機構: 歯車

産業革命以前から、さまざまな歯車が私たちに有利にも不利にも働いてきました。 穀物や亜麻を粉砕する古代の水車や風車から、攻城兵器から主力戦車に至る戦争機械に動力を供給する駆動系に至るまで、歯車はこれまでに作られたほぼすべての機械装置の不可欠な部品でした。 メカニズムに関するシリーズの次回の記事では、歯車とその応用について簡単に説明します。

よくあることですが、進化こそが最良の発明者であり、ウンカ類の幼虫の後脚を連結する歯車機構は、人類による歯車の発明よりも数十億年も前に存在しました。 人間による歯車の使用は少なくとも紀元前 3 世紀の中国にまで遡り、その技術は急速かつ広範囲に広がりました。 数百年以内に、精密に機械加工された金属歯車により、ギリシャでは アンティキティラ の機械のような複雑な歯車装置が製造できるようになりました。

最も単純に言えば、歯車は、周囲に何らかの歯が切り込まれた車輪にすぎません。 歯は、トルクを伝達するために他の機械要素の歯と噛み合うようなサイズと形状になっています。 複数の歯車を直列に接続したものを歯車列といい、歯車列内の歯車の直径が異なると、伝達されるトルクはその差に比例します。 したがって、駆動歯車の直径が 1 cm、従動歯車の直径が 10 cm の場合、歯車列は回転速度を 10 分の 1 に減速しながらトルクを 10 倍増加させます。

これに対抗するために、歯を回転軸に対してある角度でカットすることができます。 歯車の円周に沿ってこのように歯を傾けると、はすば模様が形成されるため、はすば歯車と呼ばれます。 はすば歯車は静かであるだけでなく、交差して動力を直角に伝達することもできます。 その代償として、はすば歯車は歯が歪んでいるため、軸に沿って推力を与えます。 スラスト対策としては、円すいころ軸受などのスラスト軸受を使用するか、同一軸上に歯方向が逆のはすば歯車を2枚使用してアキシアルスラストを相殺する方法があります。 これにより、風力タービンなどの多くの高出力用途で見られる美しいヘリンボーン歯車が生まれます。

長い間、金属歯車の製造は、望ましい形状の歯を製造するために複数の機械加工ステップを含む複雑なプロセスでした。 歯は、ブローチ加工、フライス加工、成形、研削などの任意の数の機械加工操作によって切断できます。

しかし、歯車の切削加工には時間とコストがかかるため、最近のほとんどの歯車は何らかの成形加工によって製造されています。 高価な電動工具の内部を見たくない種類のプラスチック製歯車は、射出成形によって簡単に製造でき、悪評にもかかわらず、特に長寿命ではないにしても、完全に使用可能な歯車列が得られます。 しかし、金属歯車も成形することができ、現在では粉末金属歯車が市場で大きなシェアを占めています。

粉末金属歯車は、結合剤および潤滑剤と混合された非常に細かい金属合金粉末を金型に充填することによって製造されます。 型内の粉末は、型の形状に適合する工具を備えた油圧ラムによって圧縮され、驚異的な圧力によって金属粒子が融合して、取り扱いに十分な強度を有する固体になります。 次に、未処理の部品を加熱して、粒子を最終的な金属部品に永久的に融合させます。この金属部品は、多くの場合、さらに加工することなくすぐに使用できます。

粉末冶金はほとんどのホームセンターでは手の届かないものですが、DIY ギアは基本的な工作機械があれば誰でも簡単に行うことができます。 [クリス] がクリックスプリング時計の歯車とピニオンを機械加工する様子は、いくら見ても飽きることがありません。これらの歯車は計測の世界に高度に特化していますが、同じ原理の多くが他の用途の歯車にも当てはまります。 3D プリントによりカスタムの歯車列も可能になり、適切な条件下では驚くほど堅牢な結果が得られます。 そして、あらゆる種類の材料から大小の歯車を生み出す CNC ルーターも忘れないでください。

歯の形状、圧力角、接触線など、歯車の背後にあるエンジニアリングの内容の表面をなぞるだけでも困難です。また、ハーモニック ドライブや遊星歯車などの本当に興味深い歯車についても説明することはできません。 しかし、これは少なくとも始まりであり、ビルドにギアを追加し始めるときに何が起こるかを知るための試行です。 コメント欄で素晴らしいギアプロジェクトの水門を開けてください!