Flujo en agujas de amortiguación: relación crítica 0,528 y

Una aguja de amortiguación ajustable dosifica el aire comprimido que sale de la cámara terminal de un cilindro cuyo volumen se está reduciendo. Este proceso no puede predecirse solo a partir de la diferencia de presión. Las variables útiles son el área efectiva de la aguja, la presión de amortiguación aguas arriba, la presión de escape aguas abajo, la temperatura del gas, la relación de presiones, el volumen de la cámara, la velocidad del pistón y el límite energético especificado por el fabricante del cilindro.

Para aire con una relación de calores específicos de 1,4, un orificio ideal alcanza su condición crítica cuando la presión absoluta aguas abajo cae hasta aproximadamente 0,528 de la presión absoluta aguas arriba. Por debajo de esa relación, reducir la presión aguas abajo ya no aumenta el caudal másico ideal. La presión de amortiguación todavía puede subir porque el pistón sigue reduciendo el volumen de la cámara.

Aspectos clave

El aire alcanza el límite ideal de flujo crítico cerca de una relación de presión absoluta de 0,528.

Para estimar un orificio, utilice presión absoluta, temperatura, área efectiva y coeficiente de descarga.

Las vueltas de la aguja son específicas del modelo y no una unidad de caudal transferible.

Ajuste a partir del movimiento y la presión medidos después de comprobar el límite energético de amortiguación del fabricante.

Para la evaluación energética y la puesta en servicio, consulte la guía más amplia sobre agujas de amortiguación neumática. Este artículo se centra en una pregunta más concreta: ¿qué hace el orificio ajustable mientras se comprime la cámara de amortiguación?

¿Por qué una aguja de amortiguación necesita un modelo de flujo compresible?

La norma ISO 6358-1 cubre los ensayos en régimen permanente de componentes neumáticos con vías de flujo internas fijas o variables, pero excluye explícitamente los cilindros y acumuladores de ese método de ensayo (ISO 6358-1, 2013). Sin embargo, una aguja de amortiguación puede evaluarse como una restricción variable, mientras que el cilindro en movimiento requiere un modelo transitorio independiente.

Una aguja de amortiguación ajustable es una restricción variable que controla la masa que sale de la cámara terminal atrapada después de que se cierra el escape principal. La ISO 6358-3 trata los componentes y las tuberías neumáticas mediante relaciones de flujo compresible subsónico y estrangulado, por lo que la restricción no puede reducirse a la ecuación para líquidos $Q = C_d A\sqrt{2\Delta p/\rho}$ . Durante la amortiguación, la densidad aguas arriba cambia mientras el volumen de la cámara se reduce. Por ejemplo, una lectura de 7 bar manométricos equivale aproximadamente a 8 bar absolutos cerca del nivel del mar, y una lectura de escape de 0 bar manométricos sigue siendo aproximadamente 1 bar absoluto. Por tanto, la diferencia de presión por sí sola no permite determinar la rama de flujo. Utilice la presión absoluta aguas arriba y aguas abajo, la temperatura, el área efectiva o la conductancia ISO y la característica de apertura específica del producto antes de relacionar ese resultado de flujo con el movimiento del cilindro.

Por tanto, una aguja de amortiguación tiene dos descripciones útiles. La primera es su característica de caudal en régimen permanente con una abertura fija. La segunda es su función dentro de una cámara de amortiguación variable en el tiempo. Confundir ambas descripciones explica por qué un cálculo de orificio aparentemente razonable todavía puede predecir una parada incorrecta.

¿Qué cambia cuando la punta de amortiguación entra en la tapa final?

El catálogo de la serie SR de Parker describe un sello de retención que bloquea la vía de escape normal y obliga al aire a pasar por el orificio de la aguja ajustable cuando el casquillo de amortiguación entra en el sello (catálogo SR de Parker, 2026). La aguja dosifica el escape restante; no determina cuándo empieza la amortiguación.

