誰でもわかる”油圧”の基礎の基礎

"誰でもわかる"シリーズ

“機械”とって“油”は無くてはならない存在です。皆さんも自転車のチェーンに油を注したことありますよね。金属が錆びないように保護したり、擦れるもの同士を潤滑して削れるのを防いだり・・・油は機械に色々な恩恵をもたらします。

就職活動では「私は潤滑油のような人間です」なんていうセリフが定番ですよね。これは「人間関係を円滑にしてチームをまとめることができます」といった意味のセリフですが、この例えからもわかるように、油はいつも機械を“サポート“するような役割を果たしています。RPG例えるなら、油は“回復系の魔法使い“的な感じですね。 

しかし、いつもはサポート役に徹している”油”が、主役として活躍する”すごい技術”があるんです。それが本記事で紹介する“油圧技術”です。 

油圧技術は、油を使って機械を動かす技術のことです。油圧技術は、あらゆる技術の中でも“とにかく強力”で様々な機械に広く使われています。RPGに例えるなら、もうゴリゴリマッチョの格闘家です。そんなマッチョな“油圧”の世界を誰にでもわかりやすく紹介していきますよ。

油圧ってなに?  

まず、”油圧”という言葉を分解して考えましょう。 

油・・・・油です。これはもはや説明不要ですね。 
圧・・・・圧とは、”圧力”のことです。 


油圧技術は一言で言えば、“油に圧力を与えて、その圧力を使って色々なものを動かす技術“です。 


具体的には、専用の機器やポンプなどで油に圧力を与えて、その力を油を使って伝達することで機械を動かします。油圧技術の最大の特徴は“小さな力を大きな力に変換することができる”ということです。しかも、変換して出せる力がとにかく大きいんです。この特徴を利用して、様々な機械で油圧技術が利用されています。油圧技術が使われている身近な例を見ていきましょう。 

画像引用:日立建機日本


まず、工事現場でよく見かけるショベルカー。これは油圧技術の代表です。ショベルカーのアームは油圧技術で動いています。詳細は後述しますが、アームの部分に油圧シリンダと呼ばれる機器が付いていて、これを油圧の力で伸び縮みすることでアームを自由に動かすことができます。 


また、自動車のブレーキなども油圧を利用した代表的な機器です。ブレーキの場合は、運転手がブレーキを踏む力を油圧技術で大きな力に変換して、車のブレーキとして利用しています。あなたが足のつま先でグッと踏み込むだけで、何トンもの重さを持つ自動車の動きを止めることができるんです。油圧の力は凄まじいですね。 

もう一つ例を挙げるなら、車のステアリングも油圧技術が使われています。片手で楽々ステアリングが回せるのも、油圧により力の変換が行われているからなんです。パワーステアリングと呼ばれる機能ですね。ちなみに昔の車のステアリングには油圧が使われておらず、非常に重いです。そういう車ことを”重ステ(おもすて)”なんて呼んだりしますね。 余談ですが、私は古い車が好きなので愛車は重ステです。駐車の時はハンドルを回すたびに”フンッ”っと声を出して気合を入れなければならないほど重いですよ。まあ、それが好きなんですけどね。

さて、話を戻しましょう。ここで疑問に思うのは、どうして油圧を使うと小さい力を大きい力に変換できるか?ということです。油圧の原理の基礎をざっくり説明していきます。
 

油圧の原理 

油圧の原理の説明の前に、まず“圧力”とは何かを簡単に説明します。定義としては、圧力は単位面積あたりにかかる力のことを指します。 定義だけだとパッとイメージしにくいので、一つ例を挙げます。 手で壁を押した時をイメージしてください。その時、手と壁の間に働くのが圧力です この時の圧力は“壁を押す力 / 壁に触れている面積“で表すことができます。 ざっくり言えば、圧力とは物体が面を押す力のことです。


油に圧力を加えると、油が触れている面の全てに同一の圧力がかかります。これを“パスカルの原理”と呼びます。このパスカルの原理を利用することで、先ほど説明したような油圧を使った力の増幅が可能なんです。

上図の小さい蓋に対してF1という力がかかっている時、容器内の圧力PはF1/A1となります。パスカルの原理では容器内のすべての箇所の圧力は一定ですから、大きい蓋にも同じ圧力が掛かります。大きい蓋の面積はA2ですから、蓋を押す力F2は圧力P x A2となります。PはF1/A1でもあるため、これを代入すると上図の関係式が導出できるわけです。つまり、断面積の比で力を増幅することができるわけです。少ない力であっても、面積の比さえ大きくすれば大きな力を取り出すことができます。

極端な話、面積さえ調整すれば左側に犬を乗せて、右側に象を乗せて、象を持ち上げるなんてこともできますよ。


これが油圧の原理です。

油圧すげー、無敵じゃん!!

