歯車資料編：歯車の強度


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歯車資料編

この規格は、一般産業機械において動力伝達に使用される次の範囲の平歯車およびはすば歯車（やまば歯車および内歯車を含む）に適用します。

モジュール	m	1.5～25mm
ピッチ円直径	d 0	25～3200mm
周速度	v	25m/s以下
回転数	n	3600rpm以下

（1）基礎となる換算式
強さの計算において、基準ピッチ円上の円周力F t (kgf)、呼び動力P (kW)、および呼びトルクT (kgf・m)を求める計算に関係がある換算式を示します。

	（1.12）
	（1.13）
	（1.14）

ここに	v 0 ：	基準ピッチ上の周速度 (m/s) =
	d 0 ：	基準ピッチ円直径 (mm)
	n ：	回転数 (rpm)

（2）歯面強さ計算式
歯面強さを満足するには、基準ピッチ円上の呼び円周力F t が許容ヘルツ応力によって計算した基準ピッチ円上の許容円周力F t lim以下でなければなりません。

F t ≦F t lim

（1.15）

または、基準ピッチ円上の呼び円周力F t から求めたヘルツ応力σH が、許容ヘルツ応力σH lim以下でなければなりません。

σH ≦σH lim

（1.16）

基準ピッチ円上の呼び円周力F t lim (kgf)は次の式によって求めます。

（1.17）

ヘルツ応力σH (kgf/mm²)は次の式によって求めます。

（1.18）

式(1.17)、(1.18)において、＋符号は外歯車どうし、－符号は外歯車と内歯車のかみあいに用います。
ラックと外歯車のかみあいにおいては、

の項は1になります。

（3）各種係数などの求め方
（3）-1 歯面強さに対する有効歯幅b H (mm)
歯面強さに対する有効歯幅b H は、狭いほうの歯幅を採用します。
歯幅の両端で歯面を逃がした場合は、歯幅からそれに相当する歯幅寸法を差し引いたものの中で狭い方を有効歯幅とします。

丸ラックの歯幅
寸法表に記載されている、許容伝達力は、曲げ強さの場合、歯幅をb 1、歯面強さはb 2の寸法で計算しています。

ここで
h k＝歯末のたけ

h　＝全歯たけ

d　＝外径

（3）-2 領域係数Z H
領域係数Z H は次の式にて計算します。

（1.19）

ここに βg ＝ tan^-1 (tanβ0 cosαs )

JIS B 1701に規定されている圧力角αn =20°の並歯の歯形であれば、
転位係数x 1、x 2、歯数z 1、z 2、ねじれ角β0 をもとに、図1.2から求められます。

図1.2の±の符号について
＋符号は外歯車どうし、－符号は外歯車と内歯車がかみあうときに用います。

図1.2 領域係数ZH

（3）-3 材料定数係数ZM
材料定数係数ZM は次の式によって求めます。

	（1.20）

ここに ν：ポアソン比
E：縦弾性係数 (ヤング率)(kgf/mm²)

次に主要歯車材料の組み合わせについて材料定数係数ZM を表1.9に示します。

表1.9 材料定数係数ZM

歯　車				相手歯車				材料定数係数 ZM (kgf/mm²)^0.5
材料	記号	縦弾性係数 E kgf/mm²	ポアソン比 ν	材料	記号	縦弾性係数 E kgf/mm²	ポアソン比 ν	材料定数係数 ZM (kgf/mm²)^0.5
構造用鋼	*(1)	21000	0.3	構造用鋼	*(1)	21000	0.3	60.6
				鋳鋼	SC	20500		60.2
				球状黒鉛鋳鉄	FCD	17600		57.9
				ねずみ鋳鉄	FC	12000		51.7
鋳鋼	SC	20500		鋳鋼	SC	20500		59.9
				球状黒鉛鋳鉄	FCD	17600		57.6
				ねずみ鋳鉄	FC	12000		51.5
球状黒鉛鋳鉄	FCD	17600		球状黒鉛鋳鉄	FCD	17600		55.5
球状黒鉛鋳鉄	FCD	17600		ねずみ鋳鉄	FC	12000		50.0
ねずみ鋳鉄	FC	12000		ねずみ鋳鉄	FC	12000		45.8

注(1) * 構造用鋼はS～C、SNC、SNCM、SCr、SCM などです。

(3)-4 かみあい率係数Zε
かみあい率係数は次の式によって求めます。

	（1.21）
ここに εα ：正面かみあい率
εβ ：重なりかみあい率

(3)-5 歯面強さに対するねじれ角係数Zβ
歯面強さに対するねじれ角係数Zβは正確に規定することが困難ですので
1.0とします。

Zβ＝1.0

（1.22）

（3）-6 歯面強さに対する寿命係数KHL
歯面強さに対する寿命係数KHL は表1.10によって求めます。

表1.10 歯面強さに対する寿命係数KHL

繰返し回数	寿命係数
10,000以下	1.5
100,000前後	1.3
10⁶前後	1.15
10⁷以上	1.0

備考
1.	ここに繰返し回数とは寿命期間中にかみあう回数です。
2.	遊び歯車のように1回転に2回かみあうが、かみあい歯面が異なる場合は1回転につき1回と数えます。
3.	正逆転を交互またはこれに近い状態で繰返す場合は、両歯面のうちより大きい負荷をうける歯面の繰返し回数によります。

