この加工法が圧倒的なシェアを持つ理由は、その生産性の高さと柔軟性にあります。一つの工具で歯数の異なる歯車を加工できるという創成加工の原理に基づいており、平歯車だけでなく、はすば歯車やウォームホイールなど、多様な種類の歯車を連続的に生み出すことが可能です。

創成加工の原理

歯車の歯形を加工する方法は、大きく成形法と創成法に二分されます。フライス盤などで、歯の形をしたカッターを用いて溝を一つずつ彫っていくのが成形法です。これに対し、ホブ加工が属する創成法は、歯車とかみ合う相手側の歯形を模した工具を用い、両者を同期回転させることで、その包絡線として歯形を浮かび上がらせる手法です。

ラックカッターとの類似性

インボリュート歯車の噛み合い理論において、歯数が無限大に増えた歯車は、歯形が直線となるラックになります。このラック型の工具を、回転する円盤状のワーク（被削材）に押し当て、ワークの回転に合わせてラックを接線方向に移動させると、ワーク上には正確なインボリュート曲線が削り出されます。これが創成加工の基本概念です。

ウォームによる連続創成

しかし、ラックカッターを用いた加工では、ラックの長さに限りがあるため、ある程度進んだら元の位置に戻るという往復運動が必要となり、加工効率が上がりません。そこで考案されたのがホブです。 ホブは、ラックの歯形をねじ状に巻き付けたウォーム（ねじ歯車）のような形状をしています。このねじ状の刃物が回転することで、見かけ上、ラックが無限に移動し続ける状態を作り出すことができます。 つまり、ホブ加工とは、ホブというウォームと、ワークである歯車が、互いに噛み合いながら回転するねじ歯車対の運動を再現しつつ、ホブの切れ刃によって不要な部分を除去していくプロセスと言えます。この連続性こそが、ホブ加工の驚異的な生産性の源泉です。

工具「ホブ」の構造と設計

ホブの外観は、溝の切られた芋虫のような形状をしています。その設計には、切れ味と精度、そして工具寿命を両立させるための高度なノウハウが凝縮されています。

切れ刃の形成

基本となるのはウォーム形状ですが、そのままでは切削能力がありません。そこで、軸方向にガッシュと呼ばれる溝を刻み込みます。この溝によって現れる断面がすくい面となり、外周面が逃げ面となって、初めて金属を削るための切れ刃が形成されます。 ガッシュは通常、ねじれ角に対して直角になるように刻まれますが、直溝ホブやねじれ溝ホブなど、用途に応じて様々な種類があります。

諸元と精度

ホブには、モジュールや圧力角といった歯車諸元が設定されています。重要なのは、一つのホブで、同じモジュールと圧力角を持つ歯車であれば、歯数が10枚でも100枚でも加工できるという点です。これは成形法にはない大きな利点です。 ホブの精度は、JISなどの規格で厳格に等級分けされており、歯形誤差やピッチ誤差、振れなどがミクロン単位で管理されています。高精度な歯車を作るためには、高精度なホブが必要不可欠です。

材質とコーティング

かつては高速度工具鋼、ハイス鋼が主流でしたが、近年の高速加工の要求に伴い、超硬合金製のホブが増加しています。超硬ホブは、耐摩耗性と耐熱性に優れ、ハイスの数倍の切削速度での加工を可能にします。 さらに、工具寿命を延ばすために、窒化チタンや窒化チタンアルミなどの硬質薄膜コーティングが施されます。最新のコーティング技術は、摂氏800度を超える高温下でも酸化せず、また潤滑性を持って切り屑の溶着を防ぐ機能を持っています。

