Elija un diámetro ISO 15552 o ISO 6432 y ajuste la presión de alimentación, la carrera y los ciclos por minuto. Obtendrá la fuerza real de salida y de entrada, la relación de carga, el consumo de aire libre por ciclo y por minuto, el caudal punta para elegir la válvula, la energía de amortiguación y el límite de pandeo del vástago.
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TorqueMath.com · Calculadora de cilindro neumático
Diámetro · minicilindros ISO 6432 (8–25) e ISO 15552 (32–320)
pistón mm
mm
ISO 15552 rod for Ø63 is 20 mm.
bar(g)
mm
1/min
–
η recoge el rozamiento de las juntas: unos 0.9 para cilindros ISO 15552 a 6 bar, 0.8–0.85 para diámetros pequeños, presión baja o juntas desgastadas.
Funcionamiento
N
N
De los datos del fabricante. Prellenado con el 5 % y el 10 % de la fuerza teórica; el valor extendido se resta de la fuerza de empuje.
Orientación (carga en el vástago)
kg
N
Límite de la relación de carga (regla de los fabricantes)
m/s
Se usa para el tiempo de carrera, el caudal punta (tamaño de la válvula) y la energía de amortiguación. Para la amortiguación cuenta la velocidad de impacto, normalmente mayor que la velocidad media: introduzca el valor más alto para comprobar el final de carrera. Déjelo vacío para omitirlo.
m
mm
El tubo entre la válvula y el cilindro se llena y se vacía en cada carrera. Tamaños habituales: 6 mm exterior → 4 mm interior, 8 → 6, 10 → 7 u 8, 12 → 9.
mm
J
Tome ambos del catálogo del cilindro (influyen el tipo de amortiguación, el diámetro y la velocidad). Deje la energía vacía si aún no la tiene.
Montaje (para el pandeo del vástago)
Salida: el aire entra por el lado del fondo
Método e hipótesisMétodo: Fuerza teórica p·A (presión relativa) con rendimiento η y muelle en simple efecto; relación de carga respecto a la fuerza teórica; consumo de aire libre a partir del volumen barrido ×(p+patm)/patm más el volumen muerto del tubo ×p/patm; caudal punta A·v·(p+patm)/patm; amortiguación ½mv² (+mg·Lc al bajar); pandeo del vástago Euler / Johnson, coeficiente 3,5Base: patm 1,013 bar abs., 20 °C, isotérmico (convención L(ANR) de SMC; la ANR de ISO 8778:2003 es 100 kPa → ×1,013); η por defecto 0,9; relación de carga 0,5 dinámica / 0,7 lenta como regla de los fabricantes; diámetros y vástagos ISO 15552 e ISO 6432; L_k = K·(carrera + 1,5·D), E 210 GPa, Re 400 MPaLímites: Sin simulación de la subida de presión: la velocidad real depende de la válvula, los tubos, la carga y la contrapresión; no incluye el volumen muerto interno del cilindro ni de la válvula; la regla de la válvula qnN ≥ 1,5× caudal punta es práctica, sin modelo de conductancia ISO 6358; la amortiguación no considera la presión motriz durante la carrera de amortiguación; el pandeo solo comprueba el vástagoNormas y fuentes: ISO 15552 · ISO 6432 · ISO 8778Fórmulas · Cómo se comprobó esta calculadora · TorqueMath v2.8
Cómo se calcula
D es el diámetro del pistón, d el del vástago, s la carrera y p la presión de alimentación como presión relativa (sobre la atmosférica), patm = 1,013 bar absolutos. La fuerza procede de la diferencia de presión a ambos lados del pistón, así que usa la presión relativa. El consumo de aire es una cantidad de aire, así que usa la presión absoluta. Nunca se mezclan.
