CN108708886A - 单缸单活塞式倍力节能缸及作动模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单缸单活塞式倍力节能缸及作动模块，其中，单缸单活塞式倍力节能缸包括缸体、活塞及活塞杆，所述活塞将所述缸体的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔与拉力作动腔，所述活塞杆穿过所述拉力作动腔并向前穿出至所述缸体的外部，所述拉力作动腔内设有倍力节能高刚度压缩弹簧构成拉力型倍力节能缸，或者所述推力作动腔内设有倍力节能高刚度压缩弹簧构成推力型倍力节能缸。该倍力节能缸的输出力接近于现有的双缸双活塞二倍力缸，返回行程节能效果极为显著，绿色化特征明显；同时，该单缸单活塞倍力节能缸，较现有的二倍力缸结构简单，轴向尺寸小，制造成本低，安装调整方便，大幅度提高现有倍力缸的技术经济指标。

Description

单缸单活塞式倍力节能缸及作动模块

技术领域

本发明涉及一种单缸单活塞式倍力节能缸及作动模块。

背景技术

人们为了减小气缸与液压缸，特别是气缸的径向尺寸，会选择采用倍力缸(也称串联缸)，因为采用二倍力缸能够使缸径缩小40％左右，多倍力缸能够使缸径缩小更多。

附图1是现有双作用二倍力气缸的结构原理图。由图中可见，后活塞杆5’与前活塞10’固联。当作为拉力缸使用时，其工作原理是：工作行程时，压力气体通过前活塞拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔21’与后活塞拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔17’，同时进入前活塞拉力作动腔20’与后活塞拉力作动腔16’，拉动后活塞4’-后活塞杆5’-前活塞10’-前活塞杆11’，一起向左运动，由前活塞杆11’输出拉力做功。

拉力计算公式为F_拉＝π(D²-d²)P/2(其中D为活塞直径，d为活塞杆直径，P为系统压力)。而普通缸的输出拉力为π(D²-d²)P/4。所以，图1所示二倍力缸的输出拉力，是普通缸输出拉力的2倍。

设该气缸的工作行程为L_工作，则工作行程耗能的计算公式为E_工作＝π(D²-d²)L_工作P/2。L_工作＝L_max时，气缸工作行程的耗能最大，E_工作max＝π(D²-d²)L_工作maxP/2。

返回行程时，压力气体通过后活塞推力作动腔气管管接头螺纹适配孔1-14’与前活塞推力作动腔气管管接头螺纹适配孔1-18’，同时进入后活塞推力作动腔15’与前活塞推力作动腔19’，推动后活塞4’-后活塞杆5’-前活塞10’-前活塞杆11’，一起向右运动，返回原始位置。当返回原始位置停止运动时，后活塞推力作动腔15’与前活塞推力作动腔19’的气体压力均为系统额定压力P。

设该气缸的最大行程为L_max，则返回行程耗能计算公式为E_返回＝πD²L_maxP/2。对比工作行程与返回行程耗能的计算公式，很明显L_max≥L_工作，而D²﹥(D²-d²)，因此返回行程耗能E_返回大于工作行程耗能E_工作。二者之差为E_返回-E_工作＝π(D²L_max-D²L_工作+d²L_工作)P/2。而返回行程只需要克服相关部位的摩擦力，所需消耗的能量是极少的。因此，现有的双作用倍力气缸，能量浪费极为严重。

气缸一个往复行程消耗的能量为E＝E_工作+E_返回＝π(D²-d²)L_工作P/2+πD²L _max P/2。当L_工作＝L_max时，气缸一个往复行程消耗的能量最大，为E_max＝E_工作max+E_返回＝π(D²-d²)L_工作maxP/2+πD²L_maxP/2＝πD²L_maxP-πd²L_工作maxP/2。

很明显，改变二位四通换向阀的控制顺序，附图1所示现有输出拉力的双作用二倍力气缸，就成为输出推力的双作用二倍力气缸。但是，其返回行程耗能过多的根本原因并没有消除。造成现有双作用气缸能量严重浪费的根本原因，在于返回行程耗能过多。而返程耗能过多的物理学原因，则是因为拉力缸的推力作动腔能量利用率极低，而推力缸的拉力作动腔能量利用率极低。

为了降低现有双作用倍力缸返回行程的耗能，人们自然会想到采用单作用倍力缸。附图2所示即为现有单作用二倍拉力气缸的结构原理图，与附图1所示双作用倍力缸结构不同的是，在某一个或两个推力作动腔内设有低刚度复位弹簧(图示为在前活塞推力作动腔19’内部设有低刚度复位弹簧23’)，采用二位三通阀换向阀进行单作用控制，相应的后活塞推力作动腔气管管接头螺纹适配孔与前活塞推力作动腔气管管接头螺纹适配孔，改为空气呼吸孔。

