機械構造設計の究極ガイド

機械構造設計の目的は、全体的な設計コンセプトに基づいて、最初の設計原理を、必要な機能を満たす詳細な概略図に固めることである。

設計プロセスは、抽象的な作業原理を具体的な部品や構成要素に変換するもので、構造部材の材料、形状、サイズ、公差、熱処理方法、表面処理などを決定する。

さらに、製造工程、強度、剛性、精度、他の部品との相互関係などを考慮することも極めて重要です。構造設計の直接のアウトプットは技術図面ですが、その作業は機械製図のように単純ではありません。

設計図は、設計思想を工学的な言葉で表現したものに過ぎず、設計思想を具現化するために機構設計の様々な技術を適用することが、構造設計の基本的な内容である。

1.機械部品の構造要素と設計法

1.1 コンポーネントの幾何学的要素

機械構造物の機能は、主に構成部品の幾何学的形状と、それらの間の相対的な位置関係によって達成される。部品の幾何学的形状は、その表面によって構成される。

通常、部品は複数の表面から構成され、その一部は他の部品の表面に直接接触する。これらの接触面は機能面と呼ばれる。これらの機能面をつなぐ領域は接続面と呼ばれる。

部品の機能面は、その機械的機能を決定する上で極めて重要である。これらの機能面の設計は、部品の構造設計の中核をなすものです。

機能的表面を記述するために使用される主な幾何学的パラメータには、その幾何学的形状、サイズ、表面の数、位置、順序などが含まれる。同じ技術的機能を実現するために、機能面の異なるデザインによって様々な構造的ソリューションを実現することができる。

1.2 コンポーネント間の相互関係

どんな機械や機械システムにおいても、孤立して存在する部品はない。

したがって、構造設計の際には、各部材の機能や関連する特性を検討するだけでなく、各部材間の相互関係を探る必要がある。

コンポーネント間の相互関係は、直接的な関係と間接的な関係の2つに分類できる。

直接的な組み立て関係を持つ2つの部品は直接的な関係とみなされ、そうでないものは間接的な関係とみなされる。間接的な関係は、さらに位置関連と運動関連のクラスに分けられる。

位置関係とは、2つのコンポーネントが特定の空間的配置を維持するための要件を指す。

例えば、減速機では 中心距離 隣接する2つのトランスミッションシャフト間の精度を維持する必要があり、ギアの正常な噛み合いを保証するために、2つのシャフト軸は平行でなければならない。

モーション関連の関係とは、ある部品の移動軌跡が他の部品と関連していることを指す。例えば、旋盤のツールキャリアの移動軌跡は、スピンドルの中心線と平行でなければなりませんが、これはベッドレールとスピンドル軸の平行度によって保証されています。