Áreas A₁ = π·D²/4 (lado del fondo), A₂ = π·(D² − d²)/4 (lado del vástago)
Fuerza teórica F_th = p·A₁ (salida), p·A₂ (entrada) N = bar · 0,1 · mm²
Fuerza efectiva F = η·F_th − F_muelle,extendido (simple efecto) η ≈ 0,9
Fuerza necesaria F_nec,sal = F_carga + m·g (elevando) o F_carga − m·g (bajando, mínimo 0)
F_nec,ent = m·g si al entrar se eleva la carga (vástago abajo), si no 0
Relación de carga LR = F_nec / (F_th − F_muelle), ≤ 0,5 rápido/dinámico, ≤ 0,7 lento/estático
Aire por carrera V_libre = A·s·(p + p_atm)/p_atm + V_tubo·p/p_atm V_tubo = π·d_t²/4 · L_t
Aire por minuto Q = (V_sal + V_ent)·n simple efecto: solo V_sal
Caudal punta q = A·v·(p + p_atm)/p_atm (estimación superior durante el movimiento)
Tiempo de carrera t = s / v
Amortiguación E = ½·m·v² (+ m·g·L_c cuando el vástago baja)
Pandeo vástago Euler F_k = π²·E·I/L_k², I = π·d⁴/64, E = 210 GPa, L_k = K·(s + 1,5·D)
por debajo de λ_T = π·√(2E/R_e) (λ = 4·L_k/d, R_e = 400 MPa): Johnson σ_k = R_e − (R_e·λ/2π)²/E
empuje admisible = F_k / 3,5
Método e hipótesis
Volumen barrido frente a volumen del tubo. La cámara de trabajo empieza a presión atmosférica (acaba de descargar) y termina a la presión de alimentación completa. El volumen barrido A·s se llena desde vacío, así que necesita (p + patm)/patm veces su volumen en aire libre. El tubo ya contiene aire a presión atmosférica, así que solo necesita p/patm veces su volumen. Muchas calculadoras sencillas usan la relación absoluta para ambos y sobrestiman el aire del tubo en un 17 % a 6 bar.
Referencia de aire libre. Los volúmenes son aire libre a 1,013 bar absolutos y 20 °C (convención «L (ANR)» de SMC), expresados en Nl (los catálogos suelen escribir Nl o l (ANR)). Los litros normales en sentido estricto de DIN 1343 (0 °C, 1,01325 bar) son un 6,8 % menos: multiplique por 0,932. ISO 8778:2003 define la atmósfera de referencia normalizada (ANR) como 100 kPa, 20 °C y 65 % de humedad relativa. Respecto a esa referencia, multiplique nuestras cifras por 1,013. scf y scfm son la misma magnitud en pies cúbicos (1 ft³ = 28,317 l). El llenado se considera isotérmico y cada carrera alcanza la presión de alimentación completa.
La relación de carga es la fuerza necesaria dividida por la fuerza teórica, como en las guías de selección de Festo, SMC y Parker. Los límites 0,5 y 0,7 son una regla práctica, no una norma. La fuerza sobrante acelera la carga y vence la contrapresión de la cámara que descarga.
El caudal punta supone que la cámara motriz está a la presión de alimentación completa durante el movimiento, así que es una estimación superior. La velocidad real depende de la válvula, los tubos, los racores, los reguladores de caudal, la carga y la contrapresión de escape. Las válvulas se especifican por su caudal nominal normal qnN con 6 bar de entrada y 1 bar de caída de presión (6 → 5 bar). Elegir qnN de al menos 1,5 × el caudal punta es nuestra regla de partida, no una norma. Confirme la elección con el software de cálculo del fabricante; el modelo completo de conductancia sónica de ISO 6358 queda fuera del alcance de esta herramienta.
Los diámetros de pistón y vástago siguen ISO 15552 (Ø32–320) e ISO 6432 (Ø8–25). El vástago se puede modificar para cilindros no normalizados.
Limitaciones
El modelo es estático y cuasiestático. No simula cómo sube la presión, así que no puede predecir la velocidad real del pistón ni el tiempo de carrera. Use la velocidad objetivo como valor de diseño y compruébela con el software del fabricante.
