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​ = 150 mmd2​ = 500 mm1450 rpmT1​ = 600 NT2​ = 150 NP = ?

ベルトが、直径 150 mm の駆動プーリ上を 1450 rpm で走っています。張力は張り側で 600 N、緩み側で 150 N です。伝達される動力 P を kW で求めなさい。

d1 = 150 mmn1 = 1450 rpmT1 = 600 NT2 = 150 N
P = kW
2.歯車と歯車列むずかしい
A = 16B = 45C = 20D = 24

複合歯車列において、1500 rpm で回転する入力軸上の歯車 A(歯数 16)が歯車 B(歯数 45)を駆動する。歯車 C(歯数 20)は B と同じ軸に固定されており、出力軸上の歯車 D(歯数 24)を駆動する。出力回転速度 nout を求めよ。

nin = 1500 rpmA = 16B = 45C = 20D = 24
nout = rpm
3.軸のねじりふつう
T = 100 N·md = 25 mmL = 2.5 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 = 25 mmL = 2.5 mG = 80 GPa
φ = °
4.軸のねじりむずかしい
Td = ?

中実軸が 1500 rpm で 15 kW を伝達し、せん断応力が 80 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 = 1500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.モールの応力円と応力の座標変換ふつう
σx​ = 70σy​ = 80MPaτxy​ = ?

ある点で σₓ = 70 MPa、σᵧ = 80 MPa である。最大主応力が 110 MPa に達するまでに、せん断応力 τxy(大きさ)はどこまで大きくなれるか。

σx = 70 MPaσy = 80 MPaσ1 = 110 MPa
τxy = MPa
6.モールの応力円と応力の座標変換むずかしい
σx​ = −10σy​ = 50τxy​ = −60MPa

荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = −10 MPa、σᵧ = 50 MPa、τₓᵧ = −60 MPa である(引張を正とする)。 法線が x 軸から時計回りに 45° 回転した面上の垂直応力 σθ を求めよ。

σx = −10 MPaσy = 50 MPaτxy = −60 MPaθ = -45°
σθ = MPa
7.軸応力とひずみふつう
Ø 12 mm鋼3 mP = 70 kN

軸荷重を受ける鋼製の棒の伸び δ を求めよ。

P = 70 kNd = 12 mmL = 3 mE = 200 GPa
δ = mm
8.軸応力とひずみむずかしい
Ø 30 mm鋼1.5 mØ 20 mm鋼1 mP = 10 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 = 10 kN区間 1:Ø30 mm、1.5 m、鋼(E = 200 GPa)区間 2:Ø20 mm、1 m、鋼(E = 200 GPa)
δ = mm
9.柱の座屈ふつう
PL = 2.5 md = 50 mm断面

鋼製の長さ 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 = 2.5 mE = 200 GPa (鋼)d = 50 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 80 kNL = 5 md = ?断面

アルミニウム製の長さ L の中実円柱が両端ピンである。座屈に対する安全率 2.5 で 80 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 80 kNn = 2.5L = 5 mE = 70 GPa (アルミニウム)
d = mm
11.機械振動ふつう
tx30 mm1 周期23.3 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 1 周期後に 23.3 mm のピークが現れた。 減衰比 ζ を求めよ。

x0 = 30 mmx1 = 23.3 mmn = 1
ζ =
12.機械振動むずかしい
k1​ = 12k2​ = 12m = 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 = 12 kN/m、下のばねは k₂ = 12 kN/m である。 ばね系の等価ばね定数 keq を kN/m で求めよ。

m = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.歯車と歯車列

答え: P = 5.125 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 = 11.39 m/s

電力

P = (600 − 150)·11.39 = 5125 W = 5.125 kW

答え

P = 5.125 kW
2.歯車と歯車列

答え: nout = 444.4 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 = 1500·16/45 = 533.3 rpm = nC

第 2 段

nout = 533.3·20/24 = 444.4 rpm

答え

nout = 444.4 rpm

全体の速比 = 3.375 : 1

3.軸のねじり

答え: φ = 4.669 °

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) = 100·1000·2500/(80000·38350) = 0.08149 rad
φ = 0.08149·180/π = 4.669°

答え

φ = 4.669°
4.軸のねじり

答え: d = 18.25 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·1500/60 = 157.1 rad/s
T = P/ω = 15000/157.1 = 95.49 N·m

許容応力から直径を求める

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·95493/(π·80)) = 18.25 mm

答え

d = 18.25 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: τxy = 34.64 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。

必要な半径

C = (70 + 80)/2 = 75 MPa
R = σ1 − C = 110 − 75 = 35 MPa
στxyCσ1​σ2​

せん断応力

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(35² − 5²) = 34.64 MPa

答え

τxy = 34.64 MPa
6.モールの応力円と応力の座標変換

答え: σθ = 80 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 = 20 + −30·0 + −60·−1 = 80 MPa

答え

σθ = 80 MPa
7.軸応力とひずみ

答え: δ = 9.284 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·12²/4 = 113.1 mm²
σ = P/A = 70·1000/113.1 = 618.9 MPa

ひずみ(フックの法則)

E for 鋼 = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 618.9/200000 = 0.003095 = 3095 µε

伸び

δ = ε·L = 0.003095·3000 mm = 9.284 mm

答え

δ = 9.284 mm
8.軸応力とひずみ

答え: δ = 0.2653 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·30²/4 = 706.9 mm², A2 = π·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 14.15 MPa
σ2 = 31.83 MPa

各区間の伸びを足す

δ1 = σ1L1/E1 = 14.15·1500/200000 = 0.1061 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 31.83·1000/200000 = 0.1592 mm
δ = δ1 + δ2 = 0.2653 mm

答え

δ = 0.2653 mm
9.柱の座屈

答え: Pcr = 197.7 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 = 0.7·2500 = 1750 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/1750² = 197744 N = 197.7 kN

答え

Pcr = 197.7 kN
10.柱の座屈

答え: d = 110.2 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 = 2.5·80000 = 200000 N
KL = 1·5000 = 5000 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·200000·5000²/(π³·70000))^(1/4) = 110.2 mm

答え

d = 110.2 mm

確認:細長比 KL/r は 181.5 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: ζ = 0.04019

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 = (1/1)·ln(30/23.3) = 0.2527

減衰比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.2527/√(39.48 + 0.06388) = 0.04019

答え

ζ = 0.04019
12.機械振動

答え: keq = 6 kN/m

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 + 1/12 → keq = 12·12/(12 + 12) = 6 kN/m

答え

keq = 6 kN/m

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