Calcolatore della Forza di un Cilindro Pneumatico

Il calcolo della forza di un cilindro pneumatico è una parte essenziale della sua progettazione e selezione.

I cilindri pneumatici sono uno degli elementi più importanti di un sistema pneumatico. Contengono una biella, che è il componente più sottoposto a pressione poiché il suo piccolo diametro sostiene la forza esercitata dall'intero cilindro. Pertanto, il calcolo della forza di un cilindro pneumatico è obbligatorio per evitare guasti meccanici.

Continua a leggere per saperne di più su:

• Cos'è un cilindro pneumatico;
• Come funziona un cilindro pneumatico; e
• Come calcolare la forza di un cilindro pneumatico.

Un cilindro pneumatico è un dispositivo che esercita una forza e un movimento alternativo. I suoi tre componenti principali sono:

1. Cilindro — Un pezzo cavo che racchiude gli altri due componenti;
2. Pistone — Il componente direttamente sottoposto alla pressione del gas che forma una guarnizione;
3. Biella — La parte attaccata al pistone che esercita la forza su una resistenza esterna.

Il movimento alternativo comprende due corse: 1. corsa di andata, o corsa di uscita, in cui il cilindro si estende completamente, e 2. corsa di ritorno, o corsa di entrata, in cui il cilindro ritorna alla posizione iniziale.

Sono simili ai cilindri idraulici, ma ci sono alcune differenze:

• Invece di un liquido, il fluido sottoposto alla pressione è un gas;
• Le pressioni e le forze disponibili sono inferiori per un gas; e
• Sono più silenziosi, più puliti e richiedono meno spazio.

Il gas compresso al posto del liquido li rende più adatti a spazi piccoli che non consentono di immagazzinare grandi quantità di fluidi o che richiedono il trasporto.

Il gas utilizzato è solitamente l'aria, quindi questi dispositivi sono talvolta chiamati cilindri pneumatici ad aria o cilindri ad aria.

Come funziona un cilindro pneumatico?

Il gas viene pressurizzato e portato nel cilindro da un compressore e da un sistema di tubature (composto principalmente da dispositivi di condizionamento e controllo). Questa pressione esercita una forza sul pistone; di conseguenza, il pistone applica una forza della stessa magnitudine all'asta.

I due principali tipi di cilindri pneumatici:

• Cilindri a singolo effetto: il gas entra ed esce dal cilindro attraverso una sola porta. La corsa di ritorno viene solitamente realizzata da una molla, ma può essere realizzata da qualsiasi forza esterna; e

• Cilindri a doppio effetto: in questi cilindri non viene utilizzata una molla ma del gas in pressione per ottenere la corsa di ritorno. Vengono utilizzati per esercitare forza in due direzioni.

Vediamo ora come calcolare della forza di un cilindro pneumatico.

Il calcolo della forza di un cilindro ad aria dipende dalla pressione all'interno del cilindro, dal diametro del pistone, dalla forza di attrito generata dai componenti della tenuta e dalla forza elastica (nel caso di dispositivi a semplice effetto).

La formula di base per calcolare la forza di un cilindro ad aria è la seguente:

F_t = P × A_u,

dove:

• F_t — Forza teorica. È teorica perché non tiene conto della forza di attrito e di quella elastica;
• P — Pressione all'interno del cilindro; e
• A_u — Area utile del lato della biella, che è a contatto con il gas.

Calcolo del cilindro pneumatico a singolo effetto

La forza effettiva esercitata diminuisce a causa dell'attrito e della forza elastica:

F_effettiva = F_t − F_a − F_e = P × A_u − F_a − F_e

dove:

• F_a — Forza di attrito, che dipende dalla pressione di esercizio, dalla velocità media del pistone e dai materiali. Una pratica comune è quella di considerarla pari al 3-20% della forza effettiva per intervalli di pressione di 4-8 bar; e
• F_e — Forza elastica, che dipende dalla legge di Hooke. Possiamo trascurarla in presenza di pressioni elevate, ma se pensi che sia significativa, puoi ottenerla con il calcolatore per la legge di Hooke 🇺🇸.

Nei cilindri a semplice effetto, A_u = (π/4) × D². Pertanto, la forma finale della formula è:

F_effettiva = P × (π/4) × D² − F_a − F_e.

Calcolo del cilindro pneumatico a doppio effetto

In questo tipo di cilindro, la forza elastica scompare, mentre la forza di attrito si comporta in modo simile ai cilindri a semplice effetto:

F_effettiva= F_t − F_a

L'area utile utilizzata per calcolare la forza teorica è pari a A_u = π × D² / 4 per la corsa di andata e A_u = π × (D² − d²) / 4 per la corsa di ritorno, dove d è il diametro dell'asta. La forma finale della formula è quindi:

• ^andataF_effettiva= = P × (π/4) × D² − F_a per la corsa di andata, e
• ^ritornoF_effettiva = P × (π/4) × (D² − d²) − F_a per la corsa di ritorno.

Supponiamo che tu voglia calcolare la forza di un cilindro pneumatico (a semplice effetto) con un pistone di 50 mm di diametro e una pressione all'interno del cilindro di 400 000 Pa. Segui i seguenti passaggi:

1. Seleziona A semplice effetto nell'opzione del tipo di cilindro;
2. Inserisci 400 000 Pa nella casella Pressione del cilindro (P);
3. Digita 50 mm nella casella Diametro del pistone (D); e
4. Ecco fatto. La forza di questo cilindro pneumatico dovrebbe essere pari a 785,4 newton.

Ora supponiamo che tu voglia calcolare la forza di un cilindro a doppio effetto con le stesse caratteristiche e con un diametro dello stelo di 5 mm. In questo caso, inoltre, dovrai selezionare A doppio effetto come tipo di cilindro e digitare 5 mm nella casella Diametro dello stelo (d). La forza della corsa di andata dovrebbe essere la stessa e la forza della corsa di ritorno dovrebbe essere di 777,5 N.