- 科目
- 機械設計法
- 章
- 歯車
- 図番
- 09 / 14
- 内容
- シミュレータ・例題3問
歯車を2段にすると、力は9倍歯数比とトルク
20歯の歯車で60歯の歯車を回すと、回転は 1/3、トルクは3倍になる(損失なし)。2段にすると比は掛け算で、20歯 → 60歯を2回つなぐと9倍。0.5 N·m のモータで 4 N·m の負荷を回すなら、1段の 1.5 N·m では足りず、2段の 4.5 N·m で足りる。

まず触ってみる
数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。
このページの内容
この単元のポイント
- 回転数は歯数に反比例し、トルクは歯数に比例する(損失なし)。20歯の歯車で60歯の歯車を回すと、回転は 1/3、トルクは 3倍。
- 2段にすると、比は掛け算。20歯 → 60歯を2回つなぐと、3 × 3 = 9倍。足し算の 6倍ではない。
- 0.5 N·m のモータで、4 N·m 要る負荷を回すなら、1段(3倍)の 1.5 N·m では足りない。2段(9倍)の 4.5 N·m で足りる。
坂道で、なぜ後ろのギヤを大きくする?
変速のできる自転車の後輪には、大きさの違うギヤが何枚も重なって付いています。手元のレバーを動かすと、チェーンが隣のギヤへ掛け替わります。
平らな道では、チェーンを小さいギヤに掛けます。ペダルを1回まわすと、後輪が何回もまわり、自転車はよく進みます。
上り坂になると、チェーンを大きいギヤに掛け替えます。ペダルを1回まわしても、後輪はあまりまわりません。そのかわり、ペダルが軽くなります。
歯の数を変えるだけで、なぜ「軽さ」が変わるのでしょうか。自転車のギヤはチェーンでつながっていますが、機械の中では、歯車どうしを直接かみ合わせます。決まりはどちらも同じです。
モータの軸に付けた 20歯の歯車で、60歯の歯車を回すとします。
予想してから読むこの2枚を逆にして、60歯の歯車をモータの軸に付け、20歯の歯車を回します。20歯の歯車の回転数とトルク(回す力の大きさ)は?
歯数で決まる2つの式
60歯の歯車の回転数とトルクは、歯数の比だけで決まります。歯の大きさも、歯車の材料も、式には入りません。
| 記号 | 意味 | この単元の歯車では |
|---|---|---|
| 原動の歯車(回す側)の歯数 | 20 | |
| 従動の歯車(回される側)の歯数 | 60 | |
| 減速比(従動の歯数 ÷ 原動の歯数) | 3 | |
| ・ | 原動・従動の歯車の回転数 [min⁻¹] | 1,500 → 500 min⁻¹ |
| ・ | 原動・従動の歯車の軸のトルク [N·m] | 0.5 → 1.5 N·m |
答えは、回転 1/3・トルク 3倍です。減速比 は「何分の1に遅くするか」の数で、同時に「トルクを何倍にするか」の数でもあります。
歯を数えると回転の比が出る
2つの歯車がかみ合う所では、歯が1枚ずつ、順番に入れかわります。片方の歯が1枚進めば、相手の歯も1枚進みます。歯が滑って飛ばされることはありません。
20歯の歯車が1回まわると、かみ合う所を 20枚の歯が通ります。60歯の歯車も、20枚ぶんだけ進みます。60枚で1周なので、進んだのは 回です。
回転数は、歯数に反比例します。歯の多い歯車は、1周するのに多くの歯を送ってもらう必要があるので、ゆっくりしか回れません。
かみ合った2つの歯車は、反対の向きに回ります。自転車のようにチェーンでつなぐと、2つのギヤは同じ向きに回ります。チェーンの1こまが、ギヤの歯を1枚ずつ送るのは同じなので、回転数の比は、やはり歯数の比です。
てんびん:回転を遅くするとトルクが増える
トグル機構(小さな力で大きな力) と ベルトとプーリ で、「てんびん」の決まりを見ました。摩擦が無ければ、入れた仕事と出た仕事は同じです。ゆっくりしか動かない側には、大きな力が出ます。
てんびん(この科目を通す決まり)
摩擦がなければ、入れた仕事=出た仕事。回転を遅くした側には、大きなトルクが出る。
