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Acionamentos Fludo - Mecnicos e Eltricos
Atuadores
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Acionamentos Fludo - Mecnicos e Eltricos
HERIVELTO CALLES LOUZADA
UNIVERSIDADE PAULISTA
Automao Pneumtica e Hidrulica
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Acionamentos Fludo - Mecnicos e Eltricos
Os atuadores pneumticos so elementos mecnicos que por meio de movimentos lineares ou rotativostrans
gerada pelo ar pressurizado e em expanso, em energia mecnica, produzindo trabalho.
Conhecidos tambm como cilindros pneumticos.
So constitudos por um tubo cilndrico, tendo em uma de suas extremidades fechada por uma tampa, a qual
serve para admisso e exausto do ar, ena outra extremidadeoutra tampa com igual caracterstica, por
central pelo qual se movimenta uma hasteque, naextremidade interna ao cilindro, possui um mbolo com ve
expandindo-se no interior do tubo cilndrico, possibilita o movimento de expanso dessa haste. Os atuadores p
normas internacionais, tais como: ISO 6431, ISO 6432 e DIN ISO 6431.
A representao simblica normalizada dos atuadores deve estar de acordo com a norma DIN/ISO 1929 de ago
vigor.
Atuadores pneumticos lineares de simples efeito Atuadores pneumticos lineares de
ATUADORES PNEUMTICOS
Esto classificados basicamente em duas famlias:
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Atuador linear de simples ao ou simples efeito
SmboloAvano: Ar comprimido
Retorno: Por mola
Curso mximo 100mm,
Aplicao em operaes que envolvam fixao, expulso, extrao e prensagem
So aqueles em que o movimento de retrao ou expanso feito por mola, podendo tambm ter ret
Smbolo
Avano: Por molaRetorno: Por ar comprimido
(a) atuador linear de simples efeito normalmente retrado com retorno por mola
b) atuador linear de simples efeito normalmente distendido com retorno por mola.
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Atuador linear de simples ao Com Mola
Componentes do atuador linear
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Acionamentos Fludo - Mecnicos e Eltricos
1. Umavlvula controladora direcional, ao ser acionada, permite que o ar comprimido provindo da linha d
alimentao seja injetado atravs de uma mangueira, na conexo (1), elevando-se a presso na cmaposterior at o ponto de superar a fora exercida pela mola (6), provocando com isso o movimento d
extenso da haste.
2. Enquanto a vlvula permanecer acionada, a presso do ar continua atuando no interior do cilind
pneumtico, mantendo assim a haste distendida.
3. Com o desligamento da vlvula o fluxo de ar para o interior do atuador cessado, servindo agora
mesma conexo para a exausto do ar, em funo da fora restauradora da mola.
4. A mola para uso nesse tipo de atuador dimensionada para possibilitar um rpido retorno da hast
sem, contudo, permitir que a velocidade de retorno seja demasiadamente elevada a ponto de absorv
grande energia cintica e dissip-la com grande impacto do embolo no fundo da cmara, o que ser
danoso ao atuador.
5. Por questes funcionais, so desaconselhados para aplicaes que requeiram curso superior a 100 m
Atuador linear de simples ao ou simples efeito
Prin cpio de Fun cio nam ento
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Atuador linear de simples ao Sem Mola
Smbolo
Obs:Neste caso o retorno feito por aoexterna, por exemplo um solenoide, ououtro atuador, etc...
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Atuador linear de dupla ao (duplo efeito)
So atuadores em que alimentao e exausto ocorrem por conexes localiza
extremidades do atuador.
So encontrados em dimetros comerciais, cobrindo uma faixa de dimetros que vai, n32 a 320 mm. Alguns fabricantes produzem tambm o que denominam "Srie Min
dimetros de 6 a 25 mm.O curso no pode ser muito grande pois surgem problemas de flam
o mais utilizado possuindo inmeras aplicaes, como prensas, fixadores, etc...
Smbolo
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Atuador linear de dupla ao (duplo efeito)
Funcionamento
Em estadonormalmente no acionado, o atuador que comandado por uma vlvula controladorecuado em funo do ar que mantm preenchida sua cmara frontal (6).
