Qual a força de um atuador linear que eu preciso?

O que estou procurando?

A força de um atuador linear é a quantidade de força que pode entregar. É normalmente visto em termos de Newtons (N) para unidades métricas e libras (lbs) para unidades imperiais. Existem dois tipos de especificações de força que os fabricantes de atuadores lineares fornecerão: Dinâmica e Estática.

Força Dinâmica (ou carga dinâmica) é a força máxima que o atuador pode aplicar para mover um objeto.

Força estática (ou carga estática) é o peso máximo que o atuador pode suportar quando não está se movendo.

Essas especificações de força geralmente são fatores-chave para determinar qual atuador linear você precisa para seu projeto. Se você não sabe que outros fatores você pode querer considerar ao selecionar um atuador linear, verifique nossa postagem sobre isso Aqui.  

Ao tentar mover um objeto com um atuador linear, você precisará determinar qual é a força dinâmica mínima que seu atuador linear pode ter. Essa força vai depender de mais do que apenas a quantidade de peso que você está tentando mover, mas também do número de atuadores envolvidos e da geometria física do seu projeto. Para determinar o requisito de força exata em qualquer aplicação, você precisará aplicar a primeira lei do movimento de Newton. Esta lei afirma que um objeto em repouso tende a permanecer em repouso a menos que seja acionado por uma força desequilibrada. Para nós, isso significa que a força de nosso atuador linear precisa ser maior do que a soma de todas as forças que atuam contra nossa direção de movimento desejada. Este guia irá ajudá-lo a calcular as forças envolvidas usando alguns exemplos básicos.

Rápido à parte: Os diagramas de corpo livre são diagramas simplificados de objetos que são usados ​​para visualizar as forças sendo aplicadas a ele. Utilizar esses diagramas é uma boa prática para visualizar todas as forças envolvidas e sua orientação.

Movimento unidimensional

Diagrama de corpo livre 1D O caso mais simples de utilizar um atuador linear para fornecer movimento é usar um atuador para mover um objeto ao longo de um eixo. Conforme mostrado no diagrama de corpo livre próximo a este parágrafo, a força aplicada pelo atuador linear é rotulada como F e o peso do objeto é rotulado como W. Para determinar a força dinâmica necessária para o atuador linear, você simplesmente subtrai a soma das forças nas direções negativas da soma das forças na direção positiva, que precisa ser maior que zero para resultar em movimento \ n. Para este exemplo, torna-se F - W> 0. Então você precisa resolver para F, que se torna F> W.  Isso significa que a exigência de força dinâmica do atuador linear precisa ser maior do que o peso do objeto.     

Em um caso em que você está utilizando mais de um atuador linear, como no corpo livre2 Exemplo de Atuadordiagrama mostrado aqui, você segue o mesmo processo acima. Para este exemplo, a soma das forças torna-se F + F - W> 0 ou 2 * F - W> 0. Então, resolver para F torna-se F> ½ * W. Isso significa que a força aplicada por um atuador pode ser menor do que o peso do objeto, mas a força total de ambos precisa ser maior.

 

 

 

Atrito

Os casos acima ignoraram o atrito em seus cálculos de equilíbrio de força, o que pode ou não ser o caso em sua aplicação. A quantidade de força de atrito (f) é igual ao coeficiente de atrito (u) vezes uma força normal (N). O coeficiente de atrito é normalmente entre 0 e 1 (embora possa ser maior que 1) e dependerá de quais materiais estão deslizando entre si, bem como se lubrificação é ou não usada.
O coeficiente de fricção também muda quando um objeto está em movimento e geralmente são dados como valores estáticos e dinâmicos. O valor estático sempre será maior do que o valor dinâmico (devido à primeira lei de Newton) e como estamos tentando mover um objeto, você vai querer usar o valor estático do coeficiente de atrito. A força normal é a força resultante usada para apoiar um objeto em outro objeto ou superfície. Por exemplo, se você está de pé no chão de sua casa, o chão o apoiará aplicando uma força para cima igual ao seu peso, esta é uma força normal. A força normal sempre atuará perpendicularmente à força de atrito e a força de atrito sempre atuará contra a direção de movimento desejada.

Em situações, como os casos acima, em que o objeto que você está movendo não está deslizando ao longo de uma superfície, o atrito pode ser ignorado. Embora, tecnicamente, os componentes que suportam seu objeto, sejam eles movimentos lineares, suportam como trilhos deslizantes ou o próprio atuador linear, terá algum atrito interno que você precisará superar para começar a se mover, mas será relativamente pequeno.

Diagrama de corpo livre de uma gaveta

Se você estiver movendo um objeto ao longo de uma superfície, a fricção precisará ser considerada em seus cálculos de força. O diagrama de corpo livre acima mostra um exemplo de uma gaveta sendo empurrada por um atuador linear. Cada corrediça da gaveta terão uma quantidade perceptível de atrito, pois estão suportando uma carga perpendicular (W). Como existem duas corrediças da gaveta, a força normal (N) aplicada por uma das corrediças da gaveta será igual a metade da carga (W). Somando as forças e resolvendo para F neste exemplo resultará em:

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

Portanto, a força necessária do atuador linear precisa ser maior do que a força total de atrito. A parte complicada nesses casos é determinar o coeficiente de atrito. Se você for capaz de determinar o coeficiente de atrito exato em sua aplicação, pode simplesmente usar a fórmula acima para resolver sua força dinâmica mínima. Se você não pode determinar o coeficiente de atrito, você pode supor que seja igual a 1. Isso provavelmente será maior do que o coeficiente de atrito real, portanto, é uma suposição segura para determinar a quantidade de força necessária de seu atuador linear .

