歯車強度計算サイト・ソフト10選|無料・有料ツールを徹底比較

歯車の強度設計では、曲げ強さと歯面強さの正確な計算が不可欠です。本記事では、JIS規格に準拠した歯車強度計算が可能なサイトとソフトを10種類厳選し、無料・有料別に特徴を解説します。平歯車やはすば歯車の応力計算、ピッチング評価まで対応したツールを、設計者のレベルや用途に応じて比較。動力伝達機構の強度設計を効率化するための最適なツール選びをサポートします。

歯車強度計算の基礎知識と重要性

歯車強度設計における曲げ強さと歯面強さ

歯車の強度設計では、曲げ強さと歯面強さの2つの評価が不可欠です。曲げ強さは歯の歯元断面に生じる曲げ応力に対する強度を示し、歯車が動力伝達時に受ける集中荷重による破損を防ぐための指標となります。一方、歯面強さは歯面同士の接触により生じる面圧に対する強度を表し、ピッチングなどの歯面損傷を防止するために評価されます。設計者は両方の強さを計算し、より小さい値を基準に安全率を設定することで、歯車の信頼性を確保します。平歯車やはすば歯車など歯車の種類によって計算式は異なりますが、いずれの場合にも材料の縦弾性係数、硬さ、寿命係数などの係数を用いた精密な強度計算が求められます。

JIS規格に基づく歯車の強度計算方法

日本国内の歯車強度計算は、JIS B 1701-2やJIS B 1702-1などのJIS規格に準拠した計算式を使用することが標準となっています。これらの規格では、歯車の曲げ強さ計算において歯幅、モジュール、圧力角といった形状パラメータと、材料力学に基づく応力集中係数や形状係数を組み合わせた計算式が定められています。歯面強さの計算では、ヘルツの接触応力理論を基礎とし、歯車の中心距離、歯数、周速度などの条件から歯面に生じる最大応力を算出します。JIS規格に従うことで、設計者は国内の機械設計基準と整合性のある強度評価が可能となり、繰返し回数や使用環境に応じた寿命予測も実施できます。規格で示された計算手順と係数の数値を正確に用いることが、信頼性の高い歯車設計の基本となります。

動力伝達における応力と安全率の考え方

歯車による動力伝達では、歯に作用する荷重により歯元断面に曲げ応力が、歯面には接触応力が発生します。これらの応力は周速度や伝達トルクに比例して増大するため、設計段階で適切な安全率を設定し材料の許容応力を超えないよう強度計算を実施することが重要です。安全率は通常1.2から2.0程度の値が採用されますが、使用条件や支持方法、小歯車と大歯車の組み合わせによって変動します。また、軸のねじり変形や歯車本体の変形も考慮に入れ、実際の運転状態における応力分布を予測する必要があります。材料の選定では引張強さや硬さだけでなく、疲労強度や表面硬化処理の有無も強度設計に影響を与えるため、総合的な材料の特性評価と計算結果の妥当性検証が設計者には求められます。

歯車強度計算サイト・ソフト10選

KISSsoft

歯車（平歯車、かさ歯車、ウォーム、ハイポイドなど多数）からシャフト・ベアリング・ネジ・バネ・伝動系まで広範囲対応。ISO, DIN, AGMA, VDI など国際規格に準拠した強度計算、寿命、荷重分布、最適化設計、詳細レポート出力まで可能。

GCSW for Web

Webブラウザ上で使える歯車設計・計算ソフト。平歯車、かさ歯車、内歯車、ねじ歯車、ウォームギヤなどに対応。寸法計算、歯厚・転位、強度（曲げ／歯面強さ）、バックラッシ、かみあいチェックなどが可能。無料（登録制）で、日本の歯車設計に便利。

MESYS

円筒歯車ペアの幾何形状・強度計算（ISO 6336準拠）を単独またはシャフト系と統合して実行可能。軸系の強度・天然振動数まで含めた伝動系全体の設計検討ができる。

Power‑Gear

AGMA標準（2001）を拡張した強度評価機能。スパー／ヘリカル歯車（内歯車／外歯車）に対応し、EHD フィルム厚、接触応力、歯かみ合い動態など高度な解析が可能。ギア設計でパワー容量評価や詳細なかみ合い挙動を知りたい場合に有用。

