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機械設計技術　モータ軸の許容ラジアル荷重

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モータ軸にかかるラジアル荷重の算出方法とモータ軸の強度の考え方について解説しています。モータ許容ラジアル荷重とは何か？を詳しく解説しています。

【書き起こし】機械設計技術　モータ軸の許容ラジアル荷重

(00:19) こんにちは中村です。いつもご視聴ありがとうございます。このチャンネルでは Inveteor 3DCADの使い方や、機械設計についてお話ししています。今日はモーター軸にかかる、ラジアル荷重の算出方法についてお話ししていきます。今日お話しする内容は、次の3つですね。 1つ目、ラジアル荷重とは 2つ目、許容ラジアル荷重の位置 3つ目、トルクからラジアル荷重を算出それでは今日も、Inventor のアニメーションを使って詳しく解説していきます。はいそれでは、ラジアル荷重について解説していきたいと思います。これがモーターを横から見た図です。モーターの軸が、出っ張っていると思いますけどもこのモーターの軸には、色々な荷重がかかります。軸方向にかかる荷重を、スラスト荷重と言います。そして軸に直角の方向にかかる荷重を、ラジアル荷重と言います。そしてこのラジアル荷重は、モーターによって受けられる荷重が、決まっています。
(01:32) モーターメーカーのカタログには、必ず許容ラジアル荷重というのが、うたってあります。モーターを半断面にしてみました。許容ラジアル荷重というのは、軸のどの位置に、どれくらいの力をかけて良いかの、指標となります。これは軸の強度とか、ベアリングの寿命を考慮した値となっています。モーターの軸に必要以上の力がかかると、モーターの軸は、片持ちなのでたわむことになります。たわんだ状態でモーターを回すと、モーターの軸は交番荷重を、受けることになります。交番荷重というのは、上下に繰り返して荷重を受けることです。これは軸にとって、強度的に非常に過酷な力のかかり方になってきます。これを避けるために、モーターの軸には必ず許容ラジアル荷重が、設定されています。はいそれでは、ラジアル荷重の具体的な内容を、解説してくれているページをご紹介します。こちらがオリエンタルモーターの、技術資料のページです。
(02:39) このようにラジアル荷重と、アキシアル荷重について解説してくれています。軸の先端からどの位置に、ラジアル荷重をかけて良いか、という指標が書かれています。具体的な数字を見ていきたいと思います。はいここの表にあるように、これはギアヘッドの出力軸の先端からの距離と、その位置にかかるラジアル荷重の許容値が書いてあります。例えば一番上の減速比、5から25のやつを見てみますと、先端から10mmのところでは、150Nがかけられます。先端から20mmのところでは、200Nまでかけられると、そういう意味ですね。それで、一番右の欄は許容アキシアル荷重、許容スラスト荷重の値が書いてあります。このように具体的に、モーターメーカーの資料から読み取って、その値以下になるような、設計をしなければなりません。詳しい計算の内容は、こちらに書いてあります。これは駆動方法とか、サービスファクタとかそのあたりの係数を盛り込んだ計算になります。
(03:43) 概要欄にリンクを貼っておきますので、後でご覧になってみて下さい。はいそれでは、ラジアル荷重の具体的な算出方法について、解説していきたいと思います。このようにモーターで駆動させて荷物を持ち上げる機構を考えてみました。モーターがピニオンと、大ギアをかいして、ラックを持ち上げる機構です。少し動かしてみようと思います。はいこのように、ラックが上に上がっていって、荷物を持ち上げる機構です。この機構を考えた時に、モーターにはどれぐらいのラジアル荷重が、かかるのかというのを解説していきたいと思います。はい先ほどの機構を、正面から見た絵に切り替えました。このラックの上に荷物が乗っているとして、その荷物の重さをWとしましょう。そうすると反対側の、モーターのピニオンギアと、大歯車、茶色い歯車との噛み合っているところに、同じ力Wが働きます。これを接戦力と言いますけども
(04:51) この接戦力が、そのままモーターの軸に、ラジアル荷重としてかかります。ですから、その理屈から言うと荷物の重さWが、そのままラジアル荷重になると、いうことになります。ただしですね、これ負荷側から見た、荷物の重さ側から見た、計算になるんですけども、この今の機構で言うと、損失があります。どういうことかというと、 Wがそのままモーターのトルクに、必要な力かというとそうではなくて、このラックを支えるガイドの摩擦とか、このギアの摩擦がありますね、これで損失をします。摩擦があるということは、それだけ力がもっと必要だと、いうことになります。それで、ここで計算として難しいのは、摩擦がある部分っていうのは機械を使っていくと、グリスの劣化とか摩耗で機械損失が大きくなります。もっと平たく言うと抵抗が大きくなる、ということですね。ですからモーターにかかる、ラジアル荷重も大きくなってしまうんですね。ですから、今ご紹介したように
