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Gli elementi pneumatici di lavoro (attuatori) sono gli organi finali di un sistema che compiono un lavoro meccanico svolgendo molteplici funzioni. Gli attuatori che compiono spostamenti o rotazioni con movimenti alternativi vengono chiamati cilindri.
Caratteristiche dei cilindri pneumatici
cilindri pneumatici, se dimensionati correttamente, sono apparecchi insensibili a sovraccarichi, sviluppano velocità elevate, possono effettuare rapide inversioni di direzione, non influenzano in alcuna maniera l’ambiente in cui lavorano, forza sviluppata e velocità possono essere facilmente controllate ed hanno requisiti di manutenzione decisamente semplici.
Sono costituiti da una camicia generalmente cilindrica all’interno della quale scorre un pistone ancorato ad uno stelo con guarnizioni di tenuta.
Sui due lati della camicia vengono posti due coperchi di chiusura, uno dei quali con un foro centrale per permettere la fuoriuscita dello stelo.
I coperchi, definite testate, sono ancorati meccanicamente alla camicia.
Cilindri pneumatici lineari
Sono definiti lineari quei cilindri che eseguono un movimento rettilineo con il proprio stelo dalla posizione di stelo retratto (-) alla posizione di stelo esteso (+) e viceversa.
Compiono un lavoro meccanico esercitando una forza adeguata nel punto di applicazione.
La forza sviluppata da un cilindro pneumatico è data da:
Forza = Pressione x area del pistone
La forza sviluppata non è la stessa nelle due direzioni perché nella direzione di rientro (-), dobbiamo detrarre all’area nominale del pistone quella fisicamente occupata dallo stelo.
La forza ricavata moltiplicando area e pressione è una forza teorica in quanto a questo valore, bisogna detrarre ciò che serve per vincere gli attriti e movimentare il peso costituito da stelo e pistone.
Gli attriti sono causati dallo strisciamento delle guarnizioni di tenuta del pistone e dello stelo. Bisogna però distinguere tra attrito di primo distacco, più noto con la definizione di aderenza, ed attrito dinamico o di scorrimento.
Quando il pistone staziona per un certo periodo in una delle due posizioni, le guarnizioni di tenuta compresse contro le pareti della camicia e sulla superficie dello stelo, tendono ad espellere il lubrificante interposto tra esse e la superficie di scorrimento lungo la generatrice di tenuta.
Tali condizioni sono influenzate dalle proprietà elastiche dei materiali ( durezza ed elasticità ) e dallo stato delle superfici (rugosità). Vengono meno così le condizioni di lubrificazione ed allo spunto debbono superare una superficie con assenza di lubrificazione o quasi. Immediatamente dopo, si ritrovano le condizioni di normale idrodinamicità ed il valore dell’attrito diminuisce drasticamente.
In generale il suo valore diminuisce con l’aumentare della velocità. Inoltre, allo spunto, le guarnizioni subiscono deformazioni elastiche che provocano resistenza rispetto al moto causando anch’esse perdite di efficienza.
Tutto questo deve essere tenuto in considerazione quando si sceglie un cilindro, valutando che circa il 15% della forza teorica si perde per i motivi citati.
Dal punto di vista dell’applicazione e dell’utilizzo dei cilindri lineari dobbiamo distinguere tra due macrotipologie di cilindri:
– a semplice effetto
– a doppio effetto
Sostanzialmente i cilindri sono costituiti da due testate, una camicia, uno stelo solidale ad un pistone, una bronzina di guida dello stelo e dalle guarnizioni di tenuta del pistone e dello stelo che è anche provvista di un anello raschiapolvere.
Cilindri pneumatici a semplice effetto
Un cilindro a semplice effetto sviluppa la spinta in una sola direzione. Lo stelo si riposiziona nella condizione di riposo per mezzo dell’azione di una molla o per l’azione di una forza esterna.
Si distinguono in cilindri a semplice effetto in spinta o in trazione. Sono utilizzati per applicazioni quali serraggi, espulsioni pressature etc. quindi senza carichi ancorati al filetto dello stelo. La molla infatti è dimensionata solo per riposizionare l’equipaggio stelo/pistone.