Antes del acoplamiento, el cilindro evacúa principalmente por el puerto, la válvula, la tubería y el silenciador normales. Cuando la punta o el casquillo de amortiguación entra en su sello correspondiente, esa vía más grande se cierra. Como resultado, el volumen terminal atrapado debe descargarse por el paso ajustable más pequeño mientras el pistón continúa hacia la tapa final.

Se producen tres efectos a la vez:

El volumen de la cámara disminuye a medida que avanza el pistón.
La masa de aire sale a través de la restricción controlada por la aguja.
La presión de amortiguación actúa sobre el área del pistón y genera una fuerza de desaceleración.

Una vía de retención independiente es importante durante la inversión. Proporciona una ruta más libre para el aire de alimentación, de modo que el pistón pueda abandonar la posición final sin llenarse a través de la aguja restringida. Por eso, un despegue inicial lento desde un extremo puede estar relacionado con el sello o el paso de retención, y no solo con el ajuste de la aguja.

Para comparar componentes fuera del cilindro, consulte válvulas de aguja y controles de caudal unidireccionales. La aguja de amortiguación del cilindro es una restricción integrada de la zona final; un regulador de velocidad meter-out configura el caudal durante la mayor parte de la carrera.

Una ecuación de orificio selecciona una rama de flujo. La desaceleración del cilindro solo aparece después de relacionar ese flujo con la cámara de amortiguación cambiante y la carga en movimiento.

¿Cuándo se estrangula el flujo de la aguja?

La derivación de gas ideal de NASA sitúa el caudal másico máximo en Mach 1, en la garganta de área mínima (NASA Glenn, 2021). Para aire con $\gamma = 1.4$ , la relación crítica ideal entre la presión absoluta aguas abajo y aguas arriba es 0,528, obtenida de la relación isentrópica siguiente.

Defina la relación de presiones absolutas como:

r = \frac{p_d}{p_u}

Aquí, $p_u$ es la presión absoluta aguas arriba en la cámara de amortiguación y $p_d$ es la presión absoluta de escape aguas abajo. La relación crítica ideal es:

r_* = \left(\frac{2}{\gamma + 1}\right)^{\frac{\gamma}{\gamma - 1}}

Para aire seco cerca de la temperatura ambiente, use $\gamma \approx 1.4$ , lo que da $r_* \approx 0.528$ . En concreto, en este modelo ideal de evaluación el flujo es subsónico cuando $r > r_*$ y está estrangulado cuando $r \le r_*$ . Los pasos reales presentan pérdidas y efectos geométricos, por lo que los datos de conductancia del proveedor o los ensayos deben sustituir el límite ideal en el diseño final.

Para la rama subsónica, una expresión habitual de orificio para gas ideal es:

\dot{m} = C_d A p_u \sqrt{\frac{2\gamma}{R T_u(\gamma - 1)}\left[r^{\frac{2}{\gamma}} - r^{\frac{\gamma + 1}{\gamma}}\right]}

Para la rama estrangulada:

\dot{m} = C_d A p_u \sqrt{\frac{\gamma}{R T_u}}\left(\frac{2}{\gamma + 1}\right)^{\frac{\gamma + 1}{2(\gamma - 1)}}

En estas ecuaciones, $\dot{m}$ es el caudal másico en kg/s, $C_d$ es el coeficiente de descarga, $A$ es el área efectiva en m², $R$ es la constante específica del gas y $T_u$ es la temperatura absoluta aguas arriba en kelvin. Para aire seco, utilice $R = 287.05\ \mathrm{J/(kg\cdot K)}$ .

Es importante entender que el estrangulamiento limita el caudal másico que atraviesa la restricción en el estado aguas arriba actual. No limita la presión de amortiguación ni la fuerza de desaceleración. Si el pistón comprime el volumen atrapado más rápido de lo que puede escapar la masa, la presión aguas arriba puede seguir subiendo y el caudal másico estrangulado aumenta aproximadamente en proporción a esa presión absoluta aguas arriba cuando el área y la temperatura permanecen constantes.

