令和５年度

機械設計技術者試験
１級

第 2 時限試験問題 Ⅱ

12：40 ～ 14：40（120 分）

4．実

技課

題

〔４－１〕
〔４－２〕
〔４－３〕
〔４－４〕
〔４－５〕
・５問中３問を選択して解答すること。
・解 答用紙の１ページ目には、選択した問題を必ずマークすること（マークのない解答は採点されません）。

令和 5 年 11 月 19 日実施

主催：一般社団法人 日本機械設計工業会©JMDIA〔４．実技課題〕〔４－１〕 図は、ばねを使ったピッチングマシンである。
本装置は、ばねにより引っ張られたラックにかみ合う歯車を介して、回転力に変えて投球する機構である。
下記に示す条件で使用するとき、設問（１）～（５）に答えよ。
解答は、解答用紙の解答欄に計算過程を含めて記述せよ。
（１） ボールとボール受けの慣性モーメントを求め、解答用紙に記載のアーム機構部品の]慣性モーメントの表を完成させ、全体の慣性モーメント JT［kg・ｍｍm2］を求めよ。ラッ２

クやリニアガイドの慣性モーメントは考慮しない。
（２） アームが 90 度で接線方向に離すとした時の角加速度 α［rad/s2］を求めよ。但し、アームは等角加速度回転運動し、ボールは回転途中で飛び出さない事とする。
（３） アームが回転する時の、歯車軸のトルク T［N・m］を求めよ。
（４） 3 本のばねを使用しているが、ばね一本当たりの引張力 FS［N］を求めよ。
（５） アームが旋回し、ボールが離れる直前のアームの曲げ応力 σ［MPa］を求めよ。
＜設計条件＞
球速（初速）：V＝100 km/h
適用ボール ：硬球 （直径 DB＝74 mm 質量 WB＝145 g）
主要寸法
：・アーム
：高さ AH＝50 mm 厚さ AT＝10 mm
・ボール受け：幅 UW＝65 mm 長さ UL＝100 mm 厚さ UT＝5 mm
穴径 UD＝54.6 mm
・歯 車：歯数 Z＝60 モジュール m＝2 歯幅 TG＝20 mm密 度：・アルミニウム合金 ：ρA＝2.7×10－6 kg/mm3・SUS304：ρS＝7.8×10－6 kg/mm3―1―©JMDIA

＜参考資料＞
円柱角柱

Jx＝1mD 28

Jy＝

1D 2 ℓ2m＋444（）

Jz＝Jy

1
Jx＝ m（b2＋c2）
121
Jy＝ m（c2＋a2）
121
Jz＝ m（a2＋b2）
12球体
Ix＝

1mD 2
10

Iy＝Iz＝Ix―2―©JMDIA

〔４－２〕 図は手動でハンドルを回すことで、斜めに配置したリニアガイドと台形ねじにより、昇降させる機能を有するユニットである。下記に示す設計条件とするとき、設問（１）～（２）に答えよ。解答は、解答用紙の解答欄に計算過程を含めて記述せよ。
（１） 設計条件より適合する台形ねじ・ナットの No．とナット材質を表 1 から選定し、選定した設計根拠を解答欄に示せ。なお、リニアガイドやリニアブッシュの摩擦係数は無視すること。
（２） ハンドルを表 2 から選定しその No．を示し、選定した取手を回す力 P［N］を求めて、選定の妥当性を解答欄に示せ。
＜設計条件＞
台形ねじの回転速度：N＝60 min－1（手動）昇降対象質量：W＝45 kg

リニアガイド取付角度 ：θ＝20 °昇降ストローク：L＝50 mm

昇降完了時間：t＝40 秒～ 50 秒

重力加速度

：g＝9.81 m/s2―3―©JMDIA表1No．

軸径
ねじピッチ
（mm） p（mm）

12345678101214161820252830 度台形ねじ・ナット仕様
ねじ軸有効径d2（mm）

ねじ軸リード角 d91112.5
14.5161822.525.5

4.05°
3.32°
4.37°
3.77°
4.55°
4.05°
4.05°3.57°
黄銅
樹脂22334455

動摩擦係数：μ
ねじ軸材質：鋼

ナット材質
表2ハンドル仕様
No1234外形：D40506380

動的許容推力 Fo［N］
黄銅
樹脂
2550
25539203924900
490
667062887208739810
980
14220
1412
17950
1765
μ＝0.21μ＝0.13
単位：mm
取手位置：L
14.5172330＜参考資料＞
・一般的な台形ねじ設計手順①

