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第 2 章 機械の強度と材料

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Academic year: 2021

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(1)

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)

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

(3)

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!

(4)

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!

(5)

★ 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!

(6)

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!

(7)

★ 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

(8)

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!

(9)

(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

(10)

★ 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!

(11)

(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

(12)

(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

(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!

(14)

(4) 座屈

細長い棒の圧縮荷重

横方向にたわむ

教科書 p.14

(15)

★ 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!

(16)

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

(17)

★ 強度的に優れた構造

(b) が強度的に優れている。

(18)

★ 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

(19)

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」

(20)

(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

(21)

(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

Tq

トルク=力 × 回転半

径

重要!

(22)

● 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

(23)

● 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

(24)

● 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

(25)

【雑談】強度設計の失敗例

(26)

【雑談】強度設計の失敗例

(27)

【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

(28)

【雑談】強度設計の失敗例

Movie (MPEG1, 0.9 MB)

(29)

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

(30)

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

(31)

★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

(32)

● 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)

(33)

● 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

(34)

● 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

(35)

● 銅合金

•導電性に優れる

•高価

•切削が容易(黄銅)

黄銅( C2801)

•「 C 」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

(36)

● 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

(37)

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 )。

(38)

★ 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。

(39)

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

(40)

● 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

(41)

●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

講義内で説明した FRP の製作例は,

http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/metalwork/others/frp/index_j.html を参照のこと。

(42)

2.2.4  材料の特徴を活かした設計

(43)

本日の課題

① 機械を壊れにくくするための方法を 10 項

目あげ,それらについて簡単に説明しなさ

い。 ② 本日の講義で印象に残ったことを書きな

さい。

http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/metalwork/others/frp/index_j.html

参照

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