Что я ищу?
Сила линейный привод это количество силы, которое он может передать. Обычно его выражают в ньютонах (Н) для метрических единиц и фунтах (фунтах) в британских единицах. Производители линейных приводов предоставляют два типа характеристик силы: динамические и статические.
Динамическая сила (или динамическая нагрузка) — это максимальная сила, которую привод может приложить для перемещения объекта.
Статическая сила (или статическая нагрузка) — это максимальный вес, который может выдержать привод, когда он неподвижен.
Эти характеристики силы обычно являются ключевыми факторами при определении того, какой линейный привод вам нужен для вашего проекта. Если вы не знаете, какие еще факторы следует учитывать при выборе линейного привода, прочтите нашу публикацию об этом. здесь.
При попытке переместить объект с помощью линейного привода вам необходимо определить, какую минимальную динамическую силу может иметь ваш линейный привод. Эта сила будет зависеть не только от веса, который вы пытаетесь переместить, но также от количества задействованных приводов и физической геометрии вашей конструкции. Чтобы точно определить требуемую силу в каком-либо конкретном случае, вам необходимо применить первый закон движения Ньютона. Этот закон гласит, что объект, находящийся в покое, имеет тенденцию оставаться в покое, если на него не действует сила дисбаланса. Для нас это означает, что сила нашего линейного привода должна быть больше, чем сумма всех сил, действующих против желаемого направления движения. В этом руководстве вы узнаете, как рассчитать задействованные силы, используя несколько основных примеров.
Быстро в сторону: Диаграммы свободного тела — это упрощенные схемы объектов, которые используются для визуализации приложенных к нему сил. Использование этих диаграмм является хорошей практикой для визуализации всех задействованных сил и их ориентации.
Одномерное движение
Самый простой случай использования линейного привода для обеспечения движения — это использование одного привода для перемещения объекта вдоль одной оси. Как показано на диаграмме свободного тела рядом с этим абзацем, сила, прикладываемая линейным приводом, обозначается буквой F, а вес объекта обозначается буквой W. Чтобы определить динамическую силу, необходимую для линейного привода, вы просто вычитаете сумму сил в отрицательных направлениях получается из суммы сил в положительном направлении, которая должна быть больше нуля, чтобы привести к движению\n. В этом примере это будет F – W > 0. Затем вам нужно найти F, которое станет F > W. Это означает, что требуемая динамическая сила от линейного привода должна быть больше, чем вес объекта.
В случае, когда вы используете более одного линейного привода, например, в свободном теле.
На диаграмме, показанной здесь, вы следуете тому же процессу, что и выше. В этом примере сумма сил принимает вид F + F – W > 0 или 2*F – W > 0. Тогда решение для F становится F > ½*W. Это означает, что сила, прикладываемая одним приводом, может быть меньше веса объекта, но общая сила обоих должна быть больше.
Трение
Вышеупомянутые случаи игнорировали трение при расчете баланса сил, что может иметь место, а может и не иметь место в вашем приложении. Величина силы трения (f) равна коэффициенту трения (u), умноженному на нормальную силу (Н). Коэффициент трения обычно находится в диапазоне от 0 до 1 (хотя он может быть больше 1) и будет зависеть от того, какие материалы скользят друг по другу, а также от того, используется ли смазка.
Коэффициент трения также меняется, когда объект находится в движении, и часто задается в виде статических и динамических значений. Статическое значение всегда будет больше динамического значения (в соответствии с первым законом Ньютона), и поскольку мы пытаемся переместить объект, вам захочется использовать статическое значение коэффициента трения. Нормальная сила — это результирующая сила, используемая для поддержки объекта на другом объекте или поверхности. Например, если вы стоите на полу в своем доме, пол будет поддерживать вас, прилагая к вам направленную вверх силу, равную вашему весу, это нормальная сила. Нормальная сила всегда будет действовать перпендикулярно силе трения, а сила трения всегда будет действовать против желаемого направления движения.
В ситуациях, подобных приведенным выше случаям, когда объект, который вы перемещаете, не скользит по поверхности, трением можно пренебречь. Хотя технически компоненты, поддерживающие ваш объект, независимо от того, поддерживают ли они линейное движение, например направляющие рельсы или сам линейный привод будет иметь некоторое внутреннее трение, которое вам нужно будет преодолеть, чтобы начать движение, но оно будет относительно небольшим.
Если вы перемещаете объект по поверхности, при расчете силы необходимо учитывать трение. На диаграмме свободного тела выше показан пример выдвижного ящика, выдвигаемого линейным приводом. Каждый выдвижной ящик будут иметь заметное трение, поскольку они поддерживают перпендикулярную нагрузку (W). Поскольку имеется две направляющие выдвижного ящика, нормальная сила (Н), приложенная к одной из направляющих, будет равна половине нагрузки (Вт). Суммирование сил и решение для F в этом примере приведет к:
F > и*(0,5*Вт) + и*(0,5*Вт) = и*В
Таким образом, сила, требуемая от линейного привода, должна быть больше, чем общая сила трения. Сложная часть в этих случаях — определение коэффициента трения. Если вы можете определить точный коэффициент трения в вашем приложении, вы можете просто использовать приведенную выше формулу для определения минимальной динамической силы. Если вы не можете определить коэффициент трения, вы можете принять его равным 1. Вероятно, он будет больше, чем фактический коэффициент трения, поэтому это безопасное предположение, которое можно использовать для определения величины силы, необходимой вам от вашего линейного привода. .
