軸 (機械要素)

軸（じく）

軸は、回転により動力を伝える機械要素であり、一般的には回転運動を支える重要な役割を果たしています。そのため、軸は「動力の中心」として比喩的に使われることもあります。たとえば、「枢軸国」という表現があるように、特定の中心的な役割を持つものを指す場合に用いられます。

種類

軸にはいくつかの種類があり、それぞれ特定の用途や特性を持っています。以下で各種類について詳述します。

車軸（Axle）

鉄道車両や自動車において車輪を支えるために使用される軸です。車軸は、アクスルまたはスキュワとも呼ばれ、車輪のクランクを回転させる役割を担っています。

主軸（Shaft）

一般的な機械において使用される軸であり、高い精度と耐磨耗性が求められます。主軸は、モーターなどの動力源からの回転力を多くの場合、他の部品に伝達するために利用されます。

プロペラ軸（Propeller shaft）

動力源から特定の部品へ動力を効率よく伝達するための軸です。特に船舶や航空機などの動力を伝える用途で使用されることが多いです。

クランク軸（Crank shaft）

回転運動を往復運動に変換するために設計された軸で、エンジンにおいて非常に重要な部品となります。

軸の力学

トルクを受ける軸

モーターなどからの動力を受け取る軸について考えた場合、動力の大きさを P (W)、トルクを T (Nm)、回転数を n (rpm) とすると、次のような関係が成り立ちます。

$$
P = \frac{2 \pi n T}{60}
$$

この式を用いることで、軸にかかる動力を明確に表現することができます。

また、軸の直径を決定する際には次の式が使用されます。

$$
d \geq \left(\frac{16 T}{\pi \tau_a}\right)^{\frac{1}{3}}
$$

ここで、d は軸の直径、\(\tau_a\) は応力を示します。

曲げを受ける軸

車軸などの上に荷物を載せる構造のものは、トルクが少なく曲げの力が強く作用するため、曲げモーメント M (Nm)、許容曲げ応力 \(\sigma_a\) を用いて、次のように表現されます。

$$
d \geq \left(\frac{32 M}{\pi \sigma_a}\right)^{\frac{1}{3}}
$$

歯車やベルトがついた軸

歯車やベルト車が付いている場合、トルクと曲げモーメントが同時に力をかけ合います。この際のトルクを \(T_e\)、曲げモーメントを \(M_e\) とすると、それぞれ次のように表現されます。

$$
T_e = \sqrt{M^2 + T^2}
$$

$$
M_e = \frac{1}{2}(M + \sqrt{M^2 + T^2})
$$

このように、軸は多様な力に耐えるために設計され、その力学的特性は用途によって異なることが理解されます。

関連項目

• - 軸受: 軸を支持する部品。
• - キー: 機械要素の一つで、部品の位置を固定するために使用されます。
• - 輪軸: 車両の車輪に関連する軸。
• - 車輪軸: 車輪に特化した軸構造。

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