歯車の種類について話しましょう

ギアは、ほぼすべての種類のマシンで圧倒的な用途を持つコンポーネントの 1 つです。この記事では、歯車とそのさまざまな種類について説明します。それでは、先に進みましょう。

ギアとは？

歯車は、円錐形または円筒形の表面の周りに等間隔で歯がカットされた機械部品であると言えます。通常、2つの歯車をかみ合わせて駆動軸から従動軸に力と回転を伝達します。歯車は、サイクロイド歯車、インボリュート歯車、トロコイド歯車などの形状に基づいて分離できます。

さらに、歯車は、交差軸歯車、平行軸歯車、非交差、および非平行軸歯車のように、軸の位置に基づいて分類することもできます。アルキメデスによると、ギアの使用は紀元前の古代ギリシャで脚光を浴びていましたが、時間の経過とともに新しいタイプが出現し続けました.

歯車の種類

ギアは、平歯車、はすば歯車、ウォームギア、ギアラック、ベベルギアなどのさまざまなタイプに分類できます。通常、それらの分類は、交差する軸、交差しない軸、および平行などの軸の位置を考慮して行うことができます。シャフト。

機械設計で強制的に力を伝達するには、さまざまなギアの種類を理解することが不可欠です。一般的な歯車の場合でも、精度等級の基準、寸法、熱処理や歯研の必要性、効率、許容トルクなどを考慮することをお勧めします。

次に、さまざまなギアの概要を説明します。その間、これらのタイプのギアに関するより深い技術情報を得るために、彼らの技術的側面を参照することができます。

それでは、これらのさまざまな種類のギアから始めましょう。

平歯車

円筒ピッチ面を持つ歯車は、円筒歯車と呼ばれます。技術的には、平歯車は平行軸歯車グループに属します。これらの歯車には、軸に対して平行で直線的な歯列があります。

平歯車は、より正確でスムーズな動力伝達のために、さまざまな産業で広く使用されています。それらを適切な選択にする2番目の要因は、低コストを含む製造プロセスが簡単なことです。これらのギアは、軸方向の負荷をサポートしていません。動力の伝達は、2つの歯車がかみ合うことで可能になります。1つは歯車と呼ばれる少し大きく、2つ目はピニオンと呼ばれるやや小さいものです。

図 1 平歯車のスケッチ

はすば歯車

平歯車と同様に、はすば歯車も平行軸で使用されます。これらは、ねじれた歯列を持つ円筒歯車です。はすば歯車は、平歯車に比べて歯のかみ合いが良く、平歯車よりも信じられないほど静かに作動します。はすば歯車はより大きな負荷を便利に伝達できるため、通常は高速用途に好まれます。

平歯車とは異なり、はすば歯車は軸方向に負荷がかかるため、スラストベアリングが必要になります。はすば歯車には、左ねじれと右ねじの両方のオプションがあり、かみ合うペアには、反対側の歯車が必要です。

図 2: はすば歯車のスケッチ

ギアラック

ギアラックは、直線ロッドまたは平面に沿って等距離でカットされた同じサイズおよび同じ形状の歯と呼ばれます。ここでも、円柱歯車はピッチ円柱と同じ半径を持ち、円柱歯車のピニオンとかみ合って動力を伝達します。回転運動を直線運動に変換します。

一方、歯車ラックは、はすば歯ラックと直歯ラック用に開発することもできますが、同じ直歯ラインを使用します。ギアラックを端から端まで接続する場合は、ギアラックの端を機械加工して行います。

図 3: ギアラックのスケッチ

ベベルギア

円錐形のかさ歯車は、交差軸と呼ばれる 1 点で交差する 2 つの軸間で力を伝達するために使用されます。歯とピッチ面が円錐形に沿ってカットされているため、円錐形になっています。

それに加えて、かさ歯車はさらにさまざまな種類に分けることができます。

はすばかさ歯車
直進かさ歯車
アンギュラベベルギア
スパイラルベベルギア
ハイポイドギア
ゼロールかさ歯車、
マイターギア

図 4: かさ歯車のスケッチ

スパイラルベベルギア

スパイラルベベルギアはその名の通り、ベベルギアの一種ですが、歯のラインが曲がっています。スパイラルベベルギヤの歯当り率は、ストレートベベルギヤよりも大きくなります。そのため、スパイラルベベルギアは、ストレートベベルギアに比べて強度が高く、効率が優れています。しかし、歯のかみ合い率が高くなるため、スパイラルベベルギアはより多くの騒音と振動を発生させます。

