Hydraulische actuatoren (ook wel hydraulische uitvoerapparaten genoemd) zetten hydraulische energie weer om in mechanische energie. Hier vindt al de zichtbare beweging en arbeid plaats — het eerste waarop elke constructeur moet letten. Hydraulische actuatoren vallen in twee basiscategorieën: lineair (cilinders) en roterend (motoren).

Hydraulische cilinder

Een hydraulische cilinder zet hydraulische energie om in rechte- of lineaire mechanische beweging. Wanneer deze is verbonden met een beweegbare belasting, verricht hij arbeid.

Cilinderconstructie

Zoals eerder in de hoofdstukken is uiteengezet, bestaat een hydraulische cilinder voornamelijk uit een cilinderbuis, twee gesloten einddoppen, een zuiger, een zuigerstang en inlaat- en uitlaatpoorten. Aan elk uiteinde bevindt zich één poort — één voor olie-inlaat, de andere voor olie-uitlaat.

figuur 6-1 Standaard dubbelwerkende hydraulische cilinder. Olies stroomt via de linkerpoort naar binnen, waardoor de stang uitrekt; olie die via de rechterpoort binnenkomt, trekt de stang in.

Uitvoerkracht van de cilinder

Gedurende de volledige zuigerstroke werkt hydraulische energie op de bewegende zuiger. De druk die door die hydraulische energie wordt opgewekt, overschrijdt niet de weerstand die door de belasting wordt veroorzaakt. Voor een cilinder met bekende afmetingen moeten we weten welke werkdruck een specifieke uitvoerkracht oplevert. Dit kan worden bepaald (afgezien van wrijving) met de volgende formule:

Bij het gebruik van deze formule zijn ofwel het oppervlak en de druk gegeven om de uitvoerkracht te berekenen, ofwel zijn het oppervlak en de uitvoerkracht bekend om de druk te bepalen. In de praktijk kennen we meestal de boring van de cilinder en moeten we het zuigeroppervlak berekenen — maar het berekenen van het oppervlak van een cirkel is even eenvoudig als het berekenen van het oppervlak van een vierkant.

Oppervlak van een cirkel

Het oppervlak van een cirkel bedraagt ongeveer 78,54% van het oppervlak van een vierkant waarvan de zijde gelijk is aan de diameter van de cirkel. Nauwkeuriger gezegd:

Een andere veelgebruikte formule:

Figuur 6-2 Cirkeloppervlakte = D² × 0,7854. Deze eenvoudige formule wordt voortdurend gebruikt bij berekeningen van hydraulische cilinders.

Cilinderstroke

De afstand waarover hydraulische energie werkt, bepaalt hoeveel arbeid wordt verricht — deze afstand is de slag van de cilinder. Zoals eerder opgemerkt, lijkt het gebruik van hydraulische druk om een kracht te vergroten niets te kosten. In bepaalde specifieke situaties — wanneer het systeem in rust is — kan een kleine kracht een zeer grote kracht opwekken zonder dat er duidelijk iets wordt ingeleverd. Maar als deze vergrote kracht ook beweging veroorzaakt, wordt er wel iets ingeleverd: afstand.

Cilindervolume (verplaatsing)

Elke hydraulische cilinder heeft een volume (verplaatsing) dat gelijk is aan zijn slag (inch) vermenigvuldigd met zijn zuigeroppervlakte (inch²), wat een volume oplevert in inch³ (cm³).

(inch³) = (inch²) × (inch) of (cm³) = (cm²) × (cm)

Voorbeeld: De bovenste zuiger moet 2 inch (5,08 cm) bewegen om de zuiger van de onderste cilinder 1 inch (2,54 cm) te laten bewegen. Beide zuigers verrichten dezelfde arbeid. De bovenste zuiger verplaatst 20 inch³ (327,8 cm³) vloeistof — en de zuiger van de onderste cilinder wordt door diezelfde hoeveelheid vloeistof, namelijk 20 inch³ (327,8 cm³), verplaatst.

