Calculadora de fuerza de cilindros neumáticos

El cálculo de la fuerza en un cilindro neumático es una parte esencial de su diseño y selección.

Los cilindros neumáticos son uno de los elementos más relevantes de un sistema neumático. Contienen un vástago, que es el componente sometido a mayor esfuerzo, ya que su pequeño diámetro soporta la fuerza ejercida por todo el cilindro. Por tanto, calcular la fuerza ejercida por el cilindro neumático es crucial para evitar fallos mecánicos.

Sigue leyendo para saber más sobre:

• ¿Qué es un cilindro neumático?
• Cómo funciona un cilindro neumático.
• Cómo calcular la fuerza de un cilindro neumático.

Un cilindro neumático es un dispositivo que ejerce una fuerza y un movimiento alternativo. Sus tres componentes principales son

1. Cilindro - una pieza hueca que encierra los otros dos componentes.
2. Pistón - también llamado émbolo, es el componente sometido directamente a la presión del gas formando una junta.
3. Vástago - la pieza unida al pistón que ejerce la fuerza sobre una resistencia externa.

El movimiento alternativo consta de dos carreras: 1. carrera de salida, en la que el cilindro se extiende completamente, y 2. carrera de retorno, o carrera de entrada, cuando el cilindro vuelve a la posición inicial.

Son similares a los cilindros hidráulicos, pero hay algunas diferencias:

• En lugar de un líquido, el fluido a presión es un gas.
• Las presiones y fuerzas disponibles son menores para un gas.
• Son más silenciosos, limpios y requieren menos espacio.

El gas comprimido en lugar de un líquido los hace más adecuados para espacios pequeños que no permiten almacenar grandes cantidades de fluido o que requieren transporte.

El gas utilizado suele ser aire, por lo que estos aparatos a veces se llaman cilindros neumáticos de aire o cilindros de aire.

¿Cómo funciona un cilindro neumático?

El gas se presuriza y se lleva al cilindro mediante un compresor y un sistema de tuberías (compuesto principalmente por dispositivos de aire acondicionado y control). Esta presión ejerce una fuerza sobre el émbolo; en consecuencia, el émbolo aplica una fuerza de la misma magnitud al vástago.

Los dos tipos principales de cilindros neumáticos:

• Cilindros de acción simple: el gas entra y sale del cilindro por un solo orificio. Normalmente, un muelle consigue la carrera de retorno, aunque cualquier fuerza externa puede hacerlo.

• Cilindros de acción doble: en estos cilindros no se utiliza un muelle, sino gas a presión para conseguir el retorno del vástago. Sirven para ejercer fuerza en dos direcciones.

Veamos ahora cómo calcular fuerzas en cilindros neumáticos.

El cálculo de la fuerza de un cilindro neumático depende de la presión dentro del cilindro, del diámetro del émbolo, de la fuerza de rozamiento generada por los componentes de la junta y de la fuerza de muelle (en el caso de dispositivos de acción simple).

La fórmula más básica para calcular la fuerza de un cilindro neumático es

F_t = P × A_u

donde:

• F_t - Fuerza teórica. Es teórica porque no tiene en cuenta las fuerzas de rozamiento y de muelle;
• P - Presión dentro del cilindro;
• A_u - Superficie útil en contacto con el gas.

Cálculo de un cilindro neumático de acción simple.

La fuerza efectiva ejercida disminuye debido al rozamiento y al muelle:

F_efec = F_t - F_f - F_s = P × A_u - F_f - F_s

donde

• F_f - Fuerza de rozamiento, que depende de la presión de funcionamiento, la velocidad del pistón y los materiales. Una práctica habitual es considerarla igual al 3-20% de la fuerza efectiva para rangos de presión de 4-8 bares.
• F_s - Fuerza de muelle, que depende de la ley de Hooke. Podemos despreciarla en presencia de presiones elevadas, pero si crees que es significativa, puedes obtenerla con la calculadora de la ley de Hooke 🇺🇸.

En cilindros de acción simple, A_u = (π/4) × D². Por tanto, la forma final de la fórmula es:

F_efec = P × (π/4) × D² - F_f - F_s.

Cálculo de cilindros neumáticos de acción doble.

En este tipo de cilindro, la fuerza de muelle desaparece, mientras que la fuerza de rozamiento se comporta de forma similar a los cilindros de acción simple:

F_efec = F_t - F_f

El área útil utilizada para calcular la fuerza teórica es igual a A_u = π × D² / 4 para la carrera de salida y A_u = π × (D² - d²) / 4 para la carrera de retorno, donde d es el diámetro del vástago. La forma final de la fórmula es, por tanto

• ^salidaF_efec = P × (π/4) × D² - F_f para la carrera de salida; y
• ^retornoF_efec = P × (π/4) × (D² - d²) - F_f para la carrera de retorno.

Supongamos que quieres calcular la fuerza de un cilindro neumático (de acción simple) con un émbolo de 50 mm de diámetro y una presión en el interior de su cilindro de 400 000 Pa. Sigue estos pasos:

1. Selecciona "Acción simple" en la opción tipo de cilindro.
2. Introduce 400 000 Pa en la casilla "Presión del cilindro (P)".
3. Introduce 50 mm en la casilla "Diámetro del pistón (D)".
4. Y ya está. La fuerza de salida calculada de tu cilindro neumático debe ser de 785.4 Newtons.

Supón ahora que quieres calcular la fuerza de un cilindro de acción doble con las mismas características y un diámetro de vástago de 5 mm. En ese caso, además, debes seleccionar "acción doble" como tipo de cilindro e introducir 5 mm en la casilla "Diámetro del vástago (d)". La fuerza de carrera de salida debe ser la misma, y la fuerza de carrera de retorno debe ser de 777.5 N.