機械要素部品の概要と種類

はじめに

機械要素とは、機械を構成する基本的な部品や部品群であり、軸・ベアリング・歯車・ねじなどが含まれます。こうした要素は動力の伝達、支持、接続、制御などの役割を果たし、機械の性能や信頼性に大きな影響を与えますmecha-basic.com。本レポートでは機械要素部品を体系的に調査し、代表的な種類や役割をまとめました。

以下の図は本レポートで扱う代表的な機械要素のイメージです。左からボルト（締結要素）、ギア（歯車）、ばね（緩衝要素）、軸受（ベアリング）を示します。

機械要素の分類

機械要素は多岐にわたりますが、機能によって大きく以下のように分類されますkeyence.co.jp。

• 締結要素 – 部品同士を固定・結合する（ねじ、ボルト、ナット、リベット、キー、ピン等）。

• 伝達要素 – 動力やトルク・回転を伝達する（軸、軸受、軸継手、歯車、ベルト・チェーン等）。

• 液体伝達要素 – 流体を伝えて制御する（管・フランジ・バルブ等）。

• 密封要素 – 気体や液体を漏れなく密封する（Oリング、ガスケット、パッキン等）keyence.co.jp。

• 案内要素 – 回転や直線運動時の摩擦を抑え、動きを支える（軸受、スライドユニット等）keyence.co.jp。

• 制御要素 – 機械の制御に関わる（コンピュータ、リレー、スイッチ等）keyence.co.jp。

• エネルギー変換要素 – 動力の向きや大きさを変換する（リンク、カム、クランク等）keyence.co.jp。

• 緩衝要素 – 動いているものや衝撃エネルギーを吸収する（ばね、ダンパー、ブレーキ等）keyence.co.jp。

以下の節では代表的な機械要素部品について解説します。

締結要素：ねじ・ボルト・ナット・キー・ピン

ねじの種類

ねじは「物を締め付けるために付けられた、表面に一様ならせん状の切り込み」を指し、ボルト・ナット・小ねじなどのねじ部品に分類されますkeyence.co.jp。ねじには切り込みの形状や構造により主に次のタイプがありますkeyence.co.jp：

これらのねじに加え、ボルトやナット、割ピン、座金といった部品が組み合わさることで確実な締結が行われます。

キー・ピンなどによる固定

シャフトと歯車・プーリーなどを結合する際にはキーやピンが使われます。キーは軸と部品の溝に嵌め込んで回り止めを行う部品であり、動力伝達時のずれを防ぎます。ピンは位置決めや締結の補助に用いられ、テーパー状の円錐ピンやスプリングピンなどがあります。軸と軸受の固定については別節で扱います。

軸要素と軸受（ベアリング）

軸の役割と種類

軸は動力を伝えたり他の要素を支えたりする部品で、伝動軸（回転軸）と従動軸（回される側）がかみ合って動力を伝えるkeyence.co.jp。例えば車輪の車軸は車体からの荷重を支える固定軸であり、クランクシャフトはピストンの往復運動を回転運動に変換する回転軸ですkeyence.co.jp。軸の接続には軸継手（カップリング）が用いられ、モーター側と負荷側の軸の芯ズレを吸収し振動や偏摩耗を低減しますkeyence.co.jp。

軸受の種類

軸受は回転する軸のブレを抑えて支える部品で、滑り軸受と転がり軸受に大別されますkeyence.co.jp。以下に特徴をまとめます。

軸継手とフランジ

軸継手（カップリング）はモーターの伝動軸と従動軸を接続し、芯ズレを吸収して振動を低減する機械要素ですkeyence.co.jp。ピアノ線をより合わせたたわみ軸継手など、ミスアライメントに対応するタイプもあります。フランジは管や軸を接続する部品であり、配管の継ぎ目を密封して漏れを防止しますkeyence.co.jp。

歯車・ベルト・チェーンなどの伝達要素

歯車（ギヤ）

歯車は歯と歯をかみ合わせて回転運動を伝える機械要素で、産業機械から日常製品まで幅広く使われていますmonoto.co.jp。剛性の高い材質で作られるため、高応答性が必要な機械に適し、適切な潤滑を行えばベルトやプーリーより耐久性が高いmonoto.co.jp。歯数を互いに素な組み合わせに選ぶことで長寿命化が可能ですmonoto.co.jp。主な歯車の種類は次の通りですmonoto.co.jpmonoto.co.jp。

