# 氣動旋轉致動器選型工程指南

> Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/an-engineers-guide-to-sizing-pneumatic-rotary-actuators/
> Language: zh-Hant

## Summary

依扭矩、慣量、工作壓力、動能與軸負載選擇氣動旋轉致動器，並以 90 度旋轉範例說明閥門與機械負載的選型方法。

## Page Content

# 氣動旋轉致動器選型工程指南

正確選型必須讓扭矩、動作時間、工作壓力、軸負載與停止能量同時通過檢核。以 SMC 為例，其 MSQ 旋轉平台列出的穩定旋轉時間範圍為每 90 度 0.2 至 1.0 秒，而容許動能則會依尺寸及避震器選項，在 0.161 至 1.82 J 之間變化（[SMC MSQ 型錄](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/MSQ-E/7-6-2-p0337-0362-MSQ_en/data/7-6-2-p0337-0362-MSQ_en.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

這項差異十分重要。致動器可能有足夠扭矩使負載加速，卻沒有足夠的氣墊或避震器能力讓負載停止。因此，選型可分為兩條路徑：一條針對分度臂、翻轉平台等機械負載；另一條針對製程閥門，其啟動與閥座扭矩應由閥門製造商提供。

![配有可調式末端擋塊的緊湊型齒條齒輪旋轉致動器](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/an-engineers-guide-to-sizing-pneumatic-rotary-actuators/wp-crq2-series-compact-pneumatic-rotary-actuator.jpg)

> 重點摘要 先加總阻力、重力、摩擦與加速扭矩，再套用有文件依據的設計裕量。 以動作期間量得的最低壓力，將計算結果與型錄扭矩比較。 動能、軸負載、擋塊與旋轉時間必須分別檢核。 製程閥門致動器應依閥門扭矩資料選型，不能套用通用摩擦公式。

如果你只需要複習機構與應用，可先閱讀[氣動旋轉致動器的運作方式](/zh-hant/blog/how-do-pneumatic-rotary-actuators-work-and-why-are-they-essential-for-modern-automation/)。本指南從已確定運動類型之後的選型工作開始。

## 選型前必須收集哪些資料？

翻開產品型錄前，先整理負載、幾何尺寸、角度、動作時間、壓力與停止方式。SMC 的 CRQ2 型錄提供標稱 90 度與 180 度組態，但同時也要求檢核負載類型、旋轉時間、動能及容許軸負載（[SMC CRQ2 型錄](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/CRQ2-CDRQ2-E/7-6-2-p0293-0320-CRQ2_en/data/7-6-2-p0293-0320-CRQ2_en.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

先建立一份精簡的應用資料表。漏掉其中一項輸入，往往比其他項目採用稍保守的估算更危險。

| 輸入項目 | 應記錄內容 | 對選型的影響 |
| --- | --- | --- |
| 運動類型 | 有限角度的機械運動或四分之一轉閥門 | 決定適用的扭矩模型 |
| 旋轉 | 起始角、終止角、方向、調整範圍 | 篩選致動器系列與擋塊配置 |
| 負載幾何 | 質量、尺寸、重心、力臂 | 決定阻力扭矩與轉動慣量 |
| 安裝方向 | 水平、垂直或會改變 | 判斷重力是協助還是阻礙動作 |
| 時序 | 總動作時間與容許停留時間 | 決定角加速度與閥門流量需求 |
| 壓力 | 動作時致動器入口的最低壓力 | 決定可用輸出扭矩 |
| 工作頻率 | 每分鐘循環數、每日工時、預期壽命 | 影響溫升、密封、軸承與避震器檢核 |
| 介面 | 軸、鍵、聯軸器、法蘭、安裝面 | 決定機械相容性與負載路徑 |
| 行程末端控制 | 緩衝墊、氣墊、液壓避震器、外部擋塊 | 決定容許停止能量 |
| 環境 | 溫度、沖洗、腐蝕、粉塵、危險區域 | 決定材料、密封、外殼及附件認證 |

比較致動器類型前，先定義運動。氣動馬達用於連續旋轉；旋轉致動器則在有限角度內運動並停止。選型邊界可參閱[氣動馬達與旋轉致動器比較](/zh-hant/blog/what-are-the-key-differences-between-pneumatic-motors-and-rotary-actuators-for-industrial-applications/)。

