駆動軸の強度

Question

No．39095キーの強度の続きです。諸事情によりモータの容量を
（おそらく11kWに）上げることになりそうです。
軸径も太くしたいところですが、改造が大掛かりになる為、φ70のままで行きたいと思います。材質変更（現状SS400-DをS45C-Dに変更）で対応したいと考えています。静荷重なら持ちそうですが、繰り返し荷重なら少し足りなそうです。何か良い方法があるでしょうか。
ちなみにモータの減速比1/87,出力トルク4960Nmです。
また、キーもどうすべきか悩ましいところです。

仮にS45Cに高周波焼入れの場合、施工順序は
機械加工→高周波焼入れの順序でよろしいのですか。

Accepted Answer

回答（３）です。

計算の手法や許容応力の設定は、色々な障害が貴殿にはありクリアは大変そうですが、
問い合わせ内容に関しては、回答（３）に記述した内容を利用し確認することはできる
と考えます。

具体的には、
? 駆動軸の強度は、大きさ（面積や体積）の変更ができないのであれば、より大きい剛性
　 を持つ材料を選択するです。
　 SS400は引張強さ400N/mm^2 ⇒ ねじり強さ（応力）はその1/√3＝0.577倍（約60％）。
　 S45Cなま材は引張強さ500N/mm^2程度 ⇒ ねじり強さはその1/√3＝0.577倍（約60％）。
　 S45Cなま材は、熱処理されていないなまの材料です。
　 S45C調質材は引張強さ580N/mm^2程度 ⇒ ねじり強さはその1/√3＝0.577倍（約60％）。
　 S45C調質材は、前もって熱処理されている材料です。ハイスや超鋼工具でも加工可能
　 S45Cの焼き入れ焼き戻しは引張強さ690N/mm^2程度 ⇒ ねじり強さは1/√3＝0.577倍。
　 S45C焼き入れ焼き戻しは、後から熱処理屋さんに依頼。熱処理後、超鋼でも加工可能。
　 S**C材は、焼き入れの径に限界があります。因みにS45Cはφ37mm。
　 ですから、量産分野以外は、SCM材を使用することが一般的です。
　 S45Cを高周波焼き入れしますと、表面がもっと硬度（強度）が上がり、パイプ効果で
　 強度が上がります。
? キーの強度は、材料をS55C等に変更して、せん断強度を上げることができます。
　 引張強さ ⇒ キーのせん断強さは1/√2＝0.7072倍（約70％）。
　 また、キーの長さを長くしますと、面積が大きくなり、結果的にせん断応力等を
　 下げることになります。
　 それと、手法を変えてキーでない締結ブッシュを用いる。

等々を体系的に確認したり、考えたりして下さいと思っています。
大切な内容です。

後は、前回のモーターパワー（トルク）と今回のモーターパワー（トルク）の比率と、

材料強度アップの比率が合うか、上なら大丈夫である検討（計算）も成り立ちます。

訂正です。
http://www.nams.kyushu-u.ac.jp/~yasuzawa/strength/alwbl-str.htm
に、（許容応力）＝（破損応力）／（安全率）と記述していて、一般的には、
（破損応力）＝ 引張強さとなりますが、小生が教えてもらった大先輩は、
（破損応力）＝ 降伏点若しくは耐力で計算しなさい。
塑性変形しては、その機能を果たさないし、鉄鋼の許容応力資料もそれに近い数値だから。
と、教授されました。（解り易いので便宜上、引張強さと書いてしまいました）

それと、ねじり強さは、
＊ せん断強さ ＝ 引張強さ（本来は降伏点又は耐力）×（1/√2）の計算で、約70％
＊ ねじり強さ ＝ せん断強さ×（1/√3）の計算で、約60％、これは、
ねじり強さ ＝ 引張強さ(本来は降伏点又は耐力)×(1/√2)×(1/√3)の計算で、約40％
が、小生が本来使用している物です。

