空気圧シリンダ設計ガイド: ボア、ストローク、取付、クッション、選定

空気圧シリンダの設計が本当に決めるもの

機械製造業者は通常、空気圧シリンダーを注文する際に、シリンダーが移動させる必要がある負荷の質量という 1 つの数値から始めます。しかし、シリンダーの設計自体、つまりボア、構造ファミリー、取り付け、クッション、シーリング システムによって、負荷が 1,000 万サイクルにわたって確実に動くか、1 年以内に故障するかが決まります。優れた空気圧シリンダーの設計は単一の公式ではありません。それは一連の決定であり、そのすべてがアプリケーションとの一貫性を維持する必要があります。

直接の答え: 空気圧シリンダの設計は、ボア径、ストローク長、構造タイプ、取り付け、クッションおよびシールの材料と負荷、利用可能な空気圧、必要なサイクル タイムおよび作業環境を体系的に適合させることです。 これら 6 つの値がアプリケーションに一致すると、他のすべて (力のチャート、アクセサリ リスト、センサーの配置) が詳細な作業になります。

これは同じ設計ロジックです。 CKT 空気圧 当社が社内で製造およびテストするすべてのシリンダー シリーズに適用されます。以下のガイダンスは、実際の製図板上で重要な数値とトレードオフを考慮して、エンジニアリングの観点から書かれています。

荷重から始める: ボアサイズと力の計算

すべてのシリンダーの設計は、力の要件から始まります。複動シリンダは圧縮空気をピストン領域に加えることで力を生成するため、理論上の力は単純です: F = P × A、ここで P はパスカル単位のゲージ圧力、A は平方メートル単位の有効ピストン領域です。延長ストロークの場合、A = (π/4) × D²。

数字を固定する実際の例

0.6 MPa で供給される口径 63 mm のシリンダーを考えてみましょう。ピストン面積は (π/4) × (0.063 m)² = 0.00312 m² です。 600,000 Pa を掛けると、 理論上の伸長力 1,870 N 。シール、ロッドパッキン、および回路の圧力損失がエネルギーを吸収するため、実際の力は通常理論値の 75 ～ 90% となるため、設計者は継続的な動作に対して約 1,400 ～ 1,680 N を信頼できます。同じ桁の大きさが、Power & Motion の「空気圧シリンダの設計要素」ガイダンスにある力グラフと、業界全体で使用されている選択データにも現れています。

後退する力は決して伸びる力と同じではありません

戻りストロークではロッドがボアの一部を占めるため、有効面積は小さくなります。 20 mm のロッドを備えた 63 mm のボアのリトラクト面積は (π/4) × (0.063² − 0.020²) = 0.00281 m² で、0.6 MPa では 1,685 N しか生成されません。戻りストロークにより重い荷重がかかる場合は、ロッド調整領域を使用してリトラクト ケースからボアのサイズを決定します。これは、戻り速度の遅さやロッドの早まりとして現れるよくある間違いです。シールの磨耗。

理想的な穴径を算出後、設計マージンを持たせてください。 動的用途では、理論上の力を上回る 1.25 ～ 1.5 の安全率が標準です ;マージンは、実機に現れる圧力変動、シールの摩耗、速度の影響を吸収します。

仕事に合った建設会社の選択

シリンダーの構造、つまりチューブ、エンドキャップ、ロッドがどのように結合されているかによって、カバーできるボア範囲、修理のしやすさ、側面荷重にどれだけ耐えられるかが決まります。内部部品の実際的な外観については、 空気圧シリンダーの構造を詳しく見る チューブ、キャップ、ヘッド、ピストン、シールの役割を説明します。工業デザインを支配する 3 つのファミリーには、それぞれ異なるロジックがあります。

タイロッドシリンダ: 業界のデフォルト

タイロッドシリンダーは、ボディの全長に渡って長いボルトでエンドキャップをクランプします。最も広いボア範囲 (通常 32 ～ 320 mm) をカバーし、シール交換のために分解でき、最も高いスラスト荷重に耐えます。 SCシリーズ タイロッドシリンダ この構造に従っており、取り付け、修理が簡単で、ISO アクセサリとの組み合わせが簡単であるため、カタログで最も指定されたファミリーであり続けています。

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丸胴シリンダ：コンパクトかつコスト重視

丸胴シリンダー（通常は内径 8 ～ 25 mm）は、ネジ付きエンドキャップが付いた絞り加工または丸め加工されたチューブを使用します。軽量かつ安価で、小型機械のショートストローク動作に最適です。トレードオフとして、横方向の耐荷重が低くなり、調整可能なクッションがほとんどまたはまったくないため、きれいな軸方向の動きのタスク用に確保する必要があります。

