실린더 내경 선정, "대충 큰 걸로" 하면 공기 낭비에 속도까지 느려진다

추력 계산식(F=P×A×η), 안전계수 적용, 속도와 내경 관계, 포트 사이즈 선정

"추력이 부족할 것 같으니까 큰 내경 실린더로 하죠 뭐." 이 말이 나오면 엔지니어링이 아니라 감입니다. 실린더 내경이 커질수록 소비 공기량은 제곱에 비례해 늘어나고, 밸브·배관도 그에 맞게 커져야 합니다. 정확한 계산으로 최적 내경을 선정하는 방법을 알아봅니다.

1. 기본 추력 계산식

F = P × A × η

F: 추력(N)
P: 공급압력(MPa), 통상 0.4~0.6MPa
A: 피스톤 수압 면적(mm²) = π/4 × D²
η: 기계효율, 통상 0.7~0.8 (마찰·씰 저항 고려)

예시: 내경 50mm, 0.5MPa, η=0.75 → F = 0.5 × (π/4×50²) × 0.75 = 0.5 × 1963 × 0.75 ≈ 736N

2. 안전계수 적용

수평 이동(슬라이딩 하중): 안전계수 2 이상 → 필요 추력의 2배 이상 여유
수직 들어올리기(중력 하중): 안전계수 3 이상 → 중력과 마찰 모두 고려
고속 충격 정지: 안전계수 4 이상 → 관성력 추가 고려

3. 속도와 내경의 관계

큰 내경 실린더는 같은 유량(배관·밸브 크기)에서 더 느립니다. 속도(v) = 유량(Q) / 피스톤 면적(A). 즉 A가 2배가 되면 속도가 절반이 됩니다.

고속 왕복(200mm/s 이상) 필요 시: 작은 내경 + 대유량 밸브 조합이 유리합니다.
느린 정밀 위치 제어: 큰 내경 + 유량 제어 밸브(Speed Controller) 조합.

4. 포트·배관 사이즈 선정

내경 40mm 이하: Rc1/8(PT1/8) ~ Rc1/4
내경 50~80mm: Rc1/4 ~ Rc3/8
내경 100mm 이상: Rc1/2 이상

배관이 작으면 압력 손실이 커져 실제 추력이 계산값보다 현저히 낮아집니다.

💡 사수의 한마디
"실린더 내경을 '한 사이즈 업'할 때마다 소비 공기량은 약 1.5~2배가 됩니다. 공장 전체의 컴프레서 용량과 에너지 비용이 올라가는 것까지 생각해야 진짜 엔지니어링입니다."