## 如何計算靜態扭矩與阻力扭矩？

Parker 以力乘力臂計算靜態臂扭矩，再與工作壓力下的有效扭矩比較。其 PRO/PRN 指南對穩定負載使用特定方法係數 2，對變動負載使用係數 5。這說明設計裕量屬於製造商的選型方法，而不是通用表格（[Parker PRO/PRN 選型指南](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_PRO-PRN_Pneumatic_Rotary_Actuators_PDE2502TCUK.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

最簡單的靜態關係式為：

扭矩 = 力 x 垂直力臂
T = F x r

對機械負載而言，應依實際存在的各項負載建立阻力扭矩：

阻力扭矩 = 外部負載扭矩 + 重力扭矩 + 摩擦扭矩
重力扭矩 = 質量 x 9.81 m/s² x 重心半徑 x sin(角度)

需求扭矩 是致動器克服實際負載並產生所需運動時必須提供的扭矩。應使用從軸中心線到作用力線的垂直距離：100 N 的力作用於 0.20 m 處，會產生 20 N·m。接著在最不利軸角度加入重力、摩擦及其他外部阻力。繞垂直軸旋轉的平衡水平平台，重力扭矩可能接近零，但仍有軸承摩擦與加速扭矩。偏置臂在垂直平面內運動時，處於水平位置可能產生最大重力扭矩。Parker 的方法會在套用選定設計係數前，保留負載、摩擦與加速分量，較容易驗證控制選型的假設（[Parker 氣動致動器產品資料](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Literature-Files/pneumatic/Literature/Actuator-Cylinder/0900/0900P_Complete.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

摩擦數值應來自量測、軸承資料，或有合理依據的機構估算。不要假設運轉摩擦必然是啟動摩擦的固定百分比。密封預壓、軸承類型、潤滑、溫度、停留時間與側向負載都會改變兩者關係。

最可靠的計算表會把阻力扭矩與加速扭矩分開。阻力扭矩取決於負載路徑與安裝方向；加速扭矩則取決於質量分布與動作時間。太早合併兩者，會讓工程師難以判斷哪項設計變更最能降低需求。

## 如何加入慣量與加速扭矩？

Parker 的旋轉致動器指南先將 90、180 與 270 度分別換算為 1.5708、3.1416 與 4.7124 rad，再計算加速扭矩。接著把阻力扭矩與加速扭矩相加，並與所選工作壓力下的有效扭矩比較（[Parker PRO/PRN 選型指南](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_PRO-PRN_Pneumatic_Rotary_Actuators_PDE2502TCUK.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

加速扭矩為：

加速扭矩 = 轉動慣量 x 角加速度
Ta = J x alpha

轉動慣量 代表負載對角加速度的抵抗程度，取決於質量分布，而不是只有質量。半徑 r 處的質點為 J = m x r² ；繞中心旋轉的實心圓盤則為 J = 0.5 x m x r² 。應加總所有旋轉元件的慣量，包括治具、聯軸器、支臂與工件。角加速度則由選定的運動曲線決定。對稱三角速度曲線中，負載在前半段加速、後半段減速，因此 alpha = 4 x theta / t² ，最大角速度為 2 x theta / t 。Parker 同樣要求先取得旋轉角度、動作時間、負載慣量與阻力扭矩，再將需求扭矩與致動器輸出比較（[Parker PRO/PRN 選型指南](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_PRO-PRN_Pneumatic_Rotary_Actuators_PDE2502TCUK.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

對上述對稱三角速度曲線：

alpha = 4 x theta / t²
最大角速度 = 2 x theta / t

以下是水平分度臂的透明化初步計算範例：

| 假設 | 數值 |
| --- | --- |
| 質點負載 | 8 kg |
| 負載半徑 | 0.25 m |
| 旋轉角度 | 90 度 = 1.571 rad |
| 總動作時間 | 0.60 s |
| 實測摩擦扭矩 | 6.0 N·m |
| 專案設計裕量 | 1.50，由負責工程師設定 |

質點慣量為 8 x 0.25² = 0.50 kg·m² 。假設的運動曲線得到 alpha = 4 x 1.571 / 0.60² = 17.45 rad/s² ，所以加速扭矩為 0.50 x 17.45 = 8.73 N·m 。加上 6.0 N·m 的摩擦後，動作需求為 14.73 N·m。套用有文件記錄的專案裕量後，與型錄比較的數值為 22.10 N·m。

