本發(fā)明涉及一種液壓缸，具體涉及一種碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)的輕量化液壓缸。

背景技術(shù)：

目前，液壓技術(shù)正向高壓、高速、高可靠性、高集成化方向迅猛發(fā)展。工程機(jī)械的節(jié)能化、輕量化發(fā)展使得其需要更輕更可靠的液壓元件；飛機(jī)及航空航天領(lǐng)域中，液壓系統(tǒng)及元件必須具備重量輕、高強(qiáng)度的特點(diǎn)；汽車(chē)工業(yè)中的輕量化設(shè)計(jì)成為汽車(chē)節(jié)能減排的有效途徑，而液壓元件的輕量化設(shè)計(jì)是其重要的一部分。液壓缸作為液壓系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件，其輕量化勢(shì)在必行。傳統(tǒng)使用金屬材料制造的液壓缸為了滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、抗疲勞性和安全性等要求，必須提高安全系數(shù)，這樣就使得液壓缸重量大、設(shè)計(jì)保守耗費(fèi)材料。實(shí)現(xiàn)液壓缸輕量化首先是在充分進(jìn)行工況研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其次是高強(qiáng)度低密度新材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

在眾多的輕量化材料中，碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能：比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）、比模量（模量與密度之比）和比吸能（有效破壞長(zhǎng)度內(nèi)單位質(zhì)量吸收的能量）高，抗拉強(qiáng)度一般在3500mpa以上，抗拉彈性模量為23000-43000mpa，在等剛度或等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則下，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比低碳鋼結(jié)構(gòu)減重50%以上，比鎂/鋁合金結(jié)構(gòu)減重達(dá)30%；同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性能、耐腐蝕性，零件使用壽命高，因此，將碳纖維材料應(yīng)用到液壓缸中，不僅可以達(dá)到輕量化目的，還可以得到更好的性能。

目前有少量公司使用碳纖維復(fù)合材料制造液壓缸。比如，2015年漢諾威展會(huì)上派克公司展示的碳纖維液壓缸，國(guó)內(nèi)漢臣液壓公司也提出了類(lèi)似的碳纖維液壓缸。在復(fù)合材料與金屬材料連接上它們大都采用膠結(jié)、螺釘、銷(xiāo)釘?shù)确桨?。膠結(jié)方案存在脫膠隱患不夠可靠，且不方便拆卸維修；螺釘、銷(xiāo)釘連接方案容易造成復(fù)合材料層的破壞。輕量化可以使液壓缸有更低的能耗，節(jié)省動(dòng)力，提高經(jīng)濟(jì)性，使液壓產(chǎn)品滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保的要求，在工程機(jī)械、航空航天、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提出一種碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)液壓缸，用來(lái)滿(mǎn)足液壓缸的輕量化需要和越來(lái)越高的強(qiáng)度、剛度、抗疲勞性、安全性等要求。這種碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)液壓缸相對(duì)傳統(tǒng)液壓缸來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于拆卸維修，擁有更高的強(qiáng)度、剛度、抗疲勞性能，同時(shí)它的重量可以減輕30%左右，該液壓缸可作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件用于工程機(jī)械、航天航空、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：

一種碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)的輕量化液壓缸，包括由缸筒兩端分別與缸底和缸蓋相連組成的液壓缸，其特征在于：所述缸筒內(nèi)設(shè)有活塞和與活塞相連的活塞桿，所述活塞桿一端從缸蓋上設(shè)置的孔內(nèi)伸出液壓缸外，活塞桿與缸蓋的孔內(nèi)壁以及活塞與缸筒內(nèi)壁均設(shè)有動(dòng)密封，缸底和缸蓋上分別設(shè)有第一油口和第二油口，所述第一油口和第二油口分別與液壓油系統(tǒng)相連，通過(guò)液壓油驅(qū)動(dòng)缸筒內(nèi)的活塞兩邊滑動(dòng)；所述缸筒由金屬內(nèi)襯在外表面覆蓋碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層組成，所述碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層是由強(qiáng)度在3500mpa以上的碳纖維材料為增強(qiáng)材料、熱固性樹(shù)脂為基體，采用濕法纏繞成型工藝制成。