と思いますよね。ただ当然のことながら、力の変換と引き換えに失っているものもあります。それが距離です。図を見ればイメージできると思いますが、例えば犬側が10センチ下がっても、象側が10センチ浮くわけではありません。象は数ミリしか動かないかもしれません。このように動く距離と引き換えに力を得ているわけです。テコの原理みたいなものですね。

車のブレーキなどが良い例です。運転手がブレーキを踏み込む時は何センチも踏み込んでいますが、それによって実際に動くのはブレーキキャリパー内のピストンという部品で、動く距離は数ミリです。それでも油圧によって力が増幅されているので、ちゃんとブレーキとして制動力を発揮するわけです。

油圧の原理がわかったところで、油圧機器の一般的な構成を見ていきましょう。

油圧機器の構成  

油圧機器は、大きく三つの構成に分けることができます。 


・油圧ポンプ
・アクチュエータ  
・制御弁 
 

一つずつ説明していきます。

-油圧ポンプ 


油圧ポンプは、油に圧力を与える役割を果たします。ブレーキの例では、人がブレーキを足で踏むことで圧力を発生させていましたが、この油圧ポンプがその代わりを担っていくれます。油圧機器とっては“力の源“とも言える非常に重要な部分です。

アクチュエータ 

アクチュエータとは、“入力されたエネルギーを物理的な運動に変換する機構“の総称です。ちょっと小難しい定義ですが、要するに圧力を動作に変換する機器です。油圧アクチュエータでは主に3つの動作が可能です。それぞれ動作に対応したアクチュエータが存在します。

画像引用:Parker HP


・油圧シリンダ・・・直線運動
・油圧モータ・・・回転運動
・揺動シリンダ・・・揺動運動


油が機器に入り、圧力が掛かることで動作します。油圧シリンダの概略図を上図に示しました。ショベルカーのアームを動かしているのが、まさにこの油圧シリンダというアクチュエータです。見ての通り、仕組みは非常にシンプルです。油圧がシリンダの面を押して、ロッドが伸縮する。ただそれだけです。それは他のアクチュエータに関しても同じで、この構造のシンプルさが空圧機器の一つの特徴でもあります。

制御弁 

制御弁の役割は油の圧力、流量、流れの方向を制御することです。代表的なものを挙げると

・圧力制御弁・・・油の圧力を制御して、アクチュエータの力を制御ができる
・流量制御弁・・・油の流量を制御して、アクチュエータの動作速度を制御できる
・方向制御弁・・・油の流れを制御して、アクチュエータの動作方向を制御できる


などがあります。その他にも色々な弁の種類がありますが、とりあえず代表的なこの三つ名前だけは用途と合わせて覚えておくと良いでしょう。

油圧ポンプ、アクチュエータ、制御弁などを組み合わせれば、油圧機器の力や動きをコントロールすることができます。これらを組み合わせて構成されるのが“油圧回路“というものです。本記事では、説明しませんが油圧技術を使いこなすには、この油圧回路の仕組みをしっかり理解することが極めて重要なんです。

油圧のメリット

油圧技術は具体的にどんなメリットがあるのかを紹介します。

動力伝達が容易 

大きなパワーを迅速に精確に伝えることができるのが、油圧の最大のメリットです。油を流すためのホースを一本通せば、それだけで強力な力を伝えることができます。このシンプルさ故に、油圧技術が色々な機械に幅広く使われているわけです。

パワー密度が高い

出せるパワーを機器の重さで割った値がパワー密度です。油圧機器はこのパワー密度がどの技術に比べても高いのが特徴です。要は、全く同じ重さの電気モータと油圧モータがあったら、油圧モータの方が大きな力が出るということです。少し視点を変えれば、機械に必要な力が同じであれば、電気機器よりも油圧機器を使った方が小型で軽量になるということです。

過負荷に対する安全性が高い

圧力制御弁をつけていれば、規定の圧力以上になったら弁が開いて物理的に圧力が逃げていきます。もし何らかの拍子に大きな力が発生しても、機械が無理することなく物理的に力を逃すことができます。そのためシステムとしての安全性が高いです。

寿命が長い

油を使っているので、必然的に常に油で潤滑されている状態です。機械としてはこれほど良い動作条件もありませんよね。油に浸されていれば当然、腐食も起こりにくいため、電気機器に比べると圧倒的に寿命が長いです。 