機械の運動と同期制御

ホブ盤と呼ばれる専用の工作機械において、ホブとワークは厳密な同期関係を保って回転する必要があります。

回転比の同期

ホブの条数（ねじの筋の数）をZ1、加工する歯車の歯数をZ2とすると、ホブが1回転する間に、ワークはZ1割るZ2回転する必要があります。例えば、1条のホブで40枚の歯車を削る場合、ホブが40回転する間にワークは正確に1回転しなければなりません。 かつての機械式ホブ盤では、多数の交換歯車（チェンジギヤ）を組み合わせてこの回転比を作り出していましたが、現代のNCホブ盤では、各軸を独立したサーボモーターで駆動し、コンピュータ制御によって電気的に同期させています。これにより、段取り時間の短縮と、ミクロン単位の補正制御が可能になりました。

送り運動とねじれ角

歯幅方向に歯形を形成するためには、ホブをワークの軸方向に送る必要があります。これをアキシャル送りと言います。 平歯車を加工する場合は単純な送りで良いのですが、はすば歯車を加工する場合は、ねじれ角に合わせてワークに追加の回転を与える必要があります。これを差動運動と呼びます。NCホブ盤では、この複雑な合成運動も数値演算によって容易に実現できます。

切削メカニズムと加工法

ホブ加工における切削は、断続切削の連続です。ホブの多数の刃が次々とワークに食い込み、コンマ数ミリずつ金属を削ぎ落としていきます。

アキシアル送りの方向

切削の方向には二つの種類があります。 一つは、ホブの送り方向と、切削力が働く方向が逆になるコンベンショナル加工、あるいはアッパーカットです。切り屑厚さがゼロから始まり徐々に厚くなるため、刃の擦れ摩耗が起きやすいですが、機械の剛性が低い場合でも安定しやすい特徴があります。 もう一つは、ホブの送り方向と切削力が同じ向きになるクライム加工、あるいはダウンカットです。切り屑がいきなり厚いところから始まるため、食い込みが良いですが、機械にバックラッシ（隙間）があると引き込み現象が起きて危険です。 現代の高剛性なホブ盤では、工具寿命と加工面粗さの観点から、クライム加工が一般的に採用されています。

シフト加工

ホブ加工を続けると、ホブの特定の刃だけが集中的に摩耗します。これを防ぐために、加工ごとに、あるいは一定数加工した後に、ホブを軸方向にわずかにずらして、新しい刃を使うようにする技術があります。これをシフト加工あるいはホブシフトと呼びます。 これにより、ホブの全長にわたって均一に摩耗させることができ、工具寿命を最大限に延ばすことができます。

加工精度とカプス高さ

ホブ加工された歯面を拡大して観察すると、微細な波状の凹凸が見られます。これは多角形誤差とは別に、ホブの送りに起因する幾何学的な痕跡です。

カプスの形成

ホブは回転しながら軸方向に送られるため、その切削痕は微視的には円弧の連続となります。この円弧と円弧の谷間の盛り上がり部分をカプス、あるいはスキャロップと呼びます。 カプスの高さは、ホブの径と送り速度によって幾何学的に決定されます。送り速度を上げれば生産性は向上しますが、カプスが高くなり、歯面の表面粗さは悪化します。逆に、送りを細かくすれば面は滑らかになりますが、加工時間が長くなります。 このトレードオフを解消するために、多条ホブ（2条や3条のねじを持つホブ）を使用して、回転比を変えずに加工能率を上げるといった手法が採られます。

歯形誤差とピッチ誤差

ホブの取り付け精度や、機械の同期誤差は、そのまま歯車の精度に転写されます。 ホブが偏心して回転していると、歯形が周期的に歪む「歯形誤差」が発生します。また、ワークの回転軸にブレがあると、隣り合う歯の間隔がばらつく「ピッチ誤差」や、全周での累積誤差が発生します。 高精度な歯車を得るためには、ホブ自体の精度だけでなく、アーバー（取付軸）の剛性や、ワークのクランプ（固定）状態の管理が極めて重要です。

