Hydrauliska aktuatorer (även kallade hydrauliska utgående enheter) omvandlar hydraulisk energi tillbaka till mekanisk energi. Det är här all synlig rörelse och arbete sker – det första som någon konstruktör måste tänka på. Hydrauliska aktuatorer delas in i två grundläggande kategorier: linjära (cylindrar) och roterande (motorer).

Hydraulcylinder

En hydraulcylinder omvandlar hydraulisk energi till rätlinjig eller linjär mekanisk rörelse. När den är kopplad till en rörlig last utför den arbete.

Cylinderrättning

Som introducerades i tidigare kapitel består en hydraulcylinder främst av ett cylinderrör, två slutade ändlock, en kolvmatta, en kolvstång samt in- och utloppsportar. Varje ände har en port – en för olja in och den andra för olja ut.

figur 6-1 Standard dubbelverkande hydraulcylinder. Oljan strömmar in genom den vänstra porten, vilket får stången att förlängas; olja genom den högra porten drar in den.

Cylinderns utgående kraft

Under hela cylinderstroke längden verkar hydraulisk energi på den rörliga kolven. Trycket som genereras av denna hydrauliska energi överskrider inte motståndet från lasten. För en cylinder med kända dimensioner måste vi veta vilket arbetstryck som ger en specifik utmatad kraft. Detta kan bestämmas (med försummad friktion) med formeln:

När denna formel används är antingen arean och trycket givna för att beräkna utmatad kraft, eller så är arean och utmatad kraft kända för att beräkna trycket. I praktiken känner vi vanligtvis till cylinderns innerdiameter och måste beräkna kolvens area – men att beräkna arean av en cirkel är lika enkelt som att beräkna arean av en kvadrat.

Cirkelarea

Arean av en cirkel motsvarar ungefär 78,54 % av arean av en kvadrat vars sida är lika med cirkelns diameter. Mer exakt:

En annan vanligt använd formel:

Figur 6-2 Cirkelarea = D² × 0,7854. Den här enkla formeln används ständigt i beräkningar av hydrauliska cylindrar.

Cylinderväg

Avståndet över vilket hydraulisk energi verkar avgör hur mycket arbete som utförs – detta avstånd är cylinderstroke. Som tidigare nämnts verkar det, när man använder hydrauliskt tryck för att förstärka en kraft, som om det inte kostar något. I vissa specifika situationer – när systemet är statiskt – kan en liten kraft generera en mycket stor kraft utan någon uppenbar avvägning. Men om denna förstärkta kraft också orsakar rörelse görs en avvägning: avstånd.

Cylindervolym (fördrängning)

Varje hydraulisk cylinder har en volym (fördrängning) som motsvarar dess stroke (tum) multiplicerat med dess kolvyta (tum²), vilket ger en volym i tum³ (cm³).

(tum³) = (tum²) × (tum) eller (cm³) = (cm²) × (cm)

Exempel: Den övre kolven måste röra sig 2 tum (5,08 cm) för att den undre cylinderkolven ska röra sig 1 tum (2,54 cm). Båda kolvarna utför samma arbete. Den övre kolven förskjuter 20 kubiktum (327,8 cm³) vätska – och den undre cylinderkolven förskjuts av samma mängd vätska, dvs. 20 kubiktum (327,8 cm³).

Kolvstångens hastighet

Hastigheten hos en hydraulisk cylinderkolvstång beror på hur snabbt vätska fyller kammaren bakom kolven. Formler för kolvstångens hastighet:

Hydraulisk motor

En hydraulisk motor är en aktuator som omvandlar hydraulisk energi till roterande mekanisk energi. Denna roterande energi överförs till lasten via drivaxeln.

Motoruppbyggnad

Alla hydrauliska motorer består i princip av ett housing med in- och utloppsportar samt en roterande anordning kopplad till drivaxeln.

Hur en hydraulisk motor fungerar

Exemplet som visas är en vevtyps hydraulmotor. Den roterande sammansättningen består av en rotor och vevblad som kan glida fritt in och ut ur rotorfacken. Den roterande sammansättningen är monterad excentriskt inuti höljet; drivaxeln ansluter till lasten. När tryckolja strömmar in i intagkammaren verkar den hydrauliska energin på den exponerade ytan av vevbladen i intagkammaren. Eftersom arean av det övre vevbladet som utsätts för tryckolja är större blir kraften på rotorn obalanserad – rotorn snurrar.

När oljan når utloppskammaren med minskande volym släpps den ut.

Figur 6-6 Funktionsprincip för fläktsmotor. Tryckolja verkar på fläkternas ytor. Eftersom den övre fläktytan som utsätts för tryck är större än den undre fläktytan resulterar det i en nettokraft som roterar rotorn.