這還不是最終型號。致動器必須在動作期間量得的最低壓力下，至少提供上述扭矩，機構也必須通過以下停止能量與軸負載檢核。

[Tool Cylinder sizing Rotary Actuator Torque Calculator 依負載質量、半徑、角加速度、安裝方向、摩擦、效率及專案採用的設計裕量，估算所需扭矩。 Torque = (Inertia x Angular Acceleration + Load Torque) x Safety / Efficiency; Energy = 0.5 x Inertia x Angular Speed^2 Load mass Radius from shaft Entered inertia Motion input mode Open calculator ->](/zh-hant/online-tools/pneumatic-rotary-actuator-torque-calculator/)

## 為什麼停止能量必須分開檢核？

SMC 的 MSQ 資料依尺寸與避震器選項，列出 0.161 J 至 1.82 J 的容許動能；但所有列出型號的穩定旋轉時間範圍都同為每 90 度 0.2 至 1.0 秒。因此，型號必須分別通過扭矩、時間與能量三項型錄檢核（[SMC MSQ 型錄](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/MSQ-E/7-6-2-p0337-0362-MSQ_en/data/7-6-2-p0337-0362-MSQ_en.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

![具有輸出軸與氣口的齒條齒輪式氣動旋轉致動器](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/an-engineers-guide-to-sizing-pneumatic-rotary-actuators/wp-cra1-series-rack-pinion-pneumatic-rotary-actuator.jpg)

旋轉動能為：

動能 = 0.5 x 轉動慣量 x 角速度²
E = 0.5 x J x omega²

動能 是移動負載進入減速階段時所攜帶的能量，只計算扭矩的工作表可能會漏掉這項限制。在上述範例中，最大角速度為 2 x 1.571 / 0.60 = 5.24 rad/s 。當 J = 0.50 kg·m² 時，峰值動能約為 6.85 J。這個結果不表示每種機構的氣墊都會吸收全部 6.85 J；它表示減速曲線、緩衝墊、外部擋塊與避震器必須和公開限制比較。致動器或許能讓支臂加速，但其齒條、葉片、軸承或擋塊仍可能在行程末端受損。Parker 將設計扭矩定義為需求扭矩或緩衝扭矩兩者中的較大值，並警告過高的緩衝扭矩會在減速時產生破壞性壓力（[Parker 氣動致動器產品資料](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Literature-Files/pneumatic/Literature/Actuator-Cylinder/0900/0900P_Complete.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

若能量檢核不通過，可延長動作時間、降低旋轉慣量、把質量移近軸心，或加入尺寸正確的外部避震器與擋塊。不要只選用更高扭矩的致動器，就假設停止問題會自然消失。

將相同質量往內移，可同時降低加速扭矩與動能，因為慣量會隨半徑平方改變。這種機械變更可能比提高供氣壓力或加大致動器更有效。

## 如何比較需求扭矩與型錄扭矩？

Festo DFPD-20 雙動型在標稱壓力下，0 度與 90 度均列出 20.1 N·m；但這個固定端點數值只適用於該齒條齒輪型號與條件。其他機構，尤其是彈簧復歸與蘇格蘭軛式裝置，在整個行程中的扭矩曲線並不相同（[Festo DFPD-20 技術資料](https://www.festo.com/in/en/a/8048011/)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

應在預期流量需求下，於致動器運動時量測入口壓力。靜止時看到的調壓器壓力表，無法反映方向閥、接頭、管路、流量控制或排氣路徑造成的損失。CAGI 指出，設計良好的壓縮空氣系統，從壓縮機出口到使用點的壓降不應超過 10%；但這項系統目標不代表每個致動器都可以假設固定 10% 壓降（[CAGI 壓降技術簡報](https://www.cagi.org/assets/documents/pdfs/PressureDropTechnicalBrief.pdf?updated=1657712700)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