Para el mismo límite en válvulas y rutas de alimentación, consulte la guía sobre flujo estrangulado en neumática. Aquí, el lado aguas arriba es la cámara de amortiguación que se reduce, no el colector de aire de planta.

¿Por qué las vueltas de la aguja no se traducen directamente en caudal?

El catálogo actual CM2 de SMC advierte que abrir su aguja de amortiguación más de 3 vueltas desde el cierre completo equivale en la práctica a no tener amortiguación, mientras que trabajar completamente cerrada puede dañar el sello de amortiguación (catálogo CM2 de SMC, 2026). Este límite específico del modelo demuestra que no existe una regla universal de 3 a 7 vueltas.

El número de vueltas convierte la rotación de la rosca en desplazamiento axial de la aguja. No revela el diámetro del asiento, la conicidad, la forma del puerto, la elevación máxima, la fuga, el coeficiente de descarga ni el punto en que otro paso interno se convierte en la restricción limitante. Por ejemplo, dos agujas con el mismo paso de rosca pueden tener curvas de caudal útiles distintas.

En particular, cerca del asiento, las tolerancias de fabricación y la contaminación ocupan una fracción mayor de la holgura disponible. En cambio, cuando la aguja está más abierta, el hueco puede dejar de controlar porque el taladro, el orificio transversal, el puerto de escape, la válvula, el racor, el tubo o el silenciador presentan una conductancia menor. Por consiguiente, la respuesta puede aplanarse, pero la ubicación de ese aplanamiento pertenece a un solo diseño.

Trate la posición de ajuste como una coordenada repetible de puesta en servicio, no como una unidad de caudal de aire. Por ello, registre <<1,25 vueltas desde la referencia de cierre del fabricante en la serie X>> junto con la presión, la carga, la velocidad y el sentido. Nunca transfiera <<1,25 vueltas>> a otra familia de cilindros sin su curva o un nuevo ensayo.

En concreto, cuando compras necesite datos comparables, solicite:

Información requerida	Por qué importa
Serie del cilindro, diámetro, carrera y opción de amortiguación	Define la geometría interna real
Rango de ajuste permitido y par de cierre	Evita daños en el asiento, el sello o el sistema de retención
Caudal o conductancia frente a posición	Sustituye las suposiciones genéricas de vueltas a caudal
Carrera o longitud de acoplamiento de la amortiguación	Define la zona de desaceleración disponible
Datos admisibles de masa-velocidad o energía cinética	Establece si el ajuste es suficiente
Rango de presión y temperatura de funcionamiento	Delimita el estado del gas y la clasificación del componente

Presión, volumen y movimiento del pistón acoplados

Un experimento JFPS de 2002 registró presión, posición, velocidad, aceleración y fuerza a 2.000 muestras por segundo mientras variaba cargas de 40, 70 y 100 kg y alimentaciones de 4, 5 y 6 bar (Kim y Lee, 2002). Esa instrumentación muestra por qué un único valor de caudal en régimen permanente no puede describir la amortiguación.

Por ejemplo, sea $V_c$ el volumen de amortiguación, $A_c$ el área efectiva del pistón en el lado de amortiguación y $v$ la velocidad del pistón hacia la tapa final. El volumen de la cámara cambia aproximadamente así:

\frac{dV_c}{dt} = -A_c v

Si se desprecian las fugas y el flujo inverso de entrada durante el breve evento de amortiguación, la masa de la cámara cambia así:

\frac{dm_c}{dt} = -\dot{m}_{out}

El estado de la cámara también sigue la relación de gas ideal:

p_c V_c = m_c R T_c

Por consiguiente, el balance axial de fuerzas simplificado puede escribirse así:

m_{eff}\frac{dv}{dt} = F_{drive} + F_{external} - (p_c-p_e)A_c - F_f

Aquí, $m_{eff}$ es la masa móvil efectiva, $F_{drive}$ es la fuerza de la cámara opuesta, $F_{external}$ incluye la gravedad o la carga de proceso con su signo, $p_e$ es la presión de referencia del lado final y $F_f$ es la fricción. Las ecuaciones deben resolverse juntas porque el movimiento cambia el volumen, el volumen cambia la presión y la presión cambia el movimiento.

