はすば歯車とへリングボーンギヤの違いと性能比較

機械は特定の任務を遂行するために継続的な動力源を必要とします。大半の産業機械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。原動機は他のエネルギー形式を変換して機械的エネルギーを生成します。例えば電動機は電気エネルギーを機械的エネルギーに変換します。機械的動力伝達システムは、こうした原動機から機械ユニットの意図された場所へ動力を伝達するために使用されます。基本的に4つの駆動を含みますが、途切れない動力伝達のために他の機械要素も助けを借ります。ギヤ駆動、ベルト駆動、チェーン駆動、ロープ駆動の4つが、駆動軸から被動軸へ運動、トルク、動力を伝達する機械駆動です。これらそれぞれが異なる特徴を持ち、他に対する特定の利点を提供します。

ギヤ駆動は短距離動力伝達に適した噛み合い型剛性機械駆動です。滑りなく重動力を伝達可能（正転駆動）。駆動軸と被動軸の相対配置と歯形状に基づき、ギヤ駆動は4グループに分類されます──平歯車、はすば歯車、ベベルギヤ、ウォームギヤ。平歯車は最もシンプルで、ギヤ軸に平行な直歯を持ち、平行軸間でのみ動力伝達可能。はすば歯車も平行軸用ですが、歯はギヤ軸に平行ではありません。ここでは歯がギヤブランク上に同じヘリックス角を保ってヘリックス形状で切られています。ベベルギヤは直歯またはスパイラル歯を持ち交差軸用。ウォームギヤは垂直だが非交差な軸用です。

はすば歯車は平歯車に対する一定の利点を提供しますが、ベアリングにアキシアルスラスト荷重を課します。このスラスト荷重は有害で、動力伝達能力を制限します。またラジアルとアキシアル両荷重に耐えられる高価で大型のベアリングを必要とします。しかし、このスラスト荷重はへリングボーン（ヘリングボーン）ギヤまたは二重はすば歯車を採用することで、ヘリックス歯形を維持しながら排除できます。へリングボーンギヤでは、歯がギヤブランクの二つの半分に、同じモジュール、歯数、ヘリックス角だが逆のヘリックス方向で切られます。したがってへリングボーンギヤの各半分が生み出すスラスト力は等しく逆向きで、相殺し合います。さらに、比較的問題なくより高い動力を伝達できます。はすば歯車とへリングボーンギヤの様々な違いを以下の表形式で示します。

表：はすば歯車とへリングボーンギヤの違い

はすば歯車	へリングボーンギヤ
はすば歯車の歯は円筒ギヤブランク上にヘリックス形状（左ねじまたは右ねじヘリックス）で切られます。	同一の歯がギヤブランクの二半分に、同じモジュール、歯数、ヘリックス角だが逆のヘリックス方向で切られます。
一対の噛み合いはすば歯車は顕著なラジアルスラスト力を生み出します。	ギヤの各半分が生み出すスラスト力は等しく逆方向で、相殺し合います。
ラジアルスラスト力がヘリックス角を最大約25°に制限します。	スラスト力がないため、より高いヘリックス角（最大約45°）を使用可能。
はすば歯車にはアキシアル荷重とスラスト荷重の両方を扱えるベアリングが必要。	スラスト力が存在しないため、大きなラジアル荷重を扱えるベアリングをへリングボーンギヤに使用可能。
はすば歯車の動力伝達能力は比較的小さい。	非常に高い機械的動力またはトルクを伝達可能。
はすば歯車の設計と製造は容易で、したがって安価。	へリングボーンギヤは複雑な設計と製造のため高価。

