Эти двигатели выполняются по двум схемам: двигатель на основе механизма зубчатая рейка-шестерня и двигатель с поворотной лопастью. Схема первого из них изображена на рис. 4.5.
Рис. 4.5. Схема пневмодвигателя с механизмом рейка-шестерня:
1, 2 – поршень; 3 – рейка; 4 – шестерня; 5 – вал; 6 – опора
Двигатель содержит поступательный пневмоцилиндр с двумя поршнями 1 и 2. К поршням прикреплена рейка 3, которая входит в зацепление с шестерней 4. Шестерня посажена на вал 5 с опорами 6.
Сжатый воздух подается попеременно в правую и левую полости цилиндра, поршни под воздействием воздуха перемещаются вместе с рейкой. Благодаря механизму рейка-шестерня поступательное движение рейки преобразуется во вращательное движение вала.
Угол поворота вала
φ = H/r, (4.1)
где Н – ход рейки;
r – радиус шестерни.
Схема двигателя с лопастью (такой двигатель часто называют поворотным цилиндром) изображена на рис. 4.6.
Рис. 4.6. Схема лопастного двигателя:
1 – цилиндрический корпус; 2 – лопасть; 3 – вал; 4 – перегородка;
5, 6 – уплотнения
Двигатель имеет цилиндрический корпус 1, лопасть 2, закрепленную на валу 3, и перегородку 4, разделяющую корпус с лопастью на две полости. Вал и лопасть относительно перегородки и корпуса герметизированы уплотнениями 5 и 6 сложной формы. При подаче сжатого воздуха в правую или левую полости лопасть с валом поворачиваются на угол, ограниченный перегородкой или внешними упорами, но не более чем на 270º. В перегородку встроен внутренний демпфер (на рисунке не показан). Часто этого демпфера не хватает для гашения кинетической энергии T = J ω2/2 при вращении, поэтому предусматривают наружные демпферы, сблокированные с внешними регулируемыми упорами крайних угловых положений вала.
Закон движения поршня (или лопасти) в пневмоцилиндре двухстороннего действия зависит от множества факторов, главными из которых являются перепад давления в полостях цилиндра, активная площадь поршня, инерционность нагрузки, выражаемая в виде массы или момента инерции перемещаемого объекта, статическая (не зависящая от ускорения) составляющая нагрузки. Если количество воздуха, поступающего в цилиндр в единицу времени (расход воздуха), не ограничивает скорость перемещения поршня, то сила, действующая на поршень
F ц = p×S = const, (4.2)
где p – давление воздуха на поршень;
S – площадь поршня,
а график V = f (t) выглядит, как и при равноускоренном движении (рис. 4.7, а).
а б
Рис. 4.7. Скорость штока пневмоцилиндра:
а – не ограничена расходом воздуха; б – ограничена расходом воздуха
Время перемещения штока на длине хода H
(4.3)
где a = (F ц – F ст)/ m – ускорение перемещаемого объекта;
m – масса объекта;
F ст – статическая сила нагрузки.
Скорость в конце хода
V max 
2 V ср = 2Н/t = 
. (4.4)
Если скорость перемещения поршня ограничена расходом воздуха, поступающего в цилиндр или выходящего из него (в случае подпора), то зависимость V = f (t) приобретает вид, как на рис. 4.7, б [10].
В начале движения скорость резко увеличивается, а затем стабилизируется на уровне, определяемом расходом сжатого воздуха
Vmax = H/t = Q р/ S,(4.5)
где Q р – расход сжатого воздуха.