機械設計:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、12 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

歯車と歯車列

かみ合う歯車
n1·N1 = n2·N2
トルク
T2 = T1·(N2/N1)·η
電力
P = T·ω, ω = 2π·n/60
複合歯車列
全体の速比 = 各段の速比の積

軸のねじり

せん断応力
τ = T·r/J
中実軸
J = πd⁴/32
中空軸
J = π(D⁴ − d⁴)/32
ねじれ角
φ = TL/(GJ)
電力
P = T·ω = 2πnT/60

解き方

  1. 断面二次極モーメントを求めます:中実軸では J = πd⁴/32。
  2. 表面のせん断応力:τ = T·r/J。r は外半径です。
  3. ねじれ角:φ = TL/(GJ)(ラジアン)。
  4. 動力が与えられている場合は、まず P = T·ω、ω = 2πn/60 からトルクを求めます。

モールの応力円と応力の座標変換

中心
C = (σx + σy)/2
半径
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
主応力
σ1,2 = C ± R
主応力の方向
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
斜め断面
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

解き方

  1. モールの応力円の中心を計算します:C = (σx + σy)/2。
  2. 半径を計算します:R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)。
  3. 主応力は C ± R、面内の最大せん断応力は R です。
  4. 円上の角度は要素上の角度の 2 倍です:tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)。

軸応力とひずみ

垂直応力
σ = F/A
ひずみ
ε = ΔL/L
フックの法則
σ = E·ε
伸び
ΔL = FL/(EA)
熱ひずみ
εT = α·ΔT

柱の座屈

オイラー座屈荷重
Pcr = π²EI/(KL)²
有効座屈長さ係数
K = 1 ピン–ピン、0.5 固定–固定、0.7 固定–ピン、2 固定–自由
座屈応力
σcr = Pcr/A
細長比
λ = KL/r, r = √(I/A)

機械振動

固有振動数
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
静たわみから
ωn = √(g/δst)
臨界減衰
cc = 2√(km) = 2mωn
減衰比
ζ = c/cc
減衰固有振動数
ωd = ωn√(1 − ζ²)
対数減衰率
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
並列ばね
k = k1 + k2
直列ばね
1/k = 1/k1 + 1/k2

2演習問題

1.歯車と歯車列ふつう
d1​ = 125 mmd2​ = 300 mm720 rpmn2​ = ?

直径 125 mm のプーリが 720 rpm で回り、滑り 2.5 % のベルトで直径 300 mm のプーリを駆動します。従動プーリの回転速度 n2 を求めなさい。

n1 = 720 rpmd1 = 125 mmd2 = 300 mms = 2.5 %
n2 = rpm
2.歯車と歯車列むずかしい
A = 32B = 72C = 25D = 48

複合歯車列において、1450 rpm で回転する入力軸上の歯車 A(歯数 32)が歯車 B(歯数 72)を駆動する。歯車 C(歯数 25)は B と同じ軸に固定されており、出力軸上の歯車 D(歯数 48)を駆動する。出力回転速度 nout を求めよ。

nin = 1450 rpmA = 32B = 72C = 25D = 48
nout = rpm
3.軸のねじりふつう
T = 400 N·md = 50 mmL = 1.5 mφ = ?

鋼製の中実軸が壁に固定され、自由端でトルク T によりねじられる。自由端のねじれ角 φ を度で求めよ。

T = 400 N·md = 50 mmL = 1.5 mG = 80 GPa
φ = °
4.軸のねじりむずかしい
do​ = ?100 kW, 1800 rpm

中空軸が 1800 rpm で 100 kW を伝達しなければならない。 内径は外径の 0.6 倍とし、せん断応力は 75 MPa を超えてはならない。最小の外径 do を求めよ。

P = 100 kWN = 1800 rpmdi/do = 0.6τallow = 75 MPa
do = mm
5.モールの応力円と応力の座標変換ふつう
σx​ = 100σy​ = 40τxy​ = −20MPa

荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = 100 MPa、σᵧ = 40 MPa、τₓᵧ = −20 MPa である(引張を正とする)。 x 軸から最大主応力の方向までの角度 θp を、−90° から 90° の範囲で求めよ。

σx = 100 MPaσy = 40 MPaτxy = −20 MPa
θp = °
6.モールの応力円と応力の座標変換むずかしい
σx​ = 100σy​ = −70τxy​ = 30MPa

荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = 100 MPa、σᵧ = −70 MPa、τₓᵧ = 30 MPa である(引張を正とする)。 法線が x 軸から反時計回りに 50° 回転した面上の垂直応力 σθ を求めよ。

σx = 100 MPaσy = −70 MPaτxy = 30 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.軸応力とひずみふつう
Ø 16 mm黄銅3 mP = 90 kN

黄銅製の棒の軸ひずみ ε をマイクロひずみ (µε = 10⁻⁶) で求めよ。

P = 90 kNd = 16 mmL = 3 mE = 100 GPa
ε = µε
8.軸応力とひずみむずかしい
Ø 40 mm銅0.5 mØ 16 mm鋼1.5 mP = 75 kN

