摩擦・背圧によるシリンダ推力損失の計算 | ベプト空圧、ベプト工業の空圧製品ライン

Q: 空圧シリンダには何%の摩擦を使用すべきですか？

入手できる場合はメーカーの摩擦または摺動抵抗データを使用します。それ以外は、定義した条件で起動摩擦と走行摩擦を測定します。一般的な百分率は予備的な余裕にすぎません。

Q: 背圧は供給圧力から差し引くべきですか？

圧力が等しい面積に作用する場合だけです。片ロッドシリンダではピストン全面積とロッド側環状面積が異なるため、各圧力面積による力を別々に計算します。

Q: 内部漏れはシリンダ推力を直接低下させますか？

漏れで室圧力が変わる場合は推力も変わります。両ポート圧力の測定後に固定の漏れ百分率を別途差し引かず、隔離、圧力減衰、流量、保持試験で診断します。

Q: 起動推力と走行推力が異なるのはなぜですか？

動き始めのシールとガイドの抵抗は定常移動中と異なることがあります。定義した試験条件で、起動時ピークと定速走行時の残差を別々に記録します。

Q: レギュレータ圧力計から実際の推力を計算できますか？

動的ストローク中は信頼できません。両方のシリンダポート圧力を測定し、それぞれを正しい有効面積に適用します。

両側の有効ピストン面積に作用する圧力から実際のシリンダ推力を計算し、測定値または機種固有の機械摩擦を差し引きます。 すべてのシリンダに一律の「効率百分率」を適用してはいけません。排気絞り、メータアウト弁、シール設計、ガイド荷重、温度、運動状態のそれぞれが結果を変える可能性があります。

最も有用な測定値は、機械が所定のストロークを実行している間のシリンダポートにおけるヘッド側圧力とロッド側圧力です。これらの値により、推測せずに供給側の圧力損失と排気背圧を把握できます。さらに、ロードセルまたは既知の外部荷重を用いることで、残る起動摩擦または走行摩擦を明らかにできます。

要点

正味推力の計算には、2つの室圧力と2つの有効面積を使用します。

背圧は反対側の面積に作用し、必ずしもピストン全面積に作用するわけではありません。

SMCは、摺動抵抗が圧力、機種、内径によって変わると説明しています。

後述の計算例では、供給圧力不足による98 N、背圧による132 N、測定摩擦による100 Nを分けて示します。

シリンダ推力損失とは何ですか？

シリンダ推力損失とは、明確に定義した基準推力と、外部荷重に利用できる出力との差です。 Parkerは、内径2 inch、80 psiにおける理論押出推力を251 lbfと記載しており、これは圧力と面積を直接乗じた結果です（Parker、2026年参照）。

この基準は明記する必要があります。そうしなければ、「20%の推力損失」は次のどれを意味するのか分かりません。

コンプレッサ圧力とシリンダポート圧力の差。
排気中の室圧力によって打ち消される推力。
シール、軸受、ガイド、芯ずれによる摩擦。
起動推力と安定走行推力の差。
物理的損失ではない設計余裕。

理論推力は、摩擦と反対側室圧力を差し引く前に、圧力へ該当する有効面積を乗じた値です。正味圧力推力は、両室の圧力と面積の項を反映した結果です。利用可能な負荷推力は、正味圧力推力から機械摩擦とその他の指定抵抗力を差し引いた値です。

これらの値を分けて扱ってください。加速度、不確かさ、使用条件に対する余裕は、物理的な力の釣り合いを計算した後の選定判断に含めるもので、摩擦として扱うべきではありません。理想状態の初期計算には、空圧シリンダの理論推力ガイドを使用してください。

「推力損失」を監査可能な値にするには、基準状態、運動方向、ピストン位置、速度、ポート圧力、測定方法を結果と併記する必要があります。これらの条件がなければ、その百分率を別の機械へ安全に適用できません。

シリンダ両室から正味推力を計算する方法

両方のシリンダポートで測定した圧力に、それぞれの圧力が作用する面積を乗じます。 Parkerは理論出力を $F = P \cdot A$ と定義しています。Festoは、特に排気流量制御や排気絞りがある場合、排気背圧が反対向きの力を発生させると説明しています（Festo、2022年）。