作為改進(jìn)，所述碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層的濕法成型工藝是指：將碳纖維原絲、碳纖維單向布和碳纖維窄帶布先使用熱固性樹(shù)脂進(jìn)行浸膠，然后在張力控制下纏繞到作為芯模的金屬內(nèi)襯上，最后經(jīng)固化脫模得到缸筒。

作為改進(jìn)，所述濕法成型工藝中，浸膠后碳纖維材料的纏繞方式為：在金屬內(nèi)襯上的最底層采用碳纖維單向布纏繞，中間層采用碳纖維原絲纏繞，最外層采用碳纖維窄帶布纏繞；在最底層的碳纖維單向布纏繞層采用內(nèi)層無(wú)預(yù)緊力纏繞，纏繞角度為0°；對(duì)中間層的碳纖維原絲纏繞層施加預(yù)緊力，纏繞角度為45°至90°；最外層的碳纖維窄帶布纏繞層采用無(wú)預(yù)緊力纏繞，纏繞角度為90°；纏繞完成后經(jīng)過(guò)130至140℃加熱固化，脫模后碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層和金屬內(nèi)襯緊緊粘結(jié)在一起。

作為改進(jìn)，所述缸底上設(shè)有緩沖密閉空間，活塞靠近缸底側(cè)設(shè)有與緩沖密閉空間配合的緩沖套。

作為改進(jìn)，所述金屬內(nèi)襯是一種兩端內(nèi)部加厚的薄壁圓筒，薄壁圓筒與缸蓋及缸底均通過(guò)螺紋連接，所述螺紋為6級(jí)精度的細(xì)牙螺紋；所述金屬內(nèi)襯中間段內(nèi)壁進(jìn)行表面處理，使其表面粗糙度粗糙度ra值在0.1至0.4之間。

作為改進(jìn)，所述金屬內(nèi)襯中間段內(nèi)壁表面處理方式為：先在金屬內(nèi)襯中間段內(nèi)壁表面鍍鉻，鍍層厚度為30至40μm，鍍鉻后珩磨或拋光。

作為改進(jìn)，在缸蓋和缸底與薄壁圓筒螺紋配合擰緊前，在螺紋上加入樂(lè)泰粘膠劑，以提高螺紋連接可靠性。

作為改進(jìn)，所述熱固性樹(shù)脂采用酚醛樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂m03膠黏劑，熱固性樹(shù)脂在碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層中的比例大于20%。

作為改進(jìn)，所述缸筒的碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層外表面噴涂一層芳族聚酯纖維材料作為保護(hù)涂層。

作為改進(jìn)，所述活塞桿表面經(jīng)過(guò)鍍鉻處理，鍍層厚度15至25μm；活塞與活塞桿連接孔徑采用h9級(jí)配合，活塞桿的表面粗糙度ra為0.63至2.5μm；活塞通過(guò)兩側(cè)的緩沖套與活塞桿固定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)勢(shì)有：

第一，所述液壓缸的缸筒組件使用了高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料，其在強(qiáng)度、剛度、抗疲勞性能上比現(xiàn)有的全金屬液壓缸高很多；

第二，重量輕，可以滿(mǎn)足工程機(jī)械、航空航天、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域的輕量化要求；

第三，有更低的能耗，節(jié)省動(dòng)力，提高經(jīng)濟(jì)性，使液壓產(chǎn)品更好滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保的要求；其四，由于碳纖維復(fù)合材料有很好的耐腐蝕性能，使其可在惡劣的工況下使用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明輕量化增強(qiáng)的液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為金屬內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中:1-缸底，2-第一油口，3-金屬內(nèi)襯，4-碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層，5-后緩沖套，6-活塞，7-動(dòng)密封一，8-前緩沖套，9-活塞桿，10-缸蓋，11-第二油口，12-動(dòng)密封二。