工作行程时，二位三通阀换向阀22’左位工作，压力气体通过前活塞拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔21’与后活塞拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔17’，同时进入前活塞拉力作动腔20’与后活塞拉力作动腔16’，拉动后活塞-后活塞杆-前活塞-前活塞杆，克服低刚度复位弹簧23’的作用力，一起向左运动，由前活塞杆11’输出拉力做功。这个过程中，后活塞推力作动腔15’与前活塞推力作动腔19’，内部容积不断变小，那一部分空气便通过后活塞推力作动腔空气呼吸孔2-14’与前活塞推力作动腔空气呼吸孔2-18’，排入大气。

拉力F_拉与工作行程耗能E_工作计算公式，与图附1所示气缸完全相同，即F_拉＝π(D²-d²)P/2-F_弹，E_工作＝π(D²-d²)L_工作P/2。

返回行程时，二位三通阀换向阀22’切换至右位工作，后活塞拉力作动腔16’与前活塞拉力作动腔20’同时通向大气，在低刚度复位弹簧23’作用力下，后活塞-后活塞杆-前活塞-前活塞杆，一起向右运动返回原始位置。在这个过程中，后活塞推力作动腔15’与前活塞推力作动腔19’，内部容积不断变大，便通过后活塞推力作动腔空气呼吸孔2-14’与前活塞推力作动腔空气呼吸孔2-18’，吸入空气。

图2所示单作用二倍拉力气缸，返回行程也需要耗能。如果忽略摩擦力，返回行程的耗能等于工作行程时低刚度复位弹簧受到压缩时所积蓄的势能。但是，由于复位弹簧的刚度极低，复位弹簧作用力相对于气缸的总推力与总拉力很小，所以返回行程耗能在工程计算上可以忽略不计。

由于E_返回≈0，所以气缸一个往复行程消耗的能量为E≈π(D²-d²)L_工作P/2。而图1所示倍力气缸一个往复行程消耗的能量为E＝E_工作+E_返回＝π(D²-d²)L_工作P/2+πD²L_max P/2。节能量为E_返回＝πD²L_max P/2，大于工作行程耗能。

因此，图2所示单作用二倍拉力气缸，与图1所示双作用二倍拉力气缸相比，可以节能50％以上。

很明显，如果把低刚度复位弹簧23’移动到前活塞拉力作动腔20’内部，并对空气呼吸孔与气管管接头螺纹适配孔做相应改变，则图2所示单作用二倍拉力气缸，就变为单作用二倍推力气缸。

通过进行深入的技术功能与价值工程分析，可以发现图1、图2所示现有二倍力缸，具有下列突出的技术缺陷：

(1)二倍力气缸、液压缸，必须具有前、后2只缸筒及前、后2只活塞，轴向尺寸大，结构复杂拖沓，联接装配不便，总体体积大；

(2)具有后活塞推力作动腔、后活塞拉力作动腔、前活塞推力作动腔与前活塞拉力作动腔一共4个腔，并具备相应的4个气管管接头螺纹适配孔或空气呼吸孔，不仅自身结构复杂，而且外部管路布置也甚为不便，还需要增加三通接头等附件，总体制造成本高，安装调整费时费力；

(3)双作用倍力缸返回行程耗能过多，能量浪费严重；

(4)由于各个作动腔的气管管接头螺纹适配孔，与油管气管管接头螺纹适配孔标准不同，所以不能与油管管接头通用适配，因而造成图1、图2所示二倍力缸，仅能用于气压传动而不能用于液压传动；

(5)单作用倍力缸虽然解决了双作用倍力缸返回行程耗能过多的问题，相对于双作用倍力缸可以节能50％以上，但同时却带来了两个严重弊病：一是后活塞推力作动腔15’与前活塞推力作动腔19’，必须设有相应的空气呼吸孔2-14’、2-18’，以保证活塞-活塞杆来回运动时，推力作动腔内部的空气能够自由排出或吸入。但是，空气呼吸孔2-14’、2-18’的存在，必然导致空气中的粉尘等杂质异物吸入推力作动腔15’、19’内部，并进入前后活塞的动密封摩擦副13’、7’，这无疑会显著缩短缸的使用寿命；二是设置低刚度复位弹簧的推力作动腔，由于复位弹簧需要占用轴向空间而纵向尺寸变大。单作用倍力缸由于存在上述严重弊病，造成在工业领域几乎没有应用；