ただし、繰返し回数が不詳の場合はKHL＝1.0とします。

(3)-7 潤滑油係数Z L
潤滑油係数Z L は使用する潤滑油の50℃における動粘度(cSt)に基づいて、図1.3から求めます。

図1.3 潤滑油係数Z L

注．調質歯車には焼入焼戻し歯車及び焼ならし歯車を含みます。

(3)-8 粗さ係数Z R

粗さ係数Z R は歯面の平均粗さR maxm (μm)に基づいて、図1.4から求めます。
ここに平均粗さR maxm は、小歯車と大歯車のそれぞれの歯面粗さR max1とR max2及び中心距離 a (mm)から次式によって求めます。

（1.23）

図1.4 粗さ係数Z R

注．調質歯車には焼入焼戻し歯車及び焼ならし歯車を含みます。

(3)-9 潤滑速度係数Z V
潤滑速度係数Z V は基準ピッチ円上の周速度v (m/s)に基づいて、図1.5から求めます。

図1.5 潤滑速度係数Z V

注．調質歯車には焼入焼戻し歯車及び焼ならし歯車を含みます。

(3)-10 硬さ比係数Z W
硬さ比係数Z W は、焼入れ研削した小歯車とかみあう大歯車のみに適用し、次の式により求めます。

	（1.24）

ここに、HB2：大歯車の歯面のブリネル硬さ

ただし130≦HB2≦470

この条件に合わない場合は、Z W ＝1.0 とします。

(3)-11 歯面強さに対する寸法係数KHX
歯面強さに対する寸法係数KHX は、正確に規定する十分な資料に乏しいから1.0とします。

KHX ＝1.0

（1.25）

(3)-12 歯面強さに対する歯すじ荷重分布係数KHβ
歯面強さに対する歯すじ荷重分布係数KHβは次によって求めます。

負荷時の歯当たりが予測できない場合
歯車の支持方法と、歯幅b と小歯車の基準ピッチ円直径d 01との比b /d 01の値によって表1.11から求めます。

表1.11 歯面強さに対する歯すじ荷重分布係数KHβ

	歯車の支持方法
	両側支持			片持ち支持
	両軸受に対称	一方の軸受に近い、軸のこわさ大	一方の軸受に近い、軸のこわさ小	片持ち支持
0.2	1.0	1.0	1.1	1.2
0.4	1.0	1.1	1.3	1.45
0.6	1.05	1.2	1.5	1.65
0.8	1.1	1.3	1.7	1.85
1.0	1.2	1.45	1.85	2.0
1.2	1.3	1.6	2.0	2.15
1.4	1.4	1.8	2.1	－
1.6	1.5	2.05	2.2	－
1.8	1.8	－	－	－
2.0	2.1	－	－	－

備考
1.	b は平歯車及びはすば歯車では有効歯幅にとり、やまば歯車では実歯幅と中央部にある工具の逃げみぞの幅をふくめた歯幅方向の長さとします。
2.	無負荷のときの歯当たりは良好であること。
3.	遊び歯車や大歯車と2か所でかみあう小歯車(中間歯車)には適用できない。

負荷時の歯当たりが良好な場合
負荷時の歯当たりを確保できて、さらになじみ運転を行なった場合は、1.0～1.2にとることができます。

KHβ ＝1.0～1.2

（1.26）

(3)-13 動荷重係数KV
動荷重係数KV は歯車の精度及び基準ピッチ円上の周速度v 0によって表1.3から求めます。

(3)-14 過負荷係数KO
過負荷係数KO は式(1.11)又は表1.4から求めます。曲げ強さの計算の場合と同じです。

(3)-15 歯面損傷(ピッチング)に対する安全率SH
歯面損傷(ピッチング)に対する安全率SH は、内的及び外的の各種要因によって一定の値に決めることは困難ですが、少なくとも1.15以上であることが望ましい。

(3)-16 許容ヘルツ応力σH lim
歯車の許容ヘルツ応力σH lim を表 1.12～1.16に示します。表に示した硬さの中間値のものについては補間法で求めます。なお、歯面の硬さとはピッチ円付近の硬さをいいます。

表1.12 表面硬化しない歯車

表1.13 高周波焼入れ歯車

材　料		高周波焼入れ前の熱処理条件	歯面の硬さ Hv(焼入れ後)	σH lim kgf/mm²
構造用炭素鋼	S43C S48C	焼ならし	420	77
			440	80
			460	82
			480	85
			500	87
			520	90
			540	92
			560	93.5
			580	95
			600以上	96
		焼入焼もどし	500	96
			520	99
			540	101
			560	103
			580	105
			600	106.5
			620	107.5
			640	108.5
			660	109
			680以上	109.5
構造用合金鋼	SMn443 SCM435 SCM440 SNC836 SNCM439	焼入焼もどし	500	109
			520	112
			540	115
			560	117
			580	119
			600	121
			620	123
			640	124
			660	125
			680以上	126

