遊星ギア完全マスター：設計・3Dプリント・高トルクギアボックスのテスト
遊星ギアセットの仕組みと設計法、3Dプリント製作、バックラッシュ・トルク実測までを解説します。
動画でもご覧いただけます。
遊星ギアセットはコンパクトに高トルク・高効率を実現する独自のギア機構。産業機械、農業、医療、風力、ロボット、自動変速機など幅広く採用されています。
遊星ギアの仕組み
4つの主要構成要素：
- 太陽ギア（センター、通常入力）
- 遊星ギア（3個以上、太陽ギア周りを公転）
- 内歯車（リングギア、遊星ギアの軌道を規定）
- キャリア（遊星ギアを連結、公転運動を中心軸出力に変換。通常出力）
太陽ギア入力・リングギア固定でキャリア出力：5倍減速（5:1）。逆も可能。固定要素と入力要素を変えると多様な伝達比が得られ、自動変速機で活用されています（例：キャリア固定で太陽入力→リング出力は-4:1、太陽固定でリング入力→キャリア出力は5:4）。
遊星ギア伝達比の計算
歯数で決定。最高減速比は太陽入力・リング固定・キャリア出力：
i = 1 + Z_ring / Z_sun
これが最も一般的な遊星ギアボックス用途（産業機械、ロボットサーボ等）。
3Dプリント遊星ギアボックス（16:1、NEMA17対応）
Onshapeで設計（スポンサー）。クラウドネイティブCAD/PDM、リアルタイム共同編集、ブラウザ動作、無料版あり。詳細は こちら。
設計
目標減速比約15:1（整数）→ 2段構成必要。単段は通常3:1〜10:1。2段なら積算で高減速比可能。各段4:1で総合16:1。式よりリング歯数＝太陽歯数×3。太陽15歯、リング45歯で4:1達成。
設計ルール
- リング歯数 = 太陽歯数 + 2×遊星歯数（太陽と2遊星がリング内に収まる幾何条件）
- (太陽歯数 + リング歯数) ÷ 遊星数 ＝ 整数（遊星等間隔配置条件。不均等だと太陽ギアに偏荷重→振動・負荷偏り）
歯数選定の工夫
太陽15、リング45だと遊星も15歯。同一歯数だと毎回同じ歯同士が噛み合い偏摩耗。互いに素（コプライム）な歯数にすれば全歯と順番に噛み合い均一摩耗。今回は簡略化で未適用（次回課題）。
モジュール選定
小型化のため最小モジュールを選択。1.5を採用。これ未満だと歯形精度不足で効率低下懸念（詳細テストは別機会）。
ギアボックス3Dモデリング
Onshape FeatureScript「Spur Gear」で秒速生成。モジュール1.5、太陽・遊星15歯。ヘリカル選択（ヘリックス角・方向指定）。噛み合うギアは逆ヘリックス必須。面取り・センターボア指定可。「プロファイルオフセット」でバックラッシュ（0.1mm）付与。3Dプリント外形拡大対策。
内歯車（リングギア）は通常ギア生成→所望径円筒を押し出し→ブール演算で差集合→内歯車化。片面面取りでサポートレスプリント対応。2段目はコピー・ブール和で一体化。キャリア・入力軸も同手法。手持ちの部品（φ6軸22mm、ブッシング等）に合わせ設計。キャリアは軸両支持でやや大型だが高性能。
動作原理：モーター→入力軸（第1段太陽）→遊星ギア→第1段キャリア（4倍減速）→第2段太陽（第1段キャリア共用）→第2段遊星→第2段キャリア（最終出力、16倍減速）。トルクは16倍増大。
3Dモデル・STLダウンロード
3Dプリント
寸法精度にはスライサーの「水平展開」と「穴水平展開」が最重要。デフォルトだと外形・穴とも小さくなる。水平展開+0.02mm、穴展開+0.04mmで調整。テストプリントで最適値決定を。
遊星ギアボックス組み立て
色分けプリントで視認性向上：入力軸金、第1段キャリア橙、遊星ギア白、第2段キャリア・出力青、リングギア/ハウジング灰。全てPLA。
部品表
- φ6mmスチールロッド L=22mm ×6 Amazon/AliExpress
- φ8mmブッシング L=10mm ×6 Amazon/AliExpress
- ボールベアリング 25×37×7mm (6805) ×2 Amazon/AliExpress
- ボールベアリング 17×26×5mm (6803) ×2 Amazon/AliExpress
- ボールベアリング 12×21×5mm (6802) ×2 Amazon/AliExpress
- M3インサートナット ×適量 Amazon/AliExpress
- M3ボルト・ナット Amazon/AliExpress
キャリアは2分割→インサート挿入→ボルト連結。遊星ギア軸にブッシング（遊星厚9mm、ブッシング10mmで両側0.5mm突出）→M6ワッシャー挟み込み→プラスチック直接接触回避。理想はスラスト対応ベアリングだが手持ち部品優先。
3遊星ギア装着→キャリアもう半分被せボルト固定。入力軸（太陽）挿入→ハウジング（リング）にはめ込み。キャリアは入力の1/4回転。
第2段も同様組立→ハウジング挿入で全体動作確認。出力は入力の1/16回転。
キャリア分解→太陽軸支持ベアリング圧入（遊星ギア間通せず分解必要）。ハウジングにインサート追加（カバー固定用）。ギア部にグリス塗布。噛み合い良好、手回しでバックラッシュほぼゼロ感。出力軸ベアリング・フロントカバー・バックカバー（入力側ベアリング内蔵）をボルト固定。完成。クリーンなデザイン。
NEMA17ステッパー取り付け
専用マウントプレートをモーターに先付け。入力軸にグリューブネジ穴。モーター軸挿入→マウントプレートをギアボックスに4本M3ボルト固定。グリューブネジ締め付けで完了。出力は入力の1/16、滑らか。
テスト
バックラッシュ
繰り返し精度驚異的：10cm先で0.01mm未満。負荷掛けると変位あり。片側1.2mm、クランプ位置変えると0.6mm/方向。
アーク分換算のため、公称トルク1-2%負荷で測定。トルクテスト最大約20N（10cm）→ 公称約200Ncm。1.5N負荷（10cm）で片側0.3mm、逆側0.2mm変位。角度約0.3° → 約18アーク分。測定法ご存知の方はコメントでご教示を。
トルク
最大約20N（10cm）＝約200Ncm。モーター単体約28Ncmの約7-8倍。減速比16:1の理想16倍に対し約50%効率。摩擦大（ギア嵌合タイト）が原因だが、そのおかげでバックラッシュ極小。バックラッシュ増やせば効率向上だがトレードオフ。ブッシング使用も効率低下要因（ボールベアリングなら改善見込み）。
計測器：フォースメーター Amazon/AliExpress、デジタルダイヤルインジケーター Amazon/AliExpress
結論
3Dプリント遊星ギアボックスとして優秀な結果。今後、サイクロイドドライブ・ハーモニックドライブとの比較動画を予定。過去の経験を活かし更なる高性能化・詳細テストを目指します。
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産業技術