したがって、スピンドルとレールは位置関係にあり、ツールキャリアとスピンドルは運動関係にある。

ほとんどの部品は、2つ以上の直接関連する部品を持っている。したがって、各部品は通常、他の部品と構造的に関連する2つ以上の場所を持つ。

構造設計では、熱処理方法、形状、サイズ、精度、材料の表面などを合理的に選択するために、直接関連する部品の構造を同時に考慮しなければならない。

さらに、寸法連鎖や精度計算などの間接的な関係に対する要件も考慮しなければならない。

一般的に、部品は直接関連する部品が多いほど構造が複雑になる。逆に、間接的に関連する部品の数が多ければ多いほど、要求される精度は高くなる。

1.3 構造設計における材料選択

部品設計では様々な材料を選択でき、それぞれがユニークな特性を持つ。異なる材料は異なる製造工程に対応します。

設計プロセスでは、機能要件に基づいて適切な材料を選択するだけでなく、材料の種類に基づいて適切な製造プロセスを決定する必要があります。

さらに、製造工程の要求に応じて構造を決定しなければならない。

適切な構造設計によってのみ、選択した素材を最大限に活用することができる。

設計者が部品の材料を正しく選択するためには、関連する材料の機械的特性、加工性、費用対効果を十分に理解する必要があります。

構造設計では、選択された材料とそれに対応する製造工程の特性に基づいて、さまざまな設計原則に従う必要がある。

2.機械構造設計の基本要件

機械製品はさまざまな産業で利用されており、構造設計の仕様や要件は大きく異なります。

しかし、構造設計の基本的な要件は普遍的である。以下に、機械構造設計に必要な要件を3つのレベルで概説する。

2.1 機能設計

主要な機械的要件を満たすために、技術的側面の具体化に努力が払われている。

作業原則の実行、操作の信頼性、プロセス、材料、組み立てなどの要素が扱われる。

2.2 品質設計

製品の品質と費用対効果を高めるために、さまざまな要求と制約のバランスをとることは、現代のエンジニアリング・デザインの典型である。

具体的には、操作性、美観、安全性、コスト、環境保全などである。現代のデザインにおいて、質の高いデザインは重要な位置を占めており、しばしば競争力を左右する。

主要な技術的機能を満たすことだけに焦点を当てた設計手法は時代遅れになっている。

現代の機械設計の核心は、製品の品質を向上させるために主要な機能を果たすことを前提に、さまざまな要求を調和させ、バランスを取り、適切なトレードオフを行うことにある。

2.3 最適化設計と革新的設計

最適化されたデザイン空間を構築するために、構造的なデザイン変数が体系的に使用される。選択と革新のために、創造的デザイン思考法とその他の科学的手法が採用される。

3.機械構造設計の基本原則

機械設計の最終結果は、決定された構造形式を図面で表現することである。最終的な製品は、これらの設計に従って機械加工や組立工程を経て製造される。

したがって、機械構造物の設計は、機能性、信頼性、加工性、経済性、美的形態など、製品としてのさまざまな要件を満たす必要がある。

さらに、部品の耐力を向上させ、強度、剛性、精度、寿命を向上させる必要がある。

このように、機械構造設計は総合的な技術的課題である。不合理な構造設計や誤った構造設計は、予期せぬ部品の故障を引き起こし、機械が要求される精度を達成するのを妨げ、組み立てやメンテナンスの際に多大な不便をもたらす。

機械構造設計の過程では、以下の構造設計原則を考慮すべきである。

3.1 期待される機能を実現するための設計原則

製品設計の主な目的は、あらかじめ決められた機能要件を満たすことである。

したがって、構造設計においては、期待される機能性を達成するという設計原則が第一に考慮される。この機能要件を満たすためには、以下の点を遵守しなければならない：

(1) 明示的な機能性：

構造設計は、マシン内での機能と他のコンポーネントとの相互接続に基づいて、構造のパラメータ、寸法、形状を決定する必要がある。

コンポーネントの主な機能には、荷重を支えること、運動や動力を伝達すること、関連する部品やコンポーネント間の相対的な位置や運動軌道を確保または維持することなどがある。設計された構造は、機械全体から見た機能要件を満たすものでなければならない。

(2) 機能的配分：

製品設計の際、特定の状況に基づいてタスクを合理的に委譲すること、つまり1つの機能をいくつかのサブ機能に分解することがしばしば必要になる。

各サブファンクションは、定義された構造によって支えられていなければならず、全体的な機能を達成するためには、異なる構造部分の間に合理的かつ協調的なつながりがなければならない。

複数の構造部品が1つの機能を共有することで、個々の部品の負担を軽減し、耐用年数を延ばすことができる。

例えば、Vベルトの断面構造はタスク分配の一例である。

繊維コードは張力に耐えるために使用され、ゴム充填層はベルトの屈曲時の伸びと圧縮を吸収し、布地層はプーリーの溝と相互作用して伝動に必要な摩擦を発生させる。

もう一つの例は、横荷重に耐えるために、ボルトの予締めによって発生する摩擦だけに頼っている場合であり、その結果、ボルトのサイズが大きくなることがある。この問題は、ピン、スリーブ、キーなどの耐せん断性部品を追加して横荷重を分担させることで解決できる。

(3) 機能集約：機械製品の構造を簡素化し、製造コストを削減し、据付を容易にするため、状況によっては1つの部品またはコンポーネントに複数の機能を割り当てることができる。

機能集中は部品の形状をより複雑にする可能性があるが、加工の難易度を上げ、製造コストを不用意に上昇させないよう、ほどほどにすべきである。具体的な状況に応じて設計を決定すべきである。

