water_drop 유공압 시스템 · JIS B 8354 / ISO 15552 규격 준용

공압 / 유압 실린더 유효 단면적 & 추력 정밀 계산기

표준 편로드/양로드(동경·차등) 실린더 및 다단 텔레스코픽(Telescopic) 실린더의 유효 단면적, 단별 가용 추력, 속도비 및 공기/유압 소비량을 실시간 2D 단면도와 함께 산출합니다.

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표준 실린더 파라미터

mm
mm
약 5.10 kgf/cm²
100 mm
90 %
%
50 %

※ 적용: F_act = F_th × η_m × η_L | 미적용: F_act = F_th × η_m

air 공기 소비량 연산 조건
cpm
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실린더 2D 단면 구조 & 가압 면적

전진 가용 추력 (F_act) 부하율 반영
314.2 N
32.04 kgf
이론치: 628.3 N 면적: 12.57 cm²
후진 가용 추력 (F_act) 로드경 차감
263.9 N
26.91 kgf
이론치: 527.8 N 면적: 10.56 cm²
수직 리프트 하중 check_circle
32.0 kg
후진 인양: 26.9 kg
W = Fact / g
공기 소비량 air
13.6 L/min
1왕복: 1.36 L (ANR)
대기압 환산 (10 cpm 기준)
실린더 사양 요약 Ø40 × ST100 (Single Rod)
전진 유효 면적 1,256.6 mm²
후진 유효 면적 1,055.6 mm²
로드 단면적 201.1 mm²
후진/전진 면적비 84.0 %
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공압 및 유압 실린더 유효 단면적, 추력 및 부하율(Load Ratio) 선정 공식 해설

작성자: KEP 기계설계 엔지니어링 팀 | 준용 규격: JIS B 8354, ISO 15552, SMC 기구 선정 가이드

1. 피스톤 유효 단면적(Effective Area)의 공학적 원리

실린더가 발생하는 추력(Force)은 파스칼의 원리(Pascal's Principle)에 따라 유체 압력 $P$와 피스톤이 받는 유효 단면적 $A$의 곱($F = P \times A$)으로 결정됩니다. 일반적인 복동 편로드 실린더의 경우, 전진 시와 후진 시의 수압 면적이 물리적으로 상이합니다.

전진 행정 (Push / Cap End): 피스톤 로드가 없는 캡 측 챔버로 압력이 인가되므로, 실린더 튜브 내경(Bore, $D$) 전체 면적이 유효 단면적이 됩니다.
$A_1 = \frac{\pi \cdot D^2}{4}$
후진 행정 (Pull / Rod End): 로드 측 챔버로 압력이 인가되며, 피스톤 로드 외경(Rod, $d$)이 차지하는 체적만큼 수압 면적이 차감됩니다.
$A_2 = \frac{\pi \cdot (D^2 - d^2)}{4}$

따라서 동일한 공급 압력 하에서도 후진 시의 추력은 전진 시보다 약 10%~25% 감소하므로, 인장 방향으로 부하를 견인하는 기구 설계 시에는 반드시 후진 단면적 $A_2$를 기준으로 실린더 구경을 선정해야 합니다.

2. 실무 설계에서의 작동 부하율(Load Ratio, η) 필수 적용

이론 추력($F_{th} = P \times A$)은 정지 상태에서의 유체 정역학적 힘일 뿐입니다. 실제 기계 장치가 구동될 때는 피스톤 패킹의 마찰 저항, 배관 및 밸브의 압력 강하, 부하 질량의 가속도 저항($F = m \cdot a$)이 발생합니다. 이에 따라 공압 실무에서는 반드시 다음 표와 같은 부하율(Load Ratio, $\eta$)을 적용하여 실효 추력($F_{act} = \eta \cdot F_{th}$)을 산출합니다.

작동 상태 권장 부하율 (η) 적용 기구 및 설계 가이드
정적 작동 (Static) 70 % (0.70) 이하 클램프, 압입, 코킹 등 행정 끝단에서 단순 가압/파지하는 기구
수평 저속 이동 50 % (0.50) 이하 속도 100mm/s 이하의 일반 수평 이송 자동화 장치 표준
수평 고속 이동 40 % (0.40) 이하 속도 100~500mm/s 이상으로 관성 충격 및 급정지가 동반되는 기구
수직 상향 리프트 30 % (0.30) 이하 중력($g$)에 저항하여 워크를 들어 올리는 승강 기구 (낙하 위험 방지)

