372 neu tema 4 actuadores lineales rev1

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Neumática: Tema 4

Actuadores lineales

Sistemes Oleohidràulics i Pneumàtics

Código 372

Ingeniería Industrial. 5º CursoIngeniería Industrial. 5º Curso

Área Mecánica de Fluidos.

Universitat Jaume I

2Tema 4: Actuadores.

Actuadores Lineales: Modelos de cilindros

Cilindros de simple efecto

• Cilindro de émbolo

• Cilindro de membrana

• Cilindros de fuelle

Cilindros de doble efecto

• Cilindros de émbolo

• Cilindros con doble vástago (o vástago pasante)

• Cilindros Tándem

• Cilindros multiposición

• Cilindros telescópicos

• Cilindros de impacto

• Cilindros guiados

• Cilindros antigiro

• Cilindros con bloqueo

• Cilindros sin vástago


Estándares:

•ISO 6431 and 6432 : Estándar de la instalación y dimensiones de cilindros y su elementos de montaje. Aunque los elementos de montaje de un fabricante no tienen porque ser compatibles con los de otros.

• VDMA 24562 es un refinado del estándar anterior, con una nueva definición de dimensiones.

• ISO 6009 se trata del código de dimensiones que los fabricantes utilizan en sus hojas decaracterísticas

Actuadores Lineales: Estándares

www.smcetech.comspain.smceu.com/ SMC

www.festo.comFesto

www.norgren.com/es/Norgren

www.boschrexroth.com/ Boschrexroth

Algunos de los principales fabricantes: catálogos e información

Joucomatic www.ascojoucomatic.es/


Actuadores Lineales: Cilindro de simple efecto

CILINDROS DE SIMPLE EFECTO

El émbolo recibe el aire a presión por uno sólo de los lados. Por tanto sólo pueden ejecutar el trabajo en un sentido (carrera de trabajo). Al aplicar el aire comprimido a la parte posterior del émbolo el vástago avanza.La carrera de retorno del émbolo tiene lugar por medio de un muelle incorporado, o bien por fuerza externa (carrera en vacío). Debido a la longitud del muelle se utilizan cilindros de simple efecto hasta carreras de 100 mm aprox.Aplicación: Estos cilindros sólo pueden efectuar trabajo en una dirección, por lo tanto es apropiado para tensar, expulsar, introducir, sujetar, etc.



Inglés

Castellano



Cilindro de simple efecto. Cilindro de membrana.

En estos cilindros una membrana de goma, plástico o metal desempeña las funciones de émbolo. La placa de sujeción asume la función del vástago y está unida a la membrana. La carrera de retroceso se realiza por tensión interna de la membrana. Con cilindros de membrana sólo pueden efectuarse carreras muy cortas.

Cilindro de simple efecto. Cilindro de membrana

Entre dos cubetas metálicas está firmemente sujeta una membrana de goma o plástico. El vástago está fijado en el centro de la membrana. La carrera de retroceso se realiza por el resorte recuperador, ayudado por la tensión de la membrana.

Aplicación: Estampar, remachar, y sobre todo sujetar.

Sólo existe rozamiento en el cojinete de guía del vástago.Aplicaciones: Tensar, prensar.



Aplicaciones como cilindro: En dispositivos de estampado y corte. Maquinaria de contrachapeado de madera, sistema de embrague y frenado,…Aplicaciones como amortiguador: Transportadores vibrantes, sistemas desmoldeo en fundiciones, máquinas de prueba de resortes,….

Cilindro de simple efecto. Cilindro de FuelleCarecen de émbolo y de vástago. Están constituidos por un fuelle elástico que se deforma axialmente bajo la acción del aire.Al no existir vástago requiere que el mecanismo que los aloja disponga de guías para que el movimiento sea axial.Pueden cumplir la doble función de cilindros y de amortiguadores. Según la carrera será de uno o varios fuelles.


