Wie stark ist ein Linearantrieb?

Wonach suche ich?

Die Stärke von a Linearantrieb ist die Menge an Kraft, die es liefern kann. Es wird typischerweise in Newton (N) für metrische Einheiten und Pfund (lbs) für imperiale Einheiten gesehen. Es gibt zwei Arten von Kraftspezifikationen, die Hersteller von Linearantrieben bereitstellen: Dynamisch und Statisch.

Dynamische Kraft (oder dynamische Last) ist die maximale Kraft, die der Aktuator anwenden kann, um ein Objekt zu bewegen.

Statische Kraft (oder statische Last) ist das maximale Gewicht, das der Antrieb halten kann, wenn er sich nicht bewegt.

Diese Kraftspezifikationen sind im Allgemeinen Schlüsselfaktoren für die Bestimmung des Linearantriebs, den Sie für Ihr Projekt benötigen. Wenn Sie nicht wissen, welche anderen Faktoren Sie bei der Auswahl eines Linearantriebs berücksichtigen sollten, lesen Sie unseren Beitrag dazu Hier.  

Wenn Sie versuchen, ein Objekt mit einem Linearantrieb zu bewegen, müssen Sie die minimale dynamische Kraft bestimmen, die Ihr Linearantrieb haben kann. Diese Kraft hängt nicht nur von der Menge an Gewicht ab, die Sie bewegen möchten, sondern auch von der Anzahl der beteiligten Aktuatoren und der physischen Geometrie Ihres Entwurfs. Um die genaue Kraftanforderung in einer Anwendung zu bestimmen, müssen Sie das erste Newtonsche Bewegungsgesetz anwenden. Dieses Gesetz besagt, dass ein ruhender Gegenstand dazu neigt, in Ruhe zu bleiben, es sei denn, es wird von einer Unwuchtkraft beaufschlagt. Für uns bedeutet dies, dass die Kraft unseres Linearantriebs größer sein muss als die Summe aller Kräfte, die gegen unsere gewünschte Bewegungsrichtung wirken. Diese Anleitung führt Sie anhand einiger grundlegender Beispiele durch die Berechnung der beteiligten Kräfte.

Schnell beiseite: Freikörperdiagramme sind vereinfachte Diagramme von Objekten, mit denen die auf sie ausgeübten Kräfte visualisiert werden. Die Verwendung dieser Diagramme ist eine bewährte Methode, um alle beteiligten Kräfte und ihre Ausrichtung zu visualisieren.

Eindimensionale Bewegung

1D Freikörperdiagramm Der einfachste Fall der Verwendung eines linearen Aktuators zur Bereitstellung von Bewegung ist die Verwendung eines Aktuators zum Bewegen eines Objekts entlang einer Achse. Wie im Freikörperdiagramm neben diesem Absatz gezeigt, wird die vom Linearantrieb ausgeübte Kraft als F und das Gewicht des Objekts als W bezeichnet. Um die für den Linearantrieb erforderliche dynamische Kraft zu bestimmen, subtrahieren Sie einfach die Summe der Kräfte in den negativen Richtungen aus der Summe der Kräfte in der positiven Richtung, die größer als Null sein muss, um zu einer Bewegung zu führen. In diesem Beispiel wird F - W> 0. Dann müssen Sie nach F auflösen, was zu F> W wird.  Dies bedeutet, dass der dynamische Kraftbedarf des Linearantriebs größer sein muss als das Gewicht des Objekts.     

In einem Fall, in dem Sie mehr als einen Linearantrieb verwenden, wie im freien Körper2 AktuatorbeispielDas hier gezeigte Diagramm folgt dem gleichen Vorgang wie oben. In diesem Beispiel wird die Summe der Kräfte zu F + F - W> 0 oder 2 * F - W> 0. Dann wird das Auflösen nach F zu F> ½ * W. Dies bedeutet, dass die von einem Aktuator ausgeübte Kraft geringer sein kann als das Gewicht des Objekts, aber die Gesamtkraft von beiden muss größer sein.

 

 

 

Reibung

In den oben genannten Fällen wurde die Reibung bei der Berechnung des Kraftausgleichs ignoriert, was in Ihrer Anwendung möglicherweise der Fall ist oder nicht. Der Betrag der Reibungskraft (f) ist gleich dem Reibungskoeffizienten (u) mal einer Normalkraft (N). Der Reibungskoeffizient liegt typischerweise zwischen 0 und 1 (obwohl er größer als 1 sein kann) und hängt davon ab, welche Materialien aneinander vorbeigleiten und ob Schmierung verwendet wird oder nicht.
Der Reibungskoeffizient ändert sich auch, sobald sich ein Objekt in Bewegung befindet, und wird häufig als statische und dynamische Werte angegeben. Der statische Wert ist immer größer als der dynamische Wert (aufgrund des ersten Newtonschen Gesetzes). Wenn wir versuchen, ein Objekt zu bewegen, sollten Sie den statischen Wert des Reibungskoeffizienten verwenden. Die Normalkraft ist die resultierende Kraft, die verwendet wird, um ein Objekt auf einem anderen Objekt oder einer anderen Oberfläche zu stützen. Wenn Sie beispielsweise in Ihrem Haus auf einem Boden stehen, wird Ihr Boden Sie unterstützen, indem Sie eine Aufwärtskraft auf Ihr Gewicht ausüben. Dies ist eine normale Kraft. Die Normalkraft wirkt immer senkrecht zur Reibungskraft und die Reibungskraft wirkt immer gegen die gewünschte Bewegungsrichtung.