一方、スパイラルベベルギアの製造は、ストレートベベルギアよりも複雑です。歯が湾曲しているため、スラスト力は軸方向になります。

それに伴い、スパイラルベベルギヤのねじれ角がゼロの場合をゼロベベルギヤと呼びます。

図 5: スパイラルベベルギアのスケッチ

ねじ歯車

2 つの同じ手のはすば歯車は、ねじ歯車を形成しますが、それらの間のねじれ角は、交差せず平行でない軸上で 45 度です。 2つのギア間の接触点も非常に小さいため、スクリューギアの運搬負荷容量は低くなります。したがって、ねじ歯車は、より大きな動力の伝達には適していません。

ねじ歯車では、歯面の滑りによって動力が伝達されるため、これらの歯車を適切に使用するには潤滑が必要です。一方、取り付けたい歯車の数に制限はなく、複数の歯を自由に組み合わせることができます。

図 6: ねじ歯車のスケッチ

マイターギア

速比1のかさ歯車はマイタギヤと呼ばれます。留め継ぎ歯車は通常、速度に影響を与えずに動力伝達の方向を変えるために使用されます。マイタには主にストレートマイタとスパイラルマイタの2種類があります。

スパイラルマイタギヤは軸方向にスラスト力が発生するため、スパイラルマイタギヤにスラストベアリングを使用するのはこのためです。

また、軸角度90度以外のマイターギアはアンギュラーマイターギアと呼ばれます。

図 7: マイターギアのスケッチ

ウォームギア

ウォームギアは 2 つの異なるコンポーネントで構成されています。1 つ目は、シャフトにねじ形状をカットして形成されたウォームであり、2 つ目は、ウォームホイールである相手歯車です。交差していないシャフト上のこれらのコンポーネントは両方とも、ウォームギアと呼ばれます。与えられたスケッチでは、ウォームとウォームホイールの両方が円筒形ですが、他の形状の場合もあります。

ウォームとウォームホイールの接触率が比較的低く、より大きな荷重の伝達を阻害します。ただし、砂時計タイプの助けを借りて、接触率を高めることができます。

また、ウォームとウォームホイールの接触はすべりですので、摩擦を減らすために潤滑が必要です。次に、ウォームは剛性のある素材で構成され、ウォームホイールは摩擦を減らすために柔らかい素材で構成されています。このアセンブリは、より小型の荷重伝達にのみ適していますが、非常にスムーズです。

さらに、ウォームとウォームホイールのリード角がわずかな場合、セルフロック機能を発揮します。

図 8: ウォームギアのスケッチ

内歯車

内歯車は円錐または円柱の内側に歯があり、各内歯車は外歯車と対になっています。内歯車を使用する主な目的は、歯車タイプのシャフトカップリングと遊星歯車駆動です。内歯車と外歯車の場合、歯数に一定の制限があり、これらの制限はインボリュート干渉、トリミングの問題、およびトロコイド干渉によるものです。

内歯車と外歯車がかみ合っている場合、両方の歯車の回転方向は同じです。しかし、内歯車と外歯車がかみ合っている場合、それらの回転の焦点は反対になります。

図 9: 内歯車のスケッチ

したがって、これらは一般的に使用されるタイプのギアの一部です。ここで、歯車とその命名法で使用される重要な用語を見てみましょう。

歯車の用語と命名法

歯車の複雑な概念をより深く理解するには、歯車に使用される用語を知ることが不可欠です。

この視覚的な表現は、歯車の動作メカニズムをよりよく理解するのに役立ちます。一方、ギアの用語を控えめに説明すると、理解しやすくなります。

いも虫
ウォームホイール
ピニオン
マイターギア
スパイラルベベルギア
内歯車
ギアカップリング
ねじ歯車
直ベベルギヤ
平歯車
ラチェット
つめ
ラック
インボリュートスプラインシャフトおよびブッシュ
はすば歯車

歯車の軸の向きに応じて、次のカテゴリに分類できます。

平歯車、内歯車、歯車ラック、はすば歯車の場合、方向軸は平行です。
交差軸はマイタギヤ、直ベベルギヤ、特殊ベベルギヤに対応。
ウォーム、ウォームホイール、ウォームギア、スクリューギアの軸は非平行で交差していません。
ギアカップリング、インボリュートスプラインシャフトとブッシング、爪、ラチェットには別の軸があります。

スプロケットとギアの違いは何ですか?

