序機械には，その使用目的によって多種，多様な種類がある．複雑な機械でも，これを分析すると比較的単一の機能をもつ要素に整理，分類することができる．これを機械要素という．すなわち，機械はこれらの要素から構成されていると言えよう．本書は，多くの機械要素の性能，構造などを解析するとともに，それらの設計方法を講述するのが目的である．ここに述べられている内容は，機構学，材料力学，流体力学，材料学，機械製作法などに基礎を置いて展開されているので，これらの専門知識に習熟し，かつ総合する能力を高めるように学習することが必要であろう．本書は，7章および付録から成り立っている．各章に例題を掲げて，各要素の設計方法を具体的に説明し，かついっそう理解を深めるために練習問題が章末に課されている．また，従来の工学単位と国際単位を併記して，学習の便を図っている．第1章では，機械要素の設計に当たり，基礎的でかつ一般性のある事項について述べられている．ここでは，機械要素設計の趣旨，使用する材料の機械的性質，許容応力，安全率，はめあいなどの各項目が概説されている．第2章では，機械の各部品を結合するのに必要な要素の設計方法について述べられている．これらのものを締結要素といい，その代表的なねじ，ボルト，ナット，リベット，リベット継手，溶接継手などについて講述されている．第3章では，回転系を構成している要素の設計方法について述べられている．ここでは，軸，キー，軸継手，軸受，シール，パッキンなどについて解説されている．第4章では，動力や回転運動を伝達する要素の設計方法について述べられている．ここでは，伝達要素の主要部品である各種歯車，クラッチ，ブレーキ，ベルト，チェーンなどについて論及されている．第5章では，各種類のばねの設計方法について述べられている．ここでは，圧縮・引張およびねじりコイルばね，重ね板ばね，皿ばねなどについて説明されている．第6章では，油圧回路を構成している要素について述べられている．ここでは，油圧ポンプ，アクチュエータ，制御弁，各種回路について記述されている．第7章では，機械要素を製作するに当たり，設計上注意すべき基本項目について述べられている．ここでは，加工方法および加工精度，特に鋳造，鍛造，プレス加工に対する設計上の要点について解説されている．機械設計は，新しい機械を開発して，これを製作するために必要な知的作業である．そこには，創造性，新規性が要求されるので，多くの技術的知識を集約し，かつ総合することができる能力が必要となる．これと併せて，これらの知的作業から得られた結果を具体化するために，機械要素設計は機械技術者にとって必要欠くことのできない知識である．このことを深く認識して，これに取り組まれることを期待するものである．最後に本書は，機械要素に深い造詣をもち，かつ長年大学において機械要素設計の講義を担当されている多くの執筆者によって編さんされたものである．執筆者の労に対して深甚な謝意を表すとともに，多くの図表や原稿の整理に精根を惜しむことなく，かつ各執筆者に有益な助言と示唆を寄せられた実教出版の桜井瑞穂氏に感謝して，本書の序とする．昭和59年10月編者和田稲苗目第1章 1・1機械 1・1・1基本設計（1）械要素設計（2） 1・1・3設計の標準化（3） 1・2・1引械 1・2・2ク 1・2・3疲 1・3許機械要素設計の基礎設計1 1・1・2機 1・2機次材料3 張強さおよび降伏点リープ強され強（4）（5）さ（6）容応力および安全率6 1・3・1静荷重が作用する場合 1・3・2繰返し荷重が作用する場合 1・3・3衝撃荷重が作用する場合 1・3・4許容応力に影響を及ぼす諸因子 1・3・5安 1・4は全率（6）（9）（13）（14）（18）めあいおよび表面粗さ23 1・4・1はめあい（23） 1・4・2表面粗さ（29）練習問題〔1〕32 第2章 2・1各種の締結方法33 2・2ねじ，ねじ部品 2・2・1ね 2・2・2ね 2・2・3ね 2・2・4ねじ用語じ山の種類じ部品締結およびねじ継手33 （33）（34）（38）じの締付力と締付トルク（44）要素 