유압 액추에이터(또는 유압 출력 장치라고도 함)는 유압 에너지를 다시 기계적 에너지로 변환합니다. 이 장치에서 모든 가시적인 움직임과 작업이 발생하며, 설계 엔지니어가 가장 먼저 고려해야 할 요소입니다. 유압 액추에이터는 크게 직선 운동형(실린더)과 회전 운동형(모터)의 두 가지 기본 유형으로 분류됩니다.

유압 실린더

유압 실린더는 유압 에너지를 직선 또는 선형 기계 운동으로 변환합니다. 이 실린더는 이동 가능한 부하에 연결되어 작업을 수행합니다.

실린더 구조

이전 장에서 소개된 바에 따르면, 유압 실린더는 주로 실린더 본체(barrel), 두 개의 밀폐된 끝마개(end caps), 피스톤(piston), 피스톤 로드(piston rod), 그리고 유입 및 유출 포트(inlet and outlet ports)로 구성됩니다. 각 끝에는 하나의 포트가 있으며, 하나는 유입용 오일 포트이고, 다른 하나는 유출용 오일 포트입니다.

그림 6-1 표준 양동작 유압 실린더. 오일이 왼쪽 포트로 유입되면 로드가 신장되고, 오일이 오른쪽 포트로 유입되면 로드가 수축합니다.

실린더 출력 힘

실린더의 전체 스트로크 동안 유압 에너지가 움직이는 피스톤에 작용합니다. 이 유압 에너지에 의해 발생하는 압력은 부하에 의해 생성되는 저항을 초과하지 않습니다. 알려진 치수의 실린더의 경우, 특정 출력 힘을 생성하기 위해 필요한 작동 압력을 알아야 합니다. 이는 마찰을 무시할 경우 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:

이 공식을 사용할 때는, 출력 힘을 구하기 위해 면적과 압력이 주어지거나, 압력을 구하기 위해 면적과 출력 힘이 주어집니다. 실제 응용에서는 일반적으로 실린더 보어 지름을 알고 있고, 이를 바탕으로 피스톤 면적을 계산해야 하며, 원의 면적을 계산하는 것은 정사각형의 면적을 계산하는 것만큼 간단합니다.

원의 면적

원의 면적은 그 지름과 같은 한 변의 길이를 가진 정사각형 면적의 약 78.54%에 해당합니다. 보다 정확히 표현하면 다음과 같습니다:

또 다른 일반적으로 사용되는 공식:

그림 6-2 원의 면적 = D² × 0.7854. 이 간단한 공식은 유압 실린더 계산에서 빈번히 사용된다.

실린더 스토크

유압 에너지가 작용하는 거리가 수행되는 일의 양을 결정하며, 이 거리는 실린더 스토크이다. 앞서 언급했듯이, 유압 압력을 이용해 힘을 증폭시키는 것은 비용이 들지 않는 것처럼 보인다. 일부 특정 상황 — 즉 시스템이 정적일 때 — 에서는 작은 힘이 명백한 희생 없이 매우 큰 힘을 발생시킬 수 있다. 그러나 이 증폭된 힘이 동시에 움직임을 유발한다면, 어떤 것이 희생된다: 바로 거리이다.

실린더 용적(배출량)

모든 유압 실린더는 그 스토크(in)와 피스톤 면적(in²)의 곱과 같은 용적(배출량)을 가지며, 이는 in³(cm³) 단위의 부피를 나타낸다.

(in³) = (in²) × (in) 또는 (cm³) = (cm²) × (cm)

예시: 상부 피스톤이 2인치(5.08cm) 이동해야 하면 하부 실린더 피스톤은 1인치(2.54cm) 이동합니다. 두 피스톤 모두 동일한 일을 수행합니다. 상부 피스톤은 유체 20입방인치(327.8cm³)를 이동시키며, 하부 실린더 피스톤 역시 동일한 양의 유체 20입방인치(327.8cm³)에 의해 이동됩니다.

피스톤 로드 속도

유압 실린더 피스톤 로드의 속도는 피스톤 뒤쪽 챔버로 유체가 공급되는 속도에 따라 달라집니다. 피스톤 로드 속도 계산식은 다음과 같습니다.

