科目
機構学
章
ベルトとねじ
図番
12 / 12
内容
シミュレータ・例題3問
機構学 12 / 12

万力は、手の力を300倍にする送りねじ

ねじは1回転でリードの分だけ進み、腕の半径 100 mm・リード 2 mm の万力なら、口が押す力はハンドルの力の約 314倍になる(摩擦なし。実際は摩擦でずっと小さい)。リード 1.5 mm と 1.25 mm の差動ねじなら、1回転 0.25 mm と、さらに細かく送れる。

作業台に付けた万力のハンドルを手が回し、口が木の板をはさみ込んでいくところ

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. 万力は、どうして片手で強く締められる?
  2. 公式はこれ
  3. 1回転で、リードだけ進む
  4. てんびんで力を読む
  5. 公式を、2つのかたまりに分けて読む
  6. 摩擦で、実際はずっと小さくなる
  7. 工作機械のテーブル送り
  8. 差動ねじ:リードの差で、さらに細かく
  9. どの数字がいちばん効く?
  10. 万力に戻る
  11. 動かしてみよう
  12. よくある勘違い
  13. この公式が使える条件
  14. 例題

この単元のポイント

  1. ねじは1回転で、リードの分だけ進む。1条ねじならリードはピッチと同じ、2条ねじなら2倍。
  2. 腕の半径 100 mm・リード 2 mm なら、口が押す力はハンドルにかけた力の約 314倍(摩擦なし)。手が 628 mm 動く間に、口は 2 mm しか進まないから(てんびん)。実際は、摩擦でずっと小さくなる。
  3. 2本のねじのリードの差で進ませる差動ねじなら、1.5 mm と 1.25 mm で、1回転 0.25 mm。山を細かくしなくても、さらに細かく送れる。

万力は、どうして片手で強く締められる?

万力は、工作物をはさんで動かないようにする道具です。ハンドルを回すと、口が少しずつ閉じていきます。

片手でハンドルを回すだけで、木の角材がびくともしなくなります。のこぎりで切っても、やすりをかけても、ずれません。

ハンドルの中には、太いねじが1本通っています。ねじを回すと、ねじごと動く口が、もう片方の動かない口に近づきます。このように、ねじを回して物を送る仕組みを送りねじといいます。

この単元では、次の万力で考えます。ハンドルの腕の半径(ねじの軸から、手で握る所まで)は 100 mm です。ねじは、1回転で 2 mm 進みます。ハンドルの先に、回す向きに 50 N の力をかけます。50 N は、5 kg くらいの物を持ち上げる力です。

口は、工作物を何 N で押すでしょうか。

予想してから読む腕の半径 100 mm、1回転で 2 mm 進むねじ。摩擦がなければ、口が押す力は、ハンドルにかけた力の約何倍?

公式はこれ

Fout=F×2π RL\sonFout = \sonF \times \dfrac{2\pi\,\sonR}{\sonLead}
記号 意味 この単元の万力では
Fout\sonFout 口が押す力(摩擦なし)[N] 15,708 N(約 15.7 kN)
F\sonF ハンドルの先に、回す向きにかける力 [N] 50 N
R\sonR ハンドルの腕の半径 [mm] 100 mm
L\sonLead リード(ねじが1回転で進む長さ)[mm] 2 mm

答えは約 15.7 kN です。ハンドルにかけた力の約 314倍で、1.6 t の物の重さと同じくらいの力です(摩擦がないとき)。

1回転で、リードだけ進む

ねじは、坂道を巻いたもの

直角三角形に切った紙を、鉛筆に巻きつけてみます。三角形の斜めの辺が、鉛筆のまわりに、らせんの線を描きます。これが、ねじ山の筋です。

ねじを1回転させると、ねじ山は、坂道を1周ぶん登ります。1周で上がる高さだけ、ねじは軸の向きに進みます。この長さをリードといいます。

リードとピッチ

ねじを横から見ると、山がいくつも並んでいます。となりの山との間隔をピッチ P\sonP といいます。

ふつうのねじは、山の筋が1本です(1条ねじ)。1本の筋を1周たどると、となりの山に着くので、リードはピッチと同じです。

筋を2本、3本と並べて巻いたねじもあります(2条ねじ・3条ねじ)。筋の本数を条数 n\sonN といいます。2条ねじでは、1本の筋を1周たどると、山を1つ飛ばした先に着きます。