Cilindri a doppio effetto
uesto tipo di attuatore sviluppa una forza sia in spinta che in trazione inviando pressione alternativamente ai due lati del pistone. La forza in spinta e quella in trazione sono di diverso valore come già detto.
Le applicazioni sono di diverso tipo ed, in questo caso, il carico può essere vincolato allo stelo. Dimensionando l’apparecchio in maniera corretta è possibile movimentare il carico applicato controllando facilmente la velocità.
Nei cilindri, in generale, il compito di fermare il carico viene affidato alle testate, che rappresentano il riscontro meccanico di fine corsa.
Ammortizzo a cuscino d'aria
I cilindri pneumatici sono in grado di sviluppare velocità elevate e le forze d’urto al termine della corsa possono essere di notevole entità.
Come accennato, l’urto di fine corsa è smorzato mediante l’uso di un cuscino d’aria che riduce la velocità del pistone in prossimità della fine della corsa.
Il disegno rappresenta il pistone mentre percorre la corsa di rientro e si può notare che l’aria in scarico fluisce liberamente dalla camera posteriore del cilindro, verso l’uscita, tramite l’attacco filettato della testata posteriore.
Quando l’ogiva montata sul pistone si impegna con una guarnizione torica posta sulla testata, viene impedito lo scarico libero dell’aria che viene catturata nella camera di ammortizzo.
L’aria, in questa camera viene compressa dal moto del pistone in quanto non più libera di fluire liberamente verso lo scarico.
È costretta infatti in direzione di una valvola regolatrice di flusso prima di ritrovare la via naturale di scarico e la pressione che si crea agisce sul pistone creando una forza che si contrappone al moto. La velocità diminuisce e l’impatto violento sulla testata del pistone viene notevolmente ridotto.
La regolazione dell’ammortizzo si ottiene agendo manualmente sulla valvola regolatrice di flusso la quale, a seconda della regolazione, rende più o meno efficace l’ammortizzo.
La guarnizione toroidale dell’ammortizzo garantisce tenuta all’aria quando nel proprio alloggiamento viene spinta dall’ogiva nella direzione del moto.
Quando il cilindro deve invertire il moto e la camera messa precedentemente in scarico viene pressurizzata, la guarnizione dell’ammortizzo, che non effettua tenuta nella direzione opposta, viene scavalcata dall’aria compressa che investe l’intera area del pistone garantendo una pronta partenza.
Cilindri pneumatici con anello magnetico
Per potere rilevare la posizione del pistone di un cilindro si possono utilizzare diversi metodi, uno dei quali è quello di captare un flusso magnetico adeguato, all’esterno della camicia, emesso da un anello magnetico montato sul pistone del cilindro.
Un sensore esterno è in grado di sentire il flusso emesso e di fornire un segnale elettrico che assicura la presenza in quel punto del pistone.
I materiali utilizzabili per la costruzione della camicia debbono essere necessariamente materiali non magnetici quali alluminio, ottone, acciaio inossidabile e così via. Il materiale più comunemente usato è l’alluminio.
Cilindri pneumatici con stelo o asta passante
I cilindri lineari sono apparecchi non adatti per lavorare con carichi disassati o carichi laterali applicati allo stelo. Se il carico agisce lateralmente sullo stelo e questo non può essere evitato, ci sarà una rapida usura della unica bronzina di guida dello stelo perché i bordi delle due estremità di questa vengono sollecitati dal carico laterale applicato.
Utilizzando un cilindro con stelo passante distribuiamo sulle due bronzine di guida la sollecitazione laterale come mostrato in figura.
Cilindri pneumatici tandem
Tandem definisce un assieme costituito da due cilindri aventi uno stelo comune e posti in serie tra loro per ottenere una spinta doppia rispetto ad un cilindro di pari diametro.
Ovviamente gli ingombri in lunghezza sono doppi a parità di corsa.
Cilindri pneumatici senza stelo
l cilindro senza stelo è un apparecchio che merita particolare attenzione quando applicato, perché al contrario dei cilindri tradizionali in cui il carico è posizionato in asse con lo stelo, nel cilindro senza stelo il peso viene ancorato su di un carrello che scorre sulla parte superiore dello stesso e, tra asse del cilindro e baricentro del carico, vi è sempre un braccio più o meno accentuato a seconda della forma dell’oggetto da movimentare.
