一种新型旋转直线组合式液压缸设计.pdf

第 1 O期 2 0 1 4年 1 0月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d u l a r M a c h i ne To o l Aut o ma t i c M a n u f a c t u r i ng Te c h n i q u e No． 1 O oc t ．20 1 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 1 0一 O 1 1 6 0 3 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． mm t a mt ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 3 2 一 种新型旋转直线组合式液压缸设计冰 苗 玉刚， 赵峰 陕西理工学院 陕西省工业 自动化重点实验室， 陕西 汉中7 2 3 0 0 1 摘要 针对现有液压缸产品性能单一、 运动模式较 少、 日益不能满足现代工业 自动化 生产的要求等问 题 ， 设计 了一种新型旋转直线组合式液压缸。该液压缸利用滚珠 花键副能传递扭矩和实现直线运动 的特点， 将双螺旋摆动液压缸与传统往 复直线式液压缸有机 结合 ， 不仅可 以实现单一的往 复直线运 动和旋转运动 ， 也可以实现复杂的旋转直线复合运动 ， 技术功能完善 ， 结构紧凑 ， 安装方便 ， 能够满足 市场对液压传动产品性能多样化的需求。 关键词 旋转直线组合式液压缸 ； 双螺旋摆动液压缸 ； 滚珠花键副 中图分类号 T H1 2 2； T G 6 5 文献标识码 A De s i g n o f a Ne w Ro t a r y M o t i o n a n d Li n e a r M o t i o n Co m b i n e d Hy dr a ul i c Cy l i nd e r MI A0 Yug a n g，ZHAO F e n g K e y L a b o r a t o r y o f I n d u s t r i a l A u t o m a t i o n o f S h a a n x i P r o v i n c e ， S h a a n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H a n z h o n g S h a a n x i 7 2 3 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e e x i s tin g flu i d p o we r p r o d u c t s wi t h s i n g l e p r o p e r t y a n d l e s s mo t i o n p a t t e r ns c a n n o t me e t r e - q u i r e me n t s o f the mo d e rn i n d u s t r i a l a u t o ma t i o n p r o d u c t i o n d a y b y d a y．Fo r t h i s p r o b l e m ，W e d e s i g n a n e w r o t a r y mo t i o n a n d l i n e a r mo t i o n c o mb i n e d h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Th e n e w h y dra u l i c c y l i n d e r u s e s t h e f e a t u r e s o f b a l l s p l i n e p a i r c a n t r a n s f e r t o r q u e a n d r e a l i z e l i n e ar mo t i o n t o i n t e g r a t e d o u b l e s c r e w p a i r o f r o t a r y a n d t r a d i tio n a l r e c i p r o c a t i n g l i n e a r mo t i o n h y dra u l i c c y l i n d e r ，n o t o n l y c a n r e a l i z e s i n g l e r e c i p r o c a t i n g l i n e ar mo t i o n an d r o t a r y mo tio n，b u t a l s o c o mp l i c a t e d r o t a r y mo t i o n a n d l i n e ar mo t i o n c o mb i n e d mo v e me nt ．