我需要多大的线性执行器?

我在寻找什么?

的强度 线性执行器 是它可以传递的力的大小。通常以公制单位的牛顿 (N) 和英制单位的磅 (lbs) 表示。线性执行器制造商将提供两种类型的力规格:动态和静态。

动力 (或动态负载)是执行器可以施加来移动物体的最大力。

静力 (或静态负载)是执行器在不移动时可以承受的最大重量。

这些力规格通常是确定项目所需的线性执行器的关键因素。如果您不知道选择线性执行器时可能需要考虑哪些其他因素,请查看我们关于此的帖子 这里.  

当尝试使用线性执行器移动物体时,您需要确定线性执行器可以具有的最小动态力。该力不仅取决于您尝试移动的重量,还取决于所涉及的执行器数量和设计的物理几何形状。要确定任何应用中的确切力要求,您需要应用牛顿第一运动定律。该定律指出,静止的物体往往会保持静止状态,除非受到不平衡力的作用。对于我们来说,这意味着来自线性执行器的力需要大于所有与我们期望的运动方向相反的力的总和。本指南将引导您使用一些基本示例来计算所涉及的力。

快速旁白:自由体图是对象的简化图,用于可视化施加到其上的力。利用这些图表是可视化所有涉及的力及其方向的良好实践。

一维运动

一维自由体图 利用线性致动器提供运动的最简单的情况是使用一个致动器沿一个轴移动物体。如本段旁边的自由体图所示,线性致动器施加的力标记为 F,物体的重量标记为 W。要确定线性致动器所需的动态力,只需减去总和负方向的力来自正方向的力的总和,该力需要大于零才能产生运动。对于本例,它变为 F – W > 0。然后您需要求解 F,结果变为 F > W。  这意味着线性致动器所需的动态力需要大于物体的重量。     

如果您使用多个线性执行器,例如在自由体中2 执行器示例 此处显示的图表,您遵循与上面相同的过程。对于此示例,力的总和变为 F + F – W > 0 或 2*F – W > 0。然后求解 F 变为 F > ½*W。这意味着一个执行器施加的力可以小于物体的重量,但两者的总力需要更大。

 

 

 

摩擦

上述情况在力平衡计算中忽略了摩擦力,这在您的应用中可能是也可能不是。摩擦力 (f) 的大小等于摩擦系数 (u) 乘以法向力 (N)。摩擦系数通常在 0 到 1 之间(尽管它可以大于 1),并且取决于相互滑动的材料以及是否使用润滑。
一旦物体运动,摩擦系数也会发生变化,并且通常以静态和动态值给出。静态值始终大于动态值(由于牛顿第一定律),当我们尝试移动物体时,您将需要使用摩擦系数的静态值。法向力是用于将一个物体支撑在另一个物体或表面上的合力。例如,如果您站在家里的地板上,您的地板将通过向您施加等于您体重的向上力来支撑您,这是法向力。法向力将始终垂直于摩擦力作用,而摩擦力将始终与您所需的运动方向相反。

在类似上述情况的情况下,您移动的物体不是沿着表面滑动,因此可以忽略摩擦力。从技术上讲,支撑物体的组件,无论它们是否是线性运动支撑,例如 滑轨 或者线性执行器本身会产生一些内部摩擦力,您需要克服这些内部摩擦力才能开始移动,但它相对较小。

抽屉的自由体图

如果您沿着表面移动物体,则在力计算中需要考虑摩擦力。上面的自由体图显示了由线性致动器推动抽屉的示例。每个 抽屉滑轨 由于它们支撑垂直载荷 (W),因此会产生明显的摩擦力。由于有两个抽屉滑轨,其中一个抽屉滑轨所施加的法向力 (N) 将等于负载 (W) 的一半。在此示例中对力求和并求解 F 将得到:

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

因此,线性执行器所需的力需要大于总摩擦力。在这些情况下,棘手的部分是确定摩擦系数。如果您能够确定应用中的精确摩擦系数,那么您可以简单地使用上述公式来求解最小动态力。如果您无法确定摩擦系数,则可以假设它等于 1。这可能会大于实际摩擦系数,因此可以安全地假设您可以确定线性执行器所需的力大小。