最新技術とドライカット

環境負荷低減とコストダウンの要求から、切削油を使用しないドライホブ加工が急速に普及しています。

ドライ加工の熱問題

従来のウェット加工では、切削油が潤滑と冷却、そして切り屑の排出を担っていました。これを無くすドライ加工では、発生する膨大な切削熱をどう処理するかが最大の課題となります。 解決策の鍵は、超高速加工にあります。熱伝導の理屈により、熱がワークや工具に伝わる前に、高速で切り屑と共に熱を持ち去ってしまうという考え方です。 これを実現するために、耐熱性の高い超硬母材と最新のコーティング技術、そして切り屑が堆積しないように垂直に配置された機械構造などが開発されました。ドライ加工は、廃油処理が不要で作業環境もクリーンになるため、自動車産業を中心に標準的な工法となりつつあります。

スカイビング加工への展開

ホブ加工の弱点の一つに、内歯車（インターナルギヤ）が加工できないという幾何学的な制約があります。ホブがワークの内側に入り込むと干渉してしまうためです。 これに対し、近年注目されているのがギヤスカイビング加工です。これはホブ加工とギヤシェーパ加工の中間のような原理で、円盤状のカッターとワークを同期回転させながら、軸を交差させて滑りを与えることで切削します。 スカイビングは、ホブ加工と同様の連続創成運動でありながら、内歯車の高速加工が可能です。さらに、焼き入れ後の硬い歯車を削るハードスカイビングも実用化されており、ホブ加工の概念を拡張した次世代の工法として導入が進んでいます。

産業における重要性と未来

ホブ加工は、19世紀末にその基本原理が確立されて以来、工作機械の進化と共に洗練され続けてきました。

歯車仕上げの前工程として

高い静粛性が求められるEV用減速機などでは、ホブ加工の後に、歯面研削やホーニングといった仕上げ加工が行われることが一般的です。しかし、仕上げ代を最小限に抑え、かつ均一にするためには、前工程であるホブ加工の精度が極めて重要になります。ホブ加工の質が、最終製品の性能とコストを決定づけると言っても過言ではありません。

その役割は、力のモーメントであるトルクと、回転速度が反比例するという物理法則に根差しています。すなわち、回転速度を落とすことで、その減速した比率に応じて、てこの原理のように、より大きな力を取り出すことが可能になります。工場で動くコンベアから、巨大なクレーンまで、あらゆる産業機械の心臓部として、必要な動力を生み出す、極めて重要な機械要素です。

減速とトルク増幅の原理

平行軸式減速機の核心は、歯数の異なる一対の歯車がかみ合う（噛み合う）ことによって、回転を伝達する点にあります。

歯車対による減速

高速なモーター側である入力軸には、歯数が少なく、直径の小さいピニオンと呼ばれる歯車が取り付けられます。このピニオンは、出力軸に取り付けられた、歯数が多く、直径の大きいギヤとかみ合っています。

ピニオンが1回転すると、ギヤは「ピニオンの歯数 ÷ ギヤの歯数」分だけしか回転しません。この回転速度の比率を減速比と呼びます。例えば、歯数が20のピニオンが、歯数が100のギヤを駆動する場合、減速比は5となり、入力軸が5回転するごとに出力軸は1回転します。回転速度が5分の1に減速されるのです。

トルクの増幅

動力（仕事率）が、トルクと回転速度の積で表されることから、伝達効率を無視すれば、入力と出力の動力は等しくなります。したがって、回転速度が5分の1に減速された場合、出力されるトルクは、入力トルクの約5倍に増幅されます。これが、減速機が「大きな力」を生み出す原理です。

多段減速

一つの歯車対で得られる減速比には限界があるため、より大きな減速比が必要な場合には、この歯車対を複数段、直列に組み合わせた多段減速機が用いられます。一段目の出力軸が、二段目の入力軸となり、減速が繰り返されます。この場合、総減速比は、各段の減速比をすべて掛け合わせたものとなります。