In Situationen wie den oben genannten Fällen, in denen das Objekt, das Sie bewegen, nicht entlang einer Oberfläche gleitet, kann die Reibung ignoriert werden. Während technisch gesehen die Komponenten, die Ihr Objekt unterstützen, ob es sich um lineare Bewegungen handelt, wie Gleitschienen oder der Linearantrieb selbst hat eine innere Reibung, die Sie überwinden müssen, um sich zu bewegen, aber er ist relativ klein.

Freikörperbild einer Schublade

Wenn Sie ein Objekt entlang einer Oberfläche bewegen, muss die Reibung bei Ihren Kraftberechnungen berücksichtigt werden. Das obige Freikörperdiagramm zeigt ein Beispiel für eine Schublade, die von einem Linearantrieb gedrückt wird. Jeder Schubladenführung haben eine merkliche Reibung, da sie eine senkrechte Last (W) tragen. Da zwei Schubladenführungen vorhanden sind, entspricht die Normalkraft (N), die von einer Schubladenführung ausgeübt wird, der Hälfte der Last (W). Das Summieren der Kräfte und das Auflösen nach F in diesem Beispiel führt zu:

F> u * (0,5 * W) + u * (0,5 * W) = u * W.

Daher muss die Kraft, die Sie vom Linearantrieb benötigen, größer sein als die Gesamtreibungskraft. Der schwierige Teil in diesen Fällen ist die Bestimmung des Reibungskoeffizienten. Wenn Sie in Ihrer Anwendung den genauen Reibungskoeffizienten bestimmen können, können Sie einfach die obige Formel verwenden, um Ihre minimale dynamische Kraft zu ermitteln. Wenn Sie den Reibungskoeffizienten nicht bestimmen können, können Sie davon ausgehen, dass er gleich 1 ist. Dieser Wert ist wahrscheinlich größer als der tatsächliche Reibungskoeffizient. Daher ist es eine sichere Annahme, um die Kraft zu bestimmen, die Sie von Ihrem Linearantrieb benötigen .

Zweidimensionale Bewegung

Bisher haben wir uns nur mit dem Bewegen eines Objekts entlang einer Achse befasst. Möglicherweise müssen Sie sich jedoch mit zwei Achsen oder in einem Winkel bewegen. In diesen Fällen können Sie weiterhin die Kraftsummierung verwenden, um die erforderliche dynamische Kraft zu bestimmen. Wir müssen jedoch mehrere Achsen berücksichtigen und einige Trigonometrie verwenden. Im folgenden Beispiel zum Schieben eines Objekts über eine Rampe ist die Bewegungsrichtung in einem Winkel (Theta). Um unsere Berechnungen zu vereinfachen, können Sie festlegen, dass die eine Achse parallel zur Bewegungsrichtung verläuft und die andere Achse dann wie gezeigt senkrecht steht.

Freikörperdiagramm für das Rampenbeispiel

Nachdem die Achsen verschoben wurden, müssen Sie das Gewicht des Objekts mithilfe der Trigonometrie und der Neigung der Rampe (Theta) in zwei Kraftkomponenten aufteilen. Eine dieser Kräfte wirkt gegen unsere Bewegungsrichtung und eine senkrecht zur Oberfläche der Rampe. Die Normalkraft, die zur Bestimmung der Reibungskraft verwendet wird, entspricht der senkrechten Komponente des Gewichts des Objekts. Das Lösen der Summe der Kräfte zur Bestimmung von F führt zu:

F> W * sin (Theta) + u * N = W * sin (Theta) + u * W * cos (Theta)

Drehbewegung

Während lineare Aktuatoren eine lineare Bewegung bereitstellen, können sie auch verwendet werden, um eine Drehung in Anwendungen wie dem Öffnen eines Deckels oder einer Luke bereitzustellen. Die dynamische Kraft, die erforderlich ist, um eine Drehung bereitzustellen, muss eher zu einem unausgeglichenen Drehmoment als zu einer unausgeglichenen Kraft führen. Ein Drehmoment ist eine Drehkraft, die eine Drehung verursacht und gleich der ausgeübten Kraft multipliziert mit dem senkrechten Abstand zum Drehpunkt ist. Um eine Drehung zu verursachen, muss ein Linearantrieb ein Drehmoment liefern, das größer ist als die Summe aller Drehmomente, die gegen die Richtung der gewünschten Drehung wirken.