Zuigerstangsnelheid

De snelheid van de zuigerstang van een hydraulische cilinder hangt af van de snelheid waarmee vloeistof de ruimte achter de zuiger vult. Formules voor zuigerstangsnelheid:

Hydraulische motor

Een hydraulische motor is een actuator die hydraulische energie omzet in roterende mechanische energie. Deze roterende energie wordt via de aandrijfas op de belasting uitgeoefend.

Motoropbouw

Alle hydraulische motoren bestaan in wezen uit een behuizing met inlaat- en uitlaatpoorten, en een roterende assemblage die met de aandrijfas is verbonden.

Hoe een hydraulische motor werkt

Het getoonde voorbeeld is een vlakmotortype hydraulische motor. De roterende assemblage bestaat uit een rotor en schoepen die vrij kunnen schuiven in en uit de groeven in de rotor. De roterende assemblage is excentrisch gemonteerd binnen het behuizing; de aandrijfas is verbonden met de belasting. Wanneer persolie de inlaatkamer binnengaat, werkt de hydraulische energie op het blootgestelde schoepoppervlak in de inlaatkamer. Omdat het oppervlak van de bovenste schoep dat aan de persolie is blootgesteld groter is, is de kracht op de rotor ongebalanceerd — de rotor draait.

Naarmate de olie de uitlaatkamer bereikt met afnemend volume, wordt deze afgevoerd.

Figuur 6-6: Werking van een schoepenmotor. Drukolie werkt op de schoepvlakken. Omdat het bovenste schoepoppervlak dat aan druk is blootgesteld groter is dan het onderste schoepoppervlak, veroorzaakt de resulterende kracht een rotatie van de rotor.

Koppel

Koppel is een roterende of wringende kracht. Koppel is een kracht die op een afstand van de asas werkt. De eenheid van koppel is lb.in. (of Nm).

Koppelformule

Koppel geeft aan waar de kracht zich ten opzichte van de asas van de hydraulische motor bevindt. De koppelformule luidt:

(lb.in.) = (lb) × (in.) of (Nm) = (N) × (m)

Voorbeeld uit de figuur: Een kracht van 50 lbs (222 N) werkt in op een kruk die is verbonden met de motoras. De afstand tussen het asmiddelpunt en de kracht bedraagt 10 inch (0,254 m). Het resulterende koppel op de as bedraagt 500 inch-lbs (56,5 Nm). Als dezelfde kracht van 50 lbs (222 N) inwerkt op een krukarm van 15 inch (0,38 m), bedraagt het koppel op de as 750 inch-lbs (84,6 Nm). Hoe verder de kracht van het asmiddelpunt verwijderd is, des te groter het koppel. Let op: koppel impliceert geen beweging.

Een belasting die is verbonden met de aandrijfas van de motor, veroorzaakt koppel zoals hierboven beschreven. Bij een hydraulische motor is dit weerstand — deze moet worden overwonnen door de hydraulische druk die op de roterende assemblage van de motor inwerkt.

Formule voor koppel van een hydraulische motor

Motortoerental (as)

Het toerental van de as van een hydraulische motor wordt bepaald door de snelheid waarmee vloeistof wordt ingespoten. De formule luidt:

Vermogen

In eerdere hoofdstukken leerden we dat vermogen de snelheid is waarmee arbeid wordt verricht, d.w.z. pk = ft·lb/tijd of W = J/tijd.

Mechanische kracht

We weten ook dat paardenkracht (pk) of watt (W) de eenheid van vermogen is. Als een hydraulische cilinder of een hydraulische motor een last aandrijft met een mechanische kracht van 550 lb (2.442 N) en deze over een afstand van 1 ft (0,30 m) verplaatst in 1 seconde, dan is er 1 pk (746 W) vermogen gebruikt. Als dezelfde arbeid (550 ft·lb / 746 J) wordt verricht in een halve seconde, verdubbelt de werksnelheid en is het vermogen 2 pk (1.490 W).

