歯車とは

「回転出来る二軸に固定する剛体に凹凸面(歯)を設け、一方の凸面が相手の凹面に次々に入り込み、滑り接触を行うことによって、1つの軸から他の軸に回転運動を伝える機械要素」と定義されています。
簡単にいえば、歯が次々に噛合うことによって動力を伝達する製品です。

動力を伝達するその他の製品としては、ローラーチェーンやベルト等がありますが、確実に滑りなく動力を伝達する点においては歯車が最も優れているといえます。

歯車の形状や歯のピッチを自由に決められることで、その伝達動力の範囲が広いことや、回転数や力の強さを的確に調整できること等が挙げられます。

 

 歯車の歴史

歯車がいつ頃からこの世界に登場したのか定かではないようですが、記録に残っているものでは、ギリシャのアリストテレスが著した「機械の問題」に、金属製の歯車が登場します。
約2300年前当時にすでに金属製歯車が使われていたということです。

15世紀後半になると、レオナルド・ダ・ヴィンチが、歯車の技術史上にも特筆されるような成果を残しています。レオナルド・ダ・ヴィンチが以下のスケッチに残している通り、現在使われている歯車の原形の多くを考案しました。

↑ レオナルド・ダ・ヴィンチが描いた各種歯車装置のスケッチ

 

その後の歯車の進歩は時計と共にあったともいえます。中世の頃から歯車は時計に使われるようになり、歯車の正確さが重要となってきました。これによって、歯形の研究が大きく進んでいくことになります。

そして、産業革命を経て、本格的な機械工業の成長と共に現在のような歯車の製作方法の発展へと繋がっていくのです。

歯車の種類と特徴

歯車は、その形状や用途等によって、様々な種類に分けられますが、歯車軸によって大きく三種類に分類されます。

①二軸が互いに平行である歯車

平歯車 はすば歯車 内歯車

②二軸が一点で交わる歯車
すぐば傘歯車 曲がり歯傘歯車
 
③二軸が平行でなく、かつ二軸が交わることもない歯車
ハイポイドギヤ ウォーム ウォームホイール

各歯車の特徴、詳細については、製品案内ページよりご覧下さい。

 

歯車の大きさを表す基本寸法

歯車の回転比を決めるのは歯数と歯の大きさです。歯の大きさが同じである歯車で、設定した歯数のものを組み合わせることで、希望する回転比が得られます。

その大きさを表す基本寸法として以下の3つの単位が使用されます。


①モジュール(m)

最も一般的な単位です。このモジュールをπ倍すると歯車の基準ピッチ(P)となるように
決められています。
モジュール(m) = 基準ピッチ(P) ÷ π
モジュールが大きくなるほど、歯の大きな歯車になります。

②ダイヤメトラルピッチ(DP)
基準円直径1インチ(25.4)当たりの歯数で表します。
インチ単位を使用する英米では、この単位が多く用いられています。
モジュール(m)と換算したい場合には以下の式で算出することができます。
モジュール = 25.4(1インチ) ÷ ダイヤメトラルピッチ(DP)


③円ピッチ
送り機構において、簡単に適切な送り量(円ピッチP×歯数Z)を
得られるようにした単位です。
円ピッチ(CP) = π × モジュール(m)

歯の形

歯の形には、大きく分けて「インボリュート歯形」と「サイクロイド歯形」がありますが、動力伝達用にはインボリュート歯形が用いられることが一般的です。

インボリュート歯形の特徴として、歯形がインボリュート曲線という曲線状になっていることが挙げられます。直線的に作られた歯形と違って歯の噛合いがスムーズであるため、歯への負担が少なく、結果として丈夫であるというメリットがあります。

インボリュート曲線がどのような曲線か簡単に説明すると、丸い筒に糸を巻きつけ、その糸の先に鉛筆を付けて、糸を引っ張りながらその糸をほどいていった時に描かれる曲線です。

歯車の強度

歯車の強度を決定する上で、精度と素材が非常に重要な要素となります。

まず、高精度の実現です。
歯形や歯スジ、ピッチ等の誤差を抑え、精度を高めていくことで、歯車の不具合の発生を抑止することが出来ます。精度を高めるということは、同時に音の静かな歯車になるということでもあります。

次に、素材の選定です。
強度や市場の流通量等の理由から「S45C」という炭素鋼や「SCM415」という合金鋼が多く用いられています。それらの素材に熱処理(焼入れ)を行うことで、金属が粘りを持ち、さらに強度を向上させることが出来ます。

また、かかる力に耐えうる強度を持った歯を作ることも重要です。
歯面にはその歯車を通じて伝える、面圧という強い力がかかります。
歯を大きくする、つまりモジュールを大きくすること、あるいは同じモジュールであれば歯幅を大きくすることで強度を持たせることが出来ます。

歯車の不具合として発生する問題には、下記のようなものが挙げられます。
これらの不具合を如何に抑えるかが重要になります。

折損 素材の疲労限度以上の曲げ応力が歯に繰り返し加わった時に生じる亀裂のこと。
特に疲労折損は設計不良、過負荷等が原因で発生してしまう。
磨耗 歯形の多くがインボリュート曲線であるため、歯の噛合いは滑りを伴う転がり接触であり、歯面間の潤滑油膜が不足すると、歯面の磨耗が発生してしまう。
歯面疲労 歯面に繰り返し負荷が加わることで、歯の表面下材料が疲労を起こすことで起こる損傷。
熱的損傷 歯面の摩擦等による発熱が原因で生じる温度上昇により歯面が受ける損傷のこと。
歯車の高速化も大きな要因のひとつ。