3D CADが使えるからといって、必ずしも正しい設計ができるとは限らない。正しく設計するには、機械要素に関するアナログ的な知識が不可欠だ。連載「若手エンジニアのための機械設計入門」では、入門者が押さえておくべき基礎知識を解説する。第18回は、機械を成立させる部品の知識である「要素設計」について取り上げる。

» 2026年07月06日 07時00分公開

[土橋美博／スワニー，MONOist]

　これまで本連載では、機械設計者が身に付けるべき「機械設計7つ道具」として、JIS製図、精度設計、材料選定、強度設計、信頼性設計について解説してきました。残るテーマは「要素設計」と「3D CAD」です。今回は、機械設計を行う上で欠かせない要素設計について解説します。

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機械は部品の組み合わせでできている

　機械設計を始めたばかりの方は、「回転する軸をどのように支えるのか」「モーターの力をどのように伝えるのか」「部品同士をどのように固定するのか」といった場面で悩むことがあります。図面を描くことはできても、目的の機能を実現するために、どの機械要素を選べばよいのかが分からないのです。

　例えば、モーターを購入しただけでは機械は動きません。モーターの回転を軸に伝え、その軸をベアリングで支持し、必要に応じて歯車やベルトで回転数やトルクを変換します。さらにボルトで固定して初めて、機械として機能します。私たちが普段目にする産業機械や工作機械、自動化設備は、このような機械要素の組み合わせによって成り立っています。

　筆者の感覚では、装置を構成する部品のうち、図面を基に加工する部品が60％、型式を指定して購入する部品が40％程度を占めます。

　要素設計とは、

ベアリング
歯車
ボルト
ベルト
ボールねじ
リニアガイド

などの機械要素について理解し、それらを適切に選定／設計する技術のことをいいます。

　つまり要素設計とは、「機械を成立させるための部品の使い方を学ぶこと」といえるでしょう。

要素設計がなぜ重要なのか

　筆者の経験でも、初心者は「強度の高い材料を使えばよい」「大きな部品を使えば壊れない」と考えがちです。しかし、実際の機械設計はそう簡単ではありません。

　例えば、回転する軸を支持する場合を考えてみましょう。軸受としてベアリングを使用する場合でも、

深溝玉軸受
アンギュラ玉軸受
円すいころ軸受
ニードル軸受

など、多くの種類から選定する必要があります。

　工作機械の主軸のように高精度が要求される場合は、アンギュラ玉軸受が使われるケースが多いです。一方、搬送装置のローラーであれば、深溝玉軸受で十分な場合もあります。

　同じベアリングであっても、

回転数
荷重
精度
寿命
コスト

によって最適な選択は変わります。

　つまり要素設計とは、単に部品を選ぶことではなく、「要求性能に対して最適な部品を選ぶこと」なのです。


軸受種類	特徴	得意な荷重	主な用途例	選定時のポイント
深溝玉軸受	最も一般的なベアリング。構造がシンプルで低コスト。高速回転に適する。	ラジアル荷重（径方向）／小～中程度のスラスト荷重（軸方向）	モーター、ファン、コンベヤー、家電製品、一般産業機械	初心者が最初に覚えるべきベアリング。荷重が比較的小さく、高速回転する用途に適する。
アンギュラ玉軸受	接触角を持ち、ラジアル荷重とスラスト荷重を同時に受けられる。高精度／高速回転に適する。	ラジアル荷重／大きなスラスト荷重	工作機械主軸、ボールねじ支持部、高速回転機器	高精度な位置決めに適する。通常は対向配置や複列配置で使用する。
円すいころ軸受	円すい状のころを使用し、大きな荷重を支えられる。剛性が高い。	大きなラジアル荷重／大きなスラスト荷重	自動車ハブ、減速機、大型搬送装置、建設機械	重荷重に適する。予圧調整が必要な場合があり、組み立て精度が重要。
ニードル軸受	細長いころを使用する。外径を小さくでき、省スペース設計に有利。	大きなラジアル荷重	自動車トランスミッション、ロボット関節部、小型減速機	設置スペースが限られる場合に有効。ただし、スラスト荷重には弱い。
表1　ベアリングの特徴（筆者解釈）