Hydraulische Motor

Het mechanische vermogen dat door een cilinder of motor aan een belasting wordt overgedragen, is gelijk aan het hydraulische vermogen dat door de cilinder of motor moet worden geleverd. Voor een hydraulisch systeem dat werk verricht met een snelheid van 550 ft·lb per seconde (746 J), bedraagt het hydraulische vermogen 1 pk (746 W). In de formule voor mechanisch vermogen worden echter de termen "ft (m)" en "lb (N)" vervangen door de hydraulische termen "psi (bar)" en "gpm (L/min)". Bij berekeningen van hydraulisch vermogen wordt een omrekenfactor gebruikt om de relatie tussen gpm, psi, ft en lb (of L/min, bar, m en N) uit te drukken.

Berekening van systeem- en cilindervermogen

Om het vermogen van een hydraulische cilinder of van het gehele hydraulische systeem te berekenen:

Om het afgegeven vermogen van een hydraulische motor te berekenen:

Oscillerende actuatoren

Tot nu toe hebben we hydraulische motoren met roterende uitvoer en hydraulische cilinders met lineaire uitvoer besproken. Nu bespreken we een ander type actuator die een beperkte hoekrotatie produceert. Dit type wordt een oscillerende cilinder of oscillerende motor genoemd. De constructie is compact, eenvoudig en efficiënt — het levert een hoog koppel en vereist slechts een kleine installatieruimte, met gemakkelijke montage.

Oscillerende actuatoren worden gebruikt voor indexering van gereedschapmachines, buigbewerkingen, het optillen of roteren van zware objecten, omkeren, positioneren, spanmiddelen voor bewerking, nautische bediening, klepbediening, enzovoort.

Typen oscillerende actuatoren

Er bestaan vele soorten oscillerende cilinders. De eenvoudigste vorm is een oscillerend mechanisme aangedreven door een lineaire hydraulische cilinder, waarbij het cilinderlichaam aan één uiteinde is bevestigd met een pen en de zuigerstang verbonden is met een drijfstang die een as doet roteren. Deze oscillerende cilinder kan worden aangestuurd met een viervoudige richtingsklep, met eindstandschakelaars aan elk uiteinde van de slag.

Net als alle mechanische apparaten heeft deze lineaire, op cilinders gebaseerde oscillerende actuator een aantal basiskenmerken, waaronder het feit dat deze kan worden samengesteld uit standaard, in de handel verkrijgbare onderdelen, wat ontwerpers grote flexibiliteit biedt en de kosten laag houdt dankzij gemakkelijk verkrijgbare vervangingsonderdelen.

Deze type oscillerende actuator heeft echter ook ongewenste eigenschappen: de zuigerstang is onbeschermd en komt direct in contact met de omgeving, vooral omdat het drijfstangenmechanisme meestal niet is afgedicht, wat veiligheidsrisico’s met zich meebrengt. Daarnaast ondergaat de aandrijfas doorgaans grote zijdelingse belastingen, wat leidt tot vroegtijdige uitval, excessieve slijtage en klemmen.

Voor dit specifieke type oscillerende actuator moet de hydraulische cilinder vrij kunnen zwaaien, waardoor flexibele slangverbindingen moeten worden gebruikt; bovendien is het uitgangskoppel gedurende de volledige slag van de cilinder niet constant.

Gesloten oscillerende cilinder

De ingesloten oscillerende cilinder is zeer vergelijkbaar met het bovenstaande lineaire cilindergebaseerde oscillerende mechanisme. De ingesloten cilinder heeft een beschermende afdekking die de zuigerstang en de drijfas omvat. De aandrijfas heeft meestal extra lagerondersteuning om zware zijdelingse belastingen te voorkomen. Dit type kan worden uitgerust met magneetventielen, eindstandschakelaars of slag-schakelaars. Het slagbereik kan meestal worden afgesteld tussen ongeveer 85° en 100°.

Oscillerende cilinder met veerretour

Een ander type is de oscillerende cilinder met veerretour, die een hydraulische cilinder met een retourveer gebruikt om de aandrijfas terug te brengen naar zijn oorspronkelijke positie. Oscillerende cilinders met veerretour kunnen koppels leveren tot 5.000 inch-pounds (565 Nm).

