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- 機械設計法
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- 歯車
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- 12 / 14
- 内容
- シミュレータ・例題3問
同じ歯車で、5倍にも逆回りにもなる遊星歯車
太陽歯車 20歯から入れ、内歯車 80歯を止め、キャリアから出すと、減速比は 1 + 80/20 = 5(4 ではない)。同じ歯車でも、太陽を止めると 1.25、キャリアを止めると −4(逆回り)。遊星を等間隔に入れるには (太陽+内歯車) ÷ 遊星の数 が整数で、100 ÷ 4 = 25 なら入り、3個は入らない。

まず触ってみる
数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。
このページの内容
この単元のポイント
- 太陽歯車から入れ、内歯車を止め、腕(キャリア)から出すと、減速比は 。太陽 20歯・内歯車 80歯なら 5:1(4:1 ではない)。
- 同じ歯車でも、止める部材を変えると比が変わる。太陽を止めると 1.25、キャリアを止めると −4(逆回り)。
- 歯数には2つの決まりがある。内歯車=太陽+遊星×2(80 = 20 + 2 × 30)。遊星を等間隔に入れるには、(太陽+内歯車) ÷ 遊星の数 が整数(100 ÷ 4 = 25 は入る、100 ÷ 3 は入らない)。
電動ドライバは、どうして小さなモータでねじを締められる?
充電式の電動ドライバの中には、親指ほどの太さのモータが入っています。このモータは、とても速く回りますが、回す力(トルク)は小さい。そのままでは、木にねじをねじ込めません。
モータとビット(先の金具)の間には、筒の形の減速機が入っています。中には、まん中の歯車のまわりを、いくつかの歯車がめぐる仕掛けがあります。遊星歯車です。
歯数比とトルク で見たふつうの歯車列は、軸が横に並びます。遊星歯車は、入れる軸と出す軸が一直線にそろいます。筒の中に収めるのに、ちょうどよい形です。
まん中の歯車を 20歯、外を囲む輪の歯車を 80歯とします。外の輪を止めて、まん中の歯車を回します。
予想してから読む同じ歯車で、止めるものを替えます。太陽歯車を止めて内歯車を回すと、腕(キャリア)の回転は内歯車の何分の1?
遊星歯車の4つの部品
上の図は、遊星歯車を正面から見たところです。部品は4つあります。
| 部品 | どこにあるか | この単元の歯数 |
|---|---|---|
| 太陽歯車 | まん中 | |
| 遊星歯車 | 太陽のまわり。太陽と内歯車の両方とかみ合う | 、4個 |
| 内歯車 | 外側の輪。歯が内側を向く | |
| キャリア(腕) | 遊星の軸を持ち、まん中の軸のまわりを回る | — |
遊星歯車は、自分の軸のまわりに回りながら(自転)、太陽のまわりをめぐります(公転)。公転させているのが、キャリアです。
太陽・内歯車・キャリアの3つは、どれもまん中の軸のまわりを回れます。このうち1つを止め、1つから入れ、残りの1つから出すのが、遊星歯車の使い方です。
1つ止めると、動きが決まる
太陽・内歯車・キャリアのうち、2つの回り方を決めると、残りの1つが決まります。1つを決めただけでは決まりません。機構の自由度 の言葉でいえば、遊星歯車は自由度 2 です。
そこで、1つを止めます。止めた部材の回転は 0 に決まるので、残りは自由度 1。入れた側を回せば、出す側の回り方が1つに決まります。
止めるのは、内歯車でも、太陽でも、キャリアでもかまいません。どれを止めるかで、減速比が変わります。
腕に乗って数える
内歯車を止め、太陽から入れて、キャリアから出すときの減速比を、2つの動きの足し算で出します。
動き A:全体を一緒に回す。歯車どうしをのりで貼り付けたように、太陽・内歯車・キャリアを、まとめて +1 回まわします。歯はかみ合ったまま動かないので、どれも +1 回です。