2・2・5ねじ部品の強さ 2・2・6ねじ部品のゆるみ止め 2・3リベットおよび（47）（56）リベット継手60 2・3・1リベットの種類 2・3・2リベット継手の種類（61）（63） 2・3・3リベット継手の強さ（64） 2・3・4リベット継手の効率（67） 2・3・5鋼構造物のリベット継手 2・4溶接継（68）手71 2・4・1溶接構造物の特性 2・4・2溶接継手の種類と強さ（71） 2・4・3溶接設計上の一般的注意（73）（79）練習問題〔2〕83 第3章軸系要 3・1軸88 3・1・1軸の分類（88） 3・1・2記号と単位（89） 3・1・3強さに基づく設計（89） 3・1・4変形に基づく設計（94） 3・1・5設計上の注意および参考資料 3・2キー，スプラインおよび 3・2・1キー 3・2・2ス 3・3軸プラインおよびセレーション継（104）手104 継手の分類 3・3・2各軸継手とその特徴 3・3・3軸継手の選定 3・4・1滑セレーション100 （100） 3・3・1軸 3・4軸（95）（105）（105）（113）受117 り軸受と転がり軸受の比較 3・4・2滑り軸受（118） 3・4・3転がり軸受（132）（117）素 3・5シー 3・5・1シル145 ールの分類（146）練習問題〔3〕150 第4章 4・1歯伝達要素車155 4・1・1歯車の種類（155） 4・1・2歯形の性質（155） 4・1・3用語および記号 4・1・4インボリュート平歯車 4・1・5インボリュートはすば歯車 4・1・6かさ歯車（158）（170）（174） 4・1・7ウォームギヤ 4・1・8歯車用材料 4・2ク（157）（177）（182）ラッチ，ブレーキ，つめ車185 4・2・1クラッチ，ブレーキの分類 4・2・2かみあいクラッチ 4・2・3摩擦クラッチ・ブレーキ 4・2・4その他の事項（197） 4・2・5自動クラッチ（200） 4・2・6つ 4・3ベめ車（185）（186）（187）（202）ルト伝動205 4・3・1ベ 4・3・2プ 4・3・3速ルトの種類と構造ーリ比（209）（206）（208） 4・3・4ベルトの長さと接触角 4・3・5ベルトの張力と伝達動力 4・3・6初 4・3・7ベ 4・4チ張力（211）（213）ルト伝動装置におけるベルトの選定ェーン伝動221 4・4・1チェーンの種類と構造 4・4・2スプロケッ 4・4・3速（210）比ト（224）（222）（222）（214） 4・4・4チェーンの長さ 4・4・5チェーンの張力と伝達動力（225）（226）練習問題〔4〕228 第5章 5・1ばねの種類231 5・2ばねの材料232 5・2・1ば 5・2・2ピね鋼鋼材（232）アノ線（232）ば 5・2・3ばね用炭素鋼オイルテンパー線 5・2・4ばね材料の弾性係数 5・3圧縮素（234）・引張コイルばね234 筒形コイルばねの理論式 5・3・2初張力のある引張ばね（237） 5・3・3設計に考慮すべき事項（238）容応力 5・4重要（234） 5・3・1円 5・3・4許ね（234）（239）ね板ばね242 5・4・1展開法による設計（242） 5・4・2板端法による設計（244） 5・5ねじりコイルばね247 5・5・1設計に用いられる基本式 5・5・2設計上の注意 5・6さ（247）（248）らばね249 5・6・1設計に用いられる基本式 5・6・2設計上の注意練習問題（249）（251）〔5〕252 第6章 6・1油圧機油器255 6・1・1油圧ポンプ 6・1・2油圧アクチュエータ（255）（260）圧要素 6・1・3油圧用各種弁 6・1・4圧力制御弁（269） 6・1・5流量制御弁（271） 6・1・6方向制御弁（272） 6・2油（268）圧回路274 6・2・1油圧回路の基本構成 6・2・2圧力制御回路（275）（274） 6・2・3流量制御回路（277） 6・2・4油圧モータに用いられる制御回路（279）練習問題〔6〕280 第7章 7・1生生産設計産設計281 7・2加工方法の選定281 7・3加工精度と表面の状態281 7・4各種加工方法による製品に対する設計上の注意事項286 7・4・1鋳造品（砂型）に対する設計上の注意事項 7・4・2鍛造（型鍛造）品に対する設計上の注意事項 7・4・3プレス加工品に対する設計上の注意事項 7・4・4切削加工品に対する設計上の注意事項 7・4・5組立作業に対する設計上の注意事項付索引306 録：付録1.SI単（286）（288）（288）（289）（292）位（295）付録2.