キーとキー溝の嵌め合い：公差、トルク、そして軸

歯車は軸が正確に回るかどうかを決める。キーはトルクが損なわれずに届くかどうかを決める。キーの両側面がキー溝の壁に当たり、トルクは面圧として結合部を通過する。両者のすき間は、組み立てたときの手触りの問題ではない。荷重がキーのどこに載り、どれだけの面積で支えるかを決めるものだ。

断面は軸から決まる

DIN 6885-1 と ISO 773 は、平行キーのサイズをトルクではなく軸径から決める。キー溝の深さは軸断面が割ける量で制限されるからだ。減速機やギヤモータの多くをカバーする範囲は次のとおり。

軸径は出発点であり、結論ではない。中空軸、軽負荷の駆動、薄いハブ壁なら、面圧を確認したうえでより小さな断面が正当化できる。逆転駆動では通常、キーを高くするより長くしたい。

3つの嵌め合いクラス、3つの役割

キー幅はいずれの場合も h9 である。変わるのは2つのキー溝の公差域であり、その選択は結合部をどのように整備するかという表明である。

• 普通 — 軸側 N9、ハブ側 JS9。 固定ハブ、時折分解。JS9 は公称寸法に対して対称なので、ハブはどちら向きにも入る。
• 締まり — 両方とも P9。 交番トルク、衝撃荷重、または遊びが許されない結合部。圧入が必要で、一度圧入して抜くと再び保持しない。
• 自由 — 軸側 H9、ハブ側 D10。 クラッチカラーのように、ハブが軸に沿って滑る。

逆転負荷を受ける減速機出力と、一定荷重で一方向に回るファン軸は、同じ径と同じキー断面であっても同じ嵌め合いを共有すべきではない。

検査員が測定できるように寸法を決める

キー溝の深さ t1 は検証が厄介だ。ノギスは溝底から軸の反対側まで届かず、溝縁を基準にしたデプスマイクロメータは別のものを測ってしまう。

製作図では代わりに d − t1 を指示する。こうすれば検査員は溝底から軸の反対側の母線まで測る。その数値は外側マイクロメータで再現できる。ハブ側では d + t2 が同じ役割を果たす。これは製図の好みではなく、どの計器を使うか、2人の検査員が同じ部品で同じ値を返すかどうかを決めるものだ。

トルク容量は2回確認する

キーの容量は通常、2つの破壊モードで確認し、短いほうの答えが支配する。

• キーのせん断：τ = 2T / (d · b · L)
• 側面の面圧：σ = 4T / (d · h · L)

T はトルク、d は軸径、b はキー幅、h はキー高さ、L は接触する有効長さ。キーは一般に中炭素鋼から削り出され、IS 2048 は引張強さ 600 MPa 以上のキー鋼を要求している。

これらの式に代入する値は設計便覧の許容応力であり、材料と用途に応じて選ばれるもので、棒材の引張強さではない。引張強さを許容応力として扱うことが、計算上は余裕がある結合部が現場で破損する理由である。

キー溝が軸に与える影響

これが計算のうち飛ばされがちな半分である。

溝を切ると有効断面は d から d − t1 に減り、ねじり容量は径の3乗に比例する。40 mm 軸に 12 × 8 キーを付けると、t1 は 5 mm なので溝部の断面は 35 mm となり、35³ 対 40³ ではねじり容量の約3分の2が残る。材料の8分の1の損失、強度の3分の1の損失であり、応力集中はまだ数えていない。

溝底はそれ自体が応力集中源である。それをすでに細いジャーナル上に置いたり、歯車の歯底円の隣に置いたりすれば、その集中は歯元が担う曲げ応力に積み重なる。この種の破損は2つの形状の間の線から始まり、破損報告書ではキーは問題なく見える。キーが弱い環であったことは決してないからだ。

工程順序が嵌め合いの成否を決める

キー溝は原則として熱処理前にフライス加工、形削り、またはブローチ加工される。軟らかいほうが溝を切りやすく、工具寿命も長いからだ。浸炭焼入れ後は、溝幅と対称性が動く。浸炭焼入れ軸では目立ち、キー溝が片側だけ断面を断ち切る場合は不均一に動く。

正直な道は2つある。取り代を残し、焼入れ後に研削またはブローチで溝を仕上げる。公差帯を維持でき、硬削りの工程が増え、図面に取り代を確保する必要がある。あるいは焼入れままの幅を受け入れ、公差帯を広げる。安価で、多くの一般駆動には十分だが、嵌め合いクラスは公称ではなく広げた公差帯に対して選ぶ必要がある。

どちらも成立する。図面はどちらかを指定しなければならない。現場に任せれば、そのシフトで機械に付いている者が選び、次のロットは違うものになるかもしれない。

生産で当社が保持していること

PinyiGear のキー溝は形削り盤、ブローチ、CNC フライスで加工し、位置は 0.01 mm で保持している。対称性と平行度はキー溝ゲージと CMM で確認する。キーが片側の側面だけで当たるのは、通常、寸法の問題ではなく対称性や平行度の問題だからだ。軸表面は軸受座と同じデータム体系で旋削・研削されるため、キー溝、歯車座、ジャーナルは3つではなく1つの軸を共有する。

歯車および軸タイプの駆動部品は、モジュール M0.5 から M20 まで図面どおりに加工し、生産精度は DIN 4–5、研削歯は DIN 3 に達する。材料には 20CrMnTi、20CrMo、20CrNiMo、42CrMo、40Cr、38CrMoAl、45# があり、浸炭、窒化、高周波焼入れ、焼入れ焼戻しを用途に応じて選ぶ。検査は歯車測定センター、CMM、真円度・硬度試験機、粗さ測定、かみ合い検査を通して行う。

業界の動向

IMTS 2026 では、歯車工作機械メーカーの押し出しは、仕様書の小数点以下をもう1桁ではなく、工具状態とプロセス安定性に向いていた。あるメーカーはロボットカメラシステムを公開デビューさせ、人工知能を伴うマシンビジョンで切削工具の状態を検査した。あわせて、外径 260 mm までの歯車を加工するフォーム研削盤、内歯・外歯を直径 300 mm、歯幅 100 mm、主軸回転数 5,000 rpm までカバーするパワースカイビング盤も示された（出典：Gear Solutions、2026年9月、https://gearsolutions.com/news/nidec-machine-tool-america-touts-advanced-gear-manufacturing）。

キー溝にとってその意味は直接的である。工具のドリフトは、誰かが歯面を測る前に歯以外の形状に現れる。自社の検査セルを運用する購買担当者は今、適合ラベルではなく、幅、d − t1、対称性、平行度を数値として求める。

キー結合の寿命を決めるのは6行である。公差域を含む幅、軸側の d − t1、ハブ側の d + t2、溝長さ、溝が参照するデータム、そして熱処理前後の工程順序。図面をお問い合わせページにお送りいただければ、見積前に軸断面を確認します。

関連記事：精密軸、スプライン、歯車軸。