L=P×n\sonLead = \sonP \times \sonN

ピッチ 2 mm の2条ねじなら、リードは 4 mm です。同じ山の間隔のまま、1回転で2倍進みます。早く締めたいときに使います。その代わり、このあと見るように、押す力は半分になります。

てんびんで力を読む

トグル機構(小さな力で大きな力) で名前を付けたてんびんを使います。摩擦がなければ、入れた仕事(力 × 動いた量)と、出た仕事は同じです。少ししか動かない側には、大きな力が出ます。

ハンドルを1回転させます。手は、半径 100 mm の円を1周します。

手の道のり=2π R=2π×100=628 mm\text{手の道のり} = 2\pi\,\sonR = 2\pi \times 100 = 628\ \mathrm{mm}

その間に、口はリードの 2 mm だけ進みます。入れた仕事と出た仕事を等しく置きます。

50 N×628 mm⏟入れた仕事=Fout×2 mm⏟出た仕事\underbrace{50\ \mathrm{N} \times 628\ \mathrm{mm}}_{\text{入れた仕事}} = \underbrace{\sonFout \times 2\ \mathrm{mm}}_{\text{出た仕事}}

両辺を 2 mm で割ると、Fout=50×628/2\sonFout = 50 \times 628 / 2 です。

Fout=50×2π×1002=50×314=15,708 N\sonFout = 50 \times \dfrac{2\pi \times 100}{2} = 50 \times 314 = 15{,}708\ \mathrm{N}

手が 628 mm も動くのに、口は 2 mm しか進みません。動く量の比 314 が、そのまま力の比になります。

公式を、2つのかたまりに分けて読む

Fout=F×2π R⏞手の道のり(1回転)L⏟口の進み(1回転)\sonFout = \sonF \times \dfrac{\overbrace{2\pi\,\sonR}^{\text{手の道のり(1回転)}}}{\underbrace{\sonLead}_{\text{口の進み(1回転)}}}
  1. 手の道のり 2πR2\pi\sonR ハンドルの腕を長くすると、1回転で手が動く道のりが長くなり、力は大きくなります。
  2. 口の進み L\sonLead リードを小さくすると、1回転で口が進む長さが短くなり、力は大きくなります。その代わり、締めるのに何回も回すことになります。

ねじの太さは、式に入っていません。摩擦がなければ、太いねじでも細いねじでも、リードが同じなら同じ力です。

摩擦で、実際はずっと小さくなる

ここまでは、摩擦がないとしてきました。実物のねじは、ねじ山とナットの山がこすれ合いながら進みます。入れた仕事の多くが、こすれ合いで熱になり、口には届きません。

工作機械では、ねじとナットの間に小さな鋼の玉を並べ、玉が転がって進むボールねじを使います。ねじのメーカーの資料では、ボールねじの効率(入れた仕事のうち、出た仕事になる割合)は、90% をこえます。そして、ふつうのすべりねじでは、同じだけ押すのに、ボールねじの3倍以上のトルクがいるとしています。

万力のねじは、すべりねじです。だから、実際に口が押す力は、314倍よりずっと小さくなります。

摩擦には、よい面もあります。すべりねじの万力は、口が工作物に押し返されても、ハンドルは回り戻りません。ねじ山の摩擦が、戻ろうとする回転を止めているからです。手をはなしても、工作物は、はさまれたままです。

工作機械のテーブル送り

工作機械のテーブルも、送りねじで動かします。テーブルの下にねじを通し、ねじの端のモータで回します。

送りねじのよいところは、回した角度で、進む長さが決まることです。リード 10 mm のねじなら、1回転で 10 mm、半回転で 5 mm 進みます。0.01 mm だけ動かしたいなら、1回転の 1000分の1、つまり 0.36° だけ回せば済みます。

