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回転軸の寸法決定要素    忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、回転軸の寸法を決定する際に考慮すべき要因について述べます。


■回転軸の寸法の決定要素

 (1)発生応力
    軸に付加される主要応力は、伝達エネルギーに相当したトルクで、
  これはねじり応力として軸にかかります。また、回転体そのものの
  重量は曲げ応力として軸に付加されます。 その他に上記エネルギーを
  伝えるために付属する歯車の噛合力、プーリーのベルト引張力なども
  曲げ応力として付加されます。これらを全て合成した応力に対して充分
  な軸径が必要です。
    ねじり応力は別として、その他の曲げ応力の元になる力について
  は、設計により変えられる部分も多いので、それらの力により発生する
  曲げモーメントができるだけ小さくなる様な配置を決めるなど、設計上
  で重要な検討事項となります。
    これらの種々の荷重は平均負荷ではなく、 トルク変動、衝撃的に
  付加される力、その他起こり得る最大の負荷をを考慮して、材料の許容
  応力内におさめる必要があります。しかしこの起こり得るかもしれない
  最大負荷の値があまりに大きく、かつ異常時にしか作用しないものがあ
  って、この負荷に対して充分な強さを与えられない場合は、耐え得る
  最大限界を越えた負荷時に逃げる方法を考慮しておかなければなりません。
    軸にかかる変動荷重、異常荷重については別に示します。それぞれ
  の場合に軸で耐える設計をするか、軸以外で逃げる設計にするかどちら
  か決めることが必要です。

 (2)応力の集中
    回転軸には回転体を固定するキー溝、直径の変化する段付部、その
  他タップ穴、 油穴などの加工が、各部分にされることになります。これ
  らの断面変化部分にはその形状、寸法によってそれぞれに相当する応力
  の集中があります。なお軸に焼ばめなどによる回転体がある場合には、
  これによる付加応力もこれに加わります。
    エッジがシャープであればあるほどその集中程度は大きくなります。
  応力集中の程度をできるだけ少なくなる形状にすることが必要で、満足
  な形状にするために軸径を大きくしなければならない場合もあります。

 (3)軸の固有横振動数
    軸には軸自身の剛性、付着物重量とその取付位置、支点間距離、支点
  の剛性などによりある固有の振動数があり、軸がこの固有振動数付近の
  回転数で運転されると激しく振動します。この場合、対策としては軸径
  をより大きくして剛性を増して、固有振動数を大きくするのが一番望ま
  しいですが、止むを得ない場合には剛性を逆に下げて逃げる場合もあり
  ます。

 (4)軸の固有ねじり振動数
    クランク軸、或いはクランク軸を有する原動機と連結される一連の
  軸系は、これらの軸のねじりに対する固有振動数が合致すると激しい
  ねじり振動を起こします。一連の軸のねじりに対する固有振動数につい
  ても考慮が必要です。


 (5)流体振動
    高圧流体を取扱う高速の回転機(ガスタービンなど)においては、
  回転円板と側壁との関に存在する気体の粘性が原因となって軸が振動を
  起す場合があります。この場合もやはり、軸系の剛性を増加させて
  固有振動数から離れるように設計します。



図解 モノづくりのための やさしい機械設計
図解 モノづくりのための やさしい機械設計有光 隆 八木 秀次


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