3.2 強度要件を満たすための設計基準

(1) 同じ強さの基準：

部品の断面寸法の変更は、次のような変化に対応する必要がある。 内部応力各セクションの強度が等しくなるように。

均等強度の原則に従って設計された構造は、材料をフルに活用できるため、重量とコストを削減できる。カンチレバー・ブラケット、ステップ・シャフトなどの設計。

(2) 合理的な力の流れの構造：

機械部品において力がどのように伝達されるかを視覚的に示すために、力を部品の中を水のように流れるものと見なし、これらの力線は力の流れに収束する。

この力の流れは、構造設計の検討において重要な役割を果たす。部品内の力の流れが途切れることはなく、力線が突然消えることもない。ある場所から別の場所に伝達されなければならない。

力流のもう一つの特徴は、最短ルートに沿って伝播する傾向があることで、その結果、最短ルート付近では力流が密集し、高応力ゾーンが形成される。

他の部分の力の流れはまばらで、力の流れが通っていないことさえある。応力の観点からは、素材が十分に活用されていない。

そのため、部品の剛性を向上させるためには、できるだけ最短の力の流路に従って部品の形状を設計し、荷重を支える面積を小さくすることで、累積変形を抑え、部品全体の剛性を高め、素材をフルに活用する。

(3) 構造物の応力集中を最小限に抑える：

力の流れる方向が急に変わると、曲がり角に力が過度に集中し、応力集中が起こる。

力の方向が徐々に変化するように設計上の対策を講じる必要がある。応力集中は 疲労強度 コンポーネントの

構造設計においては、遷移半径を大きくする、応力緩和構造を採用するなど、応力集中を回避または最小化する努力が必要である。

(4) 負荷分散構造を確立する：

期間中 機械操作慣性力やヘリカルギアの軸力など、不要な力が発生することが多い。

これらの力は、シャフトやベアリングのような部品への負荷を増大させ、その精度と寿命を低下させるだけでなく、機械の伝達効率を低下させる。ロードバランシングとは、このような不要な力の一部または全部をバランスさせ、その悪影響を軽減または除去する構造的な対策を指します。

これらの構造的対策は、主にバランス部品の使用と左右対称の配置を伴う。

3.3 構造剛性を実現するための設計ガイドライン

部品がそのライフサイクルを通じて正常に機能するためには、十分な剛性を持たせることが不可欠である。

3.4 製造工程を考慮した設計ガイドライン

機械部品の構造設計の主な目的は、機能性を確保し、製品が要求される性能を満たすようにすることである。しかし、設計の合理性は部品の製造コストと品質に直接影響します。

したがって、構造設計においては、部品機構の優れた製造性を追求することが極めて重要である。優れた製造性とは、部品の構造が製造しやすいことを意味する。

どの製造方法にも限界があり、その結果、製造コストが高くなったり、品質が損なわれたりする可能性がある。

そのため、設計者はさまざまな製造方法の特徴を熟知し、設計時にその長所を最大限に生かし、短所を最小限に抑えることが重要である。

実際の生産では、部品構造の製造性は多くの要因によって制約される。例えば、生産バッチのサイズは、ワークピースのブランクを作成する方法に影響を与える可能性があり、生産設備の条件は、ワークピースのサイズを制限する可能性があります。

さらに、成形、精度、熱処理、コストなどの要因が、部品構造の製造可能性を制限する可能性もある。

したがって、構造設計においては、これらの要素が製造性に与える影響を十分に考慮する必要がある。

3.5 組立に関する設計ガイドライン

組み立ては、製品製造プロセスにおける重要なステップであり、部品の構造は組み立ての品質とコストに直接影響する。組み立てのための構造設計ガイドラインを以下に簡単に説明する：

(1) 組み立てユニットの合理的な分割：

マシン全体をいくつかの独立した組み立てユニット（部品またはコンポーネント）に分解することで、並行した専門的な組み立て作業を実現し、組み立てサイクルを短縮し、段階的な技術検査や修理を容易にする。

(2) 構成部品が正しく取り付けられていることを確認する：

これには、部品の正確な位置決め、二重嵌合の回避、組み立てミスの防止などが含まれる。

(3) コンポーネントの組み立てと分解を容易にする：

構造設計は、レンチスペースなどの十分な組立スペースを確保すべきである。一部の段付きシャフトの設計に見られるように、組立の難易度を高め、嵌合面に損傷を与える可能性を防ぐため、過度に長い嵌合は避けるべきである。部品の分解を容易にするため、ベアリングの取り外しの場合のように、分解工具を置く位置を設けるべきである。

