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軸の定義

回転軸（Shaft）
　回転運動を伝達する棒状の機械部分

主軸（Line shaft）
　回転軸のうち、モータ、エンジンなどから動力を受け、他の機械に伝える軸

車軸（Axle）
　曲げ作用のみを受け、動力を伝達しないもの

スピンドル（Spindle）
　旋盤の主軸のように太く短く、それ自体が作業をなす軸


   

軸設計の手順

軸設計の手順

1.構想図、計画図より、軸の長さや軸に取り付けられる部品の位置などを決める

2.軸にかかる負荷の決定
　軸にかかる負荷力は、静荷重のほかに動荷重が働くから、荷重の種類、性質を明らかにしておくことが必要

3.軸の強度、剛性の計算
　荷重の種類,性質により、曲げ,ねじり,座屈などの強度,剛性の計算をし軸の太さを決定する.
　この段階で決めた軸径は仮決定
　詳細設計において、段付きやキー溝部の応力集中による影響を検討した後、径を再チェック

4.軸形状の決定
構想図（計画図）と計算値を基に、段付きなどの軸の外形形状を確定する

5.軸細部の決定
はめあい部の公差,表面仕上げの程度,面取りやＲあるいはキー溝などの細部の設計を、製図をしながら決めていく
ここで、前記計算のチェックを行う

6.検図
１枚図面を描き終わったら、必ず関係部品と照合しながら、図面の誤りをチェックする
同時に計算のチェックもしなければならない


   

伝動軸のスパン

軸が長くなると自重や軸に取り付けられる部品の重量による“たわみ”が問題になるので、中間支持をしなければならない

　(mm)
　(mm)


   

強度,剛性計算

動的荷重に対しては、静的荷重に対する基本公式（参照：計算式-強度計算の基本公式）により計算された値に各種の係数をかけてやらなければならない

詳細設計における強度計算では、材料の静的強度と動的強度に分けて考え、動的強度に対しては疲労強度の検討をしなければならない

剛性計算では、動的強度に対するものは主に振動である


   

強度計算の基本公式

強度計算は基本公式（参照：計算式-強度計算の基本公式）による

軸は曲げとねじり荷重を同時に受けていることが多い.この場合には、相当曲げモーメント、相当ねじりモーメントという考え方を用いる


   

座屈荷重に対する計算式

オイラーの公式
座屈の計算はボールねじの選定の際の計算によく用いられる


   

剛性の計算公式

剛性の計算とは、軸の引張、圧縮ひずみ、はりのたわみの計算である
（参照：剛性の基本公式）

軸（はり）の剛性は軸の支持方法によって異なる値を示す
剛性はまた、軸の固有振動数にも関係する


   

軸の詳細設計

詳細設計で行うことは、段付き部のＲとかキー溝の位置あるいは表面の仕上げ程度、はめあい公差の指定など、部品図作成段階で行う作業

その部品の機能を考え、その部品を最適な条件で実現するためには、どのような設計をすればよいかという設計の仕事、設計の意図をいかに正確に図面に表現するかという製図の仕事とに、明確に区別しておくことが大切


   

軸設計における材料の疲労の検討
疲労破壊

疲労破壊の大きな特徴は、軟鋼のように静的破壊のときには大きな延性を示す材料でも、疲労破壊のときは外見上はもろい材料を折ったようなぜいせい破壊の破断面になる

実際に起きる機械部材の破壊の大部分はこの疲労破壊である


   

疲労限度

疲労強度は106～107回の繰返し荷重の繰返し回数でほぼ水平になり、それ以下の応力振幅では破断しなくなる。この限界点の応力を疲労限度と呼んでいる。またこの曲線をS-N曲線という


   

疲労破壊の原因

①材料の平均応力と繰返し応力との関係
②軸の切欠き効果
③軸の寸法効果
④軸の表面効果


   

切欠き効果、寸法効果、表面効果

応力集中係数（形状係数）
切欠き形状の度合いに対する係数の値が用意されているので、これによって修正する

寸法効果
曲げやねじり荷重の下では、寸法の大きいほど材料の特定部分の平均応力が高くなり、強度が低下する
この現象を寸法効果といい径の太い軸を設計する場合は注意しなければならない

表面効果
表面効果の係数の値は、表面粗さの程度に応じて、0.95～0.35程度の範囲である


   

軸受取付部,歯車取付部の設計

公差
転がり軸受部の軸の公差は、一般的にはｇ6,ｈ6であるが、変動荷重，重荷重，ハウジングの肉厚，温度などによって異なる為、カタログを参照

表面粗さ
転がり軸受はめあい部の表面粗さは、一般的には1.6aである


   

