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垂直上昇用途のシリンダ選定計算 技術ガイド

m(g+a)、最低ポート圧力、背圧、有効受圧面積、120 kg荷重の計算例から、垂直上昇用空圧シリンダのボア径を選定する手順を解説します。

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Jack Chen, 空圧エンジニア, ベプト空圧

著者について

Jack Chen

空圧エンジニア

Jackです。ベプト空圧の空圧エンジニアとして、見積前の空圧製品要件、部品用途、技術詳細の確認を支援します。

著者の記事Jack@bepto.com

垂直上昇用シリンダの選定計算は、上昇させる質量、必要な上向き加速度、実測抵抗、アクチュエータで確保できる最低圧力から始めます。次に、どちらのチャンバで荷重を上げるかを確認し、設計推力を必要最小有効面積と標準ボア径に換算します。重力は計算項目の一つにすぎません。

この記事は計算ワークシートです。ガード、外部ガイド、ロッドロック、ブレーキ、保守用支持装置の選定は扱いません。これらのシステム判断については、より広範な垂直昇降用シリンダ選定ガイドを参照してください。

要点

  • NISTによる標準重力加速度は9.80665 m/s²です。
  • 一律の動的余裕率を適用せず、必要な上向き加速度と実測抵抗を加えます。
  • 駆動ポートの最低圧力、反対側ポートの背圧、正しいピストン面積から選定します。
  • 計算で求めたボア径だけでは、空気圧喪失後の確実な荷重保持はできません。

発行者情報は会社概要ページで確認できます。技術的な質問や訂正依頼はお問い合わせからお寄せください。

垂直上昇の選定条件を決める入力値

ISO 4414:2010は2021年の定期見直し後も有効で、空圧システムの一般規則と安全要求事項を扱っています。ただし、あらゆる昇降用途に一つのボア径、使用圧力、設計係数を指定する規格ではありません。面積を計算する前に、最大移動質量、モーションプロファイル、ポート圧力、機構形状、故障時の境界条件を定義してください（ISO 4414、2026年参照）。

移動質量とは、シリンダストロークに伴って重心が上昇するすべての構成品です。ワーク、ツーリング、治具、キャリッジ、可動するロッドまたはキャリア、ケーブルベヤ、機構の可動部分を含めます。アセンブリの一部という理由だけで、固定されたシリンダ本体まで加算しないでください。

最低限、計算シートには次の入力値が必要です。

入力項目 記号 必要な値
最大移動質量 mm kg、ワークと可動部品を含む
上向き加速度 aa モーションプロファイルから求めたm/s²
ガイド抵抗および工程抵抗 FresF_{\mathrm{res}} N、実測値または根拠を明記した保守的な値
プロジェクト設計係数 kdk_d 適用規格またはリスクレビューで定義
上昇方向 伸長または収縮 ピストン全面積かロッド側環状面積かを決定
駆動ポート最低圧力 Pdrive,minP_{\mathrm{drive,min}} 動作中にシリンダで測定したPa、bar、またはMPa
反対側ポート最大圧力 Pback,maxP_{\mathrm{back,max}} 駆動圧力と同じ単位
候補ロッド径 dd 環状面積が推力に影響する場合に必要
ストロークと取付方法 機構条件 座屈、芯出し、クリアランス確認に必要

なぜレギュレータ設定圧力ではなくポート圧力を使うのでしょうか。シリンダに届くのは、供給配管、バルブ、継手、流量による圧力損失を差し引いた圧力だからです。排気側チャンバにも背圧が残ることがあります。許容される最大生産負荷の条件で、両ポートの圧力を記録してください。

当社の経験では、垂直上昇計算の弱点を最も早く見つける方法は、1枚の図面上で最大質量、必要加速度、駆動ポート最低圧力、反対側ポート最大圧力の4値を確認することです。一つでも欠けていれば、精密に見えるボア径の結果も仮定に基づいています。

