機械設計 #97：機能で公差を配分する — 必要な所を厳しく、不要な所を広く

機能公差配分は境界が変わっても機能、製造、検査、費用、保全を守らなければならない。

数値より先に機能

肉厚、公差、基準、穴群を決める前に、入力、期待結果、合否限界、故障症状、測定方法を書く。全ての値と変更に担当を付ける。

基本チェック

機能上の特性と、その合否限界： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
積み上げに寄与する要素と、データムの構成： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
工程能力と、供給元に関する危険： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
最悪値による配分と統計的な配分： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
検査の手間と、測定の不確かさ： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
費用、変更、再配分の規則： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。

故障モード	症状	確認
機能が未定義	過剰公差または機能不足	機能スタックを再構築
基準が実在しない	検査と組立が不一致	実治具で試す
文書が不一致	数値は正しいが改訂違い	全資料を基準化

公差の積み上げ：足し方が二つあり、答えも二つ出ます

個々の部品へ公差を配分する前に、それらが合わさって何になるかを知る必要があります。足し方は二つあり、使う場面が違います。

最悪値： 公差をそのまま足します。五つの部品が直列に並び、それぞれ±0.1ミリメートルだとします。最悪値は五つとも同じ側へずれた場合で、5×0.1＝±0.5ミリメートルです。絶対に安全ですが悲観的でもあります。五つすべてが最大まで同じ側へずれる確率はごく小さいからです。

統計的な積み上げ（二乗和平方根）： 二乗の和の平方根を取ります。同じ例では、5×0.1²の平方根でおよそ ±0.22ミリメートル、最悪値の半分にも届きません。

どちらを使うか	使う場面
最悪値	数量が少ない、安全が重要、一台の不良の影響が大きい、あるいは工程が統計的に管理されていない
統計的な積み上げ	数量が多く、工程が安定していてそれを示すデータがある。ごく小さい割合の外れを許容できる

要点はここです。統計的な積み上げが正当なのは、供給元の工程能力のデータを持っているときだけです。数値が良く見えるという理由で使うことは、自分をだましているだけです。

配分の三つの方法。状況に応じて選びます

配分方法	やり方	向く場面
均等配分	連鎖の各要素へ同じだけ配る	工程について何も分かっていないときの出発点
工程能力による配分	現場が厳しく作れる要素へ厳しい分を配る	各工程や各供給元の能力が分かっている場合
費用による配分	安い場所を締め、高い場所を緩める	どの要素が一等級締めると急に高くなるか分かっている場合

実務では二つ目と三つ目は一緒に使います。現場がもともと低い費用で厳しく作れる要素を締め、加工方法を変えないと達成できない要素を緩めます。

公差を締めるより安い方法：要素を減らし、調整の余地を残す

各要素を締める前に、次の二つを試してください。多くの場合ずっと安く済みます。

連鎖の要素数を減らす。 二つの部品を一つにまとめる、あるいは直列に位置決めするのではなく、一つの共通

部品から組立体全体を位置決めします。要素を一つ減らせば、その公差の分がまるごと合計から消えます。

管理された調整を一か所残す。 シム、調整ねじ、公差を明記した長穴などです。管理された調整は「現場で合

わせてもらう」とはまったく違います。範囲があり、測り方があり、合否の基準があります。

機能の連鎖に入らない部位は、図面の隅の普通公差に任せ、個別に書かないでください。生産技術 #05 — 書いた公差が加工費を決めるも参照してください。

公差の配分：すべての部品を一律に締めない

組立体に許容できる総公差があるとき（はめあいすきまを0.2 mm以内に収めるなど）、本当の問いは、その 0.2 mmを各部品にどう割り振るかです。配分を誤ると、組立体が不合格になるか、締める必要のなかった部品まで締めてコストが上がります。

よくある配分の三通りです。

均等配分：各部品に等しい取り分。単純ですが、狭い公差を安く保てる部品もあれば高くつく部品も

あるので、たいてい無駄が出ます。

工程能力による配分：狭い公差を安く保てる部品に多くを負わせ、難しい部品（薄肉、軟らかい

材料、長い部品）にはゆるい取り分を与えます。

コストによる配分：締めても安い部品に狭い公差を寄せ、高い部品はゆるめます。

コスト対公差の曲線

加工コストは公差を締めると急に上がり、比例しません。公差を半分にするとコストは倍以上になることが多く、方法を変え（フライスから研削、研削からラッピング）、検査も増えるからです。狭い数値を書く前に、機能が本当にそこまで要るのか、それとも惰性で締めているのかを問います。

