歯車の種類: さまざまな機械歯車に関するガイド

エンジンの重要な部分であるギアは、機械のトルクと速度の変化を可能にする機械装置です。 歯車には、単純な形状からより複雑なものまで、特定の要件と仕様を備えたさまざまな種類があります。

多くの場合、多数の歯車が複雑な機械を形成しますが、常にそうとは限りません。 たとえば、歯車は時計のような単純な機械に存在し、時計の針の速度を調整します。 この記事では、さまざまな機械歯車とその用途について説明します。 続きを読んでみましょう。

ギアとは何ですか?

歯車は、トルクと速度の伝達を可能にする歯を持つ回転機械装置です。 多くの場合、機械歯車は円筒形で、本体の周りに一連の歯が付いています。 XNUMX つ以上のギアが同期して動作すると、それらはトランスミッション状態になります。 動力伝達は速度やトルクの変化につながります。

歯車の利点

• 歯車は機械的に強いです。 したがって、より高い負荷を持ち上げることができます。
• ギアボックスの助けを借りて、速度比を変更できます。
• 低速でもうまく機能します。
• 高効率の動力伝達。
• 高トルク値の伝達に最適です。
• ギアには定期的な注油のみが必要なため、メンテナンスはほとんど必要ありません。
• 耐久性に優れているので、ギヤシステムが長期間にわたって使用できます。

ギアのデメリット

• 歯車は長距離の運動伝達には適していません。
• 柔軟性がありません。
• 特に高速走行時、ギアの騒音が大きくなります。
• 軸が遠い場合には不向きです。

さまざまな種類の歯車とその用途

力学では、歯車をさまざまなクラスにグループ化するのは、歯の構成、用途、動きの方向によって異なります。 以下に最も重要な種類の歯車を示します。

平歯車

平歯車は、XNUMX つのシャフト (駆動側と従動側) が平行な場合に、同一平面内で動力を伝達します。 平歯車の歯はシャフト軸と平行です。 したがって、他の平歯車と噛み合うと平行軸で動力が伝達されます。 これらは、自動車、コンベヤー システム、ギア ポンプとモーター、減速機などに応用される最も一般的な形式のギアです。

はすば歯車

はすば歯車は、平行な平歯車とは対照的に、シャフトに対してある角度で歯が配置されています。 送信中に複数の歯が接触します。 結果として、 ヘリカルメカニカルギア より大きな荷物を運ぶことができます。 また、負荷がより適切に分散されるため、騒音や振動が少なくなります。 さらに、摩擦が少ないため、磨耗が少なくなります。 はすば歯車の種類を以下に示します。

シングルまたはダブルはすば歯車

シングルヘリカルギアは、左ねじれまたは右ねじれのいずれかに歯があります。 ただし、二重はすば歯車は両方向に歯があります。 ダブルはすば歯車では、XNUMX つのはすば面が間隔をあけて隣り合っています。 面は同一ですが、螺旋角度が逆になっています。 ダブルヘリカルギヤを使用すると、歯の重なりが大きくなり、よりスムーズな伝達が可能になります。

ヘリンボーンギア

このセットはダブルヘリカルギアと非常によく似ています。 ただし、それらはより小さく、XNUMX つの螺旋面の間にスペースがありません。 ヘリンボーン歯車は、XNUMX つのはすば歯車が横に結合されています。 振動や衝撃の大きい用途には適していますが、生産コストが高く、製造が難しいため、あまり一般的ではありません。

スクリューギア

ねじ歯車は、45 度のねじれ角で動作する一対のはすば歯車です。 それらは非平行かつ非交差のシャフトで発生します。 単一歯接触のため、耐荷重能力が低くなります。 したがって、これらの歯車は大きな動力を伝達するのには適していません。

はすば歯車の用途

• ウォーターポンプ
• ミキサー
• 自動車

ベベルギア

かさ歯車は円錐形をしており、円錐の周りに歯があります。 垂直なシャフト間で力を伝達します。 それは直角（90度）に交差するシャフトです。 しかし、かさ歯車は高価であり、平行軸構成のようにサイズ当たりの大きなトルクを伝達することができません。

