キー溝サイズ選定｜軸径別 JIS平行キー幅×高・軸溝深の早見と設計解説

計算式と設計の前提

軸径から選定する基本式

キー幅 b・高さ h・軸溝深 t1 ＝ JIS B 1301 表 1(軸径区分ごとの標準寸法)

平行キーの寸法は軸径の区分で一意に決まります。例えば軸径φ22超φ30以下では b=8, h=7, t1=4.0(mm)、φ30超φ38以下では b=10, h=8, t1=5.0(mm)。ISO 2491・DIN 6885 も相当規格ですが、区分値の境界がわずかに異なるため、輸入設備との照合時は必ず原規格を確認してください。

軸強度の断面補正

補正後の軸断面係数 Zc ≈ Z0 × (1 − 1.1×t1/d)

キー溝は応力集中係数α≈1.6〜2.0の集中源で、単純な円軸として計算した曲げ・ねじり応力を1.5〜2倍で見積る必要があります。JSME機械工学便覧S編ではキー溝軸のトルク許容値を、円軸の70〜80%として扱う保守設計を推奨。

キー材質と許容応力

標準はS45C(調質)、大トルク用にSCM435(調質)、腐食環境ではSUS304・SUS316を採用。JIS G 4051(機械構造用炭素鋼)、JIS G 4053(合金鋼)の規格値を根拠に、キー材のせん断許容応力τa=σy/(2〜3)、面圧許容応力pa=σy/(1.5〜2)で強度チェックします。

キーの種類と使い分け

伝達トルクが軸径から計算される平行キーの許容値を超える場合、多重キー(180°配置ダブルキー)・スプライン・焼ばめへの切替を検討します。1本のキーで受けられるトルクの目安は、軸径×せん断応力×キー長×高さで概算可能です。

軸径別 平行キー標準寸法(JIS B 1301)

下表は JIS B 1301 附属書A に基づく標準寸法。「軸径区分の上限値」で選定します(例: φ25 の軸は「φ22超φ30以下」区分で b=8, h=7)。

キー強度計算(せん断・面圧)

せん断応力による許容トルク

Ts ＝ (b × L × τa × d) ÷ 2 [N·mm]

キー材のせん断許容応力τa(S45CでおよそτA=98MPa安全率3使用時)、キー幅b、キー有効長L、軸径dを与えると、キーがせん断で破損しない許容トルクTsが求まります。回転部品(ギヤ・プーリ)のボス長がキー長Lの基準です。

面圧による許容トルク

Tp ＝ (h/2 × L × pa × d) ÷ 2 [N·mm]

キーとキー溝側面の面圧pa(S45Cで許容約147MPa)、キー高hの半分がボス側に食い込むと仮定。回転方向が繰り返し変わる用途では許容面圧を1/2に低減します。

実務での安全率

連続運転・定常負荷:安全率3、始動衝撃・変動負荷:5、逆転・脈動負荷:8以上。日本機械学会「機械設計便覧」およびJIS B 8265(圧力容器)類の考え方を援用します。

キー材質別 許容応力早見表

設計計算に使う主要キー材の機械的性質と許容応力(S=3)の目安値です。実務では材料試験成績書(ミルシート)による実測値の確認が必須です。

キー-キー溝の面圧許容値paは、繰返し逆転運転の場合1/2、大衝撃負荷の場合1/3に低減してください。日本機械学会「機械設計便覧」第2章「キー・キー溝の設計」参照。

強度計算の実例(φ30 S45C平行キー)

条件設定

軸径d=30mm、キー b×h=8×7、キー材S45C-D(τa=98MPa、pa=147MPa)、キー有効長L=40mm、伝達動力P=5.5kW、回転数N=1750rpm(4Pモータ相当)。

伝達トルクの計算

T = 9550 × P ÷ N = 9550 × 5.5 ÷ 1750 ≒ 30 N·m = 30,000 N·mm

せん断応力チェック

キーに働くせん断力 F = 2T ÷ d = 2 × 30,000 ÷ 30 = 2,000 N

せん断応力 τ = F ÷ (b × L) = 2,000 ÷ (8 × 40) = 6.25 MPa << τa=98 MPa　OK

面圧チェック

面圧 p = F ÷ (h/2 × L) = 2,000 ÷ (3.5 × 40) = 14.3 MPa << pa=147 MPa　OK

結論

安全率はτa/τ=15.7倍、pa/p=10.3倍と十分。始動衝撃を係数2で見込んでもキー破損リスクは極めて低い。φ30軸+8×7キー(L=40mm、S45C)は本条件で余裕を持って使用可能。

