¿Qué tan fuerte de un actuador lineal necesito?

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La fuerza de un actuador lineal es la cantidad de fuerza que puede aplicar. Por lo general, se ve en términos de Newtons (N) para unidades métricas y libras (lbs) para unidades imperiales. Hay dos tipos de especificaciones de fuerza que los fabricantes de actuadores lineales proporcionarán: dinámicas y estáticas.

Fuerza dinámica (o carga dinámica) es la fuerza máxima que puede aplicar el actuador para mover un objeto.

Fuerza estática (o carga estática) es el peso máximo que puede sostener el actuador cuando no se está moviendo.

Estas especificaciones de fuerza son generalmente factores clave para determinar qué actuador lineal necesita para su proyecto. Si no sabe qué otros factores podría considerar al seleccionar un actuador lineal, consulte nuestra publicación sobre esto. Aquí.  

Cuando intente mover un objeto con un actuador lineal, deberá determinar cuál es la fuerza dinámica mínima que puede tener su actuador lineal. Esta fuerza dependerá de algo más que de la cantidad de peso que está tratando de mover, sino también de la cantidad de actuadores involucrados y la geometría física de su diseño. Para determinar el requisito de fuerza exacto en cualquier aplicación, deberá aplicar la primera ley del movimiento de Newton. Esta ley establece que un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo a menos que actúe sobre él una fuerza de desequilibrio. Para nosotros, esto significa que la fuerza de nuestro actuador lineal debe ser mayor que la suma de todas las fuerzas que actúan en contra de nuestra dirección de movimiento deseada. Esta guía le mostrará cómo calcular las fuerzas involucradas utilizando algunos ejemplos básicos.

Aparte rápido: Los diagramas de cuerpo libre son diagramas simplificados de objetos que se utilizan para visualizar las fuerzas que se les aplican. La utilización de estos diagramas es una buena práctica para visualizar todas las fuerzas involucradas y su orientación.

Movimiento unidimensional

Diagrama de cuerpo libre 1D El caso más simple de utilizar un actuador lineal para proporcionar movimiento es usar un actuador para mover un objeto a lo largo de un eje. Como se muestra en el diagrama de cuerpo libre al lado de este párrafo, la fuerza aplicada por el actuador lineal se etiqueta como F y el peso del objeto se etiqueta como W.Para determinar la fuerza dinámica requerida para el actuador lineal, simplemente reste la suma de las fuerzas en las direcciones negativas de la suma de las fuerzas en la dirección positiva, que debe ser mayor que cero para dar como resultado un movimiento. Para este ejemplo, se convierte en F - W> 0. Entonces necesitas resolver para F, que se convierte en F> W.  Esto significa que el requisito de fuerza dinámica del actuador lineal debe ser mayor que el peso del objeto.     

En un caso en el que esté utilizando más de un actuador lineal, como en el cuerpo libre2 Ejemplo de actuadordiagrama que se muestra aquí, sigue el mismo proceso que el anterior. Para este ejemplo, la suma de fuerzas se convierte en F + F - W> 0 o 2 * F - W> 0. Entonces, resolver para F se convierte en F> ½ * W. Esto significa que la fuerza aplicada por un actuador puede ser menor que el peso del objeto, pero la fuerza total de ambos debe ser mayor.

 

 

 

Fricción

Los casos anteriores ignoraron la fricción en sus cálculos de equilibrio de fuerzas, que puede ser el caso o no en su aplicación. La cantidad de fuerza de fricción (f) es igual al coeficiente de fricción (u) multiplicado por una fuerza normal (N). El coeficiente de fricción suele estar entre 0 y 1 (aunque puede ser mayor que 1) y dependerá de qué materiales se deslizan entre sí y de si se utiliza o no lubricación.
El coeficiente de fricción también cambiará una vez que un objeto esté en movimiento y, a menudo, se dan como valores estáticos y dinámicos. El valor estático siempre será mayor que el valor dinámico (debido a la primera ley de Newton) y mientras intentamos mover un objeto, querrá usar el valor estático del coeficiente de fricción. La fuerza normal es la fuerza resultante utilizada para soportar un objeto sobre otro objeto o superficie. Por ejemplo, si está parado en el piso de su casa, su piso lo apoyará aplicando una fuerza hacia arriba sobre usted igual a su peso, esta es una fuerza normal. La fuerza normal siempre actuará perpendicular a la fuerza de fricción y la fuerza de fricción siempre actuará en contra de la dirección de movimiento deseada.

