ストレートベベルギアとスパイラルベベルギアの主な違いを解説

機械とは、エネルギーを消費して特定の任務を遂行する機構の集合体と定義できます。このような機構は機械的動力によって駆動され、それは回転トルクの形で現れます。原動機（電動機、タービンなど）が通常機械的動力を供給し、機械駆動要素の助けを借りて機械ユニットに伝達されます。機械駆動には4種類あり、ギヤ駆動、ベルト駆動、チェーン駆動、ロープ駆動です。ギヤ駆動は歯の噛み合いにより、駆動軸から被動軸へ運動と動力を伝達します。中間の弾性要素がないため剛性駆動であり、軽負荷から重負荷まで滑りなく伝達可能（正転駆動）で、短距離動力伝達に好適です。

基本的なギヤには4種類あります──平歯車、はすば歯車、ベベルギヤ、ウォームギヤ。平歯車とはすば歯車は平行軸用ですが、平歯車は歯がギヤ軸に平行な直歯であるのに対し、はすば歯車はピッチシリンダ上にヘリックス状に歯が切られています。このヘリックス形状の歯は、歯への漸次的な負荷掛かり、振動低減、騒音低減、摩耗低減などの利点を提供します。一対のベベルギヤは交差する軸（通常は直交）間の運動・動力伝達に適用可能です。ウォームギヤ配置は非平行・非交差軸に適用可能です。ベベルギヤにはストレートベベルギヤ、スキューベベルギヤ、フェイスギヤ、スパイラルギヤ、ハイポイドギヤ、クラウンギヤ、ゼロールギヤなど様々な種類があり、それぞれ異なる特徴を持ち特定の用途に適しています。

ベベルギヤの歯はストレートまたはスパイラル形状を取り得ますが、両方とも交差軸専用です。名前が示す通り、ストレートベベルギヤでは歯が平歯車のように直線的ですが、ギヤ軸に沿って傾斜を保って切られています。二つの噛み合いギヤの歯が突然接触するため、歯は衝撃荷重を経験します。これにより振動と騒音が生じます。フェイスベベルギヤとスキューベベルギヤも直歯です。スパイラルベベルギヤは、はすば歯車が平歯車に提供する利点と同様の利点をストレートベベルギヤに提供します。ここでは歯がスパイラル形状を持ち、噛み合い時に漸次的に接触します。したがって滑らかで、振動がなく、静かな運転を実現します。しかし、ベアリングに高いスラスト荷重を及ぼします。ハイポイドギヤもスパイラル歯を持ちます。ストレートベベルギヤとスパイラルベベルギヤの様々な違いを以下の表にまとめます。

表：ストレートベベルギヤとスパイラルベベルギヤの違い

ストレートベベルギヤ	スパイラルベベルギヤ
このタイプのギヤの歯は直線的で、コーン上で軸に沿って切られています。	ここでは歯がスパイラル状で、ピッチコーン上のスパイラル曲線として切られています。
噛み合う二つのギヤの歯が突然接触します。接触は常に歯幅に等しい長さの線となります。	二つの噛み合いギヤの歯が漸次的に接触します。噛み合いは点から始まり、徐々に線になります。
突然の接触により、歯は衝撃またはショック荷重を受けます。	ここでは歯は漸次的な荷重を受けます。
突然の接触は騒音も引き起こします。	その運転は静かです。
ショック荷重は振動を誘発し、運転が滑らかではありません。	負荷の漸次的な立ち上がりにより、振動が少なく運転が滑らかです。
ストレート歯ベベルギヤの設計と製造は容易で、したがって安価です。	複雑な設計と製造により、このタイプのギヤは高コストです。
軸を保持するベアリングにかかるスラスト力は小さいです。	ベアリングにより大きなスラスト力を及ぼします。

歯の向き

歯の向き： ベベルギヤはストレートまたはスパイラル歯を持つことができます。ベベルギヤの歯が直線的だが、共通の頂点に収束するように傾斜している場合、そのギヤをストレートベベルギヤと呼びます。二つのこのようなギヤは交差軸にのみ取り付けるべきです。ストレートベベルギヤの変種であるスキューベベルギヤは、非平行・非交差軸に使用できます。一方、歯が円錐ギヤブランク上にスパイラル形状で切られ、スパイラル曲線が単一の頂点に収束する場合、スパイラルベベルギヤと呼ばれます。一対の噛み合うスパイラルベベルギヤは交差軸に取り付けるべきです。あるいはハイポイドギヤ（これもスパイラル歯を持つ）を非平行・非交差軸に使用できます。

接触シナリオ

接触シナリオ： ギヤ駆動は剛性噛み合い駆動の一種で、二つの噛み合いギヤの歯が直接接触して運動と動力を一軸から他軸へ伝達します。ギヤタイプにかかわらず、ギヤ軸に平行な歯は突然接触します。これは平歯車とストレートベベルギヤで起こります。ここでは接触は常に歯面幅に等しい長さの線です。一方、二つの噛み合うスパイラルベベルギヤの歯は、はすば歯車の場合と同様に漸次的に接触します。ここでは噛み合いが点で始まり、徐々に線になり、最終的に点として離れます。

衝撃荷重とその影響

衝撃荷重とその影響： 突然の接触により、ストレートベベルギヤの歯は衝撃またはショック荷重を経験します。これも相当な騒音と振動を生じます。この振動は時に最大運転速度と動力伝達能力に制限を課します。一方、スパイラルベベルギヤの歯は漸次的な荷重を経験し、これは遥かに有害ではありません。それらの運転はしたがって高速でも滑らかで静かです。

コスト比較

コスト比較： 複雑な製造によりスパイラルベベルギヤは高価です。同一材料、サイズ、公差で、スパイラルギヤはストレートベベルギヤの1.2〜1.5倍のコストです。ギヤサイズが小さいと製造難易度が上がるためコスト差は拡大します。高仕上げ要求も価格差を広げる要因となります。

スラスト力

スラスト力： 二つの噛み合いギヤは常に軸を支持するベアリングに力を及ぼします。歯の向きに基づき、この力はラジアル、アキシアル、または両方になり得ます。例えば、ギヤ軸に平行な直歯（平歯車の場合）はラジアル荷重のみを生じます。一方、ヘリカル歯（はすば歯車の場合）は両方の荷重を生じます。ストレートベベルギヤもスパイラルベベルギヤもラジアルとスラスト荷重の両方を生じますが、スパイラルベベルギヤのスラスト荷重（アキシアル）は二つの源から誘発されるため比較的高くなります。

平行はすば歯車と交差はすば歯車の科学的比較は別記事で提示されています。著者は本トピックの更なる理解のため、以下の参考文献を参照することを推奨します。

1. Design of Machine Elements by V. B. Bhandari (Fourth edition; McGraw Hill Education).
2. Machine Design by R. L. Norton (Fifth edition; Pearson Education).
3. A Textbook of Machine Design by R. S. Khurmi and J. K. Gupta (S. Chand; 2014).