チェーン駆動とギヤ駆動の包括的比較

機械とは、予め定められた方法で特定の任務を遂行するためにエネルギーを消費する機構の集合体と定義できます。機械の大半の機能は、原動機によって供給される機械的動力を利用して遂行されます。原動機はエネルギーの一形式を機械的エネルギー（回転トルクの形）に変換できます。最初の典型例は電動機で、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換します。同様に蒸気タービン、水力タービン、風車なども特定のケース、特に重負荷用途で原動機として機能します。こうした原動機は通常機械ユニットから離れた場所にあるため、機械へ動力を伝達する別の手段が必要です。

機械的動力伝達システムがこの目的を果たします。原動機から運動、トルク、動力を取り出し、機械ユニットの意図された場所へ伝達します。伝達以外にも、回転方向の変更や速度変更により機械での正確な要件を満たせます。機械的動力伝達システムは4つの基本駆動で構成されます──ギヤ駆動、チェーン駆動、ベルト駆動、ロープ駆動。容易で途切れない動力伝達のため、ブレーキ、クラッチ、軸、スプライン、キー、カップリングなどの他の機械要素も助けを借ります。4つの機械駆動それぞれが他に対する特定の利点を提供し、特定の用途に適しています。

摩擦駆動（ベルト駆動とロープ駆動）とは対照的に、チェーン駆動とギヤ駆動の両方は噛み合い型機械駆動です。動力が連続的な噛み合いと離脱により伝達されるからです。チェーン駆動では、無端チェーンが駆動軸と被動軸のスプロケットを通過し、システムに柔軟性を導入します。短〜中距離動力伝達に採用可能。滑りからは自由ですが、多角形効果により一定速度比の提供は制限されます。ギヤ駆動は、中間の弾性要素が存在しないため剛性駆動の一種です。短距離動力伝達に好適で、正転駆動として機能します。チェーン駆動とギヤ駆動の様々な違いを以下の表形式で示します。

表：チェーン駆動とギヤ駆動の違い

チェーン駆動	ギヤ駆動
チェーン駆動では、中間要素（チェーン）が駆動軸と被動軸のスプロケットを接続します。	ギヤ駆動にはそんな中間要素は存在しません。駆動軸と被動軸のギヤが直接噛み合います。
柔軟なチェーンの存在により柔軟駆動の一種です。	弾性リンクが存在しないため剛性駆動の一種です。
振動を減衰させ、駆動ユニットを故障から保護できます。	システムを振動から保護できません。
チェーン駆動は短〜中中心距離での動力・運動伝達に適しています。	ギヤ駆動は短距離動力・運動伝達に好適です。
チェーン駆動は非平行軸には使用できません。	特定のギヤ駆動（ベベルギヤ、ウォームギヤなど）は非平行軸専用です。
チェーン駆動では駆動軸と被動軸が同方向に回転します。	ギヤ駆動では駆動軸と被動軸が逆方向に回転します。
チェーン駆動は真の正転駆動ではありません。滑りはないが、多角形効果により速度比がわずかに変動する可能性があります。	ギヤ駆動は正転駆動を提供し、速度比は一定です。
チェーン駆動は非常に高い減速比には適しません。	ギヤ駆動は小〜高減速比に有利に使用可能です。
定期的な潤滑は必要だが、完全潤滑は不要です。	ギヤ駆動は滑らかな運転と長寿命のため完全潤滑が必要です。

中間要素の存在と柔軟性

中間要素の存在と柔軟性： 機械駆動は中間リンクの有無に基づいて分類できます。柔軟駆動とは、駆動軸と被動軸の間に柔軟な中間リンクが存在するものです。ベルト駆動、チェーン駆動、ロープ駆動は、ベルト、チェーン、ロープがそれぞれ二軸間の中間リンクとして存在するため柔軟駆動の例です。こうしたリンクは駆動ユニットに柔軟性を導入し、長距離動力伝達に利用可能です。一方、そんな中間リンクが存在しない場合、その機械駆動は剛性駆動と呼ばれます。ギヤ駆動は剛性駆動の例で、二つの剛性ギヤが歯を通じて直接接触します。二つのギヤ間に中間要素は不要で、直接噛み合います。