ベルトとチェーン

ベルトはプーリーに巻き掛けて摩擦力で動力を伝える柔らかな伝達装置であり、滑らかな動力伝達や搬送に利用されますkeyence.co.jp。ベルトには平ベルト、Vベルト、ロープ伝動装置、歯付きベルトがあり、CVTに用いられるベルト式変速機では滑らかな無段変速が可能ですkeyence.co.jp。一方、チェーンはスプロケットに噛み合わせて引張力で動力を伝えるため、ロスのない確実な伝動が特徴で、大きなトルクを扱う装置に適しますkeyence.co.jp。チェーンにはローラチェーン、多列ローラチェーン、サイレントチェーンなどがあり、用途や強度に応じて使い分けられますkeyence.co.jp。

減速機とカップリング

歯車や軸などを組み合わせたギアボックス（減速機）はモーターのトルクを増大させるのに用いられ、サイクロイド減速機やハーモニックドライブなど、産業用ロボットでよく使われる特殊な減速機も存在しますmonoto.co.jp。また、モーターと負荷軸を接続するカップリングはミスアライメントを許容し、振動やメンテナンス性の観点から機械設計に不可欠ですmonoto.co.jp。

緩衝要素：ばね

ばねは弾性変形によりエネルギーを蓄積・放出する緩衝要素で、衝撃や振動の吸収や他の機械要素の動作制御に利用されますkeyence.co.jp。ばねには素材や形状によって様々な種類がありますkeyence.co.jp。代表的なものをまとめます。

ばねは単独で使用するだけでなく、ダンパーやショックアブソーバーと組み合わせて減衰機能を持たせることもありますkeyence.co.jp。

エネルギー変換要素：カムとリンク

カム

カムは回転運動を他の運動（直線運動や特定のパターン）に変換する装置で、原動節（カム）と従動節（フォロア）の接触により動作しますkeyence.co.jp。円盤が楕円であると回転に対して従動節が上下運動をするなど、運動方向の変換が可能ですkeyence.co.jp。カムは滑らかな動作、高い精度と耐久性を特徴とし、少ない部品で構成できるためメンテナンスが容易ですkeyence.co.jp。自動車エンジンのバルブ駆動用カムシャフトや自動機のタイミング機構に広く使われます。

リンク機構

リンクとは可動する部品同士を結ぶ棒状の部品で、ジョイント（対偶）を通じて運動を伝えますkeyence.co.jp。対偶には点対偶（ボールベアリングによる点接触）、線対偶（ローラーベアリングによる線接触）、面対偶（回り対偶・滑り対偶・ねじ対偶）、球面対偶などがあり、用途に応じて使い分けますkeyence.co.jp。リンク機構にはオープンループ構造とクローズドループ構造があり、クローズドループ構造では四節クランク機構やスライダクランク機構が代表例ですkeyence.co.jp。リンク機構は産業ロボットのアームや自動車のワイパー、傘の骨などさまざまな場面で活躍します。

密封要素：シール・Oリング・ガスケット・パッキン

液体や気体の漏れを防ぐ密封要素には、Oリング・ガスケット・パッキンなどのシール部品があります。これらは機器の隙間を埋めて圧力を保ち、外部からの異物侵入も防ぎますdaiko-jp.com。

Oリング・ガスケット・パッキンの比較

以下の表はOリング・ガスケット・パッキンの違いをまとめたものですdaiko-jp.com。

シールの使い分け

静止部には面で密封するガスケット、動く部には耐摩耗性の高いパッキン、両方の用途に使えるOリングという覚え方が便利ですdaiko-jp.com。正しいシール選定により、漏れによる故障やエネルギー損失を防げます。

その他の要素

上記以外にも、クラッチやブレーキなど摩擦要素、潤滑油やグリース、センサーや制御装置といった要素が機械の性能や安全性を支えています。摩擦要素は回転を遮断したりエネルギーを吸収したりする要素で、クラッチやブレーキは伝動要素を適切に制御する際に重要です。潤滑油とグリースは機械要素の摩耗を防ぎ長寿命化に寄与します。また近年はセンサーやエレクトロニクスとの融合が進み、機械要素がデジタル制御と連携するケースも増えています。

おわりに

機械要素部品は機械を支える基盤であり、適切な選定と組み合わせによって機械の性能・信頼性・コストが大きく左右されます。本レポートでは締結要素、軸と軸受、歯車・ベルト・チェーン、ばね、カム・リンク機構、密封要素など主要な機械要素を概説しました。各要素はJISやISOなどの規格に基づいて標準化されているため、適切な規格を理解し用途に応じて選定することが重要です。今後も新素材やメカトロニクス技術の発展により、より高性能で小型軽量な機械要素が開発されると予想されます。機械設計者はこれらの要素の特徴と最新動向を把握し、最適な設計に活かしていく必要があります。