En situaciones, como en los casos anteriores, donde el objeto que está moviendo no se desliza a lo largo de una superficie, se puede ignorar la fricción. Aunque técnicamente, los componentes que soportan su objeto, ya sean soportes de movimiento lineal como rieles deslizantes o el propio actuador lineal, tendrá cierta fricción interna que deberá superar para comenzar a moverse, pero será relativamente pequeña.

Diagrama de cuerpo libre de un cajón

Si mueve un objeto a lo largo de una superficie, deberá considerar la fricción en sus cálculos de fuerza. El diagrama de cuerpo libre de arriba muestra un ejemplo de un cajón empujado por un actuador lineal. Cada corredera del cajón tendrán una cantidad notable de fricción ya que soportan una carga perpendicular (W). Como hay dos guías de cajón, la fuerza normal (N) aplicada por una de las guías de cajón será igual a la mitad de la carga (W). La suma de las fuerzas y la resolución de F en este ejemplo dará como resultado:

F> u * (0.5 * W) + u * (0.5 * W) = u * W

Por lo tanto, la fuerza que necesita del actuador lineal debe ser mayor que la fuerza total de fricción. La parte complicada en estos casos es determinar el coeficiente de fricción. Si puede determinar el coeficiente de fricción exacto en su aplicación, simplemente puede usar la fórmula anterior para encontrar su fuerza dinámica mínima. Si no puede determinar el coeficiente de fricción, puede asumir que es igual a 1. Esto probablemente será mayor que el coeficiente de fricción real, por lo que es una suposición segura para determinar la cantidad de fuerza que necesita de su actuador lineal. .

Movimiento bidimensional

Hasta ahora, solo hemos visto mover un objeto a lo largo de un eje, pero es posible que necesite movimiento en dos ejes o en un ángulo. En estos casos, aún puede usar la suma de fuerzas para determinar la fuerza dinámica requerida, pero tendremos que considerar múltiples ejes y hacer uso de algo de trigonometría. En el siguiente ejemplo de empujar un objeto por una rampa, la dirección del movimiento es en ángulo (theta). Para simplificar nuestros cálculos, puede elegir que un eje sea paralelo a la dirección del movimiento y que el otro eje sea perpendicular, como se muestra.

Diagrama de cuerpo libre para el ejemplo de rampa

Ahora que los ejes están desplazados, deberá dividir el peso del objeto en dos componentes de fuerza utilizando la trigonometría y la pendiente de la rampa (theta). Una de estas fuerzas actuará en contra de nuestra dirección de movimiento y otra actuará perpendicular a la superficie de la rampa. La fuerza normal, utilizada para determinar la fuerza de fricción, será igual a la componente perpendicular del peso del objeto. Resolver la suma de fuerzas para determinar F resultará en:

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

Movimiento rotacional

Si bien los actuadores lineales proporcionan movimiento lineal, también se pueden usar para proporcionar rotación en aplicaciones como abrir una tapa o una trampilla. La fuerza dinámica requerida para proporcionar rotación deberá resultar en un par desequilibrado en lugar de una fuerza desequilibrada. Un par es una fuerza de giro que provoca la rotación y es igual a la fuerza aplicada multiplicada por la distancia perpendicular al punto de rotación. Por lo tanto, para provocar la rotación, un actuador lineal debe proporcionar un par mayor que la suma de todos los pares que trabajan en contra de la dirección de rotación deseada.

