大擺角螺旋擺動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)

大擺角螺旋擺動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)

螺旋擺動(dòng)液壓缸是一種利用大螺旋升角的螺旋副實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特殊液壓缸。這種液壓缸體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。與葉片式擺動(dòng)馬達(dá)相比，它輸出轉(zhuǎn)矩大，容積效率高。特別是它的擺動(dòng)范圍可以大于360°。因此，對(duì)于需要低速大角度的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)來說，是一種理想的選擇。

1結(jié)構(gòu)形式選擇

在螺旋副傳動(dòng)中，根據(jù)相對(duì)原理，在不同工作機(jī)構(gòu)中，可以固定螺桿，將需要轉(zhuǎn)動(dòng)的部件連接在螺母上；或者固定螺母，而將需要轉(zhuǎn)動(dòng)部件連接在螺桿上。無論采用哪一種形式，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，增大液壓缸的輸出擺角，都將增大液壓缸活塞的工作行程，當(dāng)擺角大到360°時(shí)，活塞行程等于螺旋的螺紋導(dǎo)程，從而使液壓缸的尺寸增加。因此，要合理的選擇液壓缸的結(jié)構(gòu)形式，使其體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于整機(jī)布置。

1.1非圓活塞式擺動(dòng)液壓缸

圖1為非圓活塞式擺動(dòng)液壓缸的結(jié)構(gòu)示意圖。

1.缸體2.轉(zhuǎn)動(dòng)套3.螺旋棒4.活塞

圖1非圓活塞式擺動(dòng)液壓缸

圖中螺旋棒3與缸體1固定。非圓(橢圓)活塞內(nèi)表面與螺旋棒嚙合。轉(zhuǎn)動(dòng)套2內(nèi)表面形狀與活塞外表面形狀相同。因此，當(dāng)活塞在轉(zhuǎn)動(dòng)套內(nèi)液壓力作用下，既沿螺旋棒直線運(yùn)動(dòng)又轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過活塞非圓表面及轉(zhuǎn)動(dòng)套輸出。這種結(jié)構(gòu)軸向尺寸小，但非圓活塞的內(nèi)外表面加工比較復(fù)雜，要采用數(shù)控加工。

1.2花鍵活塞式擺動(dòng)液壓缸

圖2為花鍵活塞螺旋擺動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中螺旋棒5與缸體2固定?；钊?一端加工有花鍵，轉(zhuǎn)動(dòng)套3的內(nèi)圓表面也加工有花鍵并與活塞花鍵相嚙合。當(dāng)活塞受液壓力作用沿螺旋棒直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)也轉(zhuǎn)動(dòng)。這一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由轉(zhuǎn)動(dòng)套及法蘭盤1輸出。這種結(jié)構(gòu)比較簡單，容易加工，能傳遞較大扭矩。但由于轉(zhuǎn)動(dòng)套的軸向長度要大于或等于活塞上花鍵的長度，而當(dāng)液壓缸擺角大于360°時(shí)，這一長度也大于一個(gè)導(dǎo)程。因此，這種結(jié)構(gòu)軸向尺寸大。

1.法蘭盤2.缸體3.轉(zhuǎn)動(dòng)套4.活塞5.螺旋棒

圖2花鍵活塞式擺動(dòng)液壓缸

1.3帶導(dǎo)向桿式螺旋擺動(dòng)液壓缸

圖3為帶導(dǎo)向桿式螺旋擺動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖。

1.缸體2.導(dǎo)向桿3.活塞4.螺旋棒

圖3帶導(dǎo)向桿式螺旋擺動(dòng)液壓缸

圖中螺旋棒4通過2端錐軸承支撐于缸體1上，兩根導(dǎo)向桿2穿過活塞3固定在缸體上。當(dāng)活塞在液壓力的作用下沿螺旋棒運(yùn)動(dòng)時(shí)，要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果固定缸體，則由于導(dǎo)向桿也固定，所以活塞只能沿螺旋棒及導(dǎo)向桿直線運(yùn)動(dòng)，而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由螺旋棒輸出。如果固定螺旋棒，則活塞通過導(dǎo)向桿帶動(dòng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)。但從密封角度來看活塞不宜轉(zhuǎn)動(dòng)。這種液壓缸結(jié)構(gòu)簡單，便于加工。但由于導(dǎo)向桿穿過活塞，使活塞有效面積減小。從而在傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)液壓缸徑向尺寸增大。

