機械要素の基礎：スプライン

2025.10.202025.11.06

スプラインは、軸とその軸にはめ込まれるボス（歯車やプーリーなどの穴を持つ部品）との間で、回転トルクを伝達するために用いられる、機械要素です。その最も特徴的な形状は、軸の円周上に、複数のキー（凸歯）と溝（凹歯）を、等間隔に、軸と平行に設けたものです。ボス側には、この軸側のスプラインと精密にかみ合う、対になった溝と歯が加工されています。

一本のキーでトルクを伝達するキー溝とは異なり、スプラインは、多数の歯が同時にかみ合うことで、荷重を円周全体に分散させます。この原理により、スプラインは、同じ軸径のキー溝に比べて、遥かに大きなトルクを伝達する能力と、優れた調心性を備えています。その高い信頼性から、自動車のトランスミッションや、産業機械の動力伝達部といった、最も過酷で、最も高い精度が要求される、機械の心臓部で不可欠な役割を担っています。

トルク伝達の原理
スプラインの種類（形状による分類）
スプラインの種類（はめあいによる分類）
加工方法
まとめ

トルク伝達の原理

スプラインによるトルク伝達の工学的な優位性は、主に二つの点に集約されます。

1. 荷重の分散による高トルク容量

一本のキーを使用するキー溝の場合、軸が回転しようとするトルクは、全て、その一本のキーとその側面だけで受け止められます。これにより、キー側面には極めて大きな応力が集中し、そこが変形や破壊の起点となりやすくなります。

一方、スプラインでは、トルクは円周上に配置された多数の歯（例えば、20個や30個）に分散されて伝達されます。個々の歯が負担する荷重は、全体のトルクを歯数で割ったものになるため、一つの歯にかかる応力は、キー溝に比べて劇的に小さくなります。この荷重分散の原理こそが、スプラインが、コンパクトな設計でありながら、極めて大きなトルクを伝達できる最大の理由です。

2. 優れた調心性

スプラインは、多数の歯が全周にわたって、かみ合う相手を拘束します。これにより、軸とボスが互いの中心を正確に合わせようとする調心作用が働きます。部品同士が、がたつくことなく、高い同軸度で勘合するため、高速で回転させた際の振動や騒音を低減することができます。これは、中心が偏りがちなキー溝では得られにくい、重要な利点です。

スプラインの種類（形状による分類）

スプラインは、その歯の形状によって、主に三つの種類に大別されます。

1. 角形スプライン

歯の断面形状が四角形（矩形）をしている、最も古くからあるスプラインです。その形状の単純さから、フライス盤などを用いた切削加工が比較的容易であるという利点があります。トルクは、歯の側面で伝達されます。しかし、歯の根元部分に応力が集中しやすいという構造的な弱点も抱えています。

2. インボリュートスプライン

現代のスプラインにおいて、最も主流となっているのが、このインボリュートスプラインです。その歯形は、歯車で用いられるインボリュート曲線に基づいて設計されています。

インボリュートスプラインが広く採用される理由は、その工学的な利点の多さにあります。

高い強度: インボリュート曲線は、歯の根元が滑らかな曲線で立ち上がるため、角形スプラインのような急激な形状変化がなく、応力集中が大幅に緩和されます。これにより、疲労強度に優れ、より大きなトルクに耐えることができます。
優れた加工性: 歯車を製造するための、ホブ盤や歯車研削盤といった、高精度で高能率な創成加工の技術を、そのままスプラインの加工に応用できます。これにより、極めて高い精度のスプラインを、安定して大量生産することが可能です。
優れた調心性: インボリュート曲線が持つ、滑らかにかみ合う性質により、調心性が非常に高く、滑動スプラインとしても優れた性能を発揮します。

3. セレーション

歯の断面形状が三角形（のこぎり歯状）をしたスプラインです。インボリュートスプラインに比べて、同じ直径でも歯数を非常に多くすることができるのが特徴です。その細かい歯は、強力なトルク伝達というよりも、ハンドルとステアリングシャフトの結合部のように、部品の角度を精密に割り出して固定する用途や、あるいは、圧入によって半永久的に固定するような場面で多く用いられます。

スプラインの種類（はめあいによる分類）

スプラインは、そのかみ合いの仕方によって、二つの異なる機能を発揮します。

固定スプライン: 軸とボスを、完全に固定することを目的としたスプラインです。多くの場合、圧入によって、わずかな「しめしろ」を持たせて嵌め合わされ、分解することを前提としていません。自動車のホイールハブとドライブシャフトの結合部など、最も強固なトルク伝達が求められる箇所に使用されます。
滑動スプライン: トルクを伝達しながらも、軸方向の動きを許容するように設計されたスプラインです。軸とボスの間には、わずかな隙間が設けられています。これにより、機械の運転中に、二つの部品間の距離が変化しても、動力を途切れさせることなく伝達し続けることができます。自動車のプロペラシャフト（走行中にサスペンションの動きで長さが変わる）や、工作機械の送り軸などが、この代表例です。

加工方法

スプラインの高性能は、その高精度な加工技術によって支えられています。

軸側の加工:
- ホブ加工: インボリュートスプラインを加工する際の主流です。ホブというねじ状の工具を用いた創成切削により、高精度な歯形を、高能率で削り出します。
- 転造加工: ダイスと呼ばれる強力な金型で、軸を塑性変形させて歯形を成形します。切削と異なり、金属組織（メタルフロー）が切断されないため、極めて強度の高いスプラインが得られます。大量生産に最適です。
穴側の加工:
- ブローチ加工: 多数の切れ刃が連なった、ブローチという長尺の工具を、下穴に一度引き抜くだけで、複雑な内面スプライン形状を完成させる、極めて高能率な加工法です。大量生産の現場では不可欠な技術です。
- スロッター加工: 単一のバイトを往復運動させて、歯溝を一つずつ削り出します。生産性は低いですが、試作品や、ブローチ工具を製作できないような特殊な形状の加工に対応できます。