Calcul de la force de poussée et de traction du vérin hydraulique : un guide de dimensionnement OEM

I. Pourquoi les forces de poussée et de traction ne sont pas les mêmes

Lorsqu'un ingénieur OEM demande unvérin hydrauliquequi peut « pousser 10 tonnes » ou « tirer 10 tonnes », la première question est de savoir si cette force est requise du côté du passage intégral ou du côté de la tige. Un vérin hydraulique différentiel présente une zone de piston complète d'un côté et une zone annulaire de l'autre. La tige occupe une partie de la zone côté tige, de sorte que la force de traction disponible est inférieure à la même pression.

Il est facile de ne pas remarquer cette différence lorsqu'un cylindre de remplacement est sélectionné en fonction de son diamètre extérieur ou d'un ancien numéro de pièce. C'est également la raison pour laquelle un cylindre qui semble avoir une capacité nominale suffisante peut ne pas fournir la force requise dans la direction réelle du mouvement.

Ce guide explique la logique de calcul utilisée pour une première révision OEM. Cela ne remplace pas une conception complète de la machine, un contrôle structurel, un examen du circuit hydraulique ou une évaluation de la sécurité.

II. Les trois entrées qui démarrent le calcul

2.1 Diamètre d'alésage

L'alésage, ou diamètre du piston, détermine la surface totale du piston exposée à la pression. Un alésage plus grand peut produire plus de force théorique à la même pression, mais il modifie également le volume d'huile, le débit requis pour une vitesse donnée, l'enveloppe du cylindre et les exigences de montage.

2.2 Diamètre de la tige

Le diamètre de la tige affecte la force de traction car la tige occupe une zone côté tige. Cela affecte également la connexion de la tige, la charge du guide, le jeu disponible et la façon dont le cylindre gère la compression ou la tension. Une tige ne peut pas être sélectionnée uniquement à partir de la force de traction ; la course, le montage, le guidage et le trajet de charge réel comptent également.

2.3 Pression hydraulique effective

Utilisez la pression réellement disponible au niveau du cylindre pendant le mouvement requis, et pas seulement le réglage de décharge maximale de la pompe. Les pertes de pression au niveau des vannes, tuyaux, raccords et autres composants peuvent réduire la pression délivrée au cylindre. La séquence de fonctionnement de la machine doit déterminer la pression de conception utilisée pour le premier calcul.

III. Les formules de base push et tirer

Pour un calcul de premier passage utilisant des unités cohérentes :

Force de poussée :

Force de traction :

Où:

• F--est la force théorique du cylindre.
• P--est la pression effective au niveau du cylindre.
• A_piston--est la zone complète du piston.
• A_tige--est la section transversale de la tige.

Pour une section circulaire :

Si la pression est saisie en psi et le diamètre en pouces, le résultat est en livres-force. Si la pression est saisie en pascals et le diamètre en mètres, le résultat est en newtons. Gardez le système d’unités cohérent du début à la fin.

Ces équations décrivent la force hydraulique théorique. Ils n'incluent pas automatiquement le frottement du joint, le frottement du guidage, les pertes mécaniques, la chute de pression, l'angle de charge, l'accélération, la déflexion structurelle ou un facteur de sécurité.

IV. Exemple concret sans revendication de produit

Supposons qu'un ingénieur vérifie un cylindre avec :

• Alésage de 3 pouces
• tige de 1,5 pouces
• Pression effective de 2 000 psi

La zone complète du pistonest:

La surface de la tige est :

Les valeurs théoriques du premier passage sont donc :

La différence n'est pas un défaut de fabrication. Il provient de la zone de déplacement de la tige côté tige. L'exemple concerne uniquement la formation au calcul ; il ne s'agit pas d'une évaluation pour un produit ou une machine HCIC spécifique.

V. Pourquoi le premier calcul n'est pas la sélection finale

5.1 L'avantage mécanique modifie la force requise du vérin

La charge n’agit pas toujours directement le long de l’axe du cylindre. Un agencement de levier, de liaison, de charnière ou de ciseaux peut augmenter ou réduire la force requise à différentes positions. L’ingénieur doit calculer le point le plus défavorable du mouvement, et pas seulement la position de départ.

L'angle entre le cylindre et l'élément entraîné compte également. Un cylindre peut avoir une force théorique élevée mais une faible composante de force à un angle particulier. Un dessin montrant le chemin et les positions de la charge est plus utile qu'un simple numéro de charge.

5.2 La force statique est différente de la force de démarrage et de déplacement

Libérer une charge, l’accélérer et la déplacer à vitesse constante sont des conditions différentes. Le frottement du joint, la résistance du guidage, l'inertie et la résistance du matériau peuvent rendre la force initiale supérieure à la force requise pendant une partie lisse de la course.

Pour les équipements tels que les éjecteurs, les compacteurs, les grappins et les mécanismes de levage, l'acheteur doit décrire le moment où la force la plus élevée se produit et si la charge peut se coincer ou changer pendant la course.