油圧の話をするとき、よく出る質問に「この技術って油じゃなくて水を使ってもいいんじゃないの?」というものがあります。確かに、動作原理としては油でも水でもどっちでも良いんです。ただ、腐食や潤滑のことを考えるとやっぱり油がベストなんですね。

油圧のデメリット  

ここまで良い事しか言ってきませんでしたが、油圧にももちろんデメリットがあります。代表的なものを紹介していきます。

油内のゴミの混入に弱い  

油内にゴミが入ってしまうと、じわじわとアクチュエータなどを傷つけて動作不良を起こしたりします。油にゴミが混じっていないかを管理したり、フィルタをつけて綺麗にしたり、油の清浄度の管理には気を使う必要があります。ちなみに汚染のことを、工学の世界ではコンタミ(contaminationの略)と呼んだりします。

油が燃える可能性がある

油圧に使われる作動油は引火点が200〜250℃の可燃性物質なので、常に火災のリスクがつきまといます。その点も気をつけて管理する必要があります。

油漏れがある

高い圧力で油を流していれば、配管の隙間から油が漏れてくる可能性があります。油漏れは、工場環境の汚染はもとより、自然環境やその土地に土壌汚染をもたらすリスクもあります。人体にも良いものでもないので、とにかく油漏れをしないために管理を徹底する必要があります。機器の組立に問題がなければ、よほど漏れてくることはありませんが、一箇所でも漏れていれば大問題なので慎重に確認する必要があります。

油圧機器と省エネ(アキュムレータのお話)

基礎の話とは少し変わりますが、最近のトレンドの話も入れておきます。

最近はSDGsが注目されており、どんな機械にも環境性能が求めらる時代になりました。SDGsは聞いたことありますよね。“持続可能な開発目標“と言われ、国連が掲げた17の目標からなります。そのなかでも、産業分野では“クリーンエネルギーの利用”“省エネルギー化”が特に注目されています。

機械加工を行う工作機械などでは、消費電力の内の25%程度が”油圧ポンプ”が消費している電力であるとも言われています。機械の電源が入っている限り、油圧ポンプは常に動作しているため結構な電力を消費してしまうんです。それこそ、油圧機器を使っていないときでさえ、いつでも油圧を使えるようにポンプは絶えず圧力を作って待機しています。

このエネルギーもったいないからなんとかならないかな? 

という発想で、生まれたのが“アキュムレータ“という技術です。これは、油圧ポンプが生み出した圧力をいったんアキュムレータの呼ばれる風船のようなものに貯めておいて

油圧を使うときはここから圧力を使いましょうねー
足りなくなったらポンプを回して補充しましょうねー


という感じの技術です。油圧を貯めておく風船が付いた油圧ポンプって感じです。

画像引用:directindustry HP


これにより、油圧ポンプは常に動作する必要はなく大きな電力削減に繋がります。ただし、アキュムレータに貯めておける油の量は非常にわずかであるため、ショベルカーのように油圧でガンガン動かすような機械には向きません。工作機械の場合、そんなにガンガン油圧を使う箇所はないので、アキュムレータとの相性が非常にいいんです。環境性能に対する意識が高まるこの時代、この”アキュムレータ”という言葉は覚えておいて損はないと思いますよ。 

まとめ  

本記事の復習をしましょう。 

・油圧は“油に圧力を与えて、機械を動かす技術”
・油圧は小さな力を大きな力に変換できるのが特徴
・油圧は、パスカルの原理を利用して力を増幅している
・油圧機器は、油圧ポンプ、制御弁、アクチュエータで構成される
・昨今は油圧ユニットの省エネ化が注目されている


今回は基礎の部分だけをピックアップして紹介しました。油圧技術は、その動作原理はシンプルながら非常に奥深い分野です。とても大きい力を扱えるだけあって、一つ設計を間違えれば大きな事故に繋がりかねません。しかし、使いこなせばその可能性は無限大。油圧に関する知識は、機械設計者であれば身に着けておくべき必修科目と言えるでしょう。

油圧技術を利用するうえで特に難しいのが、油圧回路の設計です。もしもう少しツッコんで勉強したいのであれば、この本がオススメです。油圧回路の基礎がわかりますよ、ついでに空圧回路も学べるので一石二鳥です。 

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ちなみに、空圧技術とは空気を使って機械を動かす技術です。過去の記事でその基礎をまとめていますので、興味があれば合わせて読んでみてください。油圧技術と空圧技術は、内容的に似ている部分が多いのでまとめて勉強すると効率的かもしれません。

しかし、油ってすごいですよね。回復系の魔法使いからゴリゴリの格闘家までオールマイティーに手広くこなすことが出来るんですから。油の潤滑に関しても過去の記事でまとめていますので、興味があれば読んでみてください。

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