片ロッド複動シリンダでは、まずピストン面積と環状面積を計算します。

A_p = \frac{\pi D^2}{4}

A_a = \frac{\pi \left(D^2-d^2\right)}{4}

ここで、 $A_p$ はピストン全面積、 $A_a$ はロッド側環状面積、 $D$ はシリンダ内径、 $d$ はロッド径です。一貫した単位系を使用してください。MPa単位の圧力にmm²単位の面積を乗じると、1 MPaは1 N/mm²なので推力はNになります。

押出時に利用できる推力は次のとおりです。

F_{\mathrm{ext}} = P_c A_p - P_r A_a - F_{f,\mathrm{ext}}

引込時に利用できる推力の大きさは次のとおりです。

F_{\mathrm{ret}} = P_r A_a - P_c A_p - F_{f,\mathrm{ret}}

$P_c$ はヘッド側圧力、 $P_r$ はロッド側圧力、 $F_f$ は選択した運動方向に逆らう摩擦です。大気圧を共通基準とする場合は、ゲージ圧を一貫して使用してください。外部ばね、重力成分、加速力、プロセス荷重が運動に逆らう場合は、それらを $F_f$ に含めず、この計算後の利用可能推力と比較します。

ツールシリンダ選定シリンダ推力計算ツール内径、ロッド径、作動圧力、摩擦余裕、安全率から押出・引込推力を概算し、その後、余裕値を実測したポート圧力と摩擦データに置き換えます。推力 = 圧力 × 有効面積ボア径ロッド径作動圧力摩擦損失率計算ツールを開く

推力損失を整理する際は、圧力項、摩擦、外部荷重、設計余裕を分けます。指定動作中にシリンダポートで圧力を測定してください。

摩擦損失を計算する方法

メーカーの摺動抵抗データを使用するか、据付済み軸で摩擦を測定します。 SMCは0.5 MPaにおける目安値を公開していますが、摺動抵抗は作動圧力によって変化し、機種や内径でも異なると注意しています（SMC、2026年参照）。

一般式 $F_f = \mu N$ は、通常、空圧シール摩擦の算定には不十分です。シール接触力 $N$ はほとんどの場合不明であり、リップシールは圧力で変形し、グリース状態も変化します。また、ガイド付きアクチュエータでは軸受抵抗も加わります。NBR、ポリウレタン、PTFE、FKMの一般的な摩擦係数を、シリンダアセンブリ全体のデータの代わりに使用することはできません。

次の3つの方法から選びます。

機種固有データ： カタログに記載された圧力、速度、潤滑、温度における代表的な摩擦値または摺動抵抗値を使用します。
無負荷測定： シリンダを負荷から切り離して制御速度で運転し、両ポート圧力を測定して正味圧力推力を計算します。ロッド重量と治具を考慮した後の残差をアセンブリ摩擦とします。
負荷測定： 両室圧力を記録しながら、校正済みロードセルで外力を測定します。摩擦は、正味圧力推力と、独立して把握した荷重、慣性項、重力項との差です。

起動摩擦と走行摩擦は別々に記録する必要があります。起動推力は、停止後に動き始めるために必要なピーク値です。走行摩擦は、安定した運動の開始後に測定します。低速のスティックスリップでは値が一定にならず振動することがあります。空圧シリンダの起動推力ガイドでこの違いを説明しています。

当社の経験では、機械が冷えている、低速で動く、横荷重を受ける、または長時間停止する条件で、単一の「摩擦百分率」は特に信頼性が低くなります。起動時ピークと、定義した定速区間の平均値を記録すると、より有用な受入試験になります。

背圧によって失われる推力

背圧による力は、排気室圧力にその室の有効面積を乗じた値です。 Parkerのロッドレスシリンダ用しきい値センサは排気背圧を監視し、約6～9 psigの作動しきい値を使用しています。これは、運動中の排気室に測定可能な圧力が残ることを示しています（Parker、2026年参照）。

片ロッドシリンダの押出時：

F_{\mathrm{back,ext}} = P_r A_a

引込時：

F_{\mathrm{back,ret}} = P_c A_p

この面積差が重要です。押出時、ロッド側背圧は小さい環状面積に作用します。引込時、ヘッド側背圧はピストン全面積に作用します。供給圧力から背圧を先に差し引き、その結果に1つの面積を乗じる方法が成立するのは、向かい合う面積が等しい場合だけです。

