Calculadora de Fuerza de Cilindros Neumáticos
Figura 1: Cilindro neumático
Los cilindros neumáticos convierten la energía del aire comprimido en movimiento mecánico. Existen varios tipos de cilindros neumáticos diseñados para satisfacer requisitos de rendimiento específicos, como fuerza, velocidad y precisión. Un factor crítico para seleccionar el cilindro neumático adecuado para una aplicación concreta es su fuerza de salida. La salida de fuerza correcta garantiza que el cilindro pueda realizar la tarea deseada con eficacia y seguridad.
Este artículo analiza la fuerza generada por cilindros neumáticos de simple y doble efecto. Para saber cómo funcionan, lea nuestro artículo sobre cilindros neumáticos.
Vea nuestra selección en línea de cilindros neumáticos
Fuerza necesaria para mover un objeto de una masa determinada
A la hora de elegir un cilindro neumático para mover una carga, una pregunta frecuente es cómo determinar la fuerza necesaria.
Derivación
- F: La fuerza necesaria para mover un objeto
- m: Masa del cuerpo
- a: La aceleración necesaria para mover el cuerpo
La aceleración es la tasa de cambio de la velocidad ('v') del cuerpo.
Figura 2: Perfil de velocidad ideal de un cilindro neumático que muestra la velocidad máxima constante (A) y la aceleración lineal a la fuerza máxima (B). Los ejes X e Y muestran la posición y la velocidad del pistón, respectivamente.
La velocidad del cilindro neumático aumenta linealmente hasta alcanzar la velocidad máxima (figura 2); la aceleración es constante en esta región lineal.
- v2: Velocidad máxima
- v1: Velocidad inicial
Tomando la velocidad inicial como cero,
- L: Longitud de carrera del cilindro neumático
- t: Tiempo de carrera completa
Una vez que el usuario conoce la masa del objeto que debe mover, la longitud de la carrera y el tiempo de carrera completa, puede utilizar la relación anterior para calcular la fuerza necesaria para mover el objeto. Una vez calculado este valor, seleccione un cilindro neumático que produzca esta fuerza. Por ejemplo, para un tiempo de carrera completo de 1 s, F = mL, y para un tiempo de carrera completo de 5 s, F = mL/25. Por lo tanto, a medida que se reduce el tiempo de carrera completa, debe aumentar la fuerza necesaria para mover el objeto y viceversa.
Tome nota: La derivación para la fuerza del cilindro neumático explicada anteriormente no tiene en cuenta los efectos de la fricción en el movimiento del objeto.
Ejemplo
Calcule la fuerza necesaria para desplazar un objeto de masa 1000 kg utilizando un cilindro neumático con una carrera de 20 mm y un tiempo de carrera completa de 1 s.
m = 1000 kg
L = 20 mm = 0,02 m
t = 1s
F = ma
a = dv/dt = (L/t)/t = 0,02 m/s2
F = 1000 × 0,02 = 20N
Elija un cilindro neumático que pueda producir 20N.
Cómo calcular la fuerza de un cilindro neumático
Esta sección explica la fuerza generada por un cilindro neumático. Los cálculos de fuerzas para cilindros de simple y doble efecto pueden ser teóricos o efectivos. Los cálculos teóricos son más sencillos, pero no tienen en cuenta la fricción del sistema ni la fuerza del muelle. Sin embargo, el cálculo teórico permite determinar rápidamente la fuerza máxima del cilindro. El cálculo de la fuerza efectiva tiene en cuenta la fricción y la fuerza del muelle. Por tanto, el resultado es inferior al teórico.
Fuerza teórica del cilindro neumático
La fórmula básica para calcular la fuerza teórica de un cilindro neumático es:
- Ft:fuerza teórica en newtons (N)
- P: la presión ejercida por el fluido sobre el pistón en pascales (Pa)
- Au: superficie efectiva en contacto con el gas en metros cuadrados.
Fuerza teórica del cilindro neumático de simple efecto
El área efectiva en un cilindro neumático de simple efecto es:
donde "D" es el diámetro del pistón, también denominado diámetro interior.
Por tanto, la ecuación de fuerza para un cilindro neumático de simple efecto es,
Figura 3: Presión del cilindro neumático en función de la fuerza para distintos diámetros de cilindro. Los ejes X e Y representan la presión del aire (kPA) y la fuerza (N), respectivamente.
Para una presión dada, la fuerza generada por un cilindro neumático aumentará a medida que aumente el diámetro del cilindro. Esto se debe a que el área efectiva del pistón aumenta a medida que lo hace el diámetro, lo que a su vez incrementa la fuerza generada por el cilindro.
