复合材料套筒和液压缸

摘要

本发明公开了一种复合材料套筒和液压缸，套筒包括筒体和复合材料层(3)，该复合材料层由复合材料纤维至少在筒体的外周部沿轴向往复螺旋缠绕而成，筒体包括同轴设置且依次连接的小直径筒段、过渡连接段和大直径筒段，过渡连接段的外周面作为过渡连接环面连接于小直径筒段的外周面与大直径筒段的端部周缘之间，过渡连接环面形成为内凹的弧形环面，使得复合材料层能够贴合于过渡连接环面上。其中，对套筒的变径过渡部分的形状、结构和纤维缠绕角等进行了优化设计，使得复合材料层能够更紧密地贴合于过渡连接环面上，纤维缠绕后不易产生翘起、甚至径向抬升而脱离过渡连接环面，也不易出现纤维滑线问题，改善了结构性能，更趋稳定、可靠。

权利要求

1.一种复合材料套筒，包括筒体和复合材料层(3)，该复合材料层(3)由复合材料纤维至少在所述筒体的外周部沿轴向往复螺旋缠绕而成，所述筒体包括同轴设置且依次连接的小直径筒段、过渡连接段和大直径筒段，所述过渡连接段的外周面作为过渡连接环面连接于所述小直径筒段的外周面与所述大直径筒段的端部周缘之间，所述过渡连接环面形成为内凹的弧形环面，使得所述复合材料层(3)能够贴合于所述过渡连接环面上；

其中，形成所述复合材料层(3)的每根复合材料纤维在所述小直径筒段和大直径筒段的外周面上均呈螺旋状缠绕，每根所述复合材料纤维在所述小直径筒段的外周面上形成为第一螺旋线(ST)且在所述大直径筒段的外周面上形成为第二螺旋线(AF)，所述第一螺旋线(ST)与第二螺旋线(AF)之间通过直线段(TA)相连，所述直线段(TA)为所述第一螺旋线(ST)的第一螺线终点(T)的切线，该切线延伸至所述大直径筒段的外周面上的第二螺线始点(A)；

其中，由切线状的所述直线段(TA)环绕所述小直径筒段和大直径筒段的中心轴线(OO2)旋转而成的环面与所述过渡连接环面吻合。

2.根据权利要求1所述的复合材料套筒，其中，所述过渡连接环面包括内凹圆弧状的母线(CA)，所述母线(CA)与所述中心轴线(OO2)处于所述过渡连接环面的同一轴截面上，所述母线(CA)的第一母线端点(C)与所述第一螺线终点(T)均位于所述小直径筒段的同一端面外周缘上，所述母线(CA)的第二母线端点为所述第二螺线始点(A)；

其中，以所述第一母线端点(C)在所述中心轴线(OO2)上的径向投影点(O)为坐标零点，所述中心轴线(OO2)为x轴，所述第一母线端点(C)与径向投影点(O)之间的径向(OC)为y轴，则所述母线(CA)的曲线方程为： 其中r1为所述小直径筒段的半径，α为所述复合材料纤维在所述小直径筒段的外周面上的螺旋缠绕角。

3.根据权利要求2所述的复合材料套筒，其中，所述母线(CA)沿所述中心轴线(OO2)的轴向长度为

4.根据权利要求2所述的复合材料套筒，其中，所述大直径筒段的端部周缘形成有圆弧倒角，使得所述过渡连接环面与所述大直径筒段的外周面之间形成弧面光滑过渡。

5.根据权利要求2所述的复合材料套筒，其中，所述复合材料纤维在所述小直径筒段的外周面上的螺旋缠绕角为α的范围为30°～60°。

6.根据权利要求2所述的复合材料套筒，其中，所述复合材料纤维在所述大直径筒段的外周面上的螺旋缠绕角β满足： 其中r2为所述大直径筒段的半径。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的复合材料套筒，其中，所述小直径筒段的外端面和/或所述大直径筒段的外端面均形成为向外隆起的弧形面，所述复合材料纤维在两个所述外端面之间沿轴向往复螺旋缠绕以形成所述复合材料层(3)；

