Calculator voor Pneumatische Cilinderkracht
Figuur 1: Pneumatische cilinder
Pneumatische cilinders zetten perslucht om in mechanische beweging. Verschillende typen pneumatische cilinders zijn ontworpen om te voldoen aan specifieke prestatie-eisen, zoals kracht, snelheid en precisie. Een belangrijke factor bij de keuze van de juiste pneumatische cilinder voor een bepaalde toepassing is de krachtafgifte. De juiste krachtafgifte zorgt ervoor dat de cilinder de gewenste taak effectief en veilig kan uitvoeren.
In dit artikel wordt de kracht van enkelwerkende en dubbelwerkende pneumatische cilinders onderzocht. Om te begrijpen hoe ze werken, kunt u ons artikel over pneumatische cilinders lezen.
Bekijk onze online selectie van pneumatische cilinders
Benodigde kracht om een voorwerp met een bepaalde massa te verplaatsen
Wanneer een pneumatische cilinder wordt gekozen om een last te verplaatsen, is een vaak gestelde vraag hoe de benodigde kracht moet worden bepaald.
Afleiding
- F: De noodzakelijke kracht om een voorwerp te verplaatsen
- m: Massa van de behuizing
- a: De versnelling die nodig is om de behuizing te verplaatsen
Versnelling is de snelheid waarmee de snelheid ("v") van de behuizing verandert.
Figuur 2: Ideaal snelheidsprofiel van een pneumatische cilinder met constante maximumsnelheid (A) en lineaire versnelling bij maximumkracht (B). De X-as en de Y-as tonen respectievelijk de positie en de snelheid van de zuiger.
De snelheid van de pneumatische cilinder neemt lineair toe tot de maximumsnelheid wordt bereikt (figuur 2); de versnelling is constant in dit lineaire gebied.
- v2: Maximale snelheid
- v1: Initiële snelheid
De beginsnelheid is nul,
- L: Pneumatische cilinder slaglengte
- t: Volledige slagtijd
Zodra de gebruiker de massa van het te verplaatsen voorwerp, de slaglengte en de volledige slagtijd kent, kan met behulp van bovenstaande relatie de kracht worden berekend die nodig is om het voorwerp te verplaatsen. Zodra deze waarde is berekend, kiest u een pneumatische cilinder die deze kracht produceert. Bijvoorbeeld, voor een volledige slagtijd van 1 s, F = mL, en voor een volledige slagtijd van 5 s, F = mL/25. Daarom zou, naarmate de volledige slagtijd afneemt, de benodigde kracht om het voorwerp te verplaatsen moeten toenemen en omgekeerd.
Let op: De hierboven beschreven afleiding van de pneumatische cilinderkracht houdt geen rekening met de effecten van wrijving op de beweging van het voorwerp.
Voorbeeld
Bereken de kracht die nodig is om een voorwerp met een massa van 1000 kg te verplaatsen met behulp van een pneumatische cilinder met een slaglengte van 20 mm en een volledige slagtijd van 1s.
m = 1000kg
L = 20mm = 0,02m
t = 1s
F = ma
a = dv/dt = (L/t)/t = 0,02 m/s2
F = 1000 × 0.02 = 20N
Kies een pneumatische cilinder die 20N kan produceren.
Hoe bereken je pneumatische cilinderkracht?
In dit hoofdstuk wordt de door een pneumatische cilinder opgewekte kracht uitgelegd. De krachtberekeningen voor enkel- en dubbelwerkende cilinders kunnen theoretisch of effectief zijn. De theoretische berekeningen zijn eenvoudiger, maar houden geen rekening met de systeemwrijving of de veerkracht. Met de theoretische berekening kan echter snel de maximale kracht van de cilinder worden bepaald. De berekening van de effectieve kracht houdt rekening met de wrijving en de veerkracht. Daarom is de output lager dan het theoretische resultaat.
Theoretische pneumatische cilinderkracht
De basisformule om de theoretische kracht van een pneumatische cilinder te berekenen is:
- Ft: theoretische kracht in Newton (N)
- P: de door de vloeistof op de zuiger uitgeoefende druk in Pascal (Pa)
- Au: effectieve oppervlakte in contact met het gas in vierkante meter.
Theoretische kracht enkelwerkende pneumatische cilinder
Het effectieve oppervlak in een enkelwerkende pneumatische cilinder is:
waarbij "D" de zuigerdiameter is, ook wel de boringdiameter genoemd.
De krachtvergelijking voor een enkelwerkende pneumatische cilinder is dus,
Figuur 3: Pneumatische cilinderdruk versus kracht voor verschillende cilinderdiameters. De X-as en de Y-as geven respectievelijk de luchtdruk (kPA) en de kracht (N) weer.
Bij een gegeven druk neemt de door een pneumatische cilinder opgewekte kracht toe naarmate de diameter van de cilinder toeneemt. Dit komt doordat de effectieve oppervlakte van de zuiger toeneemt naarmate de diameter toeneemt, waardoor de door de cilinder gegenereerde kracht toeneemt.