1.4雙螺旋擺動(dòng)液壓缸

圖4為雙螺旋擺動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖。

1.缸體2.螺旋套3.活塞4.螺旋棒

圖4雙螺旋擺動(dòng)液壓缸

圖中螺旋套2和螺旋棒4的螺旋線方向相反。螺旋套與缸體固定，當(dāng)活塞沿螺旋套旋轉(zhuǎn)并直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞內(nèi)部的螺旋副使螺旋棒轉(zhuǎn)動(dòng)，反之亦然。一般來說兩處螺旋導(dǎo)程相等，螺旋棒的螺旋升角大于螺旋套的螺旋升角。如果兩處螺旋升角相等，螺旋棒的導(dǎo)程小于螺旋套的導(dǎo)程，當(dāng)活塞旋轉(zhuǎn)1周，螺旋棒轉(zhuǎn)動(dòng)范圍就大于1周。這種液壓缸結(jié)構(gòu)緊湊，輸出轉(zhuǎn)矩大。

2主要參數(shù)確定與計(jì)算

2.1液壓參數(shù)

2.1.1轉(zhuǎn)矩與壓力

液壓缸實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算：

圖5為計(jì)算簡圖。液壓缸活塞為螺母，作用于螺母上的液壓力p必須克服螺旋棒對(duì)螺母正壓力N的水平分力F1、摩擦力Nμ的水平分力F2，才能推動(dòng)活塞沿螺旋線方向轉(zhuǎn)動(dòng)或使螺旋棒轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5轉(zhuǎn)矩計(jì)算簡圖

根據(jù)靜力平衡原理

p＝F1＋F2＝Ncosα＋Nμsinα

＝N（cosα＋μsinα)

即N=p/(cosαμsinα)(1)

使活塞或螺旋棒旋轉(zhuǎn)的圓周力T1及阻力T2分別為：

T1＝NsinαT2＝Nμcosα

扭力為：T＝T1－T2＝N(sinα－μcosα)

設(shè)d1表示螺旋棒的平均直徑，則液壓缸的輸出轉(zhuǎn)矩：

M=Td1/2=N(sinαμcosα)×d1/2

將(1)式帶入上式，則得：

M=P(sinαμcosα)/（cosα＋μsinα)×d1/2=pd1(tgα-μ)/2(1μtgα)=pd1/2tg(α-ρ）

或M=1/2pd1/2tg(α-ρ）(2)

式中α——螺旋升角

ρ——螺旋副的摩擦角

S——活塞的有效受壓面積

p——液壓缸油壓

上式僅考慮了螺旋副的摩擦損失，利用它計(jì)算液壓缸的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，還應(yīng)考慮液壓缸中反壓的影響以及軸承等其他機(jī)械摩擦損失的影響。

液壓缸的理論輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算：

令(2)式中的ρ＝0，即可得到液壓缸的理論輸出轉(zhuǎn)矩：

M=1/2d1Stgα(3)

則螺旋副的機(jī)械效率η為液壓缸的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩與理論轉(zhuǎn)矩之比即

η=M=(1/2d1Stg(α-ρ）)/(1/2d1Stgα)=tg(α-ρ）/tgα(4)

2.1.2角速度與理論流量

由L＝πd1tgα

得Q=60ω/2π×LS/10=0.955ωLS(5)

式中L——液壓缸螺紋的導(dǎo)程

S——液壓缸活塞面積

ω——要求輸出的角速度

Q——理論所需流量

2.2螺旋副的類型及螺紋參數(shù)