并且，所述小直径筒段的外端面和所述大直径筒段的外端面均伸出有环形止口，覆盖在所述外端面上的所述复合材料层(3)的端部能够抵靠于所述环形止口的外周面上。

8.一种液压缸，包括缸底(1)和根据权利要求1～6中任意一项所述的复合材料套筒，该复合材料套筒中的所述小直径筒段作为所述液压缸的缸筒的内衬筒(2)，所述大直径筒段作为所述液压缸的筒形缸盖(4)，所述内衬筒(2)的底端与所述缸底(1)相连，所述内衬筒(2)的头端与所述筒形缸盖(4)相连，所述复合材料层(3)延伸至所述缸底(1)的外周部上，以使所述缸底(1)、内衬筒(2)和筒形缸盖(4)一体成型。

9.根据权利要求8所述的液压缸，其中，所述筒形缸盖(4)的缸盖外端面(43)和缸底(1)的缸底外端面(13)均形成为向外隆起的弧形面，所述复合材料纤维在所述缸盖外端面(43)和缸底外端面(13)之间沿轴向往复螺旋缠绕以形成所述复合材料层(3)。

10.根据权利要求8所述的液压缸，其中，所述液压缸还包括FBG传感器，该FBG传感器粘贴于所述内衬筒(2)的外周部上并从所述缸底外端面(13)引出。

11.根据权利要求8所述的液压缸，其中，所述缸底(1)的外周部和所述筒形缸盖(4)的内周部分别形成有止口凹槽，所述内衬筒(2)的两端分别轴向插入以抵接相应的所述止口凹槽。

说明书

复合材料套筒和液压缸

技术领域

[0001] 本发明涉及一种套筒，具体地，涉及一种复合材料套筒及增强型的复合材料液压缸。

背景技术

[0002] 在增强型复合材料液压缸的设计中，复合纤维材料与金属部件之间的连接结构是设计难点。现有技术中，通常有销钉连接、粘结连接以及一体成型三种方式。其中，销钉或螺栓连接需要在复合材料层上设置孔洞，从而破坏纤维及其性能，粘结连接方式则难以保障连接强度。

[0003] 在一体成型方式中，则是通过纤维在金属部件上往复缠绕以使得复合材料层与金属部件形成为一体结构。例如，在专利公开文献CN103527549A中提供了一种复合材料筒管及制造方法，其中的缸筒即采用纤维和金属件一体成型方式。如图1所示，在筒管100的两端部内孔中嵌套两个金属连接环200，耐磨内衬300位于两个金属连接环200之间。连接环200设有内螺纹，连接环200的一端与耐磨内衬300的连接处设有过渡锥面201，另一端采用圆弧过渡面202。筒管100还包括周向增强纤维，周向增强纤维以筒管100的两端为极点进行连续往返缠绕包裹两个连接环200。

[0004] 在金属部件的外周面上螺旋缠绕的纤维必须满足纤维位置的稳定性要求，即缠绕路径需沿测地线行进，使得缠绕后的纤维能够在金属部件上稳定附着、不打滑，因此需要对纤维的螺旋缠绕角进行优化设计。此外在金属部件的截面增大处，更应考虑纤维缠绕的位置稳定性条件。如图1中的过渡锥面201部分，采用锥面设计时，缠绕的纤维容易在锥面上出现滑线，绷紧的纤维层不能牢靠附着在锥面上，甚至与锥面之间产生径向分离。这种附着不牢靠或径向分离需要采用粘结剂进行补救，或导致局部出现粘接剂堆积、纤维分布不均匀等缺陷。因此在对变径筒体进行纤维缠绕时，需要对纤维缠绕角、结构形状等进行优化设计，以提高整体结构性能。

[0005] 此外，在一体成型方式中还需要考虑工艺可行性和节约性。例如，为实现一体成型，应优先考虑纤维在筒体两端的回绕设计，而非采用在端部切除、打断纤维的方式，否则将严重降低复合材料层的承载性能。在图1中，圆弧过渡面202的面积是否能够实现纤维在该处的回绕，能否利用现有的缠绕设备实现，均存有一定疑问。

发明内容

[0006] 针对现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供了一种复合材料套筒及应用了该复合材料套筒的液压缸，该套筒外周面的复合材料层贴合紧密，尤其在变径过渡部分，使得套筒结构性能稳定、可靠。

