機械要素の基礎講座
1-1 歯車のはたらき
歯車は機械の運動に関係する代表的な機械要素です。何か動くものを作ろうとするときには、必ずと言ってよいほど歯車が使用されます。歯車の運動はぐるぐると回る回転運動であり、 さまざまな大きさや形状、材質のものがあります。そして、この歯車は子どものおもちゃから高性能の工業製品などまで、実に幅広い分野で活躍しているのです。
ここであらためて「歯車とは何か？」というと、円筒や円錐などの周縁に歯を刻んだものであり、歯と歯を対にしてかみ合わせることにより、回転運動を確実に伝えることができる機械要素のことです。 日本工業規格（JIS）では、「歯を順次かみ合わせることによって運動を他に伝え、又は他から受け取るように設計された歯を設けた部品」と定義されています。
歯車で伝えているのはいったい何かというと回転速度や回転力です。同じ大きさの歯車を２枚かみ合わせるだけならば、歯車は回転方向が逆になるだけですが、歯車の大きさを変えることで、回転速度や回転力を変換することができるようになります。 歯車が私たちの生活に身近であることは、「組織の歯車がかみ合わない」とか「人生の歯車が狂う」などという言い方を日常表現でも使うことからもわかります。 なお、英語では歯車のことをgearといい、ギヤやギアなどとカタカナで表記することも多いです。また、歯車は工業を表すシンボルとして、五円玉の穴のまわりにもデザインされているほどです。
図1
ところで、上手くかみ合う歯車を作るためには、幾何学的な側面や加工技術の側面などからさまざまな変遷がありますが、その起源となるのは車輪の表面の摩擦を利用して回転運動を伝える摩擦車でした。 ただし、摩擦力だけでは大きな力を伝えようとしたときに滑りが避けられなくなり、そこから回転を確実に伝えるために歯車の歯形の研究が進められたのです。
機械要素とは機械を構成する代表的な部品のことであり、具体的にはここで述べた歯車を代表として、ベルトやチェーン、軸、軸受、軸継手、ばね、そしてねじなどがあります。これらの機械要素は古くから、機械を設計しようとする人々が多く使ってきたものです。 そのため、機械要素は多くのものが共通部品として規格化されるようになり、何かの機械を作ろうとしたときには、特殊なものでなければ歯車やねじから作る必要はなく、規格化されたものを適切に選定できる能力が求められるのです。
歯車で伝えているのはいったい何かというと回転速度や回転力です。同じ大きさの歯車を２枚かみ合わせるだけならば、歯車は回転方向が逆になるだけですが、歯車の大きさを変えることで、回転速度や回転力を変換することができるようになります。 歯車が私たちの生活に身近であることは、「組織の歯車がかみ合わない」とか「人生の歯車が狂う」などという言い方を日常表現でも使うことからもわかります。 なお、英語では歯車のことをgearといい、ギヤやギアなどとカタカナで表記することも多いです。また、歯車は工業を表すシンボルとして、五円玉の穴のまわりにもデザインされているほどです。
【なお、同じく代表的な機械要素である「ねじ」については、本サイト「ねじの基礎講座」を参照してください】
図2
『機械要素の基礎講座』の目次
第1章 歯車
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1-1歯車のはたらき歯車は機械の運動に関係する代表的な機械要素です。何か動くものを作ろうとするときには、必ずと言ってよいほど歯車が使用されます。
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1-2歯車の歯形歯車の歴史は古く、木製の車の外周に歯のようなものをつけて、水汲み装置などに使われていたのは、紀元前からとされています。
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1-3歯車のピッチとモジュール歯車を滑らかにかみ合わせるためには、インボリュート曲線が用いられていることは説明しましたが、歯形全体の形状のイメージはもてたでしょうか。
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1-4歯車の各部名称車にはピッチやモジュールの他にもさまざまな各部名称があり、歯車のかみ合いを考えるときに重要となります。
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1-5標準平歯車の特長と寸法計算歯車にはさまざまな種類がありますが、代表的で基本形となるものが標準平歯車です。
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1-6歯車の速度伝達比歯車は実際の工業の場面では一組で用いられることは少なく、複数個を順番にかみ合わせて動力や速度を伝達することが多くあり、これを歯車列といいます。
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1-7二軸が平行な歯車の特長と種類これまで紹介してきた歯車は、歯の山の方向である歯すじが歯車の回転軸に対して平行で直線状である平歯車であり、一般的な形状の歯車として動力伝達用に幅広く用いられています。
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1-8二軸が交わる歯車の特長と種類歯車には回転を伝達する二軸が交わる種類もあります。かさ歯車は傘の形状に似た円すい形の歯車であり、べべルギアともよばれます。
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1-9減速歯車装置のはたらき機械の複雑な動きの原動力は回転運動であることが多く、その回転速度や回転力を変換するために歯車が用いられます。