Actuadores Lineales: Cilindro de doble efecto

CILINDROS DE DOBLE EFECTO

Al recibir aire comprimido por la parte posterior y purgándose el lado anterior, sale el vástago. Cuando el aire se introduce frontalmente el vástago retrocede.A igualdad de presión, la fuerza del émbolo es mayor en el avance que en el retroceso debido a la mayor sección posterior sobre la anterior.Aplicación: En los casos en que el trabajo sea en las dos direcciones. Además, las carreras que pueden obtenerse son mayores a la de los cilindros de simple efecto.



Inglés

Castellano



Cilindro de doble efecto. Amortiguación.

Cuando se mueven grandes masas con cilindros de doble efecto es preciso utilizar estos tipos de elementos.La amortiguación puede ser de los siguientes tipos:

• Con amortiguación por muelle• Con amortiguación neumática• Con amortiguadores (externos / internos)

Cilindro de doble efecto con amortiguación por muelle

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Tema 4: Actuadores.

Cilindro de doble efecto, con amortiguación neumática

El cilindro se compone, adicionalmente, de tapa de cilindro con válvulas de retención (anti-rretorno), estrangulación regulable, y émbolo de amortiguación.Antes de alcanzar la posición final, el émbolo de amortiguación interrumpe la salida directa del aire hacia el exterior. Se constituye una almohada- neumática, debida a la sobre-presión, en el espacio remanente del cilindro: la energía cinética se convierte en presión, debido a que el aire solo puede salir a través de una pequeña sección.

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Tema 4: Actuadores.

Cilindro de doble efecto con amortiguación regulable y detectores de final de carrera magnéticos

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Tema 4: Actuadores.

Cushion

( amortiguación )

Amortiguación interna

Amortiguación externa



Cilindro de doble efecto. Cilindro con doble vástago

Este tipo constructivo puede soportar mayores fuerzas transversales y momentos de flexión que el cilindro de doble efecto normal, debido a que el vástago esta doblemente apoyado. Ambas superficies del embolo son iguales y con ella las fuerzas resultantes. Cuando el espacio es reducido pueden fijarse las levas de accionamiento para los órganos de mando y señal en el extremo del vástago libre



Cilindro de doble efecto. Cilindro en Tándem o doble fuerza

Está constituido por dos cilindros de doble efecto que forman una unidad. Gracias a esta disposición, al aplicar simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza de casi el doble de la de un cilindro normal del mismo diámetro. Se utiliza cuando se necesitan fuerzas considerables y se dispone de un espacio determinado, no siendo posible utilizar cilindros de un diámetro mayor



Cilindro de doble efecto. Cilindro multiposición.

Este cilindro está constituido por dos o más cilindros de doble efecto. Estos elementos están acoplados como muestra el esquema. Según el émbolo al que se aplique presión, actúa uno u otro cilindro.



Realización de 3 posiciones

Para ello deben unirse entre sídos cilindros con la misma carrera.

Realización de 4 posiciones

Para ello deben unirse entre sídos cilindros de carreras diferentes.

Un cilindro de tres o cuatro posiciones está compuesto de dos cilindros cuyos vástagos avanzan en sentido contrario. Dependiendo del sistema de accionamiento y la distribución de las carreras, un cilindro de este tipo puede avanzar hasta cuatro posiciones precisas. Deberá tenerse en cuenta que si el extremo de un vástago está inmovilizado, el movimiento se ejecuta por la camisa del cilindro. El cilindro debe conectarse mediante tubos y cables flexibles.



Cilindro de doble efecto. Cilindro Telescópico

Está constituido por los tubos cilíndricos y vástago de émbolo. En el avance sale primero el émbolo interior, siguiendo desde dentro hacia fuera los siguientes vástagos.La fuerza de aplicación está determinada por la superficie del émbolo menor.

Aplicación: En los casos que debe conseguirse una gran longitud de elevación con una estructura cilíndrica relativamente corta (plataforma elevadora).