質量と加速度から上向き必要推力を計算する

NISTが示す標準重力加速度は9.80665 m/s²です。したがって100 kgの質量は、加速度、ガイド摩擦、工程抵抗を加える前の段階で980.665 Nの重力を生じます。加速度を一律20%または30%の余裕率に置き換えず、指定された動作条件を計算してください（NIST国際単位系（SI）使用ガイド、2026年参照）。

上向き動作の基本的な機械必要推力は、次式で求めます。

Fdemand=m(g+a)+FresF_{\mathrm{demand}} = m\left(g+a\right) + F_{\mathrm{res}}

ここで、FdemandF_{\mathrm{demand}}は必要な上向き機械推力（N）、mmは移動質量（kg）、ggは重力加速度、aaは必要な上向き加速度、FresF_{\mathrm{res}}はガイド摩擦と外部工程抵抗を合算した力（N）です。

プロジェクトで根拠を明記した設計係数が必要な場合は、次のように明示して適用します。

Fdesign=kd⋅FdemandF_{\mathrm{design}} = k_d \cdot F_{\mathrm{demand}}

係数kdk_dは空圧システムに共通する普遍的な定数ではありません。指定された荷重変動、測定不確かさ、摩耗余裕、または社内設計基準を含める場合があります。不明な質量、加速度、圧力を覆い隠すために使わず、まずそれらの入力値を決定してください。

重複加算を避けてください。実測抵抗にガイド摩擦とツーリング反力がすでに含まれている場合、一般的な摩擦率をさらに加えてはいけません。同様に、加速度項a=0.30ga = 0.30gは質量に起因する推力をすでに30%増加させています。同じ加速度に対して別の「動的係数」を掛けると二重に数えることになります。

最も分かりやすい計算シートでは、物理的な必要推力、プロジェクト設計係数、候補シリンダの能力の3層を分けます。これにより、すべての仮定が見えるようになり、レビュー担当者は計算全体を作り直さずに一つの入力値だけを変更できます。

上昇に使うチャンバと有効圧力を選ぶ

Parkerは、シリンダの理論推力がF=P⋅AF = P \cdot Aに従うと説明し、ピストンロッドによって収縮側面積が小さくなるため、押し側と引き側の値を別々に掲載しています。同じ区別が垂直上昇の選定計算にも当てはまり、通常、伸長時はピストン全面積、収縮時はより小さいロッド側環状面積を使います（Parker空圧アクチュエータ製品資料、2025年）。

ボア径をDD、ロッド径をddとすると、

Ap=πD24A_p = \frac{\pi D^2}{4}
Aa=π(D2−d2)4A_a = \frac{\pi\left(D^2-d^2\right)}{4}

ここで、ApA_pはピストン全面積、AaA_aはロッド側環状面積です。SI単位を統一して使用してください。直径をmで入力すると面積はm²、圧力はPa、推力はNになります。

伸長で荷重を上げる場合、圧力はピストン全面積に作用し、ロッド側の背圧が動作を妨げます。

Fup,ext=PcapAp−ProdAa−FlossF_{\mathrm{up,ext}} = P_{\mathrm{cap}}A_p - P_{\mathrm{rod}}A_a - F_{\mathrm{loss}}

収縮で荷重を上げる場合、ロッド側圧力は環状面積に作用し、ヘッド側圧力が動作を妨げます。

Fup,ret=ProdAa−PcapAp−FlossF_{\mathrm{up,ret}} = P_{\mathrm{rod}}A_a - P_{\mathrm{cap}}A_p - F_{\mathrm{loss}}

FlossF_{\mathrm{loss}}は、機械側必要推力にまだ含まれていないシリンダ内部損失と接続部損失を表します。メーカー資料、実測性能、または根拠を明記した保守的な余裕値から求めてください。同じ損失を比較式の両側で二重に差し引かないでください。

収縮で上昇させる場合、AaA_aがApA_pより小さいため、より大きいボア径が必要になることがあります。また、ロッド座屈、汚染への露出、取付方法、故障時挙動も変わります。推力計算を確定する前に、実機の取付姿勢を決めてください。

