科目
機械設計法
章
設計の考え方
図番
02 / 14
内容
シミュレータ・例題3問
機械設計法 2 / 14

1回では平気な力でも、何十万回で割れる疲労と疲労限度

1回では何ともない応力でも、何十万回と繰り返すと部品は割れる(疲労)。鋼には、それより下なら何回でも割れない疲労限度があり、目安は引張強さの約半分。毎日こぐ自転車のクランクは1年で約 131 万回踏まれるので、応力を疲労限度の内側に収める。

自転車のクランクを足が何度も踏み、クランクの根元に細いひびが入っている
このページの内容
  1. クランクは、何回踏まれても割れない?
  2. 公式はこれ
  3. 1回では折れないのに、繰り返すと折れる
  4. ものさしの線を、引き直す
  5. 何回で割れるかを調べる線図
  6. 降伏点より低くても、割れる
  7. 応力の式を、かたまりに分けて読む
  8. どの数字がいちばん効く?
  9. 動かしてみよう
  10. よくある勘違い
  11. この式が使える条件
  12. 例題

この単元のポイント

  1. 1回では何ともない小さな応力でも、何十万回、何百万回と繰り返すと、部品は割れる。これを疲労という。降伏点 245 MPa より低い 231 MPa でも、繰り返せば約 18 万回で割れる(目安)。
  2. 鋼には、それより下なら何回繰り返しても割れない応力がある。これを疲労限度という。目安は引張強さの約半分:引張強さ 400 MPa の鋼なら 200 MPa。
  3. クランクは、毎分60回転で1日1時間こぐと、1年で約 131 万回踏まれる。だから、疲労限度の内側で使う。600 N で踏む腕(厚さ 12 mm・高さ 24 mm)の応力は 88.5 MPa で、疲労限度で見た安全率は 2.26。

クランクは、何回踏まれても割れない?

自転車のペダルは、クランクという腕の先に付いています。ペダルを踏むと、クランクが回り、チェーンが後ろの車輪を回します。

クランクが前に来るたびに、足はペダルを下へ踏みます。クランクは片持ちのはりのように、根元で曲げられます。足が上がる側では、力はほとんどかかりません。ひと回りごとに、同じ向きの曲げが1回かかって、抜けます。

その回数は、思ったより多くなります。1分に60回転で、1日1時間こぐと、1日に 3,600 回。1年で 60 × 60 × 365 = 約 131 万回です。

この単元のクランクは、長さ 170 mm、腕の断面は厚さ 12 mm・高さ 24 mm の長方形とします。材料は、一般構造用の鋼 SS400 で、引張強さは規格の下限の 400 MPa、降伏点は 245 MPa とします(JIS G 3101。厚さ 16 mm 以下の値)。600 N(体重 61 kg ほどの重さ)で踏むとき、根元の応力は 88.5 MPa です。

1回なら、この応力は何でもありません。降伏点 245 MPa の、3分の1 ほどです。では、これを何百万回と繰り返しても、割れないのでしょうか。

予想してから読む引張強さ 400 MPa の鋼。何回繰り返しても割れない応力の上限(疲労限度)は、およそいくら?

公式はこれ

疲労限度は、材料ごとに、何百万回も繰り返す試験で確かめます。試験の値が無いときは、引張強さから、次の目安で見積もります。

σw≈0.5 σB\shrSigW \approx 0.5\,\shrSigB
記号 意味 この単元のクランクで
σw\shrSigW 疲労限度(何回繰り返しても割れない応力の上限)[MPa] 200 MPa
σB\shrSigB 引張強さ(1回でちぎれる応力)[MPa] 400 MPa
σ\shrSigma 踏むたびに、根元にかかる応力 [MPa] 88.5 MPa

σ\shrSigma が σw\shrSigW より小さければ、何回踏んでも割れません。88.5 MPa は 200 MPa の内側なので、このクランクは足ります。

1回では折れないのに、繰り返すと折れる

針金のクリップを、少しだけ曲げて戻します。何ともありません。それを何十回も繰り返すと、やがて曲げた所でぽきりと折れます。

クリップでは、1回ごとに、曲げた所が少し伸びたまま戻らなくなっています。降伏点を越えているので、数十回で折れます。

機械の部品で起きる疲労は、もっと静かです。降伏点より低い応力でも、表面の小さな傷や角から、目に見えない細い割れが生まれます。割れは、1回ごとに、ほんの少しずつ奥へ進みます。残った断面が荷重を支えきれなくなった所で、一気に割れます。

