キーの強度

質問

サイズはそのままで、キーの強度を上げるにはどうしたらよいですか。

キーが軸円周上でせん断破壊をおこしました。
軸径φ70，動力7.5kＷ，回転数20rpm前後です。

もう少し詳細をかきます。鋼材搬送用チェンコンベヤです。全長は50m強、
搬送スピード30m/min、搬送重量4.5ｔ(max)。
モータは7.5kW，1/87，出力トルク3380Nm。
ドライブチェンで駆動軸に動力伝達しています。
スプロケット歯数比は1：1です。キーの必要長さは69mmと算出しましたが、
実際はスプロケット（＃120-1B20T）の幅と同じ有効長さ63mmです。

回答No.6

noname#230359 · ベストアンサー

> dainariキーが軸円周上でせん断破壊をおこしました。
> 軸径φ70，動力7.5kＷ，回転数20rpm前後です。
から、軸径φ70mmに作用するトルクは、他の回答者さんも示すように、
T＝ Ｐ[kW] ×9550÷Ｎ[rpm]＝7.5kw×9550÷/20rpm＝3581.25 [N・m］になります。
φ70mmの円周上に掛かる力は、3581.25 [N・m］÷（0.07÷2）[m]＝102321[N]
φ70mmのキーは規格上で幅20mm×高さ12mmであり、長さが63mmの選択なので、
キーのせん断応力は、102321[N]÷（20mm×63mm）＝ 81.21[N/mm^2]となります。
SS400のキーの引張強さは 400[N/mm^2]なので、そのせん断応力は1/√2≒70％の
280[N/mm^2]となり、一見 280[N/mm^2] ＞ 81.21[N/mm^2]良しと考えがちです。
しかし、盲点が２点あります。
１点目は、引張強さ基準ではなく降伏点基準で計算します。
ですから、400[N/mm^2]でなく、235[N/mm^2]が基準値になります。
235[N/mm^2]×70％＝165[N/mm^2]となります。
もう１点は、安全率です。
静荷重（荷重が一定で変化しない）でも３です。
動荷重（荷重が変化する）にてそれが一方方向の場合には、繰返し荷重とし５とします。
（荷重の変化だと、例えば 0N～100Nと変化する内容です。）
動荷重（荷重が変化する）にてそれが両方向の場合には、交番荷重とし８とします。
（荷重の変化だと、例えば－100N～(0N)～100Nと変化する内容です。）
その他に、衝撃荷重が掛かる場合には、１２とします。
モータが一方方向だけ回転すれば繰返し荷重の５だし、モータが正転と逆転を繰り返す
なら交番荷重の８です。
軽い方の繰返し荷重の安全率５にて許容せん断応力を計算をしますと、
235[N/mm^2]×70％＝165[N/mm^2]
165[N/mm^2]÷５（安全率）＝33[N/mm^2]となります。すると、
33[N/mm^2] ＜ 81.21[N/mm^2] となり、差も大きいので比較的早くせん断破壊します。
SS400をキーで使用することはあまりありませんが、軟鋼の場合は似たようなもので、
計算内容も同様です。

それなら、他の回答者さんも記述のS45Cの調質材と焼入れ焼戻し材等をキーに使用したら、
　　　　　　　　　　　　　　　引張強さ　　　　　　　　降伏点
＊ S45C調質材　　　　　　　568～705[N/mm^2]　　　　343～421[N/mm^2]
＊ S45C焼入れ焼戻し材　　　686～823[N/mm^2]　　　　490～617[N/mm^2]
＊ S55C調質材　　　　　　　646～793[N/mm^2]　　　　392～470[N/mm^2]
＊ S55C焼入れ焼戻し材 　　 784～940[N/mm^2]　　　　588～735[N/mm^2]
から、
S45C焼入れ焼戻し材と、S55C焼入れ焼戻し材で計算すると、
S45C焼入れ焼戻し材は、490[N/mm^2]×70％÷５（安全率）＝140[N/mm^2]
S55C焼入れ焼戻し材は、588[N/mm^2]×70％÷５（安全率）＝168[N/mm^2]
交番荷重では、
S45C焼入れ焼戻し材は、490[N/mm^2]×70％÷８（安全率）＝87.5[N/mm^2]
S55C焼入れ焼戻し材は、588[N/mm^2]×70％÷８（安全率）＝105[N/mm^2]
と、81.21[N/mm^2]より上となりますが、交番荷重の使用方法ではS55C焼入れ焼戻し材
を使用した方がよいでしょう。（小生はそのようにします）

キーの強度確認は、せん断の他にもあるので、合わせて計算確認をしておきましょう。

訂正です。
T＝ Ｐ[kW] ×9550÷Ｎ[rpm]＝7.5kw×9550÷/20rpm＝3581.25 [N・m］になります。は、
T＝ Ｐ[kW] ×9550÷Ｎ[rpm]＝7.5kw×9550÷20rpm＝3581.25 [N・m］になります。です。

衝撃荷重は、例えば搬送重量4.5ｔ(max)の物を、搬送スピード30m/minで搬送していて、
停止時はモータのブレーキを掛けて急激に停止させるような状況です。
この場合は、もっと焼き入れ硬度が上がる材料を使用することになりますが、現実性に
乏しい状況です。（一般的には、そのようなキーの使用方法をしないが理由です）
ですから、キーの長さを長くするか、キーレスの締結金具を使用するかします。

後、記述内容の検証を少ししておきます。
> モータは7.5kW，1/87，出力トルク3380Nm。
T[N・m］＝ Ｐ[kW] ×9550÷Ｎ[rpm]から、
3380Nm＝7.5kw×9550÷Ｎ[rpm]にて、Ｎ[rpm]＝21.2rpm
21.2rpm÷（1/87）＝1844rpmにて、モータは４Ｐ（ホール）で60Ｈz区域で使用かな？

