Er zijn elektrische en mechanische overwegingen waarmee rekening moet worden gehouden bij het implementeren van een lineaire actuator. Het kan soms lastig zijn om de juiste afmetingen en kracht te kiezen. Zo kan de actuator qua kracht zijn beoordeeld om het dubbele gewicht van een valluik aan te kunnen, maar toch moeite hebben om het te openen. Dit kan komen door de hoek waaronder de kracht wordt uitgeoefend of door onvoldoende hefboomwerking.
In dit blog delen we een set vereenvoudigde berekeningen die een goed startpunt geven voor de vereisten rond kracht en slaglengte voor een lineaire actuator.
Lineaire beweging
Als we het hebben over lineaire beweging, bedoelen we dat de verplaatsing van de belasting lineair is en dit kan in de vorm van een lift of een pomp zijn. Dit blog gaat vooral over verticale beweging, maar dezelfde technieken kunnen ook nuttig zijn om horizontale beweging te analyseren. Laten we het voorbeeld in de onderstaande figuur bekijken.
Figuur 1: Lineaire beweging met actuator onder een hoek
|
Variabele |
Uitleg |
|
L1 |
Lengte van de actuator wanneer volledig ingetrokken. |
|
L2 |
Lengte van de actuator wanneer volledig uitgeschoven. |
|
Y1 |
Y-as-afstand tussen het voorste montagepunt van de actuator en het achterste montagepunt. |
|
X1 |
X-as-afstand tussen het voorste montagepunt van de actuator en het achterste montagepunt. |
|
Y2 |
De verticale afstand die de belasting moet afleggen. |
|
S |
Slaglengte van de actuator – de afstand die een actuator uitschuift. |
Hier staat een actuator onder een hoek die probeert een massa omhoog te verplaatsen. De massa heeft aan beide kanten rollen om aan te geven dat hij alleen op en neer kan bewegen. De montagepunten aan de voor- en achterzijde van de actuator zijn gefixeerd, zodat ze alleen kunnen roteren.
De slaglengte van de actuator berekenen
Als X1 0 was, zou de lineaire actuator niet langer onder een hoek staan en zou de verticale afstand die de belasting aflegt gelijk zijn aan de slaglengte.
Laten we een uitdagender geval bekijken waarin X1 niet 0 is. Om de verticale beweging van de belasting te bereiken, moet de elektrische actuator zowel uitschuiven als roteren. Dit is gunstig omdat de actuator minder ruimte inneemt. De slaglengte is dan niet gelijk aan de verticale verplaatsing. Om de slaglengte te vinden, moeten we wat eenvoudige rekenwerk doen!
Onthoud dat slaglengte simpelweg het verschil is tussen de volledig uitgeschoven actuatorlengte en de volledig ingetrokken actuatorlengte.
De volledig ingetrokken en uitgeschoven actuatorlengtes zijn de hypotenusa van een driehoek die de achterste en voorste montagepunten vormt.
Figuur 2: Ingetrokken (L1) en uitgeschoven (L2) lengtes van een actuator bepalen
Met deze methode kunnen we de slaglengte vinden die overeenkomt met de gewenste verticale verplaatsingsafstand van de massa. Op basis van de formule geldt: hoe kleiner de X1-waarde, hoe meer slaglengte overeenkomt met de verticale verplaatsing. Als X1 groot is, leiden kleine verhogingen van de slaglengte tot grote veranderingen in de verticale verplaatsingsafstand.
Als de actuator strikt verticaal zou zijn gepositioneerd, is de hoogteverandering simpelweg gelijk aan de uitschuiving van de actuator. De actuator onder een hoek plaatsen vergroot het totale lineaire bewegingsbereik van de massa en de actuator kan minder ruimte innemen. Dat gezegd hebbende veroorzaakt dit ook enige zijdelingse belasting en we moeten oppassen dat de stang van de actuator niet buigt. Kortere slaglengtes worden aanbevolen wanneer de actuator op deze manier onder een hoek wordt geplaatst.