ストレートかさ歯車

真っ直ぐかさ歯車は、かさ歯車の歯の最も一般的な構成です。 その理由は、設計のシンプルさと製造の容易さにあります。 まっすぐなベベル歯は、適切に噛み合ったときに徐々にではなく、一度に噛み合います。 ストレートベベルギヤタイプのピッチ面は円錐形で、歯は先端に向かって先細になっています。

まがりばかさ歯車

スパイラルベベルメカニカルギヤは曲線状の歯線を持ち、直線ベベルギヤに比べて歯のかみ合い率が優れています。 そのため、効率や強度に優れ、振動や騒音も少なくなります。 ただし、製造上の困難があります。

Zerol® かさ歯車

Zerol® かさ歯車はグリーソン社の登録商標です。この歯車は、直線かさ歯車と曲線歯を持つまがりかさ歯車の両方の特徴を取り入れています。 したがって、このギアは両方の用途に適しています。 ただし、ねじれ角度がゼロであるため、歯はどちらの方向にも回転できます。

マイターギア

マイターギヤは、同じ歯数を持つ特殊なタイプのかさ歯車です。 それらの軸は互いに90度に配置されており、これらの歯車は速度に影響を与えることなく動力伝達を変更します。 マイター ギヤは、ギヤ比が 1 であるという点で独特です。対照的に、他のベベル ギヤの比は 10:1 ～ 500:1 の範囲になります。

クラウンギアーズ

フェースギアとも呼ばれるクラウンギアも、ホイールの面に対して直角に歯を持っています。 彼らは90度のピッチ円錐を持っています。 産業では、クラウン ギアは他のベベル ギアまたは平歯車と噛み合い、動力円運動を行います。

ハイポイドギア

ハイポイド ギアはスパイラル ベベル ギアに似ていますが、交差しないシャフトで機能します。 それらは 90 度で動作し、自動車分野で一般的です。 これらの歯車は車軸にあります。 

かさ歯車の用途

• ミキサー
• 散水システム
• クラッシャー

ウォームギア

ウォームギヤは、軸にネジ状の切り込みを入れたもの（ウォーム）と相手歯車（ウォームホイール）で構成されています。 交差しない直角な軸で動力を伝達する歯車タイプです。 このタイプの歯車は、摩擦が少なく、滑らかで静かな回転で滑り接触することによって機能します。 したがって、衝撃の大きい用途に適しています。 ただし、効率が低いため、使用は低電力アプリケーションに限定されます。

ウォームギヤの用途

• 農業機械
• 小型コンベア
• 包装設備

ラックアンドピニオンギア

ラックアンドピニオン ギアはペアで使用されることがよくあります。 それらは XNUMX つの円形ギア、つまりリニアギアと噛み合うピニオン、つまりラックで構成されています。 回転運動を直線運動に変換します。 これらのギアは自動車のステアリング システムで一般的です。 ラックアンドピニオン ギア システムでは、ストレート ギアまたはヘリカル ギアを使用できます。 ラックアンドピニオンギアの主な用途は自動車のステアリングです。.

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さまざまなタイプの機械歯車の簡単な表

歯車設計の基本パラメータ

以下では、歯車の設計に影響を与える基本的な歯車パラメータについて説明します。

歯車の形状

ほとんどの歯車は円形で、円筒形の本体の周りに歯が並んでいます。 ただし、円錐形、楕円形、正方形、三角形の形でも発生します。 円形歯車システムは、回転速度とトルクの歯車比が一定です。 したがって、同様の入力により、同じ速度とトルクの出力が生成されます。 非円形歯車タイプではその逆になります。 その結果、速度の変更や逆方向の動きなど、特殊な不規則な動きの要件を実行できます。

モジュール

モジュールとは、歯車の歯のサイズをミリメートル単位で表します。 したがって、モジュールはギアの歯のサイズに直接関係します。 これはギア調整において注意すべき重要なパラメータです。 モジュールとは、ピッチ直径を歯車の歯数で割った値です。 数学的には次のようになります。

