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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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​ = 120 mmd2​ = 300 mm2880 rpmT1​ = 800 NT2​ = 400 NP = ?

ベルトが、直径 120 mm の駆動プーリ上を 2880 rpm で走っています。張力は張り側で 800 N、緩み側で 400 N です。伝達される動力 P を kW で求めなさい。

d1 = 120 mmn1 = 2880 rpmT1 = 800 NT2 = 400 N
P = kW
2.歯車と歯車列むずかしい
A = 48B = 50C = 40D = ?

複合歯車列で、入力軸の歯車 A(歯数 48)が 1450 rpm で回転し、歯車 B(歯数 50)を駆動する。歯車 C(歯数 40)は B と同じ軸に固定され、出力軸の歯車 D を駆動する。出力は 1114 rpm で回転しなければならない。歯車 D の歯数 ND はいくつ必要か。

nin = 1450 rpmA = 48B = 50C = 40nout = 1114 rpm
ND =
3.軸のねじりふつう
T = 250 N·md = 50 mmL = 0.8 mφ = ?

黄銅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 = 250 N·md = 50 mmL = 0.8 mG = 39 GPa
φ = °
4.軸のねじりむずかしい
Tdo​ = 50 mm, di​ = 40 mm

中空軸が 500 rpm で 15 kW を伝達する。軸の最大せん断応力 τmax を求めよ。

P = 15 kWN = 500 rpmdo = 50 mmdi = 40 mm
τmax = MPa
5.モールの応力円と応力の座標変換ふつう
σx​ = −20σy​ = 10τxy​ = 10MPa

荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = −20 MPa、σᵧ = 10 MPa、τₓᵧ = 10 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 = −20 MPaσy = 10 MPaτxy = 10 MPa
θp = °
6.モールの応力円と応力の座標変換むずかしい
σx​ = 30σy​ = −10τxy​ = 30MPa

荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = 30 MPa、σᵧ = −10 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 45° 回転した面上の垂直応力 σθ を求めよ。

σx = 30 MPaσy = −10 MPaτxy = 30 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.軸応力とひずみふつう
Ø 12 mmアルミニウム2.5 mP = 20 kN

アルミニウム製の棒の軸ひずみ ε をマイクロひずみ (µε = 10⁻⁶) で求めよ。

P = 20 kNd = 12 mmL = 2.5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.軸応力とひずみむずかしい
Ø 25 mmアルミニウム1 mØ 20 mm黄銅1.5 mP = 115 kN

段付き棒は壁に固定され、自由端に荷重を受ける。棒の最大垂直応力 σmax を求めよ。

P = 115 kN区間 1:Ø25 mm、1 m、アルミニウム(E = 70 GPa)区間 2:Ø20 mm、1.5 m、黄銅(E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.柱の座屈ふつう
PL = 6 md = 40 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 = 6 mE = 70 GPa (アルミニウム)d = 40 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 10 kNL = 1 md = ?断面

アルミニウム製の長さ L の中実円柱が下端固定・上端自由である。座屈に対する安全率 2 で 10 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 10 kNn = 2L = 1 mE = 70 GPa (アルミニウム)
d = mm
11.機械振動ふつう
tx30 mm3 周期17 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 3 周期後に 17 mm のピークが現れた。 減衰比 ζ を求めよ。

x0 = 30 mmx3 = 17 mmn = 3
ζ =
12.機械振動むずかしい
k1​ = 10k2​ = 40m = 5 kg

5 kg の質量が、縦につないだ(直列の)2 本のばねにつり下げられている:上のばねは k₁ = 10 kN/m、下のばねは k₂ = 40 kN/m である。 減衰とばねの質量は無視する。上下振動の固有振動数 fn を Hz で求めよ。

m = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.歯車と歯車列

答え: P = 7.238 kW

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。

ベルトの速さ

v = 18.1 m/s

電力

P = (800 − 400)·18.1 = 7238 W = 7.238 kW

答え

P = 7.238 kW
2.歯車と歯車列

答え: ND = 50

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。

中間軸の回転速度

nB = nC = 1450·48/50 = 1392 rpm

歯車 D の歯数

ND = C·nC/nout = 40·1392/1114 = 50

答え

ND = 50
3.軸のねじり

答え: φ = 0.4789 °

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) = 250·1000·800/(39000·613592) = 0.008358 rad
φ = 0.008358·180/π = 0.4789°

答え

φ = 0.4789°
4.軸のねじり

答え: τmax = 19.77 MPa

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·500/60 = 52.36 rad/s
T = P/ω = 15000/52.36 = 286.5 N·m

断面二次極モーメント

J = π(50⁴ − 40⁴)/32 = 362265 mm⁴

最大せん断応力

τmax = T·(do/2)/J = 286479·25/362265 = 19.77 MPa

答え

τmax = 19.77 MPa
5.モールの応力円と応力の座標変換

答え: θp = 73.15 °

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(2·10, −20 − 10) = 146.3°

要素上の角度

θp = 73.15°

答え

θp = 73.15°

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 = 40 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 = 10 + 20·0 + 30·1 = 40 MPa

答え

σθ = 40 MPa
7.軸応力とひずみ

答え: ε = 2526 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·12²/4 = 113.1 mm²
σ = P/A = 20·1000/113.1 = 176.8 MPa

ひずみ(フックの法則)

E for アルミニウム = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 176.8/70000 = 0.002526 = 2526 µε

答え

ε = 2526 µε
8.軸応力とひずみ

答え: σmax = 366.1 MPa

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·25²/4 = 490.9 mm², A2 = π·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 234.3 MPa
σ2 = 366.1 MPa

最大応力

細い区間は断面積が小さいので、応力が大きくなります。

σmax = 366.1 MPa

答え

σmax = 366.1 MPa
9.柱の座屈

答え: Pcr = 9.646 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 0.5·6000 = 3000 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/3000² = 9646 N = 9.646 kN

答え

Pcr = 9.646 kN
10.柱の座屈

答え: d = 39.19 mm

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。

必要な座屈荷重

Pcr = n·P = 2·10000 = 20000 N
KL = 2·1000 = 2000 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·20000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 39.19 mm

答え

d = 39.19 mm

確認:細長比 KL/r は 204.1 なので柱は細長く、オイラーの式が使えます。

11.機械振動

答え: ζ = 0.03012

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 = (1/3)·ln(30/17) = 0.1893

減衰比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1893/√(39.48 + 0.03585) = 0.03012

答え

ζ = 0.03012
12.機械振動

答え: fn = 6.366 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

直列のばねは同じ力を受け、たわみが足し合わされるので、逆数で合成します:1/k = 1/k1 + 1/k2。

1/keq = 1/10 + 1/40 → keq = 10·40/(10 + 40) = 8 kN/m

固有振動数

ωn = √(8000/5) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6.366 Hz

答え

fn = 6.366 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design