ギアはアセンブリで機能し、他のギアとかみ合いますが、スプロケットはギアではなくチェーンとかみ合います。スプロケットにとても入れ子で、何となく歯車のように見える物がありますが、ラチェット式で一方向にしか動かせません。

付属軸との位置関係から見た歯車の分類

平歯車、はすば歯車、ラック歯車、内歯車は平行軸を使用しています。通常、これらの歯車はより大きな力を伝達するためのものです。
歯車の 2 つの軸が交差している場合、歯車の種類はかさ歯車になります。かさ歯車は伝達効率も高い。
2 つのギアのシャフトが平行でも交差でもない場合、ギアのタイプはウォームまたはスクリューギアである可能性があります。これらの間には滑り接触があるため、これらのギアを使用すると、より低い動力伝達が優先されます。

歯車の精密級

精度クラスは、さまざまな種類のギアが精度に基づいてグループ化されている場合に使用されます。精度クラスは通常、JIS、AGMA、DIN、ISO などのさまざまな規格によって設定されています。

たとえば、JIS ではねじれ角、歯形誤差、振れ誤差、ピッチ誤差が定義されています。

歯ぎしりの存在

歯ぎしりの存在は歯車の性能に大きな影響を与えます。したがって、歯車の種類を考えるとき、歯ぎしりは重要な部分を占めます。歯歯車の研削は、歯車の品質を向上させ、その動作がより静かで滑らかになり、力の伝達容量が増加し、精密ガラスに影響を与えます。しかし、研磨はギアのコストを増加させます。これはすべてのギアにとって好ましいことではありません。そのため、シェービングクラッターによるシェービングと呼ばれる精度を上げるために、費用対効果の高い別の手法を使用します。

歯形の種類

歯車は歯の形状によって次のように分類されます。

インボリュート歯形
サイクロイド歯形
トロコイド歯形

上記の歯付き歯車では、主にインボリュート歯車が使用されています。中心距離がわずかにずれていても、簡単に作成でき、正確にかみ合うという品質は、広く使用するのに望ましいものです。サイクロイド歯形は主に時計の製造に使用され、トロコイド歯形はポンプに使用されます。

ギアの作成

ギアについては、

「歯車は歯のある車輪で、歯付きの車輪と呼ばれることもあります。」

一方のシャフトから他方のシャフトに回転と動力を伝達するために使用される機械部品はギアと呼ばれます。 1 つのシャフトの円周に完全な形状の歯があり、回転すると、これらの歯が別のシャフトの歯のスペースの間に完全に収まります。したがって、駆動軸の原理で動力を伝達し、従動軸を押して動かす機械部品です。片側が直線運動 (無限点を中心とした回転運動とも呼ばれます) を受けている場合はまれです。ラックといいます。

動力と回転は、転がり摩擦やラッピング伝達など、さまざまな方法で 1 つのシャフトから別のシャフトに伝達されます。サイズが小さく、構造が非常にシンプルであるにもかかわらず、ギアは、動力の伝達、非常に正確な角速度、動力の損失を最小限に抑えた比率など、多くの有利な方法で私たちに役立っています。

歯車は、時計や時計、小型精密測定器から飛行機や船舶の伝達系まで幅広く使われています。これらは、さまざまな用途を持つ最も重要な機械部品の 1 つと考えられており、その重要性のためにネジとベアリングと共にリストされています。

多数の歯車がありますが、最も一般的なものは、定義された距離に配置された 2 つの平行なシャフト間で速度比を伝達するために使用されるものです。図に示す歯車は、歯が軸と平行になっているもので、平歯車と呼ばれます。これらは最も人気のあるタイプのギアです。

