- 科目
- 機械設計法
- 章
- 軸と軸受
- 図番
- 06 / 14
- 内容
- シミュレータ・例題3問
軸と歯車は、小さな角棒1本でつながっているキー(軸と歯車をつなぐ)
キーを押す力は、トルク ÷ 軸の半径。100 N·m を直径 30 mm の軸で伝えると 6,667 N で、規格の 8×7 のキー(長さ 40 mm)のせん断応力は約 21 MPa、面圧は 47.6 MPa。同じトルクでも、軸が細いほどキーの負担は大きく、20 mm の軸(規格のキーは 6×6)では 41.7 MPa になる。

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この単元のポイント
- キーを押す力は、トルク ÷ 軸の半径。100 N·m を直径 30 mm の軸で伝えると、6,667 N。
- 軸径 30 mm には、規格の表から 8×7 のキー(幅 8 mm・高さ 7 mm)を選ぶ。長さ 40 mm なら、せん断応力は約 21 MPa(20.8 MPa)、面圧は 47.6 MPa。面圧は、キーの高さの半分で受けるとして計算する。
- 同じトルクでも、軸が細いほどキーの負担は大きい。20 mm の軸(キー 6×6)では、せん断応力は 41.7 MPa になり、許容 40 MPa を越える。
歯車は、なぜ軸の上で空回りしない?
モータの軸に、歯車やベルト車(プーリ)を取り付けます。歯車の中心には、軸がちょうど通る丸い穴が開いています。
でも、丸い軸を丸い穴に通しただけでは、軸が回っても、歯車はつるりと滑って止まったままです。軸の回す力(トルク)を歯車に伝えるには、2つを回る向きにつなぐ部品が要ります。
よく使われるのがキーです。軸の表面と、歯車の穴の内側(ボス)に、それぞれ溝を彫ります。2つの溝を合わせた四角い穴に、細長い角棒を差し込みます。この角棒がキーです。両側の面が平行なものを、平行キーといいます。
キーは小さな部品です。でも、軸が伝えるトルクを、全部この1本で受けています。
例で考えます。直径 30 mm の軸で、100 N·m のトルクを歯車に伝えます。キーは幅 8 mm・高さ 7 mm・長さ 40 mm です。キーが、軸と歯車の境目でずれて切れようとする応力(せん断応力)は、いくらでしょうか。
予想してから読む直径 30 mm の軸で 100 N·m を伝える。幅 8 mm・長さ 40 mm のキーのせん断応力は?
キーを押す力
キーを押す力は、トルク ÷ 軸の半径です。トルクは「力 × 腕の長さ」だからです。軸の中心からキーまでの腕は、軸の半径 です。だから、キーの側面を押す力 は、
例の軸では、100 N·m = 100,000 N·mm を、半径 15 mm で割ります。
6,667 N は、約 680 kg の物の重さに当たります。手で回せるくらいのトルクでも、小さなキーには大きな力がかかります。
軸の太さで、キーの寸法を選ぶ
キーの幅と高さは、自由に決めません。JIS B 1301(キー及びキー溝)の表から選びます。表には、キーの呼び寸法(幅 × 高さ)ごとに、軸とボスに彫る溝の深さと、参考として「適応する軸径」が並んでいます。一部を抜き出すと、次のとおりです。
| 適応する軸径(参考) | キー | 軸の溝の深さ | ボスの溝の深さ |
|---|---|---|---|
| 17〜22 mm | 6×6 | 3.5 mm | 2.8 mm |
| 22〜30 mm | 8×7 | 4.0 mm | 3.3 mm |
| 30〜38 mm | 10×8 | 5.0 mm | 3.3 mm |
| 38〜44 mm | 12×8 | 5.0 mm | 3.3 mm |
| 44〜50 mm | 14×9 | 5.5 mm | 3.8 mm |
直径 30 mm の軸には、8×7 のキーを選びます。このサイトの盤では、境目の軸径(30 mm など)は、小さいほうの行に入れています。
適応する軸径は、キーの強さに見合うトルクから決めた、一般の目安です。最後は、伝えるトルクで、キーが足りるかを確かめます。
2つの壊れ方を確かめる
キーの壊れ方は2つあります。
せん断:境目の面で、ずれて切れる
軸は、キーの下の部分を押します。歯車は、キーの上の部分を押し返します。上と下が反対の向きに押されるので、キーは、軸と歯車の境目の面で、ずれて切れようとします。はさみの2枚の刃が、紙を反対の向きに押して切るのと同じです。
面に沿ってずらそうとする応力をせん断応力 といいます。材料力学の 応力とひずみ の応力と同じく、力 ÷ 面積です。面積は、境目の面の です。
面圧:側面が、つぶれる
キーの側面は、溝の壁に押しつけられています。押しつける力が大きすぎると、側面や溝の壁がつぶれます。側面 1 mm² あたりの押しつける力を面圧 といいます。