回るものの1秒の仕事は、トルク × 角速度です。モータの側と、60歯の歯車の側で、等しいと置きます。
60歯の歯車の回り方は 1/3 なので、トルクは3倍です。モータが 0.5 N·m なら、60歯の歯車の軸は 1.5 N·m で回ります。
1秒の仕事を確かめます。1,500 min⁻¹ は 157.1 rad/s、500 min⁻¹ は 52.36 rad/s です。
同じです。歯車は仕事を増やしません。回転の速さとトルクを、交換しているだけです。
歯の側から見ても、同じ答えになります。かみ合う所で、歯は相手の歯を力 で押します。押し返す力も同じ です。トルクは「力 × 半径」です。歯の大きさが同じなら、歯車の直径は歯数に比例します(くわしくは モジュールとかみ合い)。60歯の歯車の半径は 20歯の3倍なので、同じ力でも、トルクは3倍です。
2段にすると、比は掛け算
小さなモータで、重い物をゆっくり回したいとします。モータは 1,500 min⁻¹・0.5 N·m。回したい負荷には、4 N·m のトルクが要ります。
20歯 → 60歯の1段では、1.5 N·m です。4 N·m に足りません。少なくとも 倍の減速比が要ります。
そこで、60歯の歯車と同じ軸に、もう1枚 20歯の歯車を付けます。この20歯で、次の60歯を回します。これが2段の歯車列です。
1段目で回転は 1/3、トルクは3倍になります。2段目は、その3倍になった軸から、さらに 1/3・3倍にします。
出力軸の回転数とトルクは、
4.5 N·m は、要る 4 N·m の 1.13倍です。2段なら足ります。
1段で9倍にしない理由
1段で9倍にするなら、20歯の相手は 180歯です。歯の大きさが同じなら、180歯の歯車の直径は、60歯の3倍になります。箱が大きくなります。
モータの歯車を 10歯にすれば、相手は 90歯ですみます。ところが、歯数が少なすぎると、歯を削り出すとき、歯の根元までえぐれてしまいます。これを切り下げといいます。いちばんよく使う歯の形(圧力角 20° の標準の歯車)では、理論の上で、およそ 17歯より少ないと切り下げが起きます()。
だから、大きな減速比は、何段かに分けて作ります。
公式を、2つのかたまりに分けて読む
- 1段目の比 モータの軸の歯車が、次の軸を何分の1に遅くするか。遅くした分だけ、トルクは大きくなります。
- 2段目の比 中の軸から、出力軸へ。1段目で大きくなったトルクを、さらに何倍にするか。
段を足すたびに、比を1つ掛けます。3段なら3つです。1 より小さい比(大きい歯車で小さい歯車を回す)を掛けると、回転は速く、トルクは小さくなります。
どの数字がいちばん効く?
既定の 20歯 → 60歯(1段)から、それぞれの数字を10%変えたとき、出力軸がどう変わるかを並べます。
| 変えるもの | 出力軸のトルク | 出力軸の回転数 | 理由 |
|---|---|---|---|
| 従動の歯数 を10%多く(66歯) | +10% | −9.1% | 比が になる |
| 原動の歯数 を10%多く(22歯) | −9.1% | +10% | 比が に下がる |
| モータのトルク を10%大きく | +10% | 0% | 比は変わらない |
| 同じ比(3倍)の段を1つ足す | 3倍 | 1/3 | 比を掛ける |
いちばん効くのは、段を足すことです。歯数を少し変えるのは、細かい合わせに使います。
自転車に戻る
自転車のギヤを、同じ決まりで読みます。前のギヤ(クランクに付いている)が原動、後ろのギヤ(後輪に付いている)が従動です。
前が 48歯、後ろが 16歯なら、比は です。ペダルを1回まわすと、後輪は3回まわります。速く進みますが、後輪を回すトルクは、ペダルの側の 1/3 しかありません。
上り坂で、後ろを 32歯に掛け替え、前も 32歯にすると、比は1です。後輪は1回しかまわりません。そのかわり、同じ力で踏んでも、後輪を回すトルクは3倍になります。