Vridmoment

Vridmoment är en roterande eller vridande kraft. Vridmoment är en kraft som verkar på ett avstånd från en axels mittlinje. Enheten för vridmoment är lb·in. (eller Nm).

Formel för vridmoment

Vridmoment anger kraftens läge i förhållande till hydraulmotorns axelmittlinje. Formeln för vridmoment är:

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

Exempel från figuren: En kraft på 50 lbs (222 N) verkar på en vev som är kopplad till motoraxeln. Avståndet mellan axelns mittpunkt och kraften är 10 tum (0,254 m). Den resulterande vridmomentet på axeln är 500 tum-lbs (56,5 Nm). Om samma kraft på 50 lbs (222 N) verkar längs en vevarm på 15 tum (0,38 m), är vridmomentet på axeln 750 tum-lbs (84,6 Nm). Ju längre från axelns mittpunkt kraften verkar, desto större blir vridmomentet. Observera att vridmoment inte innebär någon rörelse.

En last som är kopplad till motorens drivaxel genererar vridmoment enligt beskrivningen ovan. För en hydraulmotor är detta motstånd – det måste övervinnas av det hydrauliska trycket som verkar på motorns roterande sammansättning.

Formel för vridmoment hos hydraulmotor

Motorns axelhastighet

Hydraulmotorns axelhastighet bestäms av hur snabbt vätska injiceras. Formeln är:

Ström

I tidigare kapitel lärde vi oss att effekt är arbetets utförandehastighet, dvs. hk = ft·lb/tid eller W = J/tid.

Mekanisk kraft

Vi vet också att hästkraft (hk) eller watt (W) är enheter för effekt. Om en hydraulcylinder eller en hydraulmotor driver en last med 550 lb (2 442 N) mekanisk kraft och förflyttar den 1 ft (0,30 m) på 1 sekund har den använt 1 hk (746 W) effekt. Om samma arbete (550 ft·lb / 746 J) utförs på en halv sekund dubblas utförandehastigheten och effekten blir 2 hk (1 490 W).

Hydrauliskt Driv

Den mekaniska effekten som överförs av en cylinder eller motor till en last är lika med den hydrauliska effekten som krävs av cylindern eller motorn. För ett hydrauliskt system som utför arbete med en hastighet av 550 ft·lb per sekund (746 J) är dess hydrauliska effekt 1 hk (746 W). I formeln för mekanisk effekt ersätts dock "ft (m)" och "lb (N)" med de hydrauliska termerna "psi (bar)" och "gpm (L/min)". En omräkningsfaktor används i beräkningar av hydraulisk effekt för att uttrycka sambandet mellan gpm, psi, ft och lb (eller L/min, bar, m och N).

Beräkning av system- och cylinder-effekt

För att beräkna effekten för en hydraulcylinder eller hela det hydrauliska systemet:

För att beräkna utgående effekt för en hydraulmotor:

Oscillerande aktuatorer

Hittills har vi diskuterat hydrauliska motorer med roterande utgång och hydrauliska cylindrar med linjär utgång. Nu kommer vi att diskutera en annan typ av aktuator som ger begränsad vinkelrotation. Denna typ kallas för oscillationscylinder eller oscillationsmotor. Dess konstruktion är kompakt, enkel och effektiv – den ger hög vridmoment och kräver endast ett litet installationsutrymme samt är lätt att installera.

Oscillationsaktuatorer används för indexering av verktygsmaskiner, böjningsoperationer, lyftning eller rotation av tunga föremål, vändning, positionering, fästningar för bearbetning, nautiska styrningar, ventilstyrning osv.

Typer av oscillationsaktuatorer

Det finns många typer av oscillationscylindrar. Den enklaste är en oscillationsmekanism som drivs av en linjär hydraulcylinder, där cylinderkroppens ände är monterad med en pinne och kolvröret ansluts till en kuggarm som driver en axel att rotera. Denna oscillationscylinder kan styras med ett fyrvägsriktningssventil, med gränsbrytare vid varje ände av slaglängden.

Precis som alla mekaniska enheter har denna linjära, cylinderbaserade oscillerande aktuator vissa grundläggande egenskaper, bland annat att den kan monteras med standardkomponenter som finns i lager, vilket ger konstruktörer stor flexibilitet och håller kostnaderna låga tack vare lättillgängliga reservdelar.

Denna typ av oscillerande aktuator har dock också oönskade egenskaper: kolvstången är oskyddad och kommer direkt i kontakt med omgivningen, särskilt eftersom kryssarmmekanismen vanligtvis inte är tätd, vilket skapar säkerhetsrisker. Dessutom utsätts drivaxeln vanligtvis för stora sidobelastningar, vilket leder till tidig felbildning, överdriven slitage och klibbning.

För denna specifika typ av oscillerande aktuator måste hydraulcylindern kunna svänga fritt, så den måste använda flexibla slanganslutningar, och under hela cylinderns slag är utmatningsmomentet inte konstant.

