歯車設計の基礎：種類とモジュールの選定

1. モジュール選定の原則

モジュール m = d/z（ピッチ円直径 / 歯数）— 最も基本的な歯車パラメータ：

• 曲げ強度を決定：モジュールが大きいほど歯元が厚くなり、曲げ強度が高くなる
• 最小モジュールの原則：強度要件を満たす最小のモジュールを選ぶ — コスト低減、振動低減
• 標準モジュール系列（GB/T 1357）：0.5、0.6、0.8、1、1.25、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10…
• 互いに素な歯数を推奨：周期的な摩耗を避ける；ピニオンは通常17～25歯（切り下げを避けるため≥17）

2. 圧力角と転位

圧力角

• 標準20°：最も一般的で、歯元強度と滑り率のバランスが良い
• 14.5°：旧規格で、かみ合いは滑らかだが歯元強度は弱い
• 25°：重荷重用歯車で、歯元強度は高いが滑り率が増加する

転位

• 正転位（x>0）：歯厚を増やし、曲げ強度を向上させ、切り下げを避ける
• 負転位（x<0）：歯厚を減らし、中心距離を調整する
• 等転位：x1+x2=0、中心距離は変わらない
• 角度転位：x1+x2≠0、中心距離が変化する

3. 歯車の分類と選定

• 種類 平歯車：構造が簡単、軸方向スラストなし、経済的
  • 代表的な用途：低速駆動、工作機械のギヤボックス
• 種類 はすば歯車：かみ合いが滑らか、高負荷容量、軸方向スラストあり
  • 代表的な用途：高速重荷重、自動車トランスミッション
• 種類 かさ歯車：交差軸間の動力伝達、加工が複雑
  • 代表的な用途：ディファレンシャル、ステアリング機構
• 種類 ウォームギヤ：高減速比、セルフロック、低効率
  • 代表的な用途：昇降機構、割出装置
• 種類 遊星歯車：コンパクト、高動力密度、複雑な構造
  • 代表的な用途：風力発電機のギヤボックス、ロボット関節

4. 実用的な知見

知見1：ピニオンは常に弱点

どの歯車対でも、ピニオンは歯数が少なく、曲げ応力のサイクルが多く、故障リスクが高い。

推奨事項：

• ピニオンはやや高い硬さにする（歯車より30～50 HB高い）
• ピニオンに正転位、歯車にゼロまたは負転位を適用する
• ピニオン：20CrMnTi浸炭；歯車：40Cr調質

知見2：モジュール選定の落とし穴

顧客はしばしば「モジュールが大きいほど強い」と要求するが、過大なモジュールは以下をもたらす：

• 歯高の増加 → 滑り率の増加 → 摩耗の加速
• かみ合い率の低下 → かみ合いの滑らかさの低下
• 材料コストの増加

正しい戦略：許容できる曲げ強度の範囲で、より小さなモジュールと適切に広い歯幅を優先する。

知見3：内歯車と外歯車

内歯車のかみ合い（遊星キャリアで一般的）は曲率半径が大きく接触応力が低いが、加工が難しい（形削り/ブローチ加工）、歯数は干渉によって制限される（z_inner - z_outer ≥ 8-10）。

「歯車を設計するときは、個々の部品強度だけを見てはいけません — ペアの寿命バランスを考慮してください。決して故障しない歯車と、3ヶ月で故障するピニオンを組み合わせると、伝達システム全体が不合格になります。」

5. 早見表 — 材料とモジュールの推奨（7級、中負荷）

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