だから、疲労で割れる直前まで、見た目はほとんど変わりません。曲がりもせず、ある日、急に割れます。

ものさしの線を、引き直す

前の 許容応力と安全率 の単元で、応力を「余白のものさし」で見ました。静かな荷重なら、ものさしの強さの線は、降伏点か引張強さでした。

繰り返す荷重では、強さの線を引き直します。何回でも耐えられる線、つまり疲労限度です。

荷重のかかり方 ものさしの強さの線 この鋼で
1回だけ、静かに 降伏点(戻らなくなる) 245 MPa
1回だけ、静かに 引張強さ(ちぎれる) 400 MPa
何百万回も繰り返す 疲労限度(割れが進まない) 200 MPa(目安)

繰り返す荷重では、線が、引張強さの半分まで手前に来ます。前の単元で、繰り返す荷重の安全率の目安が、静かな荷重より大きかったのは、このためです。

何回で割れるかを調べる線図

何回で割れるかは、試験で調べます。同じ材料の試験片に、同じ大きさの応力を繰り返しかけて、割れるまでの回数を数えます。応力を変えて何本も試し、横軸に回数、縦軸に応力をとって並べた図を、S-N 線図といいます(S は応力、N は回数)。

回数は、1,000 回から 1 億回まで大きく変わるので、横軸は 10 倍ごとに同じ幅で刻みます。

鋼の S-N 線図は、応力を下げるほど右下へ下がり、ある回数(およそ 100 万〜1,000 万回)の先で水平になります。水平になった高さが、疲労限度です。その下の応力なら、線は右へどこまで行っても、割れる所に届きません。

この単元の盤では、試験の値が無いときによく使う目安で、線図を描きます。

  • 1,000 回で割れる応力は、引張強さの 0.9倍
  • 100 万回の先は水平で、高さは引張強さの 0.5倍(疲労限度)
  • その間は、両方の軸を 10 倍ごとに刻んだ図の上で、まっすぐ結ぶ

アルミ合金には、鋼のようなはっきりした疲労限度がありません。線は、1,000 万回を越えても、ゆっくり下がり続けます。アルミの部品は、何回まで使うかを決めて、その回数で割れない応力(疲労強さ)で設計します。

降伏点より低くても、割れる

立ちこぎで強く踏むときを考えて、踏む力を2倍の 1,200 N とします。そして、腕の高さが 21 mm の、少し細いクランクを考えます。

σ=F Lb h2/6=1200×17012×212/6=231 MPa\shrSigma = \dfrac{\shrF\,\shrL}{\shrB\,\shrH^2/6} = \dfrac{1200 \times 170}{12 \times 21^2 / 6} = 231\ \mathrm{MPa}

231 MPa は、降伏点 245 MPa より低い応力です。1回なら、クランクは伸びたまま戻らなくなることもありません。

でも、疲労限度 200 MPa を越えています。S-N 線図の目安で読むと、割れるまでの回数は約 18 万回。毎分60回転なら、約 50 時間です。1日1時間の立ちこぎなら、2か月もたちません。

同じ 1,200 N でも、腕の高さが 24 mm のクランクなら、応力は 177 MPa で、疲労限度の内側です(安全率 1.13)。何回踏んでも割れません。

応力の式を、かたまりに分けて読む

σ=F L⏟根元を曲げる効き目×6b h2⏟腕の断面の弱さ\shrSigma = \underbrace{\shrF\,\shrL}_{\text{根元を曲げる効き目}} \times \underbrace{\dfrac{6}{\shrB\,\shrH^2}}_{\text{腕の断面の弱さ}}
  1. 根元を曲げる効き目 FL\shrF\shrL 踏む力と、クランクの長さのかけ算です。長いクランクほど、根元はよく曲げられます。600 N × 170 mm = 102 N·m。
  2. 腕の断面の弱さ 6/(bh2)6/(\shrB\shrH^2) 断面係数 Z=bh2/6\shrZ = \shrB\shrH^2/6 の逆数です。高さ h\shrH は2乗で効くので、腕を少し高くするだけで、応力は大きく下がります(材料力学の 断面係数(形の効率) の単元)。

どの数字がいちばん効く?