プロファイルシリンダー: 最新のセンサーを多用する機械向けに構築

プロファイルシリンダーは、統合されたエアポートとセンサースロットを備えた押出アルミニウムボディを使用しています。設計上の主な利点は一体化です。磁気スイッチはスロットにクリップされ、バルブは本体に直接バンクでき、平らな表面により丸いチューブよりもはるかにきれいに機械に取り付けることができます。これらは、センサー、マニホールド、ガードがすべてアクチュエーター自体に取り付けられる現代の組み立てラインおよびパッケージングラインのデフォルトです。

ストローク長、速度、サイクルタイム

正確なストロークではなく、マージンを持ってストロークを設定してください

公称ストロークは、必要な移動量に両端のマージンを加えた値に等しくなければなりません。通常は両端あたり 5 ～ 10 mm です。垂直用途では、クッションまたはバンパーの完全な圧縮も追加します。 各ストロークの終わりにピストンがエンドキャップの底に達すると、カタログの寿命が示唆するよりもはるかに早くシリンダーが摩耗します。 ストロークが 10 mm 短すぎると、1,000 万サイクルの設計が 200,000 サイクルの修理品に変わってしまいます。

速度はシリンダー単体ではなく回路全体に依存します

シリンダ速度は、ボア、バルブ流量係数、ポートサイズ、供給ラインによって総合的に設定されます。バランスの取れた回路では、標準シリンダーがおよそ 0.1 ～ 0.6 m/s で動作します。 Fluid Power World の設計者向けガイドに記載されているように、U カップで密閉されたピストンは、過剰な摩擦や潤滑の問題を起こすことなく、20 インチ/秒を超える速度 (約 0.5 m/s) で動作することが期待できます。 1m/s以上を目標とする場合には、シリンダとともにバルブの大型化とポートの再設計が必要となります。シリンダーだけでは速度を生み出すことはできません。

サイクルタイムは簡単な手順で推定できます。

1. 移動量を定義し、ストロークマージンを追加します。
2. 伸縮方向の平均速度を設定します。
3. ストロークを速度で割ったものとして、方向ごとの時間を計算します。
4. 滞留時間とバルブ応答時間を加算すると、完全なサイクル タイムが得られます。

具体的な例として、0.5 m/s での 300 mm のストロークには各方向に 0.6 秒かかります。 0.2 秒の滞留時間では、完全な伸縮サイクルは約 1.4 秒で、これはおよそ 43 サイクル/分に相当します。機械が 60 サイクル/分を必要とする場合、速度を片道約 0.6 m/s まで上げるか、ストロークを縮小する必要があり、両方の変更がバルブのサイズ、クッション、取り付け剛性に影響します。

取り付けスタイルと位置ずれによるコスト

4 つの取り付けファミリー、4 つの位置合わせ動作

• フットマウント 最もシンプルで安価ですが、ボディは負荷がかかると曲がる可能性があるため、アライメントはマシンのフレームに完全に依存します。
• フランジマウント （ヘッドまたはリア）剛性が高く、シリンダ本体が動かない高推力用途に適しています。
• クレビスマウント これは、ロッドがリンケージを通って円弧に沿って移動するときに不可欠です。
• トラニオンマウント (中央または後部) ボディを両側でサポートし、ピボットの制御が必要な重いシリンダーに最適です。

側面荷重はシリンダ設計が失敗する最も一般的な理由です

推力の線がロッドの中心線に沿っていない場合、ロッドとフロントベアリングは曲げモーメントを吸収する必要があります。定格推力のわずか数パーセントに等しい横力でも、ベアリングとシールの寿命は著しく短くなります。これが、Machine Design の選択ガイドラインと Power & Motion のシリンダー設計要素の両方が、シリンダー推力をピストン ロッドの中心線にできる限り近づけることを要求している理由です。

形状によりオフセットが発生する場合、単純に大型の標準シリンダを選択するのではなく、ガイド付き設計 (多軸シリンダ、スライドシリンダ、またはガイドロッド付きコンパクトシリンダ) を選択するのが正解です。ボアが大きくなると、より大きな力が発生しますが、曲げモーメントを修正することはできません。

狭いスペース向けのコンパクトシリンダー設計

機械の範囲が決まっている場合、コンパクトシリンダが標準的な答えになります。これらは、フルサイズのシリンダーと同じ力のロジックに従いますが、通常 ISO 21287 に従って構築された短いボディ内にピストンとロッドをパッケージ化しています。主な設計上の妥協点はストロークです。非常に短いボディは追加のベアリングサポートなしでは長いロッドをガイドできないため、ほとんどのコンパクトな設計は、およそ 100 ～ 150 mm 未満のストロークで最適に機能します。