モータが 600 min⁻¹ で回れば、テーブルは1秒に 100 mm 進みます。速く動かすことも、細かく止めることも、モータの回し方だけで決められます。モータの回転数とトルクについては、トルクと回転数 で見ます。

差動ねじ:リードの差で、さらに細かく

もっと細かく送りたいとき、リードを小さくするのが素直なやり方です。でも、リードの小さいねじは山が細く、すぐにつぶれます。

そこで、1本の軸に、同じ向きに巻いた2つのねじを切ります。片方はリード 1.5 mm で、枠のナットにかみ合います。もう片方はリード 1.25 mm で、回らないように止めた押し棒のナットにかみ合います。

軸を1回転させると、軸は枠に対して 1.5 mm 進みます。同時に、押し棒は軸に対して 1.25 mm 戻ります。差し引きで、押し棒は 0.25 mm だけ進みます。

1回転の進み=1.5−1.25=0.25 mm\text{1回転の進み} = 1.5 - 1.25 = 0.25\ \mathrm{mm}

これを差動ねじといいます。山の大きさは 1.25 mm と 1.5 mm のまま、0.25 mm のねじと同じ細かさで送れます。てんびんで読むと、力もそのぶん大きくなります。

ねじ 1回転の進み 半径 20 mm のつまみでの力の倍率(摩擦なし)
リード 1.5 mm を1本 1.5 mm 約 84倍
リード 1.25 mm を1本 1.25 mm 約 101倍
差動(1.5 mm と 1.25 mm) 0.25 mm 約 503倍

どの数字がいちばん効く?

この単元の万力(腕 100 mm・リード 2 mm・50 N)から、それぞれの数字を1割(10%)だけ変えます。

変えるもの 口が押す力の変化 理由
ハンドルの腕の半径 R\sonR を10%長く +10% 手の道のりに比例
リード L\sonLead を10%大きく −9.1% 口の進みに反比例(1/1.1 ≒ 0.909)
ハンドルにかける力 F\sonF を10%大きく +10% 力に比例
回す速さ N\sonRpm を10%速く 0% 口の進む速さが 10% 増えるだけ

効き方は、どれも同じくらいです。腕を長くするか、リードを小さくするか、力を強くするか。どれを選んでも、引き換えに何かが増えます(ハンドルの大きさ・回す回数・手の疲れ)。

万力に戻る

万力のハンドルを回すと、手は大きな円を描き、口は少しずつしか進みません。腕 100 mm・リード 2 mm なら、手が 628 mm 動く間に、口は 2 mm です。この動く量の比 314 が、摩擦がないときの力の倍率です。実物では、ねじ山の摩擦で、力はこれよりずっと小さくなります。それでも、片手の力で工作物を強くはさめます。

車のタイヤを替えるときに使うジャッキにも、ねじを回して車体を持ち上げるものがあります。ハンドルを何回も回して、重い車体を少しずつ持ち上げます。

つまり、ものを作るときは

大きな力がほしいなら、リードを小さくするか、腕を長くします。その代わり、何回も回すことになります。速く送りたいなら、リードを大きくするか、多条ねじにします。

力を伝える効率が大事なら、ボールねじを選びます。手をはなしても戻らないことが大事なら、摩擦の大きいすべりねじが向いています。

動かしてみよう

再生すると、ハンドルが3回転して、動く口がものさしの上を進みます。口の動きは小さいので、図では5倍に拡大しています。

条数 n\sonN を 2 にすると、同じ3回転で、口が2倍進みます。そのとき、結果の欄の「口が押す力」は半分になります。腕の半径 R\sonR を変えても、口の進み方は変わらず、力だけが変わります。

いちばん下の「差動ねじの2本目」を選ぶと、差動ねじになります。ピッチ P\sonP を 1.5 mm、2本目を 1.25 mm にすると、口は1回転で 0.25 mm しか進みません。図の万力は1本のねじのまま描き、進み方だけを差動ねじに合わせています。

