年43．毕业论文(设计)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）原始数据：（1）额定扭矩12000Nm；（2）摆动角度0-360°；（3）液压源额定压力16MPa。推荐参考资料：（1）机械设计手册编委会.机械设计手册第3版.北京：机械工业出版社，2004.08.（2）雷天觉.新编液压工程手册.北京：北京理工大学出版社，1998.12.（3）周海强,陈道良．摆动液压缸内部结构改进设计[J]．液压气动与密封，2007，(06).（4）李良福．国外机床用的几种液压缸[J]．流体传动与控制，2006，(06).（5）王枭．齿轮齿条摆动液压缸[P]．中国专利，200620090071，2007.5.（6）韶关市伟光液压油缸有限公司．齿轮齿条液压缸[P]．中国专利，200520055246，2006.4.（7）刘衡．液压缸的技术发展[J]．液压气动与密封，2004，(03).4．毕业论文(设计)应完成的主要内容（1）齿轮齿条液压摆动缸的概况；（2）齿轮齿条液压摆动缸结构方案；（3）齿轮齿条液压摆动缸基本参数的设计计算；II（4）齿轮齿条液压摆动缸结构设计；（5）强度校核及部分零件Ansys有限元分析。5．毕业论文（设计）的目标及具体要求（1）在完成开题报告过程中需阅读较充分的参考资料，基本了解本设计领域的发展状况和趋势，明确完成毕业设计的思路，并做出可行的计划安排；（2）译文原文应来自于英文学术期刊，文句通顺，译意基本正确，译文不少于3千字；（3）毕业设计说明书正文字数不少于1.2万字或1.2万字篇幅；（4）全部采用计算机绘图：装配图1张；零件图5张。6．完成毕业论文（设计）所需的条件及上机时数要求（1）机械设计手册、液压工程手册和相关文献资料；（2）自学Ansys有限元分析软件；（3）不少于250机时的上机条件。III长江大学毕业设计开题报告题目名称JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计院（系）机械工程学院专业班级机械10905班学生姓名夏远志指导教师辅导教师开题报告日期2013年4月开题报告IV开题报告长江大学毕业设计开题报告JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计学生：夏远志机械工程学院1题目来源该题目来自于生产社会实际2研究目的和意义近年来，随着制造设备、加工工艺、材料等的技术发展，特别是电子技术、测量技术的飞速发展，液压技术在高压化、大流量、高可控性、高响应、对环境的适应性，以及节能等方面得到了快速发展，满足了用户对液压技术提出的越来越高的要求。传统叶片式摆动缸的摆角受限，齿轮齿条摆动液压缸由于齿轮轴的摆动角度与齿条的长度成正比，因次齿轮轴的摆角可以任意选择，并能大于，而且可以输出大扭矩。齿轮齿条摆动缸广泛用于钢铁、轻工、军事、环保、水电等领域，如炼钢厂中包倾翻摆动缸、高线厂回转臂摆动缸、军舰减摇摆动缸、清扫车用摆动缸、阀门开启摆动缸等。通过本次毕业设计，可以对我们进行综合的工程设计训练，综合检验所学的基本理论和专业知识，锻炼实际动手能力和解决问题的能力。3阅读的主要参考文献及资料名称[1]濮良刚，纪名刚.机械设计（第7版）.北京：高等教育出版社，2001.[2]机械设计手册编委会.机械设计手册(第三版)[M].北京：计息工业出版社，2004.8.[3]陈立周.机械优化设计[M].上海:上海科学出版社,1982.开题报告V[4]汪凯，涂国芳.机械原理计算机辅助设计[M].广州：华南理工大学出版社，1989.[5]刘延俊.液压与气压传动[M].第2版，机械工业出版社.[6]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京理工大学出版社.[7]成大先.机械设计手册[M].化工工业出版社.[8]王枭．齿轮齿条摆动液压缸［P］．中国专利，200620090071，2007.05[9]韶关市伟光液压油缸有限公司．齿轮齿条液压缸［P］．中国专利，200520055246，2006.04[10]李良福．国外动力液压缸的发展状况［J］．机械工程师，2002，(09).[11]李良福．国外机床用的几种液压缸［J］．流体传动与控制，2006，(06).[12]刘衡．液压缸的技术发展［J］．液压气动与密封，2004，(03).[13]孙时建,田敬刚,石明．液压缸结构设计探讨［J］．山东冶金，2001，(03).［14］[14]吴美红．液压缸主件的设计要点［J］．闽西职业大学学，2002，(03).[15]贾培起．液压缸的技术发展趋势和标准化［J］．液压与气动，1981，(03).[16]刘国民，黄海东．摆动液压缸机构设计的一种新方法［J］．工程机械，1998，(01).[17]曾励,陈芳,张剑芳．新型摆动液压马达的研究［J］．现代机械，1993，(03).[18]周海强,陈道良．摆动液压缸内部结构改进设计［J］．液压气动与密封，2007，(06).[19]Swingingtypehydrauliccylinderforgearandrack[20]RoyGBaggerlyPhDPE,RandyKKentPE.FAILUREOFASWINGBRIDGEHYDRAULICCYLINDER.2002．