減速機を構成する歯車技術

平行軸式減速機の性能は、その内部で使用される歯車の種類と品質によって大きく左右されます。

平歯車

歯すじが軸と平行な直線であるため、かみ合い時に軸方向の力、すなわちスラスト力が発生しない点にあります。これにより、スラスト荷重を支えるための高価な軸受や、剛性の高いケーシング構造が不要となり、減速機全体の設計を簡素化し、コストを低減できます。

しかし、その単純な形状は欠点ももたらします。歯と歯が、その歯幅全体で一度に接触し、離れるため、衝撃的なかみ合いとなりがちです。これは特に高速回転時において、騒音や振動の大きな原因となります。

また、はすば歯車に比べて同時かみ合い率が低く、一度に力を伝えられる歯の数が少ないため、同じ大きさでは伝達能力が劣ります。これらの理由から、平歯車は主に低速・低負荷の用途や、コストが最優先される場面で、そのシンプルさと経済性を活かして採用されます。

はすば歯車

歯すじが軸に対し斜めに傾いているため、平歯車のように歯が一度に接触するのではなく、徐々に滑らかにかみ合い始め、静かで振動の少ない動力伝達を実現します。さらに、複数枚の歯が同時にかみ合うことで接触線が長くなり、同じ大きさの平歯車よりも大きなトルクを伝達できる高い負荷能力を持ちます。

工学的に最も重要な留意点は、この傾いた歯すじによって、軸方向に押し出す力、すなわちスラスト力が必然的に発生することです。そのため、減速機の設計では、この力を確実に支持するためのアンギュラ玉軸受や円すいころ軸受といった、スラスト荷重に対応できる軸受の選定が不可欠となります。

この設計上の配慮を上回る、優れた静粛性と伝達能力から、はすば歯車は高性能な減速機に必須の構成要素となっています。

構造と工学的な要点

平行軸式減速機は、歯車以外にも、その性能を保証するための多くの精密な要素から構成されています。

• ケーシング: 歯車や軸、軸受を内部に収める、鋳鉄などで作られた頑丈な箱です。外部の荷重や、歯車自身が発生させる力によって変形することなく、内部の部品を正確な位置関係に保持するという、極めて重要な役割を担っています。
• 軸と軸受: 歯車が取り付けられる軸は、大きなトルクを伝達するために、十分な強度と剛性を持つように設計されます。そして、この軸を滑らかに、かつ、がたつきなく回転させるために、転がり軸受（ベアリング）が使用されます。軸受は、歯車から伝わる半径方向の力と、はすば歯車が発生させるスラスト力の両方を、確実に支持します。
• 潤滑: 高速で回転し、大きな力でかみ合う歯車にとって、潤滑は、その寿命と性能を決定づける生命線です。ケーシングの内部には潤滑油が満たされており、回転する歯車が油をかき上げ、かみ合い部や軸受に供給する「油浴式」が一般的です。潤滑油は、歯面の摩擦を低減して摩耗を防ぐだけでなく、かみ合いで発生する熱を奪い去る冷却の役割も果たしています。
• 材料と熱処理: 減速機の歯車には、非常に大きな力がかかるため、高い強度と耐摩耗性が要求されます。そのため、材料にはクロムモリブデン鋼などの合金鋼が用いられ、浸炭焼入れといった熱処理を施すことで、表面は硬く、内部は粘り強い、歯車として理想的な組織に改質されています。

まとめ

平行軸式減速機は、大小の歯車を組み合わせるという、単純明快な原理に基づき、モーターの高速回転を、産業機械が必要とする、力強く、そして安定した低速回転へと変換する、動力伝達の核心的な装置です。

その静かで滑らかな動作は、はすば歯車という洗練された歯車技術の賜物であり、その長寿命と信頼性は、精密な加工、適切な潤滑、そして高度な材料技術によって支えられています。高速な原動機と、力強く働く機械とを繋ぐ、まさに「縁の下の力持ち」として、平行軸式減速機は、現代の産業社会を、その最も基本的な部分から動かし続けているのです。

