Fundamentals of Machine Component Design（機械部品設計の基礎）

引用

Juvinall, R. C., & Marshek, K. M. (2020). Fundamentals of Machine Component Design (7th ed.). John Wiley & Sons.

章の要約

本書は約800ページで、基礎編(第1〜9章)と応用編(第10〜22章)の二部からなる。第1章は全体の考え方を示す。機械要素の設計は、部材内部の応力・ひずみ・強度の関係と、摩擦、潤滑、摩耗、環境による劣化といった表面現象の二つに支えられている、というものである。

第1章：Mechanical Engineering Design in Broad Perspective(機械設計を広い視野から見る)

職業としての工学設計の概観。安全、環境、社会への配慮、単位系、そして機械要素の問題を解くための方法論を扱う。方法論は決まった解答の書式(既知、求めるもの、図と与条件、決定事項、仮定、解析、考察)にもとづく。章末は仕事、エネルギー、動力、エネルギー保存である。

第2章：Load Analysis(荷重解析)

つり合い式と自由物体図、はりの荷重、そして危険断面を見つけるための「力の流れ」の考え方。冗長な支持間での荷重配分や、冗長な延性構造も扱う。

第3章：Materials(材料)

静的引張試験と公称・真の応力–ひずみ関係、硬さにもとづく強度の推定、ハンドブックのデータ。後半では鋳鉄、鋼、非鉄合金、プラスチックと複合材料を概観し、材料選択図と選択の手順に進む。

第4章：Static Body Stresses(静的な部材応力)

軸荷重、直接せん断、ねじり、曲げ、横せん断による応力(曲がりはりを含む)。続いてモールの円、組合せ応力と三次元応力、応力集中係数、降伏による残留応力、熱応力を扱う。

第5章：Elastic Strain, Deflection, and Stability(弾性ひずみ、たわみ、安定性)

ひずみの測定とロゼット、弾性の応力–ひずみ関係、ばね定数とはりのたわみ。たわみと不静定反力にはカスティリアーノの方法を用いる。章末では柱の座屈(オイラー、ジョンソン放物線、割線公式)、その他の座屈、有限要素解析を扱う。

第6章：Failure Theories, Safety Factors, and Reliability(破損理論、安全率、信頼性)

破損の種類、破壊力学(基本概念と応用)、そして静的破損理論として最大垂直応力説、最大せん断応力説、最大せん断ひずみエネルギー説、モール説と修正モール説を扱う。理論の選び方の節を経て、安全率、信頼性、正規分布、干渉理論へと進む。

第7〜9章：Impact(衝撃)；Fatigue(疲労)；Surface Damage(表面損傷)

第7章は衝撃による応力とたわみ、および応力集中部の影響を扱う。第8章は疲労の基本概念と標準疲労強度から始め、表面と寸法の影響、平均応力、応力集中、不規則荷重、表面処理、疲労き裂進展を経て、疲労設計の一般的な進め方で終わる。第9章は腐食、キャビテーション、摩耗、接触応力、表面疲労破損を扱う。

第10〜11章：Threaded Fasteners and Power Screws(ねじ締結とパワースクリュー)；Rivets, Welding, and Bonding(リベット、溶接、接着)

ねじ形状、パワースクリュー、ボルトの締付けと初期張力、静荷重および疲労荷重に対するボルトの選定。第11章はリベット、静荷重・疲労荷重を受ける溶接継手、ろう付け、はんだ付け、接着剤を扱う。

第12章：Springs(ばね)

トーションバー、コイル圧縮ばね(応力、強度、端部形状、座屈、静荷重・疲労荷重に対する設計)、引張ばね、はりばね、板ばね、ねじりばね。

第13〜14章：Lubrication and Sliding Bearings(潤滑とすべり軸受)；Rolling-Element Bearings(転がり軸受)

第13章は潤滑剤と流体潤滑の理論から入り、設計線図、放熱、軸受材料、スラスト軸受、弾性流体潤滑へ進む。第14章は転がり軸受の種類、設計、はめあい、カタログ情報、選定、取付けを扱う。

第15〜16章：Spur Gears(平歯車)；Helical, Bevel, and Worm Gears(はすば歯車、かさ歯車、ウォームギヤ)

平歯車の幾何、力の解析、歯の曲げ(ルイスの式から精密な手順まで)、歯面の耐久性を、設計手順、材料、歯車列とともに扱う。第16章はこれをはすば歯車、食違い軸はすば歯車、かさ歯車、ウォームギヤに広げる。

第17〜19章：Shafts and Associated Parts(軸と関連部品)；Clutches and Brakes(クラッチとブレーキ)；Belts, Chains, and Other Components(ベルト、チェーン、その他の要素)

軸受の設け方と取付け、回転軸の動力学、軸の総合的な設計、キー、スプライン、軸継手。第18章は円板・円すい・ドラムのクラッチとブレーキ、バンドブレーキ、エネルギー吸収を扱う。第19章はベルト、チェーン、流体継手、トルクコンバータを扱う。

第20〜22章：Micro/Nanoscale Machine Elements(マイクロ・ナノスケールの機械要素)；Machine Component Interrelationships(機械要素の相互関係)；Remote Control Car Project(ラジコンカーのプロジェクト)

第20章はマイクロ・ナノスケールのアクチュエータ、軸受、センサの短い紹介である。第21章は当初のハイドラマチック変速機のケーススタディで、自由物体図を用いて歯車比と各要素の荷重を求め、続いて歯車、ブレーキ、クラッチの設計上の検討事項を扱う。第22章はラジコンカーの機械系の設計と製作を扱う設計プロジェクトのケーススタディである。