Figuur 3: Vergelijking tussen slaglengte en afgelegde afstand voor lineaire beweging
De krachtclassificatie van de actuator berekenen
We kunnen de eigenschappen van driehoeken blijven gebruiken om de actuatorkracht te bepalen. Merk op dat als de actuator onder een hoek staat, de kracht die hij uitoefent wordt opgesplitst in een horizontale en verticale component. De horizontale component van de kracht draagt niet bij aan de beweging. De verticale component van de kracht duwt de massa omhoog, dus we moeten ervoor zorgen dat de actuator te allen tijde voldoende kracht levert.
Figuur 4: Krachtopdeling voor lineaire beweging
We beginnen met het berekenen van de verticale kracht van de massa.
De vereiste verticale kracht van de actuator kunnen we als volgt berekenen:
Hier gebruiken we L1 omdat de actuator de laagste verticale kracht heeft wanneer hij volledig is ingetrokken. Bij het kiezen van een actuator moeten we erop letten dat hij een dynamische en statische kracht kan leveren die hoger is dan F Total, die we hebben berekend.
Rotatiebeweging
Met rotatiebeweging bedoelen we dat de belasting of de massa om een as draait. Dit kan een toepassing zijn met een openslaande deur of een luik. Het kan zelfs het kantelen van een laadbak op een vrachtwagen zijn.
Figuur 5: Rotatiebeweging met een actuator onder een hoek
In Figuur 5 zien we een zijaanzicht van een verticale deur of een luik dat is ingericht om met een lineaire actuator te worden geopend. De volledige intrekking van de actuator wordt aangegeven door positie ① en de volledige uitschuiving door positie ②. Een actuator is gemonteerd onder een hoek, zowel in volledige uitschuiving als in volledige intrekking.
|
Variabele |
Uitleg |
|
L1 |
Lengte van de actuator wanneer volledig ingetrokken. |
|
L2 |
Lengte van de actuator wanneer volledig uitgeschoven. |
|
Y1 |
Y-as-afstand tussen het achterste montagepunt van de actuator en de rotatie-as van de deur (deurscharnier). |
|
X1 |
X-as-afstand tussen het achterste montagepunt van de actuator en de rotatie-as van de deur (deurscharnier). |
|
Y2 |
Afstand tussen de rotatie-as van de deur (deurscharnier) en het voorste montagepunt van de actuator. |
|
S |
Slaglengte van de actuator – de afstand die een actuator uitschuift. |
|
L3 |
De totale lengte van de deur. |
In dit voorbeeld gebruiken we de onder een hoek gemonteerde lineaire actuator om een algemenere casus te bieden. Als je de slaglengte en kracht van de actuator wilt bepalen wanneer deze loodrecht op de deur is gemonteerd, kun je met de gids doorgaan maar het volgende instellen:
De slaglengte van de actuator berekenen
We gebruiken dezelfde driehoeksmethode als in het gedeelte over lineaire beweging. Het enige verschil is dat de driehoeken nu anders worden geconstrueerd.
Figuur 6: Ingetrokken (L1) en uitgeschoven (L2) actuatorlengte bepalen
Net als eerder is de slaglengte het verschil tussen de volledig uitgeschoven en volledig ingetrokken lengte van de actuator. We kunnen die simpelweg als volgt bepalen:
In dit geval hangt de slaglengte van de actuator sterk af van de locatie van de montagepunten aan de voor- en achterzijde. Hoe dichter we het voorste montagepunt bij het scharnier van de deur plaatsen, hoe minder de actuator hoeft af te leggen om de deur te openen of te sluiten. Evenzo geldt: hoe dichter het achterste montagepunt bij het scharnier zit, hoe minder slag nodig is om de deur te openen.