「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、残した図の波形が薄く重なり、比べられます。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 条数 n を 2 にする(ピッチ P は 2 mm のまま)。再生して、3回転で口がものさしの何 mm まで進むかを見る(まだ)
  2. ハンドルの腕の半径 R を2倍の 200 mm にする。結果の欄の「口が押す力」を見る(まだ)
  3. ピッチ P を 1.5 mm にし、差動ねじの2本目を「差動 1.25 mm」にする。1回転の進みと、力の倍率を見る(まだ)
mm
mm
N
min⁻¹
L2差動ねじの2本目のリード(押し棒の側)
FRハンドル(ねじの軸の向きから見る)手は1回転で 2πR = 628.3 mm 進む0102030mm動く口固定の口15.7 kN手628.3 mm口2 mm(1回転で)0.00 回転 → 口は 0 mm 進む口の動きは 5 倍に拡大して描いています単元送りねじリード2 mm倍率力 ×314.2
t = 0.00 s
01234560246時間 t [s]口の進み x [mm]
口が押す力(摩擦なし)は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

Fout=F×2πRL\htmlClass{q-force}{F_{\mathrm{out}}} = \htmlClass{q-force}{F} \times \dfrac{2\pi \htmlClass{q-geometry}{R}}{\htmlClass{q-displacement}{L}}=50×314.2= 50 \times 314.2=15.71 kN= 15.71\ \mathrm{kN}
リード(1回転で進む長さ)
L=2 mm\htmlClass{q-displacement}{L} = 2\ \mathrm{mm}
力の倍率(摩擦なし)
Fout/F=314.2 \htmlClass{q-force}{F_{\mathrm{out}}/F} = 314.2\
口が押す力(摩擦なし)
Fout=15.71 kN\htmlClass{q-force}{F_{\mathrm{out}}} = 15.71\ \mathrm{kN}
口の進む速さ
v=1 mm/s\htmlClass{q-flow}{v} = 1\ \mathrm{mm/s}
途中の計算(導出)を見る
  1. リード(1回転で進む長さ。ピッチ × 条数)

    L=P×n=2×1=2 mm\htmlClass{q-displacement}{L} = \htmlClass{q-geometry}{P} \times \htmlClass{q-geometry}{n} = 2 \times 1 = 2\ \mathrm{mm}
  2. 力の倍率(1回転で手が進む道のり ÷ 口が進む長さ)

    Fout/F=2πRL=2π×1002=314.2\htmlClass{q-force}{F_{\mathrm{out}}/F} = \dfrac{2\pi \htmlClass{q-geometry}{R}}{\htmlClass{q-displacement}{L}} = \dfrac{2\pi \times 100}{2} = 314.2
  3. 口が押す力(摩擦なし。入れた仕事=出た仕事)

    Fout=F×2πRL=50×314.2=15.71 kN\htmlClass{q-force}{F_{\mathrm{out}}} = \htmlClass{q-force}{F} \times \dfrac{2\pi \htmlClass{q-geometry}{R}}{\htmlClass{q-displacement}{L}} = 50 \times 314.2 = 15.71\ \mathrm{kN}
  4. 口の進む速さ(1分に N 回転)

    v=L N60=2×3060=1 mm/s\htmlClass{q-flow}{v} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{L}\,\htmlClass{q-flow}{N}}{60} = \dfrac{2 \times 30}{60} = 1\ \mathrm{mm/s}

よくある勘違い

「リードとピッチは、同じもの」

同じになるのは、1条ねじのときだけです。

言葉 意味 ピッチ 2 mm の2条ねじでは
ピッチ P\sonP となりの山との間隔 2 mm
リード L\sonLead 1回転で進む長さ 4 mm

力の倍率に入るのは、リードのほうです。

「ハンドルを速く回すと、強く締まる」

速く回しても、口が押す力は変わりません。速さで変わるのは、口が進む速さだけです。力を決めるのは、ハンドルにかける力と、腕の長さと、リードです。

「力が 314倍なら、得をしている」

得はしていません。力が 314倍になる代わりに、口の進みは、手の動きの 314分の1です。口を 30 mm 閉じるには、リード 2 mm のねじを 15回まわします。入れた仕事と出た仕事は同じで、摩擦があれば、出た仕事はもっと少なくなります。