GearExpert

外歯車／内歯車／ウォーム／かさ歯・プラネタリなど幅広いギア列をサポート。ギアボックス設計の支援や最適化、CADへの歯形出力も可能。オープンまたは低コストで試せる点がメリット。

EXCEL‑LENT™ Gear/Gearbox Design Software

歯車およびギアボックス設計支援ソフト。最適設計パラメータの自動決定や、設計時間の大幅削減が見込める。過去、多くのエンジニアリング時間を省力化した実績あり。

Worm_Calc

ウォーム減速機・ウォームギヤ設計に特化した強度計算ソフト。BSS／AGMA規格に準拠し、熱定格、バックラッシ、歯筋クラウニング、軸受け／軸強度など含む総合強度評価が可能。温度依存や実用機構設計を考慮する用途に適合。

Gear‑Guru Soft

入力パラメータ（出力トルク、回転数、伝達比、サービスファクターなど）を入れるだけで、最適なギア設計案を自動生成。複雑なモジュール、歯幅、ヘリックス角などを自動計算してくれるので、設計初期や概略検討に便利。

CADTOOL メカニカル – 歯車モジュール

平歯車の歯数、強度計算から、歯形（インボリュート）、インターフェアチェック、自動作図まで対応。簡易な歯車設計・検討に有用で、比較的軽量・短時間で結果が得られる。

オンライン 歯車ジェネレーター＆アニメーションシミュレーター

インボリュート平歯車の生成および、複数ギアのかみあいや伝動比、回転速度のシミュレーションが可能。設計前の概略検討や、動きの可視化をしたいときに便利。無償でアクセス可能。

歯車強度計算ツールの選び方

対応規格と計算式の網羅性で選ぶ

歯車の強度計算を行う際は、JIS規格やISO規格に準拠した計算式を搭載しているツールを選ぶことが設計者にとって不可欠です。曲げ強さと歯面強さの両方を評価できる計算式が用意されているか、平歯車だけでなくはすば歯車やかさ歯車にも対応しているかを確認しましょう。規格に基づく係数の設定が自動化されているツールであれば、計算結果の信頼性が高まり、強度設計の精度向上につながります。特に動力伝達用の歯車設計では、応力の計算における係数の正確性が製品寿命に直結するため、規格準拠は選定の第一条件となります。

平歯車・はすば歯車など歯車の種類別対応

歯車強度計算ツールは、対応する歯車の種類によって使い分けが必要です。平歯車の曲げ強さを求める計算式と、はすば歯車における歯面強さの計算式では、用いる係数や断面形状の考え方が異なります。設計対象となる歯車の形状や歯幅、圧力角などのパラメータを正確に入力できるインターフェースを持つツールを選びましょう。また、小歯車と大歯車の組み合わせにおける荷重分配や、歯の接触状態を考慮した応力解析が可能なツールであれば、より実務的な強度評価が実現します。

計算結果の出力形式と設計業務への活用

計算結果の出力形式は、設計業務の効率化において重要な選定ポイントです。曲げ強さと歯面強さの数値だけでなく、安全率や寿命係数、材料の硬さに応じた評価結果がレポート形式で出力されるツールが理想的です。さらに、計算過程で用いた係数や条件を一覧表示できる機能があれば、設計根拠の説明資料としても活用できます。CADソフトとの連携機能や、計算結果をCSV形式でエクスポートできる機能を持つツールは、機械設計の現場において業務効率を大幅に向上させることができます。

無料ツールと有料ソフトの使い分け

無料サイトのメリットと制約条件

無料の歯車強度計算サイトは、基本的な平歯車の曲げ強さや歯面強さを簡易的に求める用途に適しています。インストール不要でブラウザ上で計算できるため、外出先や初期検討段階での概算に便利です。ただし、無料ツールには計算できる歯車の種類が限定される、複雑な係数設定に対応していない、計算結果の保存機能がないといった制約条件があります。また、JIS規格の最新版に対応していない場合や、歯面のピッチングリスクを評価する高度な計算式が搭載されていないケースもあるため、用途を見極めた上で使用することが重要です。