具體實(shí)施方式

為了讓本技術(shù)領(lǐng)域的人士更好地理解本發(fā)明方案，下面闡述本發(fā)明的具體實(shí)施方式，以及結(jié)合附圖作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，一種碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)的輕量化液壓缸，包括由缸筒兩端分別與缸底1和缸蓋10相連組成的液壓缸，所述缸筒內(nèi)設(shè)有活塞6和與活塞6相連的活塞桿9，所述活塞桿9一端從缸蓋10上設(shè)置的孔內(nèi)伸出液壓缸外，活塞桿9與缸蓋10的孔內(nèi)壁以及活塞6與缸筒內(nèi)壁均設(shè)有動(dòng)密封，缸底1和缸蓋10上分別設(shè)有第一油口2和第二油口11，所述第一油口2和第二油口11分別與液壓油系統(tǒng)相連，通過(guò)液壓油驅(qū)動(dòng)缸筒內(nèi)的活塞6兩邊滑動(dòng)；所述缸筒由金屬內(nèi)襯3在外表面覆蓋碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層4組成，所述碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層4是由強(qiáng)度在3500mpa以上的碳纖維材料為增強(qiáng)材料、熱固性樹(shù)脂為基體，采用濕法纏繞成型工藝制成。所述缸底1、缸蓋10、活塞6、緩沖套均由強(qiáng)度大于500mpa的高強(qiáng)度鋁合金制成，所述金屬內(nèi)襯3的材料為45#鋼，所述活塞桿9的材料為硬質(zhì)鍍鉻鋼。所述活塞6上的動(dòng)密封一7和活塞桿9上的動(dòng)密封二12均依照國(guó)標(biāo)選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件。

所述碳纖維材料為碳纖維原絲、碳纖維單向布和碳纖維窄帶布，所述碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層4的濕法成型工藝是指以碳纖維原絲為主，以碳纖維單向布、碳纖維窄帶布為輔的纏繞工藝；具體為：將碳纖維原絲、碳纖維單向布和碳纖維窄帶布先使用熱固性樹(shù)脂進(jìn)行浸膠，然后在張力控制下纏繞到作為芯模的金屬內(nèi)襯3上，最后經(jīng)固化脫模得到缸筒。

所述濕法成型工藝中，浸膠后碳纖維材料的纏繞方式為：在金屬內(nèi)襯3上的最底層采用碳纖維單向布纏繞，中間層采用碳纖維原絲纏繞，最外層采用碳纖維窄帶布纏繞；在最底層的碳纖維單向布纏繞層采用內(nèi)層無(wú)預(yù)緊力纏繞，纏繞角度為0°；對(duì)中間層的碳纖維原絲纏繞層施加預(yù)緊力，纏繞角度為45°至90°；最外層的碳纖維窄帶布纏繞層采用無(wú)預(yù)緊力纏繞，纏繞角度為90°；纏繞完成后經(jīng)過(guò)130至140℃加熱固化，脫模后碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層4和金屬內(nèi)襯3緊緊粘結(jié)在一起。

所述缸底1上設(shè)有緩沖密閉空間，活塞6靠近缸底1側(cè)設(shè)有與緩沖密閉空間配合的后緩沖套5。

所述金屬內(nèi)襯3是一種兩端內(nèi)部加厚的薄壁圓筒，薄壁圓筒與缸蓋10及缸底1均通過(guò)螺紋連接，所述螺紋為6級(jí)精度的細(xì)牙螺紋；所述金屬內(nèi)襯3中間段內(nèi)壁進(jìn)行表面處理，使其表面粗糙度粗糙度ra值在0.1至0.4之間；所述金屬內(nèi)襯3中間段內(nèi)壁表面處理方式為：先在金屬內(nèi)襯3中間段內(nèi)壁表面鍍鉻，鍍層厚度為30至40μm，鍍鉻后珩磨或拋光。

在缸蓋10和缸底1與薄壁圓筒螺紋配合擰緊前，在螺紋上加入樂(lè)泰粘膠劑，以提高螺紋連接可靠性。

所述熱固性樹(shù)脂采用酚醛樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂m03膠黏劑，熱固性樹(shù)脂在碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層4中的比例大于20%。

所述缸筒的碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層4外表面噴涂一層芳族聚酯纖維材料作為保護(hù)涂層。

所述活塞桿9表面經(jīng)過(guò)鍍鉻處理，鍍層厚度15至25μm；活塞6與活塞桿9連接孔徑采用h9級(jí)配合，活塞桿9的表面粗糙度ra為0.63至2.5μm；活塞6通過(guò)兩側(cè)的前緩沖套8、后緩沖套5與活塞桿9固定。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，可做出若干修改、改進(jìn)、替換，這些修改、改進(jìn)、替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。