キーの使い方について

質問

お世話になります
例えば、２つのドライブシャフトをフランジで接続する場合にキーを用いた時、キーはシャフト軸方向に取り付けられますよね。これを、フランジに軸に対して直角方向にキー溝を掘ってキーを挿入し、フランジを接続するようなキーの使い方は正しいのでしょうか。マイナスドライバーで回しているようなイメージです。この場合、適切な本数のボルトで締結しており、ボルト軸力によるフランジ間の摩擦で動力を伝達していると思いますが、この場合、キーが必要なのか疑問に思いました。いろいろと教科書を見てみましたが、どこにもこのような使い方を掲載しておりません。自分としては間違いだと思いますが、みなさんはどのように考えますか？

当該装置（大きい装置です）にて、トルクとキーの断面極２次モーメントから計算して、キー端部に800N/mm2もの応力が作用するような計算結果を得ました。元々の計算を拝見しましたが、せん断がキー断面に均等に作用するような評価方法で、こりゃあかんと思った次第でした。
この場合、ボルトが緩んでキーにトルクが作用しだすと、キーあるいはキー溝が壊れる可能性があると思いました。（材質にもよるでしょうが、ちなみにキー45C、フランジ25C）また、位置決めにしても、理論上１平面しか合わせることが出来ず、これでは位置決めにすらならないのではないでしょうか。
キーを大きくすればいいのかもしれませんが、やはり、そもそもの考え方がおかしいのではないか、と思った次第です。オルダム継手は、芯ずれをカバーするための継手だと思います。今回の継手とは目的がすこし違うような。。自分としては、円状の嵌合で位置決めして、ボルトのみで接続するのが妥当のような気がしますがいかがでしょうか。他の製品を見ても、ボルトでつないでるものは、円状の嵌合のみでした。

古い船舶のプロペラシャフト接続部分に同様の構造を発見しました。理論的には適当ではない構造と思いますが、昔から使われてきた構造ということで、全くもってNGというわけでもないのかな、、ということで、一応満足。

800N/mm2は、軸トルクをキーの断面極2次係数Zpで単純に割ったもので、誤りは有りません。もしボルトが緩んだら、キー周辺は壊れると思います。
外国人エンジニアと議論しましたが、構造的には間違っている、という結論では有りましたが、いままで問題ないならいいんじゃないの、って言われました（笑）

ところで、土木関係では摩擦継手は頻繁に用いられていますが、機械関係ではどうなんでしょうか。ジョイント類はいろいろありますが、ボルト軸力の摩擦のみでジョイントする方法について、指針、解説、研究ってなされているんでしょうか。探しているんですが、適当なテキスト、設計例を見つけることができません。摩擦力で力を伝えるという考え方は、機械分野では主流ではない？

文字で技術的内容を伝えることは難しいですね。図がないと、、
質問の趣旨を変えたのですが、伝わらないようなので、ここで終了させて頂きます。

ところで、ここにはいろんな業界、経歴、技術をお持ちの方がいらっしゃると思います。それぞれの立場、考え方など様々でしょう。しかし、自分で考えろ的解答はいかがなものかと思います。自分で考えて、周りにも相談して、いろいろ調査して、わからなかったから質問しています。ただでさえ情報が伝わりにくい、文字のみのやり取りですから、誤解に発展する可能性が高いと思います。

当方の質問に答えてくださった皆様に、感謝いたします。ありがとうございました。

回答No.2

noname#230359 · ベストアンサー

軸心をあわせるのが難しいので個人的には好きでは有りませんが、そのような構造を採用されているところもあります。
ボルトだけだと緩んだときにまずいので、キーで確実にトルク伝達をするという考えより、一概には間違いと言えないと思います。

回答No.9

noname#230359

構造的には間違ってない
テーパーシャンクドリルなんかそうなってる
（１００％その部分で受けるのではないが）

ハンドタッパーなんかもそうなってる
（■の部分で）

クラッチ構造でもそんなのはある
衝撃荷重がいいのかよという突っ込みがあるので
問題は累積しようだが

鋼材としてキーを採用し
それが成り立つのかは
自分で検討しないといけない

補足

作用トルクと材料強度の関係で、問題ない場合もあるということ
自分で検討して、おかしいなと考えて、質問した

回答No.8

noname#230359

回答（６）です。
補足要求をしたのですが、追記情報量が少ないので、一方的な想像で記述します。

さて、キーはフランジ接続のボルトとその穴が嵌合になっていないので、ボルト保護のために
使用されていると想像します。（ボルトがリーマボルトで、穴がリーマ穴となっていない）
昔は、ＮＣマシーンが高価であり、フランジ接続時に、
★ インローにて、軸芯を合わせる
★ 回転方向をキーで合わせ、ボルトにせん断応力を直接掛けない構造にする
が一般的でした。≪小生が関連した企業ではそうでした≫
そして、ＮＣマシーンが一般的になると
★ インローにて、軸芯を合わせる
★ 回転方向を使用している全てのボルトで合わせる
　 ボルトをリーマボルトにして、穴をリーマ穴として位置を決めると共に、接続面にねじ山
　 がもってこない構造にして、ボルトへの集中応力を防ぐ構造にする
に、変更になりました。
≪キー合わせする技術者もだんだん少なくなり、品質確認も難しくなってきたことも要因≫

＞ 800N/mm2は、軸トルクをキーの断面極2次係数Zpで単純に割ったもので、誤りは有りません
に関してですが、これはねじり応力の求め方です。
軸トルク ÷ {（キーの幅）×（キーの長さ）×（軸芯 ～ キーの重心位置までの距離）}
と考えます。≪小生が想像しているキーの使用方法では…≫