[21]W.Torbacki*SzczecinUniversityofTechnology,Al.Piastow41,71-065Szczecin,Poland.Numericalstrengthandfatigueanalysisinapplicationtohydrauliccylinders[22]TakahiroKOSAKIandManabuSANO，HiroshimaCityUniversity，DepartmentofComputerScience，3-4-1,Ozuka-higashi,Asaminami-ku，Hiroshima,731-3194Japan.ANANALYTICALANDEXPERIMENTALSTUDYOFCHAOTICOSCILLATIONINAPNEUMATICCYLINDER[23]D.Rockwell,M.OzgorenandN.Saelim,DepartmentofMechanicalEngineeringandMechanics,354PackardLaboratory,19MemorialDriveWest,LehighUniversity,Bethlehem,PA18015.JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计开题报告第20页共91页第1页共88页开题报告 VI4摆动液压缸种类及结构特点4.1常见摆动液压缸种类4.1.1双螺旋式结构液压摆动油缸是一个装配紧密的配件，它在很小的空间里运用液压集合了非常高的扭矩。它内部采用组合螺旋齿结构（图1），整个摆动缸在较小的空间内可作出较大的扭矩。尽管动力很高但是他们仍然可以精确容易地控制，HKS摆动缸已经成功地应用在了几乎所有要求有限旋转运动且要大扭矩的领域。为了达到有效可靠的功能，就需要有高制造精度。缸内部被完好的保护起来可以完全防尘防污防潮。这一精度伴随着结实密封良好的外壳，可以让缸承受达350巴的工作压力。摆动缸也可以用于非常恶劣的条件下，地下及海平面2300米以下的地方。举一个例子，在俄罗斯原子能潜艇“Kursk”号打捞期间使用了224个摆动缸从而将其举出海平面，即此促使海难救援安全执行。摆动缸甚至被运用到了要求高清洁度和卫生保健的药品和食品加工工业。最强大的HKS摆动缸可将20辆大众Golf轿车从一边转到另一边。这一设计是建立在带有多重螺旋齿轮的系统之上的。通过多重螺旋齿轮将活塞的直线运动转化成旋转运动。活塞的直线运动越长，旋转的角度就越大。DA系主要特点：内部采用螺旋结构，外型尺寸小，输出扭矩大。18种系列尺寸，最高扭矩至250,000Nm。标准工作压力21Mpa，最大至32Mpa。每个系列尺寸都有4种转角:90°,180°,270°和360°。 VII图1.撼神北京液压摆动油缸摆动精度，回转间隙可降低至10分。最大可实现摆动角度1500度的螺旋摆动缸。双平键驱动轴或花键轴（DIN5480）。驱动轴上的双重密封。4.1.2叶片式结构叶片式摆动液压马达（图2）的特征就是它内部一段固定的装置，也就是所谓的叶片。一个叶片段牢牢地固定在外壳上，活塞部分则牢牢地固定在驱动轴上。叶片式摆动缸设计上非常紧凑。尽管如此，它的最大旋转角度仍可达到270度。叶片式摆动缸经常用于伺服回转台。图2.撼神北京液压摆动油缸4.1.3常见齿轮齿条摆动液压缸种类齿轮齿条摆动液压缸有单齿条（图3）和双齿条两种结构（图4）,每种结构都有法兰式和底脚式两种安装方式,与负载的联接方式又可分为外轴和内孔两种,这样就形成了八个不同的结构形式,每种形式又有Φ40~Φ200mm十种不同的缸径,同一种缸径又有0°~90°、0°~180°、0°~270°、0°~360°四种标准摆动角度。由此共组成320个不同的型号产品。用户如有特殊要求，商家可提供0°~270°范围内任意摆角和两端外轴、两端内孔或一段外轴另一端内孔等特殊联接方式的产品。 VIII图3.单齿式齿轮齿条摆动液压缸图4.双齿式齿轮齿条摆动液压缸齿轮齿条摆动缸是通过压力介质加载在齿条活塞上以获得动力，并通过与其啮合的齿轮执行摆动运动，此形式极适合于传递大的扭矩。如果传递完全相同的运动和扭矩，齿轮齿条摆动缸所占用的空间与旋转叶片摆动缸相比就要大多了。在实践使用中，对摆动液压缸所提出的各种高要求，不仅仅体现于对各参数如效率、摆动角度、几何尺寸等的严格要求，而且体现于为适应现代技术发展而不断改进的功能性细节。为了输出更大的扭矩，就必须要采用体积相较摆动式.叶片式马达.大很多的齿轮齿条摆动液压缸。扭矩生成和传输是靠一个位于带有齿条的驱动轴横向位置的齿X IX轮活塞实现的。根据设计，滚柱轴承液压平衡起或支撑起齿轮齿和活塞的反作用产生的剪力。此摆动缸的原理是将液压缸的往复运动通过齿条带动齿轮，转化成齿轮轴的正反向摆动旋转，同时将往复缸的推力转化成齿轮轴的输出扭矩。由于齿轮轴的摆动角度与齿条的长度成正比，因此齿轮轴的摆角可以任意选择，并能大于360°。ASB缸有法兰式和脚架式两种安装方式；有单齿条、双齿两种结构型式。可组合成8个系列，每个系列由10种缸径组成10种型号。ASB缸由于具有特殊的结构形式：特种材质和先进的加工工艺；选用高性能进口密封，因此启动压力低，机械效率高，无内外泄漏和无故障周期特别长。ASB缸的额定压力：16MPa，启动压力≤1.5MPa，工作温度－50℃～＋260℃。当工作温度高于100℃时，选型时应填写高温标识。ASB缸的输出扭矩与工作压力成正比。