Cómo dimensionar un cilindro hidráulico: diámetro, vástago y carrera

Para dimensionar un cilindro hidráulico se calcula la fuerza que pide la carga con un margen de seguridad, se divide entre la presión de trabajo para obtener el área y el diámetro del émbolo, se comprueba el vástago a pandeo según la carrera y la fijación, y se calcula el caudal de la bomba con Q = A × v.

La guía sigue siete pasos con fórmulas, tablas y un ejemplo resuelto, y acaba con la selección de un cilindro neumático. Los datos de los cilindros hidráulicos Fenitsa proceden del catálogo FDH: Ø40 a Ø200 mm, 160 bar y carreras de hasta 5000 mm.

Cilindro hidráulico de la serie FDH de Fenitsa

Paso 1: fuerza necesaria y margen de seguridad

Parta de la fuerza en el punto más desfavorable: peso, rozamiento (F = μ × m × g), plano inclinado (F = m × g × (sen α + μ × cos α)), aceleración (F = m × a) y fuerzas del proceso. Con palanca, multiplique por la relación de brazos y divida entre el seno del ángulo cilindro-palanca en ambos extremos de la carrera.

Aplique un margen de 1,2 a 1,5, el alto con golpes, y divida entre el rendimiento mecánico: por el rozamiento de las juntas, un cilindro sano rinde del 85 al 95 %.

Fcarga = m × gFdiseño = Fcarga × S / η

Paso 2: presión de trabajo

Es la presión en el puerto del cilindro con la carga en movimiento: la de tarado menos las pérdidas en válvulas y mangueras. Más presión da un cilindro menor; menos, un control más suave. La serie FDH trabaja a 160 bar (2321 psi), se prueba a 240 bar y se fabrica para 250 bar como opción.

Paso 3: diámetro del émbolo

A = F / pD = √(4 × F / (π × p))

Con F en newtons y p en N/mm² (1 bar = 0,1 N/mm²), redondee siempre al diámetro estándar superior y recalcule la fuerza real.

Diámetro estándar FDH (entre paréntesis, el calculado en mm) a 100, 160 y 250 bar
Fuerza de diseño100 bar160 bar250 bar
2 tØ50 (50,0)Ø40 (39,5)Ø40 (31,6)
5 tØ80 (79,0)Ø63 (62,5)Ø50 (50,0)
10 tØ125 (111,7)Ø100 (88,3)Ø80 (70,7)
20 tØ160 (158,0)Ø125 (124,9)Ø100 (99,9)
30 tØ200 (193,5)Ø160 (153,0)Ø125 (122,4)
50 tBajo pedido (249,9)Ø200 (197,5)Ø160 (158,0)

Toneladas-fuerza métricas (1 t = 9,81 kN), ya con el margen. Por encima de Ø200 mm, los cilindros se fabrican bajo pedido. Otros valores, en la calculadora de cilindro hidráulico.

Paso 4: vástago y pandeo

A compresión y extendido, un vástago esbelto trabaja como una columna y puede pandear —doblarse de golpe— con mucha menos fuerza de la que rompería el acero. Lo deciden la longitud libre y la fijación.

Fk = π² × E × I / Lk²I = π × d⁴ / 64Lk = K × L

E = 210.000 N/mm² (acero) y L es la longitud libre con el vástago fuera. K vale 2 con brida o patas y vástago libre, 1 articulado en ambos extremos, 0,7 con brida y vástago articulado y guiado, y 0,5 empotrado y guiado. Fk se divide entre 3,5, práctica habitual. La tabla da la Lk máxima con la que cada vástago FDH soporta todo el empuje del cilindro a 160 bar:

