气缸原理

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一.产品的性能及特点：

1.免润滑性：该产品采用含油自润滑轴承，使活塞杆无需

加油润滑；

2.耐久性：气缸本体、采用优质不锈钢、硬质氧化铝合金

材质，前后端盖经过阳极硬质氧化处理，不仅具有耐磨耐腐

蚀性，而且更显外观小巧精美；

3.可调缓冲性：该产品除了带有固定缓冲外，气缸终端还

带有可调缓冲，是气缸换向时平稳无冲击；

4.安装形式多样性：多种安装附件供客户根据使用要求来

选择；

5.耐高温性：可采用耐高温密封材料，使气缸在180°C

高温条件下正常工作（客户订货时需向本公司特殊说明订

购）；

6.附磁性：气缸活塞上装有一个永久磁铁，它可触发安装

在气缸上的感应开关来感应气缸的运动位置（客户订货时需

向本公司特殊说明订购）；

7.行程可调性：活塞杆端配有一个可调螺母，是气缸在其

行程范围内实现可调（推力F1=拉力F2）；

8.派生多样性：可在原来的基础上派生出多样化的非标产

品以此适合客户需要的各种使用要求。

气动执行元件和控制元件

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气动执行元件是一种能量转换装置，它是将压缩空气的

压力能转化为机械能，驱动机构实现直线往复运动、摆动、

旋转运动或冲击动作。气动执行元件分为气缸和气马达两大

类。气缸用于提供直线往复运动或摆动，输出力和直线速度

或摆动角位移。气马达用于提供连续回转运动，输出转矩和

转速。

气动控制元件用来调节压缩空气的压力流量和方向等，以保

证执行机构按规定的程序正常进行工作。气动控制元件按功

能可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。

气缸

一、气缸的工作原理、分类及安装形式

1.气缸的典型结构和工作原理

图1普通双作用气缸

1、3－缓冲柱塞2－活塞4－缸筒5－导向套6－防尘

圈7－前端盖8－气口9－传感器10－活塞杆11－耐

磨环12－密封圈13－后端盖14－缓冲节流阀

以气动系统中最常使用的单活塞杆双作用气缸为例来说

明，气缸典型结构如(图1)所示。它由缸筒、活塞、活塞杆、

前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分

成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。

当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力

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差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使

活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。

若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运

动。

2.气缸的分类

气缸的种类很多，一般按气缸的结构特征、功能、驱动方

式或安装方法等进行分类。分类的方法也不同。按结构特征，

气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种。按运动形式分

为直线运动气缸和摆动气缸两类。

3.气缸的安装形式气缸的安装形式可分为

1）固定式气缸气缸安装在机体上固定不动，有脚座式

和法兰式。

2）轴销式气缸缸体围绕固定轴可作一定角度的摆动，

有U形钩式和耳轴式。

3）回转式气缸缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴

作高速旋转运动。这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实

现工件的自动装卡。

4）嵌入式气缸气缸缸筒直接制作在夹具体内。

二、常用气缸的结构原理

1.普通气缸

包括单作用式和双作用式气缸。常用于无特殊要求的场合。

图2为最常用的单杆双作用普通气缸的基本结构，气缸一

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般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等零