Ao ser comutada uma vlvula controladora, permitido que o ar comprimido provindo da lininjetadoatravs de uma mangueira, na conexo (2), elevando-se a presso na cmara traseira atforas de atrito e a que estiver se opondo ao movimento da haste (10), provocando com isso sua exte
Enquanto a vlvula controladora permanecer acionada, a presso do ar continua atuando no interiomantendo a haste distendida.
Somente quando a vlvula comutada novamente para o sentido oposto que o fluxo de ar patraseira do atuador cessado, servindo agora a mesma conexo para a exausto do ar, enquantpassa a ser insuflado pela conexo (9) cmara frontal (6), provocando com isso o retorno da haste
1 - Tampa traseira 6 Cm
2 - Cmara traseira 7 - Cam
3 - Conexo de alimentao/exausto 8 Tam
4 - Vedao do mbolo em neoprene 9 Coalimen
5 - mbolo 10 - Ha
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Atuador linear de dupla ao(amortecimento de final de curso)
Smbolo
Obs:
Para protechoques epodem amortecim
amortecimmovimentochegue aamorteciminstaladosum cilindro
i l d i l i
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Atuador linear de dupla ao - Amortecimento de final de curso
Smbolo
Os amortecedores de fim de curso tm funo deabsorver a excessiva energia cintic
da elevadavelocidade de avano ou retornoque o atuador venha a desenvolver. Lembremos, pois, que em toda massa, quando posta em movimento, seja com velocidade consta
sempre a dissipao de energia cintica (Equao acima).
Ao analisamos internamente um atuador linear pneumtico, observamos que o conjunto mbmovida pela haste constitui uma massa mque, juntamente com a velocidade a ser desenvolvidna energia cintica a ser gerada pelo conjunto.
Essa energia cintica, ao final do curso do atuador, absorvida ora pela tampa frontal (8), ora pconforme o movimento de extenso ou retrao da haste.
a repetio cclica do impacto do embolo grande velocidade conduz fadiga do material. Essa veamortecedor se faz realmente necessrio, gira em torno de 0,1 m/s.
m - masv - veloc
EC - ene
(8)(1)
A i t Fl d M i Elt i
d li d d l i d fi l d
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Acionamentos Fludo - Mecnicos e EltricosAtuador linear de dupla ao - amortecimento de final de curso
Fonte Automao Hidrulica Projetos, Dimensionamentos e Anlise de circuiros Fialho, B. Arivelto
(1) Cavidade traseira(8) Co
c/
(2) Conj. vlvula de reteno(9) Or
am
(3) Cmara traseira (10) B
(4) Cmara frontal (11)
(5) Cavidade frontal (12) P
(6) Haste(13) O
a
(7) Conj. vlvula de reteno(14) C
c
Smbolo
Observando a Figura, verificamos que o atuador se encontra com a haste em movimento de retrao, conforme a ind Assim, ao analisarmos acmara traseira (3)nos momentos finais da retrao da haste (6),observamos que o conj
(6), quando da aproximao em elevada velocidade, chegando prximo tampa do fundo, que possui usinadodenominado cavidade traseira (1),tem um primeiro contato com esta atravs daponta amortecedora da haste (12)cavidade, evitando a continuidade da exausto pelaconexo (14)viacavidade traseira (1).
No mais podendo ser exaurido por esse caminho, o ar confinado no restante dacmara traseira (3)tem como norifcio (13),cujo dimetro menor que o canal de ligao da cavidade (1),com aconexo de exausto (14).Esseparafuso conexo de alimentao/ exausto (1),cria um efeito como se fosse uma almofada de ar, exatamente pneumtico, dado que em funo dessa combinao, a vazo de sada do ar sofre uma sensvel reduo, diminquando do impacto com o cabeo do fundo (tampa traseira).
O objetivo davlvula de reteno (2) justamente permitir o controle da recirculao do ar que restou na cavidadparte do ar que tenta sair viaorifcio (13) e conexo (14).
O amortecimento na extenso da haste do atuador, quando em seu final de curso, ocorre de forma anloga.
Princpio de funcionamento
A i t Fl d M i Elt i
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Amortecimento hidrulico
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- Sem amortecedor: so adequados para cursos completos com baixa velocidade.
- Com amortecedor fixo: pequenos dimetros para servios leves tm amortecedor fixo.