コンパクトシリンダのスペースを確保する場所

クランプ、インデックス付け、供給、部品の排出はすべてショートストロークの高サイクル作業です。タイロッドシリンダをコンパクトボディに置き換えることにより、1軸あたり30～50mmの短縮が可能です。 6 軸または 8 軸のマシンでは、保存によってフレーム全体とガード レイアウトが変更されます。コンパクトなボディにより移動質量も減少し、ストローク終了時の運動エネルギーが低下し、同じバルブでより高速なサイクリングが可能になります。

ガイド機能をフォース機能とは別にする

コンパクトなボディではロッドのサポートが限られているため、コンパクトなシリンダが曲げモーメントを吸収することを期待しないでください。純粋な軸方向の動きには、シンプルでコンパクトなボディが完全に適切です。 CQ2シリーズ小型薄肉シリンダ クランプとプッシュの任務をうまく処理します。設計で軸外荷重またはモーメント荷重が生成される場合は、ガイド ロッドを備えた CQM などのガイド付きバリアント、または独自のリニア ガイドを備えたスライド シリンダ ファミリに移行してください。

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ロングストローク対応のロッドレスシリンダ設計

ロッドレスシリンダは、機械からロッドを突き出さずに長いストロークにわたって負荷を移動させるという古典的な設計の問題を解決します。キャリッジがピストンとともに移動するため、同ストロークのロッド形シリンダに比べ取付長さが約1/2になります。 2 つの設計ファミリーが存在し、どちらを選択するかは、エンジニアリング上の真のトレードオフです。

磁気結合式ロッドレスシリンダ

磁気設計では、強力な磁石を備えたピストンがチューブ壁を通して外部キャリッジを引っ張ります。機械的スロットがないため、すっきりとした経済的な設計が保たれていますが、キャリッジが衝撃荷重に遭遇したり、垂直方向の重い質量を扱ったりすると、カップリングが滑る可能性があります。これらのシリンダは、通常最大 2 ～ 3 メートルのストロークで、軽い取り扱いやピックアンドプレース作業に適しています。

メカニカルジョイント式ロッドレスシリンダ

機械的に結合されたシリンダーは、ステンレス鋼バンドでシールされたスロットを介してピストンをキャリッジに直接接続します。両方向により高い力を伝達し、垂直方向の動きに不可欠な滑りを防ぎます。 MY1B メカニカルジョイント式ロッドレスシリンダ は、より重いペイロードで反復可能な位置決めを必要とする設計者にとって、このファミリーの代表的な例です。

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クッション性: ストローク終了時の衝撃を考慮した設計

ストロークの終わりは、機械的摩耗が最も多く発生する場所です。エンドキャップでは、ピストンは運動エネルギー E = 0.5 × m × v² を放散する必要があります。 50 kg のキャリッジが 0.5 m/s で移動すると、 6.25ジュールの運動エネルギー ;クッションがなければ、そのエネルギーはキャップとシールによってミリ秒単位で吸収されます。

実際的なルール: 軽荷重で 0.1 m/s 未満の場合は、ゴムまたはポリウレタンのバンパーで十分です。中程度の負荷で 0.1 ～ 0.5 m/s、調整可能な空気圧クッションが標準です。高速または重い負荷の場合は、外部油圧ショックアブソーバーを取り付けてください。クッションを実際の運動エネルギーに適合させることはシリンダー設計の一部であり、後付けではありません。

シール、温度、空気の質

シール材が動作ウィンドウを定義します

標準シリンダーは NBR シールを使用しており、通常定格は -20 °C ～ 80 °C です。 FKM (バイトン) シールは上限を約 200 °C まで拡張しますが、これは乾燥ラインや炉ドアの用途で重要です。ポリウレタン ワイパーは、粉塵の多い環境では一般的に追加されます。シールの設計も速度に影響します。U カップ シールは低速で確実なシールを提供しますが、ダイナミック O リングは摩擦が少ないため、高速サイクルでの使用が推奨されます。

エアの汚れは何よりもシリンダーの寿命を縮めます

シリンダーの摩耗のほとんどは、汚染された圧縮空気から始まります。水、残留コンプレッサーオイル、微粒子がチューブに傷を付け、ロッドシールを破壊します。モジュラー F.R.L. の取り付け5 µm フィルターを備えたユニットを使用し、使用時に適切に水分を分離することにより、シリンダーのブランドを変更するよりもシリンダーの耐用年数を延ばすことができます。圧力、流量、シールは、空気調整ユニットから始まり排気ポートで終わるシステムとして扱う必要があります。