(6)现有的气缸与液压缸，无论是单纯缸还是倍力缸，都是具有完整功能的执行元件。所谓完整功能，是指该执行元件不仅具有核心的作动功能，而且具有辅助的与流体进排管路管接头适配的螺纹孔及内部流体通道。具体表现在结构方面，是所有的气缸与液压缸都具有密闭的后端盖，与流体进排管路管接头适配的螺纹孔设于后端盖或缸体上。然而，在绝大多数应用场合中，使用者所需要的仅仅是核心的作动部分，辅助的流体进排管路管接头适配的螺纹孔，完全可以设于气缸、液压缸所安装的相关机器的本体上。因此，现有的具有完整功能的气缸与液压缸，在辅助功能方面存在实质性冗余，毫无必要地推高了制造成本。如果将核心的作动部分设计成为气动液压通用或基本通用的作动模块，则能够适应现代制造业对流体传动元件提出通用化、柔性化、模块化、大批量、低成本、个性化定制的要求。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种单缸单活塞拉力型双作用倍力节能缸。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单缸单活塞拉力型双作用倍力节能缸，包括缸体、活塞及活塞杆，所述活塞将所述缸体的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔与拉力作动腔，所述活塞杆穿过所述拉力作动腔并向前穿出至所述缸体的外部，所述拉力作动腔内设有倍力节能高刚度压缩弹簧。

优选地，所述倍力节能高刚度压缩弹簧套设在所述活塞杆上并完全地收容在所述拉力作动腔中。

进一步地，所述缸体包括缸筒、前端盖及后端盖，所述倍力节能高刚度压缩弹簧的两端分别抵挡在所述活塞与所述前端盖上。

本发明的第二目的是提供一种单缸单活塞推力型双作用倍力节能缸。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单缸单活塞推力型双作用倍力节能缸，包括缸体、活塞及活塞杆，所述活塞将所述缸体的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔与拉力作动腔，所述活塞杆穿过所述拉力作动腔并向前穿出至所述缸体的外部，所述推力作动腔内设有倍力节能高刚度压缩弹簧。

优选地，所述活塞与所述活塞杆上开设有内孔，所述内孔与所述推力作动腔连通，所述倍力节能高刚度压缩弹簧全部或者部分地设于所述内孔中。

进一步地，所述缸体至少具有缸筒与后端盖，所述推力作动腔中还设有弹簧导柱，所述弹簧导柱的后端固接在所述后端盖上，所述弹簧导柱的前端能够相对滑动地穿设在所述内孔中，所述倍力节能高刚度压缩弹簧套设在所述弹簧导柱上，且所述倍力节能高刚度压缩弹簧抵挡在所述后端盖与所述内孔的前侧孔壁之间。

作为另一种具体的实施方式，所述缸体至少具有缸筒与后端盖，所述推力作动腔中还设有弹簧座，所述弹簧座的后端固接于所述后端盖上，所述弹簧座的前端滑动配合地穿设在所述内孔中，所述弹簧座上还开设有连通所述推力作动腔与所述内孔的液流通道，所述倍力节能高刚度压缩弹簧完全收容在所述内孔中且其两端分别抵挡在所述弹簧座与所述内孔的前侧孔壁之间。

本发明的第三目的是提供一种单缸单活塞双作用倍力节能缸的作动模块，从而可以直接加载在相关机器本体上形成液压或气压传动装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单缸单活塞双作用倍力节能缸的作动模块，包括通孔接口元件、活塞及活塞杆，所述活塞将所述通孔接口元件的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔与拉力作动腔，所述活塞杆穿过所述拉力作动腔并向前穿出至所述通孔接口元件的外部，所述作动模块还包括设于所述拉力作动腔或者所述推力作动腔内的倍力节能高刚度压缩弹簧，其中，所述通孔接口元件为后端非封闭的结构。

优选地，所述活塞与所述活塞杆上还开设有连通所述推力作动腔的内孔，所述倍力节能高刚度压缩弹簧全部或部分收容在所述内孔中。

优选地，所述通孔接口元件上开设有自其后端向前延伸并与所述拉力作动腔相连通的导流通道。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、创新设计的只有1只缸筒、1只活塞的单缸单活塞倍力节能缸，其输出力接近于现有的双缸双活塞二倍力缸，返回行程节能效果极为显著，绿色化特征明显；同时，该单缸单活塞倍力节能缸，较现有的二倍力缸结构简单，轴向尺寸小，制造成本低，安装调整方便，大幅度提高现有倍力缸的技术经济指标；

