油圧式アクチュエーターは省力化実現の役に立つか？

Article by:  Unnat Pinsopon, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang.

油圧トランスミッションは、重機械加工から航空飛行制御まで、幅広い産業用途で使用されている。  システム内の動力伝達は図1に示されているように加圧油圧オイルを媒体として伝達される。油圧ポンプは、原動機からの動力を受けて、作動油の流れを作り出す。 オイルはパイプとバルブを通ってアクチュエータに流れ込む。 アクチュエータは最終的に外部負荷に対して電力を供給する。

油圧アクチュエータには2つのタイプがある。1つは直線的に動作するもの（つまり、油圧シリンダー）で、もう1つは角度的に動作する（つまり、油圧モーター）もの。簡単な図（図2）に示すように、油圧シリンダーが伸長している時の動作を考えてみよう。ポンプはシリンダーのヘッドエンド（HE）側に流れを作り出しシリンダーロッドエンド（RE）からのオイルはタンクに戻る。シリンダーピストンの速度（v_cyl）は、数式1に示すように、ポンプによって生成される作動油（Q_P）の流量に依存する。A_HEは、HE側のシリンダーピストンの断面積である。

図3は力を加えた状態（摩擦を除く）でのシリンダーピストンの自由体の図である。  数式2は、ピストンの力のバランスを表している。P_HEおよびP_REは、シリンダーHEおよびREでの油圧。A_REはREピストンの断面積で、F_extは外部負荷力である。

シリンダーRE圧力（P_RE）の値は、通常、戻りラインの圧力損失を克服するのに十分な大きさであるが、シリンダーHE圧力（P_HE）より大幅に低くなる。シリンダーのRE圧力を省くと、シリンダーのHE圧力は、方程式3に示すように外部負荷力に依存する。

ポンプ出口は、シリンダーの延長時にはシリンダーHEに接続される（図2）。因って、ポンプ出口（P_P）でのオイルの圧力は、シリンダーHEの圧力に、ポンプ出口とシリンダーHE入口の間の圧力損失を加えたものと等しくなる。圧力損失を無視すると、ポンプ出口の油圧は、シリンダーのHE圧力P_P identical P_HEとほぼ同等の値である。

油圧ポンプによって供給される動力は、ポンプ出口での油圧（P_P）とオイル流量（Q_P）の産物である。数式1からのQ_Pの値と、式3からのP_HEにほぼ等しいP_Pの値を代入すると、ポンプの出力電力は式4として計算できる。

方程式4は、すべてのロスを無視すると、ポンプから供給される電力は、負荷に供給される電力とほぼ同じになることを示している。「シリンダーのサイズを変更することで消費電力を節約できるのか？」などの質問がエンジニアリングの会話でしばしば出てくるが、数式4がその答えを示している。シリンダーを大型化すると、数式3に因れば動作圧力の値が減少する場合がある事が分かる。しかしながら大きなシリンダー（式1）には大きなオイル流量が必要であるため、大きなポンプが必要である。その一方、シリンダーのサイズを小さくすると、オイルの流量が少なくなるため、ポンプも小さく出来る。

ただし、システムはより高い圧力レベルで動作する事となる。シリンダーのサイズに関係なく、ポンプはほぼ同じ電力を負荷に供給する（数式4）。シリンダーのサイズを変更したり、アクチュエーターのサイズを変更しても、油圧システムの消費電力は変わらないのである。