유압 모터

유압 모터는 유압 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하는 액추에이터입니다. 이 회전 에너지는 구동 샤프트를 통해 부하에 전달됩니다.

모터 구조

모든 유압 모터는 기본적으로 입구 및 출구 포트가 있는 하우징과 구동 샤프트에 연결된 회전 조립체로 구성됩니다.

유압 모터 작동 원리

표시된 예는 베인식 유압 모터이다. 회전 어셈블리는 로터와 로터 슬롯 안에서 자유롭게 왕복 움직일 수 있는 베인으로 구성된다. 이 회전 어셈블리는 하우징 내부에 편심으로 장착되며, 구동 샤프트는 부하에 연결된다. 압력 오일이 입구 챔버로 유입되면, 유압 에너지가 입구 챔버 내 압력 오일에 노출된 베인 면에 작용한다. 상부 베인의 압력 오일에 노출된 면적이 더 크기 때문에 로터에 작용하는 힘이 불균형을 이루며, 이로 인해 로터가 회전한다.

오일이 체적 감소와 함께 출구 챔버에 도달하면 배출된다.

그림 6-6 베인 모터 작동 원리. 압력 오일이 베인의 표면에 작용한다. 상부 베인의 압력 노출 면적이 하부 베인의 압력 노출 면적보다 크기 때문에, 순 작용력이 로터를 회전시킨다.

토크

토크는 회전 또는 비틀림을 유발하는 힘이다. 토크는 축 중심선에서 일정 거리 떨어진 위치에 작용하는 힘이다. 토크의 단위는 lb·in.(또는 N·m)이다.

토크 공식

토크는 유압 모터 축 중심선에 대한 힘의 작용 위치를 나타낸다. 토크 공식은 다음과 같다.

(lb·in.) = (lb) × (in.) 또는 (N·m) = (N) × (m)

그림의 예시: 모터 축에 연결된 크랭크에 50파운드(222N)의 힘이 작용합니다. 축 중심과 힘 사이의 거리는 10인치(0.254m)입니다. 이로 인해 축에 작용하는 토크는 500인치·파운드(56.5Nm)입니다. 동일한 50파운드(222N)의 힘이 15인치(0.38m) 길이의 크랭크 암을 따라 작용할 경우, 축에 작용하는 토크는 750인치·파운드(84.6Nm)가 됩니다. 힘이 축 중심에서 멀리 작용할수록 토크는 더 커집니다. 참고로 토크는 어떠한 움직임도 포함하지 않습니다.

모터 구동축에 연결된 부하는 위에서 설명한 바와 같이 토크를 발생시킵니다. 유압 모터의 경우, 이는 저항을 의미하며, 유압 모터의 회전 조립체에 작용하는 유압으로 극복되어야 합니다.

유압 모터 토크 공식

모터 축 회전 속도

유압 모터 축 회전 속도는 유체가 주입되는 속도에 의해 결정됩니다. 공식은 다음과 같습니다:

전력

이전 장에서 우리는 동력(power)이 일(work)을 수행하는 속도임을 배웠다. 즉, 마력(hp) = ft·lb/시간 또는 와트(W) = 줄(J)/시간이다.

기계적 동력

또한 마력(hp) 또는 와트(W)가 동력의 단위임을 알고 있다. 유압 실린더 또는 유압 모터가 550 lbs(2,442 N)의 기계적 힘으로 부하를 구동하여 1초 동안 1 ft(0.30 m) 이동시킬 경우, 이는 1 hp(746 W)의 동력을 사용한 것이다. 동일한 일(550 ft·lb / 746 J)을 0.5초 만에 수행할 경우, 작업 속도는 두 배로 증가하고 동력은 2 hp(1,490 W)가 된다.