2、该单缸单活塞倍力节能缸，从结构与原理方面，彻底解决了现有的单作用二倍力缸，由于相关作动腔必须设有空气呼吸孔而导致杂质异物进入动密封摩擦副，而显著缩短使用寿命的问题；

3、创新设计的单缸单活塞倍力节能缸作动模块及基于该作动模块的气动、液压传动装置，解决了现有完整功能的气缸、液压缸存在的辅助功能冗余问题，能够较好地适应现代制造业对流体传动元件提出绿色化、通用化、柔性化、模块化、大批量、低成本、个性化定制要求的问题。

附图说明

附图1为背景技术中现有双作用二倍力气缸的结构原理图；

附图2为背景技术中现有的单作用二倍拉力气缸；

附图3为本发明的单缸单活塞拉力型双作用倍力节能缸的结构原理图；

附图4为本发明的单缸单活塞推力型双作用倍力节能缸的结构原理图；

附图5本发明的单缸单活塞双作用倍力节能缸的作动模块的安装使用示意图；

其中：1’、后端盖；2’、后缸筒；3’、后活塞滑动密封摩擦副；4’、后活塞；5’、后活塞杆；6’、中盖；7’、后活塞杆滑动密封摩擦副；8’、前缸筒；9’、前活塞滑动密封摩擦副；10’、前活塞；11’、前活塞杆；12’、前端盖；13’、前活塞杆滑动密封摩擦副；1-14’、2-14’、后活塞推力作动腔气管管接头螺纹适配孔；15’、后活塞推力作动腔；16’、后活塞拉力作动腔；17’、后活塞拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔；1-18’、2-18’、前活塞推力作动腔气管管接头螺纹适配孔；19’、前活塞推力作动腔；20’、前活塞拉力作动腔；21’、前活塞拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔；22’、二位四通换向阀；

1、后端盖；2、缸筒；3、活塞动密封摩擦副；4、活塞；5、活塞杆；6、倍力节能高刚度压缩弹簧；7、前端盖；8、活塞杆动密封摩擦副；9、推力作动腔气管管接头螺纹适配孔；10、推力作动腔；11、拉力作动腔；12、拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔；13、二位四通换向阀；14、弹簧导柱；15、工件；16、内孔；

100、相关机器本体：101、拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔；102、固定本体；103、推力作动腔气管管接头螺纹适配孔；200、二位四通换向阀；300、紧固螺栓；400、推力型双作用倍力节能气动作动模块：41、拉力作动腔静密封圈；42、导流通道；43、推力作动腔静密封圈；44、通孔接口元件；45、活塞动密封圈；46、活塞；47、活塞杆；48、活塞杆动密封圈；49、倍力节能高刚度压缩弹簧；410、弹簧座；411、推力作动腔；412、拉力作动腔；413、推力作动内腔；414、液流通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

实施例1

参见图3所示的一种单缸单活塞拉力型双作用倍力节能缸，其包括缸体、活塞4及活塞杆5，活塞4将缸体的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔10与拉力作动腔11，活塞杆5穿过拉力作动腔11并向前穿出至缸体的外部，拉力作动腔11内还设有倍力节能高刚度压缩弹簧6。

具体地，参见图3所示，缸体包括中空状的缸筒2、前端盖7及后端盖1，前端盖7与后端盖1分别固定连接在缸筒2的前后两端。活塞4的外周部通过活塞动密封摩擦副3与缸筒2的内腔滑动密封地配合；前端盖7上开设有供活塞杆5滑动配合地穿过的通孔，活塞杆5的外侧周部与该通孔之间通过活塞杆动密封摩擦副8予以滑动密封副配合。前端盖7上开设有与拉力作动腔11连通的拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔12，后端盖9上开设有与推力作动腔10连通的推力作动腔气管管接头螺纹适配孔9。

本实施例中，倍力节能高刚度压缩弹簧6套设在活塞杆5上并完全地收容在拉力作动腔11中，该倍力节能高刚度压缩弹簧6的两端分别抵挡在活塞4与前端盖7上。

本实施例的单缸单活塞拉力型双作用倍力节能缸，其工作原理是(以下以气动驱动为例予以阐述)：

非工作状态时，在倍力节能高刚度压缩弹簧6的作用力下，活塞4-活塞杆5处于最左端原始位置。开始工作时，首先让二位四通换向阀13左位工作，压力气体通过推力作动腔气管管接头螺纹适配孔9进入推力作动腔10内部，克服倍力节能高刚度压缩弹簧6的作用力，将活塞4-活塞杆5推动到右端。

