¿Qué tan fuerte de un actuador lineal necesito?

¿Qué estoy buscando?

La fuerza de un actuador lineal es la cantidad de fuerza que puede entregar. Por lo general, se ve en términos de Newton (N) para unidades métricas y libras (LB) para unidades imperiales. Hay dos tipos de especificaciones de fuerza que proporcionarán los fabricantes de actuadores lineales: dinámico y estático.

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

Fuerza estática (o carga estática) es el peso máximo que el actuador puede contener cuando no se mueve.

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

Al intentar mover un objeto con un actuador lineal, deberá determinar cuál es la fuerza dinámica mínima que su actuador lineal puede tener. Esta fuerza dependerá de algo más que la cantidad de peso que está tratando de mover, pero también la cantidad de actuadores involucrados y la geometría física de su diseño. Para determinar el requisito de fuerza exacta en cualquier solicitud, deberá aplicar la primera ley de movimiento de Newton. Esta ley establece que un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo a menos que se actúe por 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 contra nuestra dirección de movimiento deseada. Esta guía lo guiará a través de cómo calcular las fuerzas involucradas utilizando algunos ejemplos básicos.

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

Movimiento unidimensional

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 del cuerpo libre al lado de este párrafo, la fuerza aplicada por el actuador lineal es la etiqueta como F y el peso del objeto es la etiqueta como W. Para determinar la fuerza dinámica requerida para el actuador lineal, simplemente reste la suma de las fuerzas en las direcciones negativas desde la suma de las fuerzas en la dirección positiva, que deben ser mayores que cero para dar como resultado motio \ n. Para este ejemplo, se convierte en F - W> 0. Entonces debe 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 está utilizando más de un actuador lineal, como en el cuerpo libre Diagrama 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. Luego, la resolución 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 balance de fuerza, que pueden o no ser el caso en su solicitud. La cantidad de fuerza de fricción (F) es igual al coeficiente de fricción (U) veces una fuerza normal (N). El coeficiente de fricción es típicamente entre 0 y 1 (aunque puede ser mayor que 1) y dependerá de qué materiales se deslizan se pasan entre sí, así como si se usa 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 a medida que intentemos mover un objeto, querrá utilizar el valor estático del coeficiente de fricción. La fuerza normal es la fuerza resultante utilizada para soportar un objeto en otro objeto o superficie. Por ejemplo, si está parado en un piso de su hogar, su piso lo apoyará aplicando una fuerza ascendente 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 su dirección de movimiento deseada.

En situaciones, como los casos anteriores, donde el objeto que se mueve no se desliza a lo largo de una superficie, se puede ignorar la fricción. Si bien técnicamente, los componentes que admiten su objeto, ya sea que sean soportes de movimiento lineal como rieles deslizantes O el actuador lineal en sí, tendrá cierta fricción interna que deberá superar para comenzar a moverse, pero será relativamente pequeño.

Si está moviendo un objeto a lo largo de una superficie, la fricción deberá considerarse en sus cálculos de fuerza. El diagrama del cuerpo libre de arriba muestra un ejemplo de un cajón que es empujado por un actuador lineal. Cada diapositiva tendrá una cantidad notable de fricción, ya que están apoyando una carga perpendicular (W). Como hay dos diapositivas de cajones, la fuerza normal (n) aplicada por uno de los portaobjetos de cajones será igual a la mitad de la carga (W). Sumar 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 la fricción. La parte difícil en estos casos es determinar el coeficiente de fricción. Si puede determinar el coeficiente exacto de fricción en su aplicación, simplemente puede usar la fórmula anterior para resolver su fuerza dinámica mínima. Si no puede determinar el coeficiente de fricción, puede suponer que es igual a 1. Esto probablemente será mayor que el coeficiente real de fricción, 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 buscado mover un objeto a lo largo de un eje, pero puede requerir movimiento en dos ejes o en ángulo. En estos casos, aún puede usar la suma de fuerza para determinar la fuerza dinámica requerida, pero deberemos considerar múltiples ejes y hacer uso de cierta trigonometría. En el ejemplo a continuación de empujar un objeto en una rampa, la dirección del movimiento está en ángulo (theta). Para simplificar nuestros cálculos, puede optar por que un eje sea paralelo a la dirección del movimiento y el otro eje será perpendicular, como se muestra.

Ahora que los ejes se desplazan, 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 una actuará perpendicular a la superficie de la rampa. La fuerza normal, utilizada para determinar la fuerza de fricción, será igual al componente perpendicular del peso del objeto. Resolver la suma de fuerzas para determinar F dará como resultado:

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 escotilla. La fuerza dinámica requerida para proporcionar rotación deberá dar como resultado un par no balanceado en lugar de una fuerza desequilibrada. Un par es una fuerza de giro que causa rotación y es igual a la fuerza aplicada, tiempos de la distancia perpendicular hasta el punto de rotación. Entonces, para causar rotación, un actuador lineal debe proporcionar un par mayor que la suma de todos los pares que trabajan contra la dirección de la rotación deseada.

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 torques se ve igual:

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

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

F> (w*x)/y

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

En algunas aplicaciones, la fuerza aplicada por el actuador lineal deberá estar en 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 romperse en componentes verticales y horizontales. El diagrama del cuerpo libre para la imagen de arriba se muestra a continuación:

La suma de pares para este ejemplo es:

((F*cos (beta))*(l*sin (alfa))) + (f*sen (beta))*(l*cos (alpha)) - w*(x*cos (alpha)> 0

Debido a que la fuerza del actuador lineal (f) se aplica en un ángulo (beta), debe dividirse en componente vertical (f*sen (beta)) y componente horizontal (f*cos (beta)), como se muestra que se muestra En el ejemplo de rampa anterior. El componente vertical de la fuerza provoca un par sobre la bisagra, ya que hay una distancia horizontal entre la fuerza y ​​la bisagra; Del mismo modo, el componente horizontal de la fuerza también causa un par sobre la bisagra, ya que hay una distancia vertical entre la fuerza y ​​la bisagra. Puede determinar estas distancias en función de la longitud de la escotilla (L) y el ángulo de la escotilla (alfa), como se muestra en el ejemplo anterior de la escotilla. Para determinar la fuerza dinámica requerida, debe resolver la ecuación anterior para F. Desafortunadamente, la fuerza del actuador lineal (F) dependerá de una función del ángulo de la escotilla (alfa). Como este ángulo cambiará a medida que abra la escotilla, la fuerza mínima requerida del actuador lineal también cambiará. Esto significa que deberá resolver la ecuación anterior en varios ángulos para encontrar la fuerza mínima más alta necesaria 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 escotilla, lo que significará que también será una función del ángulo de escotilla (alfa). Si conoce bien sus matemáticas, puede determinar el requisito exacto de la fuerza dinámica que necesita de su actuador lineal. Pero si no, puedes usar nuestro Handy Calculadora de actuador lineal, que está diseñado solo para estas situaciones difíciles.

Situaciones estáticas

En una situación estática, la suma de las fuerzas y la suma de los pares es igual a cero, ya que no hay fuerza o torque desequilibrado que cause movimiento. Si desea asegurarse de que su diseño sea estable para una carga dada o asegurarse de que su actuador lineal mantenga una carga dada, aún puede usar 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 la fuerza dinámica.

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