シリンダのストローク位置は、圧力で生じる軸方向推力を直接低下させません。有効圧力とピストン面積が同じなら、理論推力はロッドが格納位置、ストローク中央、全伸長のいずれにあっても同じです。伸長によって変わるのは機械的な状態です。レバーアームが長くなると曲げモーメントとたわみが増え、支持されていないロッドが長くなると座屈への抵抗が低下します。
この区別が重要なのは、アクチュエータが十分な空圧推力を持っていても、加わる横荷重に対して安全とは限らないためです。適切な設計では、次の3点を分けて確認します。シリンダは必要な軸方向推力を発生できるか。この位置でロッド、軸受、取り付け部は横荷重とモーメントに耐えられるか。伸長したロッドは圧縮荷重下で安定しているか。
要点
- Parkerは、シリンダの理論推力をピストン位置ではなく、圧力と有効ピストン面積から定義しています。
- Festoはストローク長さとレバーアームの両方を使って横荷重を確認するデータを公開しており、1つのDSBCの例では、記載された形状条件で許容されるのはわずか9.5 Nです。
- Parkerは、ロッドを伸長した状態と格納した状態の両方で芯出しを確認することを求めています。
- 全伸長は構造上最も厳しいケースになることが多いものの、圧力推力にとって自動的に最悪のケースになるわけではありません。
ストローク位置で空圧シリンダの推力は変わりますか？
いいえ、位置だけでは変わりません。一般的な複動シリンダでは、軸方向推力はピストンの有効面積に作用する圧力から、対向圧力と摩擦を差し引いて決まります。その力の釣り合いにストローク位置は含まれません。Parkerは、基本的な理論関係を「力＝圧力×面積」として、同社の空圧アクチュエータカタログ。
伸長するシリンダの力の釣り合いをより完全に表すと、次のようになります。
ここで：
- はニュートン（N）単位の使用可能な軸方向推力です。
- およびはパスカル（Pa）単位のキャップ側およびロッド側の有効圧力です。
- は平方メートル（m²）単位のピストン全面積です。
- は平方メートル（m²）単位のロッド側環状面積です。
- にはニュートン（N）単位のシール摩擦と軸受摩擦が含まれます。
実際の推力は、ストローク中に室内圧力、排気背圧、シール摩擦、加速度、供給流量が変化するため変動します。これらは圧力と動力学による影響です。位置だけが原因で片持ち荷重の推力を自動的に低減する現象として説明してはいけません。
圧力と面積の計算および単位換算については、空圧シリンダ理論推力の完全ガイド。
設計上、重要なのは発生軸方向推力および許容機械荷重です。前者はほぼ一定に保てても、ロッドが伸びると後者は低下します。両者を1つの数値として扱うと、実際の故障メカニズムが見えなくなります。
なぜ全伸長で安全荷重が低下するのですか？
伸長すると、横荷重とシリンダを支持する軸受または取り付け部との距離が長くなります。したがって、同じ横荷重でもより大きな曲げモーメントが発生します。FestoのDSBCエンジニアリングデータは、横荷重を軸方向推力から差し引くのではなく、ストローク長さとレバーアームの関数として明示的に評価しています。
基本的なモーメントの関係は次のとおりです。
ここで、はニュートンメートル（N·m）単位の曲げモーメント、はニュートン単位の横荷重、はメートル単位の垂直レバーアームです。が100 Nのまま、が0.05 mから0.35 mに増えると、圧力で生じる推力が変わらなくても、モーメントは5 N·mから35 N·mへ増加します。
そのモーメントによって、ロッド軸受の接触圧力、シール摩耗、取り付け部のたわみ、芯ずれが増加する可能性があります。Parkerのシリンダ安全ガイドは、シリンダロッドは通常、動作方向に垂直な荷重や曲げモーメントを受けるようには設計されていないと警告しています。
どの3つのシリンダ限界を分けて考えるべきですか？
空圧推力、横荷重、ロッド安定性をそれぞれ確認して合格しない限り、シリンダ選定は完了しません。 シリンダ理論推力は圧力で生じる軸方向出力です。横荷重は動作軸に垂直に加わる力です。曲げモーメントは、オフセット位置に加わる力の回転作用です。これらの限界を、1つの普遍的な低減率にまとめることはできません。
| 設計確認 | 支配変数 | 位置で変わるもの | 必要な根拠 |
|---|---|---|---|
| 軸方向推力 | 有効圧力、ピストン面積と環状面積、摩擦 | 直接は変わらない。動作中に圧力と摩擦が変化する場合がある | 圧力計算または実測した室内圧力 |
| 横荷重とモーメント | 横力、レバーアーム、軸受と取り付け形状 | レバーアームとメーカー許容横荷重 | 実際の型式の横荷重またはモーメント曲線 |
| ロッドたわみ | 横力、支持されない長さ、弾性係数、断面二次モーメント | 支持されない長さが増えるとたわみが急増する | 梁のスクリーニング計算とカタログ限界 |