動き B:キャリアを止めて、内歯車を −1 回まわす。キャリアが止まっていれば、遊星は自分の軸で回るだけで、ふつうの歯車列(内歯車 → 遊星 → 太陽)です。内歯車が 80歯ぶん戻ると、太陽は 80歯ぶん進みます。20歯の太陽にとっては 回です。内歯車と太陽は、遊星をはさむので反対の向きに回ります。
| 太陽歯車 | 内歯車 | キャリア | |
|---|---|---|---|
| 動き A(全体を +1 回) | +1 | +1 | +1 |
| 動き B(キャリアを止めて、内歯車を −1 回) | +4 | −1 | 0 |
| 足し算(A + B) | +5 | 0 | +1 |
足し算の行では、内歯車は 0 回です。止めた内歯車と同じです。そのとき、太陽が 5回まわる間に、キャリアは 1回まわります。
80 ÷ 20 = 4 ではありません。キャリアに乗って見ると 4倍の歯車列で、そこにキャリアごと回る分の 1 が足されます。
てんびん:キャリアは5倍のトルクで回る
歯数比とトルク のてんびんの決まりは、遊星歯車でも同じです。損失がなければ、入れた仕事と出た仕事は同じです。
てんびん(この科目を通す決まり)
摩擦がなければ、入れた仕事=出た仕事。回転を遅くした側には、大きなトルクが出る。
止めた内歯車は動かないので、仕事をしません。太陽に 1 N·m を入れると、キャリアは 5 N·m で回ります。
止めた内歯車は、仕事はしませんが、力は受けています。3つの部材のトルクを足すと 0 になるので、内歯車を止めている箱は、 のトルクを支えています。箱の取り付けも、このトルクに耐えるように作ります。
止める部材を変えると
同じ足し算で、残りの2つの止め方も出せます。
| 止める | 入れる → 出す | 減速比 | 20歯・80歯では |
|---|---|---|---|
| 内歯車 | 太陽 → キャリア | 5 | |
| 太陽 | 内歯車 → キャリア | 1.25 | |
| キャリア | 太陽 → 内歯車 | −4(逆回り) |
太陽を止めると、同じ歯車なのに 1.25 にしかなりません。キャリアを止めると、遊星はただの「中継ぎの歯車」になり、内歯車は逆向きに回ります。
自動車の自動変速機(AT)は、遊星歯車をいくつか組み合わせ、どの部材を止めるか・どれとどれをつなぐかを、ブレーキとクラッチで切り替えます。歯車をかみ替えずに、速さの段を変えられます。
歯数の2つの決まり
遊星歯車の歯数は、自由には選べません。
決まり1:内歯車=太陽+遊星×2
遊星は、太陽と内歯車の間に、ちょうどはさまります。歯の大きさ(モジュール)が同じなら、直径は歯数に比例します。内歯車の直径は、太陽の直径に、遊星の直径を2つ足したものです。
決まり2:(太陽+内歯車) ÷ 遊星の数 が整数
遊星は、太陽の歯と内歯車の歯の両方に、ぴったりかみ合う所にしか入りません。1個目を入れた所から、キャリアを回して次の遊星を入れる位置を探すと、入れられる位置は おきにしかありません。20歯と80歯なら、 おきです。
4個を等間隔に入れるには、90° おきに置きます。 で、ちょうど入れられる位置です。
3個なら 120° おきですが、 で、入れられる位置からずれます。等間隔には入りません。
盤で遊星の数を 3 にすると、遊星は 0°・118.8°・241.2° の、かみ合う位置に置かれます。等間隔でないと、遊星の重さと、歯にかかる力の分かれ方が片寄ります。
遊星を増やしすぎると、隣どうしの歯先がぶつかります。20歯と30歯では、隣の遊星の中心の間は、4個なら 35.4 mm、5個なら 29.4 mm です(モジュール 1 mm のとき)。遊星の外径は 32 mm なので、5個は入りません。
公式を、2つのかたまりに分けて読む
- キャリアごと回る分 1 足し算の表の「動き A」です。歯車がかみ合ったまま、全体が一緒に回る分。
- 腕から見た歯車列 「動き B」です。キャリアを止めて見た、ふつうの歯車列の比。遊星の歯数 は、中継ぎなので消えます。
内歯車が太陽より大きいほど、減速比は大きくなります。ただ、比を大きくしようとして太陽を小さくしすぎると、太陽の歯の根元がえぐれます(歯数比とトルク の切り下げ)。大きな比は、段を重ねて作ります。
どの数字がいちばん効く?