総公差が、別々の部品に配分するには狭すぎるときは、次を使います。

選択嵌合：測ってから、大きい部品と小さい部品を組ませて互いに打ち消させ、両方を締めません。

ピストンとシリンダ、等級分けした玉軸受で広く使われます。

調整機構：調整ねじやシムが誤差を吸収し、残りの部品は経済的な公差で保てます。

選択嵌合や調整機構を選ぶのは駆け引きです。加工は安くなりますが、組立時と予備部品交換時の手間が増えます。早めに決め、不合格になってから慌てないようにします。

MINATA発行チェック

[ ] 機能、境界、故障症状を記載した。
[ ] 基準、責任、工程、誤操作防止が明確である。
[ ] 六項目に証拠と合否限界がある。
[ ] 製造、組立、検査、保全を実機で試した。
[ ] 改訂、サプライヤー、材料、構成記録が一致する。

良い設計は、製造、運転、保全、変更を通過する前提の連鎖である。機能公差配分では、機能とばらつきが信頼できる証拠を残すことがMINATAの基準である。

よくある質問

最悪値と統計的な積み上げのどちらを使いますか

数量が少ないとき、安全が重要なとき、工程のデータがないときは最悪値です。数量が多く、工程が安定していることをデータで示せるときは統計的な積み上げです。数値が楽になるという理由で統計的な方法を選ぶことは、自分をだましているだけです。

五つの部品がそれぞれ±0.1ミリメートルなら合計はいくつですか

最悪値は±0.5ミリメートル（そのまま足す）、統計的にはおよそ±0.22ミリメートル（二乗和の平方根）です。二つの数値は二倍以上違うため、どちらの足し方を採るかは設計の判断であり、細かな技術的細部ではありません。

念のためすべての寸法を締めてもよいですか

いけません。一律に締めると、費用も測定時間も不良も増えるのに、機能は増えません。正しいやり方は、保証すべき特性へつながる公差の連鎖を見つけ、その連鎖に本当に入っている要素だけを締めることです。

調整の余地を残すのは雑な設計ですか

管理された調整なら違います。調整の範囲があり、測り方があり、合否の基準があるものです。雑なのは、図面に何も書かず現場に合わせてもらうことです。それでは二台目が一台目と違ってしまいます。

連鎖の部品数を減らすことは本当に安いのですか

多くの場合、公差を締めるより安くなります。要素を一つ減らせば、その誤差への寄与がまるごと消え、同時に買う部品、検査する部品、組み付ける部品も一つ減るからです。各要素を締めると決める前に試す価値があります。

よくある質問（続き）

連鎖の中の全部品に公差を均等配分すべきですか。

たいていは違います。均等配分は単純ですが無駄が出ます。部品ごとに難しさとコストが違うからです。保ちやすく安い部品に狭い取り分を寄せ、難しい部品や高い部品はゆるめます。

なぜ公差を締めるとコストが急に上がるのですか。

加工コストが比例しないからです。公差を半分にするとコストは倍以上になることが多く、方法を変え（フライスから研削、研削からラッピング）、検査も増えます。機能が本当に要るときだけ締めます。

いつ全部を締める代わりに選択嵌合を使いますか。

総公差が、別々の部品に経済的に配分するには狭すぎるときです。測ってから大きい部品と小さい部品を組ませて互いに打ち消させます（ピストンとシリンダ、等級分けした軸受）。代償は組立時と交換時の測定と組合せの手間です。

まとめ

機能で公差を配分するは、書類を整えるための手続きではない。設計意図を、繰り返し製作でき、組み立てられ、測定できる結果へ変えるための手段である。良い図面は、設計者がそばで説明しなくても伝わる。情報の構成そのものがその役割を果たさなければならない。

現場のための早見表

公差配分は、状況・与え方・目的を対応づけると決めやすくなります。

状況	与え方・制御の仕方	目的
位置決めの特徴	機能連鎖に沿って厳しくする	相対位置を保証する
機能しない面	経済的な加工公差にする	むだに高くしない
調整の段	シムや調整すきまを残す	組付けのばらつきを吸収する

実際の場面

すべての寸法へ均等に公差を割り振りません。出力側で許されるすきまや偏りから始め、公差の積み上げを組み立て、工程能力と各段の寄与に応じて配分します。

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