シリンダの推力計算と内径圧力

シリンダの推力計算と圧力

シリンダの推力計算の計算式と受圧面積

シリンダの推力計算は、基本的に「推力 \(F\) ＝ 受圧面積 \(A\) × 圧力 \(P\)」で求めます。空気圧でも油圧でも考え方は同じで、パスカルの原理に沿って「圧力が面積に作用して力になる」という整理です。MISUMIの技術情報でも、推力はシリンダ径（内径）・ロッド径・使用圧力で決まると明記されています。

ここで重要なのは、受圧面積が「押し（伸び側）」「引き（縮み側）」で変わる点です。複動シリンダの場合、伸び側はピストン全面が受圧面積になり、縮み側はロッドがある分だけ面積が減ります。SMCの理論出力表もOUT（伸び）とIN（縮み）で受圧面積が別に与えられており、同じ内径でも縮み側が小さいことが一覧で確認できます。
​
受圧面積は丸断面なので、内径 $D$D のピストン面積は「$A=\pi D^2/4$A=πD2/4」です。縮み側はロッド径 $d$d の断面積を差し引くため「$A=\pi (D^2-d^2)/4$A=π(D2−d2)/4」になります。計算ツールの解説でも、伸び側推力と縮み側推力を別式として示し、ロッド径を考慮する必要があると整理されています。
​
実務での“最初の落とし穴”は、押し側の推力だけで判断してしまうことです。例えば「引き動作でワークを戻す」「クランプを解除する」など、縮み側が支配的な工程では、縮み側推力で必要推力を満たすかを必ず確認します。カタログや選定表でOUT/INが併記されるのはそのためで、SMCの表のように同圧力でもINが小さくなる前提で選びます。
​
箇条書きで最小限まとめると次の通りです。

・理論推力（伸び側）：圧力 $P$P × 受圧面積（ピストン全面）
・理論推力（縮み側）：圧力 $P$P × 受圧面積（ピストン面積－ロッド面積）
・同じ内径でも、ロッド径が太いほど縮み側推力は小さくなる（SMCのIN/OUT差で確認できる）​

シリンダの推力計算の単位換算とMPa

シリンダの推力計算で多いミスが「単位の混在」です。現場の図面はmm、空圧・油圧の設定はMPa、結果はNやkNで扱うことが多いので、最初に“統一ルール”を決めてから式に入れるのが安全です。MISUMIでも推力の決定要素として圧力が挙げられており、圧力条件が前提になるため、単位の扱いが重要になります。

おすすめは「MPa × mm² → N」の直結ルールを覚える方法です。理由は、1 MPa = 1 N/mm² なので、面積をmm²で計算してMPaを掛ければ、そのままNが出ます（$\pi/4$π/4は別として）。この感覚を持つと、Paやm²に変換して桁が崩れる事故が減ります。
​
例として、内径 $D=50mm$D=50mm、圧力 $P=0.5MPa$P=0.5MPa の伸び側理論推力を概算します。受圧面積は $A=\pi×50^2/4 ≒ 1963mm²$A=π×502/4≒1963mm2 なので、推力 $F≒0.5×1963=981.5N$F≒0.5×1963=981.5N 程度です。実際、SMCの理論出力表でも、内径50mm・0.5MPaのOUT（伸び側）はおよそ980N相当（表の桁はN）で、計算と表の整合が取りやすいことが分かります。
​
縮み側の例も同様で、ロッド径が例えば20mmならロッド面積は $314mm²$314mm2 程度なので、有効面積は約 $1963-314=1649mm²$1963−314=1649mm2 となり、推力は $0.5×1649≒824.5N$0.5×1649≒824.5N に下がります。SMC表でも、同条件でIN（縮み側）がOUTより小さい関係が数値として並んでいます。
​
単位換算の“現場メモ”としては以下が便利です。

・1 MPa = 1 N/mm²（面積がmm²なら、そのままNで出る）​
・表やカタログは、OUT/IN（伸び/縮み）を別に読む（SMC表が典型）​
・kNにしたいときは、Nを1000で割る（設計計算書の整形でよく使う）

シリンダの推力計算と効率と摩擦

理論推力は「理想状態」の値で、実機では摩擦抵抗などで推力が低下します。MISUMIの解説では、空気圧から生じる推力が内部構造の摩擦抵抗などにより理論推力から低下する、と明記されています。

さらにMISUMIは、使用圧力0.3MPa以上では“推力効率μ=50%程度で計算して選定”という現場寄りの目安を提示しています。つまり、理論推力でギリギリを狙うのではなく、余裕を見て内径を上げる・圧力条件を見直す・ガイド付きシリンダや機構で負荷を逃がす、といった設計判断が必要になります。