図 10: 平歯車

フリクションドライブと呼ばれる他のタイプのギアがあります。これらは、2 つの平行なシャフト間で角速度比を伝達するために最も簡単で広く使用されているコンポーネントです。このプロセスは、速度に反比例する直径を持つ 2 つのシリンダーで実行されます。一方がもう一方を滑らずにスムーズに運転しています。反対方向の速度伝達の場合、シリンダーの接触は外側からです。また、同方向の場合は内側から接続します。伝達は、2 つのシリンダーの表面間の摩擦によって発生します。

しかし、接触の性質上、両者の間をすり抜けてしまうことは避けられず、望ましい伝達が得られません。大量の電力を伝達するには、大きな接触力が必要であり、ベアリングの負荷が高くなります。この種のシステムは、上記の理由により、大量の電力を送信するのには適していません。したがって、このような問題を回避するために、シリンダーの表面に歯を作成するというアイデアが機能します。これにより、一対以上が常に互いに接触したままになり、より多くの摩擦としっかりとしたグリップが得られます。

駆動軸の歯が従動軸の歯を押して駆動し、動力伝達を確実にします。円筒歯車と呼ばれるものと、歯が刻まれているものをピッチシリンダーといいます。平歯車は、円筒歯車をさらに発展させたものです。

図 11: ピッチシリンダー

2 本のシャフトが交差する場合、彫刻歯の基準は接触するコーンです。これらの歯車は、図に示すようにかさ歯車と呼ばれます。歯が刻まれている土台をピッチコーンと呼びます。

図 12: かさ歯車

図 13: ピッチコーン

2本の非平行で交差しない軸の場合、曲面上の転がり接触点はありません。歯車の種類によって、回転し接触する面に歯が刻まれています。すべての歯車システムにおいて、歯形を考慮して、回転する基準面と接触する基準面の相対運動を発生させ、それらを互いに一致させることが重要です。

移動中、歯車は剛体と見なされます。 2 つの歯車の通常の速度成分は、互いに衝突したり分離したりせずに歯車の歯面の接触点で角速度比を維持するために等しくなければなりません。これは、予想される方向の相対運動と運動が歯の表面の接触点でのみ発生するためとも言えます。

歯形が上記の要件に適合するためには、表面を包む一般的な方法で、望ましい歯形を得ることができます。

ギアAの片側を選んで曲面FAとお考えください。両方のギアを相対運動に設定します。次に、歯車 B に取り付けられた座標系上に曲面 FA の連続する位置を描きます。この曲線群のエンベロープを考慮して、歯車 B の曲面 FB を考えます。エンベロープ理論から、2 つの歯車が互いに線接触して相対運動していると推測できます。

歯型は以下の方法でも取得できます。歯車 A と歯車 B に加えて、相対運動でかみ合う歯車 C を考えます。かみ合い内のこの仮想歯車 C は、表面 FC と適切な相対運動を持っています。最初の方法を利用して、線接触 IAC を使用した FA との相対運動で面 FC 上の連続する位置を包み込みます。表面 FB と FC でこのプロセスを繰り返します。これで仮想面 FC を用いて FA と FB の歯面を知ることができます。

機械システムにおける歯車の利用方法

歯車の本来の目的は動力を伝達することですが、アイデア次第で機械の要素としてさまざまな使い方ができます。次に、いくつかの方法について簡単に説明します。

把握メカニズム:

2 つの平歯車は、さまざまな状況でワークピースを保持するための把持メカニズムに慣れることができます。両方のギアが同じ直径であるという原理に基づいて動作し、一方のドライバーが逆転すると、被駆動も逆転するように、それらは一貫性なく動きます。これらのギアに接続された爪は、開き角度を調整することで、サイズの異なるワークをしっかりとつかむことができます。このようにして、汎用性の高い把持機を作ることができます。

間欠運動機構

ジュネーブ機構は間欠運動機構とも呼ばれます。高度に専門化された機械部品が使用されているため、高価です。また、欠歯歯車を利用することにより、低コストで簡単な間欠機構が得られます。ここでの歯の欠落とは、歯車の表面の根元から任意の数の歯が取り除かれたことを意味します。歯が欠けた歯車と組み合わされた歯車は、現在の歯に接触している限り回転し、駆動歯車の空白に直面すると動きが停止します。同時に、ギアが外れているときに外力によって押されると、シフトするという悲惨な効果があります。摩擦ブレーキができる位置を維持することが差し迫っています。