Двумерное движение
До сих пор мы рассматривали перемещение объекта только по одной оси, но вам может потребоваться движение по двум осям или под углом. В этих случаях вы все равно можете использовать суммирование сил для определения необходимой динамической силы, но нам нужно будет учитывать несколько осей и использовать некоторую тригонометрию. В приведенном ниже примере толкания объекта вверх по пандусу направление движения находится под углом (тета). Чтобы упростить наши расчеты, вы можете выбрать, чтобы одна ось была параллельна направлению движения, а другая ось была бы перпендикулярна, как показано.
Теперь, когда оси смещены, вам нужно будет разделить вес объекта на две составляющие силы, используя тригонометрию и наклон рампы (тета). Одна из этих сил будет действовать против направления нашего движения, а другая — перпендикулярно поверхности пандуса. Нормальная сила, используемая для определения силы трения, будет равна перпендикулярной составляющей веса объекта. Решение суммирования сил для определения F приведет к:
F > W*sin(тета) + u*N = W*sin(тета) + u*W*cos(тета)
Вращательное движение
Хотя линейные приводы обеспечивают линейное движение, их также можно использовать для обеспечения вращения в таких приложениях, как открытие крышки или люка. Динамическая сила, необходимая для обеспечения вращения, должна привести к несбалансированному крутящему моменту, а не к несбалансированной силе. Крутящий момент — это вращающая сила, которая вызывает вращение и равна приложенной силе, умноженной на перпендикулярное расстояние к точке вращения. Таким образом, чтобы вызвать вращение, линейный привод должен обеспечивать крутящий момент, превышающий сумму всех крутящих моментов, действующих против желаемого направления вращения.
Величина крутящего момента, прилагаемого линейным приводом, будет зависеть от двух факторов: приложенной силы и расстояния от точки вращения. В приведенных выше примерах суммирование крутящих моментов выглядит одинаково:
F*y*cos(альфа) - W*x*cos(альфа) > 0
Расстояние от точки вращения до силы линейного привода равно y, а расстояние от точки вращения до центра тяжести люка равно x. Поскольку штриховка находится под углом (альфа), мы можем определить расстояние по перпендикуляру к каждой силе, умноженное на расстояние, равное косинусу угла. Определение динамической силы линейного привода F приводит к:
F > (W*x)/y
В случае слева динамическая сила линейного привода F может быть меньше или равна весу люка W, поскольку она действует дальше от точки вращения (y > x). В случае же справа F должно быть больше, чем W, потому что F действует ближе к точке вращения (y < x).
В некоторых приложениях сила, прикладываемая линейным приводом, должна быть под углом, как показано на изображении выше. Это немного усложняет расчеты, поскольку силу, прикладываемую линейным приводом, необходимо будет разбить на вертикальную и горизонтальную составляющие. Диаграмма свободного тела для изображения выше показана ниже:
Сумма крутящих моментов для этого примера равна:
((F*cos(бета))*(L*sin(альфа))) + (F*sin(бета))*(L*cos(альфа)) - W*(x*cos(альфа) > 0
Поскольку сила линейного привода (F) прикладывается под углом (бета), ее необходимо разбить на вертикальную составляющую (F*sin(beta)) и горизонтальную составляющую (F*cos(beta)), как показано на рисунке. в примере с пандусом выше. Вертикальная составляющая силы вызывает крутящий момент вокруг шарнира, поскольку между силой и шарниром существует горизонтальное расстояние; Аналогичным образом, горизонтальная составляющая силы также вызывает крутящий момент вокруг шарнира, поскольку между силой и шарниром существует расстояние по вертикали. Вы можете определить эти расстояния на основе длины штриховки (L) и угла штриховки (альфа), как показано в предыдущем примере штриховки. Чтобы определить необходимую динамическую силу, вам необходимо решить приведенное выше уравнение для F. К сожалению, сила линейного привода (F) будет функцией, зависящей от угла люка (альфа). Поскольку этот угол будет меняться при открытии люка, изменится и минимальная сила, требуемая от линейного привода. Это означает, что вам нужно будет решить приведенное выше уравнение для различных углов, чтобы найти наибольшую минимальную силу, необходимую для использования в вашей спецификации динамической силы. Это может быть еще сложнее, если угол приложения силы (бета) также изменится при открытии люка, что будет означать, что он также будет функцией угла люка (альфа). Если вы хорошо знаете математику, вы можете определить точные требования к динамической силе, необходимые для вашего линейного привода. А если нет, то вы можете воспользоваться нашим удобным Калькулятор линейного привода, который создан как раз для таких сложных ситуаций.
Статические ситуации
В статической ситуации сумма сил и сумма крутящих моментов будет равна нулю, поскольку нет несбалансированной силы или крутящего момента, вызывающих движение. Если вы хотите обеспечить стабильность вашей конструкции при заданной нагрузке или убедиться, что линейный привод выдержит заданную нагрузку, вы все равно можете использовать описанные выше методы, чтобы обеспечить баланс всех сил и моментов. При проверке статических ситуаций вы будете использовать спецификацию статической силы для вашего линейного привода вместо спецификации динамической силы.
Теперь, когда вы знаете, как определить, насколько мощным должен быть ваш линейный привод, вы можете найти тот, который соответствует вашим потребностям, в нашем выбор в Firgelli Автоматизация.