以上、一方的な想像で記述しましたが、内容は理解していただけましたか？

補足

＞ 800N/mm2は、軸トルクをキーの断面極2次係数Zpで単純に割ったもので、誤りは有りません
に関してですが、これはねじり応力の求め方です。
軸トルク ÷ {（キーの幅）×（キーの長さ）×（軸芯 ～ キーの重心位置までの距離）}
と考えます。≪小生が想像しているキーの使用方法では…≫

だから、キーにねじりが作用するような使い方はNGじゃないのか、というのが質問の趣旨です。ご提示された式のような使い方ならば、問題ないと思います。

回答No.7

noname#230359

キーに 800N/mm2 もの負荷が掛かるとは、その先はどうなっているのでしょうか？

ドライブシャフトどうしをフランジで接続し、キーがその中にある。
ならフランジ径はドライブシャフト径より大きくして、キーの受圧面積を大きくするはずが、フランジ径が小さすぎるか、またはドライブシャフト径が小さくて、それにも過大な負荷が掛かっているかの、いずれかが根本にあるのでは？

同じ構造を持つ市販品があるようです。

　　http://www.k7-jp.com/pro_k.html
　　JIS B1451（フランジ形継手）に基づく構造のシンプルなオルダムタイプのカップリング

ＪＩＳとの対比でこれを『基づく構造』というのか少し疑問。

これにしても、シャフトとフランジはキーで固定だから、所詮はその強度以上のトルク伝達は出来ない。 800N/mm2 なのは相変わらず疑問。

ＪＩＳのフランジ形固定軸継手は、リーマーボルトを Ｈ７／ｈ７ のはめあいにして、それで荷重を受ける考え方。
それにキーを付け加えると後先がいずれになるか曖昧、責任なすりあい的で私はこのような設計は嫌いです。

＞もしボルトが緩んだら、キー周辺は壊れると思います。

どのような構造でも同じかと

回答No.6

noname#230359

何かが変です。（質問内容からの小生がイメージした内容も含めまして…）

さて、
＞ 当該装置にて、トルクとキーの断面極２次モーメントから計算して、キー端部に800N/mm2
＞ もの応力が作用するような計算結果を得ました
の計算過程データ提供はできますか？

また、
＞ 適切な本数のボルトで締結しており、ボルト軸力によるフランジ間の摩擦で動力を伝達
＞ していると思いますが、…
のボルトはリーマボルトを使用して、フランジ間部分はボルトのリーマ部分ですか？
それとも、通常のねじでねじ山部分がフランジ間にきたり、取付穴径とボルトの径に
0.*mm ～ #mmのガタが設定されているのでしょうか？
＞ ボルト軸力によるフランジ間の摩擦で動力を伝達
記述なら、後者をイメージします。

推測していくには、情報が少ないです。
前述の２つの補足要求からの情報提示で、推測が少しできます。

回答No.5

noname#230359

理屈だけで言うと、トルクによるキーへのせん断応力は軸の断面で見れば均一で
は無い。つまり外側になるほど大きくなるのは、イメージできますか？
となれば、トルクを伝達できるのは外側の一部分だけになるから内側は無駄です
つまり、そのような有っても壊れなければ良いが、とても非効率的と思います

素直に市販の軸継手を使えないくらい？大きなサイズで有れば尚更でしょうか
どれ位大きいのか具体的でないため、何ともこれ以上は空論になってしまいます
物事は全てまづ理屈で考えてみる。それが一般的な機械設計者のやることと思う

回答No.4

noname#230359

イメージとしてフランジ同士で軸を繋いでトルクをかける構造で
いいのですかね？

中心部にインローなどあれば芯だしはできそうですが、
加工の精度上どうしても緩めのキー溝になってしまいそうです。
そのため、せん断応力も均等には作用しないので、強度計算も困難では無いでしょうか？

一般的には、中心部にインローを設け芯出しを行い、比較的外側に
位置決めピン、又はノックピンを打つと思われます。

また機械スペースがあるならボルトナット構造にし、ハードロックなどの
緩み防止タイプを選択すると思います。

私もアウトだと思います。（少なくとも自分では採用しない案です）

私の習った設計では、基本的にボルトにはせん断応力を掛けない
（すでに引っ張りを十分に与えている為せん断に耐えられない）
そのためピンなどを配置する。というものでした。

厳密にはおっしゃるように摩擦力による保持が基本になりますが、
すべる可能性が衝撃などにより0ではありません。
この際にトルクを受けいるだけのピンなどの拘束を行う必要があると
思います。

補足

なるほど、中心にインローで芯出し、外側に位置決め、ということですね
当然ピン類にはトルクはかけない、ボルト締結による摩擦力により、トルクを伝達するという思想ですよね

結局、質問で書いたようなキーの使い方は、私はアウトと思います（使えないこともないでしょうが、標準的とは言えない）が、Nさんはどう思われますか。

回答No.3

noname#230359

キーとしては間違ってるような気もするが

キーを鋼として使う分には間違ってない

それで機能するかどうかは自分で計算するなり
試験するなりしなければならない

回答No.1

noname#230359

参考資料の最終ページの「オルダム軸継手」

見方次第ですが、軸に直交するキーを使ってトルクを伝達する継手と
みることができるように思います。

如何でしょうか。

参考URL：

http://www.rmc.mce.uec.ac.jp/webclass/MachineMechanismDesign/Key_and_Coupling.pdf