歯車は、次々と噛み合う歯によって、回転運動や動力をある軸から別の軸へと確実に伝達する機械要素です。人類の歴史において、車輪の発明に次ぐ重要な発明の一つとされ、古代の揚水機から現代の電気自動車、精密時計、巨大な風力発電機に至るまで、あらゆる機械システムの心臓部として機能しています。

摩擦車やベルト伝動が摩擦力に依存して動力を伝えるのに対し、歯車は歯の噛み合いという幾何学的な拘束によって動力を伝達します。そのため、滑りがなく、正確な回転比を維持できることが最大の特徴です。しかし、その設計と製造には、幾何学、材料力学、トライボロジー、振動工学といった多岐にわたる知識が凝縮されており、極めて高度な技術的背景を持っています。

歯車理論とインボリュート曲線

歯車が単に凸凹のある円盤ではなく、精密機械要素たり得るのは、その歯の形に数学的な裏付けがあるからです。

接触の基本法則

二つの物体が接触しながら回転運動を伝える際、その角速度比を一定に保つためには、接触点における共通法線が、常に中心線上の定点（ピッチ点）を通過しなければならないという幾何学的な定理があります。これを歯形の噛み合いの基本法則と呼びます。もしこの条件が満たされないと、入力側が等速で回っていても、出力側は一歯ごとに加速と減速を繰り返すことになり、激しい振動と騒音が発生して使い物になりません。

インボリュート歯形の優位性

この基本法則を満たす曲線はいくつか存在しますが、現代の産業用歯車の99パーセント以上で採用されているのがインボリュート曲線です。 インボリュート曲線とは、基礎円と呼ばれる円筒に巻き付けた糸を、弛ませずに解いていくときに、糸の端点が描く軌跡のことです。 この曲線が採用される最大の理由は、中心距離に対する許容性にあります。機械の組立誤差や熱膨張、軸受の摩耗などにより、二つの歯車の中心間距離が設計値から多少ずれることは避けられません。インボリュート歯車の場合、中心距離が変化しても、回転の角速度比が変化しないという特異な性質を持っています。これにより、多少のアバウトさを許容しつつ、滑らかな回転伝達が可能となるのです。

圧力角と作用線

インボリュート歯車において、接触点は常に基礎円の共通接線上を移動します。この直線を作用線と呼び、作用線とピッチ円の共通接線がなす角度を圧力角と呼びます。 現在は圧力角20度が標準ですが、かつては14.5度が使われていました。圧力角を大きくすると歯元の厚みが増して強度が上がりますが、軸受にかかる荷重が増えるというトレードオフがあります。

歯車の幾何学と用語

歯車の大きさを表す指標として、モジュールという単位が用いられます。

モジュールとピッチ円

モジュールは、ピッチ円直径を歯数で割った値です。つまり、歯の大きさそのものを示す指標であり、モジュールが同じ歯車同士でなければ噛み合うことはできません。 ピッチ円とは、摩擦車として動力を伝えると仮定した場合の接触円に相当します。このピッチ円上で測った隣り合う歯の間隔を円ピッチと呼びます。

バックラッシの必要性

理想的な幾何学形状では、歯と歯の隙間はゼロですが、実際にはバックラッシと呼ばれる意図的な隙間が必要です。 これは、加工誤差や組立誤差を吸収するためだけでなく、運転中の熱膨張による寸法変化を逃がし、さらに潤滑油膜を形成するためのスペースとして不可欠です。バックラッシが不足すると、歯同士が突っ張ってしまい、過大な荷重が発生して焼き付きや破損を引き起こします。逆に大きすぎると、回転方向が反転する際の位置決め誤差や、騒音の原因となります。

