Neumática e hidrúlica (unidad 2). Fluidsim

Esther Lugo González:
elugog@mixteco.utm.mx
Octubre 2020
Neumática e Hidráulica
(Unidad 2)

Contenido
Actuadores neumáticos
❑ 2.1 Tipos de motores neumáticos
❑ 2.2 Curvas características de motores neumáticos
❑ 2.3 Evaluación y selección de motores neumáticos
❑ 2.4 Actuadores neumáticos rotatorios
❑ 2.5 Actuadores neumáticos lineales (generalidades)
❑ 2.6 Dimensionamiento de actuadores neumáticos lineales

Actuadores neumáticos
❑ Convierten la energía del aire comprimido en trabajo
mecánico generado por un movimiento lineal o rotacional.
❑ Se clasifican en:
Cilindros neumáticos
Actuadores neumáticos de movimiento rotatorio.
Músculos neumáticos
Motores neumáticos

Cilindros (nomenclatura)
❑ Los cilindros accionados por las válvulas distribuidoras
se representan con letras A, B, C, etc. Los sensores
asociados de las posiciones inicial y final del vástago se
representan con un código alfanumérico:
a0 = Posición inicial del vástago del cilindro A con el pistón
completamente retraído.
a1 = Posición final del vástago del cilindro A con el pistón
completamente extendido.
b0 = Posición inicial del vástago del cilindro B con el pistón
completamente retraído.
b1 = Posición final del vástago del cilindro B con el pistón
completamente extendido.

Actuadores neumáticos rotatorios

Músculos neumáticos
❑ Son dispositivos que emulan el músculo
humano. Consisten en una manguera de
material especial que, al ser alimentada con
aire, ejerce una gran fuerza de tracción con
poco recorrido.

Motores neumáticos
❑ El motor neumático típico es el de paletas,
donde un eje excéntrico dotado de paletas
gira por el aire comprimido que llena y vacía
las cámaras formadas entre las paletas y el
cuerpo del motor.

Principios básicos
V=velocidad

2. Calcula la fuerza que ejercerá un pistón de 5 cm de diámetro, si le
llega aire procedente de una tubería a 6 bares de presión.
3. Una plegadora de chapa utiliza un cilindro neumático de simple
efecto. a) Calcula el diámetro mínimo que debe tener el émbolo si la
fuerza que tiene que realizar es de 8000 N y la presión del compresor es
de 6 bares. b) Calcula el caudal de aire que debe suministrar el
compresor si se hacen 20 pliegues por minuto y la carrera del vástago
es de 50 cm.
1. Un actuador lineal efectúa su carrera de extensión en 7 seg.
Para ello recibió un volumen total de 8.25 lts. El diámetro del
pistón es de 50mmm, ¿Qué caudal se suministro al actuador ?,
¿Con qué velocidad efectúa la extensión?.

Teta=tiempo, s=desplazamiento o
carrera, w= potencia
4)

Multiplicador de fuerza mecánica

Cálculo de fuerza y
diámetro de
cilindros.

Cálculo de la fuerza en cilindros
neumáticos

Gráfico presión-fuerza para cilindros
neumáticos

Cálculo de la fuerza de extensión
en cilindros neumáticos

Cálculo de la fuerza de retracción
en cilindros neumáticos

Qprom= (Qext(tex)+Qret(tre))/(text+tret)
Q= (V[in3]. RC)/t*28.8=PCM

Mismo texto pero con los siguientes datos :
S= 7in, Dp=5 in , dv=1 ¾”, tex=4s, trec=3.2s, P=92 PSI, Patl=14 PSI
Q=? , Qprom=?
4)
Q= (V[in3]. RC)/t*28.8=PCM
7)

6) Un actuador lineal de doble efecto funciona 8 hrs por día, 5 días
a la semana , 49 semanas al año. Se ha propuesto emplear un
regulador de presión de línea y que los movimientos de extensión
sean a 60 PSI y retracción se efectúen con 30 PSI de presión. El
diámetro del pistón es de 4’ y el del vástago de 2’. El tiempo de
extensión es de 2 seg y el de retracción de 1 seg. Con una carrera
de 20’. La presión atmosférica local es de 14.7 PSI. El costo del aire
comprimido es de $0.15 por cada 100 ft3, ¿Cuánto se
incrementará el costo de operación por el consumo de aire
durante un año?.
8)

