유압, 油壓, Hydraulics
비 압축성 액체를 펌프 등으로 압출하였을때의 토출 압력을 말한다. 유압이라고 쓴 이유는 여기에 쓰이는 액체에 기름을 쓰기 때문이다. 영단어는 "물"과 관련한 단어라 어리둥절해할 텐데, 과거에는 물을 사용한 흔적이라고 한다. 이는 파스칼의 원리를 따른다.
유압 특성
원동기 동력보다 강한 힘을 얻을 수 있다.
일반적인 기계적 변속기보다 속도를 자유롭게 조정할 수 있다.
과부하 상황에서의 안전장치를 간단히 할 수 있으며, 이로 인해 과부하 상태에서의 안정성이 뛰어나다.
동력원과 작동장치의 배치가 자유롭다.
공압과는 달리 압력을 전달하는 액체가 유출되지 않는다. 따라서 귀환관이 존재하는 경우도 있다.
온도가 높게 올라가면 유압유가 끓어오르면서 기포가 생겨 성능이 저하되는 단점을 가진다.
유체는 압축될 수 있으므로 유압관이 길어질수록 압축 탄성에 의해 동력 전달에 지연이 생길 수 있다. 다만 밀도가 공기보다 크기 때문에, 공압식보단 적다.
유압 구성
유압유에 압력을 가하는 유압 펌프 / 또는 수동 유압 실린더와 피스톤
유압유가 펌프에서 작동장치까지 흘러가는 유압관로
유압유의 압력과 흐름을 기계적 운동으로 바꾸는 유압 모터와 유압 실린더
유압유를 저장하는 유압 탱크
유압 장치를 제어하는 유압 밸브
단, 일반 승용차의 브레이크 등에 이용하는 유압은 펌프 없이 마스터 실린더의 피스톤을 누르는 힘으로 작동하며, 이 마스터 실린더가 펌프의 역할을 한다. 단 차량 브레이크는 진공 배력 장치를 통해 엔진 동력의 도움을 받을 수 있다.
사용 분야
큰 기계의 제어부터 자전거 브레이크같은 작은 크기까지 다양한 곳에 이용되고 있다.
자동차 - 주로 제동장치 및 파워스티어링에 이용하며, 속도감응형 스포일러나 트렁크 개폐장치 같이 사람의 힘을 보조하는곳에도 쓰이고 있다. 또한 수동변속기 모터사이클은 클러치레버의 조작감을 가볍게 만들기 위해 유압식 클러치를 사용하기도 한다 정비를 잘못하면 클러치가 안잡히는 참사가 난다. 일부 차량의 경우 에어 서스펜션처럼 유기압 현가장치를 적용할때 유압 기술이 쓰이기도 한다.
건설기계를 비롯한 큰 힘이 필요한 기계류 건설기계와 같이 과부하 상황이 수시로 생기는 기계류에는 여전히 유압작동이 주류를 이루고 있다.
각종 공작기계
로봇 - 미국과 중국과 유럽에서는 로봇의 구동을 유압 회로에 의존하는 경우가 많다. 반면 한국과 일본은 전동기를 이용하는 경우가 대부분이다. 하지만 20세기 말엽에 들어서는 큰 힘이 필요하지 않은 경우 유압보다 취급과 제어가 쉽고 효율이 더 높은 전기제어를 사용하는 경우가 많아졌으며, 실제로 소형으로 분류되는 장비들은 전기/전자제어로 전환되었다고 볼 수 있지만, 기존 방식의 익숙함과 신뢰성 덕분에 여전히 많이 쓰인다. 대표적인 경우가 항공기 조종면을 움직이는 유압계통이다.
자동차 자동변속기나 산업용 기계 등에서의 동력전달용 말 그대로 제어가 아니라 동력만 전달하는게 목적으로 유압펌프가 동력을 발생시키면 기계에서 그 유압으로 프로펠러를 돌려서 동력을 얻는 방식이다.
항공기의 제어계통 - 특히 대형 여객기 등의 조종계통, 랜딩기어는 사람 힘으로 움직이는 것은 무리이므로, 유압을 이용하여 제어하는 것이 보통이다. 그래서 이 부분이 나가면, 비행기는 핸들이 조종이 안 되는 자동차와 같은 상태가 된다. 때문에 일어난 사고가 일본항공 123편 추락 사고, 유나이티드 항공 232편 사고, KAL007이다. ATA(Air Transport Assosiation) chapter 상에서는 29번이다. 요즘에는 기체의 대형화로 전자식으로 바뀌는 추세다. 자세한 것은 FBW 문서로. 다만 군용 전술기의 경우 피탄시에도 신뢰성이 크기 때문에 A-10등 대공포화가 많은 격전지에서 저공비행으로 운용되는 공격기는 아직까지 유압계통과 강철 케이블을 사용하기도 한다. 전투기의 경우에는 날렵한 움직임이 더 중요하므로 FBW가 대세이다.
무선모형(?) - 몇몇 무선조종 모형 중 현실성을 위해 유압을 이용하는 경우도 있다. 예를 들면 포크레인, 불도저 모형 등은 보통 작은 서보 모터를 이용해서 움직이지만 유압 모터랑 유압유 (!)를 넣어서 작동시키는 모형도 있다. 물론 유압식 무선모형은 가격이 백만을 넘어가고 소음도 꽤 있으니 현실성까지 신경쓰는 중증 덕후(...)가 아닌 이상 전동식이 정신건강에 이롭다.
