機械要素の基礎：歯車

歯車とは

歯車は、円盤または円錐などの外周あるいは内周に歯と呼ばれる突起を等間隔に設けた、代表的な機械要素です。一対または複数の歯車を噛み合わせることにより、回転軸から別の回転軸へ、あるいは回転軸と直線運動をする部品の間で、動力、運動、トルクを確実に伝達する目的で広く用いられます。その歴史は古く、現代においても自動車、産業機械、時計、ロボットなど、あらゆる機械装置の基幹部品として不可欠な存在です。

歯車の基本的な機能と原理

歯車の主な機能は、動力伝達、回転速度の変更すなわち変速、回転方向の変更、そして回転運動と直線運動の間の運動変換です。歯と歯が直接噛み合うことで、ベルト伝動のような滑りがなく、正確な回転比での動力伝達が可能です。噛み合う二つの歯車の歯数の比によって、回転速度を上げたり下げたり、同時にトルクを下げたり上げたりすることができます。この歯数の比を速度伝達比と呼びます。また、歯車のかみ合い方によって、回転の向きを変えたり、回転軸の向きを変えたりすることもできます。歯車の歯の大きさを示す指標としてモジュールがあり、噛み合う歯車同士はモジュールが等しくなければなりません。

歯車の主な種類

歯車には、組み合わせる軸の相対的な位置関係や歯の形状によって、様々な種類があります。

• 平歯車: 最も一般的で広く使われる歯車です。歯すじが軸に平行な直線で、平行な二軸間で動力を伝達します。製作が比較的容易で経済的ですが、高速回転時には騒音や振動が発生しやすいです。
• はすば歯車: 歯すじが軸に対して斜めねじれ状になっている歯車です。平歯車に比べて歯が徐々に噛み合い始めるため、回転が滑らかで騒音や振動が少なく、より大きな力を伝えることができます。ただし、回転時に軸方向に力、スラスト力が発生するため、それを支える軸受が必要です。自動車の変速機などに多用されます。
• やまば歯車: はすば歯車の左右対称な歯を二つ組み合わせた形状の歯車です。左右の歯で発生するスラスト力が互いに打ち消し合うため、外部にスラスト力が発生しません。大きな動力伝達に適しています。
• 内歯車: 歯が円筒の内側に設けられた歯車です。外側に歯がある平歯車やはすば歯車と組み合わせて使用されます。同じ減速比をより小さなスペースで実現できるため、遊星歯車装置などのコンパクトな機構に用いられます。
• ラックアンドピニオン: 直線状の棒に歯を刻んだラックと、それに噛み合う小歯車ピニオンの組み合わせです。ピニオンの回転運動をラックの直線運動に変換、あるいはその逆の変換を行います。自動車のステアリング機構や工作機械の位置決め装置などに利用されます。
• かさ歯車: 円錐の側面に歯を設けた形状の歯車で、交差する二軸間で動力を伝達します。軸が直角に交わる場合が最も一般的です。歯すじが直線的なすぐばかさ歯車と、曲線的なまがりばかさ歯車があります。まがりばかさ歯車は、はすば歯車と同様に滑らかで静かな回転が得られます。自動車の差動装置などに用いられるハイポイドギアもかさ歯車の一種ですが、軸がオフセットしています。
• ウォームギア: ねじ状の歯を持つ軸であるウォームと、それに噛み合うはすば歯車状のウォームホイールの組み合わせです。互いに直交し交わらない二軸間で動力を伝達します。一段で非常に大きな減速比を得られること、ウォーム側からしか回転を伝えられないセルフロック機能を持つ場合があることが特徴です。ただし、滑り接触が主となるため伝達効率は他の歯車より低くなります。エレベータの駆動装置やコンベヤ、割り出し装置などに用いられます。

歯車の材料

歯車の材料は、要求される強度、耐摩耗性、靭性、静粛性、耐食性、重量、コストなどを考慮して選定されます。最も多く使われるのは鋼です。炭素鋼や合金鋼が用いられ、多くの場合、強度や耐摩耗性を向上させるために焼入れ、焼戻し、浸炭、窒化といった熱処理や表面硬化処理が施されます。振動吸収性や自己潤滑性が求められる場合には鋳鉄が、軽量性、静粛性、無潤滑性が求められる軽負荷用途にはポリアセタールやナイロンなどのエンジニアリングプラスチックが、耐食性が求められる場合にはステンレス鋼や黄銅、青銅などの非鉄金属が用いられることもあります。

歯車の製造

歯車の製造方法には、歯車の種類、精度、生産量などに応じて様々な方法があります。代表的なものに、ホブ盤や歯切り盤を用いた切削加工、フライス盤による歯切り、歯車研削盤による精密な仕上げ研削があります。大量生産品や高強度品では鍛造で素材を成形することもあります。低精度で良い場合や特殊な形状では鋳造や粉末冶金、プラスチック歯車では射出成形も用いられます。高い精度が要求される歯車では、切削後に研削やシェービングといった仕上げ加工が行われます。

潤滑と保守

歯車が円滑に回転し、摩耗や損傷を防ぐためには、適切な潤滑が不可欠です。潤滑油やグリースは、歯面間の摩擦を減らし、摩耗を抑制し、発生する熱を冷却し、錆を防ぐ役割を果たします。運転速度や負荷、使用環境に応じて、油浴式、飛沫式、強制循環式などの給油方法や、適切な粘度の潤滑油、グリースが選定されます。また、定期的な歯面の状態確認、潤滑状態の確認、異音や振動のチェックといった保守作業も、歯車の信頼性を維持するために重要です。

利点と欠点

歯車伝動の主な利点は、滑りがなく正確な速度比で確実に動力を伝えられること、伝達効率が高いこと、幅広い減速比増速比を実現できること、比較的小さなスペースで大きな力を伝えられること、適切に設計製造されれば長寿命であることです。一方、欠点としては、高い精度での製造と取り付けが必要であること、噛み合いによる騒音や振動が発生しやすいこと、潤滑が不可欠であること、ベルトやチェーンに比べてコストが高くなる場合があることなどが挙げられます。

まとめ

歯車は、その確実な動力伝達能力と多様な機能により、現代のあらゆる機械装置において中核的な役割を担う不可欠な機械要素です。平歯車からウォームギアまで多種多様な形式が存在し、それぞれが特定の用途において最適な性能を発揮するように設計、製造されています。材料技術、加工技術、潤滑技術の進歩とともに、歯車はより高精度、高効率、高耐久なものへと進化を続けており、今後も機械工学の発展を支え続けるでしょう。