Factor de diseño para un cilindro
❑ Hasta ahora, no se han considerado los efectos debidos a la fricción o a la inercia
de las cargas aplicadas al vástago del cilindro.
❑ Generalmente, -para garantizar la operación continua del sistema neumático- es
preferible seleccionar un cilindro ligeramente excedido en dimensiones.
❑ El dimensionamiento se hace con base en el empuje teórico desarrollado
multiplicado por un factor de exceso entre el 20 y el 50%. Este factor considera las
pérdidas debidas a la fricción u otras fuerzas mecánicas, pérdidas de presión en las
líneas y posibles fugas.

Deformación del vástago
❑ El pandeo o deformación del vástago depende
de varios factores.

Tubo de detención
❑ Se utiliza para prevenir la deformación excesiva del vástago.
❑ Es un cilindro metálico que rodea al vástago y funciona como separador entre el
pistón y la brida de la cabeza.

Tubo de detención
❑ Añade rigidez estructural al cilindro, mejora la
resistencia del vástago y reduce el efecto de
las cargas transmitidas a los cojinetes.
❑ Se recomienda en cilindros desprovistos de
amortiguamiento del pistón.
❑ Básicamente su necesidad depende de la
carrera del cilindro.

Tipos de montaje
❑ Grupo 1. Montaje fijo
que absorbe la fuerza
del cilindro en la línea
central. Es el mejor
sistema, ya que las
fuerzas sobre el
vástago están
equilibradas y los
elementos de fijación
sólo están sometidos
a tensión o cortante
simple.

Tipos de montaje
❑ Grupo 2. El montaje
absorbe la fuerza del
cilindro en la línea
central y permite el
movimiento en un
plano. Se emplean
cuando la máquina
donde están
montados se mueve
siguiendo una línea
curva.

Tipos de montaje
❑ Grupo 3. El montaje no
absorbe la fuerza del
cilindro en la línea central y
el plano de las superficies
de montaje no coincide con
dicha línea, por lo que, al
aplicar la fuerza, se
produce un momento de
giro que tiende a hacer
girar el cilindro alrededor
de los pernos de montaje.

Dimensionamiento del tubo de
retención y diámetro del vástago
❑ Después de encontrar la longitud básica se consulta la
carta de selección del pistón para determinar la
necesidad y la dimensión del tubo de detención.
❑ El punto donde se intersectan el empuje y la longitud
básica determina la longitud del tubo de detención.
❑ Se toma una segunda lectura. El empuje y la longitud
básica se intersectan y se elige el diámetro de vástago
inmediato superior para prevenir el pandeo.

Carta de selección del vástago

Verificación de amortiguamiento

Caudal suministrado a un cilindro
neumático
❑ Es la cantidad de aire necesaria para mover la
carga, y descargar el aire contenido en el lado
opuesto del pistón, a una velocidad específica.
❑ Es una función de la relación de compresión,
del área del pistón y de la carrera.

Caudal
suministrado a
un cilindro
neumático

Caudal
suministrado
a un cilindro
neumático

Considerar una presión de alimentación de 100 PSI
9)

10) Para un cilindro que desarrolla 1000 lb de
empuje con una carrera de 32 in con un muñón
montado en la tapa del cilindro y la carga articulada
y guiada rígidamente . ¿ Cuál es la longitud del tubo
de retención (si es necesario) y el diámetro del
vástago para evitar pandeo?.
10b) Un cilindro de diámetro de 50mm trabaja a 7
bars con 1200mm de carrera montado con placa en
la tapa y con guía rígida . Determinar la longitud del
tubo de detención y el diámetro del vástago.
LB=s.fc

Para obtener velocidad máxima horizontal se multiplica (1.2)* v
Para obtener velocidad máxima vertical se multiplica (2) * v
11)