坂道でペダルが軽くなるのは、後輪のトルクを大きくした分、後輪がゆっくりまわるようにしたからです。進む距離あたりにすると、たくさんペダルをまわすことになります。てんびんの決まりのとおりです。
つまり、ものを作るときは
モータは、速く回すと小さくて済みます。だから、小さく速いモータに減速機を付けて、ゆっくり大きなトルクを取り出します。要る減速比は、要るトルク ÷ モータのトルク で決め、歯数は切り上げて選び、選んだ歯数でトルクを確かめます。
トルクが大きくなる出力側ほど、軸は太くします。許容せん断応力 40 MPa(目安)なら、0.5 N·m のモータの軸は直径 3.99 mm で足りますが、9倍の 4.5 N·m がかかる出力軸には 8.31 mm 要ります。トルクが9倍で、直径は 倍です(曲げとねじりを同時に受ける軸)。
実物では、かみ合いごとにわずかな損失があり、出せるトルクは計算より少し小さくなります。余裕をとって選びます。
手で回す巻き上げ機(ウインチ)も、同じ考え方です。ハンドルの軸の小さい歯車で、ドラムの大きい歯車を回します。ハンドルを何回もまわして、重い物をゆっくり巻き上げます。
動かしてみよう
左のモータの歯車(朱)が、一定の速さで回ります。出力軸の歯車(青)は、減速比の分だけゆっくり回ります。歯車の上の黒い点を見ると、何回まわったかが追えます。初めは「1/20 の速さ」で再生しています。
「2段」を選ぶと、2段目の歯車(・)が加わります。「1段」のときは、・ は使わないので、欄が薄くなります。下の波形は、モータと出力軸が回った回数です。いちばん下のものさしで、出せるトルクが、負荷に要るトルクに届いているかを見てください。
「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、残した図の線が、波形に薄く重なります。
試してみよう0 / 3
- 「2段」にして、出力軸のトルクを見る(2段目も 20 歯 → 60 歯。ほかは初期値)(まだ)
- 「1段」に戻し、z1 を 10、z2 を 90 にして、9倍を1段で作る(まだ)
- 2段のまま、2段目を逆にする:z3 を 60、z4 を 20 にする(1段目は 20 → 60)(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 出力軸のトルク
- 減速比(全体)
- 出力軸の回転数
途中の計算(導出)を見る
1段目の減速比(従動の歯数 ÷ 原動の歯数)
1段だけなので、全体の減速比は1段目と同じ
出力軸の回転数(減速比で割る)
出力軸のトルク(減速比をかける。てんびん)
負荷を回すのに要るトルクと比べる(出せるほうが大きければ足りる)
よくある勘違い
「大きい歯車のほうが、速く回る」
歯の進む速さは、かみ合う2つで同じです。回転数は、小さい歯車のほうが速くなります。
| 言葉 | 意味 | 20歯と60歯では |
|---|---|---|
| 歯の進む速さ | 1秒に、かみ合う所を通る歯の枚数 | どちらも 500 枚/s |
| 回転数 | 1分に回る回数 [min⁻¹] | 1,500 min⁻¹ と 500 min⁻¹ |
手回しのドリルは、反対の使い方です。ハンドルで大きい歯車をゆっくり回し、小さい歯車でドリルを速く回します。トルクは小さくなりますが、細い穴なら足ります。
「歯車で回転を落とすと、仕事も減る」
減りません(損失がなければ)。回転が 1/3 になる分、トルクが3倍になります。1秒の仕事は、どちらの軸も 78.5 W です。
「2段にすると、比は足し算」
3 + 3 = 6倍ではなく、3 × 3 = 9倍です。2段目は、1段目で 1/3 に遅くなった軸を、さらに 1/3 にします。 の は です。
この公式が使える条件
- 歯は滑らない(かみ合う所で、歯が1枚ずつ入れかわる)
- 摩擦・軸受の損失を考えない(実物では、出せるトルクは計算より少し小さい)
- 一定の速さで回っているとき(回り始めの加速に要るトルクは、減速機とモータの選び方 で扱う)
- 2段のとき、中の軸の2枚の歯車は、同じ軸に固定されていて、一緒に回る