キーの高さ のうち、下の部分は軸の溝に、上の部分はボスの溝に入っています。ボスの側で押される面の高さは、キーの高さの半分として計算します。8×7 のキーでは、軸の溝の深さが 4.0 mm なので、ボスの側に出ている高さは 3.0 mm で、半分の 3.5 mm に近い値です。
ものさしで比べる
この科目では、計算で出た応力をものさしの目盛りに、許容応力を余白をとった線にたとえています。キーでは、ものさしを2本当てます。
この例では、許容せん断応力を 40 MPa、許容面圧を 100 MPa とします(キーとボスの材料と、安全率から決める値で、ここでは例として決めました)。
| 壊れ方 | 目盛り(計算) | 線(許容) | 足りるか |
|---|---|---|---|
| せん断 | 20.8 MPa | 40 MPa | 足りる |
| 面圧 | 47.6 MPa | 100 MPa | 足りる |
どちらも線の内側なので、8×7・長さ 40 mm のキーで足ります。
両方が許容ちょうどになる長さも出せます。せん断からは 、面圧からは 。長いほうの 20.8 mm あれば足ります。40 mm のキーには、約2倍の余白があります。
ものさしの目盛りと余白(この科目を通す決まり)
キーは2つの壊れ方で確かめる。せん断(境目の面 )と、面圧(側面 )。どちらの目盛りも、線の内側に入れる。
公式を、かたまりに分けて読む
- キーを押す力 トルクが同じでも、軸が細いほど腕が短く、力は大きくなります。
- 受ける面の広さ 幅 は軸の太さで表から決まるので、自分で変えられるのは長さ です。
面圧の式も、形は同じです。面の広さが に変わるだけです。
どの数字がいちばん効く?
例のキーから、それぞれの数字を 10% 変えたとき、せん断応力がどう変わるかを並べます。
| 変えるもの | せん断応力 | 理由 |
|---|---|---|
| トルク を10%大きく | +10% | 力に比例する |
| キーの長さ を10%長く | −9.1% | 長さに反比例する |
| 軸の直径 を10%細く(27 mm、キーは 8×7 のまま) | +11% | 腕が短くなり、力が増える |
| 軸の直径 を10%太く(33 mm、キーは 10×8 に) | −27% | 力が減り、キーの幅も広がる |
軸を太くすると、力が減るうえに、表で選ぶキーも大きくなります。2つが重なるので、よく効きます。
軸が細いほど、キーはつらい
同じ 100 N·m を、直径 20 mm の軸で伝えてみます。表から、キーは 6×6 です。
許容の 40 MPa を越えます。腕が短くなって力が 1.5倍になり、キーの幅も 8 mm から 6 mm に細くなったからです。
つまり、ものを作るときは
キーは、軸の直径で表から寸法を選び、伝えるトルクで長さを決めます。せん断と面圧の両方を確かめ、長いほうに合わせます。
ボスが柔らかい材料のときは、許容面圧が小さくなり、面圧で長さが決まりやすくなります。
軸に彫ったキー溝は、軸にとっては角のある切り欠きです。溝の底の角では、応力集中 が起きます。軸の太さを決めるときは、溝で弱くなる分も考えます(曲げとねじりを同時に受ける軸)。
歯車に戻る
直径 30 mm の軸から、100 N·m を歯車に伝えるとき、キーの側面は 6,667 N で押されます。規格の 8×7 のキーを長さ 40 mm で使うと、せん断応力は 20.8 MPa、面圧は 47.6 MPa です。どちらも許容以下なので、このキーで足ります。
動かしてみよう
軸の直径 を細くしていくと、22 mm を境に、キーが 8×7 から 6×6 に変わります。左の断面の図で、キーが小さくなるのを見てください。右のものさしの赤い線が、緑の許容の線に近づきます。
次に、許容面圧を下げてみてください。せん断が足りていても、面圧で足りなくなることがあります。「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、変える前の値と比べられます。
試してみよう0 / 3
- トルクはそのままで、軸の直径 d を 20 mm に細くする(まだ)
- 軸径 30 mm のまま、許容面圧 pa を 45 MPa に下げる(ボスが柔らかい材料のとき)(まだ)
- 軸の直径 d を 38 mm に太くする(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- キーの側面を押す力
- キーのせん断応力
- キーの側面の面圧
- 両方が足りる最短の長さ
途中の計算(導出)を見る
軸の表面で、キーを押す力を求める(トルク ÷ 軸の半径)
軸の直径から、規格の表でキーの寸法(幅 × 高さ)を選ぶ
せん断を確かめる(境目の面で、ずれて切れないか)
面圧を確かめる(側面が、高さの半分でつぶれないか)
両方が許容以下になる、いちばん短い長さを出す
よくある勘違い
「太い軸ほど、キーは大きな力を受ける」
逆です。同じトルクなら、太い軸ほど腕が長く、キーを押す力は小さくなります。
