機械製品はあらゆる分野で使用されており、構造設計の内容や要件は多岐にわたります。しかし、さまざまな業界の機械構造の設計には、依然として同じ共通部分があります。
機械設計の最終結果はある構造形式で表現され、設計された構造に従って加工、組み立てされて最終製品が製造されます。
したがって、機械構造設計は製品の多面的な要件を満たす必要があります。基本的な要件には、機能、信頼性、職人技、経済性、外観が含まれます。
さらに、強度、剛性、精度、寿命を向上させるために、部品の応力を改善する必要があります。
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したがって、機械構造の設計は総合的な技術作業となります。
構造設計が間違っていたり、無理があると、部品や部品に過度の故障が発生し、機械が設計要求を満たさなくなり、組立やメンテナンスに多大な支障をきたす可能性があります。
機械構造の設計プロセスでは、次の 8 つの構造設計基準を考慮する必要があります。
01期待される機能を実現するための設計指針
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達成することであるため、構造設計では、期待される機能を達成するための設計基準が最初に考慮されます。
機能要件を満たすには、次のことを行う必要があります。
(1) 機能の明確化：構造設計とは、機械内での機能や他の部品との接続関係に基づいて、パラメータの大きさや構造形状を決定することです。
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部品の主な機能は、荷重に耐え、動きと動力を伝達し、関連する部品やコンポーネント間の相対位置や動きの軌道を確保または維持することです。
設計された構造は、機械全体の機能要件を満たすことができる必要があります。
(2) 機能の合理的な割り当て: 製品を設計する場合、特定の状況に応じてタスクを合理的に割り当てる、つまり機能を複数のサブ機能に分解することが通常必要です。
各サブ機能は特定の構造的責任を負う必要があり、全体の機能を実現するには、構造のさまざまな部分間に合理的かつ調整された接続が存在する必要があります。
同じ機能を持つ複数の構造部品により、部品への負担が軽減され、部品の寿命が長くなります。
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Vベルト部の構造は合理的な作業分担の一例です。
繊維ロープは引張力に耐えるために使用されます。ゴム充填層はベルトが曲がったときの張力と圧縮に耐えます。布層がプーリーの溝と相互作用して、伝達に必要な摩擦を生成します。
たとえば、横方向の荷重に耐えるためにボルトのプリテンションによって生成される摩擦のみに依存する場合、ボルトのサイズが大きくなりすぎます。この問題を解決するには、ピン、スリーブ、キーなどのせん断抵抗要素を追加して横方向の荷重を分散できます。 。
(3) 機能集中：機械製品の構造を簡素化し、加工コストを削減し、取り付けを容易にするために、1 つの部品またはコンポーネントが複数の機能を担う場合があります。
機能を集中すると部品の形状が複雑になりますが、適度にしないと加工技術に影響が出たり、加工コストが上がってしまいます。設計は特定の状況に基づいて行う必要があります。
02強度要件を満たすための設計基準
(1) 均等強度基準：各断面の強度が均等になるように、部品の断面寸法の変化を内部応力の変化に適応させる必要があります。
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等強度の原則に基づいて設計された構造により、材料を最大限に活用し、軽量化とコスト削減を実現します。片持ちブラケットや段付シャフトの設計など。
(2) 合理的な力の流れの構造：機械部品における力の伝わり方を直感的に表現するために、力を部品内を流れる水とみなして、この力線が収束して力の流れとなります。
この力の流れを表現することは、構造設計の検討において重要な役割を果たします。
コンポーネント内での力の流れが中断されることはなく、力の線が突然消えることもありません。それはある場所から別の場所へ伝達されなければなりません。
また、力の流れは最短経路に沿って伝わりやすいという特徴もあり、最短経路付近では力の流れが密になり、高応力領域が形成されます。