太陽 20歯・遊星 30歯(内歯車 80歯)・内歯車を止める、から、それぞれを変えたとき、出力のトルクがどう変わるかを並べます。
| 変えるもの | 減速比 | 出力のトルク | 理由 |
|---|---|---|---|
| 太陽を約10%多く(22歯。内歯車 80 のまま、遊星 29歯) | 4.64 | −7.3% | が小さくなる |
| 内歯車を10%多く(88歯。遊星 34歯) | 5.4 | +8% | が大きくなる |
| 入力のトルクを10%大きく | 5 | +10% | 比は変わらない |
| 止める部材を太陽に変える | 1.25 | −75% | 式そのものが変わる |
太陽を 22歯にした行は、比を見るための計算です。(22 + 80) ÷ 4 = 25.5 で整数にならないので、この歯数では、遊星4個を等間隔に入れられません(決まり2)。
いちばん効くのは、どの部材を止めるかです。歯数を10%変えても、比は 7〜8% しか変わりません。1 が足されているので、歯数の比の変化が薄まるからです。
電動ドライバに戻る
電動ドライバの減速機には、遊星歯車が2段、3段と重ねて入っています。1段目のキャリアが、2段目の太陽を回します。歯数比とトルク と同じく、比は掛け算です。
数を仮に決めて、足りるかを確かめます。モータのトルクは 0.2 N·m、木ねじを締め込むのに 3 N·m 要るとします。各段は 20歯と80歯(5:1)です。
| 段の数 | 減速比 | 出せるトルク | 3 N·m に |
|---|---|---|---|
| 1段 | 5 | 1.0 N·m | 足りない |
| 2段 | 5 × 5 = 25 | 5.0 N·m | 足りる(1.67倍) |
2段なら足ります。その代わり、ビットの回転はモータの 1/25 です。
つまり、ものを作るときは
遊星歯車は、入れる軸と出す軸が一直線にそろい、細い筒に収まります。トルクを数個の遊星で分けて伝えるので、同じトルクなら、ふつうの歯車列より小さくできます。電動ドライバ・ロボットの関節・自動車の変速機に使われるのは、このためです。
歯数は、内歯車=太陽+遊星×2 と (太陽+内歯車) ÷ 遊星の数 が整数 の両方を満たすように選びます。そのうえで、要る減速比(要るトルク ÷ モータのトルク)に届くかを確かめ、届かなければ段を重ねます。止めた部材を支える箱にも、出力と入力のトルクの差がかかります。
動かしてみよう
太陽歯車・内歯車・キャリアのうち、朱が入れる部材、青が出す部材、灰が止めた部材です。初めは、内歯車を止め、太陽から入れて、キャリアから出します。黒い点を見ると、何回まわったかが追えます。
「止め方」のボタンで、内歯車・太陽・キャリアの順に止める部材を替えて、同じ歯車で比がどう変わるかを見てください。遊星の数を変えると、等間隔に入るかどうかが、図と、いちばん下の欄に出ます。
「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、残した図の線が、波形に薄く重なります。
試してみよう0 / 3
- 「太陽を止める」にして、出せるトルクのものさしを見る(内歯車から入れる。ほかは初期値)(まだ)
- 「キャリアを止める」にして、内歯車の回る向きを見る(太陽から入れて内歯車から出す)(まだ)
- 「内歯車を止める」に戻し、遊星の数 n を 3 にして、遊星の並び方を見る(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 出力のトルク
- 減速比(入力 ÷ 出力。負は逆回り)
- 内歯車の歯数
- 出力の回転数
途中の計算(導出)を見る
内歯車の歯数(太陽と内歯車の間に、遊星が1枚はさまる)
内歯車を止め、太陽から入れてキャリアから出す
出力の回転数(入力を減速比で割る。負は逆回り)
出力のトルク(入力のトルクに減速比をかける。てんびん)
負荷に要るトルクと比べる(大きさで比べる)
よくある勘違い
「減速比は、内歯車 ÷ 太陽 = 4」
それは、キャリアを止めたときの大きさです(向きは逆)。内歯車を止めてキャリアから出すときは、キャリアごと回る分の 1 が足されて 5 です。
| 止める | 減速比 | 20歯・80歯では |
|---|---|---|
| キャリア | −4 | |
| 内歯車 | 5 |
「遊星の歯数も、減速比に効く」
効きません。遊星は、太陽と内歯車の間の中継ぎです。ただし、遊星の歯数で内歯車の歯数が決まる()ので、その分だけ間接に効きます。
「止めた歯車には、力がかからない」
かかります。止めた内歯車は、仕事はしませんが、出力と入力のトルクの差を支えます。1 N·m を入れて 5 N·m を出すなら、内歯車には 4 N·m がかかります。
この公式が使える条件