この公式が使える条件

  • 摩擦を考えない(実際の力は、すべりねじではずっと小さく、ボールねじでも少し小さい)
  • 止まっているか、ゆっくり回すとき(静的)
  • ハンドルの力は、腕に直角に、回す向きにかける
  • ねじやナットは縮まない、ゆるみ(がた)がない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

斜面に開いて導く:ねじ山の平均の半径を rr とします。ねじ山を1周ぶん切り開いて平らにすると、横 2πr2\pi r・高さ L\sonLead の坂道(斜面)になります。坂の傾き(リード角)λ\lambda は、

tan⁡λ=L2πr\tan\lambda = \dfrac{\sonLead}{2\pi r}

ハンドルの力 F\sonF は、ねじ山の上では、周の向きの力 FtF_t になります。回す効き目(力 × 軸からの距離)が同じなので、Ft r=F RF_t\,r = \sonF\,\sonR です。

摩擦がないので、ナットの山は、斜面に直角な力 NN だけで押し返します。周の向きでは Nsin⁡λ=FtN\sin\lambda = F_t、軸の向きでは Ncos⁡λ=FoutN\cos\lambda = \sonFout です。割り算すると、

Fout=Fttan⁡λ=F Rr×2πrL=F 2π RL\sonFout = \dfrac{F_t}{\tan\lambda} = \dfrac{\sonF\,\sonR}{r} \times \dfrac{2\pi r}{\sonLead} = \sonF\,\dfrac{2\pi\,\sonR}{\sonLead}

ねじ山の半径 rr が消えて、てんびんで出した式と同じになります。ねじの太さが式に入らないのは、このためです。

摩擦があるとき:摩擦があると、ナットの山は、斜面に直角な力に加えて、すべりを止める向きの力も出します。その分だけ、同じ F\sonF で出せる Fout\sonFout は小さくなります。どれだけ小さくなるかは、リード角と、ねじ山の摩擦の大きさで決まります。

例題

例題1 机に付ける万力

机の端に付ける小さな万力のハンドルは、腕の半径が 120 mm です。ねじは、ピッチ 3 mm の1条ねじです。ハンドルの先に、回す向きに 40 N の力をかけます。摩擦は考えません。

(1) 口が板を押す力はいくらですか。(2) 口を 30 mm 閉じるには、ハンドルを何回まわしますか。

ヒント 1 / 2

Fout=F×2πRLF_{\mathrm{out}} = F \times \dfrac{2\pi R}{L} を使います。1条ねじでは L=PL = P です。

ヒント 2 / 2

2π×120/3=251.32\pi \times 120 / 3 = 251.3 です。

答えと解き方を見る
(1) Fout=40×2π×1203=10.05 kN(251.3 倍)(1)\ \sonFout = 40 \times \dfrac{2\pi \times 120}{3} = 10.05\ \mathrm{kN}\quad(251.3\ \text{倍})
(2) 30÷3=10 回(2)\ 30 \div 3 = 10\ \text{回}
  1. リード(1回転で進む長さ。ピッチ × 条数)

    L=P×n=3×1=3 mm\htmlClass{q-displacement}{L} = \htmlClass{q-geometry}{P} \times \htmlClass{q-geometry}{n} = 3 \times 1 = 3\ \mathrm{mm}
  2. 力の倍率(1回転で手が進む道のり ÷ 口が進む長さ)

    Fout/F=2πRL=2π×1203=251.3\htmlClass{q-force}{F_{\mathrm{out}}/F} = \dfrac{2\pi \htmlClass{q-geometry}{R}}{\htmlClass{q-displacement}{L}} = \dfrac{2\pi \times 120}{3} = 251.3
  3. 口が押す力(摩擦なし。入れた仕事=出た仕事)

