Hydrauliske aktuatorer (også kalt hydrauliske utgangsenheter) konverterer hydraulisk energi tilbake til mekanisk energi. De er der all synlig bevegelse og arbeid skjer — det første ethvert konstruksjonsingeniør må tenke på. Hydrauliske aktuatorer deles inn i to grunnleggende kategorier: lineære (sylindre) og roterende (motorer).

Hydraulisk sylinder

En hydraulisk sylinder konverterer hydraulisk energi til rettlinjet eller lineær mekanisk bevegelse. Når den er koblet til en bevegelig last, utfører den arbeid.

Sylinderkonstruksjon

Som introdusert i tidligere kapitler består en hydraulisk sylinder hovedsakelig av et rør (barrel), to lukkede endekapsler, en stempel, en stemplestang og inn- og utløpsporter. Hver ende har én port — én for olje inn, den andre for olje ut.

figur 6-1 Standard dobbelvirkende hydraulisk sylinder. Olje strømmer inn fra venstre port, slik at stangen strekkes ut; olje som strømmer inn gjennom høyre port trekker den tilbake.

Sylinderytterkraft

Gjennom hele sylinderens slag virker hydraulisk energi på den bevegelige stempelet. Trykket som genereres av denne hydrauliske energien vil ikke overstige motstanden fra lasten. For en sylinder med kjente dimensjoner må vi vite hvilket arbeidstrykk som gir en bestemt utgangskraft. Dette kan beregnes (uten å ta hensyn til friksjon) ved hjelp av følgende formel:

Når denne formelen brukes, er enten arealet og trykket oppgitt for å finne utgangskraften, eller så er arealet og utgangskraften kjent for å finne trykket. I praksis kjenner vi vanligvis sylinderrørets diameter og må beregne stempelets areal – men å beregne arealet av en sirkel er like enkelt som å beregne arealet av et kvadrat.

Sirkelareal

Arealet av en sirkel utgjør ca. 78,54 % av arealet av et kvadrat hvis side er lik sirkelens diameter. Mer nøyaktig:

En annen vanlig formel:

Figur 6-2 Sirkelareal = D² × 0,7854. Denne enkle formelen brukes konstant i beregninger av hydrauliske sylindre.

Sylinderstrekning

Avstanden som den hydrauliske energien virker over, bestemmer hvor mye arbeid som utføres — denne avstanden er sylindrens slaglengde. Som nevnt tidligere virker det som om bruk av hydraulisk trykk til å forsterke en kraft ikke koster noe. I noen spesifikke situasjoner — når systemet er i ro — kan en liten kraft produsere en svært stor kraft uten noen synlig avkall. Men hvis denne forsterkede kraften også fører til bevegelse, skjer det et avkall: avstand.

Sylindervolum (forflytning)

Hver hydraulisk sylinder har et volum (forflytning) som tilsvarer dens slaglengde (i tommer) multiplisert med stempelarealet (i tommer²), noe som gir et volum i tommer³ (cm³).

(tommer³) = (tommer²) × (tommer) eller (cm³) = (cm²) × (cm)

Eksempel: Den øverste stempelen må bevege seg 2 tommer (5,08 cm) for at den nedre sylindrestempelen skal bevege seg 1 tomme (2,54 cm). Begge stempler utfører samme arbeid. Den øverste stempelen fortrenger 20 tommer³ (327,8 cm³) væske — og den nedre sylindrestempelen fortrenges av akkurat samme mengde væske, nemlig 20 tommer³ (327,8 cm³).

Stempelstanghastighet

Hastigheten til en hydraulisk sylindrestempelstang avhenger av hvor raskt væsken fyller rommet bak stempelen. Formler for stempelstanghastighet:

Hydraulisk motor

En hydraulisk motor er en aktuator som omformer hydraulisk energi til roterende mekanisk energi. Denne roterende energien overføres til en last via drivakselen.

Motorkonstruksjon

Alle hydrauliske motorer består i prinsippet av et hus med inn- og utløpsporter samt en roterende enhet som er koblet til drivakselen.

Hvordan en hydraulisk motor fungerer

Eksemplet som vises er en vinget hydraulisk motor. Den roterende enheten består av en rotor og vinger som kan gli fritt inn og ut av sporene i rotoren. Den roterende enheten er montert eksentrisk inne i huset; drivakselen kobles til lasten. Når trykkolje kommer inn i inntakskammeret, virker den hydrauliske energien på den eksponerte vingeflaten i inntakskammeret. Fordi arealet av den øvre vingen som er utsatt for trykkolje er større, er kraften på rotoren ubalansert — rotoren snur.

Når oljen når utløpskammeret med avtagende volum, blir den tømt ut.

Figur 6-6: Drift av vingemotor. Trykkolje virker på vingenes flater. Fordi den øvre vingearealet som er utsatt for trykk er større enn det nedre vingearealet, roterer den resulterende kraften rotoren.

