空気圧シリンダー

空気圧シリンダーは、エアシリンダーとも呼ばれ、 圧縮ガスの力を利用して往復直線運動の力を生み出す機械装置です。 ^{[1] ：85}

油圧シリンダーと同様に、何かがピストンを目的の方向に動かします。ピストンはディスクまたはシリンダーであり、ピストンロッドは発生した力を移動対象物に伝達します。^{[1] ：85}エンジニアは、空気圧の方が静かでクリーンであり、流体を保管するための大きなスペースを必要としないため、空気圧を使用することを好む場合があります。

作動流体はガスであるため、空気圧シリンダーから漏れても滴り落ちて周囲を汚染することはなく、空気圧は清潔さが求められる場所でより望ましいものとなります。たとえば、ディズニーティキ ルームの機械人形では、人形の下にいる人々に流体が滴り落ちるのを防ぐために空気圧が使用されています。

作動すると、圧縮空気がピストンの一端のチューブに入り、ピストンに力を加えます。その結果、ピストンが移動します。

空気圧シリンダーを扱うエンジニアが直面する大きな問題の 1 つは、ガスの圧縮性に関するものです。シリンダーに作用する負荷が使用されるガスをさらに圧縮しようとすると、空気圧シリンダーの精度にどのような影響が及ぶかについては、多くの研究が行われてきました。シリンダーが最大負荷を受ける垂直負荷の場合、シリンダーの精度は最も影響を受けます。台湾の国立成功大学の研究では、精度は約 ± 30 nm であると結論付けられました。これはまだ満足できる範囲内ですが、空気の圧縮性がシステムに影響を与えることを示しています。^[2]

空気圧システムは、まれに短時間でもシステム障害が発生することが許されない環境でよく使用されます。このような状況では、ロックは空気供給が失われた場合 (または圧力が低下した場合) の安全機構として機能し、このような状況で発生する損害を修復または軽減することができます。入力または出力からの空気の漏れにより、出力圧力が低下します。

空気圧シリンダーは外観、サイズ、機能が異なりますが、一般的には以下に示す特定のカテゴリのいずれかに分類されます。ただし、他にも多数の種類の空気圧シリンダーがあり、その多くは特定の特殊な機能を果たすように設計されています。

単動シリンダ (SAC) にはポートが 1 つあり、圧縮空気が流入してロッドが一方向にのみ移動します。圧縮空気の高圧により、シリンダ チャンバーが充填され続けるにつれてロッドが伸びます。圧縮空気が同じポートを通ってシリンダから出ると、ロッドは元の位置に戻ります。

複動シリンダ（DAC）は、空気の力を利用して、伸長ストロークと収縮ストロークの両方で動きます。空気を取り込むポートが 2 つあり、1 つは伸長ストローク用、もう 1 つは伸長ストローク用です。この設計のストロークの長さには制限はありませんが、ピストンロッドは座屈や曲がりに対してより脆弱です。追加の計算も実行する必要があります。^{[1] : 89}

伸縮シリンダーは、伸縮シリンダーとも呼ばれ、単動式または複動式のいずれかです。伸縮シリンダーには、直径が徐々に大きくなる一連の中空ステージ内にピストンロッドが組み込まれています。作動すると、ピストンロッドと後続の各ステージがセグメント化されたピストンとして「伸縮」します。この設計の主な利点は、同じ収縮 (収縮) 長さの単段シリンダーで達成できるストロークよりも大幅に長いストロークが許容されることです。伸縮シリンダーの欠点として挙げられるのは、セグメント化されたピストン設計によりピストンが屈曲する可能性が高くなることです。したがって、伸縮シリンダーは主に、ピストンが最小限の側面荷重を受ける用途で使用されます。^[3]

SACとDACは最も一般的なタイプの空気圧シリンダーですが、以下のタイプも特に珍しいものではありません。^{[1] : 89}

• スルーロッドエアシリンダー: ピストンロッドがシリンダーの両側を貫通し、どちらの側でも等しい力と速度を実現します。
• クッションエンドエアシリンダー: ピストンロッドとシリンダーエンドカバー間の衝突を避けるために、空気排出が調整されたシリンダー。
• 回転空気シリンダー: 空気を使用して回転運動を与えるアクチュエーター。
• ロッドレス エア シリンダー: ピストン ロッドがありません。機械式または磁気式のカップリングを使用して、通常はシリンダー本体の長さに沿って移動するが、シリンダー本体を超えて伸びないテーブルまたはその他の物体に力を伝えるアクチュエータです。
• タンデムエアシリンダー：2つのシリンダーを直列に組み立てたもの
• インパクトエアシリンダー: ピストンロッドの伸縮による衝撃に耐える特別に設計されたエンドカバーを備えた高速シリンダー。

ロッドレスシリンダーにはロッドがなく、比較的長いピストンのみがあります。ケーブルシリンダーは片側または両側に開口部がありますが、ロッドではなく柔軟なケーブルが通っています。このケーブルには、密閉のために滑らかなプラスチックジャケットが付いています。もちろん、1本のケーブルを張った状態に保つ必要があります。^[4] その他のロッドレスシリンダーは両端を閉じ、ピストンをシリンダーの外側に沿って走るアクチュエータに磁気的または機械的に結合します。磁気タイプでは、シリンダーは薄壁で非磁性材料でできており、シリンダーは強力な磁石であり、外側の磁気トラベラーに沿って引っ張ります。

