科目
材料力学
章
ねじり
図番
19 / 22
内容
シミュレータ・例題3問
材料力学 19 / 22

直径を2倍にすると、ねじれは16分の1丸軸のねじり

丸い棒をねじると、応力は中心で 0、表面で最大。τ = Tr/J とねじれ角 φ = TL/(GJ)。直径は応力に3乗、ねじれ角に4乗で効く。曲げの σ = My/I との対応。

壁に固定した丸い軸の先のハンドルを手が回す。表面のまっすぐな線が、先へ行くほどらせんに傾く

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. 回す力は、棒をねじっている
  2. 回す効き目は「力 × 距離」
  3. 曲げと同じ4段で進む
  4. 1段目:ずれは、中心からの距離に比例する
  5. 2段目:応力も、距離に比例する
  6. 3段目:輪の力 × 距離を全部足すと、トルクと釣り合う
  7. 4段目:τ = T r / J
  8. 丸棒の J は、曲げの I の2倍
  9. 公式を、かたまりに分けて読む
  10. 実際にやってみる
  11. どの数字がいちばん効く?
  12. 冒頭のドライバーに戻る
  13. 動かしてみよう
  14. よくある勘違い
  15. この単元で使う前提
  16. 例題

この単元のポイント

  1. 丸い棒をねじると、断面の中の薄い輪どうしが、少しずつずれ合います。このずれから生まれるせん断応力は、中心で 0、表面でいちばん大きく、中心からの距離 r\srRod に比例します。
  2. 曲げの σ=M y/I\sigma = \sM\,y/\sI と同じ道すじで、τ=T r/J\tau = \sTq\,\srRod/\sJpolTw が出ます。中立軸が軸の中心に、帯が薄い輪に、I\sI が J\sJpolTw に置きかわるだけです。丸棒の J=πd4/32\sJpolTw = \pi\sdRod^4/32 は、曲げの I\sI のちょうど2倍です。
  3. 直径は、表面の応力に3乗、ねじれ角に4乗で効きます。直径を2倍にすると、応力は 8分の1、ねじれ角は 16分の1 です。

回す力は、棒をねじっている

ドライバーでネジを締めます。ペットボトルのキャップを開けます。雑巾を両手で絞ります。

どれも、物を軸のまわりに回す動きです。

このとき、ドライバーの軸も、雑巾も、ねじられています。手で回す側と、ネジの側とのあいだで、棒がわずかにねじれているのです。

ドライバーでネジを締める手、ペットボトルのキャップを開ける手、雑巾を両手で絞る手。どれも、軸のまわりに回している
図 19-01回すとき、物の中の「棒」の部分は、ねじられています。

ここで1つ、問いを置きます。ドライバーの軸を、2倍の太さに替えます。ねじれにくさは、何倍になるでしょうか。

予想してから読むドライバーの軸を、2倍の太さ(直径2倍)に替えます。同じトルクで回したとき、ねじれにくさは何倍?

答えは、2倍でも4倍でもありません。曲げの単元で使った道具を、そのまま使うと出せます。

回す効き目は「力 × 距離」

シーソーの決まりを思い出します。シーソーを回す効き目は、力 × 支点からの距離でした。

軸のまわりに回す効き目も、同じです。力に、軸から力までの距離(腕の長さ)をかけます。

T=力×腕の長さ\sTq = \text{力} \times \text{腕の長さ}

軸のまわりに回す効き目を、ねじりモーメント、またはトルクと呼びます。記号は T\sTq、単位は N·m です。

ドライバーで確かめます。ネジを締めるのに 0.6 N·m が要るとします(この例で決めた値)。指で柄をつかんで回す力は、上の式を「力 = トルク ÷ 腕の長さ」と読みかえて出します。

力=T腕の長さ=0.6 N⋅m0.01 m=60 N\text{力} = \dfrac{\sTq}{\text{腕の長さ}} = \dfrac{0.6\ \mathrm{N\cdot m}}{0.01\ \mathrm{m}} = 60\ \mathrm{N}

柄の半径が 10 mm なら、60 N です。柄を半径 15 mm の太いものに替えると、0.6 ÷ 0.015 で 40 N に減ります。

細い柄のドライバーと太い柄のドライバーを、同じネジに当てて回す。細い柄では手の力の矢印が長く、太い柄では短い
図 19-03同じトルクなら、柄が太いほど、小さな力で回せます。

