8 Hidráulica Básica - Atuadores Hidráulicos

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Hidráulica Básica – Atuadores hidráulicos
Atuadores
hidráulicos
Classificação
Atuadores lineares
Atuadores rotativos hidráulicos
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Hidráulica Básica – Atuadores hidráulicos
Classificação
Esses atuadores são dispositivos que estão localizados no final de um circuito hidráulico, e são
a parte em que se realizam os trabalhos mecânicos após o óleo percorrer todo o circuito. Isso quer
dizer que eles estão ligados mecanicamente à carga. Quando o óleo os aciona, podemos observar o
fenômeno da transformação da energia hidráulica em energia mecânica (força ou torque).
Eles dividem-se em dois grupos:
Atuadores lineares
São os que convertem a energia hidráulica em movimento linear ou angular. Nesta família, os
mais utilizados são os cilindros hidráulicos.
Atuadores rotativos
Convertem energia hidráulica em momento torsor (torque), com movimento limitado ou con-
tínuo. Neste caso, temos os osciladores e os motores hidráulicos (palhetas, engrenagens, pistões).
Atuadores
lineares
Atuadores
hidráulicos
Atuadores
rotativos
Cilindro
hidráulico Oscilador
hidráulico
Motor
hidráulico
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A seguir, vamos apresentar, de forma detalhada, as características e o funcionamento dos
atuadores lineares e rotativos.
Atuadores lineares
São representados pelos cilindros hidráulicos, que são os mais utilizados na automatização de
máquinas em diversos segmentos da indústria. Diferenciam-se entre si por detalhes construtivos e em
função de suas características de funcionamento e utilização. Podem ser fornecidos com as mais
diversas opções de montagem (fixação), com ou sem amortecimento, acessórios e com curso de
trabalho especificado pelo usuário.
Constituintes de um cilindro hidráulico linear
1. Cabeçote
2. Fundo
3. Haste
4. Tubo
5. Flange
6. Bucha-guia
7. Êmbolo
8. Bucha de amortecimento
9. Bucha de amortecimento
10. Bucha roscada
11. Tirante
12. Porca
13. Fita-guia
14.1. Vedação do êmbolo (exec. ”T”)
14.2. Vedação do êmbolo (exec. ”A”)
15. Raspador
16. Vedação da haste
17. O-ring
18. Anel antiextrusão
19. O-ring
20. Válvula de retenção com desaeração
21. Válvula estranguladora
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Diferença de áreas
Vale ressaltar que, neste caso, temos uma diferença nos esforços desenvolvidos no momento de
avanço e no momento de retorno, pois as áreas efetivas de atuação da pressão são diferentes. Na
realidade, a área da câmara traseira é maior do que a da câmara dianteira, portanto nessa última
temos de considerar o diâmetro da haste, na qual a área correspondente à sua secção não estará
sujeita à ação desta pressão.
Força desenvolvida pelo cilindro hidráulico
A força máxima desenvolvida pelo cilindro é calculada através da função da pressão a que ele
está submetido e das áreas do êmbolo envolvidas.
Exemplos
Ao submetermos um cilindro hidráulico à pressão de 5 kgf/cm2, com uma área de êmbolo de 20
cm2, a forma máxima desenvolvida será:
Área do êmbolo Área anular do êmbolo
No êmbolo do cilindro, distinguem-se duas áreas:
• Área do êmbolo – Toda a área do êmbolo.
• Área angular do êmbolo – Área do êmbolo menos área da haste.
2 1
AB
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Logo: Força = Pressão x Área
Substituindo: Força = 5 kgf / cm2 x 20 cm2
Teremos:
Vimos, então, que a força máxima desenvolvida pelo cilindro será de 100 kgf, no curso de avanço.
Agora vamos submeter o mesmo cilindro à mesma pressão, com uma área anular do êmbolo de
10cm2. Vamos definir, então, qual será a força máxima desenvolvida em seu curso de retorno.
Sabemos que:
Logo: Força = Pressão x Área
Substituindo: Força = 5 kgf / cm2 x 10 cm2
Teremos:
A força máxima desenvolvida pelo cilindro, neste caso, será de 50 kgf, no curso de retorno.
