圧入計算機

圧入（しまりばめ）アセンブリはどのように機能しますか？

圧入は、わずかに大きい直径の軸を、わずかに小さい直径の穴に組み込むことで永久的な結合を作ります。その結果生じる弾性変形が界面圧力を発生させ、トルクや軸方向荷重を伝達する摩擦力を生み出します。解析には、古典弾性理論におけるラメの厚肉円筒の式を使用します。

界面圧力は、直径しめしろ、両部品の弾性特性(ヤング率とポアソン比)、および形状(軸径、ハブ外径、接触長さ)に依存します。圧入力は、界面圧力 × 接触面積 × 摩擦係数に等しくなります。熱膨張の利用(ハブの加熱、軸の冷却)により、組み立てを容易にすることができます。

設計限界: ハブの円周応力は、安全率 1.5-2.0 を考慮して材料の降伏強さ以下に保つ必要があります。過大なしめしろは塑性変形を引き起こして保持力を低下させ、ハブの割れにつながる可能性があります。代表的なしめしろの範囲: H7/p6(軽圧入、Ø25 で 0.001-0.035 mm)、H7/s6(強圧入、Ø25 で 0.014-0.048 mm)。

Formula: 界面圧力: p = δ / (d × (Ch/Eh + Cs/Es)) Ch = (d²+D²)/(D²−d²) + νh, Cs = 1 − νs (中実軸) 圧入力: F = π × d × L × p × μ 保持トルク: T = π × d² × L × p × μ / 2

計算例

Ø25.021 mm の鋼軸を内径 Ø25.000 mm の鋼ハブに圧入する場合、ハブ外径 = 50 mm、L = 30 mm、μ = 0.12。しめしろ = 0.021 mm。Ch = (25²+50²)/(50²−25²) + 0.3 = 1.967。Cs = 1 − 0.3 = 0.7。p = 0.021/(25×(1.967/200000 + 0.7/200000)) = 62.96 MPa。圧入力 = π×25×30×62.96×0.12 = 17.8 kN。

このツールの使用場面

• キー溝なしでトルクを伝達する軸-ハブ組立体の設計
• 締まり嵌め組立用の油圧プレスのサイジング
• 組立中にハブが降伏しないことの確認
• 焼き嵌め組立のための温度差要件の評価

避けるべき一般的な間違い

• 実測締め代の代わりに公称寸法を使用
• 表面粗さが有効締め代を減少させることを忘れる
• 運転中の熱的効果の無視
• 摩擦係数が一定と仮定 — μは0.08（油潤滑）から0.25（乾燥研削鋼）まで変化

結果の解釈方法

• ハブの円周応力をハブ材料の降伏強さと1.5-2倍の安全率で比較してください — 降伏を超えると塑性変形により保持力が恒久的に低下し、脆性ハブは割れることがあります
• 保持トルクと軸方向保持力は静止摩擦の最大値です — サービスファクター（変動トルクには2倍以上）を適用し、μは給油時約0.08から乾燥時0.25まで変化し容量も比例して変動することを忘れないでください
• 組立力でプレスを選定します — プレス能力に近づく場合やかじりのリスクがある場合は、焼きばめ（ハブ加熱または軸冷却）に切り替えれば、ほぼゼロの挿入力で同じはめあいを実現できます
• 公差ペアの最小と最大の締め代の両方で計算してください — 最小締め代で保持容量を、最大締め代でハブ応力を検証します
• 結果は平滑な表面を仮定した理想弾性（Lamé）理論です — 粗さは有効締め代をおよそRa（軸）+ Ra（穴）だけ減らすため、重要な接合部はリリース前に測定または試験で検証してください

関連規格・参考文献

• ISO 286-1 — 線形寸法の公差に対するISOコード体系
• DIN 7190 — 締まり嵌め — 計算と設計規則
• VDI 2230 — 高応力ボルト継手の体系的計算
• Machinery's Handbook — 圧入および焼き嵌め計算

よくある質問

プレス圧入と焼ばめ・冷やしばめはどのように使い分ければよいですか？

プレス圧入（油圧プレス）はシンプルですが、挿入時の摩擦が制約となり、しめしろが大きいとかじりや焼付きが起こり得ます。熱を利用した組立て（ハブを150〜300°Cに加熱、または軸を-196°Cの液体窒素で冷却）は摩擦ゼロのすきまばめ状態で組み立てられ、設計しめしろを完全に実現できます。しめしろが直径の0.001倍を超える場合、接触長さが長い場合（L/d > 1.5）、または表面仕上げを保護する必要がある場合は、熱を利用した組立てを使用してください。

圧入にはどの程度の表面仕上げが必要ですか？

軸・穴の両表面ともRa 0.8〜1.6 μm（研削または硬質旋削仕上げ）にすべきです。粗い表面は山の部分が塑性変形するため有効しめしろが減少し、一方で非常に滑らかな表面（Ra 0.4 μm未満）は摩擦係数が低下して保持力が落ちることがあります。表面仕上げは、らせん状の漏れ経路を生み得るスパイラルパターンのない円筒研削として指定すべきです。

使用中の温度は圧入にどう影響しますか？

ハブが軸より高い温度で動作すると、熱膨張が締め代を減少させます。鋼では約100-150°Cの温度差で軽い圧入（H7/p6）が緩む可能性があります。最悪の使用温度で設計するか、高温用途にはより重い締まり嵌め（H7/s6）を使用します。