さて、
≻ 仮にS45Cに高周波焼入れの場合、施工順序は
≻ 機械加工→高周波焼入れの順序でよろしいのですか。
に関してですが、Goodです。
詳細は、
仕上げ前の機械加工 → 高周波焼入れ → 仕上げ機械加工　となります。
焼き入れしますと、若干径が大きくなりますし、表面が黒く酸化します。
ですから、酸化膜を除去し、h７公差などの寸法を出すためには仕上げ加工が必要です。
多分、仕上げ加工は超鋼チップのバイト加工か、研磨（研削）加工となります。
また、仕上げ代は、加工屋さんが判断して加工をし、熱処理業者等に出して、その後で
仕上げ加工して納品してくれます。

前回投稿？の『キー』に関しても、アドバイスをしておきました。
確認してから、評価し閉じては如何でしょうか？
『キー』に関して対策したら、軸は如何なのかとなったのでしょうか？
S45Cもよいのですが、SCM435も高周波焼き入れも可能ですし、なま材や調質材、
焼入れ/焼き戻しもS45Cの如くできます。そして、機械的性質が若干よいです。
材質は、SCM435をお勧めします。

そして、キーの部分があるなら、調質材を使用してキー溝は高周波焼き入れしないか、
キーの部分も高周波焼き入れしてキーを調整しセットするかの考慮も必要です。
キー溝の縦壁がトルクを受けて、圧縮応力が掛かりへたる恐れがあるので、強度アップ
する必要があります。
これらは、加工と組立現場の方と相談して、実施仕様を決めてください。
現場によって、多少やり方が異なるので。

それと、投稿名が『キー』の投稿名とことなっています。？？？？。
この投稿も、早目に評価して、閉じた方がよいでしょう。

Answer

> 先生方の詳しいご回答は大変参考になりました。有難うございました。
> 今後おおいに役に立つと思います。
から、閉じられるのであれば、この質問も閉じましょう。

Answer

追記内容と、No．39095キーの強度の記述をしています。

投稿者名が、No．39095キーの強度と異なることが気になりますが、
No．39095キーの強度に関しては、できるだけ速やかに評価し閉じましょう。

そして、この投稿内容も早目に評価して閉じましょう。

貴殿の“お礼”の内容では、どこまで理解できているかが？？です。

従って、この投稿も早目に評価し閉じて、もっと具体的な内容の投稿をして、

会話形式の投稿形式にした方がよいと思います。

投稿名は、変更しないでですが。

Answer

>静荷重なら持ちそうですが、繰り返し荷重なら少し足りなそうです。
かかる荷重の種類はなんですか？静荷重、動荷重、交番荷重などかかる荷重の種類により必要な安全率が違います。また万が一破損したときの損害の大きさは？人命にかかわる時は安全率を大きくとる必要があります。破損しても被害が少なく、すぐに交換すればOKな場合は安全率はすくなすて済むと思います。

＞ちなみにモータの減速比1/87,出力トルク4960Nmです。
必要なトルクは4960N・mですか？もう少し少なくできませんか？
モーターを先に選定して出力トルクを決めていませんか？
もし必要トルクがもう少し少なくてもOKでしたら、前の先生が回答されてますように、間にトルクリミッタを付けて軸にかかるトルクを少なくしてはどうですか？

設計手順として、
?必要なトルクを求める。
?安全率を決める。
?　??より軸にかかる許容応力を決めて（軸の材質により許容応力は異なります）、必要な軸径を算出する。
といった手順で設計すればどうかと思います。

＞キーもどうすべきか悩ましいところです。
おすすめは、パワーロック（シュパンリング、クランプロック）を勧めます、
キー溝を掘る事により少しですが軸の強度が低下します。
１個で許容トルクが足りなければ、数を増やせばよいと思います。