| 圧縮座屈 | ロッド径、有効長さ、端部条件、材料 | 有効長さが長いほど臨界荷重は低下する | メーカーの座屈または最大ストローク曲線 |
先端荷重を受ける単純化した片持ち梁では、弾性梁理論から次の式が得られます。
長さの3乗項が、支持されない長さがわずかに増えただけで、はるかに大きなたわみが生じる理由を示します。この式は、固定支持された理想的で細長い線形弾性梁を仮定しています。NASAの梁たわみの参考資料はこの関係を裏付けますが、実際のシリンダには軸受すきま、取り付け部の柔軟性、シール、理想的でない荷重導入もあります。詳細なスクリーニング方法については、シリンダたわみガイドを参照してください。
理想的な圧縮部材では、オイラーの臨界荷重は次のとおりです。
項は端部条件係数を表します。この式はスクリーニングに使うもので、メーカー定格を上書きするためのものではありません。SMCのロッド座屈選定データは、使用可能な最大ストロークがボア径、運転圧力、取り付け方式によって決まることを示しています。初期確認の整理には空圧シリンダロッド座屈計算ツールを使用し、その後、選定した型式のカタログで確認してください。
3つの位置で行う計算例から何が分かりますか？
63 mmボアのシリンダが6 barで動作し、一定の100 Nの横荷重を受ける場合を考えます。Festoの現行ISOシリンダデータでは、このボア径と圧力に対する理論前進推力を1,870 Nとしています。以下の3位置でこの値は変わりません。一方、想定レバーアームが50 mmから350 mmに伸びるため、例示する曲げモーメントは7倍に変化します。
| 位置 | 6 barでの理論前進推力 | 想定レバーアーム | 横荷重 | 発生モーメント |
|---|---|---|---|---|
| 格納位置 | 1,870 N | 50 mm | 100 N | 5 N·m |
| ストローク中央 | 1,870 N | 200 mm | 100 N | 20 N·m |
| 全伸長 | 1,870 N | 350 mm | 100 N | 35 N·m |
モーメントの値はから得た計算例であり、特定の63 mmシリンダの定格値ではありません。1,870 Nの推力はFestoのISOシリンダ技術カタログ,に基づくもので、ストロークとは別に、ボア径、方向、圧力ごとの理論推力を掲載しています。
この例から、「使用可能な力」には条件を付ける必要があることが分かります。空圧上は、記載された理想条件で1,870 Nを利用できます。機械的には、35 N·mがロッド軸受、取り付け部、外部ガイドの限界を超えると、シリンダはその全推力を安全に使えない可能性があります。次に、選定した型式の横荷重曲線とモーメント曲線を位置ごとに比較します。
FestoのDSBC例は、これらの限界の大きさを示しています。記載された32 mmシリンダ、150 mmストローク、84 mmレバーアームでは、許容横荷重は9.5 Nです。この数値は記載された形状と型式だけに属するもので、他のボア径や取り付け方式に一般化してはいけません。
実機はどのように確認すべきですか？
格納位置、中間位置、全伸長位置で実際の荷重経路を確認し、静止、加速、停止の状態についても同じ検討を繰り返します。Parkerは、ロッドを伸長した状態と格納した状態の両方で芯出しを確認するよう具体的に求めています。中間位置を加えると、ストローク中に力の方向が変わるリンク機構を見つけられます。
- 荷重経路を描く。シリンダ軸、ペイロード重心、取り付け点、外部ガイド、ロッド中心線からのすべてのオフセットを記入する。
- 有効軸方向推力を計算する。ピストン両側の圧力、排気背圧、摩擦余裕、必要な安全余裕を含める。
- 横方向の力を分解する。重力、ベルトまたはリンク機構の反力、ホースの力、加速度、ストッパ、衝撃荷重を含める。ペイロード重量だけを数えない。
- 各位置のモーメントを計算する。メーカーが指定する関連シリンダ軸受、取り付け部、またはガイド基準面からの実際のレバーアームを使う。
- 型式固有の定格を確認する。横力、曲げモーメント、ストローク、速度、取り付け方向を、一般的なボア径表ではなく、該当型式のカタログと比較する。
- 圧縮安定性を確認する。選定した取り付け方式と圧力に対応するメーカーのロッド座屈または最大ストローク曲線を使う。
- 全ストロークで芯出しを確認する。Parkerは、不適切な芯出しがグランドとボアの摩耗を早める可能性があると述べています。ダイヤルゲージや芯出し治具を使えば、格納位置だけの点検では見逃す拘束を見つけられます。
実務上、最も速い設計レビューでは、格納位置、ストローク中央、全伸長の3列を使います。軸方向の圧力推力、横荷重モーメント、座屈状態を分けて記録すると、シール摩耗やロッド軸受の問題になる前に危険な仮定を見つけられます。
取り付け方式の比較については荷重容量を最大化するシリンダ取り付け方式を参照してください。荷重を軸方向に保てない場合の対策は、シリンダの横荷重問題を軽減する方法。