[0007] 为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种复合材料套筒，包括筒体和复合材料层，该复合材料层由复合材料纤维至少在筒体的外周部沿轴向往复螺旋缠绕而成，筒体包括同轴设置且依次连接的小直径筒段、过渡连接段和大直径筒段，过渡连接段的外周面作为过渡连接环面连接于小直径筒段的外周面与大直径筒段的端部周缘之间，过渡连接环面形成为内凹的弧形环面，使得复合材料层能够贴合于过渡连接环面上。

[0008] 优选地，形成复合材料层的每根复合材料纤维在小直径筒段和大直径筒段的外周面上均呈螺旋状缠绕，每根复合材料纤维在小直径筒段的外周面上形成为第一螺旋线且在大直径筒段的外周面上形成为第二螺旋线，第一螺旋线与第二螺旋线之间通过直线段相连，直线段为第一螺旋线的第一螺线终点的切线，该切线延伸至大直径筒段的外周面上的第二螺线始点；

[0009] 其中，由切线状的直线段环绕小直径筒段和大直径筒段的中心轴线旋转而成的环面与过渡连接环面吻合。

[0010] 优选地，过渡连接环面包括内凹圆弧状的母线，母线与中心轴线处于过渡连接环面的同一轴截面上，母线的第一母线端点与第一螺线终点均位于小直径筒段的同一端面外周缘上，母线的第二母线端点为第二螺线始点；

[0011] 其中，以第一母线端点在中心轴线上的径向投影点为坐标零点，中心轴线为x轴，第一母线端点与径向投影点之间的径向为y轴，则母线的曲线方程为：其中r1为小直径筒段的半径，α为复合材料纤维在小直径筒段的外周面上的螺旋缠绕角。

[0012] 优选地，母线沿中心轴线的轴向长度为

[0013] 优选地，大直径筒段的端部周缘形成有圆弧倒角，使得过渡连接环面与大直径筒段的外周面之间形成弧面光滑过渡。

[0014] 优选地，复合材料纤维在小直径筒段的外周面上的螺旋缠绕角为α的范围为30°～60°。

[0015] 优选地，复合材料纤维在大直径筒段的外周面上的螺旋缠绕角β满足：其中r2为大直径筒段的半径。

[0016] 优选地，小直径筒段的外端面和/或大直径筒段的外端面均形成为向外隆起的弧形面，复合材料纤维在两个外端面之间沿轴向往复螺旋缠绕以形成复合材料层；

[0017] 并且，小直径筒段的外端面和大直径筒段的外端面均伸出有环形止口，覆盖在外端面上的复合材料层的端部能够抵靠于环形止口的外周面上。

[0018] 根据本发明的另一个方面，提供了一种液压缸，包括缸底和上述的复合材料套筒，该复合材料套筒中的小直径筒段作为液压缸的缸筒的内衬筒，大直径筒段作为液压缸的筒形缸盖，内衬筒的底端与缸底相连，内衬筒的头端与筒形缸盖相连，复合材料层延伸至缸底的外周部上，以使缸底、内衬筒和筒形缸盖一体成型。

[0019] 优选地，筒形缸盖的缸盖外端面和缸底的缸底外端面均形成为向外隆起的弧形面，复合材料纤维在缸盖外端面和缸底外端面之间沿轴向往复螺旋缠绕以形成复合材料层。

[0020] 优选地，液压缸还包括FBG传感器，该FBG传感器粘贴于内衬筒的外周部上并从缸底外端面引出。

[0021] 优选地，缸底的外周部和筒形缸盖的内周部分别形成有止口凹槽，内衬筒的两端分别轴向插入以抵接相应的止口凹槽。

[0022] 根据上述技术方案，在本发明的复合材料套筒和液压缸中，对套筒的变径过渡部分的形状、结构和纤维缠绕角等进行了优化设计，过渡连接环面优化为内凹的弧形环面，使得复合材料层能够更紧密地贴合于该过渡连接环面上，尤其是过渡连接环面的两端，纤维缠绕后在过渡连接环面的两端不易产生翘起、甚至径向抬升而脱离过渡连接环面，也不易出现纤维滑线问题，改善了套筒和液压缸的结构性能，更稳定、可靠。