二维运动

到目前为止,我们只考虑了沿一个轴移动物体,但您可能需要沿两轴或以一定角度移动。在这些情况下,您仍然可以使用力求和来确定所需的动态力,但我们需要考虑多个轴并利用一些三角学。在下面将物体推上斜坡的示例中,运动方向呈一定角度 (theta)。为了简化我们的计算,您可以选择让一个轴平行于运动方向,而另一个轴则垂直,如图所示。

坡道示例的自由体图

现在轴已移动,您需要利用三角学和斜坡的斜率 (theta) 将物体的重量分为两个力分量。其中一种力将与我们的运动方向相反,另一种力将垂直于坡道表面。用于确定摩擦力的法向力将等于物体重量的垂直分量。求解力的总和以确定 F 将导致:

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

旋转运动

虽然线性执行器提供线性运动,但它们也可用于在打开盖子或舱口等应用中提供旋转。提供旋转所需的动态力需要产生不平衡扭矩而不是不平衡力。扭矩是引起旋转的转动力,等于所施加的力乘以到旋转点的垂直距离。因此,为了引起旋转,线性致动器必须提供大于所有与所需旋转方向相反的扭矩之和的扭矩。

孵化示例的自由体图

线性执行器施加的扭矩大小取决于两个因素:施加的力和距旋转点的距离。在上面的示例中,扭矩总和看起来相同:

F*y*cos(α) - W*x*cos(α) > 0

从旋转点到来自线性致动器的力的距离为y,从旋转点到舱口重心的距离为x。由于舱口呈一定角度 (alpha),我们可以通过将距离乘以角度的余弦来确定到每个力的垂直距离。求解线性执行器的动态力 F,结果为:

F > (宽*x)/y

在左侧的情况下,线性致动器的动态力 F 可以小于或等于舱口的重量 W,因为它的作用距离旋转点更远 (y > x)。而在右侧的情况下,F 必须大于 W,因为 F 的作用更接近旋转点 (y < x)。

带有倾斜执行器的舱口盖

在某些应用中,线性致动器施加的力需要呈上图所示的角度。这使得计算变得更加复杂,因为线性致动器施加的力需要分解为垂直和水平分量。上图的自由体图如下所示:

以一定角度施加力的孵化

本例的扭矩总和为:

((F*cos(β))*(L*sin(α))) + (F*sin(β))*(L*cos(α)) - W*(x*cos(α) > 0

由于线性致动器 (F) 的力以一定角度 (beta) 施加,因此需要将其分解为垂直分量 (F*sin(beta)) 和水平分量 (F*cos(beta)),如图所示在上面的斜坡示例中。由于力与铰链之间存在水平距离,因此力的垂直分量会引起围绕铰链的扭矩;类似地,由于力和铰链之间存在垂直距离,因此力的水平分量也会引起围绕铰链的扭矩。您可以根据剖面线长度 (L) 和剖面线角度 (alpha) 确定这些距离,如前面的剖面线示例所示。要确定所需的动态力,您需要求解上述方程中的 F。不幸的是,来自线性执行器的力 (F) 将是一个依赖于舱口角度 (alpha) 的函数。由于打开舱门时该角度会发生变化,因此线性致动器所需的最小力也会发生变化。这意味着您需要在不同角度上求解上述方程,以找到适合您的动态力规格所需的最高最小力。如果施加力的角度(β)随着舱口打开而变化,这可能会更加困难,这意味着它也将是舱口角度(α)的函数。如果您熟悉数学,则可以确定线性执行器所需的精确动态力要求。但如果没有,您可以使用我们方便的 线性执行器计算器, 这是专为这些困难情况而设计的。

静态情况

在静态情况下,力的总和和扭矩的总和将等于零,因为不存在引起运动的不平衡力或扭矩。如果您想确保您的设计对于给定负载稳定或确保您的线性执行器能够承受给定负载,您仍然可以使用上述技术来确保所有力和扭矩平衡。检查静态情况时,您将使用线性执行器的静态力规格,而不是动态力规格。

现在您已经知道如何确定线性执行器的强度,您可以在我们的网站中找到适合您需求的执行器 选择于 Firgelli 自动化.

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