資料やデータの基になっているURLは、

SS400の機械的性質は、
http://www.kikaikaihatu.com/sekkei/zairyou/tekkou.htm

安全率や許容応力は、
http://kousyoudesignco.dip.jp/ZAIRIKI-ANZEN.html
（表の中などのコメントがミス掲示しているところがありますから、要注意）
http://www.nams.kyushu-u.ac.jp/~yasuzawa/strength/alwbl-str.htm

繰り返し荷重と交番荷重の違いなどは、
http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/design/ch02/ch02_01.html
（他の項目も確認するとよい。最下部をクリックするとジャンプします。）
http://www.crane-club.com/study/dynamics/load.html
（力の掛かる速度による荷重の分類）です

S-C材なま（熱処理していない）材の機械的性質は、（熱処理も記載）
http://www.forming.co.jp/database/pdf/csmsu-2.pdf

S-C材の調質材と焼入れ/焼き戻し材の機械的性質
http://www.kikaikaihatu.com/data/20090316dat.htm

を確認下さい。

そして、そろそろ評価して、閉じましょう。
次の投稿の「駆動軸の強度」を記述していることだし。

お礼

この案件、結果的に
モータ　15kW,1/71
駆動軸　φ70のままでS45C生材,
スプロケット　出力側:#100-2B24T　駆動軸側:#100-2C24T,
キー　南海工業「焼key」有効長さ:110?,
になりました。
回答は、大変詳しく記述していただき有難うございました。
おおいに、今後の参考になると思います。

回答No.5

noname#230359

ううーん、トルクとキーの長さから強度不足なのでしょうねぇ、やはり・・・
スプロケットをＣ型に変え、ボス長さを増やしキーに掛る荷重を少なくする
方法もありそうです。しかし、そうなると軸自体も気になるな。それとショック
リレーなどを設置して実際の最大トルクに制限をかけてしまう方法もあるかもね
兎に角、何が原因で破損したのかっという所を明確にしておきたいものです

お礼

ありがとうございました。

回答No.4

noname#230359

T=kW*9550/N=7.5*9550/20=3581.25 [N・m］から

また、一般的にキーの引張強さをS45C；600 [N/mm2］した場合
許容面圧及び許容せん断応力をσp=110 [N/mm2］、τs=62 [N/mm2］とすれば
下記URLにあるように、各々250、83mmのキー長さが必要と算出できます
ただし、これは衝撃が少ない場合です。衝撃が大きくなれば更に安全率を見込み
許容応力を少なく見積もらなければなりませんから、恐らく強度不足と思われる

キーの設計をする場合には、大抵、面圧が許容応力を下回ってしまうことが多い
キーをS45C調質としてσy=490→σp=490*0.3=147 [N/mm2］、τs=85 [N/mm2］
キー長さ80mm以上として、2本にすれば衝撃が少なければ行けるかも知れない

私的にはキーを２本使ったことはないので、先のは、お勧めはできませんね
更に強度の大きいキー材を使う方法はあるかも知れないが、やったことが無い
また 岩魚内 さんが言う通り、全てを見直さないと弱い所から次々と破壊する
可能性があります。軸の回転曲げ疲労強度など軸やボス強度も見直しが必要

まてよ・・・パワーロックを使う手が、残っていましたね
しかし、キー溝が残っているのでは難しいな。軸も交換できれば良いかも
実際のキー長さと、衝撃力の有無などの使用環境が一番ネックになりそうです

URLのリンクが取れて無かったですね・・・

キーの面圧
http://ebw.eng-book.com/heishin/vfs/getAlias.jsp?c046c4cc50a0c5e2f97fc291f3908390

キーのせん断
http://ebw.eng-book.com/heishin/vfs/getAlias.jsp?977c3ac005bc1cf45358eabbea1ef8fb

参考URL：

http://ebw.eng-book.com/heishin/IntensityOfKey_compression_calculation.do http://ebw.eng-book.com/heishin/IntensityOfKey

お礼

ご回答ありがとうございました。参考になります。

回答No.3

noname#230359

機器は何でしょうか。
また軸取り付けはプーリ、スプロケット等何でしょうか。
モータ軸側キーですか、モータにより従動する回転体側きーですか。

破砕機のような衝撃荷重が連続する　とかもう少しデータはありませんか。
ノーマルキーで、多少ガタ気味で取り付けられ、衝撃荷重が連続してシャフトを削ったなどということはありました。
保全屋としては発生状況が気になります。

お礼

ありがとうございました。

回答No.2

noname#230359

ミスミ・カタログ
　　http://fa.misumi.jp/pdf/fa/p1387.pdf
　　JIS B 1301-1996（新JIS規格）引張強さ 600 N/mm2以上
　　材質は S45C ナマ　および HRc25～30 に焼入れしたもの

他からデータ引くと
材質S45C　無処理または焼準　620 N/mm2　HB190min
　〃　　　焼入焼戻　　　　　850 N/mm2　HB253

ナマを使っていたなら焼入にすると４割ぐらいは強度アップ。
それ以上は軸、ボスとの強度が絡んくるからトータル的に検討が必要で、キーだけ強くするのは危ないです。

お礼

ありがとうございました。

回答No.1

noname#230359

問題点は？
キィーがヘタル？・・・トルクオーバー？？交番応力？？
単純に強度を上げるなら、材質と熱処理を変える　　　ですが、
原因究明（強度を上げる必要性）が先かと、、、、。

お礼

ありがとうございました。