設計推力を最小ボア径に換算する

ParkerのOSP-P技術データでは、ボア径50、63、80 mmの6 bar時理論推力がそれぞれ1,178 N、1,870 N、3,016 Nです。これらは圧力と面積の積に基づく値であり、小数点位置を一桁誤るだけで垂直軸を10倍過大または過小に選定する理由が分かります（Parker OSP-P技術データ、2025年）。

伸長側の一次計算では、その単純化が実際の回路に適合する場合に限り、駆動圧力と背圧を保守的な有効圧力にまとめます。

Peff=Pdrive,min−Pback,maxP_{\mathrm{eff}} = P_{\mathrm{drive,min}} - P_{\mathrm{back,max}}

次に、必要面積を概算します。

Areq=FdesignPeffA_{\mathrm{req}} = \frac{F_{\mathrm{design}}}{P_{\mathrm{eff}}}
Dmin=4AreqπD_{\mathrm{min}} = \sqrt{\frac{4A_{\mathrm{req}}}{\pi}}

AreqA_{\mathrm{req}}は、カタログ掲載シリンダを選ぶ前に求める最小有効面積です。DminD_{\mathrm{min}}は対応する理論ボア径です。次に大きい標準ボア径を選び、実際のロッド径、両チャンバ面積、ポート圧力、根拠を明記した損失余裕値を用いて再計算します。

ツールシリンダ選定シリンダ内径計算ツール設計上昇推力と保守的な有効圧力から最小ボア径を概算し、実際の駆動圧力、背圧、ロッド径、損失を用いて選定シリンダを検証してください。必要面積 = 設計推力 / (圧力 x 効率 x 速度基準負荷係数)選定入力モード必要荷重または移動質量移動方向ガイド摩擦計算ツールを開く

この計算ツールは一次選定用です。単一の使用圧力入力だけでは、あらゆる二チャンバ圧力条件を再現できません。実測背圧が重要な場合は、適切に保守側へ設定した有効圧力を入力し、上記のチャンバ推力式で結果を確認してください。

計算例：120 kgの垂直上昇荷重を選定する

NISTの重力値9.80665 m/s²を使うと、120 kgのアセンブリを0.8 m/s²で上向きに加速する際、質量と加速度だけで1,272.8 Nが必要です。根拠を明記したガイド抵抗と工程抵抗150 Nを加えると、プロジェクト指定の設計係数を適用する前の必要推力は1,422.8 Nになります（NIST、2026年参照）。

次の設計入力値を仮定します。

入力項目 値
最大移動質量 120 kg
必要上向き加速度 0.8 m/s²
ガイド抵抗および工程抵抗 150 N
プロジェクト設計係数 1.25
上昇方向 伸長
動作中のヘッド側最低圧力 0.55 MPa
ロッド側最大背圧 0.05 MPa
候補ロッド径 25 mm
候補シリンダの内部損失余裕 圧力推力の10%

まず、機械必要推力を計算します。

Fdemand=120(9.80665+0.8)+150=1,422.8 NF_{\mathrm{demand}} = 120\left(9.80665+0.8\right)+150 = 1{,}422.8\ \mathrm{N}

プロジェクトで定義した係数を適用します。

Fdesign=1.25⋅1,422.8=1,778.5 NF_{\mathrm{design}} = 1.25 \cdot 1{,}422.8 = 1{,}778.5\ \mathrm{N}

ボア径の一次概算には、有効圧力0.50 MPaを使います。

Areq=1,778.5500,000=0.003557 m2A_{\mathrm{req}} = \frac{1{,}778.5}{500{,}000} = 0.003557\ \mathrm{m^2}
Dmin=4(0.003557)π=0.0673 mD_{\mathrm{min}} = \sqrt{\frac{4\left(0.003557\right)}{\pi}} = 0.0673\ \mathrm{m}

理論最小値は67.3 mmなので、一次選定する標準ボア径は63 mmではなく80 mmです。次に、実際のロッド径25 mmと両ポート圧力を用いて、80 mmの候補を検証します。

