疲労破壊の原理原則｜エンジン設計者が押さえるべき「3つの条件」と繰り返し回数の考え方

はじめに：疲労破壊は「原理原則」で理解しよう

エンジン部品の破損原因として最も多いもののひとつが「疲労破壊」です。疲労破壊は一見突然起こるように見えますが、実はすべて物理法則に従って進行しています。

筆者はエンジンのシリンダブロック（クランクケース）の設計を長年担当してきました。その経験から、疲労破壊に対する設計アプローチの根幹にあるのは、非常にシンプルな原理原則だと考えています。

「疲労破壊は、応力が発生している箇所に応力集中源が存在し、かつ繰り返し荷重が作用することで初めて発生する」

言い換えれば、この3つの条件が揃わなければ疲労破壊は起きません。非常にシンプルですが、このシンプルな原則を常に意識できているかどうかが、疲労設計の質を大きく左右します。

この記事では、この原則に立ち返りながら、疲労破壊の基礎を体系的に解説していきます。

疲労破壊が成立する「3つの条件」

疲労破壊が発生するためには、以下の3つの条件がすべて同時に成立する必要があります。

条件1：変動応力（繰り返し荷重）が存在すること

まず大前提として、その部位に繰り返し変動する応力が作用していなければ、疲労破壊は起こりません。

これは当たり前のことに思えるかもしれませんが、非常に重要なポイントです。エンジンがどんなに高回転・高トルクで回っていようとも、ある部位に変動応力が発生していなければ、その部位には疲労は発生しません。

逆に言えば、破損が起きたということは、その部位には必ず変動応力が存在していたことになります。このシンプルな裏返しの考え方が、原因究明の出発点になります。

条件2：応力集中源が存在すること

変動応力が作用する部位に、応力を局所的に増幅させる「応力集中源」が存在すると、疲労き裂の発生が促進されます。

応力集中源は大きく2つに分類できます。

設計形状に起因するもの

設計形状による応力集中とは、応力が発生している箇所に小R（フィレット半径が小さい隅部）やノッチ形状（切欠き）があることで、その部分に応力が集中してしまう現象です。具体的には以下のようなものがあります。

• 小R（フィレット半径が小さい隅部）
• ノッチ形状（切欠き）
• 肉厚の急変部
• 油穴やボルト穴の交差部

これらは設計図面の段階で確認でき、設計者がコントロールできる応力集中源です。

製造不良に起因するもの

もうひとつは、製造工程で発生する欠陥による応力集中です。特にアルミダイキャスト製のクランクケースでは、以下のような製造欠陥が問題になることがあります。

• 鋳巣（ガスポロシティ、引け巣）
• 破断チル（酸化膜）の巻き込み
• 湯境い
• ピンホール

ここで非常に重要なのは、同じ鋳巣があったとしても、変動応力が作用していない部位であれば、その鋳巣は疲労の起点にはならないということです。

製造欠陥は「存在すること自体」が問題なのではありません。「変動応力の作用する場所に存在すること」が問題なのです。 この区別を理解しておくことは、品質管理の方針を決める上でも非常に重要になってきます。

条件3：十分な繰り返し回数があること

応力の大きさに応じた繰り返し回数が蓄積されることで、き裂が発生・進展し、最終的に破壊に至ります。この応力と繰り返し回数の関係を示すのがS-N曲線（応力-寿命曲線）です。

応力振幅が大きければ少ない回数で破壊に至りますし、応力振幅が小さければ多くの回数が必要になります。

疲労と呼べる繰り返し回数は何回から？

「何回以上の繰り返しであれば疲労破壊と呼べるのか」という疑問は、設計者なら一度は持ったことがあるのではないでしょうか。

繰り返し回数による疲労の分類

疲労は繰り返し回数によって大きく分類されています。

高サイクル疲労（HCF: High Cycle Fatigue）

おおむね10⁴回（1万回）を超える繰り返しで破壊に至るものです。弾性ひずみが支配的な領域であり、一般的なエンジン部品の疲労設計ではこの領域を想定していることが多いです。

