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​ = 120 mmd2​ = 315 mm960 rpmn2​ = ?

直径 120 mm のプーリが 960 rpm で回り、滑り 1 % のベルトで直径 315 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 = 960 rpmd1 = 120 mmd2 = 315 mms = 1 %
n2 = rpm
2.歯車と歯車列むずかしい
A = 40B = 50C = 12D = 30

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 40)が歯車 B(歯数 50)を駆動する。歯車 C(歯数 12)は B と同じ軸に固定されており、出力軸上の歯車 D(歯数 30)を駆動する。出力回転速度 nout を求めよ。

nin = 1450 rpmA = 40B = 50C = 12D = 30
nout = rpm
3.軸のねじりふつう
T = 750 N·md = 25 mmL = 1.2 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 = 750 N·md = 25 mmL = 1.2 mG = 80 GPa
φ = °
4.軸のねじりむずかしい
do​ = ?15 kW, 500 rpm

中空軸が 500 rpm で 15 kW を伝達しなければならない。 内径は外径の 0.5 倍とし、せん断応力は 50 MPa を超えてはならない。最小の外径 do を求めよ。

P = 15 kWN = 500 rpmdi/do = 0.5τallow = 50 MPa
do = mm
5.モールの応力円と応力の座標変換ふつう
σx​ = 90σy​ = 110τxy​ = 30MPa

ある点で σₓ = 90 MPa、σᵧ = 110 MPa、τₓᵧ = 30 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 = 90 MPaσy = 110 MPaτxy = 30 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
σx​ = 70σy​ = −70τxy​ = −20MPa

荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = 70 MPa、σᵧ = −70 MPa、τₓᵧ = −20 MPa である(引張を正とする)。 法線が x 軸から反時計回りに 60° 回転した面上の垂直応力 σθ を求めよ。

σx = 70 MPaσy = −70 MPaτxy = −20 MPaθ = 60°
σθ = MPa
7.軸応力とひずみふつう
Ø 25 mmアルミニウム1 mP = 110 kN

軸荷重を受けるアルミニウム製の棒の伸び δ を求めよ。

P = 110 kNd = 25 mmL = 1 mE = 70 GPa
δ = mm
8.軸応力とひずみむずかしい
Ø 30 mmアルミニウム1 mØ 12 mm鋼1.5 mP = 45 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 = 45 kN区間 1:Ø30 mm、1 m、アルミニウム(E = 70 GPa)区間 2:Ø12 mm、1.5 m、鋼(E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.柱の座屈ふつう
PL = 1 m20 × 100 mm断面

鋼製の長さ L の柱が両端ピンである。オイラーの式を用いて座屈荷重 Pcr を求めよ。

L = 1 mE = 200 GPa (鋼)b × h = 20 × 100 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 140 kNL = 4 md = ?断面

鋼製の長さ 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 2.5 で 140 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 140 kNn = 2.5L = 4 mE = 200 GPa (鋼)
d = mm
11.機械振動ふつう
k = 2 kN/mζ = 0.6m = 8 kg

ばね定数 2 kN/m のばねにつながれた 8 kg の質量に、減衰比 0.6 となる粘性ダンパがついている。自由振動の減衰固有振動数 fd を Hz で求めよ。

m = 8 kgk = 2 kN/mζ = 0.6
fd = Hz
12.機械振動むずかしい
k1​ = 25k2​ = 20k3​ = 5m = 100 kg

100 kg の質量がばね k₃ = 5 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 = 25 kN/m と k₂ = 20 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 = 100 kgk1 = 25 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.歯車と歯車列

答え: n2 = 362.1 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

960·120/315 = 365.7 rpm

滑りあり

n2 = 365.7·0.99 = 362.1 rpm

答え

n2 = 362.1 rpm
2.歯車と歯車列

答え: nout = 464 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 = 1450·40/50 = 1160 rpm = nC

第 2 段

nout = 1160·12/30 = 464 rpm

答え

nout = 464 rpm

全体の速比 = 3.125 : 1

3.軸のねじり

答え: φ = 16.81 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

ねじれ角

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1200/(80000·38350) = 0.2934 rad
φ = 0.2934·180/π = 16.81°

答え

φ = 16.81°
4.軸のねじり

答え: do = 31.46 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

許容応力からの外径

T = 286.5 N·m = 286479 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0.5⁴ = 0.9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·286479/(π·50·0.9375)) = 31.46 mm
di = 0.5·31.46 = 15.73 mm

答え

do = 31.46 mm

中実軸なら d = 30.79 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: σy′ = 68.72 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′ = 100 − (−10)·(−0.1736) − 30·0.9848 = 68.72 MPa

確認

垂直応力の和は回転しても変わりません。

σx′ = 131.3 MPa, σx′ + σy′ = 200 = σx + σy

答え

σy′ = 68.72 MPa
6.モールの応力円と応力の座標変換

答え: σθ = −52.32 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 = 0 + 70·−0.5 + −20·0.866 = −52.32 MPa

答え

σθ = −52.32 MPa
7.軸応力とひずみ

答え: δ = 3.201 mm

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·25²/4 = 490.9 mm²
σ = P/A = 110·1000/490.9 = 224.1 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 = 224.1/70000 = 0.003201 = 3201 µε

伸び

δ = ε·L = 0.003201·1000 mm = 3.201 mm

答え

δ = 3.201 mm
8.軸応力とひずみ

答え: σmax = 397.9 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·30²/4 = 706.9 mm², A2 = π·12²/4 = 113.1 mm²
σ1 = 63.66 MPa
σ2 = 397.9 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 = 397.9 MPa

答え

σmax = 397.9 MPa
9.柱の座屈

答え: Pcr = 131.6 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

長方形は弱軸まわりに座屈するので、小さい方の寸法の 3 乗を使います。

Imin = h·b³/12 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 1·1000 = 1000 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·66667/1000² = 131595 N = 131.6 kN

答え

Pcr = 131.6 kN
10.柱の座屈

答え: d = 123.3 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 = 2.5·140000 = 350000 N
KL = 2·4000 = 8000 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·350000·8000²/(π³·200000))^(1/4) = 123.3 mm

答え

d = 123.3 mm

確認:細長比 KL/r は 259.5 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: fd = 2.013 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。

減衰のない固有振動数

ωn = √(2000/8) = 15.81 rad/s
fn = 15.81/(2π) = 2.516 Hz

減衰固有振動数

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2.516·√(1 − 0.6²) = 2.013 Hz

答え

fd = 2.013 Hz
12.機械振動

答え: fn = 1.068 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 = 25 + 20 = 45 kN/m
keq = 45·5/(45 + 5) = 4.5 kN/m

固有振動数

ωn = √(4500/100) = 6.708 rad/s
fn = 6.708/(2π) = 1.068 Hz

答え

fn = 1.068 Hz

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