段付き部，キー溝部の設計

ｌ寸法が小さいとキー溝部と段付き部の最大応力部分が重なり強度が著しく低下するので注意
   

歯車のはめあい，表面仕上げおよび固定法

はめあい
歯車の軸穴は、市販の歯車ではH7に加工されたものが多い
軸はｆ6などのすきまばめは、なるべく避けた方がよい

すきまばめにすると軸と歯車の間に微小なすべりが往復回転に伴って繰り返されるので、フレッティングコロージョン（微動磨耗，たたかれ磨耗）を起こして、はめあい面が黒褐色に変質して応力が低下し、軸破断の原因ともなる

高精度が要求される場合はｎ6，ｐ6がよい
はめあい部以外の同一径部分は、歯車を挿入しやすくするために-0.1～-0.2程度にする

表面仕上げ
1.6aとする

固定法
軸への取り付け部品がロールのように大きな曲げ荷重が作用する場合には、曲げ剛性を大きくする為に転がり軸受を両側とも２個にすると剛性は４倍になる

軸受の間隔を少し空けると効果は大きい


   

軸の材料

軸の材料としては、普通延性が大きく強じんなC0.1～0.4程度の炭素鋼やNi-Cr鋼などの合金鋼などが使われている

低速で精度をあまり要せず伝達トルクの小さい軸には、みがき棒鋼（SGD）が使われることもある

みがき棒鋼の材質は炭素鋼での引張強さは、種類や太さにもよるが39～77くらい


   

許容回転数の計算

危険速度
　(min-1)

　λ:係数（剛性計算の基本公式kの値）
　E：縦弾性係数　(鋼：21000kgf/mm2)
　I:慣性モーメント (mm4)
　m：質量　(kg)
　g：重力加速度　(9.8m/s2=9800mm/s2)
l　：支持間距離　(mm)


   

回転軸（Shaft）の熱処理

この軸は次のいづれかの方法で作られる

①プレハードン鋼（調質）
　　　→　機械仕上げ
②プレハードン鋼（調質）
　　　→　ショットピーニングまたはロール仕上げ、あるいは窒化又は部分的に高周波焼入れ
③熱延品又は鍛造品の機械仕上げ
　　　→　高周波焼入れ　→　焼戻し　→　曲がり矯正　→研削仕上げ
④熱延品又は鍛造品の機械仕上げ
　　　→　外周焼入れ　→　焼戻し　→　曲がり矯正　→研削仕上げ
⑤熱延品又は鍛造品の機械仕上げ
　　　→　浸炭焼入れ　→　焼戻し　→　曲がり矯正　→研削仕上げ
⑥冷間引抜棒の機械仕上げ
　　　→　高周波焼入れ　→　焼戻し　→　曲がり矯正　→研削仕上げ

   

軸類に必要な性質

耐疲労性、耐磨耗性、耐食性

耐疲労性
一番大切な性質　→　一般には高周波焼入れ
磨耗を考えないでよいとき　→　高周波焼入れのみ
磨耗と疲労の両方　→　高周波焼入れ後、低温焼戻し（180～200℃）
寸法の精密度や時効変形（置狂い）を嫌うとき　→　サブゼロ処理


   

曲がり矯正

焼戻し温度近くの温間矯正が望ましい


   

軸用材質

SUJ2,S45C,SUS420J2,SUS440C,SCM435,SF材

特に、
SUJ2は耐磨耗性
SUS440Cは耐食、耐磨耗性


   

硬化深度

外力の大きさによって異なるが、中心まで焼きを入れる（無芯焼入れ）の必要はなく、大体1/2半径ぐらいに止めておくのが良い（有芯焼入れ）

大型シャフトの場合は中空にする方が、熱処理的にも、強度的にも有利キー溝の隅部にはRをつけるのが良い


   

仕上げ

研削は使用方向に沿って行うのが良いが、難しいので、横方向に研削した後、超仕上げ（super finish）するのが良い

超仕上げによって、グラインダ研削による変質層（アモルファス又はビールビー層）を除去することになるので、耐磨耗性が向上する


   

調質の軸

タフトライド（軟窒化）（処理温度570℃）を施すと、さらに耐疲労性が向上する

ボール軸にはS45C,SCM435,SUJ2などの高周波焼入れが良く行われているが、SUJ材の高周波焼入れは焼きひずみが少なく、かつ耐磨耗性が大きいので、大いに活用すべきである

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