Tørr

Dreiemoment er en roterende eller vrilende kraft. Dreiemoment er en kraft som virker i en avstand fra en aksels sentrallinje. Enheten for dreiemoment er lb·in. (eller Nm).

Formel for dreiemoment

Dreiemoment forteller oss posisjonen til kraften i forhold til sentrallinjen til hydraulikkmotorens aksel. Formelen for dreiemoment er:

(lb·in.) = (lb) × (in.) eller (Nm) = (N) × (m)

Eksempel fra figuren: En kraft på 50 lbs (222 N) virker på en krummeaksel som er koblet til motorens aksling. Avstanden mellom akslingens sentrum og kraften er 10 tommer (0,254 m). Den resulterende dreiemomentet på akslingen er 500 tommer-pund (56,5 Nm). Hvis samme kraft på 50 lbs (222 N) virker langs en krummeaksel på 15 tommer (0,38 m), er dreiemomentet på akslingen 750 tommer-pund (84,6 Nm). Jo lenger unna akslingens sentrum kraften virker, jo større blir dreiemomentet. Merk at dreiemoment ikke innebærer noen bevegelse.

En belastning koblet til motorens drivaksling produserer dreiemoment som beskrevet ovenfor. For den hydrauliske motoren er dette motstand — den må overvinnes av hydraulisk trykk som virker på motorens roterende enhet.

Formel for dreiemoment i hydraulisk motor

Motorens akselhastighet

Hydraulisk motors akselhastighet bestemmes av hvor raskt væske tilføres. Formelen er:

Effekt

I tidligere kapitler lærte vi at effekt er arbeidsrate, dvs. hk = ft·lb/tid, eller W = J/tid.

Mekanisk kraft

Vi vet også at hestekraft (hk) eller watt (W) er enheter for effekt. Hvis en hydraulisk sylinder eller en hydraulisk motor driver en last med 550 lb (2 442 N) mekanisk kraft og beveger den 1 ft (0,30 m) på én sekund, er 1 hk (746 W) effekt brukt. Hvis det samme arbeidet (550 ft·lb / 746 J) utføres på halvannen sekund, dobles arbeidsfarten og effekten blir 2 hk (1 490 W).

Hydraulisk effekt

Den mekaniske effekten som overføres av en sylinder eller motor til en last, er lik den hydrauliske effekten som kreves av sylinderen eller motoren. For et hydraulisk system som utfører arbeid med en hastighet på 550 fot-pund per sekund (746 J), er den hydrauliske effekten 1 hk (746 W). I formelen for mekanisk effekt erstattes imidlertid «ft (m)» og «lbs (N)» med hydrauliske størrelser: «psi (bar)» og «gpm (L/min)». En omregningsfaktor brukes i beregninger av hydraulisk effekt for å uttrykke sammenhengen mellom gpm, psi, ft og lbs (eller L/min, bar, m og N).

Beregning av system- og sylindereffekt

For å beregne effekten til en hydraulisk sylinder eller hele det hydrauliske systemet:

For å beregne utgangseffekten til en hydraulisk motor:

Oscillerende aktuatorer

Hittil har vi diskutert hydrauliske motorer med rotasjonell utgang og hydrauliske sylindre med lineær utgang. Nå vil vi diskutere en annen type aktuator som produserer begrenset vinkelrotasjon. Denne typen kalles en oscillerende sylinder eller oscillerende motor. Konstruksjonen er kompakt, enkel og effektiv – den produserer høy dreiemoment og krever bare lite monteringsplass, samt enkelt montering.

Oscillerende aktuatorer brukes til indeksering av verktøyautomater, bøyeoperasjoner, løfte eller rotere tunge gjenstander, vende, posisjonering, feste for bearbeiding, nautiske kontroller, ventilstyring osv.

Typer oscillerende aktuatorer

Det finnes mange typer oscillerende sylindre. Den enkleste er en oscillerende mekanisme som drives av en lineær hydraulisk sylinder, der sylinderrøret er festet med en pin, og stempelstangen er koblet til en krummeaksel som driver en aksling til rotasjon. Denne oscillerende sylinderen kan styres med en 4-veis rettningsventil, med endestoppbrytere ved hver ende av slaglengden.

Som alle mekaniske enheter har denne lineære, sylinderbaserte oscillerende aktuatoren noen grunnleggende egenskaper, blant annet at den kan monteres fra standard, ferdigproduserte deler, noe som gir konstruktører stor fleksibilitet og holder kostnadene lave takket være lett tilgjengelige reservedeler.

Denne typen oscillerende aktuator har imidlertid også uønskede egenskaper: stempelstangen er ikke beskyttet og kommer direkte i kontakt med omgivelsene, spesielt siden krummeaksmekanismen vanligvis ikke er tettsluttet, noe som skaper sikkerhetsrisiko. I tillegg utsettes drivakselen vanligvis for store sidekrefter, noe som fører til tidlig svikt, overdreven slitasje og klemming.