件组成。

缸筒7与前后缸盖固定连接。有活塞杆侧的缸盖5为前缸

盖，缸底侧的缸盖14为后缸盖。在缸盖上开有进排气通口，

有的还设有气缓冲机构。前缸盖上，设有密封圈、防尘圈3，

同时还设有导向套4，以提高气缸的导向精度。活塞杆6与活

塞9紧固相连。活塞上除有密

封圈10，11防止活塞左右两腔相互漏气外，还有耐磨环12

以提高气缸的导向性；带磁性开关的气缸，活塞上装有磁环。

活塞两侧常装有橡胶垫作为缓冲垫8。如果是气缓冲，则活

塞

两侧沿轴线方向设有缓冲柱塞，同时缸盖上有缓冲节流阀和

缓冲套，当气缸运动到端头时，

图2普通双作用气缸

1，13－弹簧挡圈2－防尘圈压板3－防尘圈4－导向套

5－杆侧端盖6－活塞杆

7－缸筒8－缓冲垫9－活塞10－活塞密封圈11－

密封圈12－耐磨环14－无杆侧端盖

缓冲柱塞进入缓冲套，气缸排气需经缓冲节流阀，排气阻力

增加，产生排气背压，形成缓冲气垫，起到缓冲作用。

2.特殊气缸

图3薄膜气缸

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1－缸体2－膜片3－膜盘4－活塞杆

为了满足不同的工作需要，在普通气缸的基础上，通

过改变或增加气缸的部分结构，设计开发出多种特殊气缸。

（1）薄膜式气缸图3为膜片气缸的工作原理图。膜片

有平膜片和盘形膜片两种一般用夹织物橡胶、钢片或磷青

铜片制成，厚度为5～6mm（有用1～2mm厚膜片的）。

图13－3所示的膜片气缸的功能类似于弹簧复位的活塞式单

作用气缸，工作时，膜片在压缩空气作用下推动活塞杆运动。

它的优点是：结构简单、紧凑、体积小、重量轻、密封性好、

不易漏气、加工简单、成本低、无磨损件、维修方便等，适

用于行程短的场合。缺点是行程短，一般不超过50mm。平膜

片的行程更短，约为其直径的1/10。

（2）磁性开关气缸磁性开关气缸是指在气缸的活塞上安装

有磁环，在缸筒上直接安装磁性开关，磁性开关用来检测气

缸行程的位置，控制气缸往复运动。因此，就不需要在缸筒

上安装行程阀或行程开关来检测气缸活塞位置，也不需要在

活塞杆上设置挡块。

其工作原理如图13－4所示。它是在气缸活塞上安装永久磁

环，在缸筒外壳上装有舌簧开关。开关内装有舌簧片、保护

电路和动作指示灯等，均用树脂塑封在一个盒子内。当装有

永久磁铁的活塞运动到舌簧片附近，磁力线通过舌簧片使其

磁化，两个簧片被吸引接触，则开关接通。当永久磁铁返回

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离开时，磁场减弱，两簧片弹开，则开关断开。由于开关的

接通或断开，使电磁阀换向，从而实现气缸的往复运动。

图4磁性开关气缸

1－动作指示灯2－保护电路3－开关外壳4－导线5－活塞

6－磁环7－缸筒8－舌簧开关

气缸磁性开关与其它开关的比较见表3-1。

表3-1气缸磁性开关与其它开关的比较

开关形式

控制原

理

成本调整安装复杂性

磁性开关

磁场变

化

低方便，不占位置

行程开关

机械触

点

低麻烦，占位置

接近开关

阻抗变

化

高麻烦，占位置

光电开关

光的变

化

高麻烦，占位置

（3）带阀气缸带阀气缸是由气缸、换向阀和速度控制阀等

组成的一种组合式气动执行元件。它省去了连接管道和管接

头，减少了能量损耗，具有结构紧凑，安装方便等优点。带

阀气缸的阀有电控、气控、机控和手控等各种控制方式。阀

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的安装形式有安装在气缸尾部、上部等几种。如图5所示，

电磁换向阀安装在气缸的上部，当有电信号时，则电磁阀被

切换，输出气压可直接控制气缸动作。

图5带阀组合气缸

1－管接头2－气缸3－气管4－电磁换向阀5－换向阀底板6

－单向节流阀组合件7－密封圈。

（4）带导杆气缸图6为带导杆气缸，在缸筒两侧配导向用

的滑动轴承（轴瓦式或滚珠式），因此导向精度高，承受横

向载荷能力强。

图6典型带导杆气缸的结构

（5）无杆气缸无杆气缸是指利用活塞直接或间接方式连接

外界执行机构，并使其跟随活塞实现往复运动的气缸。这种

气缸的最大优点是节省安装空间。

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1）磁性无杆气缸活塞通过磁力带动缸体外部的移动体做

同步移动，其结构如图7所示。它的工作原理是：在活塞上

安装一组高强磁性的永久磁环，磁力线通过薄壁缸筒与套在

外面的另一组磁环作用，由于两组磁环磁性相反，具有很强

的吸力。当活塞在缸筒内被气压推动时，则在磁力作用下，

带动缸筒外的磁环套一起移动。气缸活塞的推力必须与磁环

的吸力相适应。

图7磁性无杆气缸

1－套筒2－外磁环3－外磁导板4－内磁环5－内磁导板

6－压盖7－卡环8－活塞9－活塞轴10－缓冲柱塞11－

气缸筒12－端盖13－进、排气口