Cilindro de doble efecto. Cilindro Impacto

Estos cilindros de impacto están diseñados para desarrollar esfuerzos de choque extraordinariamente elevados en relación a sus dimensiones. Pueden emplearse para trabajos con prensa, tales como: marcar, remachar, punzonar, perforar, embutir, etc.

Básicamente, consiste en un cilindro con una pequeña cámara de empuje adicional, construido de forma que la aportación del aire de empuje que actúa sobre el émbolo se realiza bruscamente cuando la contrapresión en la cámara opuesta del cilindro ha descendido por debajo de una novena parte de la presión de trabajo; de esta forma, se produce una aceleración muy rápida del pistón, lográndose velocidades 12 a 15 veces superiores a las normales.

La energía cinética que adquiere el conjunto del pistón y vástago con el útil de trabajo se aprovecha para producir un impacto sobre el material a trabajar. La potencia de impacto producido puede ser equiparado "a la caída de un martillo pilón" pero el funcionamiento es comparativamente silencioso.



Cilindros antigiro

Cilindros que son capaces de soportar cargas de torsión ligeras y que precisan de una garantía de no rotación.



Cilindro antigiro: Gráficas para determinar el par máximo de giro

100 mm



Cilindros guiados.

Pueden ser cilindros normales que incluyen una guía en la que dos vástagos laterales actúan de guía



Cilindro para un guiado de precisión y un par de torsión alto. Es capaz de soportar grandes cargas, y puede actuar con gran precisión



Cilindros con bloqueo y freno

Hay veces que por seguridad, se le debe añadir la posibilidad de bloquear el cilindro en cualquier posición de su carrera. Se le añade lo que se llama capacidad de bloqueo.



Cilindro de doble efecto Cilindros sin vástago

Se les aplica aire a presión alternativamente por ambos lados, pudiendo el cilindro trabajar en ambos sentidos.

Son menos largos que los cilindros estándar, para una misma carrera.

El movimiento se efectúa en toda la longitud de la carrera.

Pueden lograrse carreras de hasta 10 metros.

Modelos:

• Cilindros de banda.

• Cilindros con acoplamiento magnético del carro.

• Cilindros de cinta o de cable

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Tema 4: Actuadores.

Cilindros de banda

El esfuerzo realizado sobre el pistón se transmite a la carga por medio de un estribo deslizante a lo largo de todo el cilindro. La estanqueidad se consigue mediante dos bandas que se ciñen al estribo manteniendo el sellado durante el desplazamiento.

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Tema 4: Actuadores.

Cilindros con acoplamiento magnético del carro.

El movimiento se transmite al cursor exterior de modo directo a través del acoplamiento magnético. En consecuencia, la unidad no dispone de vástago. Este actuador es más corto que los cilindros neumáticos convencionales. La cámara del cilindro es hermética ya que no existe una conexión mecánica con el cursor. Por ello no se producen fugas.

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Tema 4: Actuadores.

Cilindros de cinta o de cable

Los cilindros del cable proporcionan algunas ventajas:

• Permite que la fuerza igual sea aplicada en ambas direcciones

• Los cables se pueden especificar en diversas longitudes para la flexibilidad del uso.

• Los cilindros se pueden aislar de cualquier área de trabajo con longitudes de cable extendidas.

Aplicación:• Abrir y cerrar puertas.• Mover cargas no muy pesadas.(tanto horizontal como vertical)• Obtener carreras largas (en el caso que las dimensiones sean pequeñas)

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Actuadores Lineales: Cálculo de cilindros neumáticos

Cálculo de los cilindros neumáticos

dD

Avance

Retorno

Avance

Tema 4: Actuadores.

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Tema 4: Actuadores.

Ejemplo de cálculo (6 bar):

D = 50 mm

d = 12 mm

A = 19,625 cm2

A´= 18,5 cm2

FR = 10% (valor medio)

Fn = ?