立ちこぎのクランク(1,200 N・高さ 21 mm・引張強さ 400 MPa、応力 231 MPa、約 18 万回)から、1つずつ 10% 変えたときの、割れるまでの回数です。

変えるもの 応力 割れるまでの回数
踏む力 F\shrF を10%大きく 254 MPa 約 3分の1(×0.33)
踏む力 F\shrF を10%小さく 208 MPa ×3.4
腕の高さ h\shrH を10%高く 191 MPa 割れない(疲労限度の内側)
引張強さ σB\shrSigB を10%高く 231 MPa(同じ) ×3.1

応力を 10% 変えるだけで、回数は 3倍も変わります。疲労では、応力のわずかな差が、寿命の大きな差になります。

いちばん効くのは、腕の高さです。2乗で応力を下げるうえに、疲労限度の内側に入れば、回数の心配そのものが無くなります。

鉄道の車軸は、車両の重さで曲げられたまま回ります。1回転ごとに、表面の1点は、引っぱられたり押されたりを1回ずつ繰り返します。疲労の試験と同じかかり方です。

つまり、ものを作るときは

何百万回も繰り返す部品は、応力を疲労限度の内側に収めます。回転する軸・クランク・ばね・歯車の歯・車輪の軸が、これにあたります。

疲労の割れは、応力のいちばん高い所から始まります。角の段や穴、表面の傷です。だから、繰り返す部品では、角を丸め、表面をなめらかに仕上げます。角や穴で応力がどれだけ跳ね上がるかは、次の 応力集中 の単元で見ます。

疲労限度は「何回でも割れない」線なので、使う回数を数えなくても設計できます。鋼の部品が長く使えるのは、このおかげです。

動かしてみよう

踏む力 F\shrF・腕の高さ h\shrH・引張強さ σB\shrSigB を変えると、左の図で根元の応力が、右の S-N 線図で割れるまでの回数が動きます。

応力の横線が、疲労限度の線(緑)より下にあれば、線図と交わらず「割れない」と出ます。上に出ると、線図と交わった所の回数が出ます。

「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、前の図と比べられます。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 踏む力 F を2倍の 1,200 N にする(立ちこぎで強く踏む)(まだ)
  2. F = 1,200 N のまま、腕の高さ h を 21 mm に細くする(まだ)
  3. F = 1,200 N・h = 21 mm のまま、引張強さ σB を 600 MPa の鋼に替える(まだ)
N
mm
MPa
クランクの根元が、踏むたびに曲げられる根元の縁F = 600 NL = 170 mm腕の断面 12 × 24 mm、M = 102 N·m踏むたびの応力 σ = 88.5 MPa0200300400[MPa]疲労限度 200引張強さ 400いまの応力 88.5(割れない)降伏点 245
S-N 線図(目安)10³10⁴10⁵10⁶10⁷10⁸0100200300400割れるまでの回数応力 [MPa]疲労限度 200降伏点 245割れない
疲労限度で見た安全率は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

Sw=σwσ\htmlClass{q-material}{S_w} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{\sigma_w}}{\htmlClass{q-stress}{\sigma}}=20088.5= \dfrac{200}{88.5}=2.26(Nf: 割れない)= 2.26\quad(\htmlClass{q-geometry}{N_f}:\ \text{割れない})
根元の曲げモーメント
M=102 N⋅m\htmlClass{q-moment}{M} = 102\ \mathrm{N\cdot m}
踏むたびにかかる応力
σ=88.5 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma} = 88.5\ \mathrm{MPa}
疲労限度(目安:引張強さの 0.5倍)
σw=200 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_w} = 200\ \mathrm{MPa}
疲労限度で見た安全率
Sw=2.26 \htmlClass{q-material}{S_w} = 2.26\
途中の計算(導出)を見る
  1. ペダルを踏む力が、クランクの根元を曲げる(曲げモーメント)

    M=F L=600 N×170 mm=102,000 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M} = \htmlClass{q-force}{F}\,\htmlClass{q-geometry}{L} = 600\ \mathrm{N} \times 170\ \mathrm{mm} = 102{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}
  2. 腕の断面(長方形)の断面係数

    Z=b h26=12×2426=1,152 mm3\htmlClass{q-material}{Z} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^2}{6} = \dfrac{12 \times 24^2}{6} = 1{,}152\ \mathrm{mm^3}
  3. 踏むたびに根元にかかる応力

    σ=MZ=102,0001,152=88.5 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{M}}{\htmlClass{q-material}{Z}} = \dfrac{102{,}000}{1{,}152} = 88.5\ \mathrm{MPa}
  4. 疲労限度の目安(引張強さの半分)

    σw=0.5 σB=0.5×400 MPa=200 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_w} = 0.5\,\htmlClass{q-stress}{\sigma_B} = 0.5 \times 400\ \mathrm{MPa} = 200\ \mathrm{MPa}
  5. 疲労限度と比べる(安全率が 1 以上なら、何回踏んでも割れない)

    Sw=σwσ=20088.5=2.26(Nf: 割れない)\htmlClass{q-material}{S_w} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{\sigma_w}}{\htmlClass{q-stress}{\sigma}} = \dfrac{200}{88.5} = 2.26\quad(\htmlClass{q-geometry}{N_f}:\ \text{割れない})