3.6 メンテナンスと修理のための設計ガイドライン

(1) 製品の構成は、故障率、修理の複雑さ、大きさ、重さ、設置特性などの要因に基づいて配置されるべきである。

メンテナンスが必要な部品には、容易にアクセスできるようにする。頻繁にメンテナンスが必要な故障率の高い部品や緊急スイッチは、最適なアクセス性を提供すべきである。

(2)製品、特に消耗部品、分解頻度の高い部品、追加設備は、組立・分解が容易であること。

分解・組立時に部品が出入りする経路は、直線か緩やかなカーブであることが理想的である。

(3) 点検ポイントやテストポイントなどの製品のメンテナンスポイントは、アクセスしやすい場所に配置する。

(4) 保守・分解が必要な製品は、周囲に十分な作業スペースを確保する。

(5)メンテナンスの際、オペレーターは一般的に内部作業を見ることができるべきである。通路は、保守要員の手や腕が通れるだけでなく、観察のための適切な隙間が必要である。

3.7 美的デザインのガイドライン

製品のデザインは、機能的なニーズを満たすだけでなく、美的価値も考慮しなければならない。簡単に言えば、製品は有用であると同時に魅力的であるべきなのだ。心理学的には、人間の意思決定の60%は第一印象に基づいている。

技術製品は買い手市場の商品であることを考えると、魅力的な外観をデザインすることは極めて重要な設計要件である。さらに、美しい外観の製品は、オペレーターの疲労によるミスを減らすのに役立つ。

デザインの美学は、形、色、そしてデザインという3つの側面を包含している。 表面処理.

フォルムを考える際には、調和のとれた大きさのプロポーション、シンプルで統一感のある形、色や柄による強調や装飾に注意を払うべきである。

モノクロは小さな部品にのみ適している。大きな部品、特に可動部品は、1色だけだと単調で平板な印象になる。対照的な色を少し加えることで、全体の配色を盛り上げることができる。

多色使いの場合、支配的なベースカラーがあるはずで、それに対応する色はコントラストカラーとして知られている。

ただし、1つの製品に使われる色の数は、多すぎても表面的な印象を与えてしまうので、多すぎないほうがよい。

快適な色は一般に、明るい黄色や黄緑から茶色までの範囲にある。この傾向は暖色系に向かっており、明るい黄色や緑色はしばしば不快に映り、強い灰色は圧迫感を与えることがある。

寒い環境には黄色、オレンジイエロー、赤などの暖色系を、暑い環境には水色などの寒色系を使うべきである。

すべての色は落ち着いた色であるべきだ。さらに、特定の色構成は、製品を安全で頑丈に見せることができる。

形状の変化が少なく、表面が大きい部分は明るい色で構成し、動きがあり、活発な輪郭を持つ部品は暗い色で構成する。暗い色は機械の下部に、明るい色は上部に配置する。

3.8 コストを考慮した設計ガイドライン

設計は、製品とメンテナンス作業の両方を簡素化するものでなければならない：

(1)設計時には、製品の機能性に関する費用便益分析を行う。

類似または同一の機能を統合し、不要な機能を削除することで、製品とメンテナンス作業の両方を簡素化します。

(2) 設計は、指定された機能要件を満たしながら、シンプルな構造を目指すべきである。

階層的なレイヤーやコンポーネントの数は最小限にし、パーツの形状はできるだけシンプルにする。

(3) 製品は、摩耗やドリフトに起因する一般的な問題のトラブルシューティングのために、使いやすく信頼性の高い調整機構を備えて設計されるべきである。

高価で局部的な摩耗を起こしやすい部品は、部分的な交換や修理が簡単にできるよう、調整可能または取り外し可能なアセンブリとして設計する。相互接続された部品による反復調整の必要性を避けるか、最小限に抑える。

(4) 部品は論理的に配置し、コネクターや固定具の数を減らし、点検、部品交換、その他のメンテナンス作業をより簡単で便利にする。

可能な限り、他の部品を分解、移動、あるいは最小限の分解や移動をすることなく、どの部品でも修理できるような設計にする。このアプローチにより、メンテナンス要員に要求される技術レベルと作業負荷が軽減される。