공압 실린더가 내는 힘은 «얼마나 큰 보어를 써야 하나» 를 정할 때 가장 먼저 계산합니다. 식은 단순하지만, 당기는 쪽 면적과 «부하율» 을 빠뜨리면 실린더가 모자라거나 느려집니다. 이 글은 SMC 의 기술 자료(Best Pneumatics «Air Cylinders Model Selection», «Technical Data 1·3»)를 따라갑니다.
이론 출력 = 압력 × 면적
F(N) = P(MPa) × A(mm²) 미는 쪽 A1 = π × D² ÷ 4 당기는 쪽 A2 = π × (D² − d²) ÷ 4 (D 보어, d 로드 지름) ø50 / 로드 20, 0.5 MPa: 미는 쪽 1963 mm² × 0.5 = 982 N (100 kgf) 당기는 쪽 1649 mm² × 0.5 = 825 N (84 kgf)
SMC 는 실린더 안의 저항이 없다고 보고 압력에 받는 면적만 곱한 값을 «이론 출력» 이라고 부릅니다. 단위를 MPa 와 mm² 로 맞추면 결과가 바로 N 입니다(1 MPa = 1 N/mm²). kgf 로는 9.806 65 로 나눕니다.
| 압력 | 미는 쪽 N (kgf) | 당기는 쪽 N (kgf) |
|---|---|---|
| 0.3 MPa | 589 (60.1) | 495 (50.5) |
| 0.4 MPa | 785 (80.1) | 660 (67.3) |
| 0.5 MPa | 982 (100.1) | 825 (84.1) |
| 0.6 MPa | 1178 (120.1) | 990 (100.9) |
위 표는 ø50·로드 20 mm 의 값입니다. 힘은 압력에 정비례하므로, 공급 압력이 0.5 에서 0.4 MPa 로 떨어지면 힘도 20 % 줄어듭니다.
부하율 — 이론 출력을 다 쓰지 않는 이유
실제 실린더에는 패킹·베어링 마찰이 있고, 움직일 때는 배기 쪽에 남은 압력이 반대로 밉니다. SMC 는 이 힘들이 크기·압력·속도에 따라 달라지므로 실린더를 늘 넉넉하게 고르라고 하고, 그 여유를 «부하율 η» 로 둡니다.
필요한 힘 F = η × A × P → 필요한 면적 A = F ÷ (η × P)
| 쓰임 (SMC) | 부하율 η |
|---|---|
| 정적 — 클램프, 저속 압입 | 0.7 이하 |
| 동적 — 부하를 수직·수평으로 움직임 | 0.5 이하 |
| 동적 — 가이드 위에서 수평 이동 | 1 이하 |
특히 빨리 움직여야 하면 부하율을 더 낮춥니다(SMC 그래프는 0.4·0.3·0.2 까지). 부하율을 낮출수록 힘이 남아 속도를 내기 쉬워집니다. 압력은 보통 공급 압력의 85 % 로 레귤레이터를 둔다고 SMC 는 적습니다.
보어 고르는 순서 — SMC 예제 세 개
SMC 의 선정 순서는 ① 쓰임에 맞는 부하율 ② 사용 압력 ③ 필요한 힘(누르는 힘, 또는 움직일 질량)으로 그래프에서 보어를 읽는 것입니다. 그래프 대신 식으로 풀면 다음과 같고, 세 예제 모두 SMC 가 고른 보어와 같습니다.
| 예제 | 조건 | 필요한 면적 | 보어 |
|---|---|---|---|
| 1 | 정적으로 1000 N 누름, η 0.7, 0.5 MPa, 미는 쪽 | 1000 ÷ (0.7 × 0.5) = 2857 mm² (ø60.3 이상) | ø63 |
| 2 | 가이드 위 30 kg 수평 이동, η 1, 0.4 MPa, 당기는 쪽 | 294 N ÷ 0.4 = 735 mm² | ø40 (로드 14, 당김 1103 mm²) |
| 3 | 100 kg 수직으로 끌어올림, η 0.5, 0.5 MPa, 당기는 쪽 | 981 N ÷ 0.25 = 3923 mm² | ø80 (로드 25, 당김 4536 mm²) |
예제 2·3 은 당기는 쪽으로 계산합니다. 부하를 양쪽으로 움직이면 면적이 작은 당기는 쪽이 기준이고, 예제 3 은 당겨서 들어 올리는 구조라서입니다. 예제 3 에서 압력이 0.4 MPa 로 떨어진다고 보면 필요한 면적이 4903 mm² 가 되어 ø80(당김 4536 mm²)으로는 모자라고 ø100 이 됩니다 — 압력은 낮은 쪽으로 넣습니다.
SMC 이론 출력 표 읽기
SMC 의 «Theoretical Output Table»(Data 3)은 보어·로드별 면적과 0.2~1.0 MPa 의 출력을 줍니다. 면적을 유효 숫자 3자리로 반올림한 뒤 압력을 곱해 다시 3자리로 적은 값이라, 계산기 값과 끝자리가 조금 다를 수 있습니다. 같은 보어라도 시리즈마다 로드 지름이 다르니(ø40 은 로드 14·16 두 줄) 쓰는 실린더의 카탈로그 값을 넣습니다.
| 보어 / 로드 | 미는 쪽 mm² | 당기는 쪽 mm² | 0.5 MPa 미는 쪽 N | 0.5 MPa 당기는 쪽 N |
|---|---|---|---|---|
| ø32 / 12 | 804 | 691 | 402 | 346 |
| ø40 / 14 | 1,260 | 1,100 | 630 | 550 |
| ø50 / 20 | 1,960 | 1,650 | 980 | 825 |
| ø63 / 20 | 3,120 | 2,800 | 1,560 | 1,400 |
| ø80 / 25 | 5,030 | 4,540 | 2,520 | 2,270 |
| ø100 / 30 | 7,850 | 7,150 | 3,930 | 3,580 |
계산에 없는 것
- 속도와 충돌: 이론 출력은 정지 상태의 힘입니다. 행정 끝에서 부하를 멈추는 운동 에너지는 쿠션 용량(카탈로그의 허용 운동 에너지)으로 따로 봅니다.
- 가로 하중: 로드에 옆으로 걸리는 힘은 실린더가 아니라 가이드로 받게 합니다. SMC 예제 2 가 부하율 1 을 쓰는 것도 가이드 위 이동이기 때문입니다.
- 공기 소비량과 배관: 빨리 움직이려면 밸브·배관 크기와 공급 유량이 맞아야 합니다.
PortDock 에서는
- 웹 도구 «공압 실린더 추력 계산기»: 보어·로드·압력(MPa·bar·kgf/cm²·psi) → 미는 쪽·당기는 쪽 이론 출력과 부하율을 곱한 힘, 필요한 힘·질량으로 SMC 표의 보어 고르기.
- 웹 도구 «압력 단위 변환기»: 레귤레이터·압력계 눈금(bar·kgf/cm²·psi)을 MPa 로 바꿉니다.
- Serial Plotter·Modbus Master: 압력 센서(4–20 mA → 아날로그 입력 → Modbus)의 값을 기록해 실린더가 움직일 때 공급 압력이 얼마나 떨어지는지 그래프로 봅니다.
작성 2026-10-24