- Com amortecedor ajustvel: a haste desacelera progressivamente na parte final do curso.
- Com amortecedor magntico: uma cinta magntica em volta do embolo opera um sensor tipo reed switcposio do fim do curso
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atuadores pneumticos
com amortecedor
magntico
Atuadores com haste, normalmente com cursospequenos.Dedicados montagem em espaos reduzidos.Economia de espao de at 75% quandocomparado com os atuadores tradicional
Atuadores comarredondadaPossuem em sconstruo espefixao diretamedispositivos.
Atuador linear com haste antigiro, fuso comesferasCaractersticas especiais:Sistema mecnico
com motor fixo integrado
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DIMENSIONAMENTO DE ATUADORES PNEUMTICOS LINEARE ROTATIVOS COMERCIAIS
O dimensionamento dos atuadores lineares e rotativos para especif
catlogos comerciais de fabricantes e revendedores feito a partir de u
esforos envolvidos, amplitude de deslocamentos e tipos de montagens
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DIMENSIONAMENTO DE ATUADORES PNEUMTICOS LINEARESE ROTATIVOS COMERCIAIS
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O critrio de Euler analisa a relao entre o comprimento da haste (L) e
(fornecido na tabela abaixo), fornecendo um coeficiente , conhecido colivre de flambagem, que aplicado no seguinte equacionamento, possib
dimetro da haste oferecido no catlogo satisfaz as necessidades de proj
Em que:
= comprimento livre de flambagem [cm];
E = mdulo de elsticidade do ao (mdulo de Young) = 2,1.107 [N/cm2];
Fa= fora de avano (Fp.) em [N];
S = coeficiente de segurana (3,5 - 5).
VERIFICAO E DIMENSIONAMENTO DO DIMETRO DA HASTE PELO CRITRI
=. . .
.
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EXERCCIO EXEMPLO
A figura a seguir representa a mesa de um dispositivo, que movimentado por deslizame
lubrificados, perfazendo um deslocamento total de 100 cm. Dimensionar o atuador pneuutilizando a Tabela FESTO (www.festo.com) e a da Parker, que esto no slide 24. Consid
montagem com as 2 extremidades articuladas. Verificar pelo critrio de EULER qual o dimetr
necessrio para esse atuador. Considerando a fora executada pela mesa no projeto de 150
trabalho de 6 kgf/cm e coeficiente de segurana 3,5.
VERIFICAO E DIMENSIONAMENTO DO DIMETRO DA HASTE PELO CRITRI
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http://www.festo.com/http://www.festo.com/7/24/2019 Atuadores V2
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\
Analisando a tabela do fabricante Parker no slide 24 a seguir, Temos:
Dimetro de pisto de 80 mm como referncia, porm agora faz-se necessrio encontrar o dimetro mnimo da haste para que no
ocorra a flambagem.
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\
VERIFICAO E DIMENSIONAMENTO DO DIMETRO DA HASTE PELO CRITRI
Calculando pelo critrio de Euler o dimetro mnimo (S = 3,5), t
Em que:
= comprimento livre de flambagem (cm), da tabela de Euler temos = L = 100
E = mdulo de elasticidade do ao (mdulo de Young) = 2,1.107 [N/cm2];
Fa= fora de avano
Fa= (Fp.)
Fa= 150*1,5 [kp] = 150*1,5*10 [N] = 17.250 [N]
Obs: kp = Quilolibra = kgf; 1 [kp] = 9,8 [N]
S = coeficiente de segurana (3,5 - 5).
=. . .
.
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\
VERIFICAO E DIMENSIONAMENTO DO DIMETRO DA HASTE PELO CRITRI
Calculando pelo critrio de Euler o dimetro mnimo (S = 3,5), t
Conclui-se que o atuador da Parker com DP= 80 mm e DH= 2ira satisfazer perfeitamente com segurana a necessidade do
=., .(..,)
.,. = , []
= , []
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Atuador Pneumtico de Alto Impacto
Externamente como um atuador normal de duplo efeito, entretanto, internamente, a cmauma diviso que forma uma pr-cmara (A), desse modo a cmara traseira fica dividida em dentre a pr-cmara e a nova cmara traseira se d atravs de um pequeno orifcio (B) queponta traseira da haste (D) enquanto ela estiver recolhida.