输出扭矩的计算见ASB缸参数表。ASB缸的轴和孔两种输出方式都采用双平键结构。样本视图上标识的双平键位置是在摆角的中间位置上，即在此位置的双平键轴（或孔）可左右各转动二分之一摆角。在选用双齿条孔输出形式时，请注意校核您的配合轴的扭转强度。ASB缸适用于各种矿物油工作介质。如选用乳化液、水乙二醇、磷酸酯等非矿物油工作介质时，请注意标识。其它介质在订货时用文字说明。ASB缸一般无需维修。每使用一年可打开泄油堵，注入适量润滑油。经长期使用，打开泄油堵发现有工作介质流出时，可在泄油孔接上回油管将泄漏油引回油箱，继续使用，直至输出扭矩不能满足使用要求时再更换密封和维修。4.2齿轮齿条摆动液压缸的现状液压缸因具有结构简单、工艺适应性强、环境污染小等其他设备不可替代的性能特点，被广泛应用于汽车制造、航空航天、国防、电力电子、塑料、机械、冶金和轻工等国民经济的各个领域。然而，在国内，液压缸这一块的市场制高点一直被发达国家占据，生产的液压缸大多是比较通用的普通缸，能够获得的产品附加值普遍不高。而且，由于整体技术上的落后，和国外的同等缸比起来，市场竞争力要弱。特别是密封问题，一直是国产液压缸最令人头痛的。据不完全统计，目前我国以液压缸为主要产品的设计部门和生产厂已达百家之多，但CAD的应用情况却令人失望。液压缸设计与制造业的整体技术水平远远落后于工业发达国家，使国际市场的激烈竞争和我国落后的设计水平这一矛盾日趋尖锐。4.2.1齿轮齿条摆动液压缸的型号说明齿轮齿条摆动液压缸的型号很多，现在以下面的SCBFZS180×360HWRA为例进行说明：SCBFZS180×360HWRAeq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)eq\o\ac(○,7)eq\o\ac(○,8)eq\o\ac(○,9)eq\o\ac(○,10)eq\o\ac(○,1)四方齿轮齿条摆动缸eq\o\ac(○,2)法兰式——F脚底式——Jeq\o\ac(○,3)轴输出——Z孔输出——Keq\o\ac(○,4)单齿条——D双齿条——Seq\o\ac(○,5)缸径：40506380100125140160180200eq\o\ac(○,6)摆角：0°~90°、0°~180°、0°~270°、0°~360°eq\o\ac(○,7)带缓冲——Heq\o\ac(○,8)工作介质：无——液压油W——水—乙二醇，高水基eq\o\ac(○,9)工作温度：无——-30~+100℃R——-200~+260℃eq\o\ac(○,10)额定压力：A——-0~6.3MPaB——6.3~16MPa4.2.2齿轮齿条摆动液压缸的性能参数及结构特点XII XI图5.单齿式齿轮齿条摆动液压缸结构简图液压系统中,只有当负载作摆动运动时才选用摆动液压缸作为执行元件.从这个意义上讲,摆动液压缸是一种专用液压件。因此，其型号、规格、和生产厂家都没有通用液压件那样多。设计师选用时往往会碰到困难，下面介绍选用时应考虑的因素：（1）摆角的大小液压摆动缸的摆角一般是不能调整的。当它的输出轴直接和负载紧固时，最大摆角与负载所需的的最大摆角角度相等。特殊情况下，可选择摆角大的摆动液压缸。在其外部装上行程开关，负载所需的摆角由两只行程开关的位置设定。或者在缸体内部止挡上加装经过周密计算过的限位块，限制摆动液压缸的摆角。但此种不得已的办法最好让生产厂区做，以避免装拆摆动液压缸时引起诸如外泄露等弊病出现。目前，可供产品的摆动液压缸的最大摆角，叶片式的为304°，活塞式为720°。若把叶片式串联使用，也能得到更大的摆角。但那样做轴向尺寸会增加，并且安装复杂，费用也多。（2）输出转矩和工作压力大小当摆动液压缸的结构尺寸决定后，其输出转矩只取决于工作压力和它的机械效率。选择摆动液压缸的输出转矩略大于负载所需的转矩是无疑的。但要注意这里所指的负载转矩要包括三部分，即负载摩擦力矩、负载重量引起的转矩和使负载获得必要的角加速度所需的转矩。否则，负载有可能不转或虽转但达不到应有的转速。有些摆动液压缸，由于结构的原因，输出轴上会受到侧向力。此时，应在安装联接方式上采取措施，使输出轴尽可能不承受附加的侧向力。为提高摆动液压缸的使用寿命，实际选用时，摆动液压缸的额定输出转矩可比负载所需大20%左右。目前，叶片式摆动液压缸最大工作压力可达25MPa，活塞式则可达32MPa。选用时，系统工作压力若小于摆动液压缸的工作压力，则除了减小摆动液压缸的部分输出转矩外，对摆动液压缸的使用只会产生有利的影响。反之，当系统工作压力大于摆动液压缸的工作压力时，可在摆动液压缸前面加装一个减压阀，把系统工作压力降到摆动液压缸的工作压力。这样，只要输出转矩能满足负载要求，工作压力较低的摆动液压缸照样能在中高压系统中应用，实践也证明它是可行的。（3）启用压力和内泄漏大小摆动液压缸的启用压力和内泄漏大小主要是与其运动部位的密封紧密质量有关。运动部位密封的紧一些，可减少内泄漏。但启动压力也往往增加了。这是一个在实践中不易解决的矛盾。所以，对于一个高质量的摆动液压缸，应当做到启动压力低而内泄漏也尽可能小。这除了要求工作腔具有严格的工作尺寸和形位公差外，工作腔的表面粗糙度和密封形式、密封材质及密封件的压缩量等也应有相当高的要求，摆动液压缸应用在-一般液压系统中时，因为启动压山和工作压力相比往往很小．不会对输出转矩产生很大影响。内泄漏造成的系统流量损失与摆动液压缸的排量相比通常也很小。