クリアランス、過渡、および圧入の公差ガイド

可動部品に関しては、「嵌合」という概念が極めて重要です。多数のリンクやアセンブリから構成される高性能な機械であっても、クリアランスがごくわずかに狭いというだけの理由で故障し、システム全体に力を伝達するどころか、部品同士が互いに滑ってしまうことがあります。 動力伝達のために、ボアに嵌合させるモーターシャフトを設計していると想像してみてください。シャフトがボア内を滑らかに通過しないことに気づきました。その結果、シャフトを機械加工業者に持ち帰らざるを得なくなり、多大なコストがかかります。また、シャフト上にしっかりと固定されるべきベアリングが、緩く回転してしまう場合もあります。 また、位置決めを目的としたダボが、ハウジングにひびを入れてしまうケースも想像してみてください。これらのシナリオは、嵌合の設計上の見落としから生じる技術的な不具合を示しています。設計プロセスにおいて、嵌合部品間の嵌合状態や公差が十分に定義されていなかったのです。.  

“機械工学における「嵌合」とは、2つの嵌合部品間の寸法関係を指します。ほとんどの場合、これは軸と穴の間で見られます。嵌合によって、これらの嵌合部品がどのように相互作用するかが決まります。機械設計において、一般的な嵌合には「クリアランス嵌合」、「遷移嵌合」、「干渉嵌合」の3種類があります。 クリアランス嵌合では、常に正の隙間があり、部品の組み立てや移動が可能です。干渉嵌合では、公差が重なり合います。この組み立てには、追加の力や熱処理などの方法が必要となります。過渡嵌合は、これら2つの極端なケースの中間に位置します。利用可能な公差に応じて、わずかなクリアランスが生じるか、あるいはわずかな干渉が生じます。.

このガイドでは、これら3種類の嵌合について、その仕組み、用途、および公差に関する考慮事項を詳しく解説します。本解説では、素材が円形でない場合でも、穴と軸という用語を使用します。穴は内部形状であり、軸は外部形状です。.

「クリアランスフィット」とは何ですか？

「クリアランス嵌合」は最も一般的な嵌合方式であり、穴が軸よりもわずかに大きくなっており、2つの部品の間に意図的な隙間が設けられています。2つの表面間の隙間、すなわち「クリアランス」は、摩擦や干渉が生じることなく自由に動くことができるよう、意図的に設計されています。両部品の形状に対する公差によってクリアランスが制御され、過度な緩みがないスムーズな嵌合が確保されます。.

設計において、この種の嵌合により、エンジニアは無理な組み立てや圧入を避けることができます。軸は穴よりも小さいため、両面が効果的に嵌合します。.

クリアランスフィットの測定

クリアランスは、マイクロメーターやノギスを使って測定します。これらの工具を使用することで、最大クリアランスと最小クリアランスを測定することができます。 最大クリアランスとは、最大の穴と最小の軸との間の隙間を指します。一方、最小クリアランスとは、最小の穴と最大の軸との間の隙間を指します。クリアランスはミリメートル単位で測定され、次のように計算されます。;

クリアランス＝穴径－軸径

穴の直径が6.36 mmで、軸の直径が6.12 mmの場合、クリアランスは0.24 mmとなります。.

クリアランスフィットの許容範囲

クリアランスを設計する際は、誤差を最小限に抑えるために、製造工程の公差を指定する必要があります。公差レベルは、クリアランスに許容されるばらつきの範囲を示します。例えば、直径20mmの穴と直径19mmの軸を±0.020mmの公差で製造する必要がある場合、 これは、20.00mmから20.020mmの範囲で加工された穴であれば、19.00mmから19.020mmの範囲で加工されたどの軸ともクリアランスが確保されることを意味します。 同様に、直径が19.98mmから20.00mmの範囲の穴と、直径が18.98mmから19.00mmの範囲の軸を加工することも可能です。.

エンジニアは、公差を選定する際に特定のISO規格に従います。これらの規格では、穴については大文字と数字（H7、H8など）、軸については小文字と数字（g6、h6、f7など）が用いられます。 ^[1]. 以下の表は、公差規定で使用される記号の解釈をまとめたものです。.

これらの数値は、国際公差（IT）等級を表しています。数値が小さいほど公差が厳しく、加工精度が高くなります。IT5およびIT6の公差は高精度用途に使用されます。IT7は一般的な機械加工の精度に使用されます。IT8およびIT9は中精度を示し、IT10以上は粗公差を示します。.

例えば、機械設計において、H7/h6の公差で直径20mmの穴と直径20mmの軸を設計する場合、それは次のような意味になります：

• この穴には、基本寸法20.00mmを起点とする正の許容公差が設定されています。.
• シャフトは、基本寸法と同等またはそれよりわずかに小さい寸法で高精度に製造されており、確実なすべり嵌合または位置嵌合が保証されています。.