5.3 La pression n'est pas la même chose que la force au niveau de la charge

La pression relevée près de la pompe peut ne pas correspondre à la pression au niveau de l'orifice du cylindre. La longueur du tuyau, les raccords, les valves directionnelles, les contrôles de débit et la contre-pression influencent tous la pression disponible. Un calcul fiable doit identifier où la pression est mesurée et dans quelles conditions de fonctionnement.

5.4 La compression et la tension de la tige nécessitent des contrôles différents

Une tige chargée en compression peut nécessiter un examen de la stabilité de la tige, en particulier dans le cas d'un agencement à course longue ou mal guidé. Une tige chargée en tension peut être contrôlée par différentes limites de connexion et de matériau. Cet article ne remplace pas un calcul de flambement ou une vérification structurelle ; il sépare le calcul force-surface de ces contrôles supplémentaires.

VI. La force, la vitesse et le volume d'huile sont liés

Un alésage plus grand peut augmenter la force, mais il augmente également le volume d'huile nécessaire pour déplacer le piston sur une course donnée. Pour une vitesse cible, le débit requis est lié à la surface effective de la chambre et à la vitesse du piston. Le côté tige a un volume par unité de longueur différent du côté plein passage.

Cela crée un compromis de conception :

• Une plus grande surface d'alésage peut fournir plus de force théorique.
• Plus de surface nécessite plus de débit pour la même vitesse linéaire.
• Une tige plus grande réduit la zone côté traction mais peut améliorer la résistance de la tige à la charge d'application.
• Une course plus longue augmente le volume d'huile, la longueur d'installation et l'importance du guidage.

Un cylindre doit donc être dimensionné avec la pompe, la vanne, le réservoir, le tuyau, le montage et le cycle de la machine comme un seul système.

VII. Un flux de travail pratique de sélection OEM

1. Définissez la direction de la charge : Indiquez si le cylindre doit pousser, tirer ou produire les deux forces.
2. Cartographiez le chemin de chargement :Dessinez les positions des pivots, de la tringlerie, de la charnière, du guide et de la charge.
3. Identifiez la pire position :Calculez la force requise là où la géométrie est la moins favorable.
4. Réglez la pression effective : Utiliser la pression disponible au niveau du cylindre pendant le cycle machine concerné.
5. Sélectionnez un alésage préliminaire :Utilisez toute la surface du piston pour les calculs de poussée et vérifiez la marge de force requise.
6. Sélectionnez la tige :Vérifiez la force de traction, la compression ou la tension, la course, le montage et le guidage.
7. Vérifiez la vitesse et le débit :Confirmez que le HPU et les vannes peuvent fournir le taux de mouvement requis.
8. Vérifiez l'enveloppe :Comparez la longueur rétractée, la longueur étendue, les ports, les broches, les supports et le dégagement de service.
9. Examiner la sécurité et la structure :Vérifiez les supports, les constructions soudées, les guides, les butées et les protections sous la charge réelle.
10. Confirmer auprès du fabricant du cylindre :Envoyez les données de la demande avant l’approbation finale de la production.

VIII. Quoi envoyer pour un devis de vérin hydraulique

Une demande OEM utile devrait inclure :

• Force de poussée et force de traction requises
• Direction de la charge et durée de la charge
• Pression de service au cylindre
• Vitesse et temps de cycle requis
• Préférence d'alésage, de tige et de course, si déjà définie
• Dimensions de montage déployé et rétracté
• Style de montage, broches, chapes ou œillets
• Angle de charge et dessin de liaison
• Température de fonctionnement et environnement
• Informations sur le fluide hydraulique et les vannes
• Quantité, modèle de remplacement ou référence du dessin

Plus le chemin de charge est complet, plus il est facile de distinguer un problème de dimensionnement du vérin d’un problème de structure, de liaison ou de circuit hydraulique.

IX. Conclusion

Vérin hydrauliqueLe calcul des forces de poussée et de traction commence par trois entrées de base : le diamètre de l'alésage, le diamètre de la tige et la pression effective. La surface totale du piston détermine la force de poussée du premier passage, tandis que la tige réduit la surface effective et donc la force de traction.

Ce calcul n’est que le début. L'angle de liaison, la résistance au démarrage, la vitesse, la perte de pression, la charge sur la tige, le montage, le guidage et la structure de la machine déterminent si un vérin est adapté à l'application réelle. Les acheteurs OEM qui fournissent le chemin de charge complet et les données hydrauliques peuvent recevoir un devis plus utile que les acheteurs qui soumettent uniquement un numéro de force.

X. À propos du HCIC

HCIC développe et fabrique des vérins hydrauliques, des groupes hydrauliques et des composants associés pour les véhicules, le traitement des déchets, les équipements de construction et industriels. L'adéquation technique doit être examinée par rapport à la conception réelle de la machine et aux exigences de sécurité applicables.