推力低下を招きやすい要因を、建築設備や治具の現場目線で整理すると次の通りです。

・シールやブッシュの摩擦（低速・低圧ほど相対的に効きやすい）
・配管の圧力損失（末端で有効圧力が下がり、理論推力が出ない）
・偏心荷重や横荷重（摺動抵抗が増え、かじりの誘因にもなる）
横荷重は「推力と別問題」と思われがちですが、実際は推力不足と同じくらいトラブルになります。MISUMIでは、横荷重がかかるとブッシュ部やチューブ内壁との接触圧が高まり、かじりを生じる、と具体的に注意喚起しています。

また、MISUMIは横荷重限界の目安として「最大シリンダ推力（μ=100%）の1/20程度で算出」という経験則も示しています。これは“推力の何％を横方向で受けてよいか”の簡易チェックに使え、ガイド追加や取付姿勢の見直し判断の入口になります。

シリンダの推力計算の内径とロッド径と選定

内径（ボア径）を大きくすれば受圧面積が増えるので、推力は上がります。MISUMIの記載通り、推力はシリンダ径・ロッド径・使用圧力で決まるため、推力不足なら「圧力を上げる」か「内径を上げる」か「ロッド径の影響（縮み側）を織り込む」かのいずれかで調整します。

一方で、ロッド径は縮み側推力に直接効くため、引き側で大きな力が必要な場合は注意が要ります。SMCの理論出力表は、同じ内径でもロッド径が変わるとIN側の受圧面積が変化し、出力が変わることを数表で確認できます。
​
選定時にありがちな判断ミスを、チェックリストにします。

・押し側（OUT）だけ見て、引き側（IN）の必要推力を落とす（表でOUT/INを必ず見る）​
・推力に余裕がないのに、効率（μ）を見込まない（MISUMIがμ=50%目安を提示）
・横荷重をシリンダ単体で受けてしまう（横荷重限界を推力の1/20目安で確認）
建築系の用途（開閉、ロック、押し当て）では「ストローク端で押しつけ続ける」「片持ち状態で荷重がかかる」など、横荷重と摩擦が同時に来るケースが多いです。そういうときは、推力計算の結果が同じでも“構造の作り方”で結果が変わります。MISUMIが許容横荷重の注意を独立項目で書いているのは、選定で事故が多いポイントだからです。

参考リンク（理論推力・受圧面積の一覧表。内径×圧力でOUT/INのN値がすぐ読める）
https://www.smcworld.com/assets/select_guide/ja-jp/actuator/pdf/riron.pdf
参考リンク（推力計算・効率・許容横荷重の目安。μ=50%や横荷重1/20の考え方）
https://jp.misumi-ec.com/tech-info/categories/machine_design/md05/c1076.html

シリンダの推力計算と横荷重と独自視点

検索上位は「推力＝圧力×面積」の式説明が中心になりがちですが、建築従事者の現場では“推力が足りているのに動かない”の原因が、横荷重・取付誤差・摺動部の当たりであることが珍しくありません。MISUMIが許容横荷重の項目で「横荷重でかじりが起きる」と明言している通り、横方向の力はシリンダ寿命と作動安定性を一気に落とします。

独自視点として提案したいのは、「推力計算の直後に、横荷重を“発生させない設計”を同時にメモする」運用です。計算書の同じページに、次のような“対策候補”を並べておくと、上司チェックでも議論が前に進みます。MISUMIが横荷重限界を最大推力の1/20程度とする目安を示しているので、これを判断基準の一つにできます。

現場で効く対策例（推力を増やす前に検討する価値が高い順）
・ガイド（リニアガイド、ガイド付きシリンダ）で横荷重を機構側に逃がす
・取付面の平行度と芯出しを見直す（ロッドに曲げが入ると摩擦が増える）
・リンク機構で押し付け角を変え、ロッドに横成分が出ない姿勢にする
・ストローク端での押し付け保持は、メカストッパ＋最小押圧にしてシリンダを“止め具”にしない
また、押し付け用途では「最大推力を出す必要がある時間」は意外と短く、必要なのはピークではなく“安定して動く推力”です。だからこそ、理論推力の計算結果に対して、効率μ（摩擦）と横荷重（かじり）を同時に見込むべきだと整理できます。MISUMIが効率と横荷重を同一ページで説明しているのは、推力計算が単体で完結しないことを示唆しています。

最後に、推力計算の結果を現場で使い切るための“ワンポイント表”です。

📌推力の使い方（実務）
・理論推力：式（圧力×面積）で算出し、OUT/INの両方を出す​
・実推力の目安：摩擦を見て余裕を確保（μの考え方を入れる）
・動かない原因：推力不足より横荷重・かじりが多いので、許容横荷重も同時に確認

空気圧エアシリンダ, シリンダー, 直径10mm, ストローク30mm, 工業用, 自動化機械