当进入图示工作行程时，二位四通换向阀13切换到右位工作，压力气体通过拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔12进入拉力作动腔11内部。在压力气体与倍力节能高刚度压缩弹簧6的共同作用下，活塞4-活塞杆5向左运动并产生总拉力F_拉。其中：压力气体产生的拉力为π(D²-d²)P/4(D为活塞直径，d为活塞杆直径，P为系统压力)，倍力节能高刚度压缩弹簧3产生的力为F_弹拉，因此，总拉力F_拉＝π(D²-d²)P/4+F_弹拉。

通过精确设计倍力节能高刚度压缩弹簧6的刚度，F_弹拉可以非常接近甚至略大于压力气体产生的拉力π(D²-d²)P/4，因此总拉力F_拉可以非常接近甚至略高于π(D²-d²)P/2，与图1、图2所示现有拉力型倍力气缸总拉力相近。

例如：活塞直径D＝25mm，活塞杆直径d＝14mm，系统额定压力P＝0.7MPa的气缸，图1、图2所示现有二倍力气缸的额定拉力为π(D²-d²)P/2＝π(25²-14²)×0.7/2＝472(N)。本发明拉力型双作用约二倍力节能气缸，其压力气体产生的额定拉力为π(D²-d²)P/4＝π(25²-14²)×0.7/4＝236(N)，气缸推力腔可产生的额定推力为πD²P/4＝π×25²×0.7/4＝344(N)，这意味着倍力节能高刚度压缩弹簧6的最大反力不能大于344N。

取GB/T2089中的20×3的高刚度压缩弹簧，其试验负荷F_n＝333N，若将最小弹簧力F_弹拉min控制在F_弹拉min≥260N，则本实施例的拉力型双作用约二倍力节能气缸的输出拉力为，F_拉＝π(D²-d²)P/4+F_弹拉≥236+260＝496(N)，略大于压力气体额定拉力的2倍，是图1、图2所示现有二倍力气缸额定拉力的1.05倍。当然，设计出略小于压力气体额定拉力2倍力的倍力节能气缸，更为容易。

设输出力F_拉＝2×π(D²-d²)，这就意味着，达到同样的输出力，采用传统的单缸单活塞推力缸，在活塞、活塞杆直径比D/d相同的条件下，所需要的缸径 缸径扩大到1.414倍，意味着体积扩大1.4142≈2倍。

返回行程时，再让二位四通换向阀13切换到左位工作，压力气体通过推力作动腔气管管接头螺纹适配孔9进入推力作动腔10内部，克服倍力节能高刚度压缩弹簧6的作用力，将活塞4-活塞杆5推动到右端。

图3所示本实施例的拉力型双作用倍力节能气缸，工作行程耗能的计算公式为E_工作＝π(D²-d²)(L_工作+L_弹簧)P/4。其中，L_弹簧为倍力节能高刚度压缩弹簧6所占据的轴向长度尺寸。一般条件下，L_弹簧≈L_工作，因此，E_工作＝π(D²-d²)(L_工作+L_弹簧)P/4≈π(D²-d²)L_工作P/2。与图1所示现有双作用倍力气缸相当。

图3所示本实施例的单缸单活塞拉力型双作用倍力节能气缸，返回行程耗能的计算公式为E_返回＝πD²L_maxP/4，是图1所示现有双作用倍力气缸的1/2，返回行程节能效果极为显著。

实施例2

参见图4所示的一种单缸单活塞推力型双作用倍力节能缸，包括缸体、活塞4及活塞杆5，活塞4将缸体的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔10与拉力作动腔11，活塞杆5穿过拉力作动腔11并向前穿出至缸体的外部，推力作动腔10内还设有倍力节能高刚度压缩弹簧6。

具体地，参图4所示，缸体包括中空状的缸筒2，以及分别固设于缸筒2前后两端的前端盖7与后端盖1，活塞4的外周部通过活塞动密封摩擦副3与缸筒2的内腔滑动密封地配合；前端盖7上开设有供活塞杆5滑动配合地穿过的通孔，活塞杆5的外侧周部与该通孔之间通过活塞杆动密封摩擦副8予以滑动密封地配合。前端盖7上或缸筒1的前端部开设有与拉力作动腔11连通的拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔12，后端盖9上或缸筒1的后端部开设有与推力作动腔10连通的推力作动腔气管管接头螺纹适配孔9。