- 歯は滑らない。摩擦・軸受の損失を考えない(実物では、出せるトルクは計算より少し小さい)
- 一定の速さで回っているとき
- 太陽・遊星・内歯車は、同じ歯の大きさ(モジュール)の標準の歯車(決まり1が、そのまま成り立つ)
- 3つの部材のうち、1つを止め、1つから入れ、1つから出す
- 遊星が力を等しく分け合うかどうかは、作りの精度による(この単元では扱わない)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
ウィリスの式:太陽・内歯車・キャリアの角速度を ・・ とします。キャリアに乗って見ると、太陽は 、内歯車は で回る、ふつうの歯車列です。太陽 → 遊星 → 内歯車 の比は (遊星は中継ぎで消え、向きは逆)なので、
内歯車を止める()と、。 でまとめて、
太陽を止める()と、。キャリアを止める()と、 です。
トルクのつり合い:止まっている(一定の速さで回る)遊星歯車では、外から3つの部材にかかるトルクの和が 0 です。。仕事の決まり と合わせると、内歯車を止めたとき、キャリアの出すトルクは太陽に入れたトルクの 倍、内歯車が支えるトルクは 倍です。
等間隔の条件:1個目の遊星をキャリアの角度 0 に置くと、太陽の歯と内歯車の歯の両方にかみ合うのは、キャリアの角度 で が整数のときです。太陽の歯の並びは 枚で1周、内歯車は 枚で1周ですが、遊星から見ると、太陽は逆向き、内歯車は同じ向きに歯が流れるので、2つが足し合わさります。 を入れると、 が整数、が条件です。
例題
例題1 歯数を確かめて、減速比を出す
太陽歯車 24歯、遊星歯車 18歯の遊星歯車を作ります。歯の大きさはすべて同じです。内歯車を止め、太陽から 2 N·m を入れて、キャリアから出します。損失は考えません。
(1) 内歯車は何歯ですか。(2) 減速比と、キャリアのトルクはいくらですか。(3) 遊星を 3個・4個・5個のうち、等間隔に入れられるのはどれですか(隣どうしの歯先がぶつからないかも確かめる。モジュールは 1 mm として、遊星の外径は 歯数 + 2 mm)。
ヒント 1 / 2
内歯車=太陽+遊星×2。減速比は です。
ヒント 2 / 2
等間隔の条件は、(太陽+内歯車) ÷ 遊星の数 が整数です。 を割ってみます。
答えと解き方を見る
内歯車の歯数(太陽と内歯車の間に、遊星が1枚はさまる)
内歯車を止め、太陽から入れてキャリアから出す
出力の回転数(入力を減速比で割る。負は逆回り)
出力のトルク(入力のトルクに減速比をかける。てんびん)
負荷に要るトルクと比べる(大きさで比べる)
4個のとき、隣の遊星の中心の間は mm で、遊星の外径 20 mm より大きいので、ぶつかりません。
5個は、等間隔の条件を満たしません。
例題2 電動ドライバの2段の減速機
電動ドライバの減速機に、同じ遊星歯車を2段重ねます。各段は、太陽 18歯・遊星 27歯・遊星 3個で、内歯車を止め、1段目のキャリアが2段目の太陽を回します。モータのトルクは 0.15 N·m、ねじを締めるのに 3 N·m 要ります(数は仮に決めたもの)。損失は考えません。
(1) 1段の減速比はいくらですか。遊星3個は等間隔に入りますか。(2) 2段の減速比と、ビットのトルクはいくらですか。(3) 3 N·m に足りますか。1段だけならどうですか。
ヒント 1 / 2
1段の減速比は 。2段なら、各段の比を掛けます。
ヒント 2 / 2
なので、1段は です。
答えと解き方を見る
内歯車の歯数(太陽と内歯車の間に、遊星が1枚はさまる)
内歯車を止め、太陽から入れてキャリアから出す
出力の回転数(入力を減速比で割る。負は逆回り)
出力のトルク(入力のトルクに減速比をかける。てんびん)
負荷に要るトルクと比べる(大きさで比べる)
2段の余裕は 3.75 ÷ 3 = 1.25倍です。実物では、かみ合いの損失のぶん、少し小さくなります。
その代わり、ビットの回転はモータの 1/25 です。
例題3 止める部材を変える
太陽 30歯・遊星 15歯の遊星歯車に、1 N·m を入れます。損失は考えません。
(1) 内歯車を止め、太陽から入れてキャリアから出すときの減速比と、出力のトルクはいくらですか。そのとき、内歯車を止めている箱は何 N·m を支えますか。(2) 太陽を止め、内歯車から入れてキャリアから出すときはどうですか。(3) キャリアを止め、太陽から入れて内歯車から出すときはどうですか。
ヒント 1 / 2
まず内歯車の歯数を出します()。
ヒント 2 / 2
止め方ごとの式:内歯車を止める 、太陽を止める 、キャリアを止める 。
答えと解き方を見る
同じ歯車でも、止める部材で比は 3・1.5・−2 と変わります。
止めた部材は、出力と入力のトルクの差を支えます。(1) では 3 − 1 = 2 N·m です。