【공압-자동화 실무】 공압 실린더 선정 방법 | Bore, Stroke, 추력 계산과 단동, 복동 차이

PNEUMATIC CYLINDER SELECTION

공압 실린더는 Bore만 계산해서 고르면 끝이 아니다

사용압력, 전진과 후진 유효면적, Stroke, 부하 방향, Mounting과 Auto Switch까지 실제 선정 순서로 정리한다.

공압 실린더는 구조가 단순해서 처음에는 선정도 쉬워 보인다. 필요한 힘을 계산하고 적당한 Bore를 고르면 될 것 같지만, 실제 기구에 넣어 보면 전진과 후진 힘이 다르고 로드에 횡하중이 걸리거나 Stroke 끝에서 충격이 생기는 문제가 먼저 드러난다.

과거 공압 설계 자료를 다시 보면 시행착오가 생기는 부분도 실린더 자체보다 실린더를 어떤 조건으로 사용하느냐에 가까웠다. 그래서 공압 실린더는 힘 계산보다 먼저 부하 방향과 설치구조를 확인하는 방식이 더 실무적이다.

선정 순서부터 잡자 필요 힘 → 실제 사용압력 → Bore → Stroke → 전진과 후진 조건 → Rod Side Load → Mounting → Cushion → Auto Switch → Fitting 순으로 보면 빠뜨리는 항목이 크게 줄어든다.

1. 가장 기본은 F = P × A다

실린더 추력의 출발점은 압력과 면적이다.

기본식

F = P × A

A = π × D² / 4

여기서 중요한 것은 Compressor 명판압력이 아니라 실린더 포트에 실제로 걸리는 압력이다. Regulator 설정, 배관 손실, Valve 유량과 순간 소비량에 따라 실제 압력은 달라진다.

2. 6 bar, Ø50 실린더는 얼마의 힘이 나올까?

예를 들어 Bore가 50mm이고 실린더에서 실제로 6 bar가 유지된다고 가정해 보자.

A = π × 50² / 4 ≈ 1963 mm²

6 bar = 0.6 N/mm²

F_theoretical ≈ 1963 × 0.6 ≈ 1178 N

약 120kgf에 가까운 숫자가 나오지만 이 값을 그대로 허용 부하로 쓰면 안 된다. Seal 마찰, 압력변동, 가속에 필요한 힘, 배관 손실과 설치오차가 있기 때문이다.

예전 자료의 80%, 70% 같은 계수를 모든 실린더에 그대로 적용하지 않는다.
과거 실무자료에서는 전진과 후진 실제추력을 이론값의 일정 비율로 잡았지만, 공개용 설계에서는 제조사 Load Factor Chart와 사용조건으로 다시 확인하는 편이 안전하다.

3. 복동 편로드 실린더는 전진과 후진 힘이 다르다

전진할 때는 Piston 전체 면적을 사용하지만 후진할 때는 Rod 단면적만큼 유효면적이 줄어든다.

복동 편로드 실린더

F_extend = P × πD² / 4

F_retract = P × π(D² - d²) / 4

예를 들어 Ø50 Bore, Ø20 Rod라면 후진측 면적은 약 1649mm²이고 같은 6 bar에서 이론 추력은 약 989N이다. 전진과 후진 속도까지 같다고 생각해서는 안 되는 이유도 여기서 시작한다.

4. 단동과 복동은 무엇으로 나눌까?

항목	단동 실린더	복동 실린더
구동	한 방향은 공압, 반대는 Spring 복귀가 일반적	전진과 후진 모두 공압으로 제어
Valve	주로 3 Port 계열	주로 5 Port 계열
장점	구조 단순, Air 소비를 줄이기 쉬움	양방향 힘과 속도를 제어하기 좋음
주의	Spring Force와 유효 Stroke 확인	양쪽 Chamber 유량을 모두 고려

5. Stroke는 필요한 이동거리보다 조금만 길면 될까?

Stroke 자체는 필요한 기계 이동거리를 만족하면 되지만, Rod 끝단에 충돌하듯 사용하는 구조는 피하는 편이 좋다. 반복 동작에서는 End Cushion, Stopper, Shock Absorber와 감속구간을 함께 본다.