ここからは、回された軸の中を見ます。軸の中の応力と、軸のねじれの大きさです。

曲げと同じ4段で進む

曲げの式 σ=M y/I\sigma = \sM\,y/\sI は、4段で出しました(曲げ応力の式)。はりの断面を、中立軸に平行な帯に切って考えました。

  1. 帯の伸び縮みは、中立軸からの距離に比例する
  2. フックの法則で、応力も距離に比例する
  3. 帯の力 × 距離を全部足すと、曲げモーメントと釣り合う。ここで I\sI が出る
  4. 釣り合いの式を解いて、σ=M y/I\sigma = \sM\,y/\sI

ねじりも、この4段をそのままたどります。置きかえるのは、3つだけです。

曲げ ねじり
中立軸(伸び縮みしない線) 軸の中心(ずれない点)
中立軸に平行な帯 中心を囲む薄い輪
伸び縮み ずれ(せん断ひずみ)

1段目:ずれは、中心からの距離に比例する

ゴムの棒の表面に、端から端まで、まっすぐな線を引いておきます。片方の端を固定して、反対の端をねじると、線はらせんに傾きます。

ゴムの棒の表面にまっすぐな線が引いてある。片方の端を固定して反対の端をねじると、線がらせん状に傾く
図 19-02ねじる前はまっすぐだった線が、らせんになります。

ねじった端が、固定した端に対して回った角度を、ねじれ角 φ\sphiTw と呼びます。単位はラジアン(rad)です。1 rad は約 57.3 度です。

棒の長さを L\sLax、中心からの距離を r\srRod とします。

中心から r\srRod の点は、円周の向きに、弧の長さ r φ\srRod\,\sphiTw だけ動きます。この動きを、棒の長さ L\sLax のあいだで少しずつ受け持ちます。

線の傾きは、動いた量 ÷ 長さ です。これがせん断ひずみ γ\gamma(ガンマ)です。

γ=r φL\gamma = \dfrac{\srRod\,\sphiTw}{\sLax}

分子に r\srRod があります。中心から遠い輪ほど、大きくずれます。中心の点は、ずれません。

曲げでは、中立軸から遠い帯ほど、大きく伸び縮みしました。ねじりでは、中心から遠い輪ほど、大きくずれます。

2段目:応力も、距離に比例する

曲げでは、フックの法則 σ=E ε\sigma = \sE\,\varepsilon で、伸び縮みを応力に直しました。

ずれにも、同じ形の法則があります。τ=G γ\tau = \sGshear\,\gamma です。

G\sGshear はせん断弾性係数で、ずれにくさを表す材料の定数です。鋼でおよそ 79 GPa(目安)です。E\sE と同じく、試験で測ってきた値です。

1段目の γ\gamma を入れます。

τ=G γ=G r φL\tau = \sGshear\,\gamma = \sGshear\,\dfrac{\srRod\,\sphiTw}{\sLax}

断面のせん断応力は、中心で 0 です。表面に向かって直線で大きくなり、表面で最大です。向きは、円周に沿った向きです。

断面の中のせん断応力矢印の長さ = 応力の大きさ。中心(黒い点)は 0半径の上での大きさτ表面 τmax中心表面中心からの距離 r に比例して大きくなる

3段目:輪の力 × 距離を全部足すと、トルクと釣り合う

断面を、中心を囲む薄い輪に切ります。中心から r\srRod の輪の面積を ΔA\Delta A とします。

輪には、応力 × 面積 で τ ΔA\tau\,\Delta A の力がかかります。この力が軸を回す効き目は、シーソーと同じ「力 × 距離」です。

輪の効き目=τ ΔA⏟輪の力×r⏟距離\text{輪の効き目} = \underbrace{\tau\,\Delta A}_{\text{輪の力}} \times \underbrace{\srRod}_{\text{距離}}

2段目の τ\tau を入れます。τ\tau の中にも r\srRod があるので、距離が2回かかります。

輪の効き目=G r φL ΔA×r=G φL×ΔA r2\text{輪の効き目} = \sGshear\,\dfrac{\srRod\,\sphiTw}{\sLax}\,\Delta A \times \srRod = \dfrac{\sGshear\,\sphiTw}{\sLax} \times \Delta A\,\srRod^2

距離が 2倍の輪は、力が 2倍で、腕も 2倍です。効き目は、同じ面積なら 4倍になります。曲げの帯と同じ「距離の2乗」です。

すべての輪の効き目を足したものが、外からかけたトルク T\sTq と釣り合います。G φ/L\sGshear\,\sphiTw/\sLax はどの輪でも同じなので、外へ出せます。

T=G φL×∑ΔA r2\sTq = \dfrac{\sGshear\,\sphiTw}{\sLax} \times \sum \Delta A\,\srRod^2

残った「輪の面積 × 距離² を全部足したもの」に、名前を付けます。極断面二次モーメント J\sJpolTw です。

J=∑ΔA r2⟹T=G φL J\sJpolTw = \sum \Delta A\,\srRod^2 \qquad\Longrightarrow\qquad \sTq = \dfrac{\sGshear\,\sphiTw}{\sLax}\,\sJpolTw