低サイクル疲労（LCF: Low Cycle Fatigue）

おおむね10⁴回以下の繰り返しで破壊に至るものです。塑性ひずみが支配的な領域で、エンジン部品では熱疲労（起動・停止サイクルによる熱応力の繰り返し）がこれに該当する場合があります。

超低サイクル疲労

極めて高い塑性ひずみ範囲での繰り返しでは、数十回〜数百回で破壊に至ることもあります。これも疲労の範疇に含まれます。

明確な「最低回数」の定義はない

実は、「何回以上が疲労」という厳密な回数の定義はありません。

原理的には、繰り返し荷重が2回以上加わり、その繰り返しによるき裂の発生・進展が破壊の主因であれば、「疲労破壊」と呼ぶことができます。

逆に、1回の荷重負荷で破壊した場合は「静的破壊（過負荷破壊）」であり、疲労とは呼びません。

つまり、重要なのは回数の多さではなく、破壊のメカニズムが「繰り返し応力によるき裂の発生と進展」であるかどうかです。この本質を理解しておくことが大切です。

超低サイクル疲労の判断の難しさ

ただし、実務上は繰り返し数が極めて少ない超低サイクル疲労の場合、破面にストライエーションやビーチマークといった疲労特有の痕跡が明瞭に現れないことがあります。そのため、破面観察だけでは疲労破壊と静的破壊の区別が難しくなる場合もあります。

こうしたケースでは、破面の観察結果だけでなく、荷重履歴や運転条件の情報と合わせて総合的に判断することが必要です。

「応力が出ないところには疲労は起きない」を設計にどう活かすか

ここまで解説した3つの条件を踏まえると、疲労設計のアプローチは非常に明快になります。

アプローチ1：変動応力を低減する

変動応力そのものを小さくできれば、疲労破壊のリスクは下がります。これは荷重の低減（設計条件の見直し）や、剛性の確保による変形の抑制などで対応します。

アプローチ2：応力集中を排除・緩和する

変動応力が作用する部位の応力集中源を取り除く、あるいは緩和するアプローチです。

設計形状であれば、フィレットRを大きくする、肉厚変化を緩やかにする、穴の位置を変更するといった対策が考えられます。製造欠陥であれば、鋳造条件の最適化や品質基準の見直しが対策になります。

アプローチ3：「応力が出る場所」を正確に把握する

これが実は最も難しく、最も重要なポイントです。どんなに応力集中を排除しても、そもそもどこに変動応力が発生しているかを正しく把握できていなければ、対策の打ちようがありません。

この「応力が出る場所の把握」こそが、後続の記事で詳しく扱うテーマです。FEM解析で応力が出ていないと思っていた場所に、実は想定外の荷重が作用していた——筆者自身がエンジン開発の現場で経験した、そんな落とし穴についてお伝えします。

まとめ

疲労破壊の設計における最も重要な原理原則は、驚くほどシンプルです。

1. 変動応力が存在しなければ、疲労は起きない
2. 応力集中は、変動応力が存在する場所でしか問題にならない
3. 繰り返し回数は、メカニズムが「繰り返し応力による進展」であるかどうかが本質

この原理原則を常に意識することで、複雑に見える疲労破壊の問題も、論理的に整理して対処できるようになります。

次回は、疲労破壊が起きた際に破面から何が読み取れるのか、特に鋼とアルミニウムの破面性状の違いについて解説します。

一松（いちまつ）

大学院（機械工学専攻）修了後、大手輸送機器メーカで設計一筋20年

大学院（機械工学専攻）修了後、大手輸送機器メーカーに入社。20年以上、二輪車・多目的車両向けエンジン設計に携わっています。現場の知見から「考えるための情報」を発信しています。