2）机械接触式无杆气缸称机械接触式无杆气缸，其结构如

图8所示。在气缸缸管轴向开有一条槽，活塞与滑块在槽上

部移动。

为了防止泄漏及防尘需要，在开口部采用聚氨脂密封带和防

尘不锈钢带固定在两端缸盖上，活塞架穿过槽，把活塞与滑

块连成一体。活塞与滑块连接在一起，带动固定在滑块上的

执行机构实现往复运动。

这种气缸的特点是：1)与普通气缸相比，在同样行程下可

缩小1/2安装位置；2)不需设置防转机构；3)适用于缸径10～

80mm，最大行程在缸径≥40mm时可达7m；4)速度高，标准

型可达0.1～0.5m/s；高速型可达到0.3～3.0m/s。

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其缺点是：1)密封性能差，容易产生外泄漏。在使用三位阀

时必须选用中压式；2)受负载力小，为了增加负载能力，必

须增加导向机构。

图8机械接触式无杆气缸

l－节流阀2－缓冲柱塞3－密封带4－防尘不锈钢带5－活

塞6－滑块7－活塞架

（6）锁紧气缸带有锁紧装置的气缸称为锁紧气缸。按锁

紧位置分为行程末端锁紧型和任意位置锁紧型。

1）行程末端锁紧型气缸如图9所示，当活塞运动到行程末

端，气压释放后，锁定活塞1在弹簧力的作用下插入活塞杆

的卡槽中，活塞杆被锁定。供气加压时，锁定活塞1缩回退

出卡槽而开锁，活塞杆便可运动。

图9带端锁气缸的结构原理

a）手动解除非锁式b）手动解除锁式。

1－锁定活塞2－橡胶帽3，12－帽4－缓冲垫圈5－锁用弹簧6

－密封件7－导向套8－螺钉9－旋钮10－弹簧11－限位环

2）任意位置锁紧型气缸按锁紧方式可分为卡套锥面式、

弹簧式和偏心式等多种形式。卡套锥面式锁紧装置由锥形制

动活塞6、制动瓦1、制动臂4和制动弹簧7等构成，其结构原

理如图10所示。作用在锥状锁紧活塞上的弹簧力由于楔的作

用而被放大，再由杠杆原理得到放大。这个放大的作用力作

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用在制动瓦1上，把活塞杆锁紧。要释放对活塞的锁紧，向

供气口A′供应压缩空气，把锁紧弹簧力撤掉。

图10制动气缸制动装置工作原理

a）自由状态b）锁紧状态l－制动瓦2－制动瓦座3－转轴4

－制动臂5－压轮6－锥形制动活塞7－制动弹簧

（7）气动手爪气动手爪这种执行元件是一种变型气缸。它

可以用来抓取物体，实现机械手各种动作。在自动化系统中，

气动手爪常应用在搬运、传送工件机构中抓取、拾放物体。

图11平行开合手指

气动手爪有平行开合手指（如图11所示）、肘节摆动开合手

爪、有两爪、三爪和四爪等类型，其中两爪中有平开式和支

点开闭式驱动方式有直线式和旋转式。

气动手爪的开闭一般是通过由气缸活塞产生的往复直线运

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动带动与手爪相连的曲柄连杆、滚轮或齿轮等机构，驱动各

个手爪同步做开、闭运动。

（8）气液阻尼缸气缸以可压缩空气为工作介质，动作快，

但速度稳定性差，当负载变化较大时，容易产生“爬行”或

“自走”现象。另外，压缩空气的压力较低，因而气缸的输

出力较小。为此，经常采用气缸和油缸相结合的方式，组成

各种气液组合式执行元件，以达到控制速度或增大输出力的

目的。

气液阻尼缸是利用气缸驱动油缸，油缸除起阻尼作用外，还

能增加气缸的刚性（因为油是不可压缩的），发挥了液压传

动稳定、传动速度较均匀的优点。常用于机床和切削装置的

进给驱动装置。

串联式气液阻尼缸的结构如图12所示。它采用一根活塞杆将

两活塞串在一起，油缸和气缸之间用隔板隔开，防止气体串

入油缸中。当气缸左端进气时，气缸将克服负载阻力，带动

油缸向右运动，调节节流阀开度就能改变阻尼缸活塞的运动

速度。

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图12气液阻尼缸

（10）摆动气缸摆动气缸是一种在小于360°角度范围内做

往复摆动的气缸，它是将压缩空气的压力能转换成机械能，

输出力矩使机构实现往复摆动。摆动气缸按结构特点可分为

叶片式和活塞式两种。

1）叶片式摆动气缸单叶片式摆动气缸的结构原理如图13

所示。它是由叶片轴转子（即输出轴）、定子、缸体和前后

端盖等部分组成。定子和缸体固定在一起，叶片和转子联在

一起。在定子上有两条气路，当左路进气时，右路排气，压

缩空气推动叶片带动转子顺时针摆动。反之，作逆时针摆动。

叶片式摆动气缸体积小，重量最轻，但制造精度要求高，

密封困难，泄漏是较大，而且动密封接触面积大，密封件的

摩擦阻力损失较大，输出效率较低，小于80%。因此，在应

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用上受到限制，一般只用在安装位置受到限制的场合，如夹

具的回转，阀门开闭及工作台转位等。

图13单叶片式摆动气缸工作原理图