モジュール = ピッチ直径 / 歯数。

ただし、モジュールには共通の値があり、産業用アプリケーションでの使用方法に従っています。

ギア軸の構成

歯車の軸構成には、平行、交差、非平行（または非交差）の XNUMX つの形式があります。 平行軸を持つ歯車は、反対方向に回転するシャフトと平行に発生します。 交差する歯車は同じ平面上で交差しますが、非平行な歯車は軸が異なる平面を横切ります。 ただし、交差および平行な歯車構成は、非平行な歯車よりも効率と速度が高くなります。

圧力角

圧力角は、ピッチ ラインの法線に対して歯が形成する角度です。 一般に、圧力角 20 度がよく使用されます。 ただし、場合によっては 14.5 および 17.5 の角度も存在します。 圧力角が大きいほど、歯元が広く、歯の強度が高くなります。  

歯数

歯数、モジュールおよび圧力角の値は、歯車の寸法を計算する際に重要です。 歯数は、次の式を使用してギア速度 (ギア比) を計算する際に重要です。

入力ギアの歯数 / 出力ギアの歯数。

ツイスト方向

歯車は、歯が右にある場合は右巻き、歯が左にある場合は左巻きです。 一対のはすば歯車またはかさ歯車で動力伝達が行われるには、連携して動作する XNUMX つの歯車のねじれ方向が逆でなければなりません。 たとえば、歯が同じ方向に動く XNUMX つのはすば歯車は決して噛み合いません。 ただし、スクリューギアとウォームギアは一方向でありながら噛み合います。

ねじれ角

ねじれ角は、円柱の軸に対する歯の傾斜角度です。 ギアのねじれ角を大きくすると、推力方向が大きくなります。 その結果、機械の効率が低下します。 一般に、推力を低減するには、はすば歯車のねじれ角は 25 度未満が最適です。

歯車の設計および選択時の考慮事項

以下に、ギアを設計および選択する際に考慮すべき重要な要素をいくつか示します。

動作条件および環境条件

ギアの動作条件と環境条件は、耐久性と性能にとって非常に重要です。 動作条件には、歯にかかる応力や摩擦が含まれます。 一方、環境条件には、湿度、温度、清潔さが含まれます。 この XNUMX つの条件は、歯車の種類と、構造、表面処理、潤滑剤、潤滑方法などの設計要素に影響します。

寸法上の制限

寸法上の制限は、ギアが占めるスペースの制限です。 たとえば、ギアはシャフト間の中心にある必要があります。 ただし、ギアシステムに合わせて中心から少し離れた位置にある場合もあります。 このような場合には歯形が変更されます。 スペースに最適な特定のギアやデザインを使用することも、寸法制限を管理する効果的な手段です。

送信要件

機械歯車は、多くの場合、機械コンポーネント内の動きとトルクを伝達します。 ただし、設計と構造に基づいて、動きの方向が変わり、速度やトルク出力が増加する場合があります。 ギアを設計する際には、方向の変化や速度やトルクの増加といった仕様と用途の要件を考慮する必要があります。 これらは歯車のタイプ、設計、構成に影響を与える可能性があります。  

設計基準

歯車にはさまざまな仕様があり、一般的な業界標準はありません。 多くの場合、ギアの設計はメーカーの標準、または機械やシステムの設計仕様のいずれかに適合します。 ただし、いくつかの国では、自国の業界に役立つ標準を作成しています。 たとえば、米国では、歯車は米国歯車製造業者協会 (AGMA) によってグループ化されています。 日本とドイツにもそのような協会があります。

コスト

特にカスタマイズされたギアを扱う場合、コストが重要な要素となります。 設計材料、構造、表面仕上げ、精度、潤滑要件がコストに影響します。 すべての仕様を満たすギアを使用する必要がありますが、コストも考慮する必要があります。 したがって、カスタマイズされたギアには他の出費がかかるため、通常のギアが標準を満たす場合は、それらを使用することをお勧めします。

歯車の作り方

歯車はいくつかの材料を使って製造されます 歯車の製造工程。 そのうちのいくつかは次のとおりです。

• 鍛造
• 押出および冷間引抜
• 粉末冶金
• ブランク
• 歯車加工

多くの場合、歯車の最終的な形状と寸法を達成するために機械加工が行われます。 歯車が製造されると、研削やホーニングなどの表面仕上げを適用して、歯車の一般的な機能を向上させることができます。

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