Ap=π(0.08)24=0.005027 m2A_p = \frac{\pi\left(0.08\right)^2}{4} = 0.005027\ \mathrm{m^2}
Aa=π(0.082−0.0252)4=0.004536 m2A_a = \frac{\pi\left(0.08^2-0.025^2\right)}{4} = 0.004536\ \mathrm{m^2}
Fpressure=550,000Ap−50,000Aa=2,537.8 NF_{\mathrm{pressure}} = 550{,}000A_p - 50{,}000A_a = 2{,}537.8\ \mathrm{N}

この例の内部損失余裕10%を適用すると、

Fusable=0.90⋅2,537.8=2,284.0 NF_{\mathrm{usable}} = {0.90} \cdot 2{,}537.8 = 2{,}284.0\ \mathrm{N}

この候補は、指定した仮定のもとで設計必要推力1,778.5 Nに対して約2,284 Nを発生します。これは推力の一次選定を通過したという意味であり、最終承認ではありません。リリース前に、例示した10%と両ポート圧力を、実際の構成に対応するメーカー資料または実測値に置き換えてください。

収縮で荷重を上げる場合はどうでしょうか。駆動面積を環状面積として計算を繰り返してください。伸長時の結果をそのまま流用してはいけません。

選定したボア径を実際のシリンダ仕様で確認する

SMCのエアシリンダ機種選定資料では、使用圧力0.3、0.5、0.7 MPaごとに、またフート、フランジ、クレビス、トラニオンの取付条件ごとに最大ストロークが異なります。これは、ボア推力だけでは長い圧縮ストロークを承認できず、ロッド径、圧力、ストローク、取付方法によって座屈限界が変わることを示しています（SMCエアシリンダ機種選定資料、2026年）。

標準ボア径を選んだ後は、一般的な寸法ではなく、実際に構成する製品で次の項目を確認します。

  1. 実際のポート圧力における伸長・収縮の理論推力と使用可能推力を確認します。

  2. メーカーが許容する圧力、速度、ストローク、取付方法、姿勢、温度範囲を確認します。

  3. ロッドが圧縮状態で上向きに押す場合は、ピストンロッドの座屈を確認します。一次確認にはロッド座屈計算ツールを使い、その後、選定したメーカーの線図に従ってください。

  4. ガイド荷重と転倒モーメントは別途確認します。標準ピストンロッドをワークのリニアガイドとして扱ってはいけません。

  5. 必要な上昇速度での流量、バルブ容量、配管損失、排気絞りを計算します。ボア径を大きくすると空気消費量が増えます。

  6. 移動質量と速度が、クッションまたは外部ショックアブソーバの吸収エネルギー限界内にあるか確認します。

  7. ブラケット、ピン、締結部品、フレーム剛性、芯出し、全ストロークでのクリアランスを確認します。

ボア径決定後に押し側・引き側推力を個別に確認するには、空圧シリンダ推力計算ツールを使います。入力圧力はコンプレッサの銘板圧力ではなく、アクチュエータで実測または計算した圧力に合わせてください。

当社の実務では、80 mmを選んだだけでは結果とはみなしません。ロッド径、ストローク、取付方法、圧力範囲、速度、クッション、シール、センサ構成、保持方式まで含む完全な仕様が必要です。ボア径が答えるのは一つの問いだけであり、用途への適合を決めるのは構成済みシリンダです。

この計算だけでは確認できない事項

ISO 13849-1:2023は安全関連制御システムの設計を扱い、OSHA 29 CFR 1910.147は対象となる保守作業中の危険エネルギー制御を扱います。どちらの規格も、正しく選定した空圧シリンダのボア径によって、空気圧喪失後に吊り荷を保持できるとは述べていません。動作、保持、非常停止、ガード、保守用支持は、それぞれ別の機能として扱ってください（ISO 13849-1、OSHA）。

このワークシートでは、次の事項は保証できません。

  • クローズドセンタバルブで確実に荷重を保持できること。
  • パイロット操作チェックバルブで、すべてのチューブ、シール、バルブ、構造部材の故障に対応できること。
  • ロッドロックが、停止中の荷重保持だけでなく移動中の荷重を制動できること。
  • ガイドが加わる横荷重とモーメントを支持できること。
  • クッションが可動アセンブリの運動エネルギーを吸収できること。
  • 機械が要求される安全性能レベルを満たすこと。
  • 上昇位置の荷重が保守中も安全であること。