よくある勘違い

「引張強さより、ずっと低い応力なら大丈夫」

1回だけなら大丈夫です。でも、繰り返すなら、比べる相手は引張強さではなく、疲労限度です。この鋼では、引張強さの半分の 200 MPa を越えると、いつかは割れます。

「疲労は、古くなったから起きる」

疲労で効くのは、年数ではなく、繰り返した回数と応力の大きさです。毎日長く乗る自転車は、たまにしか乗らない自転車より、早く回数がたまります。反対に、疲労限度の内側で使う鋼の部品は、何年使っても疲労では割れません。

「疲労限度」「降伏点」「引張強さ」の取り違え

言葉 越えると何が起きるか 何回で この鋼で
引張強さ ちぎれる 1回 400 MPa
降伏点 伸びたまま戻らない 1回 245 MPa
疲労限度 割れが少しずつ進み、いつか割れる 何十万回〜 200 MPa(目安)

疲労限度は「耐久限度」とも言います。

この式が使える条件

  • 疲労限度 = 引張強さの 0.5倍は、引張強さ 1,400 MPa ほどまでの鋼の目安。鋼の種類や組織で、引張強さの 35〜60% ほどにばらつく。実際の設計では、材料の試験の値を使う
  • 1,000 回で 0.9倍は、引張強さが 490 MPa ほどまでの鋼の目安。それより強い鋼では、もう少し小さく見積もる(盤では、どの引張強さでも 0.9倍で描いている)
  • S-N 線図は、表面がなめらかな、細い丸棒の試験の値をもとにした目安。表面の傷・角・穴があると、割れはもっと早い
  • 試験は、向きが入れかわる曲げ(両振り)。クランクのように同じ向きにだけ曲げる場合は、安全側に見て、踏んだときの最大の応力を、そのまま試験の応力と比べている
  • クランクの根元の曲げだけを考える(ペダルの軸が横にずれていることによるねじりは考えない)
  • 鋼だけ。アルミ合金には、はっきりした疲労限度が無い
S-N 線図の目安の式(くわしく知りたい人へ)

両方の軸を10倍ごとに刻んだ図の上の直線は、log⁡10\log_{10} をとった量どうしの一次式です。1,000 回で 0.9 σB0.9\,\shrSigB、100 万回で 0.5 σB0.5\,\shrSigB を通るので、

log⁡10Nf=3+6−3log⁡10(0.9/0.5) log⁡100.9 σBσ\log_{10} \shrNf = 3 + \dfrac{6 - 3}{\log_{10}(0.9/0.5)} \,\log_{10}\dfrac{0.9\,\shrSigB}{\shrSigma}

log⁡10(0.9/0.5)=0.255\log_{10}(0.9/0.5) = 0.255 なので、傾きは 3/0.255=11.753 / 0.255 = 11.75 です。応力が 10% 上がると、log⁡10Nf\log_{10} \shrNf は 11.75×log⁡101.1=0.48611.75 \times \log_{10} 1.1 = 0.486 下がり、回数は 10−0.486=0.3310^{-0.486} = 0.33 倍になります。

立ちこぎのクランク(231 MPa)なら、

log⁡10Nf=3+11.75×log⁡10360231=5.26⟹Nf=1.8×105 回\log_{10} \shrNf = 3 + 11.75 \times \log_{10}\dfrac{360}{231} = 5.26 \qquad\Longrightarrow\qquad \shrNf = 1.8 \times 10^5\ \text{回}

σ\shrSigma が 0.5 σB0.5\,\shrSigB 以下なら、線は水平になって、どの回数とも交わりません。これが「割れない」です。

例題

例題1 細めのクランク

長さ 170 mm、腕の断面が厚さ 12 mm・高さ 20 mm の長方形のクランクがあります。引張強さ 400 MPa の鋼でできています。ペダルを 900 N で踏みます。

(1) 根元にかかる曲げ応力はいくらですか。(2) 疲労限度を引張強さの半分として、疲労限度で見た安全率を出し、何回踏んでも割れないか答えなさい。

ヒント 1 / 2

根元の曲げモーメントは FLF L、長方形の断面係数は Z=bh2/6Z = b h^2 / 6 です。

ヒント 2 / 2

Z=12×202/6=800Z = 12 \times 20^2 / 6 = 800 mm³ です。

答えと解き方を見る
(1) σ=900×17012×202/6=191 MPa(1)\ \sigma = \dfrac{900 \times 170}{12 \times 20^2 / 6} = 191\ \mathrm{MPa}
(2) σw=200 MPa,Sw=200191=1.05≥1 なので割れない(2)\ \sigma_w = 200\ \mathrm{MPa},\quad S_w = \dfrac{200}{191} = 1.05 \ge 1\ \text{なので割れない}
  1. ペダルを踏む力が、クランクの根元を曲げる(曲げモーメント)

