キーの強度を上げる方法とその効果

> dainariキーが軸円周上でせん断破壊をおこしました。
> 軸径φ70，動力7.5kＷ，回転数20rpm前後です。
から、軸径φ70mmに作用するトルクは、他の回答者さんも示すように、
T＝ Ｐ[kW] ×9550÷Ｎ[rpm]＝7.5kw×9550÷/20rpm＝3581.25 [N・m］になります。
φ70mmの円周上に掛かる力は、3581.25 [N・m］÷（0.07÷2）[m]＝102321[N]
φ70mmのキーは規格上で幅20mm×高さ12mmであり、長さが63mmの選択なので、
キーのせん断応力は、102321[N]÷（20mm×63mm）＝ 81.21[N/mm^2]となります。
SS400のキーの引張強さは 400[N/mm^2]なので、そのせん断応力は1/√2≒70％の
280[N/mm^2]となり、一見 280[N/mm^2] ＞ 81.21[N/mm^2]良しと考えがちです。
しかし、盲点が２点あります。
１点目は、引張強さ基準ではなく降伏点基準で計算します。
ですから、400[N/mm^2]でなく、235[N/mm^2]が基準値になります。
235[N/mm^2]×70％＝165[N/mm^2]となります。
もう１点は、安全率です。
静荷重（荷重が一定で変化しない）でも３です。
動荷重（荷重が変化する）にてそれが一方方向の場合には、繰返し荷重とし５とします。
（荷重の変化だと、例えば 0N～100Nと変化する内容です。）
動荷重（荷重が変化する）にてそれが両方向の場合には、交番荷重とし８とします。
（荷重の変化だと、例えば－100N～(0N)～100Nと変化する内容です。）
その他に、衝撃荷重が掛かる場合には、１２とします。
モータが一方方向だけ回転すれば繰返し荷重の５だし、モータが正転と逆転を繰り返す
なら交番荷重の８です。
軽い方の繰返し荷重の安全率５にて許容せん断応力を計算をしますと、
235[N/mm^2]×70％＝165[N/mm^2]
165[N/mm^2]÷５（安全率）＝33[N/mm^2]となります。すると、
33[N/mm^2] ＜ 81.21[N/mm^2] となり、差も大きいので比較的早くせん断破壊します。
SS400をキーで使用することはあまりありませんが、軟鋼の場合は似たようなもので、
計算内容も同様です。

それなら、他の回答者さんも記述のS45Cの調質材と焼入れ焼戻し材等をキーに使用したら、
　　　　　　　　　　　　　　　引張強さ　　　　　　　　降伏点
＊ S45C調質材　　　　　　　568～705[N/mm^2]　　　　343～421[N/mm^2]
＊ S45C焼入れ焼戻し材　　　686～823[N/mm^2]　　　　490～617[N/mm^2]
＊ S55C調質材　　　　　　　646～793[N/mm^2]　　　　392～470[N/mm^2]
＊ S55C焼入れ焼戻し材 　　 784～940[N/mm^2]　　　　588～735[N/mm^2]
から、
S45C焼入れ焼戻し材と、S55C焼入れ焼戻し材で計算すると、
S45C焼入れ焼戻し材は、490[N/mm^2]×70％÷５（安全率）＝140[N/mm^2]
S55C焼入れ焼戻し材は、588[N/mm^2]×70％÷５（安全率）＝168[N/mm^2]
交番荷重では、
S45C焼入れ焼戻し材は、490[N/mm^2]×70％÷８（安全率）＝87.5[N/mm^2]
S55C焼入れ焼戻し材は、588[N/mm^2]×70％÷８（安全率）＝105[N/mm^2]
と、81.21[N/mm^2]より上となりますが、交番荷重の使用方法ではS55C焼入れ焼戻し材
を使用した方がよいでしょう。（小生はそのようにします）

キーの強度確認は、せん断の他にもあるので、合わせて計算確認をしておきましょう。

訂正です。
T＝ Ｐ[kW] ×9550÷Ｎ[rpm]＝7.5kw×9550÷/20rpm＝3581.25 [N・m］になります。は、
T＝ Ｐ[kW] ×9550÷Ｎ[rpm]＝7.5kw×9550÷20rpm＝3581.25 [N・m］になります。です。

衝撃荷重は、例えば搬送重量4.5ｔ(max)の物を、搬送スピード30m/minで搬送していて、
停止時はモータのブレーキを掛けて急激に停止させるような状況です。
この場合は、もっと焼き入れ硬度が上がる材料を使用することになりますが、現実性に
乏しい状況です。（一般的には、そのようなキーの使用方法をしないが理由です）
ですから、キーの長さを長くするか、キーレスの締結金具を使用するかします。

後、記述内容の検証を少ししておきます。
> モータは7.5kW，1/87，出力トルク3380Nm。
T[N・m］＝ Ｐ[kW] ×9550÷Ｎ[rpm]から、
3380Nm＝7.5kw×9550÷Ｎ[rpm]にて、Ｎ[rpm]＝21.2rpm
21.2rpm÷（1/87）＝1844rpmにて、モータは４Ｐ（ホール）で60Ｈz区域で使用かな？

資料やデータの基になっているURLは、

SS400の機械的性質は、
http://www.kikaikaihatu.com/sekkei/zairyou/tekkou.htm

安全率や許容応力は、
http://kousyoudesignco.dip.jp/ZAIRIKI-ANZEN.html
（表の中などのコメントがミス掲示しているところがありますから、要注意）
http://www.nams.kyushu-u.ac.jp/~yasuzawa/strength/alwbl-str.htm

繰り返し荷重と交番荷重の違いなどは、
http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/design/ch02/ch02_01.html
（他の項目も確認するとよい。最下部をクリックするとジャンプします。）
http://www.crane-club.com/study/dynamics/load.html
（力の掛かる速度による荷重の分類）です

S-C材なま（熱処理していない）材の機械的性質は、（熱処理も記載）
http://www.forming.co.jp/database/pdf/csmsu-2.pdf

S-C材の調質材と焼入れ/焼き戻し材の機械的性質
http://www.kikaikaihatu.com/data/20090316dat.htm

を確認下さい。

そして、そろそろ評価して、閉じましょう。
次の投稿の「駆動軸の強度」を記述していることだし。

お礼

2012/01/15 13:58

この案件、結果的に
モータ　15kW,1/71
駆動軸　φ70のままでS45C生材,
スプロケット　出力側:#100-2B24T　駆動軸側:#100-2C24T,
キー　南海工業「焼key」有効長さ:110?,
になりました。
回答は、大変詳しく記述していただき有難うございました。
おおいに、今後の参考になると思います。

質問者