I t i s o f g o o d t e c h n i c a l p e r f o r ma n c e，c o mp a c ts i z e d，e a s y i n s t a l l a ti o n，a n d c a n s a t i s f y t h e ma r k e t g d e ma n d s f o r h y dra u l i c tra n s mi s s i o n p r o d u c t s wi th v a r i o u s p r o p e r t i e s ． Ke y wo r d sr o t a r y mo tio n a n d l i n e ar mo t i o n c o mb i n e d h y dr a u l i c c y l i n d e r ；d o u b l e s c r e w p a i r o f r o t a r y h y dr a u l i c c y l i n d e r b a l 1 s p l i n e pa i r 0 引言 液压缸是液压传动系统的主要执行元件之一， 将 液压能转换为机械能 ， 使机械设备实现直线往复运 动或回转运动， 具有结构简单、 工作可靠 、 调速范围大 、 控制方 便、 输 出载荷 大、 维 护方便及 过载保 护等优 点 J ， 广泛应 用于工 程机械 、 农 业机 械 、 矿 山机械 、 船 舶运输 、 石油化工、 航空航天及特种机器人等行业。随 着工业 自动化、 制造业 自动化的快速发展 ， 传统单一运 动模式的液压缸已不能满足现代装备制造业的需求， 液压缸正朝着高可靠性、 高速化 、 集成化 、 轻量化、 数字 化 、 智能化、 多用途 、 节能环保及性能多样化等方向发 展 ～ 。 目前， 国内关于多运动模式液压缸的研究主要有 黄灿军 等人设计 了一种新 型旋转伸缩一体式液压 缸 ， 该液压缸将传统的旋转运动液压缸和直线往复运 动液压缸结合在一起 ， 实现了复杂的旋转与伸缩复合 运动； 专利文献[ 7 ] 发明了一种旋转伸缩式液压缸 ， 缸 体上固定有限位销 ， 活塞杆上开设有与之相配合 的螺 旋导向槽 ， 当活塞杆直线运动时 ， 卡在螺旋导向槽内的 限位销驱使活塞杆发生转动 ， 实现活塞杆在做直线运 动的同时完成旋转运动。 本文设计一种新型旋转直线组合式液压缸。这种 液压缸通过滚珠花键副， 将 目前应用最为广泛的双螺 旋摆动液压缸与往复直线运动液压缸进行有机集成 ， 实现了往复直线运动 、 旋转运动及旋转直线复合运动 三种运动模式 ， 集多种用途于一体， 解决了液压缸产品 性能单一， 宽展性能少的问题 。 1 双螺旋摆动液压 缸的结构 原理 如图 1 所示 ， 双螺旋摆动液压缸主要由输出螺杆 、 空心螺杆 、 青铜活塞 、 固定螺母 、 缸体、 角接触球轴承、 收稿 日期 2 0 1 4 0 53 0 基金项目 陕西省工业 自动化重点实验室项 目 1 3 J S 0 2 6 ； 陕西省工业 自动化重点实验室访 问学者项 目 1 2 J S 0 3 5 ； 陕西理工学院研究生创新基金 S L G Y C X 1 4 2 3 作者简介 苗玉刚 1 9 8 8 一 ， 男 ， 安徽阜 阳人， 陕西理工学院硕士研究生 ， 主要研究方 向为机械设计与分析， Em a i l m i a o g a n g g a n g O 1 6 3 ． c o m； 通 讯作者 赵峰 1 9 7 9 一 ， 男， 陕西安康人 ， 陕西理工学院博士 ， 副教授 ， 主要研究方 向为信号测量与控制 ， Em a il f h e n g z h a o 1 2 6 ． e o m。 