曲げの I\sI は「帯の面積 × 中立軸からの距離²」の和でした。J\sJpolTw は「輪の面積 × 中心からの距離²」の和です。

4段目:τ = T r / J

3段目の釣り合いの式を、1段ずつ変形します。

両辺を J\sJpolTw で割ります。

G φL=TJ\dfrac{\sGshear\,\sphiTw}{\sLax} = \dfrac{\sTq}{\sJpolTw}

左辺は、2段目の式 τ=(G φ/L)×r\tau = (\sGshear\,\sphiTw/\sLax) \times \srRod のかっこの中と同じです。かっこを、右辺の T/J\sTq/\sJpolTw に置きかえます。

τ=T rJ\tau = \dfrac{\sTq\,\srRod}{\sJpolTw}

言葉で読むと、「応力 = トルク × 中心からの距離 ÷ 極断面二次モーメント」です。

同じ式の両辺に L/G\sLax/\sGshear をかけると、ねじれ角の式も出ます。

φ=T LG J\sphiTw = \dfrac{\sTq\,\sLax}{\sGshear\,\sJpolTw}

4段を、曲げと並べます。

曲げ(曲げ応力の式) ねじり(この単元)
1段目:ひずみが比例する距離 中立軸からの距離 yy 中心からの距離 r\srRod
2段目:フックの法則 σ=E ε\sigma = \sE\,\varepsilon τ=G γ\tau = \sGshear\,\gamma
3段目:形の量 I=∑ΔA y2\sI = \sum \Delta A\,y^2 J=∑ΔA r2\sJpolTw = \sum \Delta A\,\srRod^2
4段目:応力の式 σ=M y/I\sigma = \sM\,y/\sI τ=T r/J\tau = \sTq\,\srRod/\sJpolTw
縁(表面)の最大応力 σmax⁡=M/Z\sigma_{\max} = \sM/\sZ τmax⁡=T/Zp\stauMaxTw = \sTq/\sZpolTw

どちらも、遠い材料ほど大きく働きます。だから、材料を外へ置くほど効きます。

丸棒の J は、曲げの I の2倍

丸棒の J\sJpolTw は、断面二次モーメント の結果から出せます。

断面の中の1点を考えます。中心からの距離 r\srRod は、横の距離 xx と縦の距離 yy で、三平方の定理から次のように書けます。

r2=x2+y2\srRod^2 = x^2 + y^2

これを J\sJpolTw の和に入れて、2つの和に分けます。

J=∑ΔA (x2+y2)=∑ΔA y2⏟横の軸まわりの I+∑ΔA x2⏟縦の軸まわりの I\sJpolTw = \sum \Delta A\,(x^2 + y^2) = \underbrace{\sum \Delta A\,y^2}_{\text{横の軸まわりの } I} + \underbrace{\sum \Delta A\,x^2}_{\text{縦の軸まわりの } I}

丸棒は、どの向きの軸まわりでも I=πd4/64\sI = \pi\sdRod^4/64 です。足すと2倍になります。

J=2×πd464=πd432\sJpolTw = 2 \times \dfrac{\pi\sdRod^4}{64} = \dfrac{\pi\sdRod^4}{32}

32 は、曲げの 64 を2で割った数です。

直径は4乗で効きます。直径を増やすと、材料が増えるうえに、増えた材料が中心から遠くにあって、距離の2乗で効くからです。

表面の応力は、r=d/2\srRod = \sdRod/2 を入れたものです。J\sJpolTw を表面までの距離 d/2\sdRod/2 で割った量を、極断面係数 Zp\sZpolTw と呼びます。曲げの断面係数 Z=I/ymax⁡\sZ = \sI/y_{\max} に当たります。

τmax⁡=T (d/2)J=TZp,Zp=πd4/32d/2=πd316\stauMaxTw = \dfrac{\sTq\,(\sdRod/2)}{\sJpolTw} = \dfrac{\sTq}{\sZpolTw},\qquad \sZpolTw = \dfrac{\pi\sdRod^4/32}{\sdRod/2} = \dfrac{\pi\sdRod^3}{16}

