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) 応力
(3) 材料の性質 (4) 材料の強さ
(5) 許容応力と安全率 (6) 機械の破損と設計
(7) 静的荷重を受ける部材の構造
★ 材料強度を考えた設計
実験用魚ロボットの 例・・・
どのような 材料を使う
か？
どのような荷 重が加わる
か？
壊れなくするた めの寸法・形状
は？
強度設計の考え方（応 力）
材料の知識（性質，強
度） 破損の原因（応力集中な
ど）
運動してい るときの荷
重は？
静的荷重が設計の基本
(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！
(2) 応力
重要！
応力＝
引張り応力の場合 応力：外力による物体の変形 に対抗して物体内に生じる内 力。単位面積当たりの力で表 す。
力
断面積 σ ＝ F
A [N/m
2 ]
(2) 応力
圧縮応力の場合
σ ＝ F
A [N/m
2 ]
せん断応力の場合
τ ＝ F
A [N/m
2 ]
課題①
右図に示すように，一 辺 10mm ，長さ 200mm の 鉄鋼製角柱に質量 20kg のおもりをぶらさげる。
角柱の断面における引
張り応力 σ を求めなさ
い。鉄鋼の密度を 8000
kg/m
3とする。
課題①
● 角柱の質量
● 荷重
● 応力
★ 機械設計において，なぜ応力が重要なのか？
通常の機械材料では，基準となる応力（単位面積当たりの 力）が与えられている。
基準となる応力：例えば，材料が破断する応力，機能を失う 応力
それぞれの部品が，許される応力を超えないように，部品 の材質・形状・寸法を決定しなければいけない。
許される応力：機械を安全に使用できる応力
(3) 材料の性質
重要！
ひずみ＝
引張り荷重の場合 ひずみ：外力によって物 体が変形したとき，元の 長さに対する伸びの割合
。
伸び
元の長さ ε ＝ ⊿L
L
* 荷重方向のひずみを「縦ひずみ」と いう。
(3) 材料の性質
重要！
応力とひずみの関係 フックの法則：ある範囲 において，応力とひずみ は比例する。
E ＝ σ ε
* 荷重方向のひずみを「縦ひずみ」と いう。
縦弾性係数（ヤング
率）
(4) 材料の強さ 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！
★ 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！
課題②
機械設計において，材料の弾性限度（力を取 り除くと元の長さに戻る限界）が重要である。
その理由を説明しなさい。
課題②
機械設計において，材料の弾性限度（力を取 り除くと元の長さに戻る限界）が重要である。
その理由を説明しなさい。
● 部品が変形してしまうと，機械が正しく
機能しない。
(5) 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！
★ 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
課題③
安全率を大きくした際の利点と問題点，小さ
くした場合の利点と問題点をまとめなさい。
(6) 機械の破損と設計
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
★ 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
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！
★ 座屈を考えた機械構造
立ち上がる動作を補助する車いす
★ 座屈を考えた機械構造
アクチュエータの取付を考える。
★ 座屈を考えた機械構造
(a) は座屈の危険がある。
★ 座屈を考えた機械構造
試作した介助用車いすの駆動モデル
一次試作 改良モデル
(7) 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
課題④
上図 (b) と (c) では，どちらの構造が強度的に優
れているか。その理由を説明しなさい。
★ 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
適切かつ十分な強
度計算が重要？
★ 強度設計の難しさ
① 許容応力（安全率）を設計者自身が決める。
② 機械部品は単純な形状ではない。
③ 複数の機械部品が組み合わされて使用される。
荷重の形式を見極めるのが難しいことがある。
④ 運動しているときの荷重を正確に見積もるのは難しい
。
⑥ 材料強度は，使用条件で変わってくる。
使用温度，繰り返し荷 重・・・。
⑤ 強すぎる機械部品は，重量化・高コスト化につながる
。
課題⑤
(a) 機械の強度と安全性の観点から，現在 の自動車の問題点を考えなさい。
(b) 機械の安全性と利便性を踏まえて，新 しい陸上交通システムを考えなさい。
* イメージ図と文章で説明すること。