(06:00) 負荷側から、ラジアル荷重を算出するというのは、条件的には楽な方法になるんですね。ですから、私がいつもやっている方法は、モーターの最大トルクから、ラジアル荷重を算出する方法です。モーターの最大トルクから、ラジアル荷重を算出しておけば、モーターの最大トルク以上の、ラジアル荷重はかかりませんので、そうすることで安全な設計ができると思います。それではその方法を、解説していきたいと思います。はいそれでは、モーターの最大トルクから、ラジアル荷重を算出する方法を解説していきます。このラックの上に、100Nの荷物が載っているとします。約10㎏ですね。この荷物を持ち上げるのに、必要なモータートルクを算出していきます。ラックの上に、100Nの荷物が乗っているということは、ギアが噛み合っているところ、ピニオンギアと茶色のギアが、噛み合っているところに、発生する接戦力は、そのまま100Nということになります。
(07:08) そしてこのピニオンの半径を、 7.5mmだとするとモーターに必要なトルクは、100×7.5 で 750N・mmということになります。そして考慮しないといけないのは、機械損失ですね。ピニオンギアのところの、減速機の機械損失。それからラックの上下するところの、案内機構の損失があると思います。これをそれぞれ20%ずつ損失するとします。そうすると、先ほど算出したモーターに必要なトルクが、 750÷0.8÷0.8で1172N・mm 必要だということがわかります。機構で20%ずつ、2か所損失することで、モータートルクは 1172N・mm必要だ、ということですね。そしてさらに、安全率ですね。
(08:13) モーターのトルク、ギリギリではダメだと思いますので、安全率を考慮します。安全率を1.5とすると、1172 ×1.5でモーターに必要なトルクは、 1758N・mmということになります。はいそれでは、1758N・mmというトルクが必要だとわかりました。そしてモーターのカタログから、この1758N・mmを超える、トルクのモーターを選びます。そのモーターの発する、最大トルクが2000N・mm だったとしましょう。そして、この黄色のピニオンの半径が 7.5mmだったとします。そうすると2000N・mm ÷7.5mmで、ここに発生する接線力Fは、266.6 Nということになります。これがモーター軸にかかる、ラジアル荷重ということになります。この 266.6Nのラジアル荷重が、モーターメーカーのカタログで
(09:25) 許容範囲に収まっているかどうか、というのを確認すれば良いと、いうことになります。はい、横から見た絵に切り替えてみました。先ほど計算した、発生するラジアル荷重266.6N これがここのピニオンギアの中心に、かかるわけですね。この266.6Nが、モーターカタログで許容しているかどうかを判断します。はい、こちらのオリエンタルモーターのページに、戻りました。この表にあるように、許容ラジアル荷重の値、これがどの位置にかかっているかによって、許容される荷重が変わってきますので、この表から、許容しているかどうかを判断します。例えば減速比が、30から360のところを見ると、ギヤヘッドの出力軸先端からの距離が 10mmだと200Nまでしか、許容してません。先端から20mmの位置だと300Nまで許容してます。
(10:31) ということで、ピニオンギアをつける位置を先端から20mmの位置に配置すれば、300Nまで許容できるということですね。はい、モーターの絵に戻ってきました。このピニオンギアの位置が、例えば先端から、これが10mmの位置だとします。これだと200Nまでしか許容できないので、先端から20mmの位置に、移動させなければならないということです。はいピニオンギアを、先端から20mmの位置に移動させました。このようにギアを、シャフトのどの位置につけるかによって、許容されるラジアル荷重が、変わってきますのでそのあたりも考慮して、設計する必要があります。これが許容ラジアル荷重の、検討の仕方ということになります。はい、それでは今日の動画は以上となります。今日もご視聴ありがとうございました。また次の動画でお会いしましょう。

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【教えている人のレベル】
・機械設計技術者１級有資格者
・機械設計歴：２８年

・オリエンタルモーター技術解説
https://www.orientalmotor.co.jp/tech/teruyo/vol54/#:~:text=%E8%A8%B1%E5%AE%B9%E3%83%A9%E3%82%B8%E3%82%A2%E3%83%AB%E8%8D%B7%E9%87%8D%E3%81%AF%E3%80%81%E3%83%A2%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC,%E3%81%AA%E3%81%91%E3%82%8C%E3%81%B0%E3%81%AA%E3%82%89%E3%81%AA%E3%81%84%E3%81%AE%E3%82%88%E3%80%82

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