公式を、かたまりに分けて読む

ねじれ角の式を、3つのかたまりに分けます。

φ=T⏟ねじる力(1乗)×L⏟長さ(1乗)×1G J⏟ねじれにくさの逆数\sphiTw = \underbrace{\sTq}_{\text{ねじる力(1乗)}} \times \underbrace{\sLax}_{\text{長さ(1乗)}} \times \underbrace{\dfrac{1}{\sGshear\,\sJpolTw}}_{\text{ねじれにくさの逆数}}
  1. トルク T\sTq(1乗) トルクを2倍にすると、ねじれ角も2倍です。ばねを2倍の力で引くと、伸びも2倍になるのと同じです。
  2. 長さ L\sLax(1乗) 軸が2倍長いと、ねじれが2倍に積み重なります。同じ軸を2本つないで回すのと同じです。
  3. ねじれにくさ G J\sGshear\,\sJpolTw 材料の定数 G\sGshear と、形の量 J\sJpolTw の積です。太さは4乗で効きます。

表面の応力 τmax⁡=16 T/(πd3)\stauMaxTw = 16\,\sTq/(\pi\sdRod^3) には、L\sLax も G\sGshear も出てきません。トルクと直径だけで決まります。

実際にやってみる

車のホイールナットを締めるくらいのトルクで、鋼の丸棒がどれだけねじれ、応力がどこまで上がるかを出します。

棒は、直径 20 mm、長さ 500 mm、G\sGshear = 79 GPa です。トルクは 100 N·m です。計算は N と mm にそろえるので、T\sTq = 100,000 N·mm、G\sGshear = 79,000 N/mm² と書きます。

まず、形の量を2つ出します。

J=πd432=π×20432=15,708 mm4,Zp=πd316=π×20316=1,571 mm3\sJpolTw = \dfrac{\pi\sdRod^4}{32} = \dfrac{\pi \times 20^4}{32} = 15{,}708\ \mathrm{mm^4},\qquad \sZpolTw = \dfrac{\pi\sdRod^3}{16} = \dfrac{\pi \times 20^3}{16} = 1{,}571\ \mathrm{mm^3}

表面の応力です。

τmax⁡=TZp=100,0001,571=63.7 MPa\stauMaxTw = \dfrac{\sTq}{\sZpolTw} = \dfrac{100{,}000}{1{,}571} = 63.7\ \mathrm{MPa}

ねじれ角です。

φ=T LG J=100,000×50079,000×15,708=0.0403 rad\sphiTw = \dfrac{\sTq\,\sLax}{\sGshear\,\sJpolTw} = \dfrac{100{,}000 \times 500}{79{,}000 \times 15{,}708} = 0.0403\ \mathrm{rad}

0.0403 rad は 2.31 度です。

63.7 MPa は、鋼が降伏し始めるせん断応力の目安(約 135 MPa)の半分ほどです。

中心から 5 mm(半径の半分)の輪の応力は、63.7 MPa の半分です。応力は距離に比例するからです。

2.31 度は小さなねじれに見えます。それでも、半径 10 mm の表面の点は、弧の長さ r φ\srRod\,\sphiTw で約 0.4 mm 動いています。

車のホイールナットを、長い柄のレンチで締める。手は柄の端を押し、レンチの腕の長さが大きい
図 19-04長い柄のレンチは、小さな力で大きなトルクを出します。

ホイールナットは、100 N·m 前後で締める車が多いです(国産の乗用車では 85・103・108 N·m などで、車種ごとに決まっています)。

柄の長さが 0.5 m のレンチなら、柄の端を押す力は 100 ÷ 0.5 で 200 N です(およそ 20 kg の物を支える力)。柄が 0.25 m なら、400 N が要ります。

どの数字がいちばん効く?

寸法や材料を 10% だけ変えたとき、応力 τmax⁡\stauMaxTw とねじれ角 φ\sphiTw が何% 変わるかを並べます。

変えるもの 表面の応力 τmax⁡\stauMaxTw ねじれ角 φ\sphiTw 理由
トルク T\sTq を10%大きく +10% +10% どちらも1乗
長さ L\sLax を10%長く 変わらない +10% 応力に長さは出てこない
G\sGshear を10%大きく(硬い材料) 変わらない −9% ねじれ角だけ 1/G1/\sGshear
直径 d\sdRod を10%太く −25% −32% 応力は3乗、ねじれ角は4乗
直径 d\sdRod を10%細く +37% +52% 同じ理由(逆向き)

直径が、いちばん効きます。

冒頭のドライバーに戻る

冒頭の問いは、「ドライバーの軸を2倍の太さにすると、ねじれにくさは何倍か」でした。

ねじれ角は J\sJpolTw に反比例し、J\sJpolTw は直径の4乗です。

太い軸のねじれ角細い軸のねじれ角=(12)4=116\dfrac{\text{太い軸のねじれ角}}{\text{細い軸のねじれ角}} = \left(\dfrac{1}{2}\right)^4 = \dfrac{1}{16}