[0023] 本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

[0024] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

[0025] 图1是现有技术中的一种复合材料筒管的结构示意图；

[0026] 图2为根据本发明的优选实施方式的液压缸的剖视图；

[0027] 图3为图2中的D1圈处的局部放大示意图；

[0028] 图4为图2中的D2圈处的局部放大示意图；

[0029] 图5为图2中的D3圈处的局部放大示意图；

[0030] 图6为根据本发明的优选实施方式的复合材料套筒中，在变径处进行纤维缠绕时的设计原理图。

[0031] 附图标记说明

[0032] 1   缸底         2       内衬筒

[0033] 3   复合材料层   4       筒形缸盖

[0034] 5   导向套       6       活塞杆

[0035] 7   活塞         8       传感器出口

[0036] 11  柱台部       12      第一油道

[0037] 13  缸底外端面

[0038] 41  环形止口     42      径向环槽

[0039] 43  缸盖外端面   44      内端周缘

[0040] 51  轴套部       52      端盖部

[0041] 521 端盖内端面   61      第二油道

[0042] CA  母线         OO2     中心轴线

[0043] C   第一母线端点 A       第二螺线始点

[0044] O   径向投影点   α、β   螺旋缠绕角

具体实施方式

[0045] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0046] 在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内、外”通常指的是相对于缸体或套筒的轴向中心而言的轴向内、外，或相对于筒腔而言的径向内、外。

[0047] 如图2至图5所示，本发明提供了一种液压缸，该液压缸包括缸底1、缸筒、筒形缸盖4和导向套5，缸筒包括内衬筒2和复合材料层3，内衬筒2的两端分别连接缸底1和筒形缸盖
4，复合材料层3包覆在内衬筒2的外周部上且两端分别延伸至缸底外端面13和缸盖外端面
43，以使得缸底1、内衬筒2和筒形缸盖4通过复合材料层3一体成型。导向套5包括轴套部51和端盖部52，筒形缸盖4套装于轴套部51上，缸盖外端面43伸出有环形止口41，该环形止口
41轴向延伸至抵接端盖部52的端盖内端面521并在该端盖内端面521、环形止口41的外周面与缸盖外端面43之间形成径向环槽42，复合材料层3的端部伸入径向环槽42内以覆盖缸盖外端面43并抵靠在环形止口41的外周面上。

[0048] 在本发明中，通过增设环形止口41，形成了径向环槽42，复合材料层3的端部能够进入径向环槽42内以径向支承在环形止口41的外周面上，可防止受力复杂情况下产生端部向内塌陷，破坏纤维性能。可比较地，图1中的筒管100在进行纤维缠绕时，通常需要采用一根圆柱内模作为假轴以定位支撑连接环200与耐磨内衬300，防止缠绕时纤维进入连接环200内。而且在取下圆柱内模后，图1所示的复合材料层的端部堆积于圆弧过渡面202上，该处在受力复杂时，堆积的纤维极有可能向内塌陷。

[0049] 回到本发明，由于环形止口41的存在，不仅能够支撑复合材料层3的端部以防坍塌，而且在进行纤维缠绕时，无需圆柱内模作为假轴且待纤维固化后再取下，简化了缠绕工艺，还使得纤维不可能越过环形止口41进入导向套5安装区内。而且纤维不仅可以在缸盖外端面43上沿切向回绕，还可以利用环形止口41的外周面进行局部的周向缠绕、调整回绕角度等，相对而言，对于缸盖外端面43的回绕面积要求更小。

[0050] 其中，径向环槽42内的复合材料层3与导向套5的端盖部52之间沿轴向彼此间隔开，以不损及复合材料。环形止口41的伸出长度取决于复合材料层3的端部的纤维堆积厚度，以不与导向套5的端盖内端面521产生接触为准，如图5所示。这是由于导向套5一般为金属结构，与筒形缸盖4的连接方式为螺纹连接，若导向套安装后直接与复合材料层3接触，则可能损伤纤维。因此，环形止口41和径向环槽42的存在还避免了复合材料层3的端部受到导向套5的挤压、划伤等破坏。另外如图5所示，其中的环形止口41优选为直接套装于轴套部51上且贴合该轴套部51的外周面，使得其径向更承压。

