シャフトの目的と分類
シャフトの主な機能：回転部品の支持、運動と動力の伝達
耐荷重による分類：
- 回転シャフト：運転中の曲げモーメントとトルクの両方に耐える
- スピンドル：ベアリングのみの曲げモーメント
- トランスミッションシャフト：曲げモーメントではなく、トルクだけを受ける（または曲げモーメントが非常に小さい）
軸の形状による分類：
- クランクシャフト：クランクシャフトコネクティングロッドは、回転運動と往復運動の相互変換を実現することができます。
- ストレートシャフト
- 光軸：形状が単純、加工が容易、応力集中源が少ない。
- ステップシャフト：シャフト上の部品の組み立てと位置決めが容易。
固形かどうかによる分類：
- ソリッドシャフト：一般
- 中空シャフト: シャフトの質量を減らす; 特別な要件のためにシャフトに他の部品を取り付ける; 特に重要な機能を持つ機会; 内径と外径の比率は、一般的に0.5〜0.6です。
- ワイヤーフレキシブルシャフト(Wire flexible shaft)：柔軟性に優れ、回転運動を閉空間に柔軟に伝達できる。
シャフト設計の主な内容
構造設計
構造形式
寸法
作業能力計算
強度：ほとんどの場合、シャフトの強度計算だけが必要です。
剛性：高い剛性が要求されるシャフトや、大きな力がかかる細身のシャフトについては、剛性計算を行う必要があります。
振動安定性：高速で運転されるシャフトについては、振動安定性の計算を行う必要があります。
シャフト材質
炭素鋼、合金鋼
最も一般的に使用される45スチール
合金鋼の使用場面：大出力の伝達、小型・軽量化、ジャーナルの耐摩耗性の向上、高温または低温条件下で使用されるシャフトなど。
通常の使用温度（200℃以下）では、各種炭素鋼と合金鋼の弾性率はほぼ同じであるため、鋼の種類を選択し、鋼の熱処理方法を決定する場合、基本は強度と耐摩耗性であり、シャフトの曲げ剛性やねじり剛性ではない。
各種熱処理（高周波焼入れ、浸炭、窒化、シアン化など）や表面強化処理（ショットピーニング、圧延など）は、シャフトの疲労強度向上に大きな効果を発揮する。
シャフト構造設計
シャフト構造設計：シャフトの合理的な形状＋すべての構造寸法
シャフト構造に影響を与える要因：
1.機械におけるシャフトの取り付け位置と形状
2.シャフトに取り付ける部品の種類、サイズ、数量、接続方法。
3.荷重の性質、大きさ、方向、分布。
4.シャフト加工技術
シャフト構造の設計要件：
- シャフトとシャフトに取り付けられた部品は、正確な作業位置でなければならない。
- シャフトの部品は、取り付け、分解、調整が容易でなければならない。
- シャフトは製造加工性に優れていなければならない。
シャフトを注文する際に注意すべき質問
トランスミッションシャフトは、機械式トランスミッションシステムの中核をなす部品です。実は、購入前に明確にしておかなければならないことがいくつかある。1つ目は、シャフトの直径、長さ、材質、表面処理などの仕様です。2つ目は材質です。一般的に使用される材質には、スチール、アルミニウム合金、チタン合金などがあります。ニーズや仕様に応じて適切な材料を選択する。もう一つは慣性モーメントで、これは物体が元の回転状態を維持する能力を測定する物理量です。ドライブシャフトを購入する際には、その慣性モーメントがニーズに合っているかどうかを検討する必要があります。慣性モーメントが大きすぎると、始動時や変速時に不安定になったり、振動や騒音の原因になったりすることがあります。さらに、精度と公差があります。精度や公差が大きすぎると、振動や騒音、摩耗などの問題を引き起こす可能性があります。したがって、ドライブシャフトを購入する際には、その精度と公差がニーズに合っているかどうかに注意する必要があります。最後に、価格の問題です。
1.炭素鋼35、45、50のような高品質の炭素構造用鋼は、その高い包括的な機械的特性のために広く使用されており、中でも45鋼が最も広く使用されている。機械的性質を向上させるためには、焼ならしや焼入れ・焼戻し処理を行う必要がある。重要でないシャフトや応力の少ないシャフトには、Q235やQ275などの炭素構造用鋼を使用することができる。
2.合金鋼は高い機械的特性を持つが、高価であり、特殊な要求のあるシャフトに使用されることが多い。例えば、すべり軸受を使用する高速シャフトには、20Crや20CrMnTiなどの低炭素合金構造用鋼が一般的に使用される。浸炭焼入れ後、シャフトネックの耐摩耗性を向上させることができる。機械のローターシャフトは、高温、高速、高負荷の条件下で作業する場合、良好な高温機械特性を持たなければならない。40CrNiや38CrMoAlAなどの合金構造用鋼がよく使われる。シャフトのブランクは、鍛造品が優先され、次いで鋼が優先されます。サイズが大きい場合や構造が複雑な場合は、鋳鋼やダクタイル鋳鉄が検討されます。例えば、クランクシャフトやカムシャフトの製造にダクタイル鋳鉄を使用すると、低コスト、振動吸収性が良い、応力集中の影響を受けにくい、強度が高いなどの利点があります。軸の機械的モデルは梁であり、その大部分は回転する必要があるため、その応力は通常、対称的な周期的応力となります。故障の形態としては、疲労破壊、過負荷破壊、過度の弾性変形などが考えられます。通常、軸には車輪の付いた部品を取り付ける必要があるため、ほとんどの軸は切削量の大きい段付き軸にする必要があります。