2 0 1 4年 1 0月 苗玉刚， 等 一种新型旋转直线组合式液压缸设计 1 1 7 定位卡环 、 轴套 、 垫圈、 左右端盖及密封件等零件组成， 青铜活塞和空心螺杆通过螺纹连接装配成一个整体。 青铜活塞和输出螺杆构成一级内螺旋副， 空心螺杆和 固定螺母构成二级外螺旋副， 通过两级螺旋副将液压 力转换成扭矩输出， 并通过调整进 出油 口油压差 ，实 现输出螺杆的正转和反转运动 。 青铜活塞和密封零部件将摆动油缸内部分成左右 两个独立的密封腔 ， 内螺旋副和外螺旋副螺旋方 向相 反 ， P 、 P 为液压油进出口， 输出轴通过一对角接触球 轴承、 左右端盖固定在缸体 中。当 P 为进油口， 尸 为 出油口时， 活塞被推动向右运动 ， 由于空心螺杆与固定 螺母的啮合作用， 活塞与空心螺杆作旋转直线运动 ， 同 时活塞内部的螺旋副使输出螺杆作旋转运动 ， 通过两 级螺旋副的放大作用 ，只要较小 的工作行程 就可以 得到较大的输 出旋转角度 。当 内外两处螺旋副的 螺旋升角相等， 输出螺杆 的导程小 于固定螺母的导程 时， 活塞 旋 转 一 周 ， 输 出 螺 杆 的旋 转 角 度 将 超 过 3 6 0 “ 。双螺旋摆动液压缸 因体积小、 重量轻 、 结 构紧凑 、 输出扭矩和摆角范围大 、 传动效率高 、 定位精 确等优点而应用广泛” 。 1 ． 输 出螺 杆 2 ． 左 端盖 3 ． 缸体 4 固定 螺 母 5 ． 轴套 6 ． 角 接 触球 轴 承 7 ． 右 端盖 8 密封盖 9 ． 空心螺杆 1 0 ． 青铜活塞 图 1 双螺旋摆动液压缸整体结构图 2 滚珠 花键 副的结构原理 滚珠花键副主要分为凸缘式花键副和凹槽式花键 副两种。一般情况下 ， 凸缘式花键副能承受较大的径 向载荷和传递较大的扭矩 ， 属于高扭矩型滚珠花键副 ， 广泛应用于载荷较大的工作场所。凸缘式滚珠花键副 的结构如图2所示 ， 主要由花键套、 花键轴 、 滚珠 、 保持 架、 反相器及密封端盖等组成。花键轴外圆有 1 2 0 。 等 分排列的三条轨道凸起部分与花键轴套相应凹槽部分 将滚珠夹持在轨道凸起左右 ， 形成 6条负载滚珠列。 a 滚珠花键副三维结构图 b滚珠 花键 副截 回 幽 1 ． 密封端盖 2 ． 键槽 3 ． 花键套 4 ． 花键轴 5 ． 滚珠 6 ． 保持架 7 ． 反相器 图 2 滚珠花键 副整体结构 图 花键 轴和花键 套上分 布有经过精 密磨削 加工 的滚道槽 ， 滚道槽被加工成与滚珠半径相接近 的 R 沟槽形状 。当花键套和花键 轴作相对直线运动 时 ， 滚珠在沟槽上滚动 ， 并通过保持架 和反向器持续进 行整列循环运动 ； 当花键套和花键轴作相对旋 转运 动时 ， 6列负荷滚 珠 由于沟槽 的阻挡不能产生 相对 旋转运动 ， 3列扭矩方向上 的负载滚珠便平衡 、 均匀 地传递扭矩 ， 当扭矩方 向改变 时 ， 另外 3列 负载 滚 珠均等地传递扭矩 。 相对于传统的齿形花键副， 滚珠花键副 具有以 下特点 1 滚珠的接触为角接触 ， 很容易对它们施加预 压 ， 使旋转方 向间隙为零 ， 从而增加刚性 ， 因此可在振 动冲击负荷大、 运动速度高的场合使用 ； 2 花键轴传递扭矩 的同时， 花键套可 以直线运 动， 能够实现精确地运动和定位功能 ； 3 以滚动代替滑动， 传动效率高、 运动平稳 、 噪 音小、 使用寿命长； 4 由于使用滚珠保持架， 即便将花键轴从花键 套中抽出， 滚珠也不会脱落 ， 因此结构紧凑， 安装方便 ； 5 沟槽采用与滚珠半径相似的 R沟槽形状 ， 滚 珠接触面积大 ， 能承受较大的径向载荷 ， 可代替直线滚 珠导向套来使用。 由于滚珠花键副具 有结构紧凑 、 旋转方 向无 间 隙、 传动效率高 、 运动高速平稳 、 可一边作平滑 直线 运动一边传递扭矩等优点 ， 所 以滚珠花键作为 高效 节能和精密的先进传 动机构在 国内外 引起 了广泛 的兴趣和重视 ，并且 在包装机 械 、 机械手 、 精 密 仪器 、 点焊机 、 铆接机 、 各种变速装置等方面广泛使 用 。本文设计 的新型 旋转直 线组合 式液压 缸就 是 通过滚珠花键副将螺 旋摆动 液压缸 与直线 往复运 动液压缸有 机结合 ， 从 而实现一 种具有 多功 能、 多 运 动 模式 的液 压 缸设 计 。 3 旋转直 线组合式液压 缸设计 新 型旋转直 线组合 式液压 缸 的结构 及工 作原 理如图 3所 示。