標準数（298）付録3.金属材料の機械的性質（800）付録4.金属材料の物理的性質（302）付録5.各種断面形の性質（303）第 1 章機械要素設計の基礎機械設計は，新しい要求に基づいて有用な機械を作り出すための創造的な思考であるといわれている．設計を行うには，多くの技術的な知識を組み合わせて，要求される機械をまとめなければならないので，機械に関する基礎的な課目を学習しておく必要がある．機械工学における代表的な基礎課目は，機構学，材料力学，熱力学，流体力学，材料学，機械製作法などである．これらの基礎知識を集約し，かつ電気工学や制御工学などを組み合わせることによって，機械設計を行うことができる． 1・1機械設計機械には，動力を生み出すエンジン，タービン，水車，発電機など，機械を作り出すいろいろな工作機械，加工機など，物を輸送する自動車，車両，船舶，航空機など，物を運搬するクレーン，コンベヤ，エレベータなど，日常の製品を作る繊維機械や食品機械，あるいは作業に用いられる建設機械，または一次製品を作るための装置や石油プラントなど各種類のものがある． 1・1・1基本設計機械には多く種類があるので，それぞれの機械の目的，性能，構造などは異なる．そこで，これらの機械は，各専門分野の担当者によって設計が進められる．機械を設計するには，まず基礎理論，性能解析，構造計算，試作実験などを取り扱う開発部門の設計がある．次に，設計資料の調査，機構の検討，機能計算，計画図，仕様書などを作成する基本設計がある．さらに，機械を構成する各要素の強度計算，製作図などを描く詳細設計がある，これらを総称して基本設計業務と一般に呼ばれている．この基本設計に対して，図面の複写，保管，配布，回収などを扱う図面管理，規格を制定する標準化管理，または設計資料の収集，保管，貸出，回収などを行う資料管理がある．このほかに，設計作業の日取りや進め方を扱う日程管理，製作費の見積りや価格を決定する原価管理などがある．これらの作業を総称して付帯設計業務という．これらの関係を図1・1に示す．図1・1機械設計の流れ 1・1・2機械要素設計上述のような複雑な機械でも，これを分解してみると，それを構成している要素には共通的なものが多い．その代表的なものに，機械を組み立てるときに用いられるボルト，ねじなどの締結要素，動力を伝える回転軸，軸受，歯車などの動力伝達要素，力の作用を緩和したり振動を防ぐばね，ショックアブソーバなどの緩衝要素，流体を送るのに必要な管路，ポンプなどの流体・油圧要素などがある．このほかに，機械を制御するための機械的および電気的な制御要素などがある．このような機械を構成する部品を機械要素という・前項で述べた機械設計における詳細設計は，主として機械要素を設計することである．本書では，機械要素に関する設計について主として述べられている． 1・1・3設計の標準化機械要素は共通な機能や構造を持っていて，どの機械にも適用できるように標準化されている．標準化するには規格が必要である．これは，ある機械分野にとどまらず，すべての機械表1・1日本工業規格（JIS）の部門分類工業に共通でなければならない．それゆえに，我が国においては，国家規格として日本工業規格1）が制定されている，日本工業規格は，表1・1に示すように各部門に分類されていて，それぞれの部門の共通的なものが規格化されている．この表からわかるように，土木建築のA部門から工業一般に及ぶ一般および雑のZ部門までの17部門がある．