Freikörperdiagramme des Schraffurbeispiels

Das Drehmoment, das Ihr Linearantrieb aufbringt, hängt von zwei Faktoren ab, der ausgeübten Kraft und dem Abstand vom Drehpunkt. In den obigen Beispielen sieht die Summe der Drehmomente gleich aus:

F * y * cos (alpha) - W * x * cos (alpha)> 0

Der Abstand vom Drehpunkt zur Kraft vom Linearaktuator beträgt y, und der Abstand vom Drehpunkt zum Schwerpunkt der Luke beträgt x. Da sich die Luke in einem Winkel (Alpha) befindet, können wir den senkrechten Abstand zu jeder Kraft durch den Abstand des Kosinus des Winkels bestimmen. Das Auflösen nach der dynamischen Kraft des Linearantriebs F führt zu:

F> (W * x) / y

Im Fall links kann die dynamische Kraft des Linearantriebs F kleiner oder gleich dem Gewicht der Luke W sein, da sie weiter vom Drehpunkt entfernt wirkt (y> x). Im Fall rechts muss F größer als W sein, da F näher am Drehpunkt wirkt (y

Luke mit Aktuator in einem Winkel

In einigen Anwendungen muss die vom Linearantrieb ausgeübte Kraft in einem Winkel wie im obigen Bild sein. Dies macht die Berechnungen etwas komplizierter, da die vom Linearantrieb ausgeübte Kraft in vertikale und horizontale Komponenten aufgeteilt werden muss. Das Freikörperdiagramm für das obige Bild ist unten dargestellt:

Luke mit Kraft in einem Winkel

Die Summe der Drehmomente für dieses Beispiel lautet:

((F * cos (beta)) * (L * sin (alpha))) + (F * sin (beta)) * (L * cos (alpha)) - W * (x * cos (alpha)> 0

Da die Kraft vom Linearaktuator (F) in einem Winkel (Beta) aufgebracht wird, muss sie wie gezeigt in vertikale Komponente (F * sin (Beta)) und horizontale Komponente (F * cos (Beta)) aufgeteilt werden im obigen Rampenbeispiel. Die vertikale Komponente der Kraft verursacht ein Drehmoment um das Scharnier, da zwischen der Kraft und dem Scharnier ein horizontaler Abstand besteht. In ähnlicher Weise verursacht die horizontale Komponente der Kraft auch ein Drehmoment um das Scharnier, da zwischen der Kraft und dem Scharnier ein vertikaler Abstand besteht. Sie können diese Abstände basierend auf der Länge der Luke (L) und dem Winkel der Luke (Alpha) bestimmen, wie im vorherigen Beispiel für die Luke gezeigt. Um die erforderliche dynamische Kraft zu bestimmen, müssen Sie die obige Gleichung für F lösen. Leider ist die Kraft vom Linearantrieb (F) eine Funktion, die vom Winkel der Luke (Alpha) abhängt. Da sich dieser Winkel beim Öffnen der Luke ändert, ändert sich auch die vom Linearantrieb erforderliche Mindestkraft. Dies bedeutet, dass Sie die obige Gleichung über verschiedene Winkel lösen müssen, um die höchste Mindestkraft zu ermitteln, die für Ihre dynamische Kraftspezifikation erforderlich ist. Dies kann noch schwieriger sein, wenn sich der Winkel, unter dem die Kraft angewendet wird (Beta), auch beim Öffnen der Luke ändert, was bedeutet, dass dies auch eine Funktion des Lukenwinkels (Alpha) ist. Wenn Sie Ihre Mathematik gut kennen, können Sie die genaue dynamische Kraftanforderung, die Sie benötigen, von Ihrem Linearantrieb bestimmen. Wenn nicht, können Sie unser Handy benutzen Linearantriebsrechner, Das ist nur für diese schwierigen Situationen ausgelegt.

Statische Situationen

In einer statischen Situation ist die Summe der Kräfte und die Summe der Drehmomente gleich Null, da keine unausgeglichene Kraft oder kein Drehmoment eine Bewegung verursacht. Wenn Sie sicherstellen möchten, dass Ihre Konstruktion für eine bestimmte Last stabil ist oder dass Ihr Linearantrieb eine bestimmte Last hält, können Sie dennoch die oben genannten Techniken verwenden, um sicherzustellen, dass alle Kräfte und Drehmomente ausgeglichen sind. Bei der Überprüfung statischer Situationen verwenden Sie die statische Kraftspezifikation für Ihren Linearantrieb anstelle der dynamischen Kraftspezifikation.

Nachdem Sie nun wissen, wie stark Ihr Linearantrieb sein muss, finden Sie in unserem den richtigen für Ihre Anforderungen Auswahl bei Firgelli Automations.

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