用語解説：製品設計における安全率とは
- SANKO GOSEI
- 8月22日
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1. 安全率の基本的な考え方
製品設計における**安全率（Safety Factor, SF）**とは、構造物や部品が実際に使用されるときに想定外の負荷や不確定要素に備えるために設定される「余裕の倍率」です。簡単に言えば、「壊れないための保険」であり、設計強度と実際の使用条件の間に余裕を持たせることで、事故や故障のリスクを低減します。
例えば、ある部品に100Nの力がかかると想定される場合、材料の破壊強度が200Nなら、安全率は以下のように計算されます。
この場合、「2倍の余裕を持っている」という意味になります。
2. 安全率を設定する目的
安全率を設ける理由は大きく3つあります。
材料や加工のばらつきへの対応
同じ材料でもロットごとに強度にばらつきがあり、加工精度や仕上げ状態によっても性能が変化します。
使用環境の不確実性
温度変化、衝撃、摩耗、腐食など、設計段階で完全に把握できない要素に備える必要があります。
人為的な誤差や予測外の負荷
設計段階で想定していなかった荷重がかかる可能性や、使用者の誤操作に備えます。
3. 安全率の目安
安全率は製品の用途や要求される信頼性によって大きく変わります。
機械部品（一般産業機械）：1.5～3程度
建築構造物（橋梁・ビルなど）：2～4程度
航空宇宙分野：1.2～1.5程度（重量制限が厳しいため、精密な解析と実験で余裕を減らす）
命に関わる医療機器やエレベーター：5以上設定する場合もある
4. 具体例
例①：自動車のサスペンションアーム
設計荷重：5kN（通常走行時に想定される力）
材料の降伏強度から算出される許容荷重：15kN→ 安全率 = 15 ÷ 5 = 3
つまり、通常走行で想定される3倍の力がかかっても壊れない設計となっています。
例②：登山用カラビナ
使用者の体重＋荷重を合わせて1kN(≒100kg)程度と仮定
カラビナの破断荷重：25kN→ 安全率 = 25 ÷ 1 = 25
登山道具は人命に関わるため、極めて高い安全率が設定されています。
5. 安全率とコストの関係
安全率を高くすればするほど安全になりますが、同時に「重量増」「コスト増」「効率低下」といった問題が生じます。そのため設計者は以下のバランスを取る必要があります。
安全性の確保
コスト・重量・効率との両立
製品の用途や使用環境に応じた最適値の選定
まとめ
製品設計における安全率とは、不確実要素に備えて「どれだけ余裕を見込むか」を数値化した指標です。・産業機械では2～3・建築物では2～4・航空宇宙分野では1.2～1.5・命に関わる分野では5以上といった目安があり、設計者は安全性とコストの最適なバランスを取ることが求められます。