3. 공압 실린더의 공기 소비량(Air Consumption) 산정 공식

공압 시스템 설계를 위해서는 콤프레샤 용량과 배관 피팅 구경 결정을 위해 1왕복당 소비 공기량(ANR)을 계산해야 합니다. 공기는 압축성 유체이므로 보일-샤를 법칙에 따라 대기압 상태($P_0 = 0.1013 \text{ MPa}$)로 환산합니다.

$$Q_{cycle} = (A_1 + A_2) \times S \times \frac{P + 0.1013}{0.1013} \times 10^{-6} \quad [\text{L / cycle (ANR)}]$$ $$Q_{min} = Q_{cycle} \times N \quad [\text{L / min (ANR)}]$$ (여기서 $S$: 스트로크 mm, $P$: 게이지 압력 MPa, $N$: 분당 사이클 수 cpm)

4. 차등 양로드(Differential Double Rod)의 속도비 및 유효 면적

양단 피스톤 로드의 직경이 서로 다른 차등 양로드 실린더($d_1 \neq d_2$)는 좌우 챔버의 수압 면적이 비대칭을 이룹니다. 전진 방향 수압 면적은 $A_1 = \frac{\pi}{4}(D^2 - d_1^2)$, 후진 방향 수압 면적은 $A_2 = \frac{\pi}{4}(D^2 - d_2^2)$가 되며, 동일 공급 유량($Q$) 하에서 전·후진 속도비는 면적의 역수에 비례합니다.

$$\frac{v_1}{v_2} = \frac{A_2}{A_1} = \frac{D^2 - d_2^2}{D^2 - d_1^2}$$ 만약 $d_2 > d_1$인 경우, 후진단 단면적 $A_2$가 더 작아지므로 후진 시 속도가 빨라지고 추력은 감소합니다.

5. 다단 텔레스코픽(Telescopic) 실린더의 계단식 추력 급감과 최소 단 병목 판정

덤프트럭, 고소작업차, 특장차에 사용되는 다단 텔레스코픽 실린더는 축소 시 전장이 매우 짧으면서도 긴 행정(Long Stroke)을 얻을 수 있는 장점이 있습니다. 그러나 단이 신출될 때마다 외경이 큰 1단 튜브부터 차례대로 전개되므로, 피스톤 수압 면적이 계단식으로 급감합니다.

1단 가용 추력: $F_1 = P \times \frac{\pi D_1^2}{4} \times \eta \quad [\text{최대 추력}]$
최종단(n단) 가용 추력: $F_n = P \times \frac{\pi D_n^2}{4} \times \eta \quad [\text{최소 병목 추력}]$
⚠️ 설계 핵심 주의사항: 1단에서는 목표 하중 $W$를 거뜬히 밀어올려 정상 작동하는 것처럼 보여도, 마지막 단($D_n$)으로 넘어가면서 가용 추력 $F_n < W$가 되면 상단에서 갑자기 상승이 멈추거나 심각한 유압 서지 및 전복 사고가 발생할 수 있습니다. 따라서 반드시 최종단의 가용 추력을 기준으로 인양 안전성을 판정해야 합니다.

6. 직렬 탠덤 실린더 (Tandem Booster) 원리 및 일체형 vs 분리형 로드 구조

기계 가공 장비, 서보 스폿 용접 건, 프레스 클램프 등 설치 공간의 직경(Bore 외경)에 제한이 있어 단일 실린더 구경을 키우기 어려운 경우, 동일하거나 상이한 구경의 튜브 2개를 축 방향으로 직렬 연결한 탠덤 실린더(Tandem Cylinder)를 적용합니다. 중간 격벽(Center Head)으로 구획된 2개의 독립된 압력 챔버에 유압/공압을 동시 공급하여 전진 추력을 최대 2배까지 증폭시킬 수 있습니다.

link 일체형 통축 (Common Through-Rod)

피스톤 1과 2가 단일 로드로 기계적 결합되어 항상 동일한 행정($S$)으로 움직입니다. 1단 캡측은 중간 관통 로드 단면적이 차감된 유효 면적($A_1 = \frac{\pi}{4}(D_1^2 - d_{mid}^2)$)을 가지며, 2단 캡측 전면적($A_2 = \frac{\pi}{4}D_2^2$)과 합산되어 단일 실린더 대비 약 1.91배의 가압 추력을 발휘합니다.

link_off 분리형 독립 로드 (Dual Separate Rods)

1단과 2단 로드가 분리되어 있어 2단 로드가 1단 피스톤 후면을 접촉 밀어내는 구조입니다. 1단 행정($S_1$)과 2단 행정($S_2$)을 다르게 설정할 수 있어 다위치(3-Position: $S_1$, $S_2$, $S_1+S_2$) 제어가 가능하며, 고속 접근 후 가압 공정에 최적화되어 있습니다.