因此，它们不必成为选择摆动豫压缸的丰要考虑因素。但当摆动液压缸应用在动态品质要求高的电液何服系统或负载有较高的低速平稳性要求的系统中时，就必须对其启动压力和内泄漏指标加以重视。因为它们会对伺服系统的动态品质造成不良影响。尤其是内泄漏的增加会造成流量从排油腔逸走，使负载的速度减小。内泄漏也常会瞬时改变而引起压力的变化，造成不希望的转矩变化产生不需要的负载加速度。研究表明，内泄漏的变化是影响负载低速稳定性的决定性因素。尤其在负载大时，甚至会使摆动液压缸产生爬行。囝25.4-6的结构形式具有较好的低速平稳性，用于电液伺服系统中性能良好。无锡第721厂水声中心生产的YMl.43-304和YM3.7-304型单叶片摆动液压缸就是按图25.4-6的结构形 XIII式设计的产品。(4)缓冲与止动摆动液压缸的摆动速度通常较低。当负载不大时，叶片转动到极限位置碰到止挡产生的冲击力缸体自身能够承受，无需另设缓冲或止动装置。但当负载大、转速高时，惯性力会使止挡损坏。此时，就必须考虑采取缓冲和止动措施。缓冲机构可设计在缸体内部，如YMD型和YMS型叶片式摆动液压缸。当高压、高速造成的冲击力很大的时候，可在摆动液压缸的外部采用减速回路，装流量阀或在进出油口处设置小型溢流阀或顺序阀，管路中装蓄能嚣等等办法来消除惯性力和液压力的冲击。必要时，才另装机械止动装置迫使负载止动。4.2.3齿轮齿条摆动液压缸驱动方式齿轮齿条摆动液压缸是通过液压驱动齿条,然后齿条带动齿轮生成扭矩，扭矩生成和传输是靠一个位于带有齿条的驱动轴横向位置的齿轮活塞实现的。根据设计，滚柱轴承液压平衡起或支撑起齿轮齿和活塞的反作用产生的剪力。摆动缸的原理是将液压缸的往复运动通过齿条带动齿轮，转化成齿轮轴的正反向摆动旋转，同时将往复缸的推力转化成齿轮轴的输出扭矩。由于齿轮轴的摆动角度与齿条的长度成正比，因此齿轮轴的摆角可以任意选择，并能大于360º。4.2.4齿轮齿条摆动液压缸的设计新方法

近十几年来，虽然在某些有条件的设计院所，对液压缸的关键零部件也能作一些有限元结构分析，但是由于设计手段落后，这些分析结果在设计中未能起到应有的作用。所以，液压缸本体设计中的强度、刚度以及整体工作性能分析，仍然是以材料力学为依据，甚至仅凭经验和直觉。用材料力学解决这样复杂的实际问题，不得不把空间问题简化为平面问题，这样就极大地偏离了实际情况。为此，人们不得不把材料的许用强度降低，以牺牲结构的合理性来换取结构的安全性。由于科技含量相对低，所以与日本同类产品比较，就显得结构庞大、笨重，同样能力的设备，其重量一般都要高出10％～20％。且其成本竞争力也完全处于劣势。4.3.齿轮齿条摆动液压缸研究的主攻方向及发展趋势 XIV4.3.1研究的主攻方向齿轮齿条摆动液压缸研究的主攻方向是提升计算机辅助技术应用水平，计算机辅助设计主要内容包括CAD计算机辅助设计、CAM辅助制造技术、CIMS集成制造系统、自动监控、自动调节工况、变频技术应用、故障诊断分析等。通过计算机技术进行产品的研究开发、设计、加工制造、试验、使用等，可以提高产品的设计速度和加工水平，满足用户的要求。将计算机辅助设计技术应用于齿轮齿条摆动液压缸设计，将提升齿轮齿条摆动液压缸设计的科学性和制造的自动化水平。随着科学技术的发展，打破常规,引入新的理念进行设计,以人为本，设计首先考虑安全可靠，其次是操作省力、简便，再者是外观；采用新材料开发齿轮齿条摆动液压缸产品，使齿轮齿条摆动液压缸产品在性能及特殊用途上达到突破；探索新技术、新结构、新工艺、新材料、新标准等，研制高技术含量、高参数、耐强腐蚀、高寿命的齿轮齿条摆动液压缸产品。4.3.2研究的发展趋势随着科技迅猛发展，市场对齿轮齿条摆动液压缸提出了更多要求，如提升工作效率、提高产品稳定性、节能环保性、延长使用寿命、控制/监测的自动化和智能化等。企业必须提高自主创新能力，更好、更快地转化科技成果，进行技术升级，并赋予产品更高的技术附加值，才能在市场竞争中立稳脚跟。目前，行业发展呈现以下特点：（1）节能化中国是世界上单位产值能耗最高的国家之一，能源利用效率比先进国家约低l0％左右，以能源经济效率指标来衡量，单位产品能耗比发达国家高20％～80％，节能是中国能源战略和政策的核心。齿轮齿条摆动液压缸作为执行元件，又属于摩擦件，在整个液压系统节能上起到关键作用，因此开发节能型、轻量化、小型化齿轮齿条摆动液压缸产品是行业发展的必然趋势。

（2）环保型目前，齿轮齿条摆动液压缸的传导介质均为液压油，液压油在使用过程中无法避免泄漏和挥发，对环境会造成一定影响。因此，开发新型水介质或混合介质液压缸将成为未来的发展方向。

（3）

新材料、新技术随着整机厂对产品寿命、性能和稳定性方面的要求越来越高，齿轮齿条摆动液压缸新材料和新技术方面的研究受到广泛关注。目前，齿轮 XV齿条摆动液压缸的材料主要是钢材，今后要向合金钢、铝合金、陶瓷以及合成有机高分子材料等方向发展。5主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路5.1设计应完成的主要内容（1）齿轮齿条液压摆动缸的概况；（2）齿轮齿条液压摆动缸结构方案；（3）齿轮齿条液压摆动缸基本参数的设计计算；（4）齿轮齿条液压摆动缸结构设计；（5）强度校核及部分零件ANSYS有限元分析。5.2重点研究的关键问题及解决思路5.2.1重点研究的关键问题（1）按照设计要求中齿轮齿条液压摆动缸的性能，合理地确定基本结构参数。