Tandheugel- en pinionoscillerende cilinder

Het meest voorkomende oscillerende cilindertype is het tandheugel- en piniontype. Dit type kan een constante uitvoermoment leveren in beide richtingen gedurende de volledige rotatie. In deze configuratie werkt de hydraulische druk op de zuiger, waardoor de tandheugel die met de zuiger is verbonden wordt voortgestuwd; dit drijft het pinionwiel om de as te laten roteren. Standaard tandheugel- en pinioncilinders hebben rotatiebewegingen van 90°, 180°, 360° of zelfs groter. Het uitvoermoment van tandheugel- en pinioncilinders kan oplopen tot 52.000.000 inch-pounds (5.876.000 Nm).

Vleugelmotor met oscillatie

Er is ook een vleugelmotor met oscillatie beschikbaar. Dit type kan een enkelvleugel- of meervleugeluitvoering hebben. Een enkelvleugelmotor kan 280° roteren; een dubbelvleugelmotor kan 200° roteren. Het uitvoermoment van een dubbelvleugelmotor is tweemaal zo groot als dat van een enkelvleugelmotor. Dit type oscillerende motor kan uitvoermomenten bereiken tot 500.000 inch-pounds (Nm).

Helicale spline-oscillerende motor

Er is een ander type oscillerende motor die koppel genereert met behulp van een spiraalvormig groefmechanisme. Wijzigingen in de lengte en de spoed van de groeven maken het mogelijk om de rotatiebeweging over een breed bereik aan te passen. Dit type oscillerende motor heeft één spiraalvormige groefas met een intern gegroefde zuigerhuls op de as — de rotatie van de zuigerhuls wordt beperkt door geleidingsstangen. Wanneer de zuigerhuls zich binnen de cilinder beweegt, drijft deze de groefas tot rotatie. Standaard rotatiebewegingen zijn 90°, 180°, 270° en 360°, met uitgangskoppels tot 1.000.000 inch-pounds (13.000 Nm).

Ketting-en-tandwiel oscillerende motor

Ketting-en-tandwiel oscillerende motoren gebruiken zuigers, kettingen en tandwielen om de as aan te drijven. Deze actuator heeft doorgaans één grote zuiger (als aandrijfapparaat) om de ketting te trekken en een kleine zuiger om lekkage van olie via het terugvoertraject van de ketting te voorkomen. Uitgangskoppels kunnen ongeveer 23.000 inch-pounds (2.599 Nm) bereiken en de rotatie van de aandrijfas kan vijf volledige omwentelingen of 1.800° bedragen.

Voor het selecteren van de meest geschikte oscillatiecilinder voor een specifieke toepassing zijn onder andere koppel, snelheid en bedieningsmethode van belang. De praktische selectie van oscillatiemotoren wordt in een ander hoofdstuk beschreven, evenals de bespreking van onder meer de keuze tussen enkel- of dubbelwerkend, het gebruik van positionering met gesloten lus en het al dan niet nodig zijn van demping. Ook de bedrijfsfrequentie of cyclusperiode wordt onderzocht.

Samenvatting actuatorssnelheid

De lineaire snelheid van de zuigerstang van een hydraulische cilinder hangt af van de snelheid waarmee de pomp vloeistof in de zuigerkamer van de cilinder pompt (gpm (L/min)). De rotatiesnelheid van de aandrijfas van een hydraulische motor hangt af van de debietstroom (gpm (L/min)) die in de hydraulische motor wordt geïnjecteerd.

Samenvatting uitvoerkracht actuator

De uitvoerkracht van een cilinder wordt uitgedrukt in psi (bar) — de uitvoerkracht op de aandrijfas van een motor wordt bepaald door de druk die werkt op het blootliggende oppervlak van de roterende assemblage van de motor. Het vermogen dat door een actuator wordt geproduceerd, is een functie van de actuorsnelheid vermenigvuldigd met de uitvoerkracht van de actuator.

Bij cilinders wordt de uitvoerkracht uitgedrukt in psi en de zuigerstangsnelheid in gpm. De constante 0,000583 beschrijft de relatie tussen psi, gpm en vermogen. Bij motoren wordt de uitvoerkracht uitgedrukt in koppel en de motortoerental in rpm. De constante 63.025 beschrijft de relatie tussen rpm, koppel en vermogen.