主要概念

第1〜3章：視野、荷重、材料

• 力の流れの考え方：荷重が構造の中をどう伝わるかをたどり、危険断面を見つける方法。
• 7段階の解答書式：既知の事項から、決定事項と仮定を経て、解析と考察に至る記録の手順。

第4〜6章：応力、たわみ、破損

• 応力集中と残留応力：局所的な応力の集中と、降伏のあとに残る応力。応力の章で別々に扱われる。
• カスティリアーノの方法：弾性たわみと不静定反力を求めるエネルギー法。
• 静的破損理論：最大垂直応力説、最大せん断応力説、最大せん断ひずみエネルギー説、(修正)モール説。
• 安全率と信頼性：安全率の数値の決め方。正規分布と干渉理論を伴う。

第7〜9章：衝撃、疲労、表面損傷

• 疲労強度の修正要因：荷重の種類、表面、寸法、平均応力、応力集中の影響。
• 摩耗と接触応力：凝着摩耗、アブレシブ摩耗、フレッティング、曲面の接触応力、表面疲労。

第10〜22章：機械要素とケーススタディ

• ボルトの張力と継手の疲労：初期張力、継手を引き離す外力、ボルト継手の疲労強度を高める方法。
• 歯の強度と耐久性：歯の曲げ(ルイスの式と精密な手順)と、歯面疲労の解析。
• 相互に関係する要素：変速機のケーススタディ。歯車、ブレーキ、クラッチが互いに制約し合う。

批判的分析

長所

• 要素の前に基礎がある。 全22章のうち最初の9章で、荷重、材料、応力、たわみ、破損理論、衝撃、疲労、表面損傷を扱ってから、個々の要素の設計に入る。第1章はこの構成を意図的なものとして示し、本書が扱わない要素にも通用する方法と手順に重点を置くと述べる。
• 見える形の問題解法。 第1章は7段階の解答書式を示し、例題で用いていると述べる。同時に、機械的に当てはめることは戒めており、習慣を身につける学生には有益な助言である。
• 幅広い破損の扱い。 Wileyは、破壊力学、疲労き裂進展、摩耗モデル、材料選択を本書の特徴として挙げている。目次を見ても、静的破損と疲労に加えて、衝撃と表面損傷の章が独立している。
• 単一の部品を超えた設計。 第21章は一つの変速機について歯車比と荷重、歯車・ブレーキ・クラッチの設計をたどり、第22章は設計プロジェクトを示す。第1章は安全にも紙幅を割き、事例と手法の一覧を載せている。
• 参照資料と演習。 付録には単位換算、断面の性質、豊富な材料特性表、はりの公式、はめあいと公差が含まれる。Wileyによれば、この版では100題以上の問題が追加された。

短所

• すべての機械要素を扱うわけではない。 要素の章は、締結具、溶接継手、ばね、軸受、歯車、軸、クラッチとブレーキ、ベルトとチェーンである。カムやリンク機構は目次になく、第1章も、すべての機械要素の詳細設計を学ぶことは現実的でも望ましくもないと述べている。
• 分量と進度。 約800ページ、22章という規模は、一つの課程では消化しきれない。第4章と第5章は応力とたわみを詳しく扱い(それぞれ17節と16節)、教員は何を重点にし何を省くかを選ぶ必要がある。
• マイクロ・ナノ要素は簡潔。 第20章は5節のみで、アクチュエータ、軸受、センサの概観にとどまり、設計の解説ではない。
• 計算手法への紙幅は小さい。 有限要素解析は第5章の一節(5.16)に現れるだけである。出版社はソフトウェア用のデータセットやオンライン資料に触れているが、公開ページには内容の説明がない。

コースにおける位置づけ

機械設計のリストの中で、Juvinall と Marshek は要素設計の教科書に属する。最も近いのは Norton の Machine Design: An Integrated Approach で、本サイトはこれを、応力解析、破損理論、機械要素を繰り返し登場するケーススタディでつなぎ、疲労とコンピュータ支援の計算に重点を置く本として紹介している。Juvinall と Marshek は、まず基礎の章を一通り置き、そのあと要素を一つずつ扱い、最後に二つのケーススタディで締める。

Robert Mott の Machine Elements in Mechanical Design は、一般的な機械要素の選定と寸法決定を段階を追って示す実践的な本として紹介されている。Shigley's Mechanical Engineering Design は、要素を設計し想定荷重に耐えるかを確かめるための中核的な参考書で、上級の課程向けとされる。Nigel Cross の Engineering Design Methods と Pahl と Beitz の Engineering Design: A Systematic Approach は設計の過程そのものを扱い、本書の要素中心の視点を補う。

本書の使い方

本書は、静力学、動力学、材料力学をすでに学んだ機械工学の学生に向く。第2、4、5章は荷重、応力、たわみを扱い、復習として使える。機械設計の授業と、それに続くプロジェクトに適している。

実践的な進め方は次のとおり。

• 中心： 第1〜6章と第8章。解答書式、荷重、応力、たわみ、破損基準、疲労を確立する。ボルト、溶接、ばねの章(第10〜12章)には疲労荷重の節が繰り返し現れるので、第8章を先に固めておくとよい。
• 必要に応じて： 材料の知識が薄ければ第3章、衝撃は第7章、課程で軸受や歯車を深く扱う場合は第9章(摩耗と接触応力)。
• 要素： 応用編の章は、課程が必要とする順に読んでよい。歯面の耐久性(15.9〜15.10節)や軸受の章は、第9章の接触応力と表面疲労を見直すのに適した箇所であり、第17章(軸)には軸のための軸受の設け方が含まれる。
• 総仕上げ： 第21章と第22章は要素の選択が互いに影響し合うさまを示し、チームプロジェクトの手本になる。第20章は任意である。

問題を解くときは、1.7節の7段階の書式で解答を書き、材料特性やはりの公式は記憶に頼らず付録の表を使うこと。