（2）齿轮齿条液压摆动缸结构强度设计与校核。（3）齿轮齿条液压摆动缸密封，缓冲，稳定性等问题的解决。5.2.2解决思路（1）结合液压缸与齿轮齿条传动的设计方法，计算并优选满足性能要求的基本参数，并参照《液压工程手册》进行对比。（2）采用理论计算与有限元分析（ANSYS）结合来设计齿轮齿条液压摆动缸结构强度并校核。（3）按照液压缸的密封缓冲，稳定性的设计原则并参照已有的产品结构进行设计或选型。6完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决的方法6.1原始数据： XVI（1）额定扭矩12000Nm；(2）摆动角度0-360°； (3）液压源额定压力16MPa。6.2推荐参考资料：（1）机械设计手册编委会.机械设计手册第3版.北京：机械工业出版社，2004.08.（2）雷天觉.新编液压工程手册.北京：北京理工大学出版社，1998.12.（3）周海强,陈道良．摆动液压缸内部结构改进设计[J]．液压气动与密封，2007，(06).（4）李良福．国外机床用的几种液压缸[J]．流体传动与控制，2006，(06).（5）王枭．齿轮齿条摆动液压缸[P]．中国专利，200620090071，2007.5.（6）韶关市伟光液压油缸有限公司．齿轮齿条液压缸[P]．中国专利，200520055246，2006.4.（7）刘衡．液压缸的技术发展[J]．液压气动与密封，2004，(03).6.3完成以上论文题目的条件：ANSYS软件，PRO/E软件，CAD/软件，OFFICE软件，新编液压工程手册,机械设计手册6.4完成以上论文题目的必要准备:结合本次毕业论文题目JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计及有限元分析，首先我们要对摆动液压缸，齿轮齿条的相关知识进行了解，包括其原理，构造；其次我们要复习我们所学过的机械原理，机械设计，液压与气压传动等基础专业课，打牢基础知识；再者，我们要加强学习CAD,Pro-E,ANSYS等软件，熟悉掌握计算机绘图技能及有限元能力，利用电脑辅助我们进行设计和检验。7工作的主要阶段、进度与时间安排第5周-第6周：收集资料，并翻译一篇不少于3000字的外文资料，阅读文献并 XVII完成开题报告。第7周-第8周：进行齿轮齿条摆动液压缸的理论分析计算。第9周-第10周：进行齿轮齿条摆动液压缸的结构设计并进行结构强度计算。第11周-第12周：绘制齿轮齿条摆动液压缸装配图及主要零件图。第13周-第14周：齿轮齿条摆动液压缸主要零件的ANSYS分析。第15周：撰写毕业论文说明书。第16周：制作毕业答辩PPT，完善论文，打印论文并准备答辩。8指导教师审查意见长江大学毕业设计评阅教师评语XIX长江大学毕业设计指导教师评审意见 XVIII长江大学毕业设计指导教师评审意见学生姓名夏远志专业班级机械10905班毕业论文(设计)题目JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计指导教师职称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见：指导教师签名：评定成绩（百分制）：_______分

长江大学毕业设计评阅教师评语学生姓名夏远志专业班级机械10905班毕业论文(设计)题目JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计评阅教师职称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名：评定成绩（百分制）：_______分中文摘要第1页共66页长江大学毕业设计答辩记录及成绩评定 XX长江大学毕业设计答辩记录及成绩评定学生姓名夏远志专业班级机械10905班毕业论文(设计)题目JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计答辩时间年月日～时答辩地点实训训中心一楼一、答辩小组组成答辩小组组长：成员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_______分毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_______答辩小组组长(签名)：秘书(签名)：年月日中文摘要JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸的设计学生：夏远志，机械工程学院指导老师：【摘要】JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸，属新型机械设备领域中的液压执行元件，该设备由缸体、缸盖、齿条、齿轮轴、轴承等组成。在缸筒内对称装有活塞，与缸筒端面中心以螺纹连接与齿轮轴相啮合的齿条轴，齿条轴装在缸体内，启动液压传动，活塞就左、右推动齿条使齿轮轴往复摆动。将液压缸的往复运动通过齿条带动齿轮，转化成齿轮轴的正反向摆动旋转，同时将往复缸的推力转化成齿轮轴的输出扭矩。由于齿轮轴的摆动角度与齿条的长度成正比，因此齿轮轴的摆角可以任意选择，并能大于360°。摆动液压缸最突出的优点是无需任何变速机构就可使负载直接获得往复摆动运动。本设计采用脚底式连接，轴输出，双齿条机构，540°大摆角。