特別な動力伝達機構:

ワンウェイクラッチは、一方向のみの回転運動を許容する機構です。減速機のギアステージに取り付けると、一方向の回転運動を伝達する機構を作成できます。

この機構により、電源がオンのときはモーターでうまく動作し、オフのときはバネの力で駆動されるシステムを作成できます。

減速機はねじりコイルばねや渦巻きばねなどのばねを内蔵し、従動軸が逆方向に動くように設定して作動させます。ぜんまいが完全に巻き上がると、モーターの回転が止まり、電磁ブレーキが作動します。モーターの電源を切ってブレーキをかけると、スプリングの力によって出力軸がモーターの回転方向とは逆方向に駆動されます。このタイプの機械は、主に停電の場合にバルブを閉じるために使用され、スプリングリターン緊急遮断と発音されます。

ギアの調達が難しい理由

ギア規格なし

ギアは古代からほぼすべての複雑な機械システムで世界中で広く使用されており、非常に重要ですが、ギアを設計するための設定基準はありません。歯車のクラスと精度に関しては、AGMA (米国)、JIS (日本)、DIN (ドイツ) など、国によって異なる業界標準が使用されています。ボア径、材料強度、歯形。統一されたアプローチは適用されませんが、誰もが特定の要件に従ってギアを設計します。

多彩なギア仕様

前の段落で説明したように、ギアの仕様はたくさんあります。単純な歯車を例外として、「歯車が使われる場所の数だけ種類がある」と言っても過言ではありません。歯ピッチ、歯数、圧力角などの仕様が一致すると、歯幅、熱処理、内径、研削後の表面粗さ、最終硬度など、さまざまな仕様によって歯車が決まるのは歯車に共通することです。そのため、ギアを別のものに交換することはほとんど不可能です。他のギアと互換性がある可能性は非常に低いです。

希望のギアが入手できない

機械のギアが摩耗しているか壊れている可能性があり、そのギアを市場で探しましたが無駄でした。この問題は、機械のユーザーマニュアルにギアの図面があれば簡単に解決できます。そのギアを再製造することができます。または、機械の製造元に連絡して、その種類の新しいギアを作成することに同意してもらうこともできます。しかし、残念ながら、これらの方法が両方とも利用できない場合はどうなるでしょうか。取扱説明書に図面がなく、メーカーも不明？

描いた歯車の製作図を出してもらえますが、歯車の専門知識が必要で、簡単ではありません。歯車メーカーも、歯車の仕様に関する知識が不足しているため、この問題に直面する可能性があります。摩耗したギアや壊れたギアを再構築するには、多大なエンジニアリング作業が必要です。

ギアが1つの場合、製造コストが高い

歯車を使用する機械を大量生産する場合、歯車も正確な仕様で大量に生産され、コストは制限内に収まります。より重要な生産では、1 個あたりのコストを抑えて同じ量の作業を利用します。これを大量に合成すると、ギアのコストが大幅に削減されます。しかし、機械用に 1 つまたは 2 つの歯車を製造する必要がある場合はどうでしょうか。かなり高額な作業です。 500 台のマシンでギアを 1 ショットで生産する場合と、1 個または 2 個のギアを生産する場合とでは、かなりのコスト差が生じます。このような状況は、誰かが新しい機械のプロトタイプを作成していて、公称数量のギアを作成する必要がある場合にも直面します。

ギア規格の使用可能性

新しい機械を設計していて、その歯車の仕様が製造元の歯車の一部と一致する場合、上記の問題は次の方法で解決できます。

機械の設計中に、機械専用の新しいギアを作成することを避けることができます。

製造されたギアによって提供される 2D および 3D CAD モデル、強度計算、および印刷可能な部品図面を利用できます。
マシンのテストトライアルに必要なギアが 1 つだけの場合、メーカーは使用できる標準ギアを製造しています。

機械でギアを使用していて、それを交換する必要がある場合は、メーカーの標準ギアまたは二次加工のギアで交換できます。上記の方法で、次のタスクの不都合を回避できます。

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