[0051] 为实现缸底1、内衬筒2和筒形缸盖4通过复合材料层3一体成型，便于纤维缠绕、回绕，缸盖外端面43和缸底外端面13均形成为向外隆起的弧形面，使得能够在液压缸两端的弧形面上进行纤维的切向回绕，通过切向回绕实现纤维与缸盖外端面43的紧密贴合。而且，通过纤维的往复缠绕、回绕，可一次性形成一体的复合材料层3，实现紧密结合缸底1、内衬筒2和筒形缸盖4，提高整缸结构强度。可见，复合材料层3可由复合材料纤维在缸盖外端面43和缸底外端面13之间沿轴向往复螺旋缠绕而成，缸盖外端面43、缸底外端面13和环形止口41的外周面均构成复合材料纤维的回绕区域，通过纤维回绕，保证复合材料层3中的纤维的连续性，提高复合材料层的承载性能。在本实施方式中，复合材料纤维优选为碳纤维材料，当然也不限于此，其它具有相同或相似功能的纤维材料均可。

[0052] 同样地，缸底外端面13上也可轴向凸出有柱台部11，以实现与环形止口41的相似作用，复合材料层3的相应端部可覆盖缸底外端面13并抵靠在柱台部11的外周面上。进一步地，柱台部11内还形成有通向液压缸的无杆腔内的第一油道12。

[0053] 其中，缸盖外端面43、缸底外端面13等向外隆起的弧形面的面积大小以能够完成全部复合材料纤维的回绕为准。环形止口41的半径大小以其外周面能够支撑复合材料层3的端部为宜。

[0054] 由于现有的部分复合材料油缸中，为防止缸筒开孔导致纤维承载力下降，将油口设置于导向套上，但对于汽车起重机变幅油缸和支腿油缸等主要承受压力的油缸而言，由于油缸承受拉力较小，尤其是考虑到增强活塞杆稳定性，会采用较大的活塞杆直径设计，从而导致导向套厚度太小无法设置油口。因此如图2所示，本实施方式的液压缸中采用了大直径的活塞杆6，例如活塞杆6的直径与内衬筒2的直径之比不小于0.8。活塞杆6从导向套5伸出，活塞杆6内设置有连通至液压缸的有杆腔内的第二油道61。通过将油口设计在活塞杆6上，可减小导向套5的厚度，增大活塞杆6的直径，增强活塞杆的稳定性。当然，在活塞杆6大小能够符合强度要求，且导向套5的尺寸足够设计第二油道61时，该第二油道61可在导向套5内依次通过端盖部52和轴套部51并连通至液压缸的有杆腔中。

[0055] 在通过纤维缠绕获得复合材料层3之前，需要实现缸底1、内衬筒2、筒形缸盖4甚至导向套5的组装定位，使得具有一定结构稳定性以便缠绕纤维，如图2、图3和图4所示，缸底1的外周部和筒形缸盖4的内周部分别形成有止口凹槽，内衬筒2的两端分别轴向插入以抵接相应的止口凹槽。通图示的外止口和内止口结构，可实现缸底1、金属内衬筒2、筒形缸盖4的快速定位组装，保障组装的配合精度和结构稳定性，无需采用圆柱内膜进行预定位组装。内衬筒2两端的止口结构附近还可分别设置密封圈，实现连接结构处的结构密封，防止油液外漏。

[0056] 此外，对于增强型复合材料液压缸而言，尽管相对于金属缸筒而言已然大大提高了安全性能，但也需要对油缸的安全性进行有效监控，获得安全保障或预警。复合材料固化过程中的残余应变及制造过程中的缺陷是影响复合材料性能的重要因素，现有的纤维增强油缸中无监测纤维复合材料健康状况的设计，无法保证纤维增强油缸在固化及正常使用过程中的纤维层内部的安全性。因此为对液压缸的结构性能，尤其是复合材料层3的性能进行实时监控，提高安全性能，本发明的液压缸中还包括FBG传感器，该FBG传感器粘贴于内衬筒2的外周部上并从缸底外端面13引出。其原理为，FBG(Fiber Bragg grating，光纤布拉格光栅)传感器是在一根光导纤维中写入光栅，光栅在应变或温度的作用下，Bragg中心反射波长会有相应变化，通过光谱分析仪测量此变化即可解耦求得应变和温度。纤维缠绕前预先在金属内衬筒2的表面缠绕粘贴FBG传感器，粘贴方向与纤维缠绕方向一致，传感器的外接接口从缸底1的传感器出口8处引出，引出部位可采用直径稍大于光纤的钢管进行保护。采用这种内埋式的FBG传感器监测纤维和金属表面层处的固化情况和安全状态，可对纤维层的健康状态进行定时检查，确保材料和结构的安全性。同时，一根光纤上可实现分布式测量，且FBG传感器具有绝缘、抗电磁干扰、耐水、耐高温及耐腐蚀等特点，可适应液压缸复杂的工作状态，而现有技术中并未发现现有纤维增强油缸中使用纤维内置传感器来监测复合材料健康状况的设计。

