設計工学

第2章機械の強度と材料
機械の必要条件
★壊れない
★安全である
★正しく機能する
そのためには・・・
★適切な材料を使う
★荷重が加わっても壊れない形状・寸法にする
2.1 材料強度の基礎知識
1.
2.
3.
4.
5.
6.
荷重の形式
材料の引張り強さ
許容応力と安全率
機械の破損と設計
静的荷重を受ける部材の構造
機械の運動とトルク
2.1.1 荷重の形式
どの部材に，どのような形式の荷重が加わるかを
適切に判断することが重要！
教科書p.7-8
2.1.2 材料の引張り強さ
破断するときの強さ
引張り強さ
強度を表す
重要な指標
ただし，炭素鋼の場
合は降伏点（耐力）
が重要！
教科書p.9
★伸びる材料と伸びない材料
アルミ合金や鋳鉄
は，伸びずに破断
引張り強さが重
要！
教科書p.9
2.1.3 許容応力と安全率
設計上，許容できる
最大応力
許容応力
許容応力＝基準の強さ／安全率
重要！
教科書p.23
★ワイヤロープの安全率
安全率は，材料強度のばらつきや荷重の見積もり誤差などの
不確定な要因を考慮
2.1.4 機械の破損と強度
どの部材（部品）が壊れやすいかを判断することが重
要！
(1) 応力集中
部品に溝，穴，段違
いなどがある場合
局部的に高い応力
→応力集中
教科書p.18-21
★応力集中を小さくする形状
急激な形状変化を与えないこと！
(2) 繰り返し荷重
荷重の有無や強弱が
繰り返される場合
小さい荷重でも破損
することがある
材料の強度や性質につ
いての検討が必要
教科書p.11
(3) クリープ
高温・長時間の荷重
永久ひずみの増大
教科書p.13
★高温環境下での引張り強さ
温度上昇による急激な強度低下に注意！
(4) 座屈
細長い棒の圧縮荷重
横方向にたわむ
教科書p.14
★座屈を考えた機械構造
細い棒には，圧縮より引張り荷重がよい！
2.1.5 静的荷重を受ける部材の構造
板材を組み合
わせて台を作る
★強度的に優れた構造
(b)が強度的に優れている。
★強度計算について
•極限状態で使う機械
•最適化
•危険を伴う機械
•軽負荷
•簡単な構造
適切な構造を考えること
が重要？
2.1.6 機械の運動とトルク
機械
「動力によって一定の運動を行い，ある仕事をする複
雑なしかけをもった器具」
(1) 回転運動と往復運動
回転運動
往復運動
一定速度＝扱いやすい
速度変動＝慣性力の増大＝設計困難
(2) 回転運動とトルク(Nm)
回転運動では，荷重の代わりに，トルクを使う。
Tq  F  R
トルク＝力×回転半径
重要！
● おもりを持ち上げる仕事(J)
回転軸が１回転する場合，持ち上げる距離は2πR
W  2R  F
仕事＝力×移動距離
単位は同じ（J=Nm）でもトルク
と仕事は違う！
●出力（仕事率）
回転軸（モータ）の回転数をN(rpm)とすると，
N
N
N
L W 
 2R  F 
 2  Tq 
60
60
60
出力＝仕事／時間
出力＝
２π×トルク×回転数
重要！
●トルクの増減
回転軸Aのトルク＜回転軸Bのトルク
回転軸Bは，回転軸Aよりも高い強度が必要
【雑談】強度設計の失敗例
【雑談】強度設計の失敗例
【雑談】強度設計の失敗例
破損した軸受
破損したシャフト（回転軸）
明らかな強度不足！
見習ってはいけない
【雑談】強度設計の失敗例
2.2 機械材料
1.
2.
3.
4.