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他の部分の力の流れはまばらであるか、まったく存在しないことさえあります。応力の観点から見ると、材料は十分に活用されていません。
したがって、コンポーネントの剛性を向上させるには、力の流れの最短経路に従って部品の形状を設計し、荷重がかかる領域を減らす必要があります。これにより、累積変形が小さくなり、剛性が向上します。部品全体の性能を向上させ、素材を最大限に活かします。
(3) 応力集中構造の軽減：力の流れの方向が急激に変化すると、その転換点で力の流れが濃くなりすぎて応力集中が発生します。設計においては、力の流れがスムーズに回転するように構造上の対策を講じる必要があります。
応力集中は部品の疲労強度に影響を与える重要な要素です。
構造設計時には、応力集中を可能な限り回避または軽減する必要があります。
余剰フィレットを増やす、アンロード構造を採用するなどの方法を該当章で紹介します。
(4) 負荷構造のバランスをとる：機械が作動すると、慣性力やヘリカルギヤの軸力などの無駄な力が発生することがよくあります。これらの力は、シャフトやブッシュなどの部品への負荷を増加させるだけでなく、精度と寿命が短くなります。 、また機械の伝達効率も低下します。
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いわゆる負荷分散とは、悪影響を軽減または排除するために、力を加えずに部分的または完全に負荷のバランスをとるための構造的措置を講じることを指します。
これらの構造対策は主にバランスのとれた要素、対称的な配置などを採用しています。
03構造剛性の設計基準を満たす
耐用年数中に部品がその機能を適切に実行できるようにするには、部品に十分な剛性が必要です。
04加工技術の設計基準を考える
機械部品の構造設計の主な目的は、製品の機能を確実に実現し、要求される性能を実現することです。
しかし、構造設計の結果は、製品部品の製造コストや品質に少なからず影響を及ぼします。
したがって、構造設計においては、製品が優れた加工技術を備えていることを確保するよう努める必要があります。
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いわゆる加工技術が良いとは、部品の構造が加工しやすく、製造しやすいことを意味します。どの加工方法でも構造によっては製造できない場合や、製造コストが高くなったり、品質に影響を与えたりする場合があります。
したがって、設計者は加工方法の特性を理解し、その長所を最大限に生かし、短所を回避して構造を設計することが非常に重要です。
実際には、部品の構造上の製造可能性は多くの要因によって制限されます。たとえば、生産バッチのサイズはブランクの生成方法に影響します。生産設備の条件によりワークピースのサイズが制限される場合があります。さらに、形状、精度、熱処理、コストなどの側面も影響を受けます。コンポーネント構造の職人技に制限的な影響を与える可能性があります。
したがって、構造設計では、上記の要因が加工性に及ぼす影響を十分に考慮する必要があります。
05組み立て時の設計ガイドラインを検討する
組立は製品の製造工程において重要な工程です。部品の構造は、組み立ての品質とコストに直接影響します。
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アセンブリの構造設計ガイドラインを以下に簡単にまとめます。
(1) 組立ユニットの合理的な分割: 機械全体を複数のユニット (コンポーネントまたはアセンブリ) に分解でき、それらを個別に組立てて、並行かつ特殊な組立作業を実現し、組立サイクルを短縮し、レベルごとの作業を容易にすることができる必要があります。レベルの技術的な検査とメンテナンス。
(2) 部品が正しく取り付けられていることを確認します。部品の正確な位置を確認し、二重調整を回避し、組み立てミスを防ぎます。
(3) 部品の組立・分解を容易にする：構造設計上、レンチスペースなど十分な組立スペースを確保する必要があります。一部の段付きシャフトの設計など、組み立てが難しくなり、合わせ面に傷が付くのを避けるために、過度に長い嵌合を避けてください。部品の分解を容易にするために、ベアリングの分解など、分解ツールの場所を示す必要があります。
06メンテナンスや修理の設計基準を考える