有料ソフトが必要になる設計場面

有料の歯車強度計算ソフトは、高精度な強度設計が求められる場面で必要となります。具体的には、動力伝達における応力集中の詳細解析、複数の荷重条件下での繰返し回数を考慮した寿命評価、材料の縦弾性係数や硬さのばらつきを含めた確率論的な強度計算などです。有料ソフトでは、歯車の断面形状や歯幅方向の応力分布を可視化する機能、軸の支持方法による影響を考慮した計算機能など、実際の使用状態に近い条件でのシミュレーションが可能です。また、計算結果を設計根拠資料として体系的に管理できる機能も、品質保証の観点から重要な価値となります。

初心者から上級設計者まで用途別の推奨ツール

設計者のスキルレベルと業務内容に応じて、適切なツールを選択することが効率的です。機械設計の初心者や学生には、基本的な計算式と係数の関係を理解しながら学べる、入力項目が明確な無料ツールが適しています。一方、実務経験のある設計者には、歯車の種類や材料特性に応じた詳細な係数設定ができ、計算根拠を明確に記録できる有料ソフトが推奨されます。上級設計者や研究開発部門では、FEM解析との連携機能を持つ専門ソフトや、独自の材料データベースを構築できるカスタマイズ性の高いツールが有用です。用途と予算のバランスを考慮し、段階的にツールをステップアップしていく戦略も有効でしょう。

歯車強度計算における注意点とトラブル対策

ピッチングや損傷リスクを考慮した強度評価

歯車の歯面強さを評価する際には、ピッチングと呼ばれる表面疲労による損傷リスクを十分に考慮する必要があります。歯面に繰返し荷重が作用することで、歯面に微小なクラックが発生し、最終的には材料の剥離を引き起こします。歯面強さの計算では面圧と材料の硬さ、繰返し回数を用いて寿命係数を算出し、安全率が適切な値となるよう設計することが重要です。特に動力伝達用の平歯車では、周速度が高い場合には歯面の損傷が進行しやすく、応力集中が発生する歯元部分と合わせて総合的な強度評価が求められます。

係数設定ミスによる計算エラーの防止方法

歯車強度計算において、係数の設定ミスは計算結果に大きな影響を及ぼします。曲げ強さの計算式では歯幅や断面係数、荷重分配係数など複数の係数を用いますが、これらの数値を誤って入力すると、実際の強度を過大評価または過小評価する危険性があります。JIS規格に基づく計算では、歯車の形状係数zmや寸法係数、応力修正係数といった各係数を正確に設定し、計算式に則って段階的に値を算出することで、エラーを防止できます。特に縦弾性係数や圧力角などの基本条件を誤ると、後続の計算すべてに影響するため、設計者は入力値の妥当性を必ず確認する必要があります。

材料の硬さと寿命係数の関係

歯車に使用される材料の硬さは、歯面強さと曲げ強さの両方に直接影響を与える重要な要素です。材料力学の観点から、硬さが高い材料ほど歯面の耐ピッチング性が向上し、許容される面圧の値が大きくなります。一方で、寿命係数は繰返し回数と材料特性の関係から算出され、長期間の動力伝達において歯車がどの程度の荷重に耐えられるかを示します。設計段階では材料の硬さに応じた寿命係数を適切に選定し、実際の使用条件や支持方法、軸の配置などを総合的に考慮して、安全率を確保した強度設計を行うことが不可欠です。特に小歯車では応力が集中しやすいため、材料選定と係数設定には細心の注意が求められます。

FAQ(よくある質問)