参见图4所示，本实施例中，活塞4与活塞杆5上开设有内孔16，该内孔16与推力作动腔10连通，倍力节能高刚度压缩弹簧6部分地收容在该内孔16中。推力作动腔10中还设有弹簧导柱14，该弹簧导柱的后端固接在后端盖1上，弹簧导柱14的前端能够相对滑动地穿设在内孔16中，倍力节能高刚度压缩弹簧6套设在弹簧导柱14上，且其两端抵挡在后端盖1与上述内孔16的前侧孔壁之间。这样可显著缩短推力作动腔10的轴向尺寸。

在其他的一些实施例中，还可以将倍力节能高刚度压缩弹簧6全部地收容在上述内孔16中，无图示(可参照附图5)，具体为，在推力作动腔10中还设置弹簧座，弹簧座的后端固接于后端盖1上，弹簧座的前端则滑动配合地穿设在内孔16中，弹簧座上还开设有连通推力作动腔10与内孔16的液流通道，倍力节能高刚度压缩弹簧6完全地收容在内孔16中且其两端分别抵挡在弹簧座的前端与内孔16的前侧孔壁之间。

本实施例的单缸单活塞推力型双作用倍力节能缸，其工作原理是(以下以气动驱动为例予以阐述)：

非工作状态时，二位四通换向阀13处于左位，在倍力节能高刚度压缩弹簧6推力的作用下，活塞4-活塞杆5处于最右端原始位置。开始工作时，首先让二位四通换向阀13右位工作，压力气体通过拉力作动腔11的气管管接头螺纹适配孔12进入拉力作动腔11内部，克服倍力节能高刚度压缩弹簧6的作用力，将活塞4-活塞杆7拉动到左端。

当进入图示工作行程时，二位四通换向阀13切换到左位工作，压力气体通过推力作动腔气管管接头螺纹适配孔9进入推力作动腔10内部，在压力气体与倍力节能高刚度压缩弹簧6的共同作用下，活塞4-活塞杆5向右运动并输出总推力F_推，以向工件15输出推力。

总推力F_推等于压力气体推力πD²P/4与弹簧推力F_弹推之和，即F_推＝πD²P/4+F_弹推。通过精确协调设计活塞4、活塞杆5的直径及倍力节能高刚度压缩弹簧6的刚度，F_弹推可以达到压力气体推力πD²P/4的60％～80％，即总推力F_推是压力气体推力πD²P/4的1.6～1.8倍，比图1、图2所示现有的二倍力缸略低。具体弹簧刚度等参数选择从略。

设输出力F_推＝1.7×πD²P/4，这就意味着，达到同样的输出力，采用传统的单缸单活塞推力缸，所需要的缸径缸径扩大到1.304倍，意味着体积扩大1.304²≈1.7倍。

返回行程时，再次让二位四通换向阀13右位工作，压力气体通过拉力作动腔11的气管管接头螺纹适配孔12进入拉力作动腔11内部，克服倍力节能高刚度压缩弹簧6的作用力，将活塞4-活塞杆5再拉动到左端。

图4所示本实施例单缸单活塞推力型双作用倍力节能气缸返回行程的耗能，也是图1所示现有的二倍力气缸的1/2，返回行程节能效果极为显著。

由于图3所示的实施例1的气缸、与图4所示的实施例2的气缸的输出力，与图1、图2所示现有的双缸双活塞二倍力气缸接近，且返回行程具有非常明显的节能效果，所以可称之为单缸单活塞双作用约二倍力节能气缸。

如果从技术功能与经济指标方面来进行全面的分析，可以发现图3、图4单缸单活塞双作用倍力节能缸，相对于图1、图2所示现有的二倍力缸，具有实质性的技术创新与技术经济指标的大幅度跃升。概括起来主要有以下三点：

首先，仅仅采用1只缸筒和1只活塞，其输出力约为现有的具有双缸双活塞的二倍力缸的输出力，但是结构大为简化，安装调整极为方便，轴向尺寸大幅度减小，制造成本显著降低；其次，返回行程耗能是现有双作用倍力气缸的1/2，节能效果极为显著，绿色化特征明显；再次，彻底解决了图2所示双缸双活塞单作用二倍力气缸，由于必须设有空气呼吸孔而导致杂质异物进入动密封摩擦副，而显著缩短使用寿命的问题。