Stroke가 길어질수록 Rod Buckling과 횡하중 영향도 커진다. 특히 실린더 Rod가 Guide 역할까지 떠맡는 구조는 처음에는 움직여도 시간이 지나면 Seal 편마모와 Stick-slip이 생기기 쉽다.

6. 실린더 Rod는 Linear Guide가 아니다

실무에서 먼저 보는 부분 실린더가 물체를 밀고 당기는 축 방향 Force는 잘 견디지만, Rod에 큰 횡하중이나 Moment를 지속적으로 걸면 수명과 Seal 상태가 나빠질 수 있다. 하중을 안내해야 한다면 Guide Unit이나 별도 Linear Guide를 검토한다.

과거 자료에도 긴 Stroke에서 Rod 휨을 보완하기 위한 Guide Unit, 선단 너클 조인트, Clevis 같은 부속품을 별도 항목으로 다루고 있다. 실제 기구설계에서는 이 부속품이 Cylinder Model만큼 중요하다.

7. Mounting 방식이 틀리면 실린더가 스스로 비틀린다

Flange, Foot, Clevis, Trunnion 등 Mounting 방식은 기구의 움직임과 Force 방향에 맞춰 선택해야 한다. 양쪽을 과도하게 강체 고정해 축 정렬오차를 실린더가 흡수하게 만들면 Binding이 생길 수 있다.

8. Auto Switch는 처음부터 옵션에 넣는 것이 편하다

실린더의 End Position을 PLC에서 확인하려면 Magnet 내장 Piston과 Auto Switch 장착 Rail 여부를 미리 확인한다. 기구가 완성된 뒤 Sensor를 억지로 붙이면 Bracket과 Cable Routing이 더 복잡해진다.

2선식 Reed Type인지 3선식 NPN/PNP Solid-state Type인지에 따라 PLC Input 배선도 달라진다. 이 부분은 97번 글에서 따로 정리한다.

9. Fitting Port와 Tube Size도 실린더 선정의 일부다

Bore가 큰 실린더에 너무 작은 Tube와 Fitting을 사용하면 압력이 있어도 필요한 순간 Flow가 나오지 않는다. 결과적으로 Stroke Time이 길어지고, Speed Controller를 완전히 열어도 빨라지지 않는다.

10. 카탈로그에서 반드시 확인할 항목

Cylinder Selection Checklist

• Bore와 Stroke
• 사용압력 범위와 Proof Pressure
• Rod Diameter와 Buckling 조건
• 허용 횡하중과 Moment
• 최대 Piston Speed
• Cushion 방식
• Mounting Option
• Rod End Thread와 Accessory
• Auto Switch 호환성
• Port Size와 Fitting 규격

11. 실제 선정은 힘보다 동작시간에서 다시 막히는 경우가 많다

힘 계산은 맞는데 실린더가 느린 경우가 있다. 이때 Bore를 더 키우면 오히려 필요한 Air Volume이 커져 더 느려질 수도 있다. 이런 경우에는 Valve Flow, Tube Size, Speed Controller와 Exhaust 조건을 확인해야 한다.

그래서 Cylinder 선정과 속도제어는 따로 떨어진 문제가 아니다. 95번 Valve 선정, 96번 Meter-in/Meter-out 글과 함께 보면 실제 회로가 연결된다.

정리하면
공압 실린더는 Bore 계산보다 사용조건 정의가 먼저다. Force, Speed, Stroke, Mounting과 Sensor를 하나의 System으로 봐야 나중에 다시 뜯지 않는다.

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선정한 실린더를 어떤 방향제어밸브로 구동해야 하는지 이어서 볼 수 있다.

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