For denne spesifikke typen oscillerende aktuator må hydraulikksylinderen kunne svinge fritt, så den må bruke fleksible slangeforbindelser, og gjennom hele sylinderens slag er utgangsdreiemomentet ikke konstant.

Innkapslet oscillerende sylinder

Den innkapslede svingecylinderen er meget lik den lineære svingemekanismen basert på sylinder som beskrevet ovenfor. Den innkapslede sylinderen har et beskyttelsesdekksel som omslutter stempelstangen og krumtappen. Drivakselen har vanligvis ekstra lagerstøtte for å forhindre alvorlige tverrlaster. Denne typen kan utstyres med magnetventiler, grenseswitcher eller slagswitcher. Slagområdet kan vanligvis justeres mellom ca. 85° og 100°.

Fjærretur-svingecylinder

En annen type er fjærretur-svingecylinderen, som bruker en hydraulisk sylinder med en returfjær for å føre drivakselen tilbake til sin opprinnelige posisjon. Fjærretur-svingecylindere kan levere dreiemomenter opp til 5 000 tommer-pund (565 Nm).

Tannstang-og-tannhjul-svingecylinder

Den vanligste svingende sylinderen er av type tannstang-og-kjeggehjul. Denne typen kan opprettholde konstant utgangsmoment i begge retninger gjennom hele rotasjonen. I denne konfigurasjonen virker hydraulisk trykk på stempelet, som skyver tannstangen som er festet til stempelet, og driver kjeggehjulet til å rotere akselen. Standard tannstang-og-kjeggehjul-sylindre har rotationshøyder på 90°, 180°, 360° eller enda større. Utgangsmomentet for tannstang-og-kjeggehjul-sylindre kan nå 52 000 000 tommer-pund (5 876 000 Nm).

Vingemotor med svingebevegelse

Det finnes også en vingemotor med svingebevegelse. Denne typen kan ha én eller flere vinger. En motor med én vinge kan rotere 280°; en motor med to vinger kan rotere 200°. Utgangsmomentet for en motor med to vinger er dobbelt så stort som for en motor med én vinge. Denne typen svingemotor kan oppnå utgangsmomenter på opptil 500 000 tommer-pund (Nm).

Helikal spline-svingemotor

Det finnes en annen type svingemotor som genererer dreiemoment ved hjelp av en skruemekanisme med tannhjul. Endringer i tannhjulslengde og -stigning gjør det mulig å variere rotasjonsbevegelsen over et bredt område. Denne typen svingemotor har én skruetannhjulsaksel med en innvendig tannhjulbekledd stempelhylse på akselen — rotasjonen til stempelhylsen begrenses av veilederstenger. Når stempelhylsen beveger seg inni sylinderen, driver den tannhjulsakselen til å rotere. Standard rotasjonsbevegelser er 90°, 180°, 270° og 360°, med utgangsdreiemoment opp til 1 000 000 tommer-pund (13 000 Nm).

Kjede- og tannhjuls-svingemotor

Kjede- og tannhjuls-svingemotorer bruker stempler, kjeder og tannhjul til å drive akselen. Denne aktuatoren har vanligvis ett stort stempel (som drivmekanisme) for å trekke kjeden, og et lite stempel for å forhindre oljelekkasje gjennom returkjedebanen. Utgangsdreiemoment kan nå ca. 23 000 tommer-pund (2 599 Nm), og rotasjonen til drivakselen kan nå fem hele omdreininger eller 1 800°.

For å velge den mest egnet svingecylinderen for en spesifikk applikasjon, må man ta hensyn til dreiemoment, hastighet og driftsmetode. Vi beskriver valg av faktiske svingemotorer i et annet kapittel og diskuterer videre hvordan man bestemmer om man skal bruke enkelt- eller dobbelvirkende utforming, om lukket-loop-posisjonering er nødvendig, om demping er påkrevd osv. Driftsfrekvensen eller syklusperioden vil også bli undersøkt.

Sammendrag av aktuatorhastighet

Den lineære hastigheten til stempelstangen i en hydraulisk sylinder avhenger av den hastigheten som pumpen injiserer væske inn i stempeletrommen i sylinderen (gpm (L/min)). Den rotasjonelle hastigheten til akselen i en hydraulisk motor avhenger av strømningshastigheten (gpm (L/min)) som injiseres inn i den hydrauliske motoren.

Sammendrag av aktuatorutgangskraft

Utgangskraften til en sylinder uttrykkes i psi (bar) — utgangskraften på en motordreivaksling bestemmes av trykket som virker på den eksponerte arealet av motorens roterende enhet. Effekten som produseres av en aktuator er en funksjon av aktuatorhastighet multiplisert med aktuatorens utgangskraft.

For sylindere uttrykkes utgangskraften i psi, og stempelstanghastigheten i gpm. Konstanten 0,000583 beskriver forholdet mellom psi, gpm og effekt. For motorer uttrykkes utgangskraften i dreiemoment, og motorens driftshastighet i rpm. Konstanten 63 025 beskriver forholdet mellom rpm, dreiemoment og effekt.