- 歯の強さ(歯が折れないか)は、別に確かめる(歯の曲げ強さ(ルイスの式))
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
ピッチ円の速さが同じ:かみ合う2つの歯車は、ピッチ円(歯のまん中あたりを通る円)どうしが、滑らずに転がり合う円と考えられます。2つのピッチ円の外周の速さは等しいので、直径を ・ とすると、
かみ合う2つの歯車は、歯の大きさ(モジュール )が同じで、ピッチ円の直径は です。 が消えて、
力で導く:かみ合う所で、歯が押し合う力のうち、ピッチ円に接する向きの分を とします。原動の軸では 、従動の軸では です。 を消すと、
てんびんで出した式と同じです。
2段:中の軸の回転数を とすると、、。代入すると、 で、比は掛け算です。
例題
例題1 ベルトコンベヤの減速機
小さなベルトコンベヤを、1,500 min⁻¹・0.8 N·m のモータで動かします。モータの軸の 18 歯の歯車で、ローラの軸の 72 歯の歯車を回します。損失は考えません。
(1) 減速比はいくらですか。(2) ローラの軸の回転数とトルクはいくらですか。(3) ローラを回すのに 3 N·m 要るとき、この歯数で足りますか。
ヒント 1 / 2
減速比は 従動の歯数 ÷ 原動の歯数。トルクはモータのトルク × 減速比です。
ヒント 2 / 2
です。
答えと解き方を見る
1段目の減速比(従動の歯数 ÷ 原動の歯数)
1段だけなので、全体の減速比は1段目と同じ
出力軸の回転数(減速比で割る)
出力軸のトルク(減速比をかける。てんびん)
負荷を回すのに要るトルクと比べる(出せるほうが大きければ足りる)
回転数は 4分の1、トルクは4倍です。1秒の仕事は、モータの側もローラの側も同じです。
余裕は 3.2 ÷ 3 = 1.07倍しかありません。実物では、かみ合いの損失のぶん、トルクは計算より少し小さくなります。
例題2 2段目の歯数を選ぶ
0.3 N·m のモータで、4 N·m 要る負荷を回したい。1段目は 20 歯で 60 歯を回します。2段目は、60 歯と同じ軸に付けた 20 歯で、歯数 の歯車を回します。損失は考えません。モータは 1,500 min⁻¹ です。
(1) 全体で何倍以上の減速比が要りますか。(2) は少なくとも何歯ですか。(3) その歯数で、出力軸のトルクと回転数はいくらですか。
ヒント 1 / 2
要る減速比は、要るトルク ÷ モータのトルク。1段目で 3倍になるので、残りを2段目でかせぎます。
ヒント 2 / 2
2段目に要る比は 倍です。
答えと解き方を見る
1段目の減速比(従動の歯数 ÷ 原動の歯数)
2段目の減速比と、全体の減速比(掛け算)
出力軸の回転数(減速比で割る)
出力軸のトルク(減速比をかける。てんびん)
負荷を回すのに要るトルクと比べる(出せるほうが大きければ足りる)
88 歯だと、トルクは 3.96 N·m で、4 N·m にわずかに届きません。歯数は整数なので、切り上げて 89 歯にします。
求める → 選ぶ → 確かめる、の順です。選んだ歯数で、もう一度トルクを出して、要る値と比べます。
例題3 自転車の前と後ろのギヤ
クランク(ペダルの腕)を 60 min⁻¹ で回し、クランクの軸に 40 N·m のトルクをかけます。前のギヤは 36 歯、後ろのギヤは 24 歯で、チェーンでつながっています。損失は考えません。
(1) 後輪の回転数はいくらですか。(2) 後輪を回すトルクはいくらですか。(3) 1秒の仕事(仕事率)を、クランクの側と後輪の側で出して、比べなさい。
ヒント 1 / 2
回るのは「前 → 後ろ」の順です。原動は前のギヤ(36 歯)です。
ヒント 2 / 2
速比は で、1 より小さい(速くなる)ことに注意します。
答えと解き方を見る
チェーンでつないでも、歯車どうしと同じく、回転数は歯数に反比例します。チェーンの1こまが、ギヤの歯を1枚ずつ送るからです。
後輪は 1.5倍速く回り、トルクは 1.5分の1 です。1秒の仕事は、どちらも約 251 W で同じです。