金属材料の種類
材料の形状
非金属材料
材料の特徴を活かした設計
2.2.1 金属材料の種類
●鉄鋼（炭素鋼）
•安価
•溶接性に優れる
•熱処理が可能
覚えておきたい材料記号
鉄鋼（S45C)
•SS400：数値は引張り強さ（N/mm2）を表している。
•S45C：数値は炭素の含有量（0.45%）を表している。
•FC200：鋳造品に使用する炭素鋼。数値は引張り強さ。
★SS材とS-C材の違い
SS材は強度を基準とした炭素鋼である。例えば，SS400は引
張り強さが400 N/mm2以上の炭素鋼である。
できる限り安く作りたい場合
S-C材は材料成分を基準とした材料である。例えば，S45Cは，
0.45%の炭素が含まれている材料である。
熱処理などの加工が重要になる場合
使い分けることはかなり難しい！
●アルミニウム合金
•軽い（密度約2700
kg/m3）
•柔らかい
•加工性がよい
アルミニウム合金（A2017)
●アルミニウム合金（続き）
覚えておきたい材料記号
•A1100：純アルミニウム（99.00%以上）
•A2011：快削合金，切削性がよい
•A2017：ジュラルミン，強度が高い。
•A2024：超ジュラルミン，強度が高い（せん断）。
•A7075：超々ジュラルミン，強度が強い（引張り強さ585 N/mm2）。
種類と特徴
•1000系：純アルミニウム系，展延性がよい。溶接性がよい。切削
加工には不適切。
•2000系：強度が高い。溶接不適。曲げ加工不適。
●ステンレス鋼
•強度が高い
•熱に強い
•さびない
覚えておきたい材料記号
•SUS304：最も代表的なステンレス鋼。
ステンレス鋼（SUS304)
●銅合金
•導電性に優れる
•高価
•切削が容易（黄銅）
覚えておきたい材料記号
黄銅（C2801)
•「C」ではじまり，4桁の数字がつく。
•C1100：銅（99.90%以上）。
•C2801： 60/40黄銅（60%が銅，40%が亜鉛）。
•C3604：快削黄銅（60%が銅，40%が亜鉛）。
●その他の金属材料
チタン合金：
•強度が高く，軽量
•加工性が悪い
•高価
•高級スポーツ用品
•深海調査船
•特殊用途に使われる
チタン合金製ゴルフクラブ
2.2.2 材料の形状
•これらを組み合わせて「機械」にする。
•規格化された材料をうまく利用する（c～e）。
★切削加工と丸棒の寸法
通常，丸棒は直径30mm，40mm，50mm・・・（キリがよい）
直径50mmよりも直径48mmの方がよい。
2.2.3 非金属材料
●ゴム材料
•柔らかい
•シール部品に使われる
●樹脂材料
•ナイロン，テフロン，塩化
ビニル，エポキシ・・・
•大量生産に適する
樹脂製歯車
●FRP材料
•ガラス繊維を樹脂で固め
た材料
•強度が高い（一般の樹脂
と比べて）
•型を作れば，曲面も可能。
FRR製魚ロボット胴体
【雑談】FRPの加工手順
【雑談】FRPの加工手順
木枠を作成する。
【雑談】FRPの加工手順
木枠の中にウレタンを挿入する。
【雑談】FRPの加工手順
ウレタンを整形する。
【雑談】FRPの加工手順
全ての型を仕上げる。
【雑談】FRPの加工手順
FRPを加工した後にウ
レタンをはがしたい箇
所には，表面にセロハ
ンテープを貼っておく。
【雑談】FRPの加工手順
FRPの素材となるガラ
スマット，ガラスクロス
を適当な大きさに切断
する。
【雑談】FRPの加工手順
樹脂と硬化剤を適切な
割合で調合する。
【雑談】FRPの加工手順
ガラスマットとガラスクロスを交互に積層する。
1枚ごとに樹脂を塗っていく。今回はマット3枚と
クロス2枚を使用した。
【雑談】FRPの加工手順
数時間後に樹脂は完
全に固まる。
【雑談】FRPの加工手順
不要な部分をハンドグ
ラインダーで切断する。
【雑談】FRPの加工手順
ベルトサンダーで表面
をきれいにする。
【雑談】FRPの加工手順
ベルトサンダーで表面
をきれいにする。
【雑談】FRPの加工手順
さらに細かい穴や凸部
分をパテ埋めする。
【雑談】FRPの加工手順
塗装する。
【雑談】FRPの加工手順
塗装完了。
【雑談】FRPの加工手順
完成
2.2.4 材料の特徴を活かした設計
本日の課題
①安全な機械を設計するための方法を5項目あ
げ，それらについて簡単に説明しなさい。
②機械を壊れにくくするための方法を5項目あ
げ，それらについて簡単に説明しなさい。

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