No se incluye el volumen muerto interno del cilindro (tapas, cámaras de amortiguación, conexiones) ni el de la válvula. Si lo conoce, añádalo como longitud de tubo adicional. El consumo real es unos puntos porcentuales mayor.
El rozamiento es un único factor de rendimiento. No se modelan el rozamiento de arranque, el stick-slip a muy baja velocidad ni el desgaste de las juntas.
La energía de amortiguación solo incluye la masa en movimiento y la gravedad. El resultado depende de la presión motriz que actúa durante la carrera de amortiguación y de la energía admisible del fabricante.
La comprobación de pandeo solo considera el vástago, con la longitud de pandeo K·(carrera + 1,5·D). Con montaje por horquilla en ambos extremos, todo el cilindro extendido actúa como columna, que puede ser aproximadamente el doble de larga. No considera cargas laterales, la camisa ni la excentricidad, y supone un límite elástico del vástago de 400 MPa. Use la curva de pandeo del fabricante.
No incluye: dimensionado del compresor, fugas, pérdida de presión en líneas de alimentación largas ni efectos de la temperatura.
Para comprobar la amortiguación, la masa en movimiento debe incluir el pistón y el vástago (y el utillaje, si lo hay).
En movimiento horizontal, la relación de carga solo incluye lo que usted introduce como carga: sume usted mismo el rozamiento de la guía o del carro μ·m·g.
El pandeo del vástago supone un límite elástico de 400 MPa. Los vástagos inoxidables (por ejemplo 1.4301) pueden tener 200–350 MPa; para ellos use la curva de pandeo del fabricante.
La regla de la válvula (qnN ≥ 1,5 × caudal punta) supone unos 6 bar de alimentación. A 2–4 bar, la caída de presión en la válvula supone una parte mucho mayor de la alimentación, así que se necesita una válvula mayor.
Esta calculadora dimensiona un cilindro neumático: fuerza de salida y de entrada a su presión de alimentación con el rozamiento de las juntas, relación de carga y el menor diámetro ISO que cumple, consumo de aire libre por ciclo y por minuto en Nl/min, m³/h y scfm, caudal punta para la válvula, tiempo de carrera, energía de amortiguación y pandeo del vástago. Cubre cilindros ISO 15552 (Ø32–320) y minicilindros ISO 6432 (Ø8–25), de doble efecto o de simple efecto con retorno por muelle, en horizontal o en vertical. La usan ingenieros de automatización, constructores de máquinas y técnicos de mantenimiento para elegir un diámetro, dimensionar la válvula y los tubos y estimar cuánto aire comprimido consumirá una máquina.
Ejemplo resuelto: Ø63/20, 6 bar(g), carrera de 200 mm, 10 ciclos/min
Fuerza teórica: salida 6 × 0,1 × 3117,2 = 1870 N, entrada 1682 N. Ambas coinciden con la hoja de datos del Festo DSBC-63. Con η = 0,9, las fuerzas efectivas son 1683 N y 1514 N.
Relación de carga: una carga horizontal de 500 N da 500 / 1870 = 0,27, por debajo del límite de 0,5 para movimientos rápidos. El menor diámetro ISO con 0,5 sería Ø50 (1178 N teóricos).
Volumen del tubo: π·6²/4 × 1000 mm = 28,3 cm³ por lado.
Aire de salida: 0,6234 l × (6 + 1,013)/1,013 + 0,0283 l × 6/1,013 = 4,316 + 0,167 = 4,48 Nl. Aire de entrada: 0,5606 l × 6,923 + 0,167 = 4,05 Nl.
Aire por ciclo = 8,53 Nl. A 10 ciclos/min son 85,3 Nl/min (5,12 m³/h, 3,01 scfm).
Caudal punta a 0,5 m/s: 3117,2 mm² × 500 mm/s = 1,559 l/s = 93,5 l/min, × 6,923 = 647 Nl/min (entrada 582). Una válvula con qnN de unos 970 Nl/min o más es un buen punto de partida. La velocidad del aire en el tubo de 6 mm durante la salida es 1,559 l/s ÷ 28,3 mm² = 55 m/s, así que convendría un tubo mayor.
