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​ = 25N2​ = 32

960 rpm で回転する 1.5 kW のモータが歯数 25 のピニオンを駆動し、ピニオンは歯数 32 の歯車とかみ合っている。 この歯車対の効率は 96% である。 歯車軸の出力トルク T2 を求めよ。

P = 1.5 kWn1 = 960 rpmN1 = 25N2 = 32η = 96%
T2 = N·m
2.歯車と歯車列むずかしい
d1​ = 80 mmd2​ = 300 mm960 rpmC = 1000 mmθ = ?

平行掛けのベルトが、直径 80 mm のプーリと直径 300 mm のプーリをつなぎ、その中心は 1000 mm 離れています。小さいほうのプーリへの巻き付け角 θ を度で求めなさい。

d1 = 80 mmd2 = 300 mmC = 1000 mm
θ = °
3.軸のねじりふつう
T = 100 N·md = 20 mmL = 3 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 = 100 N·md = 20 mmL = 3 mG = 80 GPa
φ = °
4.軸のねじりむずかしい
Td = ?

中実軸が 1000 rpm で 100 kW を伝達し、せん断応力が 40 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 = 100 kWN = 1000 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.モールの応力円と応力の座標変換ふつう
σx​ = −30σy​ = −80τxy​ = −60MPa

ある点で σₓ = −30 MPa、σᵧ = −80 MPa、τₓᵧ = −60 MPa である(引張を正とする)。せん断応力が最大の正の値 +R をとる面について、x 軸からその面の法線までの角度 θs を −90° から 90° の範囲で求めよ(せん断応力は τₓᵧ と同じ向きを正とする)。

σx = −30 MPaσy = −80 MPaτxy = −60 MPa
θs = °
6.モールの応力円と応力の座標変換むずかしい
σx​ = 50σy​ = 10τxy​ = 50MPa

荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = 50 MPa、σᵧ = 10 MPa、τₓᵧ = 50 MPa である(引張を正とする)。 法線が x 軸から時計回りに 20° 回転した面上の垂直応力 σθ を求めよ。

σx = 50 MPaσy = 10 MPaτxy = 50 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.軸応力とひずみふつう
Ø 10 mm鋼1 mP = 115 kN

軸荷重を受ける鋼製の棒の伸び δ を求めよ。

P = 115 kNd = 10 mmL = 1 mE = 200 GPa
δ = mm
8.軸応力とひずみむずかしい
Ø 40 mm黄銅2 mØ 12 mm銅0.5 mP = 35 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 = 35 kN区間 1:Ø40 mm、2 m、黄銅(E = 100 GPa)区間 2:Ø12 mm、0.5 m、銅(E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.柱の座屈ふつう
PL = 5 md = 50 mm断面

鋼製の長さ 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 = 5 mE = 200 GPa (鋼)d = 50 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 65 kNL = 5 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 3 で 65 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 65 kNn = 3L = 5 mE = 70 GPa (アルミニウム)
d = mm
11.機械振動ふつう
k = 80 kN/mc = 760 N·s/mm = 5 kg

5 kg の質量が、ばね定数 80 kN/m のばねと、減衰係数 760 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 = 5 kgk = 80 kN/mc = 760 N·s/m
ζ =
12.機械振動むずかしい
k1​ = 80k2​ = 25m = 25 kg

25 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 = 80 kN/m、下のばねは k₂ = 25 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 = 25 kgk1 = 80 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.歯車と歯車列

答え: T2 = 18.33 N·m

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。

モータのトルク

ω₁ = 2π·960/60 = 100.5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/100.5 = 14.92 N·m

出力トルク

T2 = 14.92·32/25·0.96 = 18.33 N·m

答え

T2 = 18.33 N·m
2.歯車と歯車列

答え: θ = 167.4 °

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。

ベルトの角度

asin(0.11) = 6.315°

巻き付け角

θ = 180 − 2·6.315 = 167.4°

答え

θ = 167.4°
3.軸のねじり

答え: φ = 13.68 °

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·20⁴/32 = 15708 mm⁴

ねじれ角

φ = TL/(GJ) = 100·1000·3000/(80000·15708) = 0.2387 rad
φ = 0.2387·180/π = 13.68°

答え

φ = 13.68°
4.軸のねじり

答え: d = 49.54 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·1000/60 = 104.7 rad/s
T = P/ω = 100000/104.7 = 954.9 N·m

許容応力から直径を求める

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·954930/(π·40)) = 49.54 mm

答え

d = 49.54 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: θs = −78.69 °

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。

στxyCτmax​

円上の角度

モールの応力円上では頂点(+R)は主応力点 σ₁ から 90° 離れており、要素上では 45° です。

cos 2θs = −60/65 = −0.9231, sin 2θs = −25/65 = −0.3846
2θs = atan2(−25, −60) = −157.4°

要素上の角度

θs = −78.69°
確認: θs − θp = −78.69 − (−33.69) = −45°

答え

θs = −78.69°

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 = 13.18 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 = 30 + 20·0.766 + 50·−0.6428 = 13.18 MPa

答え

σθ = 13.18 MPa
7.軸応力とひずみ

答え: δ = 7.321 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·10²/4 = 78.54 mm²
σ = P/A = 115·1000/78.54 = 1464 MPa

ひずみ(フックの法則)

E for 鋼 = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 1464/200000 = 0.007321 = 7321 µε

伸び

δ = ε·L = 0.007321·1000 mm = 7.321 mm

答え

δ = 7.321 mm
8.軸応力とひずみ

答え: σmax = 309.5 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 = 27.85 MPa
σ2 = 309.5 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 = 309.5 MPa

答え

σmax = 309.5 MPa
9.柱の座屈

答え: Pcr = 96.89 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 = 0.5·5000 = 2500 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/2500² = 96895 N = 96.89 kN

答え

Pcr = 96.89 kN
10.柱の座屈

答え: d = 154.9 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 = 3·65000 = 195000 N
KL = 2·5000 = 10000 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·195000·10000²/(π³·70000))^(1/4) = 154.9 mm

答え

d = 154.9 mm

確認:細長比 KL/r は 258.3 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 = 0.6008

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·√(80000·5) = 1265 N·s/m

減衰比

ζ = c/cc = 760/1265 = 0.6008

答え

ζ = 0.6008

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 = 4.393 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 = 1/80 + 1/25 → keq = 80·25/(80 + 25) = 19.05 kN/m

固有振動数

ωn = √(19048/25) = 27.6 rad/s
fn = 27.6/(2π) = 4.393 Hz

答え

fn = 4.393 Hz

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