シャフトキーとキーウェイ：機械継手における種類と用途

キーとキーウェイとは

キーとキーウェイはキー継手を構成し、ハブとシャフトを固定して、動力伝達シャフトと取り付け部品との相対移動を防止します。例えば、ギアドライブ、プーリー、スプロケットなどが、キーを介して動力伝達シャフトに確実に接続されます（図1）。キー継手は、機械的動力伝達要素であるシャフトとカップリングの重要な部分であり、設計精度要件内で負荷、動力、回転を滑りなく伝達することを保証します。

キーは通常、鋼製で、シャフトと部品のハブの間に軸方向に挿入・取り付けられ、相対移動を防ぎます。キーシートはシャフト側の溝、キーウェイはハブ側の溝を指し、キーを受け入れて部品を確実にロックします。一般的にキーシートという用語は稀で、業界では両方の溝をキーウェイと呼ぶのが通例です（図2）。

シャフトとハブのキーウェイは、キージーティングマシンで切削されるのが一般的ですが、ブローチ盤、フライス盤、シェイパー、スロッター、放電加工（EDM）でも加工可能です。

スプライン、フレキシブルカップリング、テーパー継手などの保持要素も使用されます。極めて低動力伝達の場合は、セットスクリューやピンも使用可能です。セットスクリューや一部のキー継手を使用する場合、クリップやリテイニングリングなどの軸方向拘束手段が必要です。

キー継手のメリットと限界

シャフトキーの使用には様々な利点と欠点があるため、キー継手の適否を判断するには、全体設計の細部まで十分な検討が必要です。

シャフトキー・キー継手のメリット

• 製造コストが安い
• 高度に標準化されている（ISO、BS、DIN、ANSI）
• 中〜高トルク伝達が可能
• 着脱が容易で、再利用しやすい

シャフトキー・キー継手のデメリット

• 交互方向荷重や衝撃荷重に不向き
• セットスクリューやリテイニングリングなどの追加部品でロックしない限り、ハブの軸方向変位が生じる可能性がある
• 経年で分解が非常に困難になる場合がある
• キーウェイがノッチ効果により応力集中点となり、シャフト強度を低下させる
• シャフトのアンバランスを生じさせる
• 負荷負担能力と公差スタック解析の計算・組み合わせが困難なため、キー継手は過大設計になりがち
• 軸方向力を伝達するにはストップロックが必要

キーの種類

シャフトキーは多種多様なタイプと形状があり、以下の4カテゴリーとサブカテゴリーに分類されます（図3）。

1. 沈みキー（サンキー）
   • 矩形キー・正方形キー
   • 平行キー
   • ギブヘッドキー
   • フェザーキー（キーとのスライド隙間あり）
   • ウッドラフキー
2. サドルキー
   • 平サドルキー・中空サドルキー
3. タンジェントキー
4. 丸キー・円キー

上記の中で、平行正方形キーとウッドラフキーが、使いやすさとコストの面から最も広く使用されています。

ダブルキー — 製造公差とダブルフィットの回避のため通常は平行キー1本のみ使用しますが、ダブルキーが非常に高い断続的荷重のために稀に使用されます。これは延性材料の場合のみ検討すべきで、計算は1.5本分の平行キーに基づいて行います。

沈みキー（サンキー）

沈みキーは、キーの厚さの半分がシャフトに埋め込まれます。測定はキーの側面で行い、シャフト中心線を通じてではありません（図4、5）。

矩形キー/正方形キー

矩形キーは幅が高さより広く、フラットキーとも呼ばれます。直径500mm（約20インチ）までのシャフトに使用されます。幅を広げることで、深さを増さずに大きなトルクを伝達できます。深さを増すと、シャフトの有効断面積が減少し、シャフトが弱くなります。

正方形キーは名前通り正方形断面で、一般的に直径25mm（約1インチ）までのシャフトに指定されます。矩形キーより深いキーウェイが望ましい場合、より大径シャフトにも使用可能です。こちらも深さ増加はシャフト弱化を招きます。