(1) 製品の構成は、故障率、メンテナンスの容易さ、サイズと品質、設置特性に応じて調整する必要があります。修理が必要なすべての部品やコンポーネントにはアクセスしやすい必要があります。故障率 頻繁なメンテナンスと緊急スイッチを必要とする最も高い部品には、最適なアクセス性が必要です。
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(2) 製品、特に摩耗部品、頻繁に分解される部品、追加装備の分解と組立は、簡単である必要があります。分解・組立時の部品の出入り経路は直線または緩やかな曲線としてください。
(3) 製品の検査ポイント、テストポイント、その他のシステム保守ポイントは、アクセスしやすい場所に配置する必要があります。
(4) 保守・分解を必要とする製品は、周囲に十分な作業スペースを確保してください。
(5) 内部動作は通常、メンテナンス中に見えるようにする必要があります。通路には、保守要員の手や腕が入るだけでなく、観察のために適切な隙間も残しておかなければなりません。
07スタイリングデザインのガイドラインを考える
製品のデザインは、機能要件を満たすだけでなく、人々を魅了する製品形状の美的価値も考慮する必要があります。
心理学の観点から見ると、人の意思決定の 60% は第一印象に依存します。
技術製品の社会的属性は商品です。買い手市場の時代においては、顧客を惹きつける製品の外観をデザインすることが重要なデザイン要件となります。同時に、見た目の美しい製品は、オペレーターの疲労による誤操作を軽減します。
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外観デザインには、形状、色、表面処理の3つの要素が含まれます。
スタイリングを考えるときは、調整されたサイズの比率、シンプルで統一された形状、色やパターンのサポートと装飾に注意を払う必要があります。
単色は小さなウィジェットにのみ使用されます。
大きくて特に動くコンポーネントは、1 色だけを使用すると単調でレイヤーレスに見えます。小さなカラーブロックを追加すると、トーン全体が生き生きとします。
複数の色が共存する場合、支配的な背景色が存在する必要があり、背景色に対応する色を対照色と呼びます。
ただし、製品では、さまざまなトーンの数が多すぎてはなりません。色が多すぎると、派手な印象を与えてしまいます。
快適な色は、淡黄色、緑がかった黄色、茶色まであります。
この傾向はますます暖かくなり、黄色と緑は不快に見えることがよくあります。強いグレーの色調は憂鬱に見えます。
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寒い環境では、黄色、オレンジ、赤などの暖色を使用します。
暑い環境では、ライトブルーなどの寒色を使用します。
すべての色をトーンダウンする必要があります。
さらに、特定の色の構成により、製品が安全で安定しているように見えます。形状変化が小さく面積が大きい平面は明るい色で配置し、動きのあるアクティブな輪郭を持つコンポーネントは暗い色で配置する必要があります。暗い色はマシンの下部に、明るい色は上部に配置する必要があります。
08コストを考慮した設計指針
製品およびメンテナンスの操作は、設計時に簡素化する必要があります。
(1) 製品の設計、分析、評価を行う際に、同一または類似の機能を統合し、不要な機能を削除して、製品と保守の運用を簡素化します。
(2) 設計にあたっては、所定の機能要件を満たしつつ、構造をシンプルにし、製品レベルや部品単位の数を極力減らし、部品の形状を簡素化する必要があります。
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(3) 製品は、摩耗やドリフトによって引き起こされる一般的な故障を排除するために、できる限りシンプルで信頼性の高い調整機構を備えて設計する必要があります。
局所的な磨耗が起こりやすい貴重な部品は、局所的な交換や修理を容易にするために、調整または取り外し可能なアセンブリとして設計する必要があります。相互に関係する調整の繰り返しを避けるか、減らしてください。
(4) 各部品の位置を合理的に配置し、接続部品や固定部品を削減し、部品の点検や交換などのメンテナンス作業を容易にします。部品を修理するときは、分解しない、移動しない、または分解を少なくし、他の部品の移動を少なくして、メンテナンス担当者のスキル レベル要件と作業負荷を軽減するようにしてください。