La forza del pistone viene trasmessa ad un carrello esterno da un braccio meccanico che fuoriesce da una feritoia ricavata sulla camicia lungo l’intera corsa e solidamente connesso con il pistone stesso.
La tenuta è garantita da una bandella metallica interna fissata alle estremità del corpo che copre completamente la fenditura. Le guarnizioni del pistone, la pressione interna ed una striscia magnetica opportunamente posizionata fanno aderire la lamina metallica alla superficie interna del tubo garantendo una sufficiente tenuta verso l’esterno e tra le due camere del cilindro.
Una ulteriore bandella metallica posizionata all’esterno, in coincidenza della feritoia, impedisce allo sporco di depositarsi nelle zone di scorrimento. La tenuta, in questo tipo di cilindro, non è mai perfetta. Particolari sistemi di guida ricavati sul carrello e sul pistone, divaricano le due lamine per permettere la connessione meccanica tra pistone e cursore. Al contrario dei cilindri con stelo le forze espresse dal cilindro nelle due direzioni sono identiche. Non esiste infatti alcuna differenza di sezione sui due lati del pistone visto che lo stelo non esiste. La funzione di ammortizzo a cuscino d’aria regolabile è esattamente identica a quella realizzata sui cilindri con stelo.
Nella progettazione di sistemi con cilindri senza stelo si deve porre particolare attenzione alle energie cinetiche generate perchè si possono raggiungere notevoli velocità di traslazione (2-3 m/sec) e corse decisamente lunghe (anche 6 metri).
Inoltre il carico può essere posizionato con il proprio baricentro al di fuori del centro di gravità del carrello generando momenti flettenti.
È utile ricordare che i momenti sono il prodotto di una forza espressa in N (Newton) per un braccio misurato i m (metri). L’unità di misura di un momento è quindi il Nm (Newton x metro).
Una volta individuato il cilindro con la spinta sufficiente, bisogna valutare la posizione del carico sul cursore ed individuare i momenti che possono entrare in gioco. La tabella che segue indica carichi e momenti massimi ammissibili in condizioni statiche.
| Diametro | Carico Max kN | Monento Max M Nm | Monento Max Ms Nm | Monento Max Mv Nm |
| 25 | 300 | 20 | 1 | 4 |
| 32 | 450 | 35 | 3 | 6 |
| 40 | 750 | 70 | 5 | 9 |
| 50 | 1200 | 120 | 8 | 15 |
| 63 | 1600 | 150 | 9 | 25 |
l carico dinamico tollerabile è funzione della velocità ed è dato da:
Kd = K x Cv
Dove Kd è il carico dinamico e Cv è il coefficiente di velocità. Se in condizioni statiche un cilindro ammette 750 N, con velocità operativa di 0,5 m/sec il carico deve essere ridotto a 750 x 0.4 = 375 N.
Elementi da consierare per il dimensionamento di un cilindro pneumatico
La forza che sviluppa un cilindro è calcolata considerando l’area del pistone e della pressione che la investe.
F(daN)= area (cm2 ) x pressione (bar)
Per un cilindro a doppio effetto questo è valido sia per la corsa in uscita che per la corsa in entrata. La forza sviluppata in spinta in un cilindro a doppio effetto con stelo singolo non è la stessa nelle due direzioni. Nella corsa di rientro (trazione) la superficie del pistone investita dalla pressione è minore di quella in spinta per la presenza su quel lato dello stelo, la cui area deve essere detratta da quella nominale del pistone.
La tabella riportata nella pagina precedente indica le forze teoriche sviluppate dai cilindri alle varie pressioni nelle due direzioni, indicando anche il diametro dello stelo.
Alle forze teoriche calcolate bisogna sempre detrarre il 10-15% del valore totale per le perdite di carico dovute agli attriti delle guarnizioni.
In prima battuta bisogna conoscere il peso del carico applicato e scegliere quel cilindro che sviluppi la forza sufficiente nelle direzione desiderata per muoverlo, ponendo attenzione al rapporto di carico che non deve superare il 70%.
Per rapporto di carico si intende che il peso da movimentare sia come valore il 70% max. rispetto la forza sviluppata dal cilindro incluse le perdite.
La forza disponibile in eccesso servirà ad accelerare il carico.
(Forza richiesta / Forza disponibile) x 100