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
N1​ = ?N2​

2 本の平行軸の間隔は 112.5 mm である。これらをモジュール 3 mm、減速比 1.5 : 1 の平歯車対で連結しなければならない。 ピニオンの歯数 N1 はいくつ必要か。

a = 112.5 mmm = 3 mmi = 1.5
N1 =
2.歯車と歯車列むずかしい
A = 32B = 50C = 30D = 36

複合歯車列において、3000 rpm で回転する入力軸上の歯車 A(歯数 32)が歯車 B(歯数 50)を駆動する。歯車 C(歯数 30)は B と同じ軸に固定されており、出力軸上の歯車 D(歯数 36)を駆動する。出力回転速度 nout を求めよ。

nin = 3000 rpmA = 32B = 50C = 30D = 36
nout = rpm
3.軸のねじりふつう
d = 15 mmT = 20 N·m400 mmφ = 2.36°

ねじり試験で、直径 15 mm の中実試験片をトルク 20 N·m でねじる。標点距離 400 mm の両端は互いに 2.36° 回転する(材料はまだ弾性域にある)。材料の横弾性係数 G を求めよ。

T = 20 N·md = 15 mmL = 400 mmφ = 2.36°
G = GPa
4.軸のねじりむずかしい
Td = ?

中実軸が 500 rpm で 15 kW を伝達し、せん断応力が 50 MPa を超えないようにしたい。条件を満たす最小直径 d を求めよ。

P = 15 kWN = 500 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.モールの応力円と応力の座標変換ふつう
σx​ = 100τxy​ = 40MPa

ある点で σₓ = 100 MPa、σᵧ = 0 MPa、τₓᵧ = 40 MPa である(引張を正とする)。要素を反時計回りに 50°回転させる。回転した要素の、回転後の y′ 軸に垂直な面に働く垂直応力 σy′ を求めよ。

σx = 100 MPaσy = 0 MPaτxy = 40 MPaθ = 50°
σy′ = MPa
6.モールの応力円と応力の座標変換むずかしい
55°D = 500 mm, t = 10 mm, p = 0.8 MPap

内径 500 mm、肉厚 10 mm の薄肉円筒タンクに、ゲージ圧 0.8 MPa のガスが入っている。タンクは、円筒の軸と 55° をなすらせん状の継目に沿って溶接された板でできている。 溶接継目を横切って作用する垂直応力 σn を求めよ。

D = 500 mmt = 10 mmp = 0.8 MPaα = 55°
σn = MPa
7.軸応力とひずみふつう
P = ?12500 mm300 mmØ25Ø50δ = 0.2 mm

棒が、鋼 の区間(直径 25 mm、長さ 500 mm、E = 200 GPa)と、アルミニウム でできた区間(直径 50 mm、長さ 300 mm、E = 70 GPa)を端で接合したものでできています。一端が固定され、もう一端が引かれます。全体で 0.2 mm 伸ばす軸荷重 P を求めなさい。

区間 1: 鋼, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPa区間 2: アルミニウム, Ø50 mm, 300 mm, E = 70 GPaδ = 0.2 mm
P = kN
8.軸応力とひずみむずかしい
Ø 40 mm銅2 mØ 12 mm銅1.5 mP = 90 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 = 90 kN区間 1:Ø40 mm、2 m、銅(E = 117 GPa)区間 2:Ø12 mm、1.5 m、銅(E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.柱の座屈ふつう
PL = 4 md = 50 mm断面

アルミニウム製の長さ L の柱が下端固定・上端ピンである。オイラーの式を用いて座屈荷重 Pcr を求めよ。

L = 4 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 = 2 md = 30 mm断面

アルミニウム製の長さ L の柱が下端固定・上端ピンである。細長比と、オイラーの式による座屈応力 σcr を求めよ。

L = 2 mE = 70 GPa (アルミニウム)d = 30 mm
σcr = MPa
11.機械振動ふつう
k = 40 kN/mc = 320 N·s/mm = 10 kg

10 kg の質量が、ばね定数 40 kN/m のばねと、減衰係数 320 N·s/m の粘性ダンパで支えられている。減衰比 ζ を求めよ。

m = 10 kgk = 40 kN/mc = 320 N·s/m
ζ =
12.機械振動むずかしい
k1​ = 10k2​ = 25k3​ = 12m = 40 kg

40 kg の質量がばね k₃ = 12 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 = 10 kN/m と k₂ = 25 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 = 40 kgk1 = 10 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.歯車と歯車列

