歯車（ギア）とは：定義・種類・構造・材料・用途をわかりやすく解説

歯車の定義・種類・構造・材料・用途を図解でわかりやすく解説。初心者から設計者まで使える基礎知識と材料選定のポイントを簡潔に紹介。

歯車は、力および運動を伝達または受信するように、他の部品の歯と適合するように設計されたカット歯を持つ機械部品です。歯車は、歯付きホイールや歯車、コグとも呼ばれることがある。また、カットされた歯は、コグと呼ばれることもある。

歯車の製造には、非鉄合金、鋳鉄、粉末冶金、さらにはプラスチックなど数多くの材料が使われている。しかし、鋼は重量に対する強度が高く、価格も高いため、最も一般的に使用されている。

定義と呼称の補足

歯車（ギア）は、歯のかみ合わせによって回転運動やトルクを伝達する部品です。歯車の集合体でギアトレイン（歯車機構）を構成し、減速・増速、方向転換、トルク変換などを行います。機械設計では「ギア」「ホイール」「ピニオン（小歯車）」などの用語が使われます。

歯車の基本要素（重要な寸法・用語）

• 歯数（z）：歯車の歯の数。伝達比に影響する。
• ピッチ円（基準円）・ピッチ円直径（d）：歯車の理論的な接触円。歯車の大きさと比率を決定する基準。
• モジュール（m）：ピッチ円直径を歯数で割った値。歯の大きさの尺度（mm/歯）。
• 圧力角（α）：歯形の接触線の角度。一般に20°や14.5°が多い。
• アドデンダム・デデンダム：歯の頂部と根元の高さ（外形・根切りに関係）。
• バックラッシュ：かみ合いの遊び。位置決め精度や騒音に関係する。

歯車の種類（代表例と特徴）

• 平歯車（スパーギア）：歯が軸に平行。製造が容易で効率が高いが、衝撃騒音が出やすい。
• はすば歯車（ヘリカルギア）：歯が斜め。滑らかで静か、荷重容量が大きいが軸方向の力（スラスト）が発生する。
• かさ歯車（ベベルギア）：軸が交差する場合に用いる。軸角を変える用途に適する。
• ウォームギア：ネジ状のウォームと歯車の組合せで大きな減速比を実現。自己ロック特性を持つ場合があるが効率は低め。
• ラック・ピニオン：直線運動と回転運動を変換する。ステアリングやリニア駆動に多用。
• プラネタリ（遊星）ギア：コンパクトに大きな伝達比を得られ、トルク分配に優れる。自動車のトランスミッションなどで使用。
• ハイポイド・ギア、ヘリンボーンなど：用途別に特殊形状があり、騒音低減や高荷重対応を目的とする。

歯形と構造（噛み合わせの原理）

一般に歯形にはインボリュート（円弧進行曲線）が広く採用されています。インボリュート歯形は軸間距離が多少変わっても一定の速度比を保てるため、製造と運用の両面で有利です。歯の重要部分は以下の通りです：

• 歯先（フェース）、歯元（フランク）、歯根（ルート）
• ピッチ面での接触点（ピッチポイント）や接触比（同時にかみ合う歯数）が滑らかな伝達に影響
• 潤滑と表面硬化（窒化・浸炭・焼入れなど）により摩耗や疲労寿命を延ばす

材料と製造方法（概観）

歯車は用途に応じて多様な材料と処理が選ばれます。先に述べたように、非鉄合金、鋳鉄、粉末冶金、プラスチックなどが用いられますが、代表的には鋼が最も広く使われます。理由は高強度、高靭性、熱処理による表面硬化が可能な点です（鋼は…の記述を参照）。

• 鋼材：浸炭鋼や合金工具鋼など、熱処理で表面硬化して曲げ疲労・摩耗に強くする。
• 鋳鉄：減衝性や加工性が良く、低負荷の大型ギアに使用。
• 非鉄合金：軽量化や耐食性が求められる場面で使う（真鍮・青銅など）。
• プラスチック：軽量で低騒音、自己潤滑性のあるポリマーが小型・低負荷用途に使われる。
• 粉末冶金：複雑形状や大量生産向き。コストパフォーマンスに優れる場合がある。

製造工程としては、切削（ホブ盤、シェイパ、フライス）、成形（鋳造、粉末成形、射出成形）、仕上げ（研削、歯面研磨）、熱処理（浸炭、窒化、焼入れ＋焼戻し）などが組み合わされます。高精度ギアでは歯面研削や歯形修正が行われ、噛み合わせの精度と寿命を高めます。

性能・設計上の注意点

• 効率：歯車の種類や潤滑状態で効率が変わる。ウォームギアは効率が低いことが多い。
• 騒音と振動：歯形・加工精度・潤滑で低減可能。ヘリカルやハイポイドは静粛性に優れる。
• 寿命（疲労・摩耗）：接触応力・曲げ応力・潤滑・表面処理で左右される。
• バックラッシュと位置精度：ロボットや計測機器では最小化が求められる。
• 潤滑：歯面の摩耗と熱を抑えるために適切なオイルやグリースが不可欠。

主な用途（例）

• 自動車：トランスミッション、デファレンシャル、パワーステアリング
• 工作機械・産業機械：減速機、送り機構、カッティング機構
• ロボット・精密機器：減速装置（サーボモータ用）、位置決め機構
• 家電・小型機器：ギアボックス（電動ドライバー、掃除機、プリンタなど）
• エネルギー：風力タービンの増速機、発電機駆動系
• 船舶・航空：大型ギアボックスや特殊ギア伝達系（材料・設計で耐環境性を確保）

まとめると、歯車は機械の動力伝達で中心的な役割を果たす部品であり、用途に応じて形状・材料・加工・熱処理・潤滑が最適化されます。設計では伝達効率、耐久性、騒音、製造コストなどのトレードオフを考慮する必要があります。

質問と回答

Q: 歯車とは何ですか?

Q: ギアには他にどんな呼び方がありますか?

Q: 歯車の切り歯は何と呼ばれることがありますか?

Q: 歯車の製造にはどんな材料が使われていますか?

Q: 歯車の製造に最もよく使われる材料は何ですか?

Q:なぜ鋼は歯車の製造によく使われるのですか?

Q: 歯車の目的は何ですか?

文字で検索