| 軸の直径 | キー | キーを押す力 | せん断応力(長さ 40 mm) |
|---|---|---|---|
| 20 mm | 6×6 | 10,000 N | 41.7 MPa |
| 30 mm | 8×7 | 6,667 N | 20.8 MPa |
| 38 mm | 10×8 | 5,263 N | 13.2 MPa |
「せん断さえ確かめればよい」
面圧で決まることもあります。例のキーで、許容面圧が 45 MPa のボスなら、せん断は 20.8 MPa で足りていても、面圧 47.6 MPa が許容を越えます。必要な長さは 42.3 mm になります。
「面圧は、キーの幅で受ける」
面圧 = 力 ÷(幅 × 長さ)。幅 の面は、せん断の面です。面圧を受けるのは、溝の壁に当たる側面で、その高さはキーの高さの半分ほどです。
この公式が使える条件
- 力は、キーの長さの全体に均一にかかるとする(実際には、長さの方向に均一にはならない)
- 力は、軸の表面(半径 )でキーにかかるとする
- 面圧は、キーの高さの半分の面で受けるとする
- 平行キーで、溝とキーはすき間なく合っている
- トルクは一定(衝撃や、向きが変わる繰り返しは、許容応力の側で余白を大きくとる)
キーを押す力の出し方(くわしく知りたい人へ)
仕事で考える:軸を、わずかな角度 だけ回します。トルク がする仕事は です。このとき、軸の表面にあるキーの側面は、 だけ動きます。キーを押す力 がする仕事は です。2つが等しいので、
キーの上半分のつり合い:キーを、軸と歯車の境目の面で上下に切り分けます。上の半分は、ボスの溝の壁から で押され、境目の面からせん断の力で引き止められます。止まっているので、
例のキーでは、 です。このサイトの検算では、軸を少し回して動いた道のりを座標で測る方法と、面を細い帯に分けて足し合わせる方法で、この2つを確かめています。
例題
例題1 減速機の出力軸
小型の減速機の出力軸(直径 25 mm)に、平行キーで歯車を留めます。軸が伝えるトルクは 60 N·m、キーの長さは 28 mm です。許容せん断応力は 40 MPa、許容面圧は 100 MPa とします。
(1) 規格の表から、キーの幅と高さを選びなさい。(2) キーを押す力はいくらですか。(3) せん断と面圧を確かめなさい。
ヒント 1 / 2
キーを押す力は、トルク ÷ 軸の半径です。
ヒント 2 / 2
軸の半径は 12.5 mm、面圧はキーの高さの半分 3.5 mm で受けます。
答えと解き方を見る
軸の表面で、キーを押す力を求める(トルク ÷ 軸の半径)
軸の直径から、規格の表でキーの寸法(幅 × 高さ)を選ぶ
せん断を確かめる(境目の面で、ずれて切れないか)
面圧を確かめる(側面が、高さの半分でつぶれないか)
せん断は許容の約半分、面圧も許容の約半分です。どちらも足ります。
トルクの単位を N·mm に直してから、半径(mm)で割ります。60 N·m は 60,000 N·mm です。
例題2 キーの長さを決める
ベルトコンベヤのプーリを、直径 45 mm の軸に平行キーで留めます。トルクは 400 N·m です。プーリの材料に合わせて、許容面圧は 90 MPa、許容せん断応力は 40 MPa とします。
(1) せん断と面圧のそれぞれから、必要なキーの長さを出しなさい。(2) 長さの系列(…36・40・45・50…mm)から長さを選び、その長さで確かめなさい。
ヒント 1 / 2
まず表で 45 mm の軸のキー(幅 × 高さ)を選び、押す力 を出します。
ヒント 2 / 2
せん断からは 、面圧からは です。長いほうで決まります。
答えと解き方を見る
軸の表面で、キーを押す力を求める(トルク ÷ 軸の半径)
軸の直径から、規格の表でキーの寸法(幅 × 高さ)を選ぶ
せん断を確かめる(境目の面で、ずれて切れないか)
面圧を確かめる(側面が、高さの半分でつぶれないか)
両方が許容以下になる、いちばん短い長さを出す
この軸のキーは 14×9 です。長さを決めたのは、せん断ではなく面圧でした。
キーの高さの半分は 4.5 mm で、幅の 14 mm よりずっと小さい面です。ボスが柔らかいときは、面圧で決まりやすくなります。
例題3 細い軸と太い軸
同じ 150 N·m のトルクを、直径 24 mm の軸と、直径 40 mm の軸で伝えます。キーの長さは、どちらも 36 mm です。許容せん断応力は 40 MPa、許容面圧は 100 MPa です。
それぞれのキーのせん断応力と面圧を求め、足りるかどうかを答えなさい。
ヒント 1 / 2
24 mm の軸のキーは 8×7、40 mm の軸のキーは 12×8 です。
ヒント 2 / 2
押す力は、24 mm の軸で 、40 mm の軸で [N] です。
答えと解き方を見る
細い軸では、半径が小さいぶん押す力が大きく、キーも小さくなります。せん断応力は、太い軸の 2.5倍です。
24 mm の軸で伝えるなら、キーを長くするか、軸を太くします。