第2章 機械の強度と材料 機械の必要条件 ★壊れない ★安全である ★正しく機能する そのためには・・・ ★適切な材料を使う 第2章　機械の強度と材料 機械の必要条件 ★壊れない ★安全である ★正しく機能する そのためには・・・ ★適切な材料を使う ★荷重が加わっても壊れない形状・寸法にする

2.1 材料強度の基礎知識 荷重の形式 (2) 応力 (3) 材料の性質 (4) 材料の強さ (5) 許容応力と安全率 2.1　材料強度の基礎知識 荷重の形式 (2) 応力 (3) 材料の性質 (4) 材料の強さ (5) 許容応力と安全率 (6) 機械の破損と設計 (7) 静的荷重を受ける部材の構造

★材料強度を考えた設計 どのような荷重が加わるか？ 運動しているときの荷重は？ どのような材料を使うか？ 壊れなくするための寸法・形状は？ 強度設計の考え方（応力） 運動しているときの荷重は？ 静的荷重が設計の基本 どのような材料を使うか？ 壊れなくするための寸法・形状は？ 実験用魚ロボットの例・・・ 材料の知識（性質，強度） 破損の原因（応力集中など）

(1) 荷重の形式 どの部材に，どのような形式の荷重が加わるかを 適切に判断することが重要！

力 応力＝ 断面積 F σ＝ [N/m2] A (2) 応力 重要！ 引張り応力の場合 応力：外力による物体の変形に対抗して物体内に生じる内力。単位面積当たりの力で表す。 力 応力＝ 断面積 F σ＝ [N/m2] A 重要！

(2) 応力 圧縮応力の場合 せん断応力の場合 τ＝ F A [N/m2] σ＝ F A [N/m2]

課題① 右図に示すように，一辺10mm，長さ200mmの鉄鋼製角柱に質量20kgのおもりをぶらさげる。角柱の断面における引張り応力σを求めなさい。鉄鋼の密度を8000kg/m3とする。

課題① ●角柱の質量 ●荷重 ●応力

★機械設計において，なぜ応力が重要なのか？ 通常の機械材料では，基準となる応力（単位面積当たりの力）が与えられている。 基準となる応力：例えば，材料が破断する応力，機能を失う応力 それぞれの部品が，許される応力を超えないように，部品の材質・形状・寸法を決定しなければいけない。 許される応力：機械を安全に使用できる応力

伸び ひずみ＝ 元の長さ ⊿L ε＝ L (3) 材料の性質 重要！ 引張り荷重の場合 ひずみ：外力によって物体が変形したとき，元の長さに対する伸びの割合。 伸び ひずみ＝ 元の長さ ⊿L ε＝ L 重要！ * 荷重方向のひずみを「縦ひずみ」という。

σ E＝ ε (3) 材料の性質 重要！ フックの法則：ある範囲において，応力とひずみは比例する。 応力とひずみの関係 縦弾性係数（ヤング率） 重要！ * 荷重方向のひずみを「縦ひずみ」という。

ただし，炭素鋼の場合は降伏点（耐力）が重要！ (4) 材料の強さ 破断するときの強さ 引張り強さ 強度を表す 重要な指標 ただし，炭素鋼の場合は降伏点（耐力）が重要！

★伸びる材料と伸びない材料 アルミ合金や鋳鉄は，伸びずに破断 引張り強さが重要！

課題② 機械設計において，材料の弾性限度（力を取り除くと元の長さに戻る限界）が重要である。その理由を説明しなさい。

課題② 機械設計において，材料の弾性限度（力を取り除くと元の長さに戻る限界）が重要である。その理由を説明しなさい。 ●部品が変形してしまうと，機械が正しく機能しない。

(5) 許容応力と安全率 設計上，許容できる最大応力 許容応力 許容応力＝基準の強さ／安全率 重要！

★ワイヤロープの安全率 安全率は，材料強度のばらつきや荷重の見積もり誤差などの不確定な要因を考慮

課題③ 安全率を大きくした際の利点と問題点，小さくした場合の利点と問題点をまとめなさい。

どの部材（部品）が壊れやすいかを判断することが重要！ (6) 機械の破損と設計 どの部材（部品）が壊れやすいかを判断することが重要！

①応力集中 部品に溝，穴，段違いなどがある場合 局部的に高い応力 →応力集中

★応力集中を小さくする形状 急激な形状変化を与えないこと！

②繰り返し荷重 荷重の有無や強弱が繰り返される場合 小さい荷重でも破損することがある 材料の強度や性質についての検討が必要

③クリープ 高温・長時間の荷重 永久ひずみの増大 教科書p.13

★高温環境下での引張り強さ 温度上昇による急激な強度低下に注意！

④座屈 細長い棒の圧縮荷重 横方向にたわむ 教科書p.14

★座屈を考えた機械構造 細い棒には，圧縮より引張り荷重がよい！

★座屈を考えた機械構造 立ち上がる動作を補助する車いす

★座屈を考えた機械構造 アクチュエータの取付を考える。

★座屈を考えた機械構造 (a)は座屈の危険がある。

★座屈を考えた機械構造 一次試作 改良モデル 試作した介助用車いすの駆動モデル

(7) 静的荷重を受ける部材の構造 板材を組み合わせて台を作る

課題④ 上図(b)と(c)では，どちらの構造が強度的に優れているか。その理由を説明しなさい。

★強度計算について 適切かつ十分な強度計算が重要？ 適切な構造を考えることが重要？ 極限状態で使う機械 最適化 危険を伴う機械 軽負荷 簡単な構造 適切な構造を考えることが重要？

★強度設計の難しさ ①許容応力（安全率）を設計者自身が決める。 ②機械部品は単純な形状ではない。 ③複数の機械部品が組み合わされて使用される。 荷重の形式を見極めるのが難しいことがある。 ④運動しているときの荷重を正確に見積もるのは難しい。 ⑤強すぎる機械部品は，重量化・高コスト化につながる。 ⑥材料強度は，使用条件で変わってくる。 使用温度，繰り返し荷重・・・。

課題⑤ (a) 機械の強度と安全性の観点から，現在の自動車の問題点を考えなさい。 (b) 機械の安全性と利便性を踏まえて，新しい陸上交通システムを考えなさい。 * イメージ図と文章で説明すること。