アンダーカットと転位

歯数が少ない歯車（標準的には17枚以下）を作ろうとすると、歯の根元がえぐり取られる現象、アンダーカットが発生します。これは歯形を生成する際の幾何学的な干渉によるもので、歯元の強度が著しく低下します。 これを防ぐために、工具の位置をあえてずらして歯切りを行う転位という手法が採られます。転位歯車は、アンダーカットの防止だけでなく、中心距離の微調整や、噛み合い率の向上、強度のバランス調整など、設計の自由度を広げる重要な技術です。

歯車の種類と特性

軸の配置によって、歯車は大きく三つのカテゴリーに分類されます。

平行軸歯車

二つの軸が平行な場合に使用されます。 平歯車は、歯すじが軸と平行な最も基本的な歯車です。製作が容易ですが、歯全体が同時に接触するため、騒音が大きくなる傾向があります。 はすば歯車は、歯すじを螺旋状にねじったものです。歯が端から徐々に噛み合い始めるため、振動や騒音が少なく、強度も高くなります。現代の自動車のトランスミッションなどはほとんどがこのタイプです。ただし、ねじれ角に起因して軸方向に推力（スラスト力）が発生するため、これを受け止める軸受が必要になります。 やまば歯車は、左右のねじれ角を持つはすば歯車を組み合わせた形状で、スラスト力を相殺することができます。

交差軸歯車

二つの軸が一点で交わる場合に使用されます。 傘歯車は、円錐面上に歯を刻んだもので、直交する軸間での動力伝達に用いられます。歯すじが直線のすぐば傘歯車と、曲線状のまがりば傘歯車があります。まがりば傘歯車は、はすば歯車と同様に静粛性が高く、自動車のデファレンシャルギアなどに多用されます。

食い違い軸歯車

二つの軸が平行でもなく、交わりもしない場合に使用されます。 ウォームギヤは、ねじ状のウォームと歯車状のウォームホイールの組み合わせです。1段で極めて大きな減速比が得られ、かつ静粛です。また、条件によっては出力側から入力側を回せないセルフロック性を持たせることができます。ただし、歯面が滑り接触主体であるため、伝達効率は低く、発熱対策が重要です。 ハイポイドギヤは、まがりば傘歯車の軸をオフセットさせたものです。傘歯車とウォームギヤの中間的な性質を持ち、自動車の駆動軸において、床高を下げるためにプロペラシャフトの位置を下げる目的で開発されました。

遊星歯車機構

限られたスペースで大きな減速比を得るために、あるいは同軸上で動力を変速・分配するために、遊星歯車機構が広く利用されています。

構成要素

中心にある太陽歯車、その周りを自転しながら公転する複数の遊星歯車、それらを内側で受ける内歯車、そして遊星歯車の軸を支えるキャリアの4要素から構成されます。

動作原理

これらの要素のうち、どれを固定し、どれを入力・出力にするかによって、減速、増速、逆転など様々な動作モードを作り出すことができます。 例えば、内歯車を固定し、太陽歯車を入力、キャリアを出力とすれば、大きな減速比が得られます。 遊星歯車機構は、複数の歯車で荷重を分担するため、小型でありながら大トルクを伝達できるという利点があります。オートマチックトランスミッションや、ハイブリッド車の動力分割機構、風力発電機の増速機など、高密度な動力伝達が求められる箇所の主役です。

材料と熱処理

歯車は、歯面に高い面圧を受けながら滑り摩擦に晒され、同時に歯元には繰り返しの曲げ応力がかかるという、極めて過酷な環境で使用されます。したがって、材料選定と熱処理は性能を決定づける最重要因子です。

鉄鋼材料

一般構造用圧延鋼材から、機械構造用炭素鋼、クロムモリブデン鋼などの合金鋼まで幅広く使用されます。 高負荷がかかる歯車には、低炭素合金鋼を用い、浸炭焼き入れを行うのが一般的です。これは、表面に炭素を浸透させて硬くすることで耐摩耗性を高め、内部は低炭素のままで靭性（粘り強さ）を保つという理想的な傾斜機能を持たせる処理です。 また、中炭素鋼を用いて、高周波焼き入れを行う場合もあります。これは歯の輪郭に沿って急速加熱・急冷を行うもので、歪みが比較的少なく、大型歯車に適しています。