ねじれ角は 16分の1 です。ねじれにくさは 16倍になります。

表面の応力は、直径の3乗に反比例するので、8分の1 です。

数でも確かめます。軸の直径を 5 mm とします(この例で決めた値)。ネジを締める 0.6 N·m(600 N·mm)で、表面の応力は次のとおりです。

τmax⁡=16 Tπd3=16×600π×53≒24 MPa\stauMaxTw = \dfrac{16\,\sTq}{\pi\sdRod^3} = \dfrac{16 \times 600}{\pi \times 5^3} \fallingdotseq 24\ \mathrm{MPa}

降伏の目安の 5分の1 ほどです。直径を 10 mm にすると、その 8分の1 で、約 3.1 MPa です。

同じ長さ・同じトルクで、細い軸と、直径が2倍の太い軸をねじる。細い軸は大きくねじれ、太い軸はほとんどねじれない
図 19-05直径が2倍になると、ねじれは16分の1になります。

動かしてみよう

トルク、直径、長さ、材料を動かして、表面の応力とねじれ角がどう変わるかを見てください。

直径を2倍にしたとき、応力とねじれ角は、本当に 8分の1、16分の1 になるでしょうか。材料を鋼からアルミニウムに替えると、どちらの数字が変わるでしょうか。

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. 中心からの距離 r を、表面の 10 mm にして、5 mm のときの応力と比べる(まだ)
  2. r を 5 mm に戻し、トルク T を2倍の 200 N·m にする(まだ)
  3. T を 100 N·m に戻し、直径 d を2倍の 40 mm にする(まだ)
N·m
mm
mm
Gせん断弾性係数
mm
ねじる前の直線(破線)が、らせんになるTdL棒の太さは直径に比例(長さは略図で、縮尺どおりではありません)φ自由端の断面(表面ほど濃い)単元丸軸のねじり尺度ねじれ ×12材料G = 79 GPa表面の小さな四角が、ひし形になるγγ = 表面の直線の傾き(強調して描いています)せん断応力 τ の分布中心 0表面τmax63.7 MPa距離 r で 31.8 MPa中心からの距離 r(距離に比例して大きくなる)
ねじれ角(度)は、初期値の ×1
ねじれの描き方いまの倍率 ×12

ねじれは実際には小さいので、見やすいように拡大して描いています。倍率は、初期値のときの ×12 のまま変えないので、数字を変えると、ねじれの大きさが、そのまま図に出ます。

いまの式(数字を入れた形)

φ=T LG J\htmlClass{q-displacement}{\varphi} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}\,\htmlClass{q-geometry}{L}}{\htmlClass{q-material}{G}\,\htmlClass{q-material}{J}}=100,000 N⋅mm×500 mm79,000 N/mm2×15,708 mm4= \dfrac{100{,}000\ \mathrm{N\cdot mm} \times 500\ \mathrm{mm}}{79{,}000\ \mathrm{N/mm^2} \times 15{,}708\ \mathrm{mm^4}}=0.04029 rad= 0.04029\ \mathrm{rad}
極断面二次モーメント
J=15,708 mm4\htmlClass{q-material}{J} = 15{,}708\ \mathrm{mm^4}
極断面係数
Zp=1,571 mm3\htmlClass{q-material}{Z_p} = 1{,}571\ \mathrm{mm^3}
表面のせん断応力(最大)
τmax⁡=63.66 MPa\htmlClass{q-stress}{\tau_{\max}} = 63.66\ \mathrm{MPa}
距離 r の位置のせん断応力
τr=31.83 MPa\htmlClass{q-stress}{\tau_r} = 31.83\ \mathrm{MPa}
ねじれ角
φ=0.04029 rad\htmlClass{q-displacement}{\varphi} = 0.04029\ \mathrm{rad}
ねじれ角(度)
φ=2.309∘\htmlClass{q-displacement}{\varphi} = 2.309^{\circ}
表面のせん断ひずみ(線の傾き)
γmax⁡=8.058×10−4 rad\htmlClass{q-displacement}{\gamma_{\max}} = 8.058\times 10^{-4}\ \mathrm{rad}
途中の計算(導出)を見る
  1. 極断面二次モーメント(薄い輪の「面積 × 距離の2乗」を、中心から表面まで足したもの)

    J=π d432=π×20432=15,708 mm4\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{d}^4}{32} = \dfrac{\pi \times 20^4}{32} = 15{,}708\ \mathrm{mm^4}
  2. 極断面係数(J を、中心から表面までの距離 d/2 で割る)

    Zp=Jd/2=π d316=π×20316=1,571 mm3\htmlClass{q-material}{Z_p} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{J}}{\htmlClass{q-geometry}{d}/2} = \dfrac{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{d}^3}{16} = \dfrac{\pi \times 20^3}{16} = 1{,}571\ \mathrm{mm^3}
  3. 表面のせん断応力(いちばん大きい)