Fuerza teórica de empuje en el avance

FTeórica = A x p = 19,625 x 10-4m2 x 6 x 10

5N/m2 = 1.177,5 N

Resistencia de rozamiento FR = 117,75 N

Superficie circular del émbolo

A = D2 x π/4 = 5 cm x 5 cm x π/4 = 19,625 cm2

Superficie anular del émbolo

A´ = (D2-d2) x π/4 = (25 cm2 – 1.44 cm2) x π/4 = 18,5 cm2

Fuerza real de empuje del émbolo en el avance

Fn = A x p - FR = 19,625 x 10-4m2 x 6 x 10

5N/m2 - 117,75 ≈ 1.060 N

Fuerza teórica de tracción del émbolo en el retorno

FTeórica = A´ x p = 18, x 10-4m2 x 6 x 10

5N/m2 = 1.110 N

Resistencia de rozamiento FR = 111 N

Fuerza real de tracción del émbolo en el retorno

Fn = A x p - FR = 18,5 x 10-4m2 x 6 x 10

5N/m2 - 111 ≈ 999 N

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Tema 4: Actuadores.

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Tema 4: Actuadores.

Nomograma para el cálculo de fuerzas en cilindros

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Tema 4: Actuadores.

En muchos catálogos viene indicada la fuerza teórica:

Ejemplo de tabla en catálogo para un cilindro de doble efecto

Ejemplo de tabla en catálogo para calcular la fuerza del muelle en un cilindro de simple efecto

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Actuadores Lineales: Carrera o longitud del pistón. Pandeo

Tema 4: Actuadores.

Carrera o longitud del pistón. Pandeo

• La longitud del pistón es uno de los parámetros a elegir del cilindro. No suelen exceder los 2000 mm, ya que émbolos grandes necesitan mucho consumo de aire y por tanto son poco económicos

• En función del tipo de montaje y de la longitud del pistón, se corre el riego de que pandee, y por tanto, es necesario elegir pistones de diámetro superior para evitarlo o incluso cambiar el sistema de anclaje.

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Tema 4: Actuadores.

El pandeo es un factor limitativo en la elección de cilindros cuyos vástagos estén sometidos a compresión, ya que sólo bajo dicha solicitación es cuando aparece este fenómeno. Éste se manifiesta por una flexión lateral del vástago que genera esfuerzos radiales sobre bujes y camisa de los cilindros, acortando su vida útil y hasta produciendo la rotura.

Particularmente la verificación por pandeo debe realizarse en cilindros de gran carrera, que es donde el fenómeno puede adquirir magnitud, siendo el único factor constructivo que limita la carrera de los cilindros. Las causas que están ligadas a la solicitación de pandeo dependen no sólo de los materiales utilizados en la construcción del vástago, sino también de las condiciones de montaje al que se somete el cilindro.

Ciertos tipos de montaje o sus combinaciones resultan favorables para contrarrestar el efecto; por ejemplo, con montajes a rótula el cilindro se autoalinea en todo plano; con montajes basculantes sólo en un plano; con fijación roscada del vástago la alineación es crítica; con rótula para vástago se compensan desalineaciones en todo plano y con horquilla delantera la alineación es crítica.

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Tema 4: Actuadores.

2p

2

pL

IEπ F

⋅⋅=

• Fp: Fuerza en N a la que se produce pandeo• E: Módulo de elasticidad del material con el que esté construido el vástago, en el caso

del acero E = 2,1⋅1011 N/m2 , es decir, en Pa• I: Momento de inercia en m4. Para secciones transversales circulares vale:

64

dπI

4⋅

=

siendo d el diámetro del vástago en m.

• Lp: longitud libre al pandeo en m. Depende del tipo de fijación que lleve el cilindro. Su valor se indica en la tabla siguiente.

Según la fórmula de Euler para el pandeo

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Tema 4: Actuadores.