Del mismo modo, la temperatura no es una corrección decorativa. Un modelo revisado por pares de TU Dresden de 2022 utilizó la transferencia de calor para calcular la presión de amortiguación y validó el modelo con distintas presiones de alimentación, velocidades del pistón y aberturas del estrangulador (Nazarov y Weber, 2022). Los eventos breves pueden apartarse considerablemente de la hipótesis isotérmica.

En otras palabras, una calculadora del flujo de la aguja estima un estado de restricción. No puede certificar la parada completa, la energía admisible, la presión máxima, el rebote ni la carga de la tapa final sin datos de geometría y movimiento del cilindro.

Ejemplo práctico: ¿qué puede decirle un cálculo de orificio?

Usando la relación ideal de flujo estrangulado de NASA Glenn, una abertura de 0,60 mm con $C_d = 0.70$ , 8 bar absolutos aguas arriba, 1 bar absoluto aguas abajo y aire a 293,15 K produce una relación de presión de 0,125 y $\dot{m} = 0.000374\ \mathrm{kg/s}$ . Esto equivale aproximadamente a 18,3 L/min estándar a 15 °C y 1,01325 bar.

Primero calcule el área:

A = \frac{\pi d^2}{4} = 2.827\times10^{-7}\ \mathrm{m^2}

Después compare la relación de presiones absolutas con el valor crítico:

r = \frac{p_d}{p_u} = \frac{1}{8} = 0.125 < r_* = 0.528

Utilice la rama estrangulada. Al sustituir $C_d = 0.70$ , $p_u = 800000\ \mathrm{Pa}$ , $T_u = 293.15\ \mathrm{K}$ , $\gamma = 1.4$ y $R = 287.05\ \mathrm{J/(kg\cdot K)}$ , se obtiene:

\dot{m} \approx 3.74\times10^{-4}\ \mathrm{kg/s}

En la condición de referencia estándar definida, esto equivale aproximadamente a:

q_N \approx 18.3\ \mathrm{L/min} \approx 0.65\ \mathrm{SCFM}

Este resultado es un ejemplo de ingeniería derivado, no un ajuste de amortiguación universal. Si la presión absoluta aguas arriba aumenta de 8 a 12 bar mientras el área y la temperatura permanecen constantes y el flujo sigue estrangulado, el caudal másico aumenta un 50 %, hasta aproximadamente $\dot{m}_{12} = 5.61\times10^{-4}\ \mathrm{kg/s}$ . En cambio, si la presión aguas arriba cae a 1,5 bar absolutos mientras la presión aguas abajo permanece en 1 bar absoluto, $r = 0.667$ y se aplica la rama subsónica. El caudal másico calculado cae a $\dot{m}_{1.5} = 6.70\times10^{-5}\ \mathrm{kg/s}$ , o 3,28 L/min estándar. En ambas comparaciones se mantienen constantes el área, la temperatura y el coeficiente de descarga.

¿Qué pueden respaldar estas cifras? En concreto, permiten comparar áreas candidatas, identificar la rama de flujo ideal y estimar la descarga másica en un instante medido. No pueden convertir 0,60 mm en un ajuste de vueltas de aguja ni demostrar que una carga en movimiento se detendrá con seguridad.

HerramientaVálvulas y caudalCalculadora de caudal por orificioEstime el flujo de aire subsónico o estrangulado a partir del diámetro del orificio, la presión absoluta aguas arriba y aguas abajo, la temperatura y el coeficiente de descarga.Caudal de gas = Cd x área x función de flujo compresiblediámetro del orificiopresión aguas arribapresión aguas abajotemperatura del aireAbrir calculadora

¿Cómo debe medir y ajustar la amortiguación real?

En el ensayo JFPS, las presiones de amortiguación alcanzaron 8, 10 y 12 bar a partir de ensayos de alimentación respectivos de 4, 5 y 6 bar en configuración meter-out, con un tiempo de carrera de amortiguación declarado de 0,4 segundos (Kim y Lee, 2002). Por tanto, la presión de amortiguación transitoria puede superar la presión de alimentación.