    τmax⁡=TZp=100,000 N⋅mm1,571 mm3=63.66 MPa\htmlClass{q-stress}{\tau_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}}{\htmlClass{q-material}{Z_p}} = \dfrac{100{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}}{1{,}571\ \mathrm{mm^3}} = 63.66\ \mathrm{MPa}
  4. 中心から r だけ離れた位置のせん断応力(距離に比例)

    τr=T rJ=100,000 N⋅mm×5 mm15,708 mm4=31.83 MPa\htmlClass{q-stress}{\tau_r} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}\,\htmlClass{q-geometry}{r}}{\htmlClass{q-material}{J}} = \dfrac{100{,}000\ \mathrm{N\cdot mm} \times 5\ \mathrm{mm}}{15{,}708\ \mathrm{mm^4}} = 31.83\ \mathrm{MPa}
  5. ねじれ角(ラジアン)

    φ=T LG J=100,000 N⋅mm×500 mm79,000 N/mm2×15,708 mm4=0.04029 rad\htmlClass{q-displacement}{\varphi} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}\,\htmlClass{q-geometry}{L}}{\htmlClass{q-material}{G}\,\htmlClass{q-material}{J}} = \dfrac{100{,}000\ \mathrm{N\cdot mm} \times 500\ \mathrm{mm}}{79{,}000\ \mathrm{N/mm^2} \times 15{,}708\ \mathrm{mm^4}} = 0.04029\ \mathrm{rad}
  6. ねじれ角を度にする(1 rad = 180/π 度)

    φ=φ×180π=0.04029×180π=2.309 ∘\htmlClass{q-displacement}{\varphi} = \htmlClass{q-displacement}{\varphi} \times \dfrac{180}{\pi} = 0.04029 \times \dfrac{180}{\pi} = 2.309\ ^{\circ}
  7. 表面に引いた直線の傾き(表面のせん断ひずみ)

    γmax⁡=(d/2) φL=(20/2)×0.04029500=8.058×10−4 rad\htmlClass{q-displacement}{\gamma_{\max}} = \dfrac{(\htmlClass{q-geometry}{d}/2)\,\htmlClass{q-displacement}{\varphi}}{\htmlClass{q-geometry}{L}} = \dfrac{(20/2) \times 0.04029}{500} = 8.058\times 10^{-4}\ \mathrm{rad}

つまり、ものを作るときは

軸の直径は、応力(壊れないか)と、ねじれ角(回したい角度から、どれだけずれてよいか)の、両方から決めます。長い軸は、ねじれ角が先に限界へ届くことが多くなります。そのときは、4乗で効く直径を太くするのが、いちばん確実です。

同じ寸法・同じトルクなら、材料を替えても応力は同じです。鋼をアルミニウムに替えて変わるのは、ねじれやすさだけです。

中実の丸軸は、中心の材料がほとんど働いていません。応力も腕も小さいからです。軽くしたいときは、中心を抜いた中空軸にします。くわしくは 中空軸と伝達動力 で扱います。モーターから伝える動力と、軸のトルクの関係も、その単元で出てきます。

よくある勘違い

「トルクと力は、同じもの」

力は N、トルクは N·m で、単位が違います。トルクは、力に腕の長さをかけたものです。同じ力でも、腕が長いほど、大きなトルクになります。

「ねじると、中心がいちばん苦しい」

逆です。中心の応力は 0 で、表面でいちばん大きくなります。ねじりで棒が壊れるときも、表面から始まります。

「強いこと」と「ねじれにくいこと」は、同じ

応力(強さの側) ねじれ角(硬さの側)
式 τmax⁡=T/Zp\stauMaxTw = \sTq/\sZpolTw φ=T L/(G J)\sphiTw = \sTq\,\sLax/(\sGshear\,\sJpolTw)
直径の効き方 3乗 4乗
材料の G\sGshear の影響 なし 反比例
長さ L\sLax の影響 なし 比例

壊れにくいかは応力で、ねじれにくいかはねじれ角で決まります。別の量です。

「角棒にも使える」

この式が使えるのは、丸い断面だけです。四角い断面をねじると、断面は平らなままでなく、反ります。πd4/32\pi\sdRod^4/32 のような式は、そのままでは使えません。

この単元で使う前提

  • 断面は円形で、全体が同じ材料・同じ太さ(中実の丸軸)
  • ねじっても、断面は平らなまま、半径は直線のまま回る
  • 応力が、比例の範囲(フックの法則が成り立つ範囲)にある
  • 棒の端の取り付け部から離れた、ふつうの部分を考える
  • 長さは mm でそろえる(T\sTq を N·mm、G\sGshear を N/mm² で入れると、応力は MPa で出る)
式の導き方(積分で書く)