하이드라울릭 파워

실린더 또는 모터가 부하에 전달하는 기계적 동력은 실린더 또는 모터가 요구하는 유압 동력과 동일합니다. 초당 550 ft·lb(746 J)의 속도로 일을 수행하는 유압 시스템의 유압 동력은 1 hp(746 W)입니다. 그러나 기계적 동력 공식에서 "ft(m)" 및 "lbs(N)"은 유압 용어인 "psi(bar)"와 "gpm(Lpm)"으로 대체됩니다. 유압 동력 계산에서는 gpm, psi, ft, lbs(또는 Lpm, bar, m, N) 간의 관계를 표현하기 위해 환산 계수가 사용됩니다.

시스템 및 실린더 동력 계산

유압 실린더 또는 전체 유압 시스템의 동력을 계산하려면:

유압 모터 출력 동력을 계산하려면:

진동 액추에이터

지금까지 우리는 회전 출력을 갖는 유압 모터와 직선 출력을 갖는 유압 실린더에 대해 논의해 왔습니다. 이제 제한 각도 회전을 발생시키는 또 다른 유형의 액추에이터에 대해 논의하겠습니다. 이 유형은 진동 실린더(oscillating cylinder) 또는 진동 모터(oscillating motor)라고 불립니다. 그 구조는 소형이며, 간단하고 효율적이며, 높은 토크를 발생시키고 설치 공간이 작아 쉽게 설치할 수 있습니다.

진동 액추에이터는 공작기계 인덱싱, 굽힘 작업, 중량 물체의 들어올리기 또는 회전, 뒤집기, 위치 결정, 가공용 지그 및 피ixture, 해상 제어, 밸브 작동 등에 사용됩니다.

진동 액추에이터의 종류

진동 실린더에는 여러 가지 유형이 있습니다. 가장 단순한 형태는 선형 유압 실린더로 구동되는 진동 메커니즘으로, 실린더 본체 끝부분에 핀이 장착되어 있고 피스톤 로드가 크랭크에 연결되어 축을 회전시키는 방식입니다. 이 진동 실린더는 4방향 방향 제어 밸브로 제어할 수 있으며, 스트로크 양 끝에 리미트 스위치가 설치됩니다.

모든 기계 장치와 마찬가지로, 이 선형 실린더 기반 진동 액추에이터는 표준 규격의 상용 부품으로 조립할 수 있어 설계자에게 높은 유연성을 제공하고, 쉽게 구할 수 있는 예비 부품을 통해 비용을 낮출 수 있다는 기본적인 특징을 갖습니다.

그러나 이 유형의 진동 액추에이터는 바람직하지 않은 특성도 동반합니다. 즉, 피스톤 로드가 보호되지 않아 주변 환경에 직접 노출되며, 특히 크랭크 메커니즘이 일반적으로 밀봉되지 않기 때문에 안전상 위험이 발생합니다. 또한 구동 샤프트는 일반적으로 큰 측방 하중을 받게 되어 조기 고장, 과도한 마모 및 작동 불량(바인딩)을 유발합니다.

이 특정 유형의 진동 액추에이터의 경우, 유압 실린더가 자유롭게 요동할 수 있어야 하므로 유연한 호스 연결 방식을 사용해야 하며, 실린더 전체 스토크 동안 출력 토크는 일정하지 않습니다.

밀폐형 진동 실린더

봉입식 진동 실린더는 위의 선형 실린더 기반 진동 메커니즘과 매우 유사합니다. 봉입식 실린더는 피스톤 로드와 크랭크를 감싸는 보호 커버를 갖추고 있습니다. 구동 샤프트는 일반적으로 심한 측방 하중을 방지하기 위해 추가 베어링 지지 구조를 포함합니다. 이 유형은 솔레노이드 밸브, 리미트 스위치 또는 스트로크 스위치와 함께 설치할 수 있습니다. 스트로크 범위는 일반적으로 약 85°에서 100° 사이에서 조정할 수 있습니다.

스프링 복귀식 진동 실린더

다른 유형으로는 스프링 복귀식 진동 실린더가 있으며, 이는 복귀 스프링이 장착된 유압 실린더를 사용하여 구동 샤프트를 원래 위치로 되돌립니다. 스프링 복귀식 진동 실린더는 최대 5,000 in·lbs(565 Nm)의 토크를 출력할 수 있습니다.