諸条件より必要な軸系を算出してみます。
P:伝達動力＝１１ｋW　N:回転数＝２０ｒｐｍ　T:トルク＝506.12kg・m

軸の材質はS45C調質材とする　引っ張り強さ＝61.2kgf/mm
　　　　　　　　　　　　　　ねじり強さ　＝引っ張り強さ/√3
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＝61.2/√3＝35.3kgf/mm^2
安全率を５とする。（繰り返し動荷重）
このとき許容ねじり応力τは
　τ＝ねじり強さ/安全率
　　＝35.3/5
　　＝7.06
　　→7kgf/mm＾２

このとき必要な軸軽ｄは
　ｄ＝171×（P/（τ×N））＾（1/3）
　　＝171×（11/（7×20））＾（1/3）
　　＝73.3mm
　　→80mm（切のよい寸法を選択）

スプロケットと軸の締結ですが
パワーロック（クランプロック、シュパンリング）での締結ですと
　椿本チエイン　N213580　PL080×115AD-N
　　　　　　　　伝達トルク＝1470kgf・m　を推奨いたします。

キー締結の場合

S４５C焼入れタイプを使用する。
　　引っ張り強さ　71.4kgf/mm^2
　　せん断強さ＝引っ張り強さ/√2
　　　　　　　＝71.4/√2
　　　　　　　＝50.5kgf/mm^2
　安全率を５とする（繰り返し動荷重）
　キーにかかる最大せん断応力＝せん断強さ/安全率
　　　　　　　　　　　　　　＝50.5/5
　　　　　　　　　　　　　　＝10.1
　　　　　　　　　　　　　　→10kgf/mm^2
　ｄ＝80mmの時キーの断面寸法は22×14
　キーにかかる応力＝トルク×（1000/軸の半径）
　　　　　　　　　＝506×（1000/40）
　　　　　　　　　＝12650kgf
　必要なキーの断面積＝12650/10（ｷｰにかかる最大せん断応力）
　　　　　　　　　　＝1326mm^2
　必要なキーの長さ＝1265/22
　　　　　　　　　＝57.5
　　　　　　　　　→６０以上　（ただし可能ならば安全のため長くとることが望ましい）
　　　　　　　　　　
軸全体をφ８０mm以上にすることが望ましいが、スプロケット部のみφ８０とし軸受け部をφ７０にするでも可（断付きシャフトにする。　ただし軸受けが両端に配置されてる場合）

貴殿の設計の参考していただければ幸いです。

Answer

No．39095キーの強度にての各回答者のアドバイスが理解できていませんね。

各回答者さんは、
? 熱処理にて硬度を上げて、強度アップする手法をアドバイスしています。
　 熱処理で硬度が上げれる材料は、S45Cも含めてありますが、軸ならSCM435の調質材
　 （丸Ｈ材）を使用するか、それを高周波焼き入れ処理するかが、よりベターです。
　 炭素鋼であれば、ある範囲なら硬度と強度は比例関係にあるので、おおよその強度
　 （引張強さ）は、硬度換算用を観れば判ります。
　 硬度記載の端の方に、引張強度が参考値で書かれています。
　 それでも、強度不足であればSCM415を浸炭処理して熱処理し研磨するか、SKS3程度の
　 材料で熱処理するかです。
　 計算内容は、使用条件に応じて許容強度を把握するか、若しくは安全率を厳正に
　 選択できるかが前提ですがね。
? 後は、キーは同様に、長さを長くして断面積の増大を図るか、熱処理で硬度（強度）を
　 上げるか、キー加工があってもキーレスのブッシュを使用するかの何れかになります。
　 キーレスブッシュは、パワーロックやシュパンリング、等々の用語でも検索できます。
以上の内容が、以前の投稿でもアドバイスや回答として記述されていますよ。

もう少し、体系的な把握をした方が、良いと考えます。

Answer

許容値の倍以上の荷重を想定されているようです。数千回の模擬試験程度は
大丈夫かもしれないけど、疲労を考えれば勧められません。トルクのリミッタ
ーを付けるなど、使用制限をしない限り適用できないと思います。
中途半端な機械の設計は望ましくありません。

駆動軸の強度に関する質問