Quando disparado o atuador, o ar comprimido inicialmente acessa a pr-cmara (A) e, umado orifcio de ligao (B) relativamente menor que a rea interna da prpria pr-cmainicialmente o orifcio encontra-se bloqueado pela ponta traseira da haste (D), a presso dpr-cmara, at que a fora desenvolvida possa vencer as foras opostas, fazendo comhaste+embolo inicie um rpido movimento, distendendo-se e gerando grande quantidade de
A importncia do orifcio (D) nessa concepo a produo da elevada energia cintica ne
tipo de atuador, que tem como aplicao, basicamente, os servios de prensagem, rebitagem
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A alta energia cintica gerada durante o movimento inicial de extenso do atuador. Essa ele elevao da velocidade do ar ao passar atravs do orifcio (B), mecanismo que pode ser expda continuidade. sabido que o fluxo de massa (taxa de massa) de um fluido, permanece constante ao long
pela qual escoe. Desse modo, analisando a Figura abaixo, pode-se afirmar que no instantmovimento da haste, depois de vencidas as foras que se contrapem ao movimento, a taxa pela seo transversal da pr-cmara igual que passa pela seo transversal do orifcio, p
Atuador Pneumtico de Alto Impacto
Fluxo de arm
mx1= m
mx2(1)
= . . ()- massa especfica do fluido v - velocidade de escoamento
A - rea da seo transversal
v1A1= v2A2v1.Ap = v2.Ao
V2=V1.AP/A0 (3)
Sabemos que:
Substituindo (2) em (1), temos:
Isolando V2, temos:
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A alta energia cintica gerada durante o movimento inicial de extenso do atuador. Essa e elevao da velocidade do ar ao passar atravs do orifcio (B), mecanismo que pode ser eda continuidade, analisando a Figura 3.16.Da mecnica dos fluidos sabido que o fluxo de massa (taxa de massa) de um fluido, seja e
compressvel, permanece sempre constante ao longo de uma tubulao pela qual escoe, indquaisquer variaes em sua seo transversal. Desse modo, analisando a Figura 3.16, podeinstante em que se inicia o movimento da haste, depois de vencidas as foras que se contraa taxa de massa que passa pela seo transversal da pr-cmara igual que passa pela sorifcio, portanto:
Atuador Pneumtico de Alto Impacto
Fluxo de ar
Sendo v1a velocidade normal desenvolvidapelo atuador se no houvesse a pr-cmara, dada por:
= () L - curso do atuador, [m];
ta - tempo de avano, [s].
V2= ( )*(AP/A0) (5)
= .
(6)
Substituindo (4) em (3), temos:
Sabemos que:
correspondehaste+mbolo,obtida na expre
Substituindo (5
=12 .
fcil concluir qcintica para umento dada por:
=12
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Exemplo:Atuador Pneumtico de Alto Impacto
Imagine um atuador pneumtico normal e um atuador pneumtico de alto impacto, cujas dno quadro seguinte. Determine a velocidade de avano e a energia cintica dissipada.
Dp = 200 mm
L = 150 mm
m = 2,5 kg
ta = 1,5 s
Atuador de alto impacto
Dp = 200 mm
do = 40 mm
m = 2,5 kg
ta = 1,5 s / L = 150 mm
Atuador normal
Soluo:a) A tu ado r no rmal
Veloc id ade de avano
= =
, = / = ,/
=1
2. .
=1
22,5.0,15
1,5
= 0,0125 []
Ener gi a Ci ntic a Di ss ipada
b) Atuador de al to imp acto
V2= ( )*(AP/A0)= . =
(200)=(10000.
Veloc idade d e avano
= . = (40)=(1600.)m
V2=
(150 1,5)*[(10000
)V2=625/=0,625/ Ener gi a C intic a Di ss ip ada
= . . [ .
