ラック（ギヤ）アンドピニオン

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ラックアンドピニオンとは？

ラックアンドピニオン（rack and pinion）とは、ラックと呼ばれる円筒歯車の直径が無限大となった板状又は棒状の歯車と、ピニオンと呼ばれる小歯車（円筒歯車）を組み合わせたものです。
ラックアンドピニオンを用いることで、回転運動を直線運動へ、又は直線運動を回転運動へ、変換させることが可能となります。また、歯車を歯車軸の配置により分類した場合、ラックアンドピニオンは平歯車や内歯車と同じく「平行軸」（動力伝達効率98.0-99.5%）に分類されます。
なお、JISにおいてラックは「一つの面に一連の同じ形状の歯を等間隔にもつ，平らな板又はまっすぐな棒」と定義されています。
ラックアンドピニオンは搬送装置、工作機械、印刷機械、ロボット、自動車のステアリング機構など、幅広い産業分野で用いられています。

ラックアンドピニオンの種類

まずラックギヤの種類につき概略を記します。
他の種類の歯車同様、ラックギヤにも歯すじの形状やそのねじれ方向、精度、硬度、材料、長さなどにより様々なバリエーションが存在します。

歯すじの形状による分類

ラックギヤを歯すじの形状により分類する場合、すぐばラックギヤとはすばラックギヤ（ヘリカルラックギヤ）に分類できます。

いずれも歯すじ自体は直線ですが、すぐばラックギヤには

製作しやすい

はすばラックギヤには

強度があり、静粛性に優れ、高速度での使用に適している
スラストが発生する為、対策が必要となる

という特徴があります。

なお、ラックギヤとピニオンをかみ合わせて使用するには、それぞれの歯のピッチが同一である必要があります。
また、はすばラックギヤのピニオンとしては、必ずはすば歯車を用いる必要があり、その場合、両者の歯は同一のねじれ角、逆のねじれ方向である必要があります。

精度による分類

ラックギヤの精度は、ピッチ誤差、歯の研磨の有無、焼入れの有無などにより変化します。

また、ラックギヤの曲がり量、全長の寸法許容差などもラックギヤの精度を決める重要な要素となります。

但し、JISにおいてはラックギヤそのものの精度等級は定められていません。

その為、小原歯車工業では自社独自のラックギヤ精度等級で管理しています。

材料による分類

ラックギヤに用いられる材料として代表的なものは、S45C等の機械構造用炭素鋼、SCM415やSCM440等のクロムモリブデン合金鋼、SUS304等のステンレススチール、ポリアセタール、MC901（エンジニアリングプラスチック）、C3604等の真鍮、です。また、必要に応じ、各々の材料の性質に合わせた適切な方法で熱処理が行われます。

ラックギヤの長さについて

ラックギヤは、その両端面に合わせ加工を施すことで、連結し、延長して使用することが可能となります。その場合、連結されたラックギヤの全長に制限はありませんが、個々のラックギヤ単体の長さについては、2,000mm程度までのものが多く使用されています。

ラックギヤとかみ合わされるピニオンには、平歯車やはすば歯車などの一般的な円筒歯車が用いられます。
平歯車に関しては、平歯車の解説ページもご参照下さい。

ラックアンドピニオンの選定方法

他種の歯車と概ね同様に、ラックアンドピニオンの選定においても、歯車が許容すべき負荷、求められる静粛性、必要な長さ、使用環境の温度や湿度などを考慮する必要があります。
また、その潤滑方法も事前に考慮すべき重要な要素となっています。

直動機構としての、ボールねじとの比較

直動システムを構築する際によく用いられるラックアンドピニオンとボールねじには、主に以下のような優位点・欠点があります。

ラックアンドピニオンの優位点と欠点

優位点

ラックギヤ同士を連結して使用できるので直動システム構築時、長さの制限を受けない
ラックギヤ及びピニオンの歯の大きさ（モジュール）を変更することで、大きな荷重にも対応することが可能
材料、研磨の有無、焼入れの有無、形状等を変更することで、用途に合った設計が行いやすい

欠点

歯車の性質上、バックラッシを避けることができない

ボールねじの優位点と欠点