Tiempo de carrera 0,2 m / 0,5 m/s = 0,40 s. Un ciclo necesita al menos 0,8 s y hay 6 s disponibles.
Amortiguación: ½ × 20 kg × 0,5² = 2,5 J (horizontal, así que la gravedad no suma nada). Compárelo con el diagrama del fabricante.
Pandeo, articulado–articulado: Lk = 200 + 1,5 × 63 = 294,5 mm. λ = 4 × 294,5 / 20 = 59, por debajo de λT = 102, así que se aplica Johnson: σk = 333 MPa, Fk = 104,6 kN, carga admisible 29,9 kN. El empuje de 1870 N es el 6 % de ese valor. Euler por sí solo daría 53,6 kN y sobrestimaría la carga admisible.
El cilindro Ø63 empuja 1683 N y tira 1514 N tras el rozamiento, consume 8,5 Nl por ciclo u 85 Nl/min, y necesita una válvula de unos 650 Nl/min en punta (empiece con qnN ≈ 1000 Nl/min) y un tubo de más de 6 mm de diámetro interior para 0,5 m/s.
Preguntas frecuentes
¿Cómo calculo la fuerza de un cilindro neumático?
Multiplique la presión relativa por el área del pistón: F = p × A. A 6 bar, un pistón Ø63 da 6 × 0,1 × 3117 mm² = 1870 N de empuje. Al tirar actúa el área anular (pistón menos vástago), así que un vástago Ø20 deja 1682 N. Las juntas restan aproximadamente un 5–15 %, por eso la calculadora aplica un factor de rendimiento (0,9 por defecto).
¿Para qué relación de carga se dimensiona un cilindro neumático?
Los fabricantes recomiendan que la carga no necesite más de un 50 % de la fuerza teórica en movimientos rápidos y dinámicos, y un 70 % en sujeciones lentas o estáticas. El resto de la fuerza acelera la carga y vence el rozamiento y la contrapresión. La calculadora muestra el menor diámetro normalizado que cumple la relación elegida.
¿Cómo se calcula el consumo de aire en Nl/min?
Cada carrera llena el volumen barrido hasta la presión de alimentación, así que el aire libre consumido es V × (p + p_atm) / p_atm. El tubo entre la válvula y el cilindro también se llena en cada carrera y añade V_tubo × p / p_atm. En un cilindro de doble efecto sume ambas carreras y multiplique por los ciclos por minuto. Aquí Nl significa litros a 1,013 bar absolutos y 20 °C.
¿Por qué se usa la presión relativa para la fuerza y la absoluta para el consumo de aire?
La fuerza procede de la diferencia de presión a ambos lados del pistón, y el otro lado está a presión atmosférica, así que lo correcto es la presión relativa. La cantidad de aire en un volumen depende de la presión absoluta, de modo que la relación (p_g + 1,013)/1,013 convierte el volumen del cilindro en aire libre. Mezclarlas es un error habitual que sobrestima la fuerza o subestima el consumo de aire.
¿Puede esta calculadora predecir la velocidad real del pistón?
No. La velocidad real depende del caudal de la válvula, de la longitud y el tamaño de los tubos, de la carga, de la contrapresión y de lo rápido que sube la presión. Introduzca la velocidad que desea; la calculadora da el caudal de aire necesario y el tiempo de carrera, y propone un caudal de válvula como punto de partida. Compruebe el diseño final con el software de cálculo del fabricante.
¿Cuándo necesita un cilindro neumático amortiguación o amortiguadores?
Cuando la energía cinética ½·m·v² (más el trabajo de la gravedad al bajar) supera lo que puede absorber la amortiguación de final de carrera del cilindro. Los fabricantes indican la energía admisible para cada diámetro; introdúzcala y la calculadora la compara. Por encima de 1 m/s o con masas pesadas suelen hacer falta amortiguadores externos.
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Cilindro neumático ISO 15552
Racores instantáneos y tubo de PU
Regulador de presión con manómetro