Empiece por el manual exacto del producto. Las instrucciones CM2 de SMC indican que no debe funcionar completamente cerrada, que no debe superar su abertura útil declarada y que debe abrirse gradualmente mientras se comprueba el funcionamiento del cilindro. Otra serie puede utilizar una referencia, un sentido, una herramienta, un elemento de retención o un límite diferentes.

Utilice una secuencia de ensayo controlada:

Registre la serie del cilindro, el diámetro, la carrera, la opción de amortiguación, el montaje, la carga, la presión de alimentación, la válvula, la tubería, el silenciador y la posición de ajuste actual.
Compruebe la masa móvil y la velocidad de entrada en la amortiguación medida frente a la tabla exacta de amortiguación del fabricante.
Marque la posición inicial de la aguja y ajuste un extremo cada vez.
Reduzca la velocidad a la condición de puesta en servicio del fabricante antes de acercarse al estado final de producción.
Registre la posición o el tiempo de la zona final, la presión de la cámara de amortiguación, la presión de la cámara opuesta y el rebote visible durante varios ciclos.
Cambie la aguja en incrementos pequeños y repetibles permitidos por el manual.
Deje de ajustar si el rango útil no puede eliminar el impacto sin generar rebote o un avance final demasiado largo.

En concreto, el transductor de presión situado en el punto de prueba del lado de amortiguación necesita un rango y una respuesta adecuados para el transitorio esperado. Por tanto, combínelo con la posición o con la temporización de alta frecuencia de la zona final. Un manómetro del regulador de planta por sí solo no puede mostrar el pico de presión local que aparece después de cerrar la vía de escape principal.

Para el comportamiento de la carrera principal, la guía de control de velocidad meter-out explica cómo el regulador estabiliza el movimiento antes de que actúe la amortiguación. Si el movimiento es inestable durante toda la carrera, corrija primero ese circuito. No utilice la aguja de amortiguación como regulador de velocidad principal.

Utilice la Calculadora de energía de amortiguación de cilindros como paso de evaluación para la masa móvil, la velocidad de entrada, la fuerza motriz y la carrera de amortiguación. Los datos de energía o masa-velocidad del fabricante siguen siendo el límite de aceptación.

Límites del modelo y límite de selección

Un estudio de TU Dresden de 2022 utilizó un modelo térmico de 18 páginas en lugar de una sola ecuación algebraica de orificio y lo validó con distintas presiones de alimentación, velocidades del pistón y aberturas del estrangulador (Nazarov y Weber, 2022). Una calculadora sencilla es útil para evaluar, no para certificar la amortiguación final.

Además, varios efectos quedan fuera de las ecuaciones ideales utilizadas arriba:

El área efectiva y $C_d$ varían con la posición de la aguja y con el régimen de Reynolds o Mach.
La punta y el sello de amortiguación pueden generar fugas o una geometría de derivación cambiante.
La conductancia del tubo, el racor, la válvula y el silenciador puede limitar el flujo aguas abajo.
La temperatura de la cámara cambia durante la compresión y la descarga rápidas.
La fricción del sello y de la guía, la carga lateral y la estructura elástica de la máquina alteran el movimiento.
La cámara opuesta sigue impulsando o resistiendo el pistón.
Un contacto externo o un tope mecánico puede terminar el movimiento antes de la carrera de amortiguación diseñada.

Por consiguiente, utilice tres niveles de modelado progresivo. Empiece con los datos de energía del catálogo para la selección. Después añada un cálculo de orificio compresible en régimen permanente para comprender la restricción. Pase a la medición sincronizada de presión y movimiento, o a una simulación transitoria validada, cuando sean críticos la presión máxima, el rebote, el tiempo de ciclo o la carga de la tapa final.