Un extremo libre, un extremo empotrado

Dos extremos articulados

Un extremo articulado y otro empotrado

Dos extremos empotrados

F

L

F

L

F

L

F

L

Lp= 2⋅L Lp=⋅L

2

LLp = 2

L Lp =

m = 1/4 m = 1 m = 2 m = 4

2

2

pL

IEπm. F

⋅⋅=

Otra forma de expresar la misma fórmula es como sigue:

Con una fuerza F = Fp se producirá pandeo, luego la fuerza de servicio deberá de ser menor que Fp. Normalmente se toma como coeficiente de seguridad 3,5 de forma que:

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Actuadores Lineales: Consumo de aire

Tema 4: Actuadores.

Consumo de aire

Es muy importante saber el consumo de aire en los cilindros ya que representa una parte importante del total del sistema y para el ahorro energético es muy importante.

978.0

)(978.0 barsPaire+

Consumo de aire = Relación de compresión * área del pistón * carrera * ciclos por minuto

6

2223

10.4100

)(

10000

)(

4)(

LDmmLmmDdmV

⋅⋅==

ππVolumen desplazado por un ciclo

L : carrera del cilindro (mm)

D: diámetro (mm)

n: número de ciclos por minuto

nLDbarsPdm

Q aire .10.4

.978.0

)(978.0)

min(

6

23⋅⋅+

=π

( )22

6

3

2.10.4

.978.0

)(978.0)

min( dDn

LbarsPdmQ aire −⋅

⋅+=

π

Efecto simple

Doble Efecto

Se le suele añadir 5% extra a este

valor

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Tema 4: Actuadores.

La siguiente tabla y nomograma es útil para dar calcular consumos

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Tema 4: Actuadores.

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Actuadores Lineales: Velocidad del émbolo

Tema 4: Actuadores.

Velocidad del émbolo

La velocidad del émbolo se calcula dividiendo el consumo de aire por la sección del pistón

60.

978.0

)(978.040000..

10.4.

978.0

)(978.01)

min()/(

26

23 LnbarsP

Dn

LDbarsP

A

dmQsegmV aireaire ⋅+

=⋅

⋅⋅+==

π

π

La velocidad del émbolo de un cilindro depende de la fuerza que se aplica en sentido contrario, de la presión de aire, de la longitud y de la sección del tubo entre el elemento de control y elemento actuador, así como del caudal a través del elemento de control. Además, la velocidad también depende de la amortiguación en el final de la carrera. Usualmente se indica en mm/s.

La velocidad promedio del embolo del cilindro estándar se de aproximadamente 0.1 hasta 1.5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto), es posible alcanzar velocidades de hasta 10m/s. La velocidad el émbolo puede reducirse mediante válvulas de estrangulación y antirretorno. Con válvulas de escape rápido también es posible aumentar la velocidad.

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Actuadores Lineales: Velocidad del émbolo

Tema 4: Actuadores.

Con la misma presión y el mismo tamaño de cilindro, al aumentar la carga disminuye la velocidad. De manera orientativa se puede prever que al aplicar a un cilindro una carga del 75% de su capacidad máxima, la velocidad se reducirá a la mitad de la que se obtendría con el cilindro trabajando sin carga.

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Actuadores Lineales: Amortiguación

Tema 4: Actuadores.

Amortiguación de cilindros

En ocasiones es necesario el amortiguamiento del pistón al final de carrera, y evitar el golpe contra el cilindro. Como se ha comentado existen distintos mecanismos para poder amortiguar. Para saber si sirven o no, los fabricantes indican la energía cinética que son capaces de absorber.

( )2.2

1)( carrerafinvelocidadmovilmasacineticaenergiaJ ⋅=

Hay una regla que suele funcionar que indica que se ha de cumplir la siguiente relación para tener un buen amortiguamiento: 2

)(

)(

4)(

)(

2

2

<

<

cmpistonArea

kgmovilmasa

cmpistonArea

kgmovilmasa Cilindro horizontal

Cilindro vertical

Los dispositivos técnicos utilizados como amortiguadores pueden tener diversas características. En la figura que se muestra a continuación se muestran las curvas características de los sistemas más difundidos.