背圧は常に異常とは限りません。メータアウト流量制御は、シリンダ速度を安定させるために意図的に排気を絞ります。設計上の確認事項は、十分な正味推力を負荷用に残しながら、動作を制御できるかどうかです。サイレンサの詰まり、小さすぎる弁、長い排気チューブ、抵抗の大きい継手は、意図しない背圧を発生させる可能性があります。

弁マニホールドだけでなく、シリンダポートで測定してください。シリンダと絞りの間の圧力がピストンに逆らう量です。応答が遅い圧力計では加速時のピークを捉えられないため、動的試験に適したレンジとサンプリング速度を持つ圧力変換器を使用します。

計算例：推力損失内訳のすべてのニュートン

この例では、押出中の内径50 mm、ロッド径20 mm、ヘッド側圧力0.55 MPa、ロッド側圧力0.08 MPaを使用します。 計算基準はParkerの圧力面積関係です。仮定した走行摩擦100 Nは説明用の測定入力であり、普遍的な定格値ではありません（Parker、2026年参照）。

有効面積は次のとおりです。

A_p = \frac{\pi (50\ \mathrm{mm})^2}{4} = 1963.5\ \mathrm{mm}^2

A_a = \frac{\pi \left((50\ \mathrm{mm})^2-(20\ \mathrm{mm})^2\right)}{4} = 1649.3\ \mathrm{mm}^2

実測ヘッド側圧力による駆動力：

F_{\mathrm{drive}} = 0.55\ \mathrm{MPa} \times 1963.5\ \mathrm{mm}^2 = 1079.9\ \mathrm{N}

反対側のロッド側圧力による力：

F_{\mathrm{back}} = 0.08\ \mathrm{MPa} \times 1649.3\ \mathrm{mm}^2 = 131.9\ \mathrm{N}

説明用の実測走行摩擦を差し引くと：

F_{\mathrm{available}} = 1079.9 - 131.9 - 100 = 848.0\ \mathrm{N}

次に、この結果を、ヘッド側0.60 MPa、ロッド側ゲージ圧ゼロ、摩擦なしという明示した基準と比較します。基準推力は1178.1 Nです。330.1 Nの差は、一般的な百分率を使わずに次のように説明できます。

推力損失項目	計算	損失
駆動圧力不足	$F_{\mathrm{shortfall}} = (0.60-0.55)\ \mathrm{MPa} \times 1963.5\ \mathrm{mm}^2$	98.2 N
ロッド側背圧	$F_{\mathrm{back}} = 0.08\ \mathrm{MPa} \times 1649.3\ \mathrm{mm}^2$	131.9 N
実測走行摩擦	試験入力	100.0 N
基準からの総差	3項目の合計	330.1 N

利用可能推力は、この特定の基準より約28%低くなります。この百分率は、ここで明示した入力にのみ有効です。弁、速度、シール状態、温度、負荷の芯合わせ、ポート圧力が変われば、再計算してください。

圧力降下、背圧、漏れの区別

CAGIは、適切に設計された圧縮空気システムでは、通常、コンプレッサ吐出部から使用点までの圧力降下が10%以下であるとしています。 このシステム全体の基準値はシリンダ背圧やシール摩擦と同じではなく、実測シリンダポート圧力を使用した後に再度差し引いてはいけません（CAGI、2026年参照）。

次の定義を使用してください。

供給圧力降下は、需要発生中の上流基準圧力と作動中のシリンダポート圧力との差です。フィルタ、弁、継手、チューブ、分配配管が原因になり得ます。
背圧は、本来排気される室にある圧力です。その室の有効面積へ直接反対向きの力を発生させます。
内部漏れは、シールまたは別の内部経路を横切る流れです。時間の経過とともに、室圧力、保持動作、空気使用量、速度、位置を変える可能性があります。

両室圧力をすでに測定している場合、別途、漏れによる推力損失率を自動的に差し引かないでください。漏れによって駆動圧力が低下するか反対側圧力が上昇するなら、その推力への影響はすでに2つの圧力面積項に含まれています。漏れは、文書化した隔離試験、圧力減衰試験、流量試験、保持試験で別に診断します。

この区別により、上流損失の二重計上も防げます。レギュレータが0.60 MPaを示し、運動中のヘッド側変換器が0.55 MPaを示す場合は、0.55 MPaで推力を計算します。0.05 MPaの不足は診断情報として有用ですが、推力結果から再度差し引いてはいけません。

