誰でもわかるトルクの話

『締めつけたボルトが緩まないのは、どうしてでしょうか。締めるのとは逆に、ボルトの締結力が弱いと、振動や熱による伸縮などが影響しバランスが崩れ、ボルトが緩む事もあります。ボルトとナットは使わずに、直接雌ネジを切ってある部品では対象物の材質によっては、適正トルクが変化します。正しいトルク管理を実践していく事が大切です。』

このようなネジの締めつけや、自動車をはじめ機械装置の性能・機能などの話題に出てくる「トルク」について、今回はその概要を解説します。

1.トルクとは

トルク（torque）とは、固定された回転軸の周りの力のモーメント（表される量）のことで、力矩、ねじりモーメントとも呼ばれ、「ねじりの強さ」を表します。単位は力と距離の積である N・m（ニュートンメートル）です。

物体を回転させるための力は、てこの原理により、どこに力を作用させるかで異なりますが、物体をある角度だけ回転させるトルクは、力を作用させる点によらず一定となります。

2.自動車エンジンのトルクとは

エンジンにおけるトルクとは、クランクシャフト（ピストン運動を回転に変えるための軸）を回転させる力のことです。電気自動車のトルクは、電動機の軸を回転させる力のことです。

自動車エンジンのトルク表示は、一般にkgf・m、またはkg・mが馴染み深い単位です。長さ1mの棒の先端に1kgの重りが付いた軸を回転させたときに、根本にはたらく軸の回転力が「1kgf・m」です。車のカタログなどにあるトルクの単位としては、SI単位の「N・m」(ニュートン・メートル)も併記されます。kgf・mに係数9.80665を掛けると、N・mに換算できます。

3.エンジンのトルクと出力の関係

出力は、車の最高速度を左右します。出力=トルク×回転数ですが、回転が高くなれば、タイヤの回転も速くなります。したがって、出力が大きければ最高速度も上がる、ということです。

一方、トルクが大きいほど、軸の回転力が大きいので、加速がより力強くなります。加速性能に大きな影響を与えるのはトルクです。トルクの数値は登坂能力にも影響します。

このように、出力は最高速度に影響し、トルクは加速性能に影響するということです。

4. モーターのトルクと定格

物体の持っている慣性を、回転する物体について考えましょう。回転する運動では、慣性モーメントが大きいほど、回転しにくく、一方、回転していると止まりにくい。ということになります。

回転する物体の慣性モーメントが無視できない場合には、モータの容量すなわち所要動力は、負荷トルクに加減速トルクを加えた全トルクから計算する必要があります。

【定格からのトルク計算式】下記の計算式のどちらでも構いません。

• トルク＝（9554×容量）÷回転速度 ・・・式（1）
• トルク＝60000÷2π×容量÷回転速度・・式（2）

 例えば、0.55kWのモータで1750r/minであれば

　式（1）から、トルク＝（9554×0.55）÷1750＝3.0 N･m

　式（2）から、トルク＝60000÷2π×0.55÷1750＝3.0 N･m

5.トルク制御とトルク制限

トルク制御とは発生トルクをトルク設定範囲におさめ一定水準に保つことです。トルク制御の方法には、電流を制御することによってトルク制御を行う電流制御が一般的です。トルクを一定にキープしたい印刷機の紙送り軸や重量物移動で使用する天井クレーン等パワーアシスト用途に活用されています。

トルク制御と類似の用語にトルク制限がありますが、これは、エンジンやモータからの発生トルクが設定トルク以上になった場合、設定値以上にならないように駆動軸と被駆動軸を完全に切り離すことです。トルク制御と同様に電流を制限することで発生トルクを抑える電流制限の他、安全クラッチやトルク・リミッタを用いてトルクを抑える機械制限があります。

6.トルク・リミッタとは

自動化機械が想定外トラブルで稼働停止すると損失を被ります。機械装置の損傷は企業収益悪化の要因です。トラブル対応としての安全クラッチ/トルク・リミッタは過負荷保護装置として機械装置トラブルを防ぐ装置です。

トルク・リミッタは、事前にトルク値を設定します。もし設定以上の過負荷がかかると、スリップすることで設定トルク内にトルクを維持し、トルクを遮断することなく機械装置を保護する過負荷安全装置です。

トルク・リミッタのメリットは、装置が小型で、シンプルな構造で扱いやすいこと、安全クラッチと比較して価格が安いこと、摩擦板交換による再利用が可能ことです。一方、デメリットとしては、トルクの設定値が限定的で高トルクでは使用できないこと、摩擦板の消耗によってメンテナンスが必要なことです。

7.締め付けトルクとは

締め付けト...