振動減衰

振動減衰： すべての柔軟駆動の利点の一つは振動減衰能力です。通常原動機などの駆動ユニットは限定的で許容可能な振動を生成しますが、機械ユニットが望ましくない過剰な振動を生成する場合があります。衝撃・ショック荷重、アンバランス力、緩い継手、動的部品、破損・損傷部品が機械ユニットでの振動の主な発生源です。こうした高振幅振動が原動機に伝達されると、深刻な損傷を引き起こす可能性があります。すべての柔軟駆動では、中間の柔軟要素が固有的に振動を減衰させます。剛性駆動では中間リンクがないため、機械ユニットの振動が原動機に伝達されます。したがってチェーン駆動は駆動ユニットを分離できますが、ギヤ駆動は過剰な望ましくない振動から保護できません。

好適な動力伝達距離

好適な動力伝達距離： すべての機械駆動の基本目的は駆動軸から被動軸へ運動と動力を伝達することです。駆動軸と被動軸の距離は、ショップフロアレイアウト、スペース可用性、安全問題など複数の要因により変動します。各機械駆動は一定範囲の軸距離に適しています。チェーン駆動は小〜中中心距離、典型的に単段で1〜5mで採用可能。アイドルサポートを追加利用すればより長い軸距離でも採用可能。一方、ギヤ駆動は小中心距離、典型的に1m未満が好適。それ以上だと巨大ギヤが必要で、スペースを消費しシステム重量を増大させます。アイドル中間ギヤを利用すればより長距離伝達も可能ですが、システム重量と動力損失が増大し効率が低下します。

非平行軸間の動力伝達

非平行軸間の動力伝達： 駆動軸と被動軸は様々な配置を取り得ます。(i) 平行、(ii) 交差、または (iii) 非平行だが非交差。適切な機械駆動はこの相対配置に基づいて選択されます。3つの柔軟駆動（ベルト、チェーン、ロープ）はすべて平行軸のみに適しています。クォーターターンベルトは垂直軸に採用可能ですが、多くの制限により実用ではめったに使用されません。チェーン駆動は平行軸間でのみ動力伝達可能。一方、ギヤ駆動は駆動軸と被動軸のあらゆる配置に採用可能です。様々なギヤタイプが存在し、それぞれ特定の配置に適しています。例えば、平歯車とはすば歯車は平行軸好適、ベベルギヤは交差軸好適、ウォームギヤは垂直非交差軸好適です。

回転方向

回転方向： 機械駆動のもう一つの要件は、要件に応じて回転方向を変更することです。機械では、必要な回転方向が原動機と同方向または逆方向の場合があります。単段チェーン駆動は被動軸を駆動軸と同方向に回転させます。複数軸の回転が必要なら、チェーン駆動で両方向の回転を提供可能。一方、単段ギヤは被動軸を駆動軸と逆方向にのみ回転させます。同方向回転を得るには中間ギヤが必要です。

正転駆動

正転駆動： 運転中に一定速度比を提供できる機械駆動を正転駆動と呼びます。この一定速度は多くの用途で維持必須です。例えば、旋盤のねじ切り、自動ねじ締めなど。摩擦駆動は固有のスリップにより一定速度比を提供できません。チェーン駆動は滑りから自由ですが、多角形効果により速度比がわずかに変動する可能性があります。したがって正転駆動とは見なされません。ギヤ駆動が正転駆動の唯一の例です。

達成可能な減速比

達成可能な減速比： 通常原動機は機械ユニットで意図されるより遥かに高速で回転します。これにより回転速度のステップダウンが必要で、すべての機械駆動で可能です。しかし各駆動には減速能力の限界があります。チェーン駆動は単段で1:1〜1:5の減速比を提供可能。一方、ギヤ駆動は幅広い減速比、典型的に1:1〜1:100を提供可能。平歯車とベベルギヤは小減速好適、はすば歯車は中減速、ウォームギヤは急峻な減速好適です。

潤滑

潤滑： 噛み合い駆動であるため、二つの固体が直接接触し、発熱と摩耗がチェーンとギヤ駆動両方で共通の問題です。適切な潤滑油の使用でこうした望ましくない影響を緩和できます。チェーン駆動は頻繁な潤滑を必要とします。一方、ほとんどのギヤ駆動は完全潤滑を必要とし、ギヤユニットが潤滑油に部分的または完全に浸されます。

チェーン駆動とギヤ駆動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).