軸|動力を伝える機械要素

(shaft)とは、回転と動力を伝えるための機械要素である。またキー軸継手歯車やプーリ、スプロケットなどによって、と回転部品やをつなぐことができる。軸はシャフト(shaft)とも呼ばれるが、車軸のように曲げ荷重がかかるをアクスル、旋盤の主軸のように短い軸はスピンドルと呼ばれる。軸の強さと軸の直径

軸の機能

  • 動力を伝える
  • 荷重を支える
  • 回転運動と直線往復運動に切り替える

中実丸軸と中空丸軸

軸は主に中実丸軸と中空丸軸とに分けられる。中実丸軸は棒状の形状をしており、中空丸軸はパイプのような中身がない形状になっている。中空丸軸は軽量化されているが、強度は落ちるため、荷重を支えるような使い方には適していない。特に動力を伝達する際は、ねじりモーメントがかかるが、中実丸軸と中空丸軸で耐えうるねじりモーメントが異なる。

ねじりモーメント

軸の種類

軸の種類は、伝動軸、車軸主軸、スピンドリル、プロペラ軸、クランク軸、たわみ軸などがある。回転を伝えたり、支えたり、それぞれに応じて役割がある。

伝動軸

伝動軸とは、回転運動を伝達するで、動力を伝えるための最も基本的な機械要素である。具体的には、モータなどの動力源の回転によって、伝動軸の一方にねじりが加わり、もう一方にそれを伝え、歯車などの回転エネルギーに変える。

伝動軸

車軸

車軸とは、貨車などの車体を支えるで、車輪と一体となって回転すると固定軸のまわりに車輪が回転するものとがある。また、回転エネルギーの伝達機能に加えて、車両の車体などの荷重を支える機能も兼ね備えており、車体などの重量から曲げの応力がかかる。

主軸

主軸とは、主動力を伝える回転軸で、変形が少ない精度の高い回転軸である。

スピンドル

スピンドルは回転軸の中でも高速回転を目的としており、回転精度が極めて高い。旋盤などの工作機械では主軸として使われる。そのとき動力を伝えながら加工作業も行うため、スピンドルの精度が高ければ高いほど、加工精度が良くなる。

プロペラ軸

プロペラ軸とは船舶や航空機、自動車などで動力を伝えるである。

クランク軸

クランク軸とは、モータなどの動力側の回転運動を直線往復運動に変換するである。(または、その逆の働きをする。)自転車のペダルに用いられているがその代表で、ペダルをこぐ直線往復運動を回転運動に変換してチェーンを介して、後輪を回転させることができる。下の図は、自動車エンジンのである。

たわみ軸

たわみ軸は、ねじり剛性に強い一方で、曲げ剛性は低く、たわみやすいである。軸方向を自由に変えることができるため自由度が高く、小動力の伝達用や計測器などに用いられる。

軸の性質

には、主にの強さ、の剛性、振動、腐食・摩耗に耐えうることがあげられる。

軸の強さ

が動力を伝えるためには、に加わる静荷重、動荷重、衝撃荷重に対して十分な強さをもっていなければならない。また軸の強さは、軸の直径が大きければ大きいほど、軸は強くなるため、どのような力(曲げやトルク)がかかるかで、軸の直径が決まる。

剛性

には、たわみやねじれの変形を起こさない剛性を備える必要がある。剛性が不十分な場合、ねじれや振動が起こるのでそれを考慮して選定しなければならない。中実軸を用いるか中空軸を用いるかで大きく変わる。

振動

は、回転速度があがりすぎると振動が増える。この時の速度を危険速度(critical speed)といい、危険速度いかに回転速度を抑えたり、振動防止の対処が必要である。

腐食・摩耗

腐食や摩耗が生じると、部材の表面に傷や割れが生じ、応力集中などによって軸の剛性が低下し、破壊・事故につながる。腐食や摩耗に耐えうる材料の選定に注意が必要である。

はめあい

歯車やプーリの穴にいれて使うが、そのときのはめあいが重要となる。穴に対して、軸が小さいときをすきまばめ、軸が大きいときをしまりばめ、その間を中間ばめという。すきまばめのときは取り出し取り付けができ、しまりばめのときは一度入れると取り出すことは困難である。

円筒軸の軸径

円筒軸のはめあい部分の軸径は下記の表を参考するとよい。□は転がり軸受の軸受内径で、◎は円筒軸端のはめあい部の直径による。(単位㎜)

4 □ 14 ◎ 35 □◎ 75 □◎ 170 □◎ 360 □◎
4.5 15 □ 35.5 80 □◎ 180 □◎ 380 □◎
5 □ 16 ◎ 38 ◎ 85 □◎ 190 □◎ 400 □◎
5.6 17 □ 40 □◎ 90 □◎ 200 □◎ 420 □◎
6 □◎ 18 ◎ 42 ◎ 95 □◎ 220 □◎ 440 □◎
6.3 19 ◎ 45 □◎ 100 □◎ 224 450 ◎
7 □◎ 20 □◎ 48 ◎ 105 □ 240 □◎ 460 □◎
7.1 22 □◎ 50 □◎ 110 □◎ 250 ◎ 480 □◎
8 □◎ 22.4 55 □◎ 112 260 □◎ 500 □◎
9 □◎ 24 ◎ 56 ◎ 120 □◎ 280 □◎ 530 □◎
10 □◎ 25 □◎ 60 □◎ 125 ◎ 300 □◎ 560 □◎
11 ◎ 28 □◎ 63 ◎ 130 □◎ 315 600 □◎
11.2 30 □◎ 65 □◎ 140 □◎ 320 □◎ 630 □◎
12 □◎ 31.5 70 □◎ 150 □◎ 340 □◎
12.5 32 □◎ 71 ◎ 160 □◎ 355
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