Ook zal bij een gegeven cilinderdiameter de door een pneumatische cilinder opgewekte kracht toenemen naarmate de op de cilinder uitgeoefende druk toeneemt. Dit komt omdat de druk over een groter gebied werkt, wat op zijn beurt een grotere kracht genereert.
Voorbeeld
Beschouw een enkelwerkende pneumatische cilinder met een zuigerdiameter van 40 mm en een systeemdruk van 400 kPa. Bereken de maximale kracht die de cilinder uitoefent.
D = 40 mm
P = 400 kPa
De cilinder oefent dus een kracht van 502 N uit wanneer een enkelwerkende pneumatische cilinder met een zuigerdiameter van 40 mm op een druk van 400 kPa wordt gebracht.
Theoretische kracht dubbelwerkende pneumatische cilinder
In een dubbelwerkende cilinder wordt de oppervlakte (Au) gegeven door,
voor de voorwaartse slag
voor de retourslag
- D: Zuiger diameter
- d: Zuigerdiameter
Een zuiger is een onderdeel van een pneumatische cilinder dat in de cilinder heen en weer beweegt om kracht over te brengen. Het is typisch een cilindervormig voorwerp dat zich in de cilinder bevindt.
De zuigerstang daarentegen is het onderdeel dat de zuiger verbindt met de buitenkant van de cilinder. Hij is aan één kant aan de zuiger bevestigd en steekt aan de andere kant via een afdichting uit de cilinder. Lees ons artikel over pneumatische cilinderonderdelen voor meer details.
De krachtvergelijkingen voor een dubbelwerkende pneumatische cilinder zijn dus
Voorbeeld
Beschouw een dubbelwerkende pneumatische cilinder met een zuigerdiameter van 40 mm en een stangdiameter van 6 mm. Het systeem staat onder een druk van 400 kPa. Bereken de kracht die de cilinder uitoefent. Negeer het effect van wrijving.
D = 40 mm
d = 6 mm
P = 400 kPa
Voor de voorwaartse slag:
Voor de retourslag:
De dubbelwerkende cilinder produceert dus een voorwaartse slag van 502 N en een terugwaartse slag van 491 N.
Let op: Voor een specifiek systeem moet de pneumatische cilinder worden gedimensioneerd op basis van de retourslag, omdat de capaciteit daarvan kleiner is dan die van de uitgaande slag. Dit komt door het verminderde actieve drukoppervlak van de stang.
Effectieve kracht
De in het vorige punt beschreven krachtvergelijking berekent de theoretische kracht, en houdt geen rekening met het effect van wrijving of de kracht die door de veer wordt uitgeoefend. Het is van belang deze dempingskrachten te begrijpen om de door de pneumatische cilinder geproduceerde effectieve kracht te schatten.
Enkelwerkende pneumatische cilinder
De effectieve kracht in een enkelwerkende cilinder neemt af door het effect van veer en wrijving.
- Ff: Wrijvingskracht, die afhangt van de zuigersnelheid, de werkdruk en de cilindermaterialen. Een gangbare praktijk is deze gelijk te stellen aan 3-20% van de totale kracht voor werkdrukken in het bereik van 4-8 bar.
- Fs: Veerkracht, berekend volgens de wet van Hooke. Het effect van de veerkracht kan bij hoge drukken worden verwaarloosd.
Daarom is de uiteindelijke formule:
Voorbeeld
Stel dat de theoretisch door de zuiger opgewekte kracht 1000 N bedraagt. Rekening houdend met een wrijvingskracht van 5% van de totale kracht (of 50 N) en zonder rekening te houden met de veerkracht, bedraagt de effectief opgewekte kracht 950 N.
Dit betekent dat de zuiger de weerstandskracht van 50 N moet overwinnen. Hij genereert een effectieve kracht van 950 N die nodig is om het materiaal samen te drukken, hoewel hij een maximale theoretische kracht heeft van 1000 N. De wrijvingskracht kan de efficiëntie en nauwkeurigheid van het pneumatisch systeem verminderen en na verloop van tijd slijtage veroorzaken aan de zuiger en de cilinderwanden.
Dubbelwerkende pneumatische cilinder
In een dubbelwerkende pneumatische cilinder is er geen veer; de veerkracht hoeft dus niet in aanmerking te worden genomen. De wrijvingskracht gedraagt zich echter hetzelfde als bij enkelwerkende cilinders.
De uiteindelijke formules voor kracht zijn:
- Feffec(out): Effectieve kracht tijdens de uitgaande slag
- Feffec(return): Effectieve kracht tijdens de teruggaande slag
Lees onze artikelen over montageaccessoires voor pneumatische cilinders en demping voor meer informatie over deze onderwerpen.
FAQ
Wat is de krachtafgifte van een pneumatische cilinder?
De (theoretische) afgegeven kracht van een pneumatische cilinder is het product van de bruikbare zuigeroppervlakte en de toegepaste luchtdruk (F = PA).