構成、ガイド、速度制御、ストローク端のエネルギー、空気圧喪失時の挙動、試運転、保守時の隔離については、垂直昇降用シリンダ完全選定ガイドを参照してください。機械式保持装置を検討する場合は、シリンダロッドロックガイドを参照してください。

チューブ破断、シール漏れ、停電、または保守作業時に、軸が動く可能性は残っていないでしょうか。ボア径計算では答えられません。リスクアセスメントと検証済みの機械アーキテクチャで判断する必要があります。

垂直上昇用シリンダ選定計算 よくある質問

NISTが規定する標準重力加速度は9.80665 m/s²で、Parkerの6 barデータでは50 mmボアの推力は11,780 Nではなく1,178 Nです。この2値を確認すると、kgとNの混同や、圧力と面積の計算で小数点を一桁ずらすという、垂直上昇用途でよくある誤りを見つけられます（NIST、Parker）。

重力と上向き加速度は両方とも計算に含めますか？

はい。荷重が上向きに加速するときはm(g+a)m(g+a)を用い、実測したガイド抵抗と工程抵抗を加えます。NISTによるとg=9.80665 m/s2g = 9.80665\ \mathrm{m/s^2}です。一定の動的余裕率20%は一つの仮定加速度に相当するだけであり、実際のモーションプロファイルを置き換えるものではありません。

垂直上昇動作にはどのピストン面積を使いますか？

伸長で荷重を上げる場合はピストン全面積、収縮で上げる場合はロッド側環状面積を使います。Parkerが押し側と引き側の推力を別々に掲載しているのは、ロッドによって収縮側面積が小さくなるためです。ボア径を承認する前に、反対側チャンバの背圧を含め、実際に構成するロッド径を使ってください。

ボア径計算にレギュレータ設定圧力を使えますか？

通常運転で負荷が最大となるときの駆動ポート最低圧力を表す場合に限ります。バルブ、チューブ、継手、共通供給配管の損失でシリンダ圧力は低下し、排気抵抗によって反対側の背圧が発生します。両ポートを測定するか、全サイクルについて保守的な圧力範囲を計算してください。

垂直上昇用途の設計係数はどの値にすべきですか？

すべての垂直上昇軸に共通する1.5や2.0という係数はありません。kdk_dは、プロジェクト規格、荷重変動、測定不確かさ、デューティ、機器メーカーの指針、リスクレビューから定めます。既知の質量、加速度、摩擦、背圧、メーカーのディレーティングとは分けて扱い、重複加算を防いでください。

十分に大きいボア径を選べば荷重落下を防げますか？

いいえ。ボア径選定で分かるのは、所定の圧力条件でシリンダが必要な動作推力を発生できるかどうかです。空気圧喪失、チューブ破断、バルブ漏れ、シールバイパス、構造破損、保守作業時の確実な拘束は実現できません。荷重保持は別の機械機能として選定し、検証してください。

出典および技術資料

  • NIST国際単位系（SI）使用ガイド。根拠：標準重力加速度。資料種別：国家計量機関、2026年参照。
  • ISO 4414:2010。根拠：空圧システムの一般規則と安全範囲。資料種別：国際規格、2021年に定期見直し・確認。
  • ISO 13849-1:2023。根拠：安全関連制御システムの設計方法。資料種別：国際規格。
  • Parker空圧アクチュエータ製品資料。根拠：圧力・面積による推力式と押し側・引き側推力。資料種別：メーカー技術カタログ、2026-07-19取得。
  • Parker OSP-P技術データ。根拠：6 bar時の理論推力値。資料種別：メーカー技術カタログ、2026-07-19取得。
  • SMCエアシリンダ機種選定資料。根拠：取付条件によって変わるロッド座屈および最大ストローク選定。資料種別：メーカー技術カタログ、2026-07-19取得。
  • OSHA 29 CFR 1910.147。根拠：対象となる保守作業中の危険エネルギー制御。資料種別：政府規則。