Amortiguadores (desaceleración
de la carga)
❑ Si el pistón de un cilindro se detiene repentinamente (como
sucede al final de su carrera), la energía cinética se
transforma en un golpe de presión llamado choque o ariete.
❑ Si una gran cantidad de energía cinética se detiene muy
repentinamente, la sobrepresión resultante dañará el cilindro.
❑ Para proteger el cilindro, se emplean amortiguadores que
absorben la energía cinética del sistema.

de la carga)

de la carga)
❑ Los amortiguadores desaceleran el desplazamiento
del pistón justo antes de que alcance el final de su
carrera. Pueden colocarse en uno o ambos lados del
cilindro.
❑ Un amortiguador consiste en una válvula de aguja
para regular el caudal y una pieza fijada sobre el
vástago, denominada collar si se encuentra del lado
del vástago o punta si se acopla del lado de la tapa.

de la carga)
❑ Los siguientes factores determinan si un cilindro es
suficientemente grande para absorber la energía de la carga
que se va a amortiguar:
Peso total que se moverá
Velocidad máxima del pistón
Distancia disponible para la desaceleración
Dirección de la carga, horizontal o vertical, de tensión o de
compresión
Resistencia debida a la fricción
La existencia de contrapresiones en la cavidad del
amortiguador

Selección de un cilindro para amortiguar una
carga en movimiento
❑ Se determina la carga total, considerando el
peso del pistón y del vástago.
Para un cilindro de 4” de diámetro de pistón
-con vástago de 1” de diámetro y carrera de
30”- que mueve una carga de 100lb, la carga
total es
Carga total= Wb+(Wbv*s)+q
Carga total = 14.2 + (0.223 * 30) + 100
= 120.98lb = 537 N

Selección de un cilindro
para amortiguar una carga
en movimiento

Selección de un cilindro para amortiguar una carga en
movimiento
❑ Determinar la velocidad máxima del pistón.
En aplicaciones horizontales, en aplicaciones con poca
fricción, se puede suponer que la velocidad máxima no
excede a la velocidad promedio en más de un 20%.
Para aplicaciones verticales, con el vástago deslizándose
hacia abajo, la velocidad máxima no debe de ser mayor al
doble de la velocidad promedio.

Selección de un cilindro para amortiguar una carga en
movimiento
❑ Con el peso total y la velocidad máxima del pistón se
entra a la gráfica Velocidad-Peso y se determina la
tasa de amortiguamiento.
❑ Si la tasa obtenida de la tabla es mayor que la
obtenida de la gráfica, el cilindro detendrá la carga
en forma adecuada.
❑ En caso contrario, debe seleccionarse un diámetro
de cilindro mayor.

Tabla de tasa de amortiguamiento de cilindros neumáticos
❑ Si se emplea un
circuito simple, sin
salida regulada, use los
valores de la columna
A, para ausencia de
contrapresiones.
❑ Si se emplea un
regulador en la salida,
utilice los valores de la
columna B para salida
regulada.

Tabla de tasa de amortiguamiento de cilindros neumáticos

Actuadores rotatorios
❑ Proporcionan un desplazamiento finito
(alternado en uno y otro sentido) que se debe
recorrer en un tiempo específico.

❑ El dimensionamiento y la selección de un
actuador depende de tres variables de diseño:
El par de torsión necesario para girar la carga
El desplazamiento angular que debe de tener la
carga
El tiempo necesario para completar el
desplazamiento de la carga

❑ El par de torsión que transmite el eje depende
de la diferencia de presiones entre los puertos
del actuador, la superficie expuesta a las
fuerzas de presión del fluido y la ventaja
mecánica del mecanismo que impulsa al eje.
❑ El par de torsión se regula ajustando la
presión y la regulación de caudal permite
establecer la velocidad de giro.

Actuador rotatorio de piñón y
doble cremallera

Actuador rotatorio de
piñón-cremallera

Actuador rotatorio de yugo
escocés

Determinación del par de torsión
requerido
❑ Los actuadores rotatorios hacen trabajo para vencer tres tipos posibles de
oposición, o una combinación de ellas.
Carga resistente
Carga estática
Carga inercial

❑ El actuador debe de vencer la oposición del peso o de la fuerza de fricción.