歯車強度計算で最も重要な係数は何ですか

歯車の強度計算において最も重要な係数は、使用目的によって異なりますが、曲げ強さの評価では形状係数zmと応力修正係数、歯面強さの評価ではゾーン係数と弾性係数が特に重要です。これらの係数は歯車の断面形状や材料の特性、荷重の状態を数値化したもので、計算式に直接影響します。JIS規格では各係数の算出方法が詳細に規定されており、設計者はこれらの値を正確に求めることで、信頼性の高い強度設計が可能になります。また、寿命係数や安全率も長期使用における信頼性を左右するため、用途や繰返し回数に応じて適切な数値を設定することが求められます。

曲げ強さと歯面強さはどちらを優先すべきですか

曲げ強さと歯面強さは、歯車の損傷形態が異なるため両方を評価する必要がありますが、一般的には使用条件によって優先度が変わります。高速回転や高荷重の動力伝達では、歯面のピッチングによる損傷リスクが高まるため歯面強さの確保が優先されます。一方、衝撃荷重が作用する場合や歯幅が小さい歯車では、歯元での曲げ破壊が発生しやすいため曲げ強さが重視されます。設計実務では、両方の強さに対して十分な安全率を確保し、計算結果を比較しながら総合的に判断することが重要です。平歯車の場合には、歯面と歯元の応力分布を考慮し、いずれの損傷モードに対しても安全側の設計とすることが推奨されます。

無料ツールでJIS規格に準拠した計算は可能ですか

無料の歯車強度計算サイトやソフトの中には、JIS規格に準拠した計算式を実装しているものも存在します。ただし、無料ツールでは対応する歯車の種類や計算項目に制約がある場合が多く、複雑な形状や特殊な条件下での強度評価には限界があります。基本的な平歯車の曲げ強さや歯面強さの計算であれば、JIS B 1701やB 1702-1,2に基づく計算が可能なツールもあります。一方、有料ソフトでは係数の自動算出機能や、多様な材料データベース、詳細な計算結果の出力機能が充実しており、設計業務の効率化と精度向上が期待できます。初期検討段階では無料ツールを活用し、詳細設計や品質保証が必要な場合には有料ソフトを使用するといった使い分けが実務では一般的です。

歯車強度計算で使用される「tm」とは何ですか?

tmは歯車の歯たけ（tooth height）を表す記号で、歯の高さ寸法を示します。強度計算では歯元の断面係数や応力集中を評価する際に重要なパラメータとなり、モジュールとの関係式を用いて算出されます。

歯車図面に記載される「pcr」の意味は?

pcrはピッチ円半径（pitch circle radius）を表し、歯車の基準となる円の半径をmm単位で示します。中心距離の計算や歯面強さの評価に必須の数値で、モジュールと歯数から算出できます。

強度計算で「以下の条件」とはどんな項目ですか?

一般的には材料の機械的性質、歯車諸元（モジュール、歯数、歯幅）、運転条件（回転数、伝達動力）、支持方法などを指します。これらの条件を明確にすることで、次の計算ステップへ進むことができます。

歯車強度計算に参考文献は必要ですか?

はい、JIS B 1701やAGMA規格などの参考文献は計算式の根拠となります。特に係数の選定や安全率の設定には信頼性の高い文献を参照することで、設計の妥当性を客観的に示すことができます。

歯車の各部名称を覚える必要はありますか?

歯先、歯元、歯面、ピッチ円などの基本名称は強度計算で頻繁に使用されます。計算ソフトでも各部の名称が入力項目として表示されるため、正確な理解が設計ミスの防止につながります。

「次の計算式を用いる」とはどういう意味ですか?

強度計算は段階的に進めるため、前の計算結果を次のステップで使用します。例えば接線力を先に求め、その値を用いて曲げ応力を算出するといった流れで、計算の順序が重要です。

歯幅の長さはどのように決定しますか?

歯幅は歯車の強度と剛性に直接影響します。一般的にはモジュールの8〜12倍程度を目安とし、軸の長さや支持方法、必要な歯面強さから適切な値を設定します。単位はmm表記が標準です。

計算結果で確認すべき数値の単位は?

応力はN/mm²またはMPa、寸法はmm、回転数はmin⁻¹（rpm）が一般的です。計算ソフトでは単位系を統一しないとエラーになるため、入力時に各数値の単位を確認することが重要です。