Innesluten oscillerande cylinder

Den inneslutna svängande cylindern är mycket lik den linjära cylinderbaserade svängande mekanismen ovan. Den inneslutna cylindern har ett skyddshölje som omger kolvstången och vevaxeln. Drivaxeln har vanligtvis extra lagerstöd för att förhindra kraftiga sidobelastningar. Denna typ kan utrustas med magnetventiler, gränsbrytare eller slagbrytare. Slagomfånget kan vanligtvis justeras mellan cirka 85° och 100°.

Fjäderåtergående svängande cylinder

En annan typ är fjäderåtergående svängande cylinder, som använder en hydraulcylinder med en återfjäder för att återföra drivaxeln till dess ursprungliga position. Fjäderåtergående svängande cylindrar kan ge vridmoment upp till 5 000 tum-pund (565 Nm).

Tandstangs- och pinjongsvängande cylinder

Den vanligaste oscillerande cylindern är typen med kuggstång och pinjong. Denna typ kan bibehålla konstant utmatningsvridmoment i båda riktningar under hela rotationen. I denna konfiguration verkar hydrauliskt tryck på kolven, vilket driver kuggstången som är kopplad till kolven och får pinjongväxeln att rotera axeln. Standardcylindrar med kuggstång och pinjong har rotationssträckor på 90°, 180°, 360° eller ännu större. Utmatningsvridmomentet för cylindrar med kuggstång och pinjong kan uppgå till 52 000 000 tum-pund (5 876 000 Nm).

Vindmötare-oscillerande motor

Det finns även en vindmötare-oscillerande motor tillgänglig. Denna typ kan vara enkelvindmötare eller flervindmötare. En enkelvindmötarmotor kan rotera 280°; en dubbelvindmötarmotor kan rotera 200°. Utmatningsvridmomentet för en dubbelvindmötarmotor är dubbelt så stort som för en enkelvindmötarmotor. Denna typ av oscillerande motor kan uppnå utmatningsvridmoment upp till 500 000 tum-pund (Nm).

Helikal splin-oscillerande motor

Det finns en annan typ av oscillerande motor som genererar vridmoment med hjälp av en spiralformad kuggmekanism. Ändringar i kuggens längd och stigning gör att rotationshubbens omfattning kan variera inom ett brett intervall. Denna typ av oscillerande motor har en spiralformad kuggaxel med en intern kuggad kolvmanschett på axeln – kolvmanschettens rotation begränsas av guidestänger. När kolvmanschetten rör sig inuti cylindern driver den kuggaxeln att rotera. Standard rotationshubbar är 90°, 180°, 270° och 360°, med utgående vridmoment upp till 1 000 000 tum-pund (13 000 Nm).

Kedja-och-kugghjulsoscillerande motor

Kedja-och-kugghjulsoscillerande motorer använder kolvar, kedjor och kugghjul för att driva axeln. Denna aktuator har vanligtvis en stor kolv (som drivanordning) som drar kedjan samt en liten kolv som förhindrar oljeläckage genom återföringskedjans väg. Utgående vridmoment kan nå cirka 23 000 tum-pund (2 599 Nm), och drivaxelns rotation kan uppgå till fem fullständiga varv eller 1 800°.

För att välja den mest lämpliga oscillerande cylindern för en specifik applikation krävs anpassning av vridmoment, hastighet och driftmetod. Vi beskriver faktisk val av oscillerande motor i ett annat kapitel och diskuterar ytterligare hur man avgör om en enkel- eller dubbelverkande cylinder ska användas, om stängd-loop-positionering krävs, om dämpning behövs osv. Driftfrekvensen eller cykelperioden kommer också att undersökas.

Sammanfattning av aktuatorhastighet

Den linjära hastigheten för en hydraulcylinders kolvstång beror på den hastighet med vilken pumpen injicerar vätska i cylinderns kolvrums kammare (gpm (L/min)). Den roterande hastigheten för en hydraulmotors drivaxel beror på flödet (gpm (L/min)) som injiceras i hydraulmotorn.

Sammanfattning av aktuatorutmatningskraft

Utkraften från en cylinder uttrycks i psi (bar) — utkraften på en motors drivaxel bestäms av trycket som verkar på den exponerade ytan av motorns roterande sammansättning. Effekten som en aktuator producerar är en funktion av aktuatorns hastighet multiplicerad med aktuatorns utkraft.

För cylindrar uttrycks utkraften i psi och kolvstångens hastighet i gpm. Konstanten 0,000583 beskriver sambandet mellan psi, gpm och effekt. För motorer uttrycks utkraften i vridmoment och motors driftvarvtalet i rpm. Konstanten 63 025 beskriver sambandet mellan rpm, vridmoment och effekt.