Actuadores
rotatorios
neumáticos

Motores neumáticos
❑ La energía potencial del aire comprimido es convertida en energía mecánica
gracias a la diferencia de presiones entre el aire comprimido en la entrada y el aire
a menor presión en la salida.
❑ Se caracterizan por:
Gran rango de velocidades de rotación
Dimensiones pequeñas y reducido peso
Gran fiabilidad, seguros contra sobrecargas
Ausencia de peligro de explosión
Reducido mantenimiento
Sentido de rotación fácilmente reversible

Motores neumáticos
❑ Las aplicaciones de los motores neumáticos son muy amplias:
Construcción de maquinaria
Industria minera o de transporte
Industria siderúrgica
Centrales de energía
Construcción naval
Industria médica

Motores de paletas
❑ Consisten en una serie de paletas montadas en un eje excéntrico de una cámara
fija.
❑ Las paletas se deslizan en ranuras radiales hechas en el rotor y mediante resortes
contactan con la parte interior de la cámara fija.

Motores de paletas
❑ Desarrollan un par de torsión sobre su eje , cuya magnitud depende del
desbalance de presión que actúa sobre la superficie de las paletas.
❑ La excentricidad genera un volumen creciente en la parte izquierda de la cámara y
un volumen decreciente en la parte derecha

Motores de paletas
❑ Son los motores neumáticas más utilizados.
❑ Pueden desarrollar potencias desde 20W hasta 20kW.
❑ Velocidades en vacío muy elevadas (desde 3000 hasta 80000 rpm).
❑ Normalmente incluyen un reductor de engranajes.

Motores de pistones
❑ Se utilizan cuando se requieren potencias altas, alto par de arranque y una
velocidad controlada a bajas velocidades. Disponen de varios cilindros que se
colocan de forma axial o radial.
❑ Una característica importante es el bajo nivel de vibración que presentan.
❑ La potencia que desarrollan depende de la presión de entrada, del número de
pistones, de su área, de la carrera y de la velocidad. Una limitación importante es
que deben estar lubricados internamente, de modo que requieren un buen
mantenimiento.

Motores de pistón axial
❑ Están lubricados con grasa, son compactos, su diseño es más complejo y son caros.
Su funcionamiento es mas suave y entregan mas potencia a bajas velocidades.
❑ Comparados con los motores eléctricos, son mas pequeños y ligeros y soportan
temperaturas mas elevadas. Su potencia máxima es de 2.6kW

Motores de pistón radial
❑ Son robustos, están lubricados con aceite y presentan buen funcionamiento con
servicio continuo, y en particular al arranque con grandes cargas, alcanzando
potencias de alrededor de 26kW a velocidades de hasta 4500rpm.

Motores de engranajes
❑ El aire ejerce una presión sobre los flancos de los dientes de piñones engranados y
crea un par de rotación, estando uno de los piñones acoplado al eje del motor.
❑ El sentido de rotación es reversible y su potencia puede variar desde los 50W
hasta los 50kW.

Turbomotores
❑ Tienen eficiencias entre 65 y 75% (la más alta para motores neumáticos).

Turbomotores
❑ Se emplean en aplicaciones que requieren una velocidad muy alta (hasta de
120000 rpm) y un par de arranque muy pequeño..
❑ Desarrollan desde 75W hasta 2.5kW.

Turbomotores
❑ El rendimiento de estos dispositivos oscila entre el 65 y el 75% y es mayor que el
de los restantes motores neumáticos.
❑ Los motores de turbina son relativamente compactos y ligeros para la potencia
que proporcionan. Las relaciones de engranes van de 9:1 a 20:1, proporcionan un
alto par de arranque y son versátiles y adecuados para un gran número de
aplicaciones.
❑ La potencia de estos motores se cambia con facilidad variando el flujo de aire que
pasa por las toberas del motor.

Selección de un motor neumático
❑ Se precisan los siguientes datos:
Velocidad en rpm necesaria
Par de trabajo
Potencia requerida
❑ Se consultan las curvas de rendimiento de cada motor y se selecciona aquel cuya
potencia de salida máxima esté próxima al punto de trabajo.