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Tema 4: Actuadores.

Los amortiguadores neumáticos en las posiciones finales ofrecen la mayor resistencia al final de la carrera porque el aire se comprime. En consecuencia, la mayor parte de la energía cinética se anula al final de la carrera, lo que puede significar un gran esfuerzo para los componentes, dependiendo de su masa y de la velocidad de su movimiento.

Los amortiguadores industriales son capaces de anular toda la energía de modo constante, con lo que no se produce un impacto y se evita el rebote.De esta manera, los componentes se someten a un esfuerzo mínimo ya que la masa se amortigua suavemente desde un principio.

Los frenos hidráulicos (cilindros de freno) actúan repentinamente (al menos las versiones más simples). El pico de la capacidad de amortiguación se encuentra al principio de su recorrido y a continuación desciende rápidamente. Ello significa que la mayor parte de la energía se anula al principio del recorrido del cilindro. Esta característica tiene como consecuencia que la fuerza de frenado es superior a la necesaria.

Los muelles y los topes elásticos tienen una línea característica de amortiguación muy ascendente y tienden a almacenar más energía de la que absorben. En consecuencia, provocan un rebote del objeto, con lo que los componentes son sometidos a esfuerzos considerables.

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Tema 4: Actuadores.

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Actuadores Lineales: Juntas

Tema 4: Actuadores.

Juntas

1 Cushion screw seal2 Cushion seal

4 Piston seal5 Barrel seal6 Piston rod/wiper seal

3 Wear ring

Para evitar el trasvase de fluido o las fugas, los cilindros poseen juntas (seal) en todas aquellas partes en las que existe fluido que circule

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Tema 4: Actuadores.

Juntas de tipo O o de pistón. Cuando la presión en el cilindro aumenta empuja la junta que presiona a las paredes cerrando el paso

Juntas tipo copa ( CUP ), se usa para cilindros medianos o grandes. Solo actúan en un sentido por eso hay dos.

Juntas tipo Z . Se suelen utilizar para cerrar pequeños cilindros

Juntas para el pistón:

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Tema 4: Actuadores.

Juntas de cierre tipo anillo (O Ring barrel ). Se utilizan para el cierre de piezas que acoplan entre ellas.

Juntas para el sistema de amortiguamiento (Cushion seals )

Junta de cierre (Piston rod seals) para el pistón que evita que el aire salga, y incluye una pestaña en la parte exterior que hace de rascador para evitar que las partículas de suciedad puedan entrar al interior del cilindro

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Tema 4: Actuadores.

Wear ring

Anillo o collarín obturador que ayuda en el desplazamiento del pistón y que ayuda a mantener la integridad y la excesiva distorsión de la junta

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Actuadores Lineales: Montaje de los cilindros

Tema 4: Actuadores.

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Actuadores Lineales: Montaje de los cilindros

Tema 4: Actuadores.

Posibles fijaciones de un cilindro normalizado

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Actuadores Lineales: Instalación de cilindros

Tema 4: Actuadores.

Instalación de cilindros

En general los cilindros se han de montar de tal forma que las cargas laterales que actúen sobre el vástago sea las mínimas posibles.

NO RECOMENDABLE RECOMENDABLE

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Actuadores Lineales: Instalación de cilindros

Tema 4: Actuadores.

NO RECOMENDABLE RECOMENDABLE

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Actuadores Lineales: Cargas laterales

Tema 4: Actuadores.

En los catálogos suele aparecer una gráfica o una tabla que indica la carga lateral que puede soportar un cilindro sin que funcione mal.

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Actuadores Lineales: Cargas laterales

Tema 4: Actuadores.

Diagrama para carga lateral máxima que puede soportar el cilindro

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Actuadores Lineales: Anotaciones

Tema 4: Actuadores.

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Documents

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