第 2 章 機械の強度と材料
★
壊れない★
安全である★
正しく機能する 機械の必要条件★
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 そのためには・・・2.1 材料強度の基礎知識
1. 荷重の形式
2. 材料の引張り強さ 3. 許容応力と安全率 4. 機械の破損と設計
5. 静的荷重を受ける部材の構造
6. 機械の運動とトルク
2.1.1 荷重の形式
教科書
p.7-8
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！
2.1.2 材料の引張り強さ
教科書
p.9
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！
★ 伸びる材料と伸びない材料
教科書
p.9
アルミ合金や鋳鉄 は，伸びずに破断
引張り強さが重 要！
2.1.3 許容応力と安全率
教科書
p.23
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！
★ 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
教科書
p.11
材料の強度や性質につ いての検討が必要(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
適切な構造を考えること が重要？
•
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 一定速度＝扱いやすい
往復運動 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。
R F
T q
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
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！F R
W 2
● 出力（仕事率）
回転軸（モータ）の回転数を N(rpm) とすると，
出力＝仕事／時間
重要！
2 60 2 60
60
T N F N
N R W
L
q
出力＝ ２ π× トルク × 回
転数
● トルクの増減
回転軸 B は，回転軸 A よりも高い強度が必 要
回転軸 A のトルク＜回転軸 B のトル ク
【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. 金属材料の種類 2. 材料の形状
3. 非金属材料
4. 材料の特徴を活かした設計
2.2.1 金属材料の種類
•
安価•
溶接性に優れる•
熱処理が可能● 鉄鋼（炭素 鋼）
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。覚えておきたい材料記号
★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。
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。
使い分けることはかなり難しい！
できる限り安く作りたい場合
熱処理などの加工が重要になる場合
● 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（ A201 7)
● アルミニウム合金（続き）
•
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 ）。覚えておきたい材料記号
•
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。種類と特徴
● ステンレス鋼
•
強度が高い•
熱に強い•
さびないステンレス鋼（ SUS304)
•
SUS304 ：最も代表的なステンレス鋼。覚えておきたい材料記号
● 銅合金
•
導電性に優れる•
高価•
切削が容易（黄銅）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）。覚えておきたい材料記号
● 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•
高価チタン合金製ゴルフクラ
•
高級スポーツ用品 ブ•
深海調査船•
特殊用途に使われる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
•
柔らかい•
シール部品に使われる● ゴム材料
● 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