台形ねじ・ナットの仕様、諸条件から仮設定②

接触面圧、すべり速度を算出し、PV 値グラフから仮設定の妥当性を確認③

負荷トルクを算出し、駆動方式の選定及び適合性の確認

・接触面圧 P［N/mm2］
P＝

Fs×α
Fo

Fs：軸方向荷重 ［N］
Fo：動的許容推力［N］
ねじ軸とナットに作用する接触面圧が9.8（0.98）N/mm2 となる時の推力α ：9.8（黄銅） 0.98（樹脂）・すべり速度 V［m/min］
V＝π・d2・n×10－3cos（d）

d2 ：ねじ軸有効径［mm］
d ：ねじのリード角［度］
n ：ねじ軸の毎分回転数［min－1］
・ねじ効率 η1－μtan（d）
η＝1＋μtan（d）

PV 値グラフμ ：動摩擦係数d ：ねじ軸リード角［度］

・負荷トルク T［N・cm］
T＝

Fs・R
2π・η

Fs ：軸方向荷重［N］
η ：ねじ効率R ：ねじのリード［cm］―4―©JMDIA〔４－３〕 図は、リフターの概略図である。
設計条件
ワーク質量

M1＝45 kg

昇降台質量M2＝25 kg

エアー圧力

0.5 MPa

下記の設問（１）～（３）に答えよ。
（１） ローラチェーンに加わる力を求めよ。
（２） スライドベアリングⒶ，Ⓑ列、各 1 個に加わる力を求めよ。
（３） 昇降用エアーシリンダの必要な力とストロークを求め、シリンダの内径は下記より選べ。（ただし安全率は考慮しなくてよい）
シリンダ内径／ロッド径
φ50/φ20

φ63/φ20

φ80/φ25―5―φ100/φ30

φ125/φ32©JMDIA〔４－４〕 図は、水平のコンベヤガーダとサポートである。
計算条件
長期条件

ガーダの荷重：（120 kg/m）＝1.2 kN/m
（自重、運搬物その他）

短期条件

水平震度：0.4

下記の設問（１）（２）に答えよ。
（１） 図のガーダ部材①～③に加わる長期荷重の種類、値を求めよ。ただし、荷重条件はガーダ 1 個分とする。
（２） サポートⒶ，Ⓑの基礎 1 脚に加わる荷重を求めよ。
計算は、長期荷重
短期に発生する最大荷重の種類、とその値
ただし、取付面はピン支持とする。

―6―©JMDIA

〔４－５〕 図は、工場の屋内に設置された、天井クレーンである。
主な仕様を下記に示す。
定格荷重（M1）
電気トロリ、フック
走行速度巻上速度
揚程
電源
荷重の割増し合計質量2.8 t
200 kg
20 m/min10 m/min5m
3 相 220 V 60 Hz
衝撃係数、作業係数等＝つり荷重の 10％とする。

下記の設問（１）～（４）に答えよ。
（１） つり荷重から、ホイストビームの曲げモーメントから応力を求め、下記 I 形鋼の表から選定せよ。ただし、許容曲げ応力 σ＝12 kN/cm2 とする。
断面積 質量（cm2）（kg/m）

I 形鋼
I－250×125×7.5/12.5
I－300×150×8/13
I－350×150×9/15
I－400×150×10/18
I－450×175×11/20

48.79
61.58
74.58
91.75
116.8

38.3
48.3
58.5
72.0
91.7

断面二次モーメント
（cm4）
IY
IX
5180
3379480
58815200
70224100
86439200
1510

断面係数
（cm3）
ZXZY41453.963278.4
87093.5
12001151740
173（２） つり荷重とホイストビームの自重（前項の選定鋼材）から、ビームの最大たわみの値を求めよ。（E＝206×105 N/cm2）
荷重

たわみ δ
δmax＝

荷重

Wl 348 EI

たわみ δδmax＝5ωl 4
384 EI（３） 巻上げモータの出力を求めよ。
ただし、機械効率は考慮せず、出力（kW）は次の中から選べ。
（0.75，1.5，2.2，3.7，5.5，7.5）（４） 走行 GM の減速比及びモータの出力を求めよ。走行抵抗は 0.06 kN/kN とする。
ただし、モータの極数は 4 p、機械効率をη＝0.85 とし、出力（kW）は次の中から選べ。
（0.75，1.5，2.2，3.7，5.5，7.5）―7―©JMDIA