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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等

せん断応力

軸、ピン、リベット等の機械部品を設計する際は、せん断に対する強度の検討が必要になってきます。せん断とは、物が切断される方向に力が加わり、材料が破損することです。

 

このせん断力を使って材料を切り出すのが せん断加工 です。

 

 

「せん断加工」 の場合、材料をせん断力で切り抜くことが目的ですが、機械設計ではせん断力で破損や変形しないように設計することが必要となってきます。

 

図に示すように、パンチに荷重Wが加わると、材料の断面にずれようとするせん断力が働きます。
材料のせん断強さ以上の力が加わると、材料内部ですべりが生じて、材料が打ちぬかれます。

 

 

この荷重を受ける断面積で割った値を 「せん断応力」 といいます。

 

断面積をAとしたとき、そのせん断応力は

 

せん断応力Τ= W/A で計算されますが、これは平均せん断応力であり、実際に発生する最大せん断応力とは異なります。

 

例えば断面形状が長方形であった場合、図のようにせん断応力は中心部で最大となり、上端及び下端ではせん断応力は0となります。(曲げ応力の場合と逆となる。)

 

 

 

また、せん断応力の分布は、部材の断面形状によって当然異なってきます。
部材に発生するせん断応力を求め、最大となるせん断応力が危険部位となります。

 

この部位のせん断応力が許容応力以下となるように材料の選定や形状を決める必要があります。

 

最大せん断応力は次の式で計算することができます。

 

最大せん断応力 Τmax = k × W/A

 

k は断面によって決まる形状係数です。

 

k が大きくなる形状を用いる時は、平均応力以上の応力が発生することになるので、最大せん断応力と正確に求めて、許容応力を超えないように設計する必要があります。

 

以下に主な断面の形状係数を記載します。

 

 

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