このうち，特に機械要素設計に関連の強いものは機械のB部門であるが，機械設計を行うものは，それぞれの部門の規格に精通しておく必要がある．各国の国家規格がばらばらであると，機械の輸出入が活発に行われている現状では，多くの問題が生じる．そこで，各国の規格を統一して，標準化を図ることが国際的に必要である．各国の規格を総合する目的で，国際標準化機構2）が設けられ，この機構のもとで各国の協議によって制定された規格は国際規格と呼ばれている． 1・2機械材料機械に用いられる材料には，多種多様なものがあり，これを選択して用いることは機械の設計に必要なことである．機械に広く用いられているのは金属材 1）Japanese 2）International と呼ぶ． Industrial Standards,こ Organization for れを略してJISと Standardization,こ呼ぶ．こで制定された国際規格をISO規格料であり，次に化学的に作られる材料や木材のような非金属材料である．非金属材料の種類は極めて多いので，それぞれの専門書にゆずり，ここでは設計に必要な金属材料の性質について検討する． 1・2・1引張強さおよび降伏点金属材料の代表的なものは鉄鋼である．鉄鋼の試験片を製作して，これを用いて引張試験を行うと，図1・2に示す応力-ひずみ線図が得られる．この図が示すように，金属材料の機械的性質の代表的なものは，比例限度，弾性限度，降伏点，極限強さおよび弾性係数である．応力とひずみが比例している上限を比例限度，応力を取り除くとひずみがほとんどなくなる上限を弾性限度という．弾性限度を越えると，応力は増加しないにもかかわらず，ひずみが急増する．ひずみが急に増大図1・2軟鋼の応力-ひずみ線図しはじめる応力を降伏点，また試験片が破断する前の最大応力を極限強さといい，特に引張試験では極限強さを引張強さ（σB）という．比例限度や弾性限度は，引張試験では明瞭に表れないので，あとで述べるように，降伏点が機械設計では重要な性質である．また，材料の強さを表す代表的な応力が引張強さである．応力とひずみが完全に比例する部分の比例定数を弾性係数といい，引張りや圧縮の応力が作用する場合には，これを縦弾性係数という．ねじりが作用する場合のせん断応力とせん断ひずみとの比例定数を横弾性係数という．鉄鋼の代表的な種類である炭素鋼鋼材では，図1・2に示すような応力-ひずみ線図が得られるが，特殊鋼や非鉄金属では，降伏点が明確に表れない．このような場合は，降伏点の代わりに耐力が用いられる．耐力は0.2％の永久ひずみが生じる点の応力である．代表的な金属材料の引張強さ，降伏点などを付録 3の付表7に 1・2・2ク示しておく．リープ強さ高温にさらされている金属材料に荷重を長時間かけると，その荷重が一定であるにもかかわらず，ひずみは時間とともに増大する．この現象をクリープという．ある温度のもとで，長時間荷重が作用してもひずみが増大しない応力をクリープ限度という．実際のクリープでは，ひずみの増加する割合は極めて小さいので，クリープが停止したか否かを判定することは困難である．そこで，ある温度である時間が経過したとき，一定のクリープひずみが生じる荷重をクリープ限度としている．例えば，表1・2に 100000時間で1％示すように，10000時間またはのひずみが生じる応力をクリープ限度としている．表1・2ボイラ用合金鋼鋼管のクリープ強さ（JISG3462）＊ラプチャ強さとは，クリープ破断するときの強さ．高温のもとで使用されるボイラやガスタービンなどに用いる材料に対しては，降伏点の代わりに100000時い．間で1％のクリープ限度を用いることが多 1・2・3疲れ強さ繰返し荷重や変動荷重が作用すると，材料の特性が変化するので，引張強さより小さい応力で破断する．一般に，繰返し荷重が106回以上作用しても破断しない最大応力を疲れ限度という．疲れ限度は，機械設計において重要な性質であるから，次節において詳述する． 1・3許容応力および安全率丸棒に単純引張荷重Pが材料力学によれば σ=P/Aで作用するとき，その断面積Aに生じる引張応力は，ある．