Si el impacto persiste después de mantener el cilindro dentro de su rango de funcionamiento aprobado y la aguja conserva autoridad de ajuste, siga la secuencia de diagnóstico de fallos de amortiguación del cilindro. Si la energía requerida queda fuera de la tabla del cilindro, reduzca la velocidad de entrada, aumente la capacidad de amortiguación disponible o seleccione un amortiguador externo.

Preguntas frecuentes sobre el flujo de la aguja de amortiguación

El catálogo CM2 de SMC establece un límite de producto de 3 vueltas, mientras que la relación de gas ideal de NASA proporciona la relación de presión crítica de 0,528 para el aire. Estas cifras responden a preguntas diferentes. Las siguientes cinco respuestas mantienen separados la geometría, el flujo, la energía y el ajuste para que ninguna cifra se utilice fuera de su ámbito válido.

¿Puedo ajustar una aguja de amortiguación solo con el diámetro y la carrera del cilindro?

No. El diámetro y la carrera no definen la geometría de la aguja, la longitud de acoplamiento de la amortiguación, la masa móvil, la velocidad de entrada, la conductancia aguas abajo ni la energía admisible. Consulte primero el manual del cilindro y su tabla de masa-velocidad o energía. Después ajuste la carga real registrando la referencia específica de la aguja, el movimiento de la zona final y la respuesta de presión.

¿El flujo estrangulado significa que la presión de amortiguación deja de aumentar?

No. El flujo estrangulado significa que la restricción ha alcanzado su caudal másico ideal máximo para la presión, temperatura y área aguas arriba actuales. El pistón todavía puede reducir la cámara más rápido de lo que escapa el aire. La presión de amortiguación puede seguir aumentando y la capacidad de caudal másico estrangulado también crece cuando aumenta la presión absoluta aguas arriba.

¿Por qué puede comportarse de forma distinta el mismo ajuste de aguja a dos velocidades?

La energía cinética varía con el cuadrado de la velocidad, y la velocidad de entrada en la amortiguación también cambia la rapidez con que desaparece el volumen de la cámara. Al duplicar la velocidad de entrada, la energía cinética se multiplica por cuatro antes de considerar la fuerza motriz. La misma abertura debe entonces descargar una compresión más rápida y puede producir impacto, rebote o un pico de presión mayor.

¿Los cálculos del flujo de amortiguación deben usar presión manométrica o absoluta?

Use presión absoluta para las relaciones de presión, la densidad y las ecuaciones de flujo compresible. La presión manométrica sirve para las lecturas habituales de máquina, pero una presión manométrica de cero sigue siendo aproximadamente una atmósfera absoluta. Registre tanto la lectura manométrica como la referencia atmosférica al convertir datos de ensayo, especialmente al comparar distintos emplazamientos o altitudes.

¿Cuándo debería utilizar un amortiguador externo en su lugar?

Utilice un amortiguador externo u otra estrategia de movimiento cuando la energía móvil calculada supere la envolvente de amortiguación publicada del cilindro, el rango de carga o velocidad sea demasiado amplio para un ajuste estable o el ajuste no pueda eliminar el impacto sin rebote o un avance final lento. Confirme por separado los límites de montaje, alineación, carrera, energía por ciclo y temperatura.

Fuentes y referencias técnicas

ISO 6358-1:2013, características de caudal en régimen permanente de componentes neumáticos. Consultado el 23/07/2026.
ISO 6358-3:2014, cálculos de sistema para flujo compresible subsónico y estrangulado. Consultado el 23/07/2026.
NASA Glenn, estrangulamiento del caudal másico. Consultado el 23/07/2026.
Catálogo de cilindros neumáticos de la serie CM2 de SMC. Consultado el 23/07/2026.
Catálogo Parker 0900P-7, cilindros neumáticos de cuerpo redondo. Consultado el 23/07/2026.
Kim y Lee, estudio experimental de las características de amortiguación de un sistema de cilindro neumático. Consultado el 23/07/2026.
Nazarov y Weber, modelo de transferencia de calor para la amortiguación de fin de carrera de cilindros neumáticos. Consultado el 23/07/2026.

Dinámica del flujo en agujas de amortiguación ajustables

Eric Zhou