外部ガイドまたは別のアクチュエータが必要なのはいつですか？
機械荷重によって、シリンダの定格で明示的に許容されていない有意な横力やモーメントが生じる場合は、外部ガイドを追加します。SMCは、過大な横荷重が軸受とピストンシールに影響し、許容横荷重を超える可能性がある場合は外部ガイドを使用するよう設計者に指示しています。その指針はC96シリンダ操作マニュアル。
一般的な解決策は次のとおりです。
- ペイロード重量とモーメントを支え、シリンダは軸方向の駆動力だけを供給するリニアレールまたはガイドシャフト。
- ピッチ、ヨー、ロール、横荷重の定格が公開されたガイド付きシリンダ。
- アクチュエータが拘束されず意図した円弧に追従できるトラニオン、クレビス、または球面継手。
- 荷重の重心が広い、またはオフセットしている場合に、中央シリンダの両側に配置する2本の同期ガイド。
- スペースが限られる場合に、キャリッジのモーメント定格が実荷重をカバーするロッドレスガイド付きアクチュエータ。
ロッドレスシリンダでも片持ち荷重が自動的になくなるわけではありません。ガイドのない、または支持が不十分なキャリッジには、ピッチ、ヨー、ロールのモーメントがなお作用します。ピストンロッドを確認するときと同じように、アクチュエータの公開モーメント容量をペイロード形状と比較してください。当社のロッドレスシリンダと標準シリンダの比較で構造上の違いを説明しています。
位置ごとの設計レビュー
関連するすべての位置と運転状態で、独立した各限界をすべて満たした場合にのみ、用途を承認します。計算上の推力が大きくても、横荷重または座屈の確認不合格を補うことはできません。逆に、十分にガイドされた荷重でも、圧力推力不足を解決することはできません。
次の順序で判断します。
- 最初に、適切な設計余裕を加えた有効軸方向推力が、必要な工程力を上回ることを確認する。
- 次に、横力と各モーメントが、該当するアクチュエータまたはガイドの定格未満に収まることを確認する。
- 3番目に、特に全伸長付近と揺動取り付けで、圧縮時のロッド座屈を確認する。
- 4番目に、機械の位置精度とシール寿命の要求に照らして、たわみと芯出しを確認する。
- 最後に、実際のデューティサイクルで速度、クッション、ストッパ荷重、圧力過渡を確認する。
推力、モーメント、たわみ、座屈の値を1つの「容量」数値に足し合わせないでください。単位と故障モードが異なります。これらの確認のどれもが制限要因となる故障条件に達しない設計が、安全な設計です。
シリンダのストローク位置と片持ち荷重に関するFAQ
以下の質問では、圧力で生じる推力と、位置によって変化する構造限界を分けて説明します。ISO 15552は、ボア径32 mm～320 mm、定格圧力1,000 kPaまでのシリンダについて互換取り付け寸法を規定しますが、横荷重に対する普遍的な許容値を定めてはいません。これらの限界には、メーカーと型式の正確なデータを使用してください。ISO 15552の適用範囲。
ロッドが伸びるとシリンダ推力は低下しますか？
自動的には低下しません。有効室内圧力、ピストン面積、摩擦が同じなら、理論軸方向推力はロッド位置に依存しません。動作中に圧力低下、排気背圧、シール摩擦、加速度、バルブ流量が変化すると実測推力は変わることがあります。これらの影響は片持ち荷重とは分けて診断してください。
推力が変わらないのに、伸長したロッドが破損するのはなぜですか？
伸長すると、横荷重に対するレバーアームと、圧縮されるロッドの支持されない長さが増えます。その結果生じる曲げモーメント、たわみ、軸受荷重、座屈リスクは、シリンダが同じ理論圧力推力を発生し続けていても、機械的限界を超える可能性があります。
梁の式をシリンダ定格として使えますか？
いいえ。梁の式とオイラー式は、記載した理想条件下でのスクリーニングには役立ちます。実際のシリンダには、軸受すきま、取り付け部の柔軟性、ねじ、段部、シール、メーカー固有の安全基準があります。計算でリスクを特定したうえで、実際の型式が公開する荷重および座屈データに基づいて設計を採否判断してください。
ロッドレスシリンダなら片持ち荷重はなくなりますか？
いいえ。ロッドレス構造は外部ピストンロッドをなくしますが、キャリッジとガイドには横力に加えてピッチ、ヨー、ロールのモーメントが作用する可能性があります。ガイド付きロッドレスアクチュエータでも、実際のペイロードオフセット位置における公開推力・モーメント定格の範囲内でのみ、これらの荷重に対応できます。
どのストローク位置を確認すべきですか？
少なくとも格納位置、ストローク中央、全伸長に加え、リンク形状、ペイロードの向き、加速度、外部ストッパが変わる位置を確認してください。Parkerは、伸長状態と格納状態の両方で芯出しを確認することを明確に求めています。圧縮座屈と横荷重モーメントは全伸長付近で最も厳しくなることが多い一方、リンク反力は別の位置でピークになる場合があります。