    Fout=F×2πRL=40×251.3=10.05 kN\htmlClass{q-force}{F_{\mathrm{out}}} = \htmlClass{q-force}{F} \times \dfrac{2\pi \htmlClass{q-geometry}{R}}{\htmlClass{q-displacement}{L}} = 40 \times 251.3 = 10.05\ \mathrm{kN}
  4. 口の進む速さ(1分に N 回転)

    v=L N60=3×3060=1.5 mm/s\htmlClass{q-flow}{v} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{L}\,\htmlClass{q-flow}{N}}{60} = \dfrac{3 \times 30}{60} = 1.5\ \mathrm{mm/s}

1条ねじでは、リードはピッチと同じ 3 mm です。手は1回転で 2π × 120 ≒ 754 mm 進み、口は 3 mm 進みます。

実物では、ねじ山の摩擦で、口が押す力はこれよりずっと小さくなります。

例題2 工作機械のテーブル送り

工作機械のテーブルを、リード 10 mm のねじで動かします。ねじは、モータで回します。

(1) モータが 600 min⁻¹ で回るとき、テーブルは1秒に何 mm 進みますか。1分では何 m ですか。(2) テーブルを 0.01 mm だけ動かすには、ねじを何度まわせばよいですか。

ヒント 1 / 2

1分に進む長さは、リード × 回転数 です。

ヒント 2 / 2

進む長さは、回した角度に比例します。1回転(360°)で 10 mm です。

答えと解き方を見る
(1) v=10×60060=100 mm/s(6 m/min)(1)\ \sonV = \dfrac{10 \times 600}{60} = 100\ \mathrm{mm/s}\quad(6\ \mathrm{m/min})
(2) 0.0110×360∘=0.36∘(2)\ \dfrac{0.01}{10} \times 360^{\circ} = 0.36^{\circ}

1回転で 10 mm 進むので、600 回転では 6,000 mm、つまり 6 m です。

0.01 mm はリードの 1000分の1 なので、1回転(360°)の 1000分の1 の 0.36° です。回す角度を細かく決めれば、テーブルの位置も細かく決まります。

例題3 差動ねじ

1本の軸に、同じ向きに巻いた2つのねじを切ります。片方はリード 1.5 mm で、枠のナットにかみ合います。もう片方はリード 1.25 mm で、回らないように溝で止めた押し棒のナットにかみ合います。軸は、半径 20 mm のつまみで回します。

(1) つまみを1回転すると、押し棒は何 mm 進みますか。(2) 摩擦がないとき、押し棒の力は、つまみにかけた力の何倍ですか。リード 1.25 mm のねじ1本だけのときと比べなさい。(3) 押し棒を 1 mm 進めるには、何回まわしますか。

ヒント 1 / 2

軸が枠に対して進む長さと、押し棒が軸に対して戻る長さを、別々に考えます。

ヒント 2 / 2

倍率は 2πRL\dfrac{2\pi R}{L} の LL に、差の 0.25 mm を入れます。

答えと解き方を見る
(1) 1.5−1.25=0.25 mm(1)\ 1.5 - 1.25 = 0.25\ \mathrm{mm}
(2) 2π×200.25=502.7 倍(1本だけなら 100.5 倍)(2)\ \dfrac{2\pi \times 20}{0.25} = 502.7\ \text{倍}\quad(\text{1本だけなら } 100.5\ \text{倍})
(3) 1÷0.25=4 回(3)\ 1 \div 0.25 = 4\ \text{回}

軸は1回転で、枠に対して 1.5 mm 進みます。同時に、押し棒は軸に対して 1.25 mm 戻ります。差し引きで 0.25 mm です。

どちらのねじも、細すぎない山(1.25 mm・1.5 mm)のまま、0.25 mm のねじと同じ細かさで送れます。

更新履歴

  • 差動ねじで2本目のリードのほうが大きいとき、進みの符号が誤っていたのを直しました(0.5 − 1.25 = −0.75 mm。口は開く向きに進みます)。