歯形状

歯形状： はすば歯車の歯はピッチシリンダ上にヘリックス形状で切られます。特定のはすば歯車は左ねじヘリックス歯または右ねじヘリックス歯のいずれかで構成されます。噛み合い時に、左ねじヘリックスのはすば歯車は右ねじヘリックスのはすば歯車とのみ噛み合えます。一方、へリングボーンギヤは単一ギヤユニット内に両方のヘリックス方向を持ちます。各へリングボーンギヤは二つの明確な半分を持ち、一方は左ねじヘリックス歯、他方は右ねじヘリックス歯を持ちます。ピッチ円直径、モジュール、歯数、ヘリックス角、幅・厚さなど他の特徴は両半分で同一。唯一の違いはヘリックス方向のみです。

スラスト力

スラスト力： はすば歯車は平歯車に対する多くの利点を提供します──歯への漸次的な負荷掛かり、低振動、高負荷容量、長寿命など。主な欠点はスラスト荷重です。平歯車の歯が直線的でギヤ軸に平行なため、一対の噛み合う平歯車はラジアル荷重のみを誘発します。ヘリックス歯形のため、一対の噛み合うはすば歯車はラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を誘発します。したがって両荷重を同時に支えられるより強力なベアリングが必要です。へリングボーンギヤは、はすば歯車と同様の利点を提供しつつスラスト力を排除できます。ここでは各半分が生み出すスラスト力が等しく逆向き（逆ヘリックス方向のため）で、合成スラスト力がゼロになります。したがって一対の噛み合うへリングボーンギヤはベアリングにアキシアルスラスト力を誘発しません（ラジアル力のみ存在）。

ヘリックス角

ヘリックス角： スラスト力は歯のヘリックス角とともに増大します。しかしより高いヘリックス角は振動と歯摩耗を大幅に低減し、負荷容量を増大させます。このスラスト力がはすば歯車の最大ヘリックス角を制限します。通常20〜25°の範囲に保たれます。しかし、へリングボーンギヤではスラスト力がないため、より高いヘリックス角、最大45°まで使用可能です。

軸支持用ベアリング

軸支持用ベアリング： 駆動軸と被動軸は両端で適切なベアリングにより支持されます。軸を支持し正確な位置を維持する以外に、ベアリングは振動と荷重を受け止め、フレームを通じて地面に伝達します。典型的に転がり接触ベアリングがギヤユニットで採用されます（回転速度が非常に高い場合を除く）。転がり接触ベアリングには様々なタイプがあり、ラジアル荷重のみ、アキシアル荷重のみ、両方を扱えるものがあります。例えば、玉軸受、アンギュラ玉軸受、テーパーころ軸受はラジアルとスラスト両荷重を扱えます。したがってこれらはへリングボーンギヤユニットで採用可能です。一方、円筒ころ軸受は大きなラジアル荷重を扱えるため、へリングボーンギヤユニットで利用できます。

動力伝達能力

動力伝達能力： すべての機械駆動の基本機能は駆動軸から被動軸へ機械的動力を伝達することです。異なる駆動はサイズ、材料、他の特徴に基づき様々なレベルの伝達能力を提供します。はすば歯車の伝達能力は同類の平歯車より比較的高いですが、一般的に重負荷用途には使用されません。スラスト荷重とベアリングの可用性が重負荷用途での制限になります。へリングボーンギヤと二重はすば歯車がこうした分野での推奨選択です。例えば、へリングボーン遊星ギヤ列（HPGT）は石炭カッター、航空宇宙エンジン、風力タービンなどの重機械で観察できます。

ギヤ製造

ギヤ製造： 円筒ギヤブランクへのヘリックス歯切りは困難ではありません。しかし歯端にクリアランスが存在しない場合に問題が生じます。平歯車と同様、はすば歯車の歯もピニオン型ギヤシェイパーカッターで切れます。ホブ盤もはすば歯車の歯切りに使用可能。しかしへリングボーンギヤでは、左右半分間にリリーフギャップが存在しません。したがってこの接合部での歯切りは、もう一方の半分にオーバーステップするリスクがあるため非常に複雑です。へリングボーンギヤに合致する溝を持つ専用ホブカッターが必要。高度な位置決めと角度合わせも維持必須です。

はすば歯車とへリングボーンギヤの科学的比較をこの記事で提示しました。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).