2.2.1螺旋副的類型

用于傳動(dòng)螺旋副的類型，按螺紋牙形分，主要有梯形、鋸齒形、矩形和漸開線等幾種，其中梯形最常用。所以，可選梯形螺紋。

2.2.2螺紋參數(shù)

螺紋參數(shù)主要包括螺紋的3個(gè)直徑(大、中、小)、螺距、導(dǎo)程、螺紋線數(shù)、螺紋升角、牙形角、旋向等。螺紋參數(shù)可按3種方法確定：①選擇標(biāo)準(zhǔn)螺紋參數(shù)，即以上參數(shù)均可按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定；②選擇非標(biāo)準(zhǔn)螺紋，即螺紋的螺距不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其他參數(shù)都符合標(biāo)準(zhǔn)；③選擇特殊螺紋，即所有參數(shù)都不符合標(biāo)準(zhǔn)。

無論按哪一種方法確定螺紋參數(shù)，首先都要確定出螺紋的公稱直徑。對(duì)于螺旋擺動(dòng)液壓缸，要根據(jù)其傳遞的轉(zhuǎn)矩來初步計(jì)算螺紋的公稱直徑。計(jì)算公式如下：

(6)

式中TJ——計(jì)算轉(zhuǎn)矩，TJ＝kT，T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，k為修正系數(shù)，一般可取1.1～1.2

［τ］——許用剪切應(yīng)力

如果選擇標(biāo)準(zhǔn)螺紋，則根據(jù)初步計(jì)算的公稱直徑d按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定其值，同時(shí)確定出相應(yīng)的螺距。以上兩個(gè)參數(shù)確定以后，再確定螺紋線數(shù)，螺旋擺動(dòng)液壓缸取多線數(shù)螺紋，一般取4至6。螺紋的其他參數(shù)均可計(jì)算出來。

如果選擇非標(biāo)準(zhǔn)螺紋，則計(jì)算出公稱直徑以后，再選擇螺旋升角及螺旋線數(shù)，然后可計(jì)算出螺距。螺旋擺動(dòng)液壓缸一般取螺旋升角為60°左右。

2.3液壓缸活塞設(shè)計(jì)

液壓缸活塞設(shè)計(jì)首先是確定出活塞的厚度、有效受壓面積、工作行程等參數(shù)，其次是根據(jù)液壓缸的總體結(jié)構(gòu)形式確定活塞的具體結(jié)構(gòu)。

活塞的厚度可參考有關(guān)螺紋旋合長度的標(biāo)準(zhǔn)確定。增加旋合長度有利于減少液壓缸內(nèi)部泄漏。活塞的有效受壓面積取決于油壓、螺旋升角及負(fù)載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載的大小與活塞面積成正比；油壓及螺旋升角與活塞面積成反比。活塞的工作行程取決于螺紋導(dǎo)程及液壓缸所需擺動(dòng)的角度。如果擺動(dòng)角度為360°，那么活塞的工作行程就等于螺紋的導(dǎo)程，而螺紋的導(dǎo)程等于螺旋升角的正切值與圓周率及螺紋中徑的乘積。因此，螺紋螺旋升角對(duì)液壓缸的外形尺寸影響很大。當(dāng)液壓缸負(fù)載及螺紋中徑一定時(shí)，選擇大的螺旋升角，可以減小活塞的有效受壓面積，使液壓缸變細(xì)，但卻提高了液壓缸的工作行程，使液壓缸變長。選擇小的螺旋升角，使液壓缸變成短粗型。

活塞一般采用2種材料組合起來。活塞主體選擇具有較高強(qiáng)度的鋼，而螺紋部分采用耐磨的鑄鐵或青銅。另外，如果活塞旋轉(zhuǎn)，那么選擇密封時(shí)要考慮密封件的相應(yīng)強(qiáng)度。

2.4液壓缸總效率

螺旋擺動(dòng)液壓缸的總效率等于液壓缸的容積效率、螺旋副機(jī)械效率及液壓缸軸承效率三者的乘積。螺旋副機(jī)械效率按(4)式計(jì)算，軸承效率根據(jù)