ラックアンドピニオン
ラックアンドピニオンは、直線状の歯条（ラック）と円形の小歯車（ピニオン）がかみ合い、回転運動と直線運動を高効率に相互変換する機構である。伝達効率が高く、バックラッシ管理と直進精度の設計が容易で、工作機械の直動軸、産業用アクチュエータ、自動車のステアリング装置などで広く用いられる。ラックはインボリュート直歯が基本で、ピニオンはモジュールm、歯数z、圧力角20°が一般的である。必要ストロークをピニオン周長で刻む単純な幾何に基づくため、スクリュー機構に比べ高速度域や長尺軸で優位性がある。
原理と構造
ピニオンのピッチ円が1回転すると直線移動量は周長に等しく、送り量S＝π・m・zで与えられる。ラック側は「歯数無限大の歯車」に相当し、歯面は直線である。ヘリカル化したヘリカルラック（ねじれ角β）を用いると歯当たりが長くなり接触比が向上する一方、ピニオンに軸推力が生じるためスラスト軸受が必要となる。プリロードはヨークやバネ、くさび片などで与え、微小反転時のガタを抑える。
主要寸法と計算
- 基礎式：ピニオンのピッチ円直径 d＝m・z、送り量 S＝π・m・z。
- 周方向力 Ft＝2T/d（T：ピニオン軸トルク）。直線推力 F＝Ft とみなせる。
- 曲げ強度（ルイス式近似）：Ft≦σF・b・m・Y（b：歯幅、Y：歯形係数）。
- 面圧はHertz接触で確認し、潤滑条件と歯面硬度から許容値を選定する。
- バックラッシ j は一般に j＝k・m（kは用途に応じ0.02～0.10程度）を目安に設定する。
特徴（長所・短所）
- 長所：高効率（約97～99%）、長ストロークに強い、構造が簡潔、保全容易、剛性確保がしやすい。
- 短所：微小送りの等速性はボールねじに劣る場合がある、騒音対策が必要、精密用途では基準面の真直・平行度管理が厳しい。
材質・熱処理と製造
ラック材はS45CやSCM系が多く、歯面は高周波焼入れや浸炭焼入れでHRC58前後を狙う。高精度品は歯面研削で仕上げ、ピッチ誤差・真直度をμmオーダで管理する。歯切りはラックカッタ加工、シェーピング、ホブによる成形が用いられる。歯車一般の設計事項は歯車に準ずる。
据付と保守
ラックは定盤やベースにボルト締結し直線基準に合わせる。連結継ぎ目はピッチ整合と段差ゼロを目標に研削端面で突き合わせ、シムや偏心ピンでバックラッシを微調整する。ピニオン軸受はラジアル＋スラストの組合せで、ヘリカル使用時の軸推力に耐える設計とする。潤滑はグリース（NLGI1～2、基油ISO VG150～460）または飛沫・集中給油を選択し、異物侵入を避けるカバーやベローズを付す。締結部は適正締付トルクでボルトの緩みを防止する。
自動車ステアリングへの応用
乗用車のステアリング装置では、ピニオン軸の回転がラックを左右に動かし、タイロッドを介してナックルを操舵する。油圧式や電動パワーステアリングでは、ヨークのプリロードとラックブッシュで直進時の手応えと振動減衰を両立させる。ギヤ比はピニオン歯数・ラック歯ピッチで定まり、操舵角・舵角ゲイン・フィードバック特性を総合設計する。
標準規格と用語
基準はJIS B 1702（精度等級）や関連歯車用語規格、ISOの歯車精度規格が参考となる。圧力角20°が標準、モジュールはm（mm）表記、バックラッシは熱膨張や荷重変形を含め機能公差内に収める。検査ではピッチ誤差、総合誤差、歯面粗さ、真直度、ラックとピニオンの中心距離偏差などを管理する。
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