次の表は、さまざまなクリアランス公差の適用分野の一部を示しています。.

クリアランスフィットの種類にはどのようなものがありますか？

前述のように、クリアランスフィットにはいくつかの種類があります。;

• スライド嵌合：軸と穴は、その間にわずかな、かつ所定のクリアランスが確保されるように設計されています。部品同士は、抵抗や過度なガタつきなく、滑らかにスライドします。例としては、ガイドレールやリニアベアリングなどが挙げられます。.
• イージースライドフィット：クリアランスはスライドフィットよりもわずかに大きくなっています。これにより、スライドの動きがさらにスムーズになります。イージースライドフィットでは、隙間が小さいため、組み立てや分解が簡単に行えます。引き出しなどがその例です。.
• ランニングフィット：このフィットは、スライドフィットよりも緩く、スラックランニングフィットよりもきついものです。連続的な動きを伴う部品向けに設計されています。例としては、コンベヤベルトが挙げられます。.
• スラック・ランニング・フィット：ランニング・フィットよりもクリアランスが大きい。わずかな遊びや位置ずれが許容される部品に適用される。例としては、治具や調整可能な機械マウントなどが挙げられる。.
• ゆとりのある仕様：クリアランスが最も大きいです。正確な位置合わせが不要な用途に適しています。例としては、引き戸やパネルなどが挙げられます。.

「圧入」とは何ですか？

圧入は、摩擦嵌合やプレス嵌合と呼ばれることもあります。これは、きつく嵌合する2つの部品を押し合わせて接合し、摩擦によって固定される接合方法です。 ^[2]. 実際には、この嵌合では軸径が穴径よりわずかに大きくなっています。この2つの部品を組み立てるには、力を加える必要があります。.

圧入は、強固で安定した結合を形成し、恒久的または半恒久的なものとなります。この接合方法は、歯車やプーリー、ベアリングアセンブリ、自動車のホイールハブなど、応力や振動下でも部品が確実に固定されなければならない箇所で使用されます。.

圧入の測定方法は、すかし合いの測定方法と似ています。ただし、圧入の計算式は次のとおりです。;

干渉量＝軸径－穴径

圧入接合では、通常、s6、t6、u6などのより厳しい軸の公差を採用し、圧入接合を確実なものにします。.

「トランジション・フィット」とは何ですか？

この嵌合では、シャフトが穴よりもわずかに小さいか、あるいは大きい場合があります（組み立て前）。この嵌合は、高い精度と安定性が求められる用途において、両者の間に強固で確実な接続を確立するために用いられます。高い精度を確保しつつ、接続部品を損傷することなく分解・再組み立てが可能です。 この嵌合により、適度な動作荷重を効果的に伝達しつつ、接続部品の分解・再組み立てが可能になります。この嵌合は、ゆとり嵌合と干渉嵌合の中間的なバランスをとっています。主に、正確な位置合わせが不可欠な場面で使用されます。代表的な用途としては、工作用治具、エンジン部品や機械などの精密アセンブリ、および軸受などが挙げられます。.

「遷移嵌合」は、適度な位置決め精度を維持しつつ、軽い力だけで手作業で組み立てられる部品が必要な場合に最適です。この嵌合方式は、わずかな干渉と許容範囲を併せ持つため、時折分解したり、一時的に位置決めを行ったりする必要がある部品に最適です。.

過渡嵌合の主な特徴としては、クリアランスが最小限かゼロであること、および組み立て力が小さいことが挙げられます。手作業による組み立てに適しており、適度な精度を維持できるほか、時折の分解も可能です。.

過渡フィットの産業用途

さまざまな業界で、トランジションフィットが様々な目的で活用されています：

結論

「嵌合」とは、組み立て前の2つの嵌合部品間の寸法関係を指します。嵌合は、機械やシステムが効率的かつ安全に動作するために極めて重要です。クリアランス嵌合、干渉嵌合、遷移嵌合という3種類の嵌合を理解することは、効果的な製品設計と製造に不可欠です。 それぞれの種類には明確な目的があります。クリアランス嵌合は部品間の動きを可能にし、干渉嵌合は恒久的な結合を生み出し、遷移嵌合は正確な位置合わせのもとで制御された動きを保証します。適切な嵌合を選択することで、耐久性が向上し、メンテナンスが簡素化され、コスト管理が可能になり、信頼性の高い性能が確保されます。望ましい嵌合を実現するには、材料特性や温度変化が大きな役割を果たすことを念頭に置いておく必要があります。.

参考

[1] 国際標準化機構（ISO）。（2010年）。. ISO 286-1:2010 製品の幾何学的仕様（GPS） — 直線寸法の公差に関するISOコード体系. ISO規格カタログ. https://www.iso.org/standard/45975.html

[2] ScienceDirect. (発行年不明). 圧入 – 概要. ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/interference-fit