유압 잭 - 수동 펌프와 구슬로 간단하게 되어 있으나 원리는 같다.
유압프레스 - 유압 잭을 응용한 분야로 전기 모터나 공압 대비 강한 토크를 줄 수 있는 유체의 특성을 이용한 압착 성형 기계이다.
파스칼의 원리, Pascal's Law
1653년에 블레즈 파스칼이 발견한 원리. 밀폐된 용기에 담긴 비압축성 유체에 가해진 압력은 유체의 모든 지점에 같은 크기로 ”전달”된다는 원리다. 또한 유체의 압력은 어느 방향에서나 동일하게 나타낸다. 이는 유압 장치의 원리로, 마치 도르래처럼 작은 힘으로 무거운 물체를 들어올릴 수 있게 해준다.
예시
자동차의 유압 브레이크: 브레이크 페달을 밟아 압력이 높아지면 브레이크액을 통해 동일한 힘이 4개의 바퀴에 고르게 전달되면서 모든 바퀴에 균등하게 제동력을 전달할 수 있다. 이때 비압축성 유체의 역할을 하는 브레이크액의 관리가 상당히 중요한데, 위에서 설명했듯이 파스칼의 원리는 비압축성 유체에 대해 적용되는 것인데, 브레이크액에 기포가 차버리면 압축이나 팽창이 되므로 압력이 제대로 전달되지 않아 브레이크가 제대로 듣지 않는 매우 위험한 일이 발생할 수 있기 때문이다.
유압식 리프트: 공기 압축기를 통해 기름통의 기름에 압력을 가하면 이 압력이 실린더의 기름에 전달되어 자동차를 들어올릴 수 있다. 도면에서는 힘을 키우는 방향이 일반적으로 생각하는 것과 다르며, 자동차가 있는 쪽에 가해지는 힘은 공기 압축기가 내는 힘보다 작지만 이동 거리가 더 크다. 공기압축기의 출력은 남아도는데 자동차를 매우 정밀하게 움직여야 하는 상황인가 보다.
치약: 일부 치약은 두 가지 색이 십자 형태로 나오는데, 용기 내부에는 각각의 색이 십자 형태로 충전되어 있고 용기를 누르는 힘이 전체에 고르게 퍼져 형태가 뭉개지지 않고 나온다.
로봇팔. 튜브를 이용해 실린더 간 압력을 전달한다.
도면에 에러가 있는데, 몸 전체에 일정한 힘이 가해지는 것이 아니라 일정한 압력이 가해지는 것이다. 물론 저 도면이 일반인 대상이라는 점을 감안할 때, 정확한 물리학 용어를 사용하지 않았다고 비판하기에는 무리가 따른다.
자동차의 유압 브레이크: 브레이크 페달을 밟아 압력이 높아지면 브레이크액을 통해 동일한 힘이 4개의 바퀴에 고르게 전달되면서 모든 바퀴에 균등하게 제동력을 전달할 수 있다. 이때 비압축성 유체의 역할을 하는 브레이크액의 관리가 상당히 중요한데, 위에서 설명했듯이 파스칼의 원리는 비압축성 유체에 대해 적용되는 것인데, 브레이크액에 기포가 차버리면 압축이나 팽창이 되므로 압력이 제대로 전달되지 않아 브레이크가 제대로 듣지 않는 매우 위험한 일이 발생할 수 있기 때문이다.
유압식 리프트: 공기 압축기를 통해 기름통의 기름에 압력을 가하면 이 압력이 실린더의 기름에 전달되어 자동차를 들어올릴 수 있다.
치약: 일부 치약은 두 가지 색이 십자 형태로 나오는데, 용기 내부에는 각각의 색이 십자 형태로 충전되어 있고 용기를 누르는 힘이 전체에 고르게 퍼져 형태가 뭉개지지 않고 나온다.
로봇팔. 튜브를 이용해 실린더 간 압력을 전달한다.
파스칼의 원리
"비압축성 유체가 가득 들어 있는 폐관(닫혀진 관) 내부의 압력은 어디든 동일하다."
치약을 예로 들어 보면 다음과 같다. 치약이 들어 있는 튜브의 어떤 부분을 눌러도 치약은 일정하게 나온다. 튜브의 모든 부분에 같은 압력이 가해지기 때문
파스칼의 원리의 응용
파스칼의 원리는 작은 힘으로 큰 힘을 내는 데 이용.
아래 그림과 같이 내경의 면적이 서로 같은 두 개의 실린더. 어느 한 쪽의 피스톤을 밀거나 당기면 다른 쪽 피스톤이 같은 길이로 움직인다. 이 경우 힘의 방향만 바꿀 수 있으며 힘의 크기는 변하지 않는다.
두 실린더의 내경이 서로 달라지면, 움직이는 거리도 서로 달라진다. '일의 원리'에 따라 짧은 거리를 움직인 실린더에서는 보다 큰 힘을 낼 수 있다. 힘과 움직인 거리의 곱은 항상 일정하기 때문
유압실린더는 산업 전반에 걸쳐 큰 힘이 필요한 경우 자주 사용. 자동차를 들어올리는 리프트, 흙을 파내는 굴삭기, 적재함을 들어올리는 덤프트럭, 농기계 등은 유압기술을 응용한 것들