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1-10増速歯車装置のはたらき歯車は多くの場合、減速歯車装置として使われますが、増速歯車装置として使われることもあります。
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1-11差動歯車装置のはたらき歯車は減速装置や増速装置のほかにも、さまざまな活用法があります。差動歯車装置は、２つ以上の運動の和や差を検出して、1つの運動にして出力する歯車列であり、古くは古代中国に伝わる仙人が常に南を示す指南車が知られています。
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1-12遊星歯車装置のはたらき遊星歯車装置は、太陽のまわりを惑星が回転するように、一組の互いにかみ合う歯車において、二枚の歯車がそれぞれ回転すると同時に、一方の歯車が他方の歯車の軸を中心として公転するものです。
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1-13歯車の強度設計(１) 歯の曲げ強さ歯車は高速で回転しながら大きな動力を伝達する機械要素です。もし、高速で大きな動力を伝達している歯車が途中で割れるようなことがあれば大事故につながってしまいます。
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1-14歯車の強度設計(２）歯の歯面強さ歯車の強度設計にはルイスの式のほか、歯の歯面強さの視点から導かれた関係式があります。
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1-15歯車の作り方～成形法複雑な歯車の形状はどのように作られているのでしょうか。その昔、木製の簡単な歯車は手工具で加工をしていました
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1-16歯車の作り方～創成法歯車の歯を一枚ずつ成形法に対して、歯を全体的に少しずつ成形する工作法を創成法といいます。
第2章 ベルトとチェーン
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2-1ベルト・チェーンのはたらき歯車の強度設計１ 歯の曲げ強さ
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2-2ベルトの種類ベルトは断面形状や材質の違いなどによって分類できます。
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2-3ベルトの選定ベルトの速度伝達比は歯車と同様に考えることができます。
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2-4チェーンの種類ベルトの速度伝達比は歯車と同様に考えることができます。
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2-5チェーンの選定チェーンの速度伝達比も歯車やベルトと同様に考えることができます。
第3章 ばね
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3-1ばねのはたらき代表的な機械要素であるねじや歯車と同じように、ばねも私たちの身のまわりでたくさん使われています。ばねは本格的な機械の内部のみならず、洗濯ばさみやノック式のボールペン、乾電池の留め具など、日用品の中にも数多く見つけることができます。
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3-2ばねの歴史ばねの歴史は何をばねと見なすかによって異なりますが、古代人が動物を捕獲するために木の復元力を利用して作った罠や、狩猟・採集に用いられた木で作られた弓矢などがばねの起源と言えるでしょう。
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3-3ばねの物理ばねの歴史は何をばねと見なすかによって異なりますが、古代人が動物を捕獲するために木の復元力を利用して作った罠や、狩猟・採集に用いられた木で作られた弓矢などがばねの起源と言えるでしょう。
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3-4圧縮コイルばねの特徴と種類圧縮コイルばねは、主として圧縮荷重を受けて弾性エネルギーを蓄えるコイルばねです。
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3-5引張コイルばねの特徴と種類圧縮コイルばねは、主として圧縮荷重を受けて弾性エネルギーを蓄えるコイルばねです。
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3-6ねじりコイルばねの特徴と種類ねじりコイルばねは、コイルの中心軸まわりにねじりモーメントを受けるコイルばねです。
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3-7渦巻きばねの特徴と種類渦巻きばねは平面内で渦巻形をしているばねであり、コイル同士が接触する接触型渦巻ばねとコイル同士が離れている非接触型渦巻ばねとがあります。
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3-8ばねに使用される材料冷間成形によって製造されるばね用鋼線のうち、代表的なものは硬鋼線とピアノ線です。
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3-9コイルばねの成形コイルばねは線材を精密かつ高速でコイル状に成形する必要がありますが、具体的にどのような工程でコイリングされているのでしょうか。