Pressão =
Força
Área
Sabemos que:
Pressão =
Força
Área
Força = 100 kgf
Como já descrito no item anterior, a força desenvolvida para o curso
 de avanço é maior que a desenvolvida para o curso de retorno, pois a
 área do êmbolo (20cm2) é maior que sua área anular.
Força = 50 kgf
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Tipos de cilindro hidráulico
Os mais usuais são os de simples efeito ou ação simples e os de duplo efeito ou ação
dupla. Por isso, daremos mais ênfase a estes, em nossas apresentações.
Cilindros hidráulicos de ação simples
Características
Recebem esta dominação porque utilizam óleo hidráulico para produzir trabalho em um único
sentido de movimento, seja para avanço ou retorno. Possuem somente um orifício de conexão, atra-
vés do qual o óleo entra e sai.
O lado oposto à entrada é dotado de um pequeno orifício que serve como respiro, visando a
impedir a formação de contrapressão, causada pelo ar residual.
O movimento de retorno, em geral, é conseguido através da ação de uma mola ou de uma força
externa, permitindo assim que o cilindro assuma sua posição inicial de repouso.
São comandados por válvulas direcionais de três vias, e uma de suas principais aplicações é a
fixação de peças.
Princípio de funcionamento
A A
B B
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a) O cilindro é mantido recuado por ação da força da mola ou qualquer outra força.
b) Para o curso de avanço, o óleo hidráulico é admitido pela conexão A ou B, deslocando o
êmbolo e comprimindo a mola. O ar na outra câmara é descarregado, pelo orifício de escape, para a
atmosfera.
Cilindros hidráulicos de ação dupla
Características
Quando um cilindro utiliza óleo para produzir trabalho em ambos os sentidos de movimento
(avanço ou retorno), é chamado de cilindro de dupla ação. Suas aplicações são as mais diversas
possíveis.
Normalmente, são comandados por válvulas direcionais de quatro ou cinco vias.
Princípio de funcionamento
Os movimentos de avanço ou retorno da haste desse cilindro são obtidos através da alternância
da admissão e do escape do óleo – que age sobre as superfícies do êmbolo – em suas câmaras
traseira e dianteira.
Isso significa que, enquanto uma câmara está admitindo óleo, a outra o está liberando para o
reservatório. Esta operação é mantida pelo momento de inversão da válvula direcional, quando alter-
namos a admissão de óleo nas câmaras, fazendo com que a haste se movimente em sentido contrário:
a) Para o curso de avanço, o óleo é admitido na conexão A, e a conexão B permite o retorno do
óleo contido na câmara dianteira para o reservatório.
b) O cilindro realiza o curso de retorno sob a ação do óleo admitido na conexão B, e por conse-
qüência, o óleo contido na câmara traseira será enviado para o reservatório através da conexão A.
B A
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Cilindros hidráulicos de haste passante
Características
São também chamados de cilindro de haste dupla. Esse tipo de cilindro vem sendo utilizado em
diversas aplicações, nas indústrias. Possui duas hastes unidas ao mesmo êmbolo.
As duas faces do êmbolo possuem geralmente a mesma área, o que possibilita transmitir forças
iguais em ambos os sentidos de movimentação.
Apresentam dois mancais de guia, um em cada tampa, oferecendo mais resistência às cargas
laterais, bem como seu melhor alinhamento.
Em função das necessidades de utilização, esse tipo de cilindro pode assumir uma série de
aplicações. Poderá ser fixado pelas extremidades das hastes, deixando o corpo livre, ou pelo corpo,
permitindo que as hastes se desloquem.
Princípio de funcionamento
a) Para o curso de avanço, o óleo é admitido na conexão A, e a conexão B permite o
retorno do óleo contidona câmara traseira para o reservatório.
b) O cilindro realiza o curso de retorno sob a ação do óleo admitido na conexão B, e por
conseqüência, o óleo contido na câmara traseira será enviado para o reservatório através da
conexão A.
B A
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Cilindros hidráulicos com amortecimento
Características
É importante sabermos que os cilindros hidráulicos podem ser fornecidos com ou sem amorteci-
mento, cabendo ao cliente essa decisão, que deve ser conciliada, logicamente, com suas condições de
aplicação.