段付き棒は壁に固定され、自由端に荷重を受ける。全体の伸び δ を求めよ。

P = 75 kN区間 1:Ø40 mm、0.5 m、銅(E = 117 GPa)区間 2:Ø16 mm、1.5 m、鋼(E = 200 GPa)
δ = mm
9.柱の座屈ふつう
PL = 2.5 md = 50 mm断面

アルミニウム製の長さ L の柱が両端固定である。オイラーの式を用いて座屈荷重 Pcr を求めよ。

L = 2.5 mE = 70 GPa (アルミニウム)d = 50 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
PL = 5 md = 60 mm断面

鋼製の長さ L の柱が両端ピンである。細長比と、オイラーの式による座屈応力 σcr を求めよ。

L = 5 mE = 200 GPa (鋼)d = 60 mm
σcr = MPa
11.機械振動ふつう
tx30 mm2 周期8.5 mm

減衰のある質量–ばね系の自由振動試験で、変位のピーク 30 mm の 2 周期後に 8.5 mm のピークが現れた。 減衰比 ζ を求めよ。

x0 = 30 mmx2 = 8.5 mmn = 2
ζ =
12.機械振動むずかしい
k1​ = 15k2​ = 5k3​ = 50m = 10 kg

10 kg の質量がばね k₃ = 50 kN/m につり下げられている。k₃ の上端は剛体の棒に取り付けられ、その棒は横に並べた 2 本のばね k₁ = 15 kN/m と k₂ = 5 kN/m からつり下げられている。棒は水平を保つ。 減衰とばね・棒の質量は無視する。上下振動の固有振動数 fn を Hz で求めよ。

m = 10 kgk1 = 15 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.歯車と歯車列

答え: n2 = 292.5 rpm

ベルト駆動:滑りがなければ、両方のプーリの周速は同じ v = π·d·n/60 なので、n₁·d₁ = n₂·d₂ となり、速度比は d₂/d₁ です。滑り s があると、従動プーリは少し遅くなります:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。伝達される動力は P = (T₁ − T₂)·v で、T₁ は張り側の張力、T₂ は緩み側の張力です。摩擦が張力の比を制限します:T₁/T₂ = eμθ、θ は小さいほうのプーリへの巻き付け角(ラジアン)です。平行掛けのベルトでは、軸間距離 C を使って θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) です。

滑りなしの回転速度

720·125/300 = 300 rpm

滑りあり

n2 = 300·0.975 = 292.5 rpm

答え

n2 = 292.5 rpm
2.歯車と歯車列

答え: nout = 335.6 rpm

歯車列:かみ合う歯車は歯の部分で同じ速さで動くので、n₁·N₁ = n₂·N₂ となり、歯数の少ない歯車ほど速く回ります。同じ軸に取り付けた歯車は同じ回転速度で回ります。動力は(損失を除いて)そのまま伝わるので、回転速度が下がるとトルクは上がります:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η。また P = T·ω、ただし ω = 2π·n/60。

第 1 段

nB = 1450·32/72 = 644.4 rpm = nC

第 2 段

nout = 644.4·25/48 = 335.6 rpm

答え

nout = 335.6 rpm

全体の速比 = 4.32 : 1

3.軸のねじり

答え: φ = 0.7003 °

丸軸のねじり:せん断応力は中心で 0、表面で τmax = T·r/J まで直線的に増えます。中実軸は J = πd⁴/32、中空軸は J = π(do⁴ − di⁴)/32。ねじれ角は φ = TL/(GJ)(ラジアン)。動力とトルクは P = T·ω で結ばれます。

断面二次極モーメント

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

ねじれ角

φ = TL/(GJ) = 400·1000·1500/(80000·613592) = 0.01222 rad
φ = 0.01222·180/π = 0.7003°

答え

φ = 0.7003°
4.軸のねじり

答え: do = 34.59 mm

丸軸のねじり:せん断応力は中心で 0、表面で τmax = T·r/J まで直線的に増えます。中実軸は J = πd⁴/32、中空軸は J = π(do⁴ − di⁴)/32。ねじれ角は φ = TL/(GJ)(ラジアン)。動力とトルクは P = T·ω で結ばれます。

トルク

ω = 2πN/60 = 2π·1800/60 = 188.5 rad/s
T = P/ω = 100000/188.5 = 530.5 N·m

許容応力からの外径

T = 530.5 N·m = 530516 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0.6⁴ = 0.8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·530516/(π·75·0.8704)) = 34.59 mm
di = 0.6·34.59 = 20.75 mm

答え

do = 34.59 mm

中実軸なら d = 33.03 mm が必要です。中空軸は少し大きくなりますが、はるかに軽くなります。

5.モールの応力円と応力の座標変換

答え: θp = −16.85 °

平面応力の座標変換:θ だけ回転した面では σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ。モールの応力円はすべての面を一度に表します:中心は C = (σₓ + σᵧ)/2、半径は R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)。主応力は C ± R、面内の最大せん断応力は R です。