答え: N1 = 30

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

歯数の合計

N1 + N2 = 2a/m = 2·112.5/3 = 75

比で分ける

N1 = 75/(1 + 1.5) = 30

答え

N1 = 30
2.歯車と歯車列

答え: nout = 1600 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 = 3000·32/50 = 1920 rpm = nC

第 2 段

nout = 1920·30/36 = 1600 rpm

答え

nout = 1600 rpm

全体の速比 = 1.875 : 1

3.軸のねじり

答え: G = 39.08 GPa

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と角度

J = π·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 2.36·π/180 = 0.04119 rad

横弾性係数

T = 20 N·m = 20000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 20000·400/(4970·0.04119) = 39078 MPa
G = 39.08 GPa

答え

G = 39.08 GPa

比較:鋼 ≈ 80 GPa、黄銅 ≈ 39 GPa、アルミニウム ≈ 26 GPa。

4.軸のねじり

答え: d = 30.79 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·500/60 = 52.36 rad/s
T = P/ω = 15000/52.36 = 286.5 N·m

許容応力から直径を求める

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·286479/(π·50)) = 30.79 mm

答え

d = 30.79 mm

実際には、次の規格寸法に切り上げます。

5.モールの応力円と応力の座標変換

答え: σy′ = 19.29 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。

y′ 面の座標変換の式

σy′ = 50 − 50·(−0.1736) − 40·0.9848 = 19.29 MPa

確認

垂直応力の和は回転しても変わりません。

σx′ = 80.71 MPa, σx′ + σy′ = 100 = σx + σy

答え

σy′ = 19.29 MPa
6.モールの応力円と応力の座標変換

答え: σn = 13.29 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。 薄肉円筒:周方向応力 σh = pr/t、軸方向応力 σa = pr/(2t)。これらが壁の主応力です。

壁の応力

r = 500/2 = 250 mm
σh = pr/t = 0.8·250/10 = 20 MPa
σa = pr/(2t) = 10 MPa

継目への座標変換

x を軸方向(σa)、y を周方向(σh)にとります。継目の法線は軸と 90° − α をなします。

σn = 10·sin²55° + 20·cos²55° = 13.29 MPa

答え

σn = 13.29 MPa
7.軸応力とひずみ

答え: P = 27.49 kN

2 種類の材料:直列(端から端へ)では、どの区間も同じ力を受け、伸びが足されます:δ = P·Σ L/(E·A)。並列(剛な板の間に並べた場合)では、両方が同じ量だけ縮むので、ひずみが等しくなります:剛性の高いほうがより大きな割合を受け持ち、Pi = P·EiAi/ΣEA、σi = Ei·ε です。2 つの剛な壁の間に固定され、接合部に荷重がかかる棒は不静定です:2 つの区間は、剛性 k = EA/L に比例して荷重を分担します。

面積

A₁ = 490.9 mm², A₂ = 1963 mm²

柔軟性

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·490.9) = 5.093 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(70000·1963) = 2.183 × 10⁻⁶ mm/N

荷重

P = 0.2/7.276 × 10⁻⁶ = 27489 N = 27.49 kN

答え

P = 27.49 kN
8.軸応力とひずみ

答え: σmax = 795.8 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113.1 mm²
σ1 = 71.62 MPa
σ2 = 795.8 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 = 795.8 MPa

答え

σmax = 795.8 MPa
9.柱の座屈

答え: Pcr = 27.04 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 = 0.7·4000 = 2800 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/2800² = 27035 N = 27.04 kN

答え

Pcr = 27.04 kN
10.柱の座屈

答え: σcr = 19.83 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

断面二次半径と細長比

A = 706.9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706.9) = 7.5 mm
KL = 0.7·2000 = 1400 mm
KL/r = 1400/7.5 = 186.7

座屈応力

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/186.7² = 19.83 MPa

答え

σcr = 19.83 MPa
11.機械振動

答え: ζ = 0.253

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。

臨界減衰

cc = 2·√(k·m) = 2·√(40000·10) = 1265 N·s/m

減衰比

ζ = c/cc = 320/1265 = 0.253

答え

ζ = 0.253

ζ < 1 なので、この系は不足減衰で、振動しながら減衰します。

12.機械振動

答え: fn = 2.379 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 = 10 + 25 = 35 kN/m
keq = 35·12/(35 + 12) = 8.936 kN/m

固有振動数

ωn = √(8936/40) = 14.95 rad/s
fn = 14.95/(2π) = 2.379 Hz

答え

fn = 2.379 Hz

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