ウォーム減速機｜直交軸で大減速比を実現する減速機

ウォーム減速機

ウォーム減速機とは、ねじ状の歯車であるウォーム（ウォーム軸）と、これに噛み合うウォームホイールを組み合わせたウォームギヤ機構を内蔵する減速装置である。入力軸と出力軸が直交して配置され、1段の噛み合いで1/10から1/60、特殊仕様では1/120程度までの高い減速比を得られる。歯車を多段に重ねる平行軸式の減速機に比べて構造が単純で、同等の減速比をはるかに小さな筐体で実現できるのが最大の特長である。出力軸側から入力軸側を回せないセルフロック性（自己保持性）を備える場合が多く、巻上機や昇降装置の逆転防止機構としても機能する。モータと一体化したウォームギヤードモータの形態でも広く流通しており、コンベヤ、攪拌機、立体駐車場、舞台装置など産業の各所で使用されている。

減速の原理とセルフロック性

ウォームが1回転すると、ウォームホイールはウォームの条数分の歯だけ送られる。減速比はウォームホイールの歯数をウォームの条数で割った値で決まり、例えば1条ウォームと歯数60のホイールを組み合わせれば、それだけで1/60が成立する。平歯車列で同じ比を得ようとすれば3段前後の噛み合いが必要になるから、この点だけでも省スペース性は際立っている。動力伝達は歯面同士の転がりではなく滑り接触が主体である。滑りが大きいため伝達効率は40〜90％程度と幅があり、進み角が小さいほど効率は低下する。進み角がおおむね4°以下になると摩擦角を下回り、出力側からウォームを回すことができなくなる。これがセルフロックと呼ばれる現象で、停電時にエレベータや巻上機の荷が自然落下しない理由でもある。ただし振動が加わる環境ではロックが外れることがあるため、安全設計上はブレーキとの併用が原則とされる。なお、ウォームギヤはかさ歯車やハイポイドギヤと同じく軸が平行でない歯車対に属し、JIS B 0102では食い違い軸間で噛み合う歯車対として定義されている。

構造と主要部品

ハウジング内部には、焼入れ研磨した鋼製ウォームと、りん青銅（CAC502）やアルミニウム青銅を用いたウォームホイールが直交配置で組み込まれる。硬い鋼と軟らかい銅合金という異種金属の組み合わせは、滑り接触での焼付きを避けるための定石である。両軸はボールベアリングや円すいころ軸受で支持され、ウォーム軸には噛み合い反力による大きなスラスト荷重が作用するため、軸方向荷重を受けられる軸受配置が採られる。潤滑は油浴式が一般的で、滑り接触に耐える極圧性を持つウォームギヤ油（ISO粘度グレードVG320からVG460程度）が封入される。ホイールが銅合金であることから、硫黄系極圧剤の腐食性には注意を要し、ギヤ油の選定を誤ると歯面の変色や異常摩耗を招く。出力軸は中実軸のほか、相手機械の軸に直接はめ込む中空軸タイプがあり、後者はカップリングが不要になるぶん据付寸法をさらに詰められる。

他の減速機との比較

減速機には平行軸式、遊星式、直交軸式などの方式があり、ウォーム減速機は直交軸式の代表である。方式ごとの性格の違いは選定の出発点になるため、主要な項目を整理すると次のようになる。

効率だけを見ればウォーム式は明らかに不利である。それでも選ばれ続けるのは、1段で大減速・直角配置・静粛性・逆転防止という複数の要求を単体で満たせるからにほかならない。自動車のトランスミッションのように効率が燃費へ直結する用途では敬遠される一方、間欠運転の搬送設備では効率損失より購入コストの低さと保守の容易さが優先されることが多い。実務的には、同枠番の平行軸ギヤモータよりウォーム式のほうが安価で入手性も良いため、稼働率の低い装置ではあえてウォーム式を選ぶという判断が定着している。

用途

駆動源には三相の誘導電動機を組み合わせるのが最も一般的で、0.1kWクラスの小形から数十kWの大形まで系列化されている。滑り接触ゆえに噛み合い音が小さく、劇場の舞台装置や病院・オフィスビルの搬送設備など騒音制限のある場所で重宝される。セルフロック性を生かした用途としてはエレベータ、リフト、ウインチ、バルブアクチュエータが代表的である。ウォームホイールの銅合金は衝撃を吸収しやすく、破砕機のように衝撃負荷が繰り返される機械にも適する。ほかにも食品機械、攪拌機、回転棚、遊戯機械など、大きなトルクを低速で必要とする装置全般に採用例がある。

選定時の着眼点

選定では出力トルク（N・m）と入力容量（kW）の確認が基本だが、ウォーム式特有の項目として熱定格がある。摩擦損失がすべて熱になるため、連続運転では機械的強度より温度上昇が容量を制限する場合があり、周囲温度40℃を超える環境では1ランク大きい枠番を選ぶといった配慮が必要になる。モータのローター慣性と負荷慣性の比、起動頻度も発熱に効くため、1時間あたりの起動回数が多い用途ではメーカーのサービスファクタ表に従って補正する。

運用と保守の注意点

ウォーム減速機は使い始めの管理が寿命を左右する。歯面が滑りでなじむまで発熱が大きいため、定格トルクの1/4、1/2、3/4と段階的に負荷を上げながら各8時間程度のなじみ運転を行うのが望ましいとされる。なじみ運転の完了後、運転開始から約50時間で初回の潤滑油交換を行い、以後は年1回程度を目安に交換する。この初回交換を省くと、なじみ期間に出た銅合金の摩耗粉が油中に残り、歯面やオイルシールを傷める原因になる。日常点検では油面、油の変色、ハウジング表面温度、異音を確認する。ホイール歯面の摩耗はバックラッシの増大として現れるため、位置決め精度が問われる装置では定期的な測定が欠かせない。セルフロックを安全機能として当てにしすぎない、という点も現場では繰り返し強調される。効率の良い多条ウォームや振動の多い設備ではロックが保証されないため、保持が必要な用途には必ずブレーキ付モータを組み合わせるべきである。