業界・現場での使い方

キー溝設計の実務フロー

ステップ1: 伝達トルク計算

動力P[kW]と回転数N[rpm]から必要伝達トルクを算出。T[N·m] = 9550 × P ÷ N。始動時衝撃を考慮して係数1.5〜3を乗じる。

ステップ2: 軸径選定

伝達トルクからねじり応力式で軸径を仮決定(材質SS400・S45C等)。を活用。キー溝断面補正を織り込む。

ステップ3: キー寸法の一次選定

JIS B 1301表より軸径区分から標準寸法(b×h、t1、t2)を読み取る。本ツールでの入力軸径から即選定できます。

ステップ4: 強度確認

せん断応力・面圧をキー有効長で計算。安全率3〜8で許容内かを確認。不足なら軸径アップ・材質グレードアップ・多重キー・スプライン化を検討。

ステップ5: 加工性・組立性検討

キー溝加工方法(キーシータ・フライス・ブローチ)の選定、表面粗さRa指定、コーナーR確認。組立時の圧入方法・取外し方法の想定。

よくある間違い・注意点

• 公差なしのキー・キー溝加工 ― JIS B 1301はキー幅b(N9)、軸溝幅(N9またはJs9)、穴溝幅(P9またはJs9)と厳格な公差を規定。公差外だと「キーが入らない/ガタが大きい」問題が発生し、無理に叩き込むと軸・キーとも損傷。
• 軸溝深過大による軸強度低下 ― t1を規格値以上に削ると軸断面積が減り、応力集中係数α≈2.0と相まって短時間で疲労折損。特に高速回転軸(3000rpm超)は要注意。
• キー長さ不足 ― キー有効長L<ボス長のケースでは面圧・せん断双方が不足しトルク伝達不能。ボス端面から1〜2mmの余裕を持ってキー端を配置。
• 安全率の見誤り ― 定常負荷の安全率3を、始動衝撃を伴う搬送コンベア・巻上機に適用するとキー破損。始動衝撃係数を1.5〜3で乗じ、必要に応じて安全率を5〜8に引き上げる。
• 逆転運転での片当たり ― 正逆繰返し運転ではキー両側面が交互に面圧を受け疲労が早い。許容面圧を半減または多重キー・スプラインへ変更。
• キー材質の指定漏れ ― 図面に「キー: JIS B 1301」だけでは材質指定がなく、業者判断でS20C(軟鋼)が使われトルク不足に。S45C-D調質を明記。
• キー溝コーナー半径不足 ― 角部R=0だと応力集中がさらに悪化。JIS B 1301はコーナーR(細目:0.16〜0.40)を規定。CAD自動生成は要確認。

関連する規格・法令

• JIS B 1301 ― キー及びキー溝。平行キー・こう配キー・頭付きこう配キーの寸法・公差・材質を規定する国内の中核規格。
• JIS B 1302 ― 半月キー。円弧状キーの標準寸法。テーパ軸・小径軸で頻用。
• JIS B 1601 ― 角形スプライン。多歯によるトルク伝達要素の寸法・公差。
• JIS B 1451 ― フランジ形固定軸継手。カップリングの標準ボアと対応キー溝仕様。
• JIS G 4051 ― 機械構造用炭素鋼鋼材。S45C等キー材の化学成分・機械的性質。
• JIS G 4053 ― 合金鋼鋼材。SCM435等の高強度キー・シャフト材料規格。
• ISO 2491 ― Thin parallel keys and their corresponding keyways。ISO国際規格。
• DIN 6885 ― Antriebselemente Passfedern。ドイツ規格、欧州機械では頻出。
• 労働安全衛生規則 第107条 ― 動力伝達装置(軸・キー・カップリング)の覆いに関する安全基準。

参考文献・公的資料

キー・キー溝設計のより詳細な情報は、以下の公的機関・学会・団体の資料を参照してください。

• 日本産業標準調査会(JISC) ― JIS B 1301・JIS B 1302・JIS B 1451等の公式検索。最新版・改正履歴を確認可能。
• 日本機械学会(JSME) ― 機械工学便覧S編(機械要素)にキー強度計算の詳細と最新研究。
• ISO/TC 14 Shafts for machinery and accessories ― 軸・キーの国際規格を管轄する専門委員会。ISO 2491の一次資料。
• DIN(ドイツ規格協会) ― DIN 6885(平行キー)、DIN 6886(こう配キー)、DIN 6888(半月キー)の公式規格。
• 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) ― 機械要素の高効率化・信頼性設計に関する技術戦略・研究開発事業。
• 厚生労働省 労働安全衛生法関連 ― 動力伝達部の覆い義務(労働安全衛生規則第107条)等の一次資料。
• 日本機械工業連合会 ― 機械産業技術動向、機械要素部品の統計・業界情報。
• 三菱電機 FA機器 標準モータ・減速機出力軸仕様 ― 実機軸径・キー溝寸法の技術資料。
• 椿本チエイン 動力伝達製品カタログ ― スプロケット・カップリングのキー溝仕様標準例。

よくある質問（FAQ）

関連計算ツール