]
= 2,5kg*[0,15m/1,5s*(0,01
= 0,488 [Joules] Acionamentos Fludo - Mecnicos e Eltricos
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Aumento
v (m/s) EC (J) v (m/s) EC (J) % V
0,1 m/s 0,0125 0,625 0,488 +525 +3804
Atuador normalAtuador de alto
impacto Aumento %na EC
dissipada
Comparao de resultados
Concluso:
Na prtica, verifica-se que o atuador pneumtico de alto imquesto, com dimetro Dp = 200, quando alimentado presso de 6 bar, desenvolve uma fora de 135720 N, con
N de um atuador normal de mesmo dimetro. Acionamentos Fludo - Mecnicos e Eltricos
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Atuador Pneumtico Giratrio (Oscilante)
O estudo da cinemtica demonstra a impossibilidade da utilizao datuadores pneumticos lineares para execuo de movimentos com
superiores a 120, conforme pode ser visto na Figura abaixo.
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Objetivando a soluo desse problema, desenvolveu-se o atuador pneumtico giratrio, tacomo atuador pneumtico oscilante, que possibilita deslocamentos angulares escalonados
Atuador Pneumtico Giratrio (Oscilante)
(6) Unio central(7) Eixo de toro(8) Engrenagem
(9) Base
(1) Conexo alimentao/exausto(2) Tampa lateral(3) mbolo
(4) Mola de centragem(5) Cremalheira
(10) Conector do mbolo(11) Tubo cilndrico
(12) Tampa do conjunto
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Atuador Pneumtico Giratrio (Oscilante)
Atuad
oscia +1
por m
Consiste em dois atuadores lineares de simples efeito, dentro de um compartimento, monoutro, fixos s extremidades de uma cremalheira que, ao se movimentar lateralmente devidoatuadores, tem seu movimento linear transmitido a um conjunto eixo e roda dentada, alequipamento, e que converte o movimento linear em movimento rotacional e momento de toos para o equipamento que esteja montado sobre o eixo.
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Como se pode perceber, comparando o sistema apresentado anteriormente, o atuaoscilante, alm de solucionar o problema da amplitude do ngulo de deslocamento, tuma otimizao de espaos
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DRQ-40 DRQ-50 DRQ-63 DRQ-80 DRQ-100
PPVJ-A PPVJ-A PPVJ-A PPVJ-A PPVJ-A
40 mm 50 mm 63 mm 80 mm 100 mm
Gl/4 Gl/4 G3/8 G3/8 Gl/2
9 Nm 19 Nm 37 Nm 75 Nm 150 Nm
Axial 150 N 300 N 500 N 1000 N 1500 N
Radial 60 N 200 N 300 N 800 N 1500 N
0,005 kgm2
0,016 kgm2
0,040 kgm2
0,120 kgm2
0,0200 kgm2
30 mm 30 mm
Carga
admitida no
eixo
Momento de inrcia de carga admitida
Caractersticas tcnicas de Atuadores Pneumticos Oscilante(Fonte: Catlogo On-line da Festo).
Curso amortecimento
Torque a 6bar
21 mm 23 mm 23 mm
90, 180, 270, 360 (ngulo de giro especial at 360)
Faixa de presso de operao 2,5 at 10 bar
Faixa de temperatura -10 at +60
Conexes
Atuador com amortecimento nas duas
posies de fim de curso
Dimetro do atuador
Angulo de giro padro
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Dimensionamento do Atuador Pneumtico Giratrio (Oscilante
O dimensionamento dos atuadores lineares e rotativos para especificao final em catlofabricantes feito a partir de uma anlise dos esforos envolvidos, amplitude de deslocamontagem.
Momento de ToroO momento de toro definido pelo produto entre uma carga F que atua perpendicularmque passa paralelamente pelo centro da seo transversal de uma pea ou eixo, a qualquer, ver Figura abaixo.
Deste modo:
Mt = F.d
FPlano
F = fora [N];
d = distncia [m];
Mt = momento de toro [Nm],
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Esforos Radial e Axial
Dimensionamento do Atuador Pneumtico Giratrio (Oscilante
As foras radiais e axiais so as que passam pelo centro de giro da pea ou eixo.
As foras radiais atuam perpendicularmente ao eixo de giro, enquanto as foras axiais ateste.
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Exerccio
Dimensionamento do Atuador Pneumtico Giratrio (Oscilante
O dispositivo seguinte utilizado para executar trs tarefas idnticas simultaneamenteacordo com a Tabela de Caractersticas Tcnicas de Atuadores Pneumticos Oscilante (Slipneumtico giratrio para substituir pelo atuador pneumtico linear atualmente utilizado.
