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
Tq
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
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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 」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
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。
