軸設計の3つの落とし穴 - 段差・キー溝・応力集中

回転軸の疲労破壊はほぼ100%、段差部かキー溝で起きる。JIS B 0911（軸の寸法）とJIS B 1301（キー及びキー溝）の基準寸法を満たしていても、応力集中係数（Kt）まで意識した設計でなければ短期間で破断に至るリスクがある。段差部のR指定（典型的には R3以上）とキー溝端のR指定は、設計レビューで真っ先に確認すべき項目だ。

段差部の応力集中とR設計

• 直径比 D/d ≤ 1.5 を基本（急激な径変化はKtが跳ね上がる）
• フィレット半径：r/d ≥ 0.1。d=30 mmならR3以上。S45C軸でこれを守ると疲労限が2倍違う。
• 研削逃げのアンダーカットは応力集中悪化。やむを得ない場合はアーク型（R≥1 mm）。

キー溝の応力集中（JIS B 1301）

• キー溝はKtを1.6〜3.0まで上げる「最弱点」。配置はベアリング支持部・段差部から軸径以上離す。
• キー溝端部のRはエンドミル加工で必然的にできる。意図的に大きく（キー溝幅の0.5倍以上）すると応力集中が低減。
• 重荷重ならキー溝の代わりにJIS B 1601（角形スプライン）かJIS D 5601（インボリュートスプライン）を検討。自動車のミッション軸では一般的にスプラインが採用される。

ベアリング肩（ショルダー）の設計

• 肩高さ ＝ ベアリング内径の3〜5%。各ベアリングメーカーのカタログにサイズ別の標準値が掲載されている。
• 軸のフィレットR < ベアリング内径面取り（r₁）の関係を必ず守る。これを破ると組立時に肩に乗り上げる。

材料選定の現場感覚

• 一般動力伝達：S45C（熱処理後HRC 28〜32）。汎用流通で丸棒・加工品ともに入手しやすい。
• 高強度・浸炭軸：SCM435・SCM440。
• 耐食性：SUS420J2（HRC 50超のマルテンサイト系）、SUS316（非磁性、半導体装置で多用）。