Calculateur de force d'un vérin pneumatique

Le calcul de la force requise par un vérin pneumatique constitue un point fondamental du processus de conception et de sélection du vérin.

Les vérins pneumatiques sont l'un des éléments les plus importants d'un système pneumatique. Ils contiennent une tige, qui est le composant le plus sollicité, car son faible diamètre supporte la force exercée par l'ensemble du vérin. Par conséquent, le calcul de la force de sortie du vérin pneumatique est obligatoire pour éviter toute défaillance mécanique.

Poursuivez votre lecture pour connaître la réponse à de nombreuses questions.

• Qu'est-ce qu'un vérin pneumatique ?
• Comment fonctionne un vérin pneumatique ?
• Comment calculer la force d'un vérin pneumatique ?

Un vérin pneumatique est un dispositif qui exerce une force et un mouvement alternatif. Ses trois principaux composants sont :

1. Un vérin : une pièce creuse qui renferme les deux autres composants.
2. Un piston : le composant directement soumis à la pression du gaz en formant un joint.
3. Une tige : la partie attachée au piston qui exerce la force sur une résistance externe.

Le mouvement alternatif comprend deux courses : 1. la course de sortie, au cours de laquelle le vérin se déploie complètement, et 2. la course de retour, ou course d'entrée, au cours de laquelle le vérin revient à sa position initiale.

Ils sont similaires aux vérins hydrauliques, mais il y a quelques différences.

• Au lieu d'un liquide, le fluide sous pression est un gaz.
• Les pressions et les forces disponibles sont plus faibles pour un gaz.
• Ils sont plus silencieux, plus propres et moins encombrants.

Le gaz comprimé au lieu d'un liquide les rend plus adaptés aux petits espaces qui ne permettent pas le stockage de grandes quantités de fluides ou qui ne nécessitent pas de transport.

Le gaz utilisé est généralement de l'air, c'est pourquoi ces dispositifs sont parfois appelés vérins pneumatiques ou vérins à air comprimé.

Comment fonctionne un vérin pneumatique ?

Le gaz est mis sous pression et amené dans le vérin par un compresseur et un système de tuyauterie (composé principalement d'appareils de climatisation et de contrôle). Cette pression exerce une force sur le piston ; par conséquent, le piston applique une force de même intensité sur la tige.

Voici les deux principaux types de vérins pneumatiques.

• Vérins pneumatiques à simple effet : le gaz n'entre et ne sort du vérin que par un seul orifice. Un ressort assure généralement la course de retour, bien que n'importe quelle force externe puisse le faire.

• Vérins pneumatiques à double effet : dans ces vérins, on n'utilise pas de ressort, mais du gaz sous pression pour réaliser la course de retour. Ils sont utilisés pour exercer une force dans deux directions.

Voyons maintenant comment calculer les forces dans les vérins pneumatiques.

Le calcul de la force d'un vérin pneumatique dépend de la pression à l'intérieur du vérin, du diamètre du piston, de la force de frottement générée par les composants d'étanchéité et de la force du ressort (dans le cas des dispositifs à simple effet).

La formule la plus élémentaire pour calculer la force d'un vérin pneumatique est la suivante :

F_t = P × A_u

où :

• F_t  – la force théorique
  Elle est théorique, car elle ne tient pas compte des forces de frottement et de ressort.
• P  – la pression à l'intérieur du vérin
• A_u  – l'aire utile en contact avec le gaz

Calcul d'un vérin pneumatique à simple effet

La force effective exercée diminue en raison du frottement et du ressort :

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

où :

• F_f – la force de frottement

  Elle dépend de la pression de fonctionnement, de la vitesse du piston et des matériaux. Une pratique courante consiste à la considérer comme égale à 3-20 % de la force effective pour les plages de pression de 4 à 8 bars.

• F_s – la force du ressort (dépend de la loi de Hooke)
  Nous pouvons la négliger en présence de pressions élevées, mais si vous pensez qu'elle est importante, vous pouvez l'obtenir avec le calculateur de la loi de Hooke 🇺🇸.

Dans les vérins à simple effet, A_u = (π/4) × D². Par conséquent, la forme finale de la formule est la suivante :

F_effec = P × (π/4) × D² - F_f - F_s

Calcul du vérin pneumatique à double effet

Dans ce type de vérin, la force du ressort disparaît, tandis que la force de frottement se comporte de manière similaire aux vérins à simple effet :

F_effec = F_t - F_f

L'aire utile pour calculer la force théorique est égale à A_u = π × D² / 4 pour la course de sortie et A_u = π × (D² - d²) / 4 pour la course retour, où d est le diamètre de la tige. La forme finale de la formule est donc la suivante :

• ^sortieF_effec = P × (π/4) × D² - F_f pour la course de sortie ; et
• ^retourF_effec = P × (π/4) × (D² - d²) - F_f pour la course de retour.

Supposons que vous souhaitiez calculer la force d'un vérin pneumatique (simple effet) avec un piston de 50 mm de diamètre et une pression à l'intérieur de son vérin de 400 000 Pa. Procédez comme suit :

1. Sélectionnez « Simple effet » dans l'option type de vérin.
2. Entrez 400 000  Pa dans le champ « Pression du vérin (P) ».
3. Saisissez 50 mm dans le champ « Diamètre du piston (D) ».
4. Le tour est joué. La force de sortie calculée de votre vérin pneumatique devrait être de 785,4 N.

Supposons maintenant que vous souhaitiez calculer la force d'un vérin à double effet ayant les mêmes calculs et un diamètre de tige de 5 mm. Dans ce cas, vous devez également sélectionner « Double effet » comme type de vérin et taper 5 mm dans le champ « Diamètre de la tige (d) ». La force de la course de sortie doit être la même et la force de la course de retour doit être de 777,5 N.