正方形キーと矩形キーには、キー長さ方向に1:100のテーパーが付けられることがあります（図6）。

平行沈みキー

平行沈みキーは矩形または正方形断面ですが、テーパーがありません。安価で入手しやすく、最も取り付けが容易なキーの一つです。ただし、振動や回転方向の反転でキーが押し出されるため、ハブにセットスクリューで固定するのが理想的です。

これらのキーは一般的に、シャフトキーウェイの底面とキー継手の側面にタイトフィットさせ、ハブキーウェイの上面にクリアランスを設けて取り付けます。

ギブヘッド沈みキー

沈みキーにギブヘッドを設け、取り外しを容易にしています。図8の通り、一般的に矩形または正方形キーの上面にテーパーを付け、タイトフィットを確保します。

フェザーキー

フェザーキーはシャフトまたはハブのいずれかに固定し、相対的な軸方向移動を許容します。図に示す通り、ダブルヘッド、ペグフェザー、フェザーキーの3タイプがあります。これにより、平行な対向面でシャフトとハブ間の動力伝達を行いながら、スライド移動を可能にします。

ウッドラフキー

ウッドラフキーは半円盤状で、シャフトの円形溝（ウッドラフキーウェイカッターで加工）にはまります。工作機械や自動車シャフト（直径6mm〜60mm、約1/4インチ〜2.5インチ）で主に使用されます。長い平行キーと同等の荷重は負担できません。

ウッドラフキーの利点は、ハブキーウェイのテーパーを吸収できること、捕獲されており深さがあるためキーがひっくり返らないことです。

欠点は、キーウェイの深さがシャフトを弱めること、フェザーキーとして使用できないこと、取り付けが困難なこと、短くて大きな荷重を負担できないことです。

サドルキー

沈みキーと異なり、サドルキーはシャフトとハブの両方に沈まず、ハブ側のみに沈みます。シャフトの平面または円周面に乗せ、シャフトとキーの摩擦で動力伝達を行います。図示の通り、平サドルキーと中空サドルキーに分類され、滑りを避けるため軽荷重専用です。

平サドルキーは上面がテーパー、底面が平らです（図13）。テーパー付きハブキーウェイにはまり、シャフトの平面を押さえます。

中空サドルキーは上面がテーパー、底面が曲面です（図14）。テーパー付きハブキーウェイにはまり、シャフトの円周面に押し付けられます。

タンジェントキー

タンジェントキー（タンジェンシャルキーとも呼ばれる）は、図15の通り一組を直角に配置し、各キーが一方向のねじりのみを負担します。大型重荷重シャフトで使用されます。

丸キー/円キー

丸キーは円形断面で、シャフトとハブに部分的に穴を開けてはめ込みます。組み立て後にキー溝をドリル加工・リーマ加工できるため、製造が容易です。一般に低動力伝達に適するとされます。

キーウェイ設計とキー寸法決め

シャフトキーの選定は、キー継手の早期破損を防ぐ上で極めて重要です。「シャフトキー選定とキーウェイ設計ガイド」を参照し、シャフトキーのせん断応力と圧縮応力の計算方法、キー材料、荷重タイプ、適正フィットなど、実施設計段階で考慮すべき重要因子を理解してください。

規格と仕様

BS 4235-1:1972に基づく、平行キーとウッドラフキーのメトリックキーウェイ寸法と公差を参照してください。キーウェイ寸法公差と深さ寸法に加え、推奨キー寸法、シャフト径に対するキーウェイ深さを規定する規格もあります。

• 推奨キー寸法、長さ、シャフト径に対するキーウェイ深さ：ASME B17.1-1967、ASME B17.2-1967
• メトリックキーとキーウェイ仕様 — 平行キーとテーパーキー：BS 4235-1:1972
• ウッドラフキーとシャフト径の組み合わせ：DIN 6888
• 交互衝撃荷重用タンジェンシャルキーとキーウェイ：DIN 268:1974
• 定常荷重用タンジェンシャルキーとキーウェイ：DIN 271:1974

参考文献

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. (n.d.). Mechanical Design of Machine Elements and Machines. John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements. Boston: McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.