랙 앤 피니언 진동 실린더

가장 일반적인 회전식 실린더는 랙-피니언 방식입니다. 이 방식은 전체 회전 각도 내에서 양방향 모두 일정한 출력 토크를 유지할 수 있습니다. 이 구조에서는 유압이 피스톤에 작용하여 피스톤에 연결된 랙을 밀어내고, 이 랙이 피니언 기어를 구동시켜 축을 회전시킵니다. 표준 랙-피니언 실린더의 회전 각도는 90°, 180°, 360° 또는 그 이상일 수 있습니다. 랙-피니언 실린더의 출력 토크는 최대 52,000,000 인치-파운드(5,876,000 N·m)에 달할 수 있습니다.

베인 회전 모터

베인 회전 모터도 제공됩니다. 이 유형은 단일 베인 방식 또는 다중 베인 방식으로 제작될 수 있습니다. 단일 베인 모터는 최대 280°까지 회전할 수 있으며, 이중 베인 모터는 최대 200°까지 회전할 수 있습니다. 이중 베인 방식의 출력 토크는 단일 베인 방식의 두 배입니다. 이 유형의 회전 모터는 최대 500,000 인치-파운드(56,497 N·m)의 출력 토크를 달성할 수 있습니다.

나선형 스플라인 회전 모터

나선형 스플라인 메커니즘을 이용해 토크를 발생시키는 또 다른 유형의 진동 모터가 있다. 스플라인의 길이와 피치를 조절함으로써 회전 스트로크를 넓은 범위에서 변화시킬 수 있다. 이 유형의 진동 모터는 내부에 스플라인 가공된 피스톤 슬리브가 장착된 하나의 나선형 스플라인 샤프트로 구성되며, 피스톤 슬리브의 회전은 가이드 로드에 의해 제한된다. 피스톤 슬리브가 실린더 내부에서 이동할 때, 스플라인 샤프트를 회전시킨다. 표준 회전 스트로크는 90°, 180°, 270° 및 360°이며, 최대 출력 토크는 1,000,000 in·lb(13,000 N·m)이다.

체인-스프로킷 진동 모터

체인-스프로킷 진동 모터는 피스톤, 체인 및 스프로킷을 사용하여 샤프트를 구동한다. 이 액추에이터는 일반적으로 구동 장치로서 하나의 대형 피스톤을 사용해 체인을 당기고, 반환 경로 상의 오일 누출을 방지하기 위해 소형 피스톤을 별도로 사용한다. 최대 출력 토크는 약 23,000 in·lb(2,599 N·m)에 달하며, 구동 샤프트의 회전은 최대 5회전(1,800°)까지 가능하다.

특정 응용 분야에 가장 적합한 진동 실린더를 선택하기 위해서는 토크, 속도 및 작동 방식을 모두 일치시켜야 합니다. 실제 진동 모터의 선택 절차는 별도 장에서 설명할 예정이며, 단동식 또는 양동식 여부, 폐루프 위치 제어 방식 채택 여부, 완충 기능 필요 여부 등에 대해서도 추가로 논의할 예정입니다. 또한 작동 주파수 또는 사이클 주기 역시 검토될 예정입니다.

작동기 속도 요약

유압 실린더 피스톤 로드의 직선 속도는 펌프가 실린더 피스톤 챔버로 유체를 주입하는 속도(gpm, L/min)에 따라 달라집니다. 유압 모터 구동축의 회전 속도는 유압 모터로 주입되는 유량(gpm, L/min)에 따라 달라집니다.

작동기 출력력 요약

실린더의 출력력은 psi(바)로 표현되며, 모터 구동 축의 출력력은 모터 회전 부재의 노출 면적에 작용하는 압력에 의해 결정된다. 액추에이터가 생성하는 동력은 액추에이터 속도와 액추에이터 출력력을 곱한 값의 함수이다.

실린더의 경우 출력력은 psi로, 피스톤 로드 속도는 gpm으로 표현된다. 상수 0.000583은 psi, gpm 및 동력 간의 관계를 설명한다. 모터의 경우 출력력은 토크로, 모터 작동 속도는 rpm으로 표현된다. 상수 63,025는 rpm, 토크 및 동력 간의 관계를 설명한다.