本文の「全部足す」は、輪を限りなく薄くすると積分になります。

ひずみ:半径 r\srRod の点は、端が φ\sphiTw 回ると、円周の向きに r φ\srRod\,\sphiTw 動きます。長さ L\sLax のあいだで受け持つので、γ=r φ/L\gamma = \srRod\,\sphiTw/\sLax(傾きが小さいとき、角度とその正接は同じです)。

応力:せん断のフックの法則で、τ=G γ=G r φ/L\tau = \sGshear\,\gamma = \sGshear\,\srRod\,\sphiTw/\sLax。

トルクとの釣り合い:半径 r\srRod、厚さ drd\srRod の輪の面積を dAdA とすると、

T=∫r τ dA=G φL∫r2 dA=G φL J\sTq = \int \srRod\,\tau\,dA = \dfrac{\sGshear\,\sphiTw}{\sLax}\int \srRod^2\,dA = \dfrac{\sGshear\,\sphiTw}{\sLax}\,\sJpolTw

ここから、φ=T L/(G J)\sphiTw = \sTq\,\sLax/(\sGshear\,\sJpolTw) と、τ=T r/J\tau = \sTq\,\srRod/\sJpolTw が出ます。

丸棒の J を、直接積分で:輪の面積 dA=2πr drdA = 2\pi\srRod\,d\srRod を使って、

J=∫0d/2r2⋅2πr dr=2π⋅(d/2)44=πd432\sJpolTw = \int_0^{\sdRod/2} \srRod^2 \cdot 2\pi\srRod\,d\srRod = 2\pi\cdot\dfrac{(\sdRod/2)^4}{4} = \dfrac{\pi\sdRod^4}{32}

本文の「I\sI の2倍」と同じ答えです。

極断面係数:Zp=J/(d/2)=πd3/16\sZpolTw = \sJpolTw/(\sdRod/2) = \pi\sdRod^3/16。

G とヤング率の関係:どの向きにも同じ性質の材料では、縦弾性係数 E\sE とポアソン比 ν\nu から、G=E/(2(1+ν))\sGshear = \sE/(2(1+\nu)) です。鋼(E\sE = 206 GPa、ν\nu = 0.3)なら 79.2 GPa で、目安の 79 GPa と合います。アルミニウムは 26 GPa、銅は 45 GPa が目安です。

例題

例題1 送りねじの駆動軸

鋼の丸棒(直径 16 mm、長さ 400 mm、せん断弾性係数 79 GPa)で作った駆動軸に、80 N·m のトルクがかかります。

(1) 表面のせん断応力 τmax。(2) ねじれ角 φ(ラジアンと度)。(3) 中心から 4 mm の位置のせん断応力。

ヒント 1 / 2

表面の応力は τmax⁡=T/Zp\tau_{\max} = T/Z_p(Zp=πd3/16Z_p = \pi d^3/16)、ねじれ角は φ=TL/(GJ)\varphi = TL/(GJ)(J=πd4/32J = \pi d^4/32)で出します。

ヒント 2 / 2

N と mm にそろえて、T=80,000T = 80{,}000 N·mm、G=79,000G = 79{,}000 N/mm² です。

答えと解き方を見る
(1) τmax⁡=99.47 MPa(1)\ \tau_{\max} = 99.47\ \mathrm{MPa}
(2) φ=0.06296 rad=3.607∘(2)\ \varphi = 0.06296\ \mathrm{rad} = 3.607^{\circ}
(3) τr=49.74 MPa(3)\ \tau_r = 49.74\ \mathrm{MPa}
  1. 極断面二次モーメント(薄い輪の「面積 × 距離の2乗」を、中心から表面まで足したもの)

    J=π d432=π×16432=6,434 mm4\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{d}^4}{32} = \dfrac{\pi \times 16^4}{32} = 6{,}434\ \mathrm{mm^4}
  2. 極断面係数(J を、中心から表面までの距離 d/2 で割る)

    Zp=Jd/2=π d316=π×16316=804.2 mm3\htmlClass{q-material}{Z_p} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{J}}{\htmlClass{q-geometry}{d}/2} = \dfrac{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{d}^3}{16} = \dfrac{\pi \times 16^3}{16} = 804.2\ \mathrm{mm^3}
  3. 表面のせん断応力(いちばん大きい)

    τmax⁡=TZp=80,000 N⋅mm804.2 mm3=99.47 MPa\htmlClass{q-stress}{\tau_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}}{\htmlClass{q-material}{Z_p}} = \dfrac{80{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}}{804.2\ \mathrm{mm^3}} = 99.47\ \mathrm{MPa}
  4. 中心から r だけ離れた位置のせん断応力(距離に比例)