機械式では、シリンダーの一部がシリンダーの長さに沿って切られたスロットを通って外側に伸びています。スロットは、内側（ガス漏れを防ぐため）と外側（汚染を防ぐため）で柔軟な金属シーリングバンドによって密閉されています。ピストン自体には2つのエンドシールがあり、その間には突出したリンクの前のシールを「剥がし」、後ろでシールを交換するためのカム面があります。したがって、ピストンの内部は大気圧です。^[5]

機械式（蒸気駆動ではあるが）のよく知られた応用例としては、多くの現代の航空母艦で使用されているカタパルトがある。

仕事の仕様に応じて、複数の形態のボディ構造が利用可能である：^{[1] ：91}

• タイロッド シリンダー: さまざまな種類の負荷に使用できる最も一般的なシリンダー構造。最も安全な形式であることが証明されています。
• フランジ型シリンダー: シリンダーの端に固定フランジが追加されますが、この構造形式は油圧シリンダー構造ではより一般的です。
• 一体型溶接シリンダー: 両端がチューブに溶接または圧着されており、この形式は安価ですが、シリンダーは修理不可能になります。
• ねじ付きエンド シリンダー: エンドはチューブ本体にねじ込まれます。材料が減るとチューブが弱くなり、システムにねじの同心度の問題が発生する可能性があります。

作業仕様に応じて、材質を選択できます。材質はニッケルメッキ真鍮からアルミニウム、さらには鋼鉄やステンレス鋼まで多岐にわたります。指定された負荷、湿度、温度、ストロークの長さに応じて、適切な材質を選択できます。^[6]

用途の場所や加工性に応じて、空気圧シリンダーを取り付けるためのマウントにはさまざまな種類があります。^{[1] : 95}

エアシリンダーにはさまざまなサイズがあり、通常は、小型トランジスタやその他の電子部品を持ち上げるのに使用される2.5 mm ( 1 ⁄ 10 インチ) の小型エアシリンダーから、自動車を持ち上げるのに十分な力を与える直径 400 mm (16 インチ) のエアシリンダーまであります。空気圧シリンダーの中には直径が 1,000 mm (39 インチ) に達するものもあり、油圧オイルの漏れが極めて危険な状況で油圧シリンダーの代わりに使用されます。

シリンダーに作用する力により、ピストン ロッドは最もストレスを受けるコンポーネントであり、大きな曲げ、引張、圧縮力に耐えられるように設計する必要があります。ピストン ロッドの長さに応じて、ストレスの計算方法が異なります。ロッドの長さが直径の 10 倍未満の場合、圧縮力または引張力が作用する剛体として扱うことができます。その場合、関係は次のようになります。

${\displaystyle F=A\sigma }$

どこ：

${\displaystyle F}$圧縮力または引張力である

${\displaystyle A}$ピストンロッドの断面積である

${\displaystyle \sigma}$ストレスは

しかし、ロッドの長さが直径の10倍を超える場合は、ロッドを柱として扱い、座屈も計算する必要があります。^{[1] ：92}

ピストンの直径とシリンダーによって加えられる力は関連していますが、互いに正比例しているわけではありません。さらに、この 2 つの間の一般的な数学的関係は、空気供給が飽和しないことを前提としています。ピストン ロッドの面積によって有効断面積が減少するため、両方が空気圧で駆動され、同じ量の圧縮ガスが供給される場合、インストローク力はアウトストローク力よりも小さくなります。

力、半径、圧力の関係は、単純な分布荷重方程式から導き出すことができる。^[7]

${\displaystyle F_{r}=PA_{e}}$

どこ：

${\displaystyle F_{r}}$合力は

${\displaystyle P}$表面にかかる圧力または分布荷重である

${\displaystyle A_{e}}$荷重が作用する有効断面積である

提供された分布荷重方程式を使用すると、は圧力が作用しているピストン表面の面積に置き換えることができます。 ${\displaystyle A_{e}}$

${\displaystyle F_{r}=P(\pi r^{2})}$

どこ：

${\displaystyle F_{r}}$合力を表す

${\displaystyle r}$ピストンの半径を表す

${\displaystyle \pi}$πはおよそ 3.14159 に等しいです。

インストロークでは、アウトストロークで説明したのと同じ、加えられる力、圧力、有効断面積の関係が適用されます。ただし、断面積はピストン面積よりも小さいため、力、圧力、半径の関係は異なります。ただし、有効断面積はピストン表面の断面積からピストンロッドの断面積を引いた値であるため、計算はそれほど複雑ではありません。

したがって、ストロークの場合、発揮される力、圧力、ピストンの半径、ピストンロッドの半径の関係は次のようになります。

${\displaystyle F_{r}=P(\pi r_{1}^{2}-\pi r_{2}^{2})=P\pi (r_{1}^{2}-r_{2}^{2})}$

どこ：

${\displaystyle F_{r}}$合力を表す

${\displaystyle r_{1}}$ピストンの半径を表す

${\displaystyle r_{2}}$ピストンロッドの半径を表す

${\displaystyle \pi}$πはおよそ 3.14159 に等しいです。

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