στxyCσ1​σ2​

円上の角度

モールの応力円上で、点 x は σ 軸から角度 2θp の位置にあります。象限は σₓ − σᵧ と τₓᵧ の符号で決まります。

2θp = atan2(2·−20, 100 − 40) = −33.69°

要素上の角度

θp = −16.85°

答え

θp = −16.85°

反時計回りの角度を正とします。

6.モールの応力円と応力の座標変換

答え: σθ = 29.78 MPa

平面応力の座標変換:θ だけ回転した面では σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ。モールの応力円はすべての面を一度に表します:中心は C = (σₓ + σᵧ)/2、半径は R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)。主応力は C ± R、面内の最大せん断応力は R です。

変換式

σθ = 15 + 85·−0.1736 + 30·0.9848 = 29.78 MPa

答え

σθ = 29.78 MPa
7.軸応力とひずみ

答え: ε = 4476 µε

フックの法則:弾性範囲では σ = E·ε。σ = P/A と ε = δ/L を組み合わせると δ = PL/(AE)。

応力

A = π·16²/4 = 201.1 mm²
σ = P/A = 90·1000/201.1 = 447.6 MPa

ひずみ(フックの法則)

E for 黄銅 = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 447.6/100000 = 0.004476 = 4476 µε

答え

ε = 4476 µε
8.軸応力とひずみ

答え: δ = 3.053 mm

軸力部材:各等断面区間は δ = PL/(AE) に従います。直列の部材では伸びが足し合わされます。

両区間で同じ力

自由端が P を受けるので、棒のどの断面も同じ軸力 P を受けます。変わるのは断面積と材料だけです。

A1 = π·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·16²/4 = 201.1 mm²
σ1 = 59.68 MPa
σ2 = 373 MPa

各区間の伸びを足す

δ1 = σ1L1/E1 = 59.68·500/117000 = 0.2551 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 373·1500/200000 = 2.798 mm
δ = δ1 + δ2 = 3.053 mm

答え

δ = 3.053 mm
9.柱の座屈

答え: Pcr = 135.7 kN

オイラー座屈:細長い柱は Pcr = π²EI/(KL)² で不安定になります。KL は有効座屈長さで、K = 1(ピン–ピン)、2(固定–自由)、0.7(固定–ピン)、0.5(固定–固定)です。柱は I が最小の軸まわりに座屈します。この式は、座屈応力が降伏応力より小さい細長い柱に適用できます。

最小の断面二次モーメント

円形断面はどの軸まわりでも I が同じです。

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 0.5·2500 = 1250 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/1250² = 135652 N = 135.7 kN

答え

Pcr = 135.7 kN
10.柱の座屈

答え: σcr = 17.77 MPa

オイラー座屈:細長い柱は Pcr = π²EI/(KL)² で不安定になります。KL は有効座屈長さで、K = 1(ピン–ピン)、2(固定–自由)、0.7(固定–ピン)、0.5(固定–固定)です。柱は I が最小の軸まわりに座屈します。この式は、座屈応力が降伏応力より小さい細長い柱に適用できます。

最小の断面二次モーメント

円形断面はどの軸まわりでも I が同じです。

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

断面二次半径と細長比

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 1·5000 = 5000 mm
KL/r = 5000/15 = 333.3

座屈応力

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/333.3² = 17.77 MPa

答え

σcr = 17.77 MPa
11.機械振動

答え: ζ = 0.09986

質量–ばね系の自由振動:減衰のない固有角振動数は ωn = √(k/m)(rad/s)、固有振動数は fn = ωn/(2π)(Hz)です。粘性ダンパ c による減衰比は ζ = c/cc で、臨界減衰係数は cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn です。不足減衰系(ζ < 1)は ωd = ωn·√(1 − ζ²) で振動します。並列ばねは k = k₁ + k₂ と足し合わせ、直列ばねは逆数で 1/k = 1/k₁ + 1/k₂ と足し合わせます。

対数減衰率

δ = (1/2)·ln(30/8.5) = 0.6306

減衰比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.6306/√(39.48 + 0.3976) = 0.09986

答え

ζ = 0.09986
12.機械振動

答え: fn = 6.015 Hz

質量–ばね系の自由振動:減衰のない固有角振動数は ωn = √(k/m)(rad/s)、固有振動数は fn = ωn/(2π)(Hz)です。粘性ダンパ c による減衰比は ζ = c/cc で、臨界減衰係数は cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn です。不足減衰系(ζ < 1)は ωd = ωn·√(1 − ζ²) で振動します。並列ばねは k = k₁ + k₂ と足し合わせ、直列ばねは逆数で 1/k = 1/k₁ + 1/k₂ と足し合わせます。

等価ばね定数

並列なのは k1 と k2 だけです。その組が k3 と直列なので、逆数で合成しましょう。

k12 = 15 + 5 = 20 kN/m
keq = 20·50/(20 + 50) = 14.29 kN/m

固有振動数

ωn = √(14286/10) = 37.8 rad/s
fn = 37.8/(2π) = 6.015 Hz

答え

fn = 6.015 Hz

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