某些雙動齒條齒輪致動器在公開工作範圍內，輸出扭矩大致與壓力成正比。壓力比可用於初步篩選：

P2 下的估算扭矩 = P1 下的型錄扭矩 x P2 / P1

只有在製造商確認同一型號、方向與軸位置適用這項關係時，才能使用上述方法。最終選型仍必須依型錄曲線或選型表。彈簧復歸型必須分別檢核氣動起點、氣動終點、彈簧起點與彈簧終點扭矩。

壓力只是速度問題的一半。閥門與管路必須能以足夠速度充氣和排氣，又不造成不穩定動作。如果動作中壓力下降，應先檢查[流量控制閥選型方法](/zh-hant/blog/the-engineers-guide-to-pneumatic-flow-control-valve-sizing/)，並調查[使用點的壓力波動](/zh-hant/blog/how-do-pressure-fluctuations-impact-your-pneumatic-system-performance/)，再考慮加大致動器。

## 四分之一轉閥門致動器應依閥門扭矩資料選型

Bray 的球閥指南依介質、閥門設計與操作間隔，使用 1.0 至 2.0 的應用係數，以及 0 至 0.5 的頻率加成。這些是套用於閥門扭矩需求的製造商特定輸入，不是所有旋轉致動器通用的安全係數（[Bray 球閥致動器選型指南](https://www.bray.com/docs/default-source/technical-bulletin/en_tb-1005_act-selectguide-ball-valves.pdf?sfvrsn=62c05fda_40)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

針對球閥、蝶閥或旋塞閥，應向閥門供應商索取實際尺寸、閥座材料、壓差、溫度、介質與預期工況下的扭矩值。至少應比較：

- 開啟啟動扭矩

- 開啟運轉扭矩

- 開啟終點扭矩

- 關閉啟動扭矩

- 關閉運轉扭矩

- 閥座或關閉終點扭矩

接著把這些需求疊加到致動器完整 90 度行程的扭矩曲線上。雙動致動器應比較相關位置的氣動扭矩；彈簧復歸致動器則要依要求的故障安全方向，同時比較氣動行程與彈簧行程。

除非閥門製造商明確提供計算方法，否則不要以管線壓力、閥門直徑與通用摩擦係數估算閥門扭矩。閥座設計、密封材料、壓差、介質沉積、溫度與靜置時間，都可能大幅改變啟動扭矩。

機械介面還要做第二項限制檢核。Festo 指出，在所選組態下，致動器工作扭矩不得超過 ISO 5211 安裝法蘭與聯軸器的容許扭矩（[Festo DFPD-20 技術資料](https://www.festo.com/in/en/a/8048011/)，2026 年 7 月 15 日查閱）。也要確認閥桿最大容許扭矩。如果閥桿、鍵、支架或聯軸器成為最弱環節，更高的致動器扭矩不會比較安全。

機械負載選型關心致動器能否加速並停止慣性；閥門選型則關心致動器扭矩曲線是否高於多個閥門扭矩點，同時不超過閥桿與安裝介面的限制。把兩者當成同一套計算，會掩蓋各自真正的控制條件。

## 完成機械、氣動與安全檢核

CAGI 的 10% 系統壓降建議涵蓋壓縮機到使用點的路徑；SMC 的低速旋轉選型程序則分別檢查扭矩、旋轉時間、動能、容許負載與空氣量。因此，可靠的最終審查必須檢視整套運動系統，而不只是致動器缸徑（[CAGI 壓降技術簡報](https://www.cagi.org/assets/documents/pdfs/PressureDropTechnicalBrief.pdf?updated=1657712700)、[SMC CRQ2X/MSQX 選型指南](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/CRQ2X-CDRQ2X-MSQX-E/7-6-2-p0377-0417-CRQ2X-MSQX_en/data/7-6-2-p0377-0417-CRQ2X-MSQX_en.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