O amortecimento tem a finalidade de evitar cargas de choque, transmitidas aos cabeçotes (tam-
pas) e ao êmbolo no final de cada curso, absorvendo-as. Isso faz com que os cilindros que possuem
este dispositivo tenham sua vida útil prolongada.
Para os cilindros muito pequenos, este recurso não é utilizado, devido à própria limitação
dimensional, além de, na maioria dos casos, ele não ser necessário porque os esforços desenvolvidos
são pequenos e não admitem inércia significante.
Na prática, o usual é encontrarmos a aplicação de amortecimento em cilindros que possuam
diâmetros acima de 30mm e cursos acima de 50mm.
Princípio de funcionamento
O princípio de funcionamento baseia-se na retenção de parte da quantidade de óleo hidráulico no
final do curso. Inicia-se quando um colar que envolve a haste começa a se encaixar num retentor,
vedando a saída principal do óleo e forçando-o a sair por uma restrição fixa ou regulável, escoando
assim com uma vazão menor. Isso causa uma desaceleração gradativa na velocidade do pistão e
absorve o choque.
Vale salientar que o amortecimento só é eficiente quando o curso completo do cilindro é utiliza-
do, pois seu efeito só ocorre no final dos cursos.
Outra observação é quanto ao tempo de ciclo do equipamento. Devemos estar cientes que esse
tipo de proteção acarreta um aumento de tempo no ciclo, devido às perdas de tempo em cada
desaceleração do êmbolo.
B A
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Amortecimento no retorno
a) O cilindro retorna com força e velocidade máximas sob o efeito do óleo admitido pela conexão A.
b) O óleo em exaustão tem passagem livre pela conexão B.
c) Próximo ao final do curso de retorno, o óleo em exaustão tem a passagem de saída bloqueada
pelo ressalto do êmbolo, formando uma câmara de amortecimento.
d) O óleo contido na câmara de amortecimento tem sua saída restringida pela válvula regulado-
ra de fluxo (final de curso com amortecimento).
Amortecimento no avanço
a) Para o curso de avanço, o óleo é admitido pela conexão B e tem passagem livre pela válvula
de retenção, proporcionando um início de movimento a velocidade máxima.
b) Próximo ao final do curso de avanço, o óleo em exaustão tem a passagem de saída bloqueada
pelo ressalto do êmbolo, formando uma câmara de amortecimento.
c) O óleo que está contido na câmara de amortecimento tem sua saída restringida pela válvula
reguladora de fluxo (final de curso com amortecimento).
BA BA
BA B
A
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Simbologia gráfica para cilindros hidráulicos
As informações abaixo estão de acordo com a norma DIN-ISO 1219 e ISO 5599.
Cilindro de ação simples com retorno por
carga externa
Cilindro de ação simples com retorno
por mola
Cilindro de ação simples com avanço
por mola
Cilindro de ação dupla
Cilindro de ação dupla de haste passante Amortecimento dianteiro fixo
Amortecimento traseiro fixo Duplo amortecimento fixo
Amortecimento dianteiro regulável Amortecimento traseiro regulável
Amortecimento duplo com regulagem Cilindro duplex contínuo (Tandem) ou geminado
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Atuadores rotativos hidráulicos
São normalmente denominados atuadores hidráulicos rotativos ou cilindros rotativos. São insta-
lados na parte final de um circuito hidráulico, quando o trabalho a ser realizado é uma operação de
rotação.
Convertem a energia hidráulica em movimento rotativo limitado, causando momento torsor e
torque.
Tipos de atuador rotativo hidráulico
Oscilador hidráulico
Consiste em um conversor através do qual o movimento retilíneo, obtido por intermédio de um
fluido pressurizado, é convertido em movimento rotativo.
O movimento retilíneo é produzido pelo óleo hidráulico, que age alternadamente sobre dois êm-
bolos fixos em uma cremalheira, engrenada a um pinhão. Basicamente, é um cilindro de duplo efeito
que permite, em função da relação de transmissão, a obtenção do ângulo de rotação determinado.