このように材料力学では，荷重と部材の形状を与えて，その部材の断面に生じる応力を算出することが多い．それに対して機械設計では，丸棒に引張荷重が作用するとき，その荷重に耐えることができる断面積を求めるのが普通である．すなわち，応力計算ではなく，大きさを決めることである．そのためには，前記の式をA=P/σ すればよい．しかし，断面積Aはと書きかえて計算応力σ を大きくとれば小さくなり，また応力を小さくとれば断面積は大きくなる．設計において要求される適正な断面積を求めるには，それに対応する適切な応力を用いなければならない．この適切な応力を許容応力という．許容応力は，荷重の種類，材料の性質，部材の形状や大きさ，加工や環境条件などによって大きく影響される．ここでは，設計で用いられる許容応力に及ぼす重要な項目について考えよう． 1・3・1静荷重が作用する場合荷重の種類を大別すると，静荷重と動荷重に分けることができる，静荷重は，時間的に変化しない一定の大きさの荷重であり，また動荷重は時間とともに大きさが変化する荷重である．まず，静荷重が作用する場合について考える．荷重が固体に作用すると，材料力学が示すように，その断面に次の主応力が生じる．（1・1）上式において，σx,σyおよび τxyは応力成分である．上記の主応力の半分，またはそれらの差の半分が最大せん断応力であり，次式によって与えられる．（1・2）また，主応力に対応する主ひずみは，（1・3）である．ここで，Eは 1.最縦弾性係数，ν はポアソン比である．大主応力説ある部材に静荷重が作用するとき，その断面に生じる主応力σ1おその材料の弾性限度σEよよび σ2がり小さければ，その部材は弾性的に破損しない，という考え方を最大主応力説という．前節で述べたように，弾性限度は明確に把握しにくいので，その代わりに降伏点 σYまたは耐力 σTを用いるのが普通である．最大主応力説によれば，弾性破損の条件は，（1・4）それゆえに，許容応力σAは次式を満足すればよい．（1・5） 2.最大主ひずみ説これは，主ひずみを基にした弾性破損の考え方である．すなわち，式（1・3）を変形したEε1またはEε2が降伏点より小さければ，弾性的に破損しないという説である．それゆえに，許容応力は次式を満足すればよい．（1・6） 3.最大せん断応力説これは，式（1・2）で示される最大せん断応力が降伏点の半分より小さければ，弾性的に破損しないという説である．すなわち，（1・7）それゆえに，最大せん断応力説によれば，許容応力は，（1・8）によって与えられる． 4.変形エネルギ説これは，部材の中に蓄積される全変形エネルギが降伏点における変形エネルギより小さければ，弾性的に破損しないという説である．いま，これらのエネルギを等しいとおいて，主応力と降伏点の関係を求めると，（1・9）それゆえに，変形エネルギ説によれば，許容応力は，（1・10） 5.各説の適用条件上記の各弾性破損説は，実際のどの材料にもよく当てはまるとは限らない．そこで，実際の材料について行った破断実験の結果と，上記の各式が合致するかどうかを検討する必要がある．実際に用いられる機械材料の種類は極めて多いので，これらのすべての材料について実験することはできない．それゆえに，ここでは機械材料の主要部分を占めている金属材料について検討しよう．金属材料の特性から，これを延性材料とぜい（脆）性材料とに大別することができる．前者は圧延加工された材料であり，後者は鋳造などによって作られた材料である．すなわち，延性材料は圧延材であり，ぜい性材料は鋳造品であると考えられる．最大主応力説は，鋳造品のようなぜい性材料の弾性破損の実験結果とよく一致し，延性材料にはあまり適合しない．このことから，式（1・4）はぜい性材料に適用するのが原則である．圧延加工された延性材料の弾性破損の実験結果は，最大せん断応力説と変形エネルギ説に合致するとされている．特に，変形エネルギ説は，最大せん断応力説よりも，実験結果とより一致する．しかし，両者の差はあまり大きくない