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​ = 36N2​ = 40

960 rpm で回転する 1.1 kW のモータが歯数 36 のピニオンを駆動し、ピニオンは歯数 40 の歯車とかみ合っている。 この歯車対の効率は 97% である。 歯車軸の出力トルク T2 を求めよ。

P = 1.1 kWn1 = 960 rpmN1 = 36N2 = 40η = 97%
T2 = N·m
2.歯車と歯車列むずかしい
d1​ = 125 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 1000 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

平行掛けのベルトが、125 rpm の直径 960 mm の駆動プーリと直径 400 mm のプーリをつなぎ、中心は 1000 mm 離れています。摩擦係数は 0.25 で、張り側の張力は 1000 N を超えてはなりません。ベルトが滑らずに伝達できる最大動力 P を kW で求めなさい(遠心力の影響は無視します)。

d1 = 125 mmn1 = 960 rpmd2 = 400 mmC = 1000 mmμ = 0.25T1 = 1000 N
P = kW
3.軸のねじりふつう
do​ = ?T = 250 N·m

中空軸がトルク 250 N·m を受けなければならない。 内径は外径の 0.75 倍とし、せん断応力は 60 MPa を超えてはならない。最小の外径 do を求めよ。

T = 250 N·mdi/do = 0.75τallow = 60 MPa
do = mm
4.軸のねじりむずかしい
Tdo​ = 60 mm, di​ = 30 mm

中空軸が 1000 rpm で 50 kW を伝達する。軸の最大せん断応力 τmax を求めよ。

P = 50 kWN = 1000 rpmdo = 60 mmdi = 30 mm
τmax = MPa
5.モールの応力円と応力の座標変換ふつう
σx​ = 90σy​ = −70τxy​ = −10MPa

荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = 90 MPa、σᵧ = −70 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 = 90 MPaσy = −70 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​ = 60σy​ = 80τxy​ = 60MPa

荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = 60 MPa、σᵧ = 80 MPa、τₓᵧ = 60 MPa である(引張を正とする)。 法線が x 軸から反時計回りに 25° 回転した面上の垂直応力 σθ を求めよ。

σx = 60 MPaσy = 80 MPaτxy = 60 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.軸応力とひずみふつう
Ø 25 mm銅0.5 mP = 65 kN

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 = 65 kNd = 25 mmL = 0.5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.軸応力とひずみむずかしい
Ø 25 mm鋼1 mØ 20 mm銅1 mP = 120 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 = 120 kN区間 1:Ø25 mm、1 m、鋼(E = 200 GPa)区間 2:Ø20 mm、1 m、銅(E = 117 GPa)
δ = mm
9.柱の座屈ふつう
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。オイラーの式を用いて座屈荷重 Pcr を求めよ。

L = 2 mE = 70 GPa (アルミニウム)d = 30 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
PL = 2.5 md = 30 mm断面

アルミニウム製の長さ 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 = 2.5 mE = 70 GPa (アルミニウム)d = 30 mm
σcr = MPa
11.機械振動ふつう
k = 20 kN/mc = 200 N·s/mm = 12 kg

12 kg の質量が、ばね定数 20 kN/m のばねと、減衰係数 200 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 = 12 kgk = 20 kN/mc = 200 N·s/m
ζ =
12.機械振動むずかしい
k1​ = 12k2​ = 15m = 100 kg

100 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 = 12 kN/m、下のばねは k₂ = 15 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 = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.歯車と歯車列

答え: T2 = 11.79 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 = 1100/100.5 = 10.94 N·m

出力トルク

T2 = 10.94·40/36·0.97 = 11.79 N·m

答え

T2 = 11.79 N·m
2.歯車と歯車列

答え: P = 3.214 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。

巻き付け角

θ = 2.866 rad

緩み側の張力

eμθ = e0.7164 = 2.047, T₂ = 1000/2.047 = 488.5 N

電力

P = (1000 − 488.5)·6.283 = 3.214 kW

答え

P = 3.214 kW
3.軸のねじり

答え: do = 31.43 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。

許容応力からの外径

T = 250 N·m = 250000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0.75⁴ = 0.6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·250000/(π·60·0.6836)) = 31.43 mm
di = 0.75·31.43 = 23.57 mm

答え

do = 31.43 mm

中実軸なら d = 27.69 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。

4.軸のねじり

答え: τmax = 12.01 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·1000/60 = 104.7 rad/s
T = P/ω = 50000/104.7 = 477.5 N·m

断面二次極モーメント

J = π(60⁴ − 30⁴)/32 = 1.193 × 10⁶ mm⁴

最大せん断応力

τmax = T·(do/2)/J = 477465·30/1.193 × 10⁶ = 12.01 MPa

答え

τmax = 12.01 MPa
5.モールの応力円と応力の座標変換

答え: θp = −3.563 °

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, 90 − −70) = −7.125°

要素上の角度

θp = −3.563°

答え

θp = −3.563°

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 = 109.5 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 = 70 + −10·0.6428 + 60·0.766 = 109.5 MPa

答え

σθ = 109.5 MPa
7.軸応力とひずみ

答え: ε = 1132 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·25²/4 = 490.9 mm²
σ = P/A = 65·1000/490.9 = 132.4 MPa

ひずみ(フックの法則)

E for 銅 = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 132.4/117000 = 0.001132 = 1132 µε

答え

ε = 1132 µε
8.軸応力とひずみ

答え: δ = 4.487 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·25²/4 = 490.9 mm², A2 = π·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 244.5 MPa
σ2 = 382 MPa

各区間の伸びを足す

δ1 = σ1L1/E1 = 244.5·1000/200000 = 1.222 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 382·1000/117000 = 3.265 mm
δ = δ1 + δ2 = 4.487 mm

答え

δ = 4.487 mm
9.柱の座屈

答え: Pcr = 14.02 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 0.7·2000 = 1400 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/1400² = 14015 N = 14.02 kN

答え

Pcr = 14.02 kN
10.柱の座屈

答え: σcr = 6.218 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 = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/7.5 = 333.3

座屈応力

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/333.3² = 6.218 MPa

答え

σcr = 6.218 MPa
11.機械振動

答え: ζ = 0.2041

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·√(20000·12) = 979.8 N·s/m

減衰比

ζ = c/cc = 200/979.8 = 0.2041

答え

ζ = 0.2041

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 = 1.299 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 = 1/12 + 1/15 → keq = 12·15/(12 + 15) = 6.667 kN/m

固有振動数

ωn = √(6667/100) = 8.165 rad/s
fn = 8.165/(2π) = 1.299 Hz

答え

fn = 1.299 Hz

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