Er is een kantelpunt waarbij het verder van het scharnier plaatsen van de actuator niet langer voor grote veranderingen in de slaglengte van de actuator zorgt, omdat de actuatorlengte nauw aansluit bij de deurlengte en het grootste deel van de beweging door de rotatie gebeurt. Dit is geen goede positie voor de actuator, omdat de hefboomwerking zeer ongunstig is, maar dat bespreken we verderop.
Figuur 7: Slaglengte ten opzichte van de positie van het voorste montagepunt (ook wel: afstand van het voorste montagepunt tot het deurscharnier)
Figuur 8: Slaglengte ten opzichte van de positie van het achterste montagepunt
Uit Figuur 8 zien we dat het variëren van de positie van het achterste montagepunt de vereiste slaglengte beïnvloedt, maar het effect vlakt vrij snel af.
De krachtclassificatie van de actuator berekenen
Om de krachtclassificatie voor onze actuator te bepalen, moeten we de verwachte belasting van de deur vaststellen. Omdat de deur rond de deurscharnieren roteert, is alleen het kennen van de massa van de deur niet genoeg om de kracht op de actuator te bepalen. Voor deze toepassing moeten we het massatraagheidsmoment van de deur vinden.
Intuïtief weten we dat het openen van een deur met een deurklink (die ver van het scharnier zit) veel makkelijker is dan een deur openen door ergens in de buurt van het scharnier te duwen.
Figuur 9: Weergave van een deur die verticaal opent
Het traagheidsmoment (aangeduid als I) voor de verticaal openslaande deur rond het scharnier kan als volgt worden gevonden:
Nu we het traagheidsmoment hebben, weten we het koppel dat de actuator op de deur moet uitoefenen om deze te laten bewegen. Daarom kunnen we de kracht als volgt berekenen:
Deze kracht wordt F normaal genoemd, omdat dit slechts één component is van de kracht die op de actuator wordt uitgeoefend en niet de volledige kracht. Dit wordt beter geïllustreerd in Figuur 10. Zoals u ziet werkt F normaal niet langs de lijn L1 of L2, maar onder een hoek.
Figuur 10: Montagelocatie van de actuators
Dit betekent dat we F normaal moeten omzetten van slechts een componentkracht naar de volledige actuatorkracht. Omdat onze belasting een roterende deur is, blijft de kracht F normaal constant, maar verandert de belasting op de actuator. Wanneer de actuator bijvoorbeeld volledig is ingetrokken in positie ①, neemt het deurscharnier het grootste deel van de belasting op zich, zodat de actuator niet veel kracht ondervindt totdat hij de deur moet verplaatsen. Aan de andere kant, wanneer de actuator volledig is uitgeschoven in positie ② ondersteunt het deurscharnier de deur niet meer zo sterk. In dat geval moet de actuator het grootste deel van de belasting dragen.
We kunnen de benodigde kracht in ingetrokken en in uitgeschoven toestand voor de actuator berekenen. Afhankelijk van de montagecondities kan de kracht in de uitgeschoven positie hoger zijn dan de kracht in de ingetrokken positie of juist andersom. Daarom moeten we beide berekenen en de hoogste kiezen om ervoor te zorgen dat onze toepassing robuust is.
In Figuur 10 zou bijvoorbeeld de hoogste kracht op de actuator worden uitgeoefend wanneer deze volledig is uitgeschoven. Dan moet de minimale krachtclassificatie voor de actuator gelijk zijn aan of hoger dan F uitgeschoven.
Conclusie
In dit blog hebben we vereenvoudigde manieren bekeken om de gewenste krachtclassificatie en slaglengte voor lineaire actuators te berekenen. De vergelijkingen in dit blog kunnen worden gebruikt om benaderende vereisten te berekenen voor de lineaire en rotatiebeweging van de belasting. Neem contact met ons op via sales@progressiveautomations.com voor verdere vragen; ons team van ingenieurs helpt je graag.