放行料號前，請確認下列項目：

- 全行程扭矩： 以最低動態壓力下的致動器有效扭矩，比較控制負載點。

- 動能： 確認緩衝墊、氣墊、避震器或外部擋塊能使負載減速。

- 軸負載： 檢核徑向負載、軸向負載、彎矩及容許負載方向。若致動器軸不應承受機器負載，應加裝外部軸承。

- 旋轉時間： 保持在型號的穩定調整範圍內。不要靠流量控制，強迫標準致動器遠低於其公開穩定速度運轉。

- 閥門與管路流量： 同時選定供氣與排氣路徑尺寸。排氣節流通常能提供較穩定的氣動運動，但容許迴路仍取決於致動器與負載。

- 機械擋塊： 除非型錄允許，否則不要把調整螺絲當作結構擋塊。外部擋塊的位置應使負載路徑繞過脆弱的內部零件。

- 聯軸器與對心： 檢查軸配合、鍵嚙合、背隙、支架剛性與角度對心。

- 感測器與重複精度： 終點開關只能確認位置；無法修正背隙、擋塊變形、壓力變化或治具移動。

- 工作頻率與環境： 確認溫度、密封材料、潤滑政策、防蝕、侵入防護、沖洗與循環壽命。

- 安全隔離： 在機器風險評估中定義儲能釋放、防護、避免意外重啟及維修隔離。

ISO 4414:2010 涵蓋氣動系統與元件的一般安全要求，包括設計、安裝、調整、維護、可靠運轉及能源效率。它不能取代機器專屬風險評估，也未提供通用的旋轉致動器設計係數（[ISO 4414:2010](https://www.iso.org/standard/44790.html)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

在危險場所，必須評估完整總成。電氣規範可能適用於電磁閥、位置開關及定位器；機械致動器則可能需要另外審查點火風險與材料。OSHA 1910.307 專門處理危險分類場所中的電氣設備與配線，因此不能拿來宣稱氣動致動器具備全面認證（[OSHA 1910.307](https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1910/1910.307)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

## 氣動旋轉致動器選型常見問題

以下五個問題涵蓋最可能改變選定尺寸的決策。這些問題反映製造商的選型方法：區分 90、180 與 270 度運動、多個扭矩位置及不同能量限制，而不是只依賴單一銘牌數值（[Parker PRO/PRN 選型指南](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Pneumatics-Division-Europe/PDE-Documents/Cylinders/Parker_Pneumatic_PRO-PRN_Pneumatic_Rotary_Actuators_PDE2502TCUK.pdf)，2026 年 7 月 15 日查閱）。

### 選擇氣動旋轉致動器時應採用哪個扭矩？

針對已定義的運動，加總阻力、重力、摩擦與加速扭矩後，使用其中最大的需求。只套用該專案或製造商方法有文件記錄的設計裕量。接著將結果與動作期間量得的最低入口壓力下之有效致動器扭矩比較，而不是使用靜態調壓器設定值。

### 型錄扭矩可以直接依空氣壓力換算嗎？

只有製造商確認同一致動器、方向與軸位置具有接近線性的關係時，壓力換算才適合用於估算。最終選型應使用實際型號曲線。彈簧復歸致動器必須分別比較氣動起點、氣動終點、彈簧起點及彈簧終點，因此單一壓力比計算並不足夠。

### 過大的旋轉致動器一定比較安全嗎？

不一定。額外扭矩裕量無法解決過高動能、薄弱聯軸器、高軸負載、不穩定低速運動或閥桿扭矩限制。較大的致動器也有更多腔室容積需要充氣與排氣。應選擇能通過所有已記錄扭矩、能量、壓力、負載與壽命檢核的最小型號。

### 球閥用旋轉致動器應如何選型？

向閥門製造商索取在實際壓差、介質、溫度、閥座與工況下，兩個方向的啟動、運轉及終點扭矩。套用閥門供應商有文件依據的係數，再把每項需求與致動器扭矩曲線比較，並確認閥桿、聯軸器、支架與法蘭限制。

### 何時需要重新審查選型計算？

當負載、動作時間、壓力、閥門、管路、安裝方向、循環頻率、溫度、聯軸器或停止方式變更時，都應重新審查。發生故障或不明減速後也應重查。固定每三年或五年重算一次，不能取代依條件變更、維護發現及機器正式風險審查時程所進行的檢核。

正確選型是一條證據鏈：已知負載、明確運動曲線、實測壓力、型錄扭矩、已驗證停止能量、可接受軸負載及相容介面。如果其中一環使用估算，應標示假設並在試車時驗證。如此一來，最終料號才有充分依據，維護人員在性能改變時也有實用基準可供比較。

若型錄未列出所需扭矩曲線、容許動能、軸負載限制或穩定旋轉時間範圍，請先透過[技術聯絡頁面](/zh-hant/contact/)提交計算表與應用圖面，再核准元件。