    τr=T rJ=80,000 N⋅mm×4 mm6,434 mm4=49.74 MPa\htmlClass{q-stress}{\tau_r} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}\,\htmlClass{q-geometry}{r}}{\htmlClass{q-material}{J}} = \dfrac{80{,}000\ \mathrm{N\cdot mm} \times 4\ \mathrm{mm}}{6{,}434\ \mathrm{mm^4}} = 49.74\ \mathrm{MPa}
  5. ねじれ角(ラジアン)

    φ=T LG J=80,000 N⋅mm×400 mm79,000 N/mm2×6,434 mm4=0.06296 rad\htmlClass{q-displacement}{\varphi} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}\,\htmlClass{q-geometry}{L}}{\htmlClass{q-material}{G}\,\htmlClass{q-material}{J}} = \dfrac{80{,}000\ \mathrm{N\cdot mm} \times 400\ \mathrm{mm}}{79{,}000\ \mathrm{N/mm^2} \times 6{,}434\ \mathrm{mm^4}} = 0.06296\ \mathrm{rad}

4 mm は半径 8 mm のちょうど半分なので、応力も表面の半分です。

表面の応力 99.47 MPa は、鋼の降伏のせん断応力の目安(約 135 MPa)より低く、式が使える範囲です。

例題2 駆動軸の直径を決める

鋼(せん断弾性係数 79 GPa)の駆動軸を設計します。トルクは 150 N·m、長さは 600 mm です。

許されるせん断応力は 40 MPa、許されるねじれ角は 1 度とします(どちらもこの問題で決めた値です)。

(1) 応力から決まる直径。(2) ねじれ角から決まる直径。(3) 直径を 30 mm にしたときの τmax と φ。

ヒント 1 / 2

応力の式 τ=16T/(πd3)\tau = 16T/(\pi d^3) と、ねじれ角の式 φ=32TL/(Gπd4)\varphi = 32TL/(G\pi d^4) を、それぞれ dd について解きます。太いほうの直径を選びます。

ヒント 2 / 2

1 度は π/180\pi/180 rad です。T=150,000T = 150{,}000 N·mm として入れます。

答えと解き方を見る
(1) dσ=16 Tπ τa3=26.73 mm(1)\ d_\sigma = \sqrt[3]{\dfrac{16\,T}{\pi\,\tau_a}} = 26.73\ \mathrm{mm}
(2) dφ=32 T Lπ G φa4=28.56 mm(2)\ d_\varphi = \sqrt[4]{\dfrac{32\,T\,L}{\pi\,G\,\varphi_a}} = 28.56\ \mathrm{mm}
(3) τmax⁡=28.3 MPa (70.7%), φ=0.821∘(3)\ \tau_{\max} = 28.3\ \mathrm{MPa}\ (70.7\%),\ \varphi = 0.821^{\circ}

大きいほうの直径 28.6 mm 以上にすれば、両方を満たします。ふつうは規格の太さに切り上げて 30 mm にします。

この軸は、応力より先に、ねじれ角が限界に届きます。応力は直径の3乗、ねじれ角は4乗で効くので、軸が長いほど、ねじれ角の条件が厳しくなります。

例題3 鋼の軸をアルミニウムに替える

直径 25 mm、長さ 300 mm の鋼の軸に、100 N·m のトルクがかかっています。この軸を、同じ寸法のアルミニウム(せん断弾性係数 26 GPa)に替えます。

(1) 鋼の軸のねじれ角。(2) アルミニウムの軸のねじれ角。(3) ねじれ角は何倍になりますか。(4) 表面の応力は何倍になりますか。

ヒント 1 / 2

ねじれ角は φ=TL/(GJ)\varphi = TL/(GJ) で、GG に反比例します。表面の応力 T/ZpT/Z_p には、GG が入っていません。

ヒント 2 / 2

J=π×254/32J = \pi \times 25^4/32 を先に出しておくと、2つの材料で使い回せます。

答えと解き方を見る
(1) 0.5674∘(1)\ 0.5674^{\circ}
(2) 1.724∘(2)\ 1.724^{\circ}
(3) 3.038 倍(3)\ 3.038\ \text{倍}
(4) 1 倍 (32.59 MPa)(4)\ 1\ \text{倍}\ (32.59\ \mathrm{MPa})

ねじれ角は G に反比例するので、79 ÷ 26 = 3.04 倍です。

表面の応力は τmax = T/Zp で、G が入っていません。材料を替えても、同じ寸法・同じトルクなら応力は同じです。変わるのは、ねじれやすさ(硬さ)だけです。