Además, para un diámetro de cilindro dado, la fuerza generada por un cilindro neumático aumentará a medida que aumente la presión aplicada al cilindro. Esto se debe a que la presión actúa sobre una superficie mayor, lo que a su vez genera una fuerza mayor.
Ejemplo
Consideremos un cilindro neumático de simple efecto con un diámetro de émbolo de 40 mm, y una presión del sistema presurizado a 400 kPa. Calcula la fuerza máxima ejercida por el cilindro.
D = 40 mm
P = 400 kPa
Por lo tanto, el cilindro ejerce una fuerza de 502 N cuando un cilindro neumático de simple efecto con un diámetro de émbolo de 40 mm se presuriza a 400 kPa.
Cilindro neumático de doble efecto fuerza teórica
En un cilindro de doble efecto, la superficie útil (Au) viene dada por,
para la carrera de avance
para la carrera de vuelta
- D: Diámetro del pistón
- d: Diámetro de la varilla
Un pistón es un componente de un cilindro neumático que se mueve hacia delante y hacia atrás dentro del cilindro para transmitir fuerza. Suele ser un objeto de forma cilíndrica que se encuentra en el interior del cilindro.
El vástago, por su parte, es el componente que conecta el pistón con el exterior del cilindro. Se fija al pistón en un extremo y sale del cilindro a través de una junta en el otro. Lea nuestro artículo sobre piezas de cilindros neumáticos para obtener más detalles.
Por tanto, las ecuaciones de fuerza para un cilindro neumático de doble efecto son
Ejemplo
Consideremos un cilindro neumático de doble efecto con un diámetro de émbolo de 40 mm y un diámetro de vástago de 6 mm. El sistema está presurizado a 400 kPa. Calcula la fuerza ejercida por el cilindro. Ignora el efecto de la fricción.
D = 40 mm
d = 6 mm
P = 400 kPa
Para la carrera hacia delante:
Para el golpe de vuelta:
Por lo tanto, el cilindro de doble efecto produce una carrera de avance de 502 N y una carrera de retroceso de 491 N.
Tome nota: Para un sistema específico, dimensione el cilindro neumático en función de la carrera de retorno, ya que su capacidad es inferior a la de la carrera de salida. Esto se debe a la reducida superficie presurizada activa de la varilla.
Fuerza efectiva
La ecuación de la fuerza explicada en el apartado anterior calcula la fuerza teórica, y no tiene en cuenta el efecto del rozamiento ni la fuerza ejercida por el muelle. Es vital comprender estas fuerzas de amortiguación para estimar la fuerza efectiva producida por el cilindro neumático.
Cilindro neumático de simple efecto
La fuerza efectiva en un cilindro de simple efecto disminuye por efecto del muelle y el rozamiento.
- Ff: Fuerza de fricción, que depende de la velocidad del pistón, la presión de funcionamiento y los materiales del cilindro. Una práctica común es considerarla igual al 3-20% de la fuerza total para presiones de funcionamiento en el rango de 4-8 bar.
- Fs: Fuerza del muelle, calculada según la ley de Hooke. El efecto de la fuerza del muelle puede despreciarse a altas presiones.
Por lo tanto, la fórmula final es:
Ejemplo
Supongamos que la fuerza teórica generada por el pistón es de 1000 N. Considerando una fuerza de rozamiento del 5% de la fuerza total (o 50 N) y despreciando la fuerza del muelle, la fuerza efectiva producida será de 950 N.
Esto significa que el pistón tiene que vencer una fuerza resistiva de 50 N. Genera una fuerza efectiva de 950 N necesaria para comprimir el material aunque tiene una fuerza teórica máxima de 1000 N. La fuerza de rozamiento puede reducir la eficacia y precisión del sistema neumático y causar desgaste en el pistón y las paredes del cilindro con el paso del tiempo.
Cilindro neumático de doble efecto
En un cilindro neumático de doble efecto no hay muelle, por lo que no es necesario tener en cuenta la fuerza del muelle. Sin embargo, la fuerza de rozamiento se comporta de forma similar a los cilindros de simple efecto.
Las formas finales de la fórmula de la fuerza son:
- Feffec(fuera): Fuerza efectiva durante la carrera de salida
- Feffec(volver): Fuerza efectiva durante la carrera de retorno
Lea nuestros artículos sobre accesorios de montaje de cilindros neumáticos y amortiguación para obtener más detalles sobre estos temas.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Cuál es la fuerza de salida de un cilindro neumático?
La fuerza de salida (teórica) de un cilindro neumático es el producto de la superficie útil del émbolo y la presión de aire aplicada (F = PA).