1－叶片2－转子3－定子4－缸体

2）活塞式摆动气缸活塞式摆动气缸是将活塞的往复运动通

过机构转变为输出轴的摆动运动。按结构不同可分为齿轮齿

条式、螺杆式和曲柄式等几种。

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图14齿轮齿条式摆动气缸结构原理

1－齿条组件2－弹簧柱销3－滑块4－端盖5－缸体6－轴承7

－轴8－活塞9－齿轮

齿轮齿条式摆动气缸是通过连接在活塞上的齿条使齿轮回

转的一种摆动气缸，其结构原理如图14所示。活塞仅作往复

直线运动，摩擦损失少，齿轮传动的效率较高，此摆动气缸

效率可达到95%左右。

三、气缸的技术参数

1）气缸的输出力气缸理论输出力的设计计算与液压缸类

似，可参见液压缸的设计计算。如双作用单活塞杆气缸推力

计算如下：

理论推力（活塞杆伸出）

Ft1＝A1p

理论拉力（活塞杆缩回）

Ft2＝A2p

式中Ft1、Ft2——气缸理论输出力（N）；

A1、A2——无杆腔、有杆腔活塞面积（m2）；

p—气缸工作压力（Pa）。

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

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缸的实际输出力。

气缸的效率h是气缸的实际推力和理论推力的比值，即

所以

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。

2）负载率β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

气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载

率q，则由定义就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算

气缸的缸径。

对于阻性负载，如气缸用作气动夹具，负载不产生惯性力，

一般选取负载率β为0.8；对于惯性负载，如气缸用来推送

工件，负载将产生惯性力，负载率β的取值如下

β＜0.65当气缸低速运动，v＜100mm/s时；

β＜0.5当气缸中速运动，v＝100～500mm/s时；

β＜0.35当气缸高速运动，v＞500mm/s时。

3）气缸耗气量气缸的耗气量是活塞每分钟移动的容积，

称这个容积为压缩空气耗气量，一般情况下，气缸的耗气量

是指自由空气耗气量。

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4）气缸的特性气缸的特性分为静态特性和动态特性。气

缸的静态特性是指与缸的输出力及耗气量密切相关的最低

工作压力、最高工作压力、摩擦阻力等参数。气缸的动态特

性是指在气缸运动过程中气缸两腔内空气压力，温度，活塞

速度、位移等参数随时间的变化情况。它能真实地反映气缸

的工作性能。

四、气缸的选型及计算

1.气缸的选型步骤

气缸的选型应根据工作要求和条件，正确选择气缸的类

型。下面以单活塞杆双作用缸为例介绍气缸的选型步骤。

（1）气缸缸径。根据气缸负载力的大小来确定气缸的输出

力，由此计算出气缸的缸径。

（2）气缸的行程。气缸的行程与使用的场合和机构的行程

有关，但一般不选用满行程。

（3）气缸的强度和稳定性计算

（4）气缸的安装形式。气缸的安装形式根据安装位置和使

用目的等因素决定。一般情况下，采用固定式气缸。在需要

随工作机构连续回转时（如车床、磨床等），应选用回转气

缸。在活塞杆除直线运动外，还需作圆弧摆动时，则选用轴

销式气缸。有特殊要求时，应选用相应的特种气缸。

（5）气缸的缓冲装置。根据活塞的速度决定是否应采用缓

冲装置。

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（6）磁性开关。当气动系统采用电气控制方式时，可选用

带磁性开关的气缸。

（7）其它要求。如气缸工作在有灰尘等恶劣环境下，需在

活塞杆伸出端安装防尘罩。要求无污染时需选用无给油或无

油润滑气缸。

2.气缸直径计算

气缸直径的设计计算需根据其负载大小、运行速度和系

统工作压力来决定。首先，根据气缸安装及驱动负载的实际

工况，分析计算出气缸轴向实际负载F，再由气缸平均运行

速度来选定气缸的负载率q，初步选定气缸工作压力（一般

为0.4MPa～0.6MPa），再由F／q，计算出气缸理论出力Ft，

最后计算出缸径及杆径，并按标准圆整得到实际所需的缸径

和杆径。

例题气缸推动工件在水平导轨上运动。已知工件等运

动件质量为m＝250kg，工件与导轨间的摩擦系数m＝0.25，

气缸行程s为400mm，经1.5s时间工件运动到位，系统工作

压力p=0.4MPa，试选定气缸直径。

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