冷やし嵌め締め代の計算と公差選定の基本知識

冷やし嵌めの締め代：計算と公差の基本

締め代を「なんとなく経験値」で決めていると、組付け後に部品が0.1mm単位でずれて製品クレームになります。

🔩 冷やし嵌め・締め代 3つのポイント

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締め代は材料の線膨張係数で決まる

炭素鋼（S50C）の線膨張係数は約12×10⁻⁶/℃。直径100mmで温度差83℃なら約0.098mmの収縮量が得られます。

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液体窒素冷却で-196℃まで下げられる

恒温槽の限界を超える締め代が必要な場合、液体窒素（-196℃）を使うことで大きな収縮量を確保できます。

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公差クラスの選定が保持力を左右する

永久固定にはs6・u6、分解可能な圧入にはp6・r6が基本。公差クラスを1段間違えると必要な締め代が大きく変わります。

このページの目次

冷やし嵌めとは、軸（シャフト）より穴の内径を小さく設計し、軸側または穴側を冷却・収縮させることで圧入する組付け工法です。締め代（しめしろ）とは、この「常温では干渉している寸法の差」のことを指します。

たとえば軸径が50.059mm、穴径が50.000mmなら、締め代は0.059mmです。これはシャープペンシルの芯の直径（0.5mm）の約8分の1という微細な値ですが、この数値が組付け後の保持力を直接決定します。

締め代が足りないと保持力不足で部品が脱落し、逆に大きすぎると部品が破損するリスクがあります。つまり締め代の設計は「狭すぎず・広すぎず」の精密なバランスが命です。

締め代を決定するには、以下の3つの条件をすべてクリアする必要があります。

面圧が許容応力以下であること：最大締め代のときに発生するフープ応力（周方向応力）が、材料の降伏応力を超えないよう設計する
最小締め代でも必要な保持力（トルク・軸力）が確保できること：最小締め代は軸の最小径と穴の最大径の組み合わせで発生し、この条件でも必要トルクを伝達できる面圧が必要
冷却装置で対応できる温度範囲に収まること：恒温槽の最低温度（多くは-40～-80℃程度）で収縮量がまかなえるか確認する

結論は「3つの条件が同時に成立する締め代の範囲を見つける」ことです。

面圧の計算には以下の式が基本となります。最大締め代 Δdmax 時の面圧 σ は材料の弾性係数 E と形状係数 K、直径 d を使って求めます。この計算を省略して経験値だけで締め代を決めると、大径部品（直径100mm超）では応力過多による割れが起きることがあります。

割れが起きたら部品の作り直しです。材料費・加工費だけで数万円単位の損失になります。

計算の手順を直径100mm・材質S45C（炭素鋼）の例で示します。

線膨張係数 α = 11.8×10⁻⁶/℃、締め代 Δd = 0.098mm（98μm）で必要な温度差 Δt は。

Δt = Δd ÷（α × d）= 0.098 ÷（11.8×10⁻⁶ × 99.902）≒ 83℃

室温が20℃なら、103℃以上に加熱（または-63℃以下に冷却）すれば嵌合できます。

冷やし嵌めの場合は「軸を冷却して収縮させる」か「穴側部品を加熱する」かを選択しますが、軸側を冷却するケースでは、ドライアイス（-78℃）で対応できるか液体窒素（-196℃）まで必要かがこの計算で判明します。恒温槽の能力を事前に確認しておくことが必須です。

公差クラスの選定は締め代の範囲に直結します。代表的な選択基準は次のとおりです。