半月キー、キー溝および適応する軸径

半月キー、キー溝および適応する軸径は、回転要素（歯車、プーリ、カップリングなど）と軸との間でトルクを確実に伝達するための要素である。半月キー（Woodruff key）は半円板を一部切り取った形状で、軸側の円弧状のキー溝（キーシート）に収まる。自己位置決め性に優れ、テーパ軸や小径軸に用いられることが多い。キー溝は軸とハブの両方に加工され、はめあい、公差、強度計算を踏まえて選定・設計する。

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半月キー、キー溝および適応する軸径

半月キー（Woodruff key）の概要

半月キーは円弧面が軸の円筒外周と親和するため、組立時に自然と姿勢が定まり、芯出しが容易である。平行キーに比べて有効長さが短くなりやすいが、嵌合の自己調芯性によりテーパ軸や面取りの大きいハブでも接触が安定する。標準はJISやISOで形状・寸法系列が規定され、呼び番号に応じて「幅、直径、半径、厚み」の組合せが決まる。

キー溝（キーシート）の形状と加工

キー溝は、軸側は半月キーに合わせた円弧状、ハブ側は直線状である。加工は軸側にWoodruffカッタ、ハブ側にエンドミルやキーシータを用いる。溝端は応力集中を避けるため、底部に適切なRを設ける。面粗さは接触面圧と嵌合の安定性に影響するため、一般にRa数μmオーダを目安とし、切削痕の段差やバリは除去する。切削後は脱脂・防錆を行い、組立前に面当たりを点検する。

適応する軸径の考え方

適応する軸径は、標準規格（例：JIS B 1302：半月キー及びキー溝）における「軸径区分→キーの呼び番号・幅」の組合せに基づいて選ぶ。設計ではトルク、許容面圧・せん断応力、ハブ幅、加工可能な溝深さを同時に満たす必要がある。一般に軸径が大きいほどキー幅・径は大きい系列を採るが、ハブの座屈や端部からの縁距離もチェックする。

選定手順（実務フロー）

トルクT、軸径d、ハブ幅Lの想定値から、規格の「軸径区分→呼び」表で候補のキー幅bを得る。
有効長さl（ハブ幅から面取り・逃げ・余裕を差し引いた長さ）を見積もる。半月キーは曲率のため、実効長さl_eff≒k·l（k≒0.6〜0.8）を用いる。
せん断と面圧の照査を行い、許容値以下かを確認する。過大なら幅・呼び番号を上げるか、ハブ幅を確保する。
加工性（使用カッタ径、溝深さ、干渉）と公差等級を再確認し、図面に寸法・公差・表面粗さ・熱処理を明記する。

設計計算の基本式

キーの設計では、主に「せん断」と「面圧」を照査する。平均せん断応力は τ = 2T / (d · b · l_eff)、平均面圧は p = 4T / (d · b · l_eff) を用いるのが通例である（平行キーの基本式を半月キーの実効長さで補正）。許容値は材料強度と安全率から設定し、一般的に τ_allow は材料降伏の約0.3〜0.5程度、p_allow は接触面の許容面圧に依存する。ねじりによる微動とフレッティングを避けるため、軸・ハブのはめあい、キーの面当たりを良好に保つことが重要である。

概算例（数値は一例）

例えば d=30 mm、T=120 N·m、規格候補で b=8 mm、l=18 mm、k=0.7 とすると l_eff=12.6 mm。τ=2·120/(0.03·0.008·0.0126)≒790 MPa、p=4·120/(0.03·0.008·0.0126)≒1.58 GPa となり、これは明らかに高い。実務ではハブ幅を増やす、呼びを上げてbやlを大きくする、トルクピークを低減するなどの対策を検討する。数値は荷重条件・材料により大きく変わるため、最終設計は規格表と材料データで確認する。

材料・熱処理・表面性状

キー材は機械構造用炭素鋼（例：S45C）や合金鋼（例：SCM）を用いる。焼入れ焼戻しで耐摩耗・耐面圧性を高めることがある。面粗さは過度に粗いと局部面圧が上がり、過度に鏡面でも油膜保持が難しくなるため、設計意図に沿った適正値を図示する。腐食環境では防錆油、リン酸塩皮膜、化学被膜なども選択肢となる。

はめあい・公差・幾何公差

キー幅bはキー側に「h級」、溝幅は軸側「P級」、ハブ側「N級」を用いるのが一般的で、公差差で確実な面当たりを作る。半月キーは軸側の円弧溝深さが機能を左右するため、溝深さのばらつき管理、軸径との同心度、キー面の直角度を幾何公差で管理する。組立後は偏心や振れが許容内であるかをダイヤルゲージ等で確認する。