    M=F L=900 N×170 mm=153,000 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M} = \htmlClass{q-force}{F}\,\htmlClass{q-geometry}{L} = 900\ \mathrm{N} \times 170\ \mathrm{mm} = 153{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}
  2. 腕の断面(長方形)の断面係数

    Z=b h26=12×2026=800 mm3\htmlClass{q-material}{Z} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^2}{6} = \dfrac{12 \times 20^2}{6} = 800\ \mathrm{mm^3}
  3. 踏むたびに根元にかかる応力

    σ=MZ=153,000800=191 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{M}}{\htmlClass{q-material}{Z}} = \dfrac{153{,}000}{800} = 191\ \mathrm{MPa}
  4. 疲労限度の目安(引張強さの半分)

    σw=0.5 σB=0.5×400 MPa=200 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_w} = 0.5\,\htmlClass{q-stress}{\sigma_B} = 0.5 \times 400\ \mathrm{MPa} = 200\ \mathrm{MPa}
  5. 疲労限度と比べる(安全率が 1 以上なら、何回踏んでも割れない)

    Sw=σwσ=200191=1.05(Nf: 割れない)\htmlClass{q-material}{S_w} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{\sigma_w}}{\htmlClass{q-stress}{\sigma}} = \dfrac{200}{191} = 1.05\quad(\htmlClass{q-geometry}{N_f}:\ \text{割れない})

安全率は 1 をわずかに上回るだけです。表面の傷や、根元の角の段があると、割れが始まるおそれがあります。根元は角を丸めて仕上げます。

例題2 回る軸の曲げ

モータで回る直径 15 mm の丸軸に、曲げモーメント 60 N·m がかかっています。軸が1回転するたびに、表面の1点は、引っぱられたり押されたりを1回ずつ繰り返します。軸は引張強さ 600 MPa の鋼です。

(1) 1,500 min⁻¹ で1日8時間回すと、1日に何回繰り返しますか。(2) 表面の応力と、疲労限度で見た安全率を出しなさい(疲労限度は引張強さの半分)。

ヒント 1 / 2

丸軸の断面係数は Z=πd3/32Z = \pi d^3 / 32 です。

ヒント 2 / 2

Z=π×153/32=331.3Z = \pi \times 15^3 / 32 = 331.3 mm³ です。

答えと解き方を見る
(1) 1500×60×8=720,000 回(1)\ 1500 \times 60 \times 8 = 720{,}000\ \text{回}
(2) σ=Mπd3/32=60000331.3=181 MPa,Sw=300181=1.66(2)\ \sigma = \dfrac{M}{\pi d^3/32} = \dfrac{60000}{331.3} = 181\ \mathrm{MPa},\quad S_w = \dfrac{300}{181} = 1.66

1日に 72 万回なので、2日足らずで 100 万回を越えます。回る軸は、はじめから疲労限度の内側で設計します。

回る軸の表面は、向きが入れかわる曲げ(両振り)を受けます。疲労の試験と同じかかり方です。

例題3 応力を 10% 下げると

引張強さ 500 MPa の鋼の部品に、300 MPa の応力が繰り返しかかります。この単元の目安の S-N 線図(1,000 回で引張強さの 0.9倍、100 万回で 0.5倍、その間は両対数で直線)を使います。

(1) 割れるまでの回数はおよそ何回ですか。(2) 形を見直して、応力を 10% 下げて 270 MPa にすると、回数は何倍になりますか。

ヒント 1 / 2

線図の傾きは 3/log⁡10(0.9/0.5)=11.753 / \log_{10}(0.9/0.5) = 11.75 です。1,000 回の点から数えます。

ヒント 2 / 2

1,000 回で割れる応力は 0.9×500=4500.9 \times 500 = 450 MPa です。

答えと解き方を見る
(1) log⁡10N=3+11.75log⁡10450300=5.07,N=120,000 回(1)\ \log_{10} N = 3 + 11.75 \log_{10}\dfrac{450}{300} = 5.07,\quad N = 120{,}000\ \text{回}
(2) N=400,000 回,3.45 倍(2)\ N = 400{,}000\ \text{回},\quad 3.45\ \text{倍}

応力を 1 割下げるだけで、回数は約 3.5倍になります。疲労では、応力のわずかな差が、寿命の大きな差になります。

疲労限度(250 MPa)の内側まで下げれば、回数を数える必要そのものが無くなります。