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Como pode ser observado na Figura, o atuador, quando acionado, causando a expanso dno sentido anti-horrio, pois a haste do atuador transmite-lhe um momento de toro. O girconvertido em movimento linear pelos trs conjuntos de braos, formando sistemas bielameio de pinos ao disco.
possvel tambm observar que cada um dos braos, em seu movimento de avano lineuma fora de avano de 200 N. Deve-se ento determinar o momento de toro necespneumtico oscilante a fim de possibilitar a substituio requerida.O ponto de fixao dos conjuntos biela-manivela sobre o disco dista de 20 cm do seaplicarmos a projeo dos 200 N da biela sobre a manivela (ngulo mximo entre ambas noteremos uma condio de perpendicularidade entre a biela e o raio do disco, Figura abaixo.
Dimensionamento do Atuador Pneumtico Giratrio (OscilanteSoluo:
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i i d d i Gi i O il
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O momento de toro do eixo deve ser igual ao somatrio dos momentos de toro que resdas foras que atuam perpendicularmente ao eixo do disco, por sua distncia a ele, Equao
Dimensionamento do Atuador Pneumtico Giratrio (Oscilante
. =
200.cos 45 . 20 + 200.cos 45 . 20 + 200.cos
= 8485,3 85
Conforme a Tabela (Slide 31), o atuador pneumtico giratrio de igual valor ou imediatam
ao obtido no clculo DRQ-100-PPVJ-A cujo dimetro do cilindro 100 mm e a ca
transmisso de momento. de toro de 150 Nm. O imediatamente anterior a este possib
transmisso de um momento de 75 Nm, sendo, portanto, insuficiente.
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Utilizando o critrio de Euler e as tabelas do fabricante Rexroth (slide 41) verifique oadmissvel para a haste de um cilindro que deve deslocar uma massa de 500 kg a altura dcalculando a fora de avano, o dimetro comercial do pisto Dp e a presso de trabalho
fixao conforme o caso 3 e coeficiente de segurana 3,5.
Dimensionamento do Atuador PneumticoExerccio
= . = . , =
=. , . , ,.()
.,.
= 1,7043cm = 17mm
Da tabela 2.2 do slide 41 t
=
=
= .., = ,. =
Dp(mm) = 63 pois Lh
=. . .
.
Obs: 1Pa = 105
bar Acionamentos Fludo - Mecnicos e Eltricos
Dimensionamento do Atuador Pneumtico
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l l d d i d i i
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Clculo do Consumo de Ar Necessrio Para Atuadores Lineares e Rotativo
O clculo do consumo de ar dos atuadores lineares e rotativos tem por objetivo:
1) possibilitar o dimensionamento da rede de distribuio de uma forma bem mais exa
quando conhecidos em detalhes todos os automatismos pneumticos existentes.
2) Anlise detalhada da rentabilidade do equipamento.
O consumo de ar, portanto, dado pelas seguintes expresses:
=. . . (+ 1,013)1,013.10Ou ainda:
= . .(+ 1,013)/(. 1,013.10)
C = consumo de ar [l/seg];
Ap = rea efetiva do pisto [m
L = curso [mm];nc = nmero de ciclos por seg
Pt = presso de trabalho [bar
Q = fluxo de ar [l/seg];
T = tempo para um nico cicl
Acionamentos Fludo - Mecnicos e Eltricos
Cl l d C d A N i P A d Li R i
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Exerccio
Clculo do Consumo de Ar Necessrio Para Atuadores Lineares e Rotativo
Calcular o consumo e o fluxo de ar do dispositivo do slide 20, considerando T = 8 s, nc = 1/8
Para o projeto do slide 20 foi especificado atravs de clculo o atuador da Parker com um D25 mm.
Soluo:
= . . . (+ 1,013)/(1,013. 10)a) Pela 1 expresso:
= { . . 1000 . .
. 6 + 1,013 }/1,013. 10
= 4,35/b) Pela 2 expresso: = . .( .1,013)/(.1,013.10) = .80
4 . 1000 . (6 + 1,013)/(8.1,013. 10)
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