通过总体结构方案确定，几何参数的计算及结构设计以及连接方式、密封件的选型和缓冲装置、排气装置的设计。此外，这次设计还进行了液压缸三维造型设计，通过绘制整体三维模型和其他局部模型，进一步提高了对此类摆动液压缸的认识。最后，对所设计的摆动液压缸进行了Ansys分析，对主要受载零件进行强度分析和校核，对其进行了优化分析。【关键词】摆动液压缸齿轮轴设计计算Ansys有限元分析JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计第2页共66页外文摘要TheDesignoftheJZSGearandRackSwingingHydraulicCylinderStudent:XiaYuanZhi,SchoolofMechanicalEngineeringTutor:【Abstract】TheJZSGearandRackSwinginghydrauliccylinder,isthehydraulicactuatorinthenewmechanicaldevicedomain.Thisequipmentisconsistedofthecylinderblock,cylinderhead,rack,gearshafts,bearingsandothercomponents.Thepistonissymmetricallylocatedinthecylindertube,withthecylindertubeendsurfacecentertherackaxiswhichmeshesbythescrewjointandthegearshaft,therackaxisinstallsinthecylinderbody,startthehydraulictransmission,thepistonimpetustherackswingingontheleftandrightandcausesgearshaftreciprocation..Drivesthegearhydrauliccylinder'sreciprocalmotionthroughtherack,transformspermanenttoothwheelaxle'sforwardandreverseswingingrevolving,simultaneouslywillmovebackandforthcylinder'sthrustforcetransformationpermanenttoothwheelaxle'soutputtorque.Becausegearshaft'sswingingangleandrack'slengthisproportional,thereforegearshaft'spivotanglemaythearbitraryselection,andcanbebiggerthan360°.Theswinginghydrauliccylindermostprominentmeritdoesnotneedanygearshiftmechanismtobepossibletocausetheloadtoobtainthereciprocationoscillatingmotiondirectly.Thisdesignusesthefoot-typeconnection,theaxisoutput,thedoublerackorganizationand540°thegreatpivotangle,determinedthroughthegrossstructureplan,geometricparameter'scomputationandthestructuraldesignaswellastheconnectionmode,thesealshapingandthebuffermechanism,airexhaustdevice'sdesign.Inaddition,thisdesignalsoconductedthree-dimensionalmodeling前言第3页共66页ofhydrauliccylinderdesign,andwecanfurtherincreaseitsawarenessofsuchoscillatingcylinderbydrawingtheoverallthree-dimensionalmodeandotherlocalmodels.Finally,wedoAnsysanalysisforthehydrauliccylinderswedesigned,andanalysisandcheckingmainstrengthoftheforcecomponentssothattofurtheroptimizetheanalysis.【Keywords】swinginghydrauliccylinder,Gearshaft,Foot-typeconnectionFiniteElementAnalysis1前言1.1选题的意义[11]近年来，随着制造设备、加工工艺、材料等的技术发展，特别是电子技术、测量技术的飞速发展，液压技术在高压化、大流量、高可控性、高响应、对环境的适应性，以及节能等方面得到了快速发展，满足了用户对液压技术提出的越来越高的要求。传统叶片式摆动缸的摆角受限，齿轮齿条摆动液压缸由于齿轮轴的摆动角度与齿条的长度成正比，因次齿轮轴的摆角可以任意选择，并能大于，而且可以输出大扭矩。