[0057] 特别地，为使得纤维获得在变径过渡部分可靠的贴合缠绕，如图6所示，本发明还针对变径过渡部分的形状、结构和纤维缠绕角等进行了优化设计。参见图6，一种复合材料套筒，包括筒体和复合材料层，复合材料层由复合材料纤维至少在筒体的外周部沿轴向往复螺旋缠绕而成，筒体包括同轴设置且依次连接的小直径筒段、过渡连接段和大直径筒段，过渡连接段的外周面作为过渡连接环面连接于小直径筒段的外周面与大直径筒段的端部周缘之间，过渡连接环面形成为内凹的弧形环面，使得复合材料层能够贴合于过渡连接环面上。

[0058] 相较于图1的过渡锥面201，其作为过渡连接环面采用了圆锥面设计，使得缠绕的纤维容易在圆锥面上出现滑线问题，绷紧的纤维层不能牢靠附着在锥面上，甚至与圆锥面之间产生径向分离，因而需要采用粘结剂进行补救，进一步导致局部出现粘接剂堆积、纤维分布不均匀等缺陷。因此在对变径筒体进行纤维缠绕时，更应在金属部件的截面增大处，针对性地对纤维缠绕角、结构形状等进行优化设计，充分考虑纤维缠绕的位置稳定性条件，提高整体结构性能。

[0059] 经过反复研究和测试，过渡连接环面优选为图6所示的内凹的弧形环面，使得纤维缠绕后，复合材料层能够更紧密地贴合过渡连接环面，尤其是过渡连接环面的小直径端，即图6所示的第一母线端点C处。这是由于过渡锥面的中间部分承受了纤维缠绕时的主要径向压力，使得绷紧的纤维在过渡连接环面的小直径端容易翘起而脱离贴合环面。而内凹的弧形环面的中间部分相对于圆锥面的中间部分而言产生了一定程度的向内凹陷，因而纤维缠绕后在过渡连接环面的小直径端相对不易产生翘起、甚至径向抬升而脱离过渡连接环面，在不产生纤维脱离环面的情况下，纤维在内凹的弧形环面上也更不易出现滑线等情况。

[0060] 因此，在图6所示的实施方式中，过渡连接段的第一端与小直径筒段相连且光滑过渡，过渡连接段的第二端与大直径筒段相连，复合材料层3的内壁面则能够贴合于第一端的圆周表面上，从而完整实现面面之间的完整贴合。

[0061] 这种具有内凹的弧形环面作为过渡连接环面的复合材料套筒可用作例如活塞杆等，也可作为液压缸的缸筒部分。

[0062] 例如，在作为活塞杆等独立杆件使用时，复合材料套筒的小直径筒段的外端面和大直径筒段的外端面均可形成为向外隆起的弧形面，复合材料纤维在两个外端面之间沿轴向往复螺旋缠绕则可形成复合材料层3。其中优选地，小直径筒段的外端面和大直径筒段的外端面均伸出有环形止口，覆盖在外端面上的复合材料层3的端部能够抵靠于环形止口的外周面上。

[0063] 又例如，在图2所示的本发明液压缸的内衬筒2与筒形缸盖4之间的变径部分即采用了上述的内凹的弧形环面作为过渡连接环面。此时，小直径筒段为内衬筒2，大直径筒段为筒形缸盖4，筒形缸盖4的缸盖外径r1大于内衬筒2的衬体外径r2，筒形缸盖4的内端面作为过渡连接环面从内衬筒2的外周面延伸至筒形缸盖4的内端周缘44上，过渡连接环面形成为内凹的弧形环面，使得复合材料层能够贴合于过渡连接环面上，缠绕时的纤维受力好、不打滑，能够实现纤维在过渡连接环面上的密实、无缝缠绕，避免粘结剂堆积。