Longitud de pandeo máxima de los vástagos FDH a 160 bar (Euler, seguridad 3,5)
DiámetroVástagoLk máxima (mm)
Ø40 mmØ25 mm751
Ø40 mmØ28 mm943
Ø50 mmØ28 mm754
Ø50 mmØ30 mm866
Ø50 mmØ36 mm1247
Ø63 mmØ36 mm989
Ø63 mmØ45 mm1546
Ø80 mmØ45 mm1217
Ø80 mmØ56 mm1885
Ø100 mmØ56 mm1508
Ø100 mmØ70 mm2357
Ø125 mmØ70 mm1885
Ø125 mmØ90 mm3117
Ø160 mmØ90 mm2435
Ø160 mmØ100 mm3006
Ø200 mmØ110 mm2910
Ø200 mmØ125 mm3757
Comprobación: un Ø100 mm articulado en los dos extremos mide 2000 mm entre centros extendido. El vástago de Ø56 mm admite 1508 mm: no basta. El de Ø70 mm admite 2357 mm: sirve.

¿Qué es la carrera de un cilindro y cómo se calcula?

Paso 5, para cilindros hidráulicos y neumáticos.

La carrera es la distancia que recorre el vástago entre la posición recogida y la extendida. Es la longitud extendida menos la recogida, medidas entre los mismos puntos: un cilindro de 850 mm recogido y 1350 mm extendido tiene 500 mm de carrera.

Parta del recorrido de la máquina y, en hidráulica, añada unos milímetros para que el émbolo no haga de tope. La longitud recogida de un cilindro de una etapa siempre supera a la carrera: compruebe que cabe.

Carrera corta y carrera larga

Un cilindro de carrera corta sujeta, bloquea o prensa en poco espacio y rara vez pandea. En carrera larga mandan el pandeo y el guiado: revise el paso 4 y valore un tubo distanciador o trabajar a tracción. La serie FDH tiene carreras estándar de 100, 200, 300, 400 y 500 mm y llega a 5000 mm; si no cabe, un cilindro telescópico da mucha carrera con poca longitud recogida.

Carrera de un cilindro neumático

Se calcula igual, pero el neumático suele trabajar de tope a tope, frenado por la amortiguación: la carrera coincide con el recorrido, y el consumo de aire crece con ella. Hay carreras estándar de 50 a 500 mm y cualquier otra bajo pedido, hasta 3000 mm en Ø32–Ø100 y 2800 mm en Ø125–Ø320.

Cilindro hidráulico de carrera larga en la planta de Fenitsa
Cilindro de carrera larga en la planta de Fenitsa (collage).

Paso 6: caudal y velocidad

Q [L/min] = A [cm²] × v [cm/s] × 0,06P [kW] = p [bar] × Q [L/min] / 600

En el retorno el aceite actúa sobre el área anular: el vástago entra más rápido y del fondo sale más aceite del que da la bomba; dimensione el retorno para ese caudal. Velocidad máxima en la serie FDH: 0,5 m/s. Un Ø80 mm que sale a 0,1 m/s pide 30,2 L/min, 8,0 kW a 160 bar; otros casos, en la calculadora de caudal hidráulico.

Paso 7: fijación del cilindro

Si la carga describe un arco, articule el cilindro en los dos extremos; si va en línea y guiada, una brida o patas dan más rigidez. La serie FDH sigue las cotas CETOP RP 58 H: brida delantera (FFM) o trasera (RFM), horquilla trasera (RSM) o con rótula (RHM), horquilla (FSM) o rótula (FRM) en el vástago, muñón central (CTM) y patas (FMM). Monte la brida de modo que la fuerza la apriete contra la estructura. Accesorios en equipos de montaje.

Ejemplo completo: cilindro para una compactadora

Datos. Empuje de 14 t, horquilla trasera y ojo en el vástago, 2900 mm entre centros extendido, 160 bar en el cilindro, margen 1,25 y rendimiento 0,9.

1. Fuerza. 14 t = 137,29 kN; con margen, 171,62 kN; de diseño, 171,62 / 0,9 = 190,68 kN.

2 y 3. Diámetro. A = 190.685 N / 16 N/mm² = 11.918 mm², D = 123,2 mm → Ø125 mm, que empuja 196,3 kN (20,02 t).

