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第7章气动系统设计

7．1气动系统设计的依据

1.气缸的工作特性

气缸活塞在运动过程中，腔室里的气体压力和活塞位移随时间变化的关系，

称为气缸的力-位移特性。如图7-1所示。

图7-1气缸压力-位移特性

初始状态时，气缸处于伸的位置（指气缸活塞杆处于伸的位置），有杆腔内

的气压P1为大气压。当三位四通电磁换向阀左位接通后（图7-1，点1），无杆

腔和气源接通，气体以高速向无杆腔快速充气，并很快上升为气源压力；有杆腔

的气压一直是大气压P1。当无杆腔和有杆腔的压力差为P2-P1=P,超过活塞启动

的最小压差。活塞杆就开始运动（图7-1，点2）。由图可见，一旦活塞杆运动启

动，无杆腔中的压力有所下降，主要原因是活塞和气缸内壁之间的摩擦阻力由静

摩擦力变为动摩擦力而有较大的减小，活塞运动的起始段开始加速。若活塞在运

动过程中，负载保持恒定，那么活塞两侧的压力差使活塞杆匀速向前运动，直至

达到最佳清洗状态（图7-1，点3），无杆腔压力再次急剧上升到气源压力（图

7-1，点4）。

图7-1为气缸典型的压力-位移曲线，实际上气缸两腔室的压力差大小、位

移曲线的形状与气缸的负载（外负载、摩擦阻力的总称）性质、大小以及工作压

力、缸径和行程等多种因素有关。

从上面的说明可知，气缸活塞运动的速度在运动过程中是变化的。若在换向

阀和气缸之间的链接管路上串连速度控制阀，控制进排气口的流通能力，就可以

调节活塞运动的速度。

2.气缸的输出力和缸径的确定

普通双作用气缸无杆腔为工作腔时理论推力F0为：

2

F0DpN（7—1）

4

式中：

D—缸径(mm)

p—气缸的工作压力(MPa)

普通双作用气缸的有杆腔为工作腔时理论拉力F0为：

22

F0DdpN（7—2）

4

式中:

d—活塞杆直径(mm)，一般估算时取d=0.3D。

p—气缸的工作压力(MPa)

实际中，由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的

实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。

气缸的效率η是气缸的实际推力和理论推力的比值，即:

F



F

0

气缸的效率取决于密封的种类，气缸内表面和活塞杆加工的状态及润滑状态。

此外，气缸的运动速度、排气腔压力、外载荷状况及管道状态等都会对效率产生

一定的影响。在考虑到活塞杆和活塞本身的摩擦力影响的情况下，实际输出力要

以气缸效率来修正，一般效率在0.7～0.95之间。

从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。于

是在研究气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。

气缸的负载率β定义为:

气缸的实际负载F

100%

气缸的理论输出力F0

气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率β，则由定义

就能确定气缸的理论输出力，