Motor hidráulico
Na indústria moderna, o motor hidráulico é cada vez mais empregado, especialmente onde é
impossível ou perigoso o uso de aparelhos elétricos.
Outro referencial que indica sua utilização é a presença de ambientes úmidos, corrosivos, quen-
tes, ácidos, explosivos ou com predominância de pó.
Atuadores
rotativos
Oscilador
hidráulico
Motor
hidráulico
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Tipos de oscilador hidráulico
Oscilador hidráulico pinhão x cremalheira
Características
Quando o óleo age sobre uma face do êmbolo, provoca o deslocamento da cremalheira para a
direita ou esquerda. O pinhão recebe o movimento e transmite o momento torsor criado para um eixo.
O torque é produzido em função do diâmetro do oscilador, da pressão utilizada e da relação de
transmissão.
Pode ser dotado de amortecimento simples ou duplo no fim do curso.
Princípio de funcionamento
É bom ressaltar que os motores hidráulicos são o oposto dos compressores, ou seja, não são
geradores de óleo hidráulico, e sim utilizadores da energia nele contida para realizar seu movimento.
Vamos, a seguir, apresentar de forma detalhada as características e o funcionamento dos
osciladores hidráulicos.
1. Rotação do eixo de saída no sentido horário
• O óleo é admitido pela conexão A, deslocando o êmbolo e a haste para a direita.
• O óleo na outra câmara do êmbolo oposto é descarregado pela conexão B.
• O deslocamento da haste para a direita é transmitido à engrenagem como movimento rotativo
no sentido horário.
A B
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2. Rotação do eixo de saída no sentido anti-horário
• O óleo é admitido pela conexão B, deslocando o êmbolo e a haste para a esquerda.
• O óleo na outra câmara do êmbolo oposto é descarregado pela conexão A.
• O deslocamento da haste para a esquerda é transmitido à engrenagem como movimento
rotativo no sentido anti-horário.
Oscilador hidráulico de palheta
Características
Nesse tipo de oscilador encontramos uma palheta com movimento rotativo limitado, geralmente
com limitação a 300°, para o atuador simples.
Princípio de funcionamento
1. Rotação do eixo de saída no sentido horário
• O óleo é admitido pela conexão A, deslocando a palheta no sentido horário.
• O óleo na câmara oposta da palheta é descarregado pela conexão B.
2. Rotação do eixo de saída no sentido anti-horário
• O óleo é admitido pela conexão B, deslocando a palheta no sentido anti-horário.
• O óleo na outra câmara oposta da palheta é descarregado pela conexão A.
Atuador simples Atuador duplo
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Tipos de motor hidráulico
Motor hidráulico de engrenagens
Características
É composto basicamente de uma carcaça e um par de engrenagens, no qual uma delas está
acoplada ao eixo de saída e a outra apoiada sobre mancais internos. Esta aciona a primeira.
Princípio de funcionamento
Simbologia gráfica para osciladores hidráulicos
De acordo com a norma DIN-ISO 1219 e ISO 5599, apresenta-se da seguinte forma:
Denominação/elucidação Símbolos
Oscilador hidráulico geral
P
LT
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Composto basicamente por uma carcaça, um cilindro, duas tampas e um rotor com palhetas
montado sobre rolamentos excentricamente dentro do cilindro.
Na alimentação, o óleo sob pressão é admitido pela tampa traseira do cilindro, sendo dirigido
para seu interior. A câmara do cilindro é limitada pelas faces do rotor e pelas tampas.
Princípio de funcionamento
O momento de torção das engrenagens é gerado quando o óleo atua sobre os flancos dos dentes
(que podem ser retos ou helicoidais), causando a rotação das engrenagens.
O momento de torção entre os dois tipos permanece quase constante, porém o sistema helicoidal
é mais silencioso.
Motor hidráulico de palhetas
Características
a) O óleo é admitido e segue em direção ao conjunto rotativo.
b) A câmara do cilindro é formada pelas faces do rotor e pelas tampas.
c) A pressão atuará sobre a superfície frontal da palheta, resultando em uma força.