4. Vástago. Si la compactadora se bloquea, el vástago recibe todo el empuje: se comprueba con 196,3 kN, K = 1 y Lk = 2900 mm. Ø70 mm: Fk = 290,5 kN, admisible 83,0 kN, insuficiente. Ø90 mm: Fk = 793,7 kN, admisible 226,8 kN, suficiente. Vástago de Ø90 mm.

5 y 6. Carrera y caudal. 1200 mm en 12 s: v = 100 mm/s y Q = 73,6 L/min. Mover la carga pide 124 bar y 15,3 kW. En el retorno, el vástago entra a 208 mm/s y del fondo salen 152,9 L/min.

7. Fijación. Horquilla trasera (RSM) y horquilla en el vástago (FSM), como se supuso para el pandeo.

  • DiámetroØ125 mm
  • VástagoØ90 mm
  • Carrera1200 mm
  • Caudal73,6 L/min

Cómo seleccionar un cilindro neumático

Mismo método, con aire de 1,5 a 10 bar y tres cambios: por la compresibilidad y el rozamiento, con cargas en movimiento se aprovecha del 50 al 70 % de la fuerza teórica (en vertical, el 50 %); se calcula con la presión mínima en la máquina, normalmente 6 bar; y el consumo de aire decide el compresor.

Fuerza a 6 bar del catálogo neumático Fenitsa y masa que eleva en vertical (factor 0,5)
DiámetroEmpuje (kg)Tracción (kg)Masa en vertical (kg)
Ø32 mm484124
Ø40 mm756338
Ø50 mm1189960
Ø63 mm18716895
Ø80 mm301272153
Ø100 mm471441240
Ø125 mm735688375
Ø160 mm12061111615
Ø200 mm18841789961
Ø250 mm294428271501
Ø320 mm482346382459
V ≈ (A + Aanular) × carrera × (p + 1,013) / 1,013

Catálogo en kg (1 kg = 10 N). Ejemplo: una compuerta de 120 kg sube en vertical a 6 bar, 400 mm de carrera, 4 ciclos por minuto. Con factor 0,5 hacen falta 2354 N, unos 235 kg: el Ø63 mm (187 kg) no llega y el Ø80 mm (301 kg) sirve. Consumo: (5027 + 4536) mm² × 400 mm × 7,013 / 1,013 / 10⁶ = 26,5 L de aire libre por ciclo, unos 106 L/min.

Más en cilindros neumáticos, la calculadora de cilindro neumático y partes de un cilindro neumático.

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Dimensionado de cilindros: preguntas frecuentes

Respuestas breves de nuestros ingenieros.

¿Qué coeficiente de seguridad se usa al dimensionar un cilindro hidráulico?

Sobre la carga, de 1,2 a 1,5, que cubre rozamiento, pérdidas de presión e incertidumbre; el valor alto, con golpes. Sobre el pandeo del vástago, 3,5 sobre la carga de Euler es práctica habitual en ingeniería.

¿Se dimensiona el cilindro por la fuerza de empuje o por la de tracción?

Por la del sentido que hace el trabajo. Si el cilindro tiene que tirar, cuente con el área anular, la del émbolo menos la del vástago: un Ø80 mm con vástago de Ø56 mm tira 4,18 t a 160 bar y empuja 8,20 t.

¿Es mejor elegir un cilindro más grande por seguridad?

No. Un diámetro de más necesita más aceite para la misma velocidad —bomba, válvulas y mangueras mayores— o va más lento, y controla peor las cargas ligeras.

¿Cuándo conviene 250 bar en lugar de 160 bar?

Cuando falta espacio o sobra peso: 30 t piden Ø125 mm a 250 bar en lugar de Ø160 mm a 160 bar, pero bomba, válvulas y mangueras deben ser para esa presión. La serie FDH se fabrica para 250 bar como opción.

¿Qué es un tubo distanciador y cuándo se usa?

Un casquillo entre émbolo y culata que impide la extensión máxima. Separa el émbolo del casquillo guía y reduce la carga sobre la guía y el desgaste de las juntas en carreras largas a compresión; a cambio, alarga la longitud recogida.