Movimento bidimensional

Até agora, vimos apenas como mover um objeto ao longo de um eixo, mas você pode exigir movimento em dois eixos ou em ângulo. Nesses casos, você ainda pode usar a soma de força para determinar a força dinâmica necessária, mas precisaremos considerar vários eixos e fazer uso de alguma trigonometria. No exemplo abaixo de empurrar um objeto por uma rampa, a direção do movimento está em um ângulo (teta). Para simplificar nossos cálculos, você pode escolher que um eixo seja paralelo à direção do movimento e o outro eixo será perpendicular, como mostrado.

Diagrama de corpo livre para o exemplo de rampa

Agora que os eixos estão deslocados, você precisará dividir o peso do objeto em dois componentes de força, utilizando a trigonometria e a inclinação da rampa (teta). Uma dessas forças atuará contra a nossa direção de movimento e a outra atuará perpendicularmente à superfície da rampa. A força normal, usada para determinar a força de atrito, será igual à componente perpendicular do peso do objeto. Resolver a soma de forças para determinar F resultará em:

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

Movimento rotacional

Embora os atuadores lineares forneçam movimento linear, eles também podem ser usados ​​para fornecer rotação em aplicações como abrir uma tampa ou escotilha. A força dinâmica necessária para fornecer rotação precisará resultar em um torque desequilibrado ao invés de uma força desequilibrada. Um torque é uma força de rotação que causa a rotação e é igual à força aplicada vezes a distância perpendicular ao ponto de rotação. Assim, para causar rotação, um atuador linear deve fornecer um torque maior que a soma de todos os torques que trabalham contra o sentido de rotação desejado.

Diagramas de corpo livre de exemplo de hachura

A quantidade de torque que seu atuador linear aplica dependerá de dois fatores, a força aplicada e a distância do ponto de rotação. Nos exemplos acima, a soma dos torques parece a mesma:

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

A distância do ponto de rotação à força do atuador linear é y, e a distância do ponto de rotação ao centro de gravidade da hachura é x. Como a hachura está em um ângulo (alfa), podemos determinar a distância perpendicular a cada força por vezes a distância pelo cosseno do ângulo. Resolver para a força dinâmica do atuador linear, F, resulta em:

F> (W * x) / y

No caso à esquerda, a força dinâmica do atuador linear, F, pode ser menor ou igual ao peso da hachura, W, pois atua mais longe do ponto de rotação (y> x). Enquanto no caso à direita, F terá que ser maior que W porque F atua mais próximo do ponto de rotação, (y

Escotilha com atuador em ângulo

Em algumas aplicações, a força aplicada pelo atuador linear precisará estar em um ângulo como na imagem acima. Isso torna os cálculos um pouco mais complicados, pois a força aplicada pelo atuador linear precisará ser dividida em componentes verticais e horizontais. O diagrama de corpo livre para a imagem acima é mostrado abaixo:

Escotilha com força aplicada em ângulo

A soma dos torques para este exemplo é:

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

Como a força do atuador linear (F) é aplicada em um ângulo (beta), ela precisa ser dividida em componente vertical (F * sin (beta)) e componente horizontal (F * cos (beta)), como mostrado no exemplo da rampa acima. O componente vertical da força causa um torque em torno da dobradiça, pois há uma distância horizontal entre a força e a dobradiça; da mesma forma, o componente horizontal da força também causa um torque em torno da dobradiça, pois há uma distância vertical entre a força e a dobradiça. Você pode determinar essas distâncias com base no comprimento da hachura (L) e no ângulo da hachura (alfa), como mostrado no exemplo de hachura anterior. Para determinar a força dinâmica necessária, você precisa resolver a equação acima para F. Infelizmente, a força do atuador linear (F) será uma função dependente do ângulo da hachura (alfa). Como este ângulo mudará conforme você abre a escotilha, a força mínima exigida do atuador linear também mudará. Isso significa que você precisará resolver a equação acima em vários ângulos para encontrar a força mínima mais alta necessária para usar para sua especificação de força dinâmica. Isso pode ser ainda mais difícil se o ângulo no qual a força é aplicada (beta) também muda quando a hachura se abre, o que significa que será uma função do ângulo de hachura (alfa) também. Se você conhece bem a matemática, pode determinar o requisito de força dinâmica exata de que precisa do seu atuador linear. Mas se não, você pode usar nosso prático Calculadora do Atuador Linear, que é projetado apenas para essas situações difíceis.

Situações estáticas

Em uma situação estática, a soma das forças e a soma dos torques será igual a zero, pois não há força desequilibrada ou torque causando movimento. Se você deseja garantir que seu projeto seja estável para uma determinada carga ou garantir que seu atuador linear aguente uma determinada carga, você ainda pode usar as técnicas acima para garantir que todas as forças e torques sejam equilibrados. Ao verificar situações estáticas, você usará a especificação de força estática para seu atuador linear em vez da especificação de força dinâmica.

Agora que você sabe como determinar o quão forte seu atuador linear precisa ser, você pode encontrar o certo para suas necessidades em nosso seleção na Firgelli Automations.

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