Diagramas de cuerpo libre de ejemplo de sombreado

La cantidad de torque que aplica su actuador lineal dependerá de dos factores, la fuerza aplicada y la distancia desde el punto de rotación. En los ejemplos anteriores, la suma de pares se ve igual:

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

La distancia desde el punto de rotación hasta la fuerza del actuador lineal es y, y la distancia desde el punto de rotación hasta el centro de gravedad de la trampilla es x. Como la trama está en un ángulo (alfa), podemos determinar la distancia perpendicular a cada fuerza multiplicando la distancia por el coseno del ángulo. Resolver para la fuerza dinámica del actuador lineal, F, da como resultado:

F> (W * x) / y

En el caso de la izquierda, la fuerza dinámica del actuador lineal, F, puede ser menor o igual al peso de la trampilla, W, porque actúa más lejos del punto de rotación (y> x). Mientras que en el caso de la derecha, F tendrá que ser mayor que W porque F actúa más cerca del punto de rotación, (y

Escotilla con actuador en ángulo

En algunas aplicaciones, la fuerza aplicada por el actuador lineal deberá estar en un ángulo como en la imagen de arriba. Esto hace que los cálculos sean un poco más complicados ya que la fuerza aplicada por el actuador lineal deberá dividirse en componentes verticales y horizontales. El diagrama de cuerpo libre de la imagen de arriba se muestra a continuación:

Escotilla con fuerza aplicada en ángulo

La suma de pares para este ejemplo es:

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

Debido a que la fuerza del actuador lineal (F) se aplica en un ángulo (beta), debe dividirse en componente vertical (F * sin (beta)) y componente horizontal (F * cos (beta)), como se muestra en el ejemplo de rampa anterior. La componente vertical de la fuerza provoca un par de torsión alrededor de la bisagra ya que existe una distancia horizontal entre la fuerza y ​​la bisagra; de forma similar, la componente horizontal de la fuerza también provoca un par de torsión alrededor de la bisagra, ya que existe una distancia vertical entre la fuerza y ​​la bisagra. Puede determinar estas distancias basándose en la longitud de la trampilla (L) y el ángulo de la trampilla (alfa), como se muestra en el ejemplo de trama anterior. Para determinar la fuerza dinámica requerida, debe resolver la ecuación anterior para F. Desafortunadamente, la fuerza del actuador lineal (F) será una función que dependerá del ángulo de la trampilla (alfa). Como este ángulo cambiará a medida que abra la trampilla, también cambiará la fuerza mínima requerida del actuador lineal. Esto significa que deberá resolver la ecuación anterior en varios ángulos para encontrar la fuerza mínima más alta requerida para usar para su especificación de fuerza dinámica. Esto puede ser aún más difícil si el ángulo en el que se aplica la fuerza (beta) también cambia a medida que se abre la trampilla, lo que significa que también será una función del ángulo de trama (alfa). Si conoce bien sus matemáticas, puede determinar el requisito de fuerza dinámica exacta que necesita de su actuador lineal. Pero si no, puede utilizar nuestro práctico Calculadora de actuador lineal, que está diseñado solo para estas situaciones difíciles.

Situaciones estáticas

En una situación estática, la suma de fuerzas y la suma de pares será igual a cero, ya que no hay fuerza o par desequilibrado que provoque el movimiento. Si desea asegurarse de que su diseño sea estable para una carga determinada o asegurarse de que su actuador lineal mantendrá una carga determinada, aún puede utilizar las técnicas anteriores para garantizar que todas las fuerzas y pares estén equilibrados. Al verificar situaciones estáticas, utilizará la especificación de fuerza estática para su actuador lineal en lugar de la especificación de fuerza dinámica.

Ahora que sabe cómo determinar qué tan fuerte debe ser su actuador lineal, puede encontrar el adecuado para sus necesidades en nuestro selección en Firgelli Automations.

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