樹脂材料

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を使用した樹脂歯車は、軽量で自己潤滑性があり、錆びず、静粛性に優れるため、事務機器や家電製品、自動車の補機類などで普及しています。強度は金属に劣りますが、炭素繊維などを強化材として配合することで、金属代替が可能なレベルまで高性能化が進んでいます。

製造プロセスの技術

歯車の製造方法は、除去加工と成形加工に大別されます。

歯切り加工

最も一般的なのは、ホブ盤による創成加工です。ねじ状の刃物であるホブと、素材を同期回転させながら切り込むことで、インボリュート歯形を連続的に削り出します。生産性が高く、精度も安定しています。 内歯車や、段付き歯車のようにホブが使えない形状には、ピニオンカッターを用いたギヤシェーパ加工が用いられます。

仕上げ加工

焼入れ後の歯車は、熱処理による歪みが生じています。これを修正し、さらに表面粗さを向上させるために、歯車研削盤による研削加工が行われます。近年では、砥石技術とNC制御の進化により、鏡面のような仕上げ面とミクロンオーダーの精度を持つ歯車が量産されています。 また、スカイビング加工という、シェーパ加工とホブ加工の利点を合わせたような高速切削技術も実用化され、特に内歯車の高精度・高能率加工に革新をもたらしています。

焼結と鍛造

金属粉末を型に入れて焼き固める焼結法や、熱間・冷間での鍛造法は、切削加工を必要としないネットシェイプ成形として、大量生産される自動車用歯車などで採用されています。材料歩留まりが良く、強度も確保できます。

強度計算と損傷モード

歯車の寿命を予測し、破損を防ぐために、曲げ強さと歯面強さの二つの観点から強度計算が行われます。

歯元曲げ強さ

歯を片持ち梁と見なし、根元にかかる曲げ応力が材料の疲労限度を超えないように設計します。これが不足すると、歯が根元から折損する疲労破壊に至ります。 対策としては、モジュールを大きくする、圧力角を大きくする、転位係数を調整して歯元を太くする、あるいは材料の強度を上げるといった手法がとられます。

歯面強さ（面圧強さ）

接触点におけるヘルツ応力（接触面圧）が許容値を超えないように設計します。これが不足すると、歯面にピッチングと呼ばれる微細なクレーター状の剥離が発生します。これは表面疲労の一種です。 さらに、潤滑油膜が破断して金属同士が直接接触し、高温になって溶着と引き剥がしが起こるスコーリングという現象もあります。 これらを防ぐには、歯面の硬度を上げる、歯車を大きくして曲率半径を大きくする、あるいは潤滑油の粘度や極圧添加剤を見直す必要があります。

トライボロジーと潤滑理論

歯車の噛み合い点では、転がり接触と滑り接触が同時に発生しています。ピッチ点でのみ純粋な転がりとなり、歯先や歯元に行くほど滑り速度が大きくなります。

弾性流体潤滑 EHL

高荷重下の歯車潤滑においては、弾性流体潤滑理論が適用されます。 接触面圧が極めて高いため、潤滑油の粘度は圧力によって指数関数的に増大し、固体に近い状態になります。同時に、金属表面も弾性変形して接触面積が広がります。この二つの作用によって、過酷な条件下でも数ミクロンの油膜が形成され、金属接触を防いでいるのです。

修整（マイクロジオメトリ）

負荷がかかると歯はたわみ、軸もねじれます。これにより、歯当たりの分布が偏り、局所的に過大な荷重がかかること（片当たり）があります。 これを防ぐために、あらかじめ歯の形状をミクロン単位で削り込んでおくクラウニングやエンドレリーフといった歯形修整が行われます。これは、負荷がかかった状態で最適に変形し、均一に接触するように計算された高度な技術です。