齿轮齿条摆动缸广泛用于钢铁、轻工、军事、环保、水电等领域，如炼钢厂中包倾翻摆动缸、高线厂回转臂摆动缸、军舰减摇摆动缸、清扫车用摆动缸、阀门开启摆动缸等。通过本次毕业设计，可以对我们进行综合的工程设计训练，综合检验所学的基本理论和专业知识，锻炼实际动手能力和解决问题的能力。1.2齿轮齿条摆动液压缸的研究现状和发展方向[11]JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计第4页共66页在国内，液压缸这一块的市场制高点一直被发达国家占据，生产的液压缸大多是比较通用的普通缸，能够获得的产品附加值普遍不高。而且，由于整体技术上的落后，和国外的同等缸比起来，市场竞争力要弱。特别是密封问题，一直是国产液压缸最令人头痛的。但是,随着科学技术的发展，打破常规,引入新的理念进行设计,以人为本，设计首先考虑安全可靠，其次是操作省力、简便，再者是外观；采用新材料开发齿轮齿条摆动液压缸产品，使齿轮齿条摆动液压缸产品在性能及特殊用途上达到突破；探索新技术、新结构、新工艺、新材料、新标准等，研制高技术含量、高参数、耐强腐蚀、高寿命的齿轮齿条摆动液压缸产品。1.3本文的研究内容主要研究内容：（1）齿轮齿条液压摆动缸的概况；（2）齿轮齿条液压摆动缸结构方案；（3）齿轮齿条液压摆动缸基本参数的设计计算；（4）齿轮齿条液压摆动缸结构设计；（5）强度校核及部分零件ANSYS有限元分析。2摆动缸结构方案确定摆动缸结构方案的确定第5页共66页图1JZS齿轮齿条摆动液压缸的整体示意图2.1缸体[2]2.1.1缸体与外部的连接根据课题要求，JZS齿轮齿条摆动液压缸，其中J指缸体与外部采用脚底式连接。2.1.2缸体的材料液压缸缸体的常用材料为20、35、45号无缝钢管。因20号钢的机械性能低，且不能调质，应用较少。当钢筒、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HB。根据设计需求，本液压缸采用45号钢。缸体毛胚也可采用锻钢、铸钢或铸铁件。铸钢可采用ZG35B等材料，铸铁可采用HT200HT350间的几个牌号或球墨铸铁。[2]特殊情况下，可采用铝合金等材料。JZS125-360°齿轮齿条摆动液压缸设计第6页共66页2.1.3缸体的技术要求（1）缸体内径采用H8、H9配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封时，Ra为0.10.4，当活塞用活塞环密封时，Ra为0.20.4。且均需研磨。[7]（2）缸体内径的圆度公差值可按9、10或11级精度选取，圆柱度公差值应按8级精度选用。[11]（3）缸体端面T的垂直度公差值可按7级精度选取。[2]（4）当缸体浴缸头采用螺纹连接时，螺纹应为6级精度的公制螺纹。[2]（5）为了防止腐蚀和提高寿命，刚体内表面应镀为3040的鉻层，镀后进行研磨或抛光。[3]2.2.缸盖2.2.1缸盖的连接缸口部分一般由密封圈、导向套、防尘圈和锁紧装置等组成，用作活塞杆的导向和密封等。缸孔和活塞杆直径不同，缸口部分的结构也有所不同，缸盖与缸筒的典型连接结构有，外螺纹连接，它的外径小，质量轻，但结构工艺性较差；内半环连接，内卡环常由三个半环组成，其结构简单而且紧凑，拆装也较方便，但缸壁上的环槽削弱了缸筒的强度；法兰连接，特点是结构简单而且紧凑，拆装和加工容易。缺点是外形和质量都比较大；钢丝连接，这种连接方式的结构最简单、紧凑，已逐渐被推广使用。值得注意的是缸盖与缸筒的连接很少采用焊接结构。[2]2.2.2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HT200、HT300、HT350第7页共66页铸铁等材料。当缸盖本身又是活塞杆的导向套时，缸盖最好选用铸铁。同时，应在导向表面上熔堆黄铜、青铜或其他耐磨材料。如果采用在缸盖中压入导向套的结构时，导向套材料则应为耐磨铸铁、青铜或黄铜等。铸铁等材料。[2]2.2.3缸盖的技术要求[6]（1）直径d（基本尺寸同缸径）、（活塞杆的缓冲孔）、（基本尺寸同活塞杆密封圈外径）的圆柱度公差值，应按9、10或11级精度选用。（2）、与d的同轴度公差值为0.33mm。（3）端面A、B与直径d轴心线的垂直度公差值，应按7级精度选用。（4）导向孔的表面粗糙度为。2.3缸筒2.3.1缸筒的连接[1]缸筒的两端分别与端盖相连，构成密闭的压力腔，因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关。设计缸筒的结构时，也应该一起加以考虑。缸筒是液压缸的主体，其余零件装配其上，它的结构形式对加工和装配有很大影响，因此其结构必须尽量便于装配、拆卸和维修。缸筒与缸盖、端盖的连接形式很多，不少于60多种，本设计采用法兰式连接。缸筒端部设计有法兰，用螺栓将其与端盖连接起来。法兰连接结构简单，加工和装拆都很方便，只是外形尺寸和重量都较大。法兰与缸筒为整体式的多为铸件和铸件缸筒，加工余量较大，浪费材料；焊接法兰式多为钢质缸筒，将无缝钢管制成的缸筒与法兰焊接在一起，其焊缝要进行强度计算。法兰连接是液压缸中使用最普遍的结构形式。第8页共66页2.3.2缸筒的材料[16]缸筒常用20、35、45号无缝钢管，当缸筒上需要焊接缸底、耳轴或管接头时，多采用35号钢管。