实施例3

参见图5所示，本实施例为一种单缸单活塞双作用倍力节能缸的作动模块的一种具体应用，本实施例中具体为一种推力型双作用倍力节能气动作动模块400。

与实施例1、实施例2所示的具有完整功能的推力型双作用倍力节能缸的结构不同的是，该作动模块400不存在封闭的后端盖，即其后端为非封闭的结构，且推力作动腔411、拉力作动腔412都不存在气管管接头螺纹适配孔。以下详细阐述本实施例的推力型双作用倍力节能作动模块400的具体结构及工作原理：

参见图5所示，本实施例的作动模块400，其包括通孔接口元件44、活塞46及活塞杆47，该通孔接口元件44为后端非封闭的结构。活塞46将通孔接口元件44的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔411与拉力作动腔412，活塞杆47穿过拉力作动腔412并向前穿出至通孔接口元件44的外部，并用于向工件500施加推力。该作动模块400还包括设于推力作动腔411内的倍力节能高刚度压缩弹簧49。

具体地，通孔接口元件44具有中空筒腔且前端具有筒壁，该前端的筒壁上开设有通孔而供活塞杆47沿轴向配合地穿过，活塞杆47的外侧周部与该通孔之间通过活塞杆动密封圈48予以滑动密封地配合，活塞46的外侧周部则通过活塞动密封圈45与通孔接口元件44的内腔之间滑动密封地配合。

参见图5所示，本实施例中，活塞46与活塞杆47上开设有内孔，推力作动腔411中还设置有弹簧座410，该弹簧座410的前端滑动地插设在上述内孔中，使得弹簧座410与活塞46-活塞杆47之间形成推力作动内腔413，倍力节能高刚度压缩弹簧49收容在推力作动内腔413中。弹簧座410上还开设有液流通道414，以使得推力作动腔411与推力作动内腔413之间液流连通。本实施例中，通孔接口元件44上还开设有自其后端向前延伸并与拉力作动腔相连通的导流通道42。

参图5所示，该整个作动模块400，通过紧固螺栓300与相关机器本体100的固定本体102实现固定连接。通孔接口元件44的后端与固定本体102之间设置有拉力作动腔静密封圈41、推力作动腔静密封圈43以进行密封连接。弹簧座410也固定地连接在固定本体102上。

固定本体102上，设有拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔101与推力作动腔气管管接头螺纹适配孔103，从而形成完整功能的气压传动装置。图示二位四通换向阀200处于右位工作时，压力气体通过推力作动腔气管管接头螺纹适配孔103，进入推力作动腔411，进而通过弹簧座410的内孔，进入推力作动内腔413。因此，该气压传动装置的输出力与图4所示单缸单活塞推力型双作用约二倍力节能气缸完全一致。

当然，根据具体需要，还可以设计出其它接口结构的作动模块。

图5所示基于本发明单缸单活塞推力型双作用倍力节能气动作动模块400组成的气压传动装置，与图4所示具有完整功能的推力型双作用约二倍力节能气缸相比，具有以下技术经济指标优势：

(1)拉力作动腔气管管接头螺纹适配孔101与推力作动腔气管管接头螺纹适配孔103，设于相关机器本体100的固定本体102上，作动模块400本身不存在辅助功能冗余问题，且管接头螺纹适配孔的位置与方向可以极为灵活，这无疑能够极好适应现代制造业柔性化、个性化定制的发展需求；

(2)倍力节能高刚度压缩弹簧49，可以极为方便地置换为更高刚度的压缩弹簧，如矩形弹簧、碟形弹簧等，气动作动模块就变成了液压作动模块。同时将固定本体102上的气管管接头螺纹适配孔101、103，改变为油管管接头螺纹适配孔，图5就变成了基于单缸单活塞推力型双作用倍力节能液压作动模块的模块化液压传动装置，但是其核心的作动模块却基本上是通用的，改变极小。因此，作动模块的生产批量将大幅度提高，制造成本自然相应降低，能够较好地适应现代制造业对流体传动元件提出的通用化、柔性化、模块化、大批量、低成本、个性化定制要求的问题。

此外，在其他的实施例中，还可以将倍力节能高刚度压缩弹簧49设于拉力作动腔412中而形成拉力型双作用倍力节能作动模块。

综上所述，本发明单缸单活塞倍力节能缸及作动模块，极为显著地提高了现有的二倍力气缸液压缸的技术经济指标，并且在下述方面实现了关键技术创新：

(1)创新设计的只有1只缸筒、1只活塞的单缸单活塞倍力节能气缸液压缸，输出力接近于现有的双缸双活塞二倍力缸，返回行程节能效果极为显著，绿色化特征明显。相对于现有的双缸双活塞二倍力缸，在流体传动领域是一种技术观念上的创新，得出的是一种具有全新概念的节能型流体传动执行元件；

