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. <RCT Tips>ギヤ比あれこれ ふぇら〜り伊藤 12/22日01:22[208]選択


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. <RCT Tips>ギヤ比あれこれ返信  
ギヤ比の話題は、RCTのBBSでも過去に何度となく断片的にですが
取り上げられてきたテーマのひとつです。
記憶に新しく、かなり熱く議論されたスレッドとしては、
「フリートークの部屋」でこんなのがありましたね。
http://www.rct.jp/cgi/bbs/free/raib.cgi?lg=x&md=tv&pn=245&ln=101

ただ、これまで、「そもそもギヤ比とは?」みたいなごく基本的な
事項については、「超初心者のためのラジコン入門講座」さんなどの
提携サイト、さらにはタミヤのRCガイドブックといった本もあるので
わざわざRCTで取り扱うこともないだろうと後回しにしていました。

実際、つい先般も確かRCワールド誌02年12月号で
わざわざ2ページくらい紙面を割いて取り上げられていましたし、
そもそも、そのような雑誌を立ち読みでもいいから隅から隅まで熱心に
読むような人なら理解している基本的な知識でしょう。

とはいえ、RC雑誌を置いている本屋が近くにない方も
いらっしゃるでしょうし、タミヤRCガイドブックの入手が難しい方も
いらっしゃると思います。また、ツーリングカーのように複雑な構造の
マシンが増え、ギヤ比の算出方法をことさら難しく感じられる方も
いらっしゃるようなので、重い腰をあげて一度まとめることにしました。
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<前提知識>
ピニオンはモーターにつけるギヤ、
スパーはピニオンと直接接するギヤ
さらにその先に2次、3次の減速として付くのは
一般にカウンターギヤと言います。
最後に来るのがファイナルギヤですが、ここには通常、
左右の回転差を吸収する差動装置(デファレンシャル機構)が付いているので
一般には「デフギヤ」と呼ぶことが多いです。

<Contents>
(1)ギヤ比って何よ?
(2)何でそんなことが問題になるのよ?
(3)ギヤ比はどうやって調整する?
(4)ギヤ比はどうやって計算する?
(5)タイヤ径にも要注意!
(6)「指数」って何よ?
(7)ギヤ比とマシン性能との関係
(8)最適ギヤ比の問題
(9)モジュールって?
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(1)ギヤ比って何よ?
そもそも、RCの世界で言っている「ギヤ比」というのは
モーターの回転数とタイヤの回転数の「落差」です。
もっと正確に言えば、
「タイヤが1回転するのにモーターが何回転回らなければならないか」
という比率のことを指しています。

(2)何でそんなことが問題になるのよ?
モーターというのは、直接タイヤにつなげてしまうと、
起動時のモーターが回転しようとする力(トルク)(注1)が不十分で、
加速が大変遅くなったり、ものすごく発熱して、
実用的な走行ができません。
そこで、減速機構を用いて回転数を下げる代わりに
得られるトルクを増強し、
加速力の改善とモーター効率アップを実現しています。
ですから、ギヤ比を適切に設定することが、モーター本来の性能を
フルに発揮するために必要なのです。

(注1)こういうのをなんとなく「パワー」と言ってしまいがちですが、
  専門用語としての「パワー(出力)」というのはトルクとは
  まったく別の概念です。出力はトルクに回転数を加味した指標で、 
  この2つの値の積(掛け算)で得られます。
  通常、モーターの最大トルクは起動時(回転数ゼロ時)
  ですが、最大出力はゼロ回転と無負荷時回転数(いわゆる空回し)
  の真ん中より、ちょっとゼロ回転寄りのあたりで得られます。
  詳しいことが知りたければ、「モーター研究室」を読みましょう。
http://www.rct.jp/contents/lab/motor/

(3)ギヤ比はどうやって調整する?
通常は、モーターについている脱着式のギヤ(ピニオンギヤと言います)
を交換し、歯数を変えることで減速比を変更します。
ただ、シャシーによっては、ピニオンの回転を受ける側の大きいギヤ
(スパーギヤと言います)も歯数を交換・変更できる場合があります。

ところで、TA-04やTB系のように、数種のスパーギヤがある場合、
異なるスパー&ピニオンの組み合わせでほぼ同じギヤ比が
実現できる場合があります。
タミヤGPで使用ギヤが指定されているときは素直に従うしかありませんが、
練習のときはあまり関係ないので、余ったスパーを活用するのに
異なるスパー&ピニオンの組み合わせを利用、というのもアリかも知れません。
この「経済性」というのは練習時には重要なポイントですよね。
例えばTB-01/Evo1/Evo2だと、04モジュールのスパーは88Tだと
1枚しか入ってないのに、72Tだと2枚入りでお得です。
同じギヤ比なら72Tで練習したほうがコストは抑えられます。

また、もっと積極的に組み合わせの違いを利用しようと思ったら、
例えばTA-04では少しでも回転物の高さを下げるために小さいほうの
スパーを使うとか、
TB-01ならモーターの反動トルクを小さくするために、
やはり小さいほうのスパーを使うとか、というアイデアは
上級者なら当然のように実践しています。

なお、TB-Evo3の場合は、逆に反動トルクを積極的に利用するために
モーターを外側に寄せるため、大きいスパー(96T)を使って
好感触を得ている方々がいらっしゃるようです。
ただし、この効果はモータートルクの大きさやコーナー半径によります。
積むモーターが540なのか、23Tなのか、モディファイドモーターなのか、
走るコースが狭いのか広いのか。
基本的に、モーターを外側へ追いやる、というのは、
重量物を重心に寄せるというレースカー設計の基本から逸脱する話ですから、
基本的にはナンセンス極まりないアイデアです。
それでも、「それで結果、タイムアップするならいいじゃん」
というだけの話で、必ず速くなるとは限りません。
あくまでもケースバイケースであり、
安易に追従すると逆効果になるリスクがあることに注意しましょう。

(4)ギヤ比はどうやって計算する?
「どのくらい減速されるか?」という計算値ですから、
大きいギヤ(タイヤに近いほうのギヤ)の歯数を
小さいギヤ(モーターに近いほうのギヤ)の歯数で割ればよいのです。
スパーの歯数が100枚、ピニオンが25枚だったら

100/25=4.00 というわけです。これを1次減速比といいます。

3個以上のギヤなら、接触しあっている2個1組のギヤ比をそれぞれ
あらかじめ算