双螺旋 摆动液 压缸 的输 出螺杆 为 空心螺杆 5， 在 空心螺杆 5的圆孔 中部装有滚珠 花 键螺母 7， 最右端装有滚珠直线轴承 8， 花键螺母 与 空心螺杆通 过键连接 ， 并 通过轴套 9和密封 盖 4 - 2 1 l 8 组合机床与 自动化加工技术 第 1 O期 进行 固定 ， 直线 轴承与 空心螺杆也 通过键 连接 ， 且 通过密封盖 4 ． 3进行 固定 。输 出轴 的左右两端为光 轴 ， 中间部分为花键轴 ， 花键轴 与花键螺母 配合 ， 左 端通过平键 与负 载连接 ， 右端 与活塞 3连接 ， 直线 轴 承起导 向支撑 作用 。花键轴 的长 度决定 了输 出 轴 的伸缩距离 ， 即花键 轴 的长度 越大 ， 输 出轴 的伸 缩位移越大 ， 但 同时缸 体 2的轴 向尺 寸也越 大 ， 所 以应综合考虑输 出轴的伸缩位移 与缸 体尺寸 ， 以便 设计 出性能结构较合理的液压缸。 a l 定转直线组合式液压缸系统结构图 b 空心螺 杆剖 视 图 1 ． 端盖 2 ． 缸体 3 ． 活塞 4 ． 密封盖 5 ． 空心螺杆 6 ． 输 出轴 7 ． 滚珠花键螺母 8 ． 滚珠直线轴承 9 ． 轴套 图 3 旋转直线组合式液压缸整体结构图 新型旋转直线组合式液压缸的工作原理为 1 输出轴做直线运动。当 P 、 P 接 口关闭， P 。 、 P 4 接 口接通时， 液压油推动活塞往复移动， 活塞带动 输出轴作往复直线运动， 此时， 滚珠在沟槽中循 环滚 动， 花键螺母起导向作用。 2 输出轴做旋转运动。当 P 、 P 接 口接通 ， P 、 P 4 接口关闭时， 液压油推动青铜 活塞做旋转直线运 动 ， 青铜活塞通过内螺旋副带动空心螺杆做旋转运动， 花键螺母与空心螺杆连接成一体， 花键螺母旋转 同时 通过负荷滚珠列带动输出轴旋转。此时， 活塞也跟着 旋转 ， 这样会给密封带来困难 ， 同时还会加剧活塞环的 磨损。为了解决这一问题 ， 采用一种特殊的联轴器 ， 将花键轴的运动和活塞的运动分开。联轴器的结构如 图 4所 示 。 花键轴光轴部分 1 上装有组合轴承 ， 通过 自身轴 肩和锁紧螺母 4进行轴向固定 ， 组合轴承通过联轴器 端盖 5固定在联轴器底座 2中， 活塞杆 7通过法兰螺 母 6固定在联轴器端盖上 ， 联轴器端盖与联轴器底座 通过螺钉进行连接 固定。花键轴旋转时， 带动组合轴 承内圈旋转 ， 在滚珠的作用下外圈不旋转， 进而活塞杆 不旋转 ； 活塞杆往复直线运动时 ， 通过法兰螺母、 联轴 器端盖 、 联轴器底座、 组合轴承带动花键轴作往复直线 运动； 通过组合轴承 ， 花键轴做旋转运动的同时活塞杆 也可以做往复直线运动 ， 两者紧密配合 ， 互不干涉。所 以通过特殊联轴器 ， 旋转运动与直线运动可以分开进 行， 也可以同时进行。 l Z j 4 6 7 1 ． 花键轴光轴部分 2 ． 联轴器底座 3 ． Z K L N组合轴承 4 ． 锁紧螺母 5 ． 联轴 器端盖 6 ． 法兰螺母 7 ． 活塞杆 图 4 旋转运动与直线运动分离联轴器结构图 3 输出轴做旋转直线复合运动 。当 P 、 P ， 接 口 接通 ， P 、 P 接 口关闭或 P 。 、 P 4 接 口接通 ， P 、 P ， 接 口 关闭或 P 、 接 口关闭， P 、 P 接 口接通或 P 、 接 口关闭， P 、 接 口接通 时， 输出轴作旋转运动的 同 时 ， 又作往复直线运动， 即作螺旋运动 ， 而且螺旋运动 轨迹的螺距可以灵活控制 ， 实现了液压缸一缸多用 ， 功 能灵活的需求。 4结论 1 作者设计的新型旋转直线组合式液压缸 ， 利 用滚珠花键副既能传递扭矩又能实现直线运动 的特 点 ， 将双螺旋摆动液压缸与传统往复直线式液压缸有 机结合， 结构紧凑， 性能优 良， 安装方便。 2 该新型液压缸可 以实现多种运动模式 ， 弥补 了现有液压缸产品性能单一、 功能较少的不足 ， 能够满 足市场对运动形式复杂 、 性能多样 的液压传动产品需 求 。 3 设计了一种特殊联轴器。该联轴器刚性 大、 结构紧凑 、 安装方便 ， 能够实现旋转运动与直线运动分 开进行和同时进行 ， 为其他有类似此功能需求的产品 设计提供了一种参考依据。 [ 参考文献] [ 1 ]韩以伦， 温学雷 ， 王斌龙． 基于 A N S Y S的液压缸的有限元 分析及优化[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 1 ， 3 2 9 - 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