在承受的负载很大时，如液压支架中的立柱等，常用低合金无缝钢管，如27SiMn和30CrMnSi等。2.4.活塞2.4.1活塞的安装要求[2]由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，减低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面;间隙过大，会引起液压缸内部泄露，减低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。液压力的大小与活塞的有效工作面积有关，活塞直径应与缸筒内径一致。所以，设计活塞时，主要任务就是确定活塞的结构形式。2.4.2活塞结构形式[6]根据密封装置型式来选用活塞结构型式（密封装置则按工作条件选用）。通常分为整体活塞和组合活塞两类（见表1）。整体活塞在活塞圆周上开沟槽，安置密封圈，结构简单，但给活塞的加工带来困难，密封圈安装时也容易拉伤和扭曲。组合式活塞结构多样，主要受密封形式决定。组合式活塞大多数可以多次拆装，密封件使用寿命长。随着耐磨的导向环大量的使用，多数密封圈与导向环联合使用，大大减低了活塞加工成本（见表2）。第9页共66页表1活塞结构型式表2活塞联接型式2.4.3活塞的密封形式[6]密封形式与活塞的结构有关，可根据液压缸的不同作用和不同工作压力来选择。（见表3）第10页共66页表3活塞密封型式2.4.4活塞的材料[21]液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁、灰铸铁(HT300、HT350)、钢（有的在外径上套有尼龙66、尼龙1010或夹布酚醛塑料的耐磨环）及铝合金等。第11页共66页2.4.5活塞的技术要求[6]（1）活塞外径对内孔的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。（2）端面T对内径轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取。（3）外径的圆柱度公差值，按9、10级精度选取。2.5活塞杆2.5.1活塞杆结构图（表4）表4活塞杆结构图第12页共66页2.5.2活塞杆的材料活塞杆是油缸的主要传力零件，必须有足够的强度和刚性。活塞杆有空心和实心两种结构。空心活塞杆的一端留有透气孔，使焊接和热处理时能排出热气。实心活塞杆的材料多用35、45号钢，空心活塞杆一般用35、45号无缝钢管。有特殊用途的油缸（如液压支架）应按照使用条件来选定材料、结构和尺寸。活塞杆头部与工作机械的连接，根据不同的要求，选择符合要求的结构型式。[5]2.5.3活塞杆的技术要求[9]（1）活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度为229285HB，在再经高频淬火，硬度达HRC4555。（2）活塞杆和的圆度公差值，按9、10或11级精度选取。（3）活塞杆的圆周度公差值，应按8级精度选取。（4）活塞杆对的径向径向跳动公差值，应为0.01mm。（5）端面T的垂直度公差值，则应按7级精度选取。（6）活塞杆上的螺纹，一般应按6级精度加工；如载荷较小，机械振动也较小时，允许按7级或8级精度制造。（7）活塞杆上若有连接销孔时，该孔径应按H11级加工。该孔轴线与活塞杆轴线的垂直度公差值，按6级精度选取。2.6活塞杆的导向、密封和防尘[6]2.6.1导向套（1）导向套的结构其结构见下表5第13页共66页表5导向套的结构表（2）导向套的材料导向套常用材料为铸造青铜或耐磨铸铁。（3）导向套的技术要求导向套内径的配合，一般取为H8/f9（或H9/f9），其表面粗糙度为Ra0.631.25。2.6.2活塞杆的密封与防尘以往活塞杆的密封多用O型密封圈，窄断面Y形密封圈V形密封圈。这些密封圈。这些密封形式由于活塞杆与密封件之间时干摩擦，摩擦阻力大，往往导致密封唇过早磨损。因此，近年来较多选用组合式密封圈，如K型斯特封（见图2），它由两个不同元件组成：一个是用聚四氟乙烯加入青铜填料制造的阶梯形密封圈（主密封件），另一个是O形密封圈（弹性元件和副密封圈作用）。组合式密封圈（K型斯特封）具有低摩擦阻力、启动时无爬行、极低的泄漏量和抗磨损等特点。第14页共66页图2O型密封圈活塞杆的防尘，以往多选用以无骨架防尘圈，目前多采用，既可以防尘又可以密封双唇形防尘圈(见图3)。图3双唇形防尘圈外唇起防尘作用，保持活塞杆表面干净，内唇相当于密封唇口。当活塞杆外伸时，通过主密封圈粘在活塞杆表层的油膜，即被双唇形防止圈之间保留一层油膜，第15页共66页起润滑作用，提高了密封圈的使用寿命。2.7液压缸的缓冲装置[13]近年来要求液压缸精确定位及控制液压缸速度和加速度的场合越来越多。过去多采用液压缸外置行程测量传感器，如光电编码器、差动变压器式位移传感器、光栅、磁尺等。外置传感器要单独设计一套传感器装置，而且要占用一定的液压缸外空间，传感器还易被碰撞损坏。然而，随着液压技术的广泛应用,对液压元件的性能要求越来越高。对于执行元件——液压缸,影响其使用寿命的主要因素为缓冲效果和密封效果,传统的设计存有诸多缺陷,不能满足连续性生产的要求。为此,从缓冲和密封结构两处着手改进,达到了满意的使用效果。1缓冲设计液压缸在高速或重载的工况下,对缸头缸尾产生较大的冲击载荷。在缸中保持较高的平均速度的方法是在行程末端引