A força resultante na palheta
dá origem ao torque
Eixo de acionamento
A pressão que atua na palheta
ocasiona uma força
Pressão do sistema
Rotor
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d) A força, atuando a uma distância do centro do eixo do rotor, originará um torque.
e) Sob ação do torque, o rotor gira de forma contínua.
f) Ao adquirir velocidade, as palhetas são mantidas encostadas contra a parede interna do cilindro
pela ação da força centrífuga, criando sucessivas câmaras nas quais o óleo atua.
g) Chegando a um certo ponto da revolução, o óleo é descarregado para o reservatório e as palhetas
são obrigadas a voltar para o interior da ranhura do rotor.
Motor hidráulico de pistões axiais
Características
Este tipo de motor possui normalmente de cinco a sete pistões, dispostos axialmente no interior
de um bloco de cilindros que deslizam apoiados em uma placa inclinada. O rotor se encontra fixado a
um eixo ranhurado, que gira com todo o conjunto.
Nesse motor, vários cilindros são dispostos paralelamente à árvore de saída e atuam com movi-
mentos alternados no interior de um bloco de pistões.
Princípio de funcionamento
a) O óleo hidráulico é admitido pela conexão A, sendo direcionado ao bloco de pistões.
b) Vários cilindros são submetidos a pressão, de forma progressiva.
c) A pressão, atuando nas superfícies dos pistões, resultará em forças.
d) A força resultante é transmitida a uma placa de deslizamento inclinada.
e) A reação a esse esforço provocará a rotação de todo o conjunto (pistões, bloco de pistões, placa
(inclinada).
f) O bloco de pistões está acoplado à árvore de saída, onde esta executa a mesma rotação do bloco
de cilindros.
A
B
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g) Após os pistões terem executado todo seu curso para fora do bloco, o óleo é descarregado pela
conexão B pelo giro constante no bloco de pistões.
h) Após o pistão ter executado todo seu curso para fora, o giro constante do bloco força os pistões
para dentro, causando a descarga do óleo pela conexão B.
Motor hidráulico de pistões radiais
Características
Este tipo de motor é composto de uma carcaça, onde existem normalmente de quatro a seis
cilindros, providos de pistões, posicionados radialmente e que estão apoiados em um virabrequim
através de bielas.
O óleo hidráulico é direcionado, através de canais, para os cilindros, através de uma válvula
rotativa, podendo agir simultaneamente em dois ou três pistões, dependendo do número existente.
Nos cilindros, o óleo atua pressionando os pistões para seu ponto inferior e causando a transmis-
são do movimento. Em sentido contrário, o óleo nos cilindros é expelido para o retorno ao reservatório.
Durante a rotação do motor, teremos pistões admitindo óleo para girar o conjunto
e outros pistões descarregando o óleo que já executou esta tarefa.
Observação
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Princípio de funcionamento
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a) O óleo hidráulico é admitido por uma válvula rotativa e distribuído aos cilindros através de canais.
b) Vários cilindros são submetidos a pressão.
c) A pressão, atuando na superfície dos pistões, resultará em força.
d) A força gerada no pistão é transmitida à biela e ao virabrequim, causando o movimento da árvore
de saída.
e) Após o pistão ter executado todo seu curso para fora, a válvula rotativa descarrega o óleo que já
executou a tarefa de girar a árvore de saída e pressuriza outros cilindros. O giro continua.
Durante a rotação do motor, teremos pistões admitindo óleo, causando a rotação
da árvore de saída, e pistões descarregando o óleo que já executou essa tarefa.
 Esse comando é executado pela válvula rotativa.
Observação
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Simbologia gráfica para motores hidráulicos
De acordo com a norma DIN-ISO 1219 e ISO 5599, a simbologia apresenta-se da seguinte
forma:
Motor de deslocamento
constante unidirecional geral
Motor de deslocamento
constante unidirecional
(um sentido de vazão e
um sentido de rotação)
Motor de deslocamento
bidirecional
(dois sentidos de vazão e dois
sentidos de rotação)
Motor de deslocamento variável
unidirecional
(um sentido de vazão e um
sentido de rotação)
Motor de deslocamento
constante bidirecional
(dois sentidos de vazão e dois
sentidos de rotação)
Denominação/
elucidação
Símbolos
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