[0064] 以下从力学和数学原理上进行推导，以获得最优化设计。

[0065] 如图6所示，形成复合材料层3的每根复合材料纤维在小直径筒段(内衬筒2)和大直径筒段(筒形缸盖4)的外周面上均呈螺旋状缠绕，每根复合材料纤维包括在小直径筒段的外周面上形成的第一螺旋线ST、在大直径筒段的外周面上形成为第二螺旋线AF以及在第一螺旋线ST与第二螺旋线AF之间绷紧相连的直线段TA，直线段TA为第一螺旋线ST的第一螺线终点T的切线，该切线延伸至大直径筒段的外周面上的第二螺线始点A。

[0066] 在本实施方式中，作为优化设计的初衷，优选地，由切线状的直线段TA环绕小直径筒段和大直径筒段的中心轴线OO2旋转而成的曲面与上述的内凹的弧形环面状的过渡连接环面基本吻合，从而最终缠绕形成的复合材料层3的内壁面能够完全地贴合于过渡连接环面上。

[0067] 参照图6，过渡连接环面包括内凹圆弧状的母线CA，母线CA绕中心轴线OO2旋转即构成该过渡连接环面，母线即三维旋转体的外表面上的旋转成型曲线，因而母线CA与中心轴线OO2处于过渡连接环面的同一轴截面CAOO2上。母线CA的第一母线端点C为过渡连接环面与小直径筒段的外周面之间的交点，母线CA的第二母线端点为第二螺线始点A，显然，第一母线端点C与第一螺线终点T均位于小直径筒段的同一端面外周缘上。

[0068] 具体地，形成复合材料层的复合材料纤维的第一螺旋线ST在内衬筒2的外周面上的螺旋缠绕角为α，该螺旋缠绕角为α的范围一般为30～60°。当缠绕的半径需要增大到r2时，则显然直线段TA是螺旋线ST在T处的切线(绷紧直线)，其中T点也可视为纤维脱离金属内衬筒2(即小直径筒段)表面的边缘端点。经过全部复合材料纤维的完全缠绕，全部直线段TA在过渡连接环面上布满时，可形成完全贴合于过渡连接环面上的复合材料层3。在内衬筒2的外周面经过T点并与中心轴线OO2平行的母线上，取与T点的轴向距离为x的N点，经过N点做中心轴线OO2的垂直截面，与中心轴线OO2交于O2点，与直线纤维段TA交于M点，则显然有：

[0069] |MN|＝x tanα

[0070] 由于TM和TN所在平面是金属内衬筒2的外周面的切平面，则O2N⊥MN，于是有[0071]

[0072] 此即过渡连接环面的正向视图截面(即图中阴影部分的曲边三角形CBA)中的母线CA的曲线方程。

[0073] 以第一母线端点C在中心轴线OO2上的径向投影点O为坐标零点，中心轴线OO2为x轴，第一母线端点C与径向投影点O之间的径向OC为y轴，则母线CA的曲线方程定义为：

[0074] 在筒形缸盖4的实际设计过程中，可以用若干段线段对母线CA进行逼近。当y＝r2时，由上式可确定母线CA沿中心轴线OO2的轴向长度L(即过渡连接环面的轴向设计长度|CB|)为：

[0075]

[0076] 在实际设计中，筒形缸盖4的内端周缘可形成有一定的圆弧倒角，使得过渡连接环面与筒形缸盖4的外周面之间形成弧面光滑过渡。

[0077] 在半径为r2的筒形缸盖4的圆柱表面仍然要满足纤维稳定性条件，以防止纤维打滑，即纤维在A点对圆柱面的作用力应沿AB方向指向中心轴线OO2，可求得复合材料纤维在筒形缸盖4的外周面上的螺旋缠绕角β需满足：

[0078]

[0079] 这样，在液压缸的缸体直径增加时，上述过渡连接环面的曲面设计保证了纤维始终贴紧缸体的金属层的外表面，同时也保证了纤维缠绕位置的稳定性，可防止粘接剂的堆积及纤维缠绕时打滑。

[0080] 同理，在图2中，缸底1也可设计为半径大于内衬筒2的半径，并采用上述的过渡连接环面设计。

[0081] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行各种简单变型，例如通过粘接、焊接等方式实现内衬筒2的端部与缸底1或筒形缸盖4之间的连接；这些简单变型均落入本发明的保护范围内。

[0082] 上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

[0083] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。