空気圧シリンダの設計を形作る基準

デザインは互換性も重視します。世界中で販売されているほぼすべての空気圧シリンダは、3 つの ISO 寸法規格のいずれかに従っており、構造ファミリーは通常、規格によって決まります。以下のボア範囲は、Tameson 空気圧シリンダの概要および同等の情報源の参照ガイダンスで使用されている一般的な業界解釈を反映しています。

ISO 準拠のシリンダーを調達するということは、通常、別のブランドの交換ユニットが機械を再描画することなく同じマウントに組み込まれることを意味します。対照的に、標準以外のストロークやカスタムロッド長の場合、通常はリードタイムが長くなり、価格も高くなるため、設計を凍結する前にカタログのストローク範囲を確認してください。と 20年以上の空気圧コンポーネントの製造経験 では、顧客が取り付けを再設計することなくサプライヤーを変更できるように、これらの規則に基づいて標準および薄型シリンダー シリーズを構築しています。

空気圧シリンダ設計の事前注文チェックリスト

シリンダーモデルを修正する前に、このチェックリストを実行してください。各項目は設計入力であり、項目を 1 つスキップすると、通常、現場での失敗やコストのかかる変更指示として現れます。

• アキシアル荷重 伸縮の場合は、1.25 ～ 1.5 の安全係数を加えます。
• 供給圧力 コンプレッサーだけでなくシリンダーポートでも使用可能です。
• ストローク長さ トラベルとエンドマージンを足したものに等しい。
• 速度とサイクルタイム 、バルブ Cv とポート サイズを 1 つの回路としてチェックします。
• 取付ファミリー 推力の方向と機械の形状に応じて選択されます。
• 側面荷重 削除されるか、ガイド付きシリンダー設計に移行されます。
• クッション性 ストローク終了時の運動エネルギーに合わせて調整します。
• 環境 : 温度範囲、湿度、洗浄または粉塵への曝露。
• 位置検出 : 磁気スイッチ付き磁気ピストン、または外部リニアセンサー。
• メンテナンス計画 : 再構築可能なタイロッドまたは交換可能なカートリッジシリンダー。

空気圧シリンダの設計に関するよくある質問

空気圧シリンダーが生み出す力はどのように計算すればよいですか?

F = P × A を使用します。ここで、A は有効ピストン面積です。 0.6 MPa での 63 mm のボアの場合、理論上の伸長力は 1,870 N です。実際には、シールの摩擦を考慮して 75 ～ 90% の効率を適用し、その後、動的荷重に対して 1.25 ～ 1.5 の安全係数を適用します。

500kgの荷重に必要なボアサイズはどれくらいですか?

およそ 4,900 N を及ぼす 500 kg の荷重では、80% の効率が仮定されると、0.6 MPa で約 6,125 N の理論上の力が必要になります。 100 mm のボアでは 4,712 N が得られますが、これでは十分ではありません。 125 mm のボアでは 7,363 N が得られ、これで十分です。ロッドにより有効断面積が減少するため、リトラクトストロークも必ず確認してください。

ロングストロークに最適なシリンダ設計はどれですか?

ロッドレスシリンダは、ロッド形シリンダに比べ取付長さが約半分で済むため、ストローク約500mm以上の場合に最適です。軽くてきれいな取り扱いには磁気結合設計を使用し、より重い荷重や滑りが許容されない垂直移動には機械結合設計を使用します。

力が正しいにもかかわらず、シリンダーが横からの荷重によって故障するのはなぜですか?

横方向の荷重により、ロッドとフロント ベアリングに曲げモーメントが発生し、これをどのような軸力でも補償できないためです。定格推力の数パーセントの横力でも、ベアリングとシールの寿命は短くなります。解決策は、推力をロッドの中心線と一致させておくか、ガイド付きシリンダー設計を使用することです。

標準の空気圧シリンダはストローク途中で負荷を保持できますか?

いいえ、圧縮空気は圧縮性であるため、標準の複動シリンダでは負荷が変化しても固定位置を保持できません。ストローク途中の保持が必要な場合は、メカニカルロッドロック、ロックシリンダ、外部ブレーキなどを使用してください。

単動シリンダ設計と複動シリンダ設計の違いは何ですか?

単動シリンダは、空気を使用して一方向に移動し、バネを使用して戻りを行うため、回路は簡素化されますが、ストロークが制限され、戻り時にバネのエネルギーが消費されます。複動シリンダーは両方向に空気を使用し、両方向の力、速度、クッションを完全に制御します。これは、ほとんどのオートメーションの標準的な選択肢です。