分配側の診断には、圧縮空気の圧力降下ガイドを使用するか、圧力降下計算ツールで直管部分の寄与を推定してください。

機械上で実際のシリンダ推力を測定する方法

FestoのあるISOシリンダのデータシートには、6 barで理論前進推力4,712 N、代表摩擦160 Nと、その構成に固有の値が記載されています。 約3.4%という比率は機種固有です。このため、機械試験では選定したシリンダ、実圧力、実際の運動条件が必要です（Festo、2025年）。

次の試験手順を使用します。

試験状態を定義します。 方向、ピストン位置、可搬質量、取付方向、指令速度、停止時間、空気温度、起動値か走行値かを記録します。
2台の圧力変換器を取り付けます。 ヘッド側ポートとロッド側ポートのできるだけ近くに配置します。ゼロ点、レンジ、単位、同期データ収集を確認します。
外力を独立して測定します。 校正済みロードセルまたは既知の荷重経路を持つ治具を使用します。モータ電流や弁指令を推力測定の代わりに使用してはいけません。
全ストロークを記録します。 起動、加速、定速移動、減速、クッション、ストローク端圧力を個別に特定します。
正味圧力推力を計算します。 同期した各圧力波形に正しい面積を適用します。
残差を計算します。 適切な定常区間で、正味圧力推力を荷重、重力、加速度項と比較します。残る反対向きの力が、据付状態の摩擦とモデル化されていない抵抗です。
該当条件で繰り返します。 冷間始動、通常作動温度、両方向、想定する最小・最大可搬質量、重要な最低速度で試験します。

ヘッド側圧力の大幅な低下は、供給絞りまたは流量不足を示します。押出中のロッド側圧力が高ければ排気絞りが疑われます。両室圧力が正常なのに残差が大きければ、シール摩擦、ガイド予圧、横荷重、汚染、芯ずれが考えられます。この診断は、一律の安全率を増やすより具体的な対策につながります。

測定した推力不足を説明するのではなく必要圧力を求める場合は、関連するシリンダ最低作動圧力ガイドを使用してください。

シリンダ推力損失に関するFAQ

以下の回答では、一律の損失余裕ではなく2圧力による力の釣り合いを適用します。 ISO 15552は内径32 mm～320 mm、定格圧力最大1,000 kPaの互換シリンダを対象としますが、規格適合シリンダすべてに共通する1つの摩擦百分率は定めていません（ISO、2025年確認）。

空圧シリンダには何%の摩擦を使用すべきですか？

入手できる場合は、選定したメーカーの摩擦または摺動抵抗データを使用してください。それ以外は、定義した条件で起動摩擦と走行摩擦を測定します。Festoは予備選定で10%の余裕を含める場合がありますが、潤滑、圧力、背圧、シール設計で結果が変わるため、これは概算値であると明記しています。

背圧は供給圧力から差し引くべきですか？

2つの圧力が等しい面積に作用する場合だけです。片ロッドシリンダの押出時には、背圧は環状面積に作用し、駆動圧力はピストン全面積に作用します。2つの圧力面積による力を別々に計算してください。両ロッド形や一部のロッドレス構成では公称面積が等しいことがありますが、機種の形状を確認する必要があります。

内部漏れはシリンダ推力を直接低下させますか？

漏れによって室圧力が変わる場合は推力に影響しますが、両ポート圧力の測定後に別途差し引く固定百分率ではありません。漏れは、空気消費量、保持安定性、速度、圧力保持へより直接的に影響します。隔離試験、減衰試験、流量試験で漏れ経路を診断してください。

起動推力と走行推力が異なるのはなぜですか？

停止後に動き始めるときのシールとガイドの抵抗は、定常移動中の抵抗と異なることがあります。圧力、潤滑、温度、速度、横荷重、シール変形が差に影響します。動き始めのピークと、定義した定速区間の平均残差を分けて記録してください。

レギュレータ圧力計から実際の推力を計算できますか？

動的ストローク中は、信頼できる計算になりません。レギュレータ圧力計では、弁やチューブでの圧力損失、排気室に残った圧力が分かりません。機械が所定の動作をしている間に両方のシリンダポートを測定し、それぞれの圧力を正しい有効面積に適用してください。

摩擦と背圧によるシリンダ推力損失の計算方法

Jack Chen