❑ El motor neumático es una de las unidades más robustas y versátiles de que
dispone el ingeniero de diseño.
❑ Es fácil de controlar en una amplia gama de velocidades y produce el máximo par
cuando normalmente más se necesita, en el arranque.

❑ El rendimiento de un motor neumático
depende de la presión de aire en la entrada. A
una presión de entrada constante, los
motores neumáticos sin regulador de
velocidad muestran una relación lineal
característica de par/velocidad.

❑ Sin embargo, regulando sencillamente el
suministro de aire mediante las técnicas de
estrangulación o regulación de la presión, se
puede modificar fácilmente la potencia de un
motor neumático.

❑ Hay que tener en cuenta que todos los motores neumáticos
de aletas producen un par de arranque variable, debido a la
posición de las aletas en el motor cuando éste arranca. Esta
variación es diferente para cada tipo de motor y se debe
comprobar caso por caso.
❑ La potencia que produce un motor neumático es el producto
del par y la velocidad. Todos los motores neumáticos sin
regulador de velocidad producen la misma curva de potencia
característica, teniendo lugar la potencia máxima en torno al
50% de la velocidad en vacío. El par producido en este punto
se suele denominar “par a máxima potencia.”

Curvas de rendimiento
❑ La figura ilustra las curvas de rendimiento de
un motor neumático sin regulador de
velocidad funcionando a una presión de aire
constante.

El uso de engranajes
❑ Los motores neumáticos funcionan a una elevada velocidad y,
aunque se pueden controlar en una amplia gama de
velocidades, las características de potencia no son siempre
adecuadas para la aplicación. Para obtener la potencia
requerida, se puede seleccionar un engranaje apropiado. La
figura ilustra la posibilidad de cambiar la potencia utilizando
un engranaje.

❑ El primer paso es determinar el punto de trabajo. Se
trata del punto definido por la velocidad de
funcionamiento deseada para el motor y el par
requerido a esa velocidad.
❑ Debido a la amplia gama de trabajo de un motor
neumático, es probable que diversos motores pueda
operar con el mismo punto de trabajo.
❑ Se deberá seleccionar aquel que produzca la máxima
potencia lo más cerca del punto de trabajo.

❑ Una vez calculado el punto de trabajo (potencia necesaria) se usa la
siguiente tabla como guía para seleccionar el tamaño del motor.
Una vez identificado el tamaño de motor, basta con mirar las curvas de
rendimiento para cada variante de motor y seleccionar la que tenga la máxima
capacidad más próxima al punto de trabajo.

Factores de corrección
❑ La presión nominal de trabajo para las gráficas anteriores es de 6.3 bar (91 psi).
❑ Para calcular el rendimiento a presiones de suministro distintas de 6.3 bar,
multiplique los datos a 6.3 bar por los factores de corrección indicados en la tabla.

Instalación de un motor
neumático
❑ Para asegurar un servicio fiable, se deberá instalar
un filtro y un lubricador en la línea de presión
(dentro de una distancia de 5 metros del motor).
❑ Se recomienda también incorporar un regulador
de presión en el conjunto de preparación del aire
para mantener la presión de operación deseada y
se puede usar para modificar la potencia del
motor.

neumático
❑ Cuando seleccione un conjunto de
preparación del aire, asegúrese de que todos
los componentes tengan una capacidad de
caudal suficiente para satisfacer los requisitos
del motor.

neumático
❑ Para conseguir una vida de servicio y
rendimiento óptimos, los motores lubricados
deben recibir una dosis de 50mm3 de aceite
por cada metro cúbico de aire consumido
(1gota = 15mm3)
❑ Una lubricación insuficiente producirá un
desgaste acelerado de las aletas y una
disminución en el rendimiento.

neumático
❑ Las válvulas de control direccional se usan para arrancar o
parar un motor o para cambiar su sentido de rotación.
❑ Es habitual usar válvulas 5/3 para controlar un motor
reversible y válvulas 3/2 para controlar un motor no
reversible.

Neumática e hidrúlica (unidad 2). Fluidsim

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