表1.14 浸炭焼入れ歯車

材　料		有効浸炭深さ(1)	歯面の硬さ Hv	σH lim kgf/mm²
構造用炭素鋼	S15C S15CK	比較的浅い場合注(1)A	580	115
			600	117
			620	118
			640	119
			660	120
			680	120
			700	120
			720	119
			740	118
			760	117
			780	115
			800	113
構造用合金鋼	SCM415 SCM420 SNC420 SNC815 SNCM420	比較的浅い場合注(1)A	580	131
			600	134
			620	137
			640	138
			660	138
			680	138
			700	138
			720	137
			740	136
			760	134
			780	132
			800	130
		比較的　深い場合注(1)B以上	580	156
			600	160
			620	164
			640	166
			660	166
			680	166
			700	164
			720	161
			740	158
			760	154
			780	150
			800	146

注（1）	有効浸炭深さの比較的浅い場合とは下表のA程度の場合をいい、比較的深い場合とはB程度以上の場合をいう。有効浸炭深さはHV 513(HRC50)の硬さまでの深さとします。なお研削歯車においては研削後の深さとします。

モジュール		1.5	2	3	4	5	6	8	10	15	20	25
深さ(mm)	A	0.2	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.9	1.2	1.5	1.8
深さ(mm)	B	0.3	0.3	0.5	0.7	0.8	0.9	1.1	1.4	2.0	2.5	3.4

備考
とくに大歯数どうしのかみあいにおいては、歯面の面圧による歯内部の最大せん断応力の発生点が深く、浸炭効果が及ばぬこともあるので、このような場合は、安全率SH を普通より大きめにとるように注意する。

表1.15　窒化歯車⁽¹⁾

材　料		歯面硬さ（参考）	σH lim kgf/mm²
窒化鋼	SACM645など	HV 650以上	一般の場合	120
窒化鋼	SACM645など	HV 650以上	特に長時間窒化処理した場合	130～140

注⁽¹⁾	歯面強さ向上のための適切な窒化深さと表面硬さをもつ歯車に適用します。歯面硬さが上記の参考値より著しく低い場合や、歯内部の最大せん断応力の発生点が窒化深さに比較して著しく深い場合には、安全率SH を普通より大きめにとるように注意する。

表1.16　軟窒化歯車⁽¹⁾

材料	窒化時間 (h)	σH lim kgf/mm²
		相対曲率半径(mm)⁽²⁾
		10以下	10～20	20以上
構造用炭素鋼及び合金鋼	2	100	90	80
	4	110	100	90
	6	120	110	100

	注⁽¹⁾ 塩浴軟窒化及びガス軟窒化歯車に適用します。
	注⁽²⁾ 相対曲率半径は図1.6を用いて求めます。
	備考心部は適切に調質された歯車材とします。

図1.6 相対曲率半径

（4）計算例

平歯車諸元

番号	項目	記号	単位	小歯車	大歯車
1	歯直角モジュール	m n	mm	2
2	歯直角圧力角	αn	度	20°
3	ねじれ角	β0	度	0°
4	歯数	z		20	40
5	中心距離	a x	mm	60
6	転位係数	x		+0.15	-0.15
7	ピッチ円直径	d 0	mm	40.000	80.000
8	かみあいピッチ円直径	d b		40.000	80.000
9	歯幅	b		20	20
10	精度			JIS 5	JIS 5
11	仕上げ			ホブ仕上げ
12	歯面粗さ			12.5S

13	回転数	n	rpm	1500	750
14	周速度	v	m/s	3.142
15	負荷の方向			一方向のみ
16	かみあい回数		回	10⁷回以上

17	材料			SCM415
18	熱処理			浸炭焼入れ
19	表面硬さ			HV600-640
20	心部硬さ			HB260-280
21	有効浸炭深さ		mm	0.3-0.5

平歯車の歯面強さ

番号	項目	記号	単位	小歯車	大歯車
1	許容ヘルツ応力	σH lim	kgf/mm²	164
2	小歯車のピッチ円直径	d 01	mm	40
3	有効歯幅	bH	mm	20
4	歯数比(z 2 /z 1)	i		2
5	領域係数	ZH		2.495
6	材料定数係数	ZM	(kgf/mm²)^0.5	60.6
7	かみあい率係数	Zε		1.0
8	ねじれ角係数	Zβ		1.0
9	寿命係数	KHL		1.0
10	潤滑油係数	ZL		1.0
11	粗さ係数	ZR		0.90
12	潤滑速度係数	ZV		0.97
13	硬さ比係数	ZW		1.0
14	寸法係数	KHX		1.0
15	荷重分布係数	KHβ		1.025
16	動荷重係数	KV		1.4
17	過負荷係数	K 0		1.0
18	安全率	SH		1.15
19	基準ピッチ円上の許容円周力	F t lim	kgf	251.9	251.9

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