(2)创新设计的单缸单活塞约二倍力节能气缸液压缸，较现有的二倍力缸结构简单，轴向尺寸小，制造成本低，安装调整方便，大幅度提高现有倍力缸的技术经济指标；

(3)创新设计的双作用单缸单活塞约二倍力节能气缸液压缸，从结构与原理方面，彻底解决了现有的单作用二倍力缸，由于相关作动腔必须设有空气呼吸孔而导致杂质异物进入动密封摩擦副，而显著缩短使用寿命的问题；

(4)创新设计的单缸单活塞约二倍力节能缸作动模块及基于该作动模块的气动、液压传动装置，解决了现有完整功能的气缸、液压缸存在的辅助功能冗余问题，能够较好地适应现代制造业对流体传动元件提出绿色化、通用化、柔性化、模块化、大批量、低成本、个性化定制要求的问题。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单缸单活塞拉力型双作用倍力节能缸，包括缸体、活塞及活塞杆，其特征在于：所述活塞将所述缸体的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔与拉力作动腔，所述活塞杆穿过所述拉力作动腔并向前穿出至所述缸体的外部，所述拉力作动腔内设有倍力节能高刚度压缩弹簧。

2.根据权利要求1所述的单缸单活塞拉力型双作用倍力节能缸，其特征在于：所述倍力节能高刚度压缩弹簧套设在所述活塞杆上并完全地收容在所述拉力作动腔中。

3.根据权利要求2所述的单缸单活塞拉力型双作用倍力节能缸，其特征在于：所述缸体包括缸筒、前端盖及后端盖，所述倍力节能高刚度压缩弹簧的两端分别抵挡在所述活塞与所述前端盖上。

4.一种单缸单活塞推力型双作用倍力节能缸，包括缸体、活塞及活塞杆，其特征在于：所述活塞将所述缸体的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔与拉力作动腔，所述活塞杆穿过所述拉力作动腔并向前穿出至所述缸体的外部，所述推力作动腔内设有倍力节能高刚度压缩弹簧。

5.根据权利要求4所述的单缸单活塞推力型双作用倍力节能缸，其特征在于：所述活塞与所述活塞杆上开设有内孔，所述内孔与所述推力作动腔连通，所述倍力节能高刚度压缩弹簧全部或者部分地设于所述内孔中。

6.根据权利要求5所述的单缸单活塞推力型双作用倍力节能缸，其特征在于：所述缸体至少具有缸筒与后端盖，所述推力作动腔中还设有弹簧导柱，所述弹簧导柱的后端固接在所述后端盖上，所述弹簧导柱的前端能够相对滑动地穿设在所述内孔中，所述倍力节能高刚度压缩弹簧套设在所述弹簧导柱上，且所述倍力节能高刚度压缩弹簧抵挡在所述后端盖与所述内孔的前侧孔壁之间。

7.根据权利要求5所述的单缸单活塞推力型双作用倍力节能缸，其特征在于：所述缸体至少具有缸筒与后端盖，所述推力作动腔中还设有弹簧座，所述弹簧座的后端固接于所述后端盖上，所述弹簧座的前端滑动配合地穿设在所述内孔中，所述弹簧座上还开设有连通所述推力作动腔与所述内孔的液流通道，所述倍力节能高刚度压缩弹簧完全收容在所述内孔中且其两端分别抵挡在所述弹簧座与所述内孔的前侧孔壁之间。

8.一种单缸单活塞双作用倍力节能缸的作动模块，其特征在于：包括通孔接口元件、活塞及活塞杆，所述活塞将所述通孔接口元件的内腔分隔为相互隔绝的推力作动腔与拉力作动腔，所述活塞杆穿过所述拉力作动腔并向前穿出至所述通孔接口元件的外部，所述作动模块还包括设于所述拉力作动腔或者所述推力作动腔内的倍力节能高刚度压缩弹簧，其中，所述通孔接口元件为后端非封闭的结构。

9.根据权利要求8所述的单缸单活塞双作用倍力节能缸的作动模块，其特征在于：所述活塞与所述活塞杆上还开设有连通所述推力作动腔的内孔，所述倍力节能高刚度压缩弹簧全部或部分收容在所述内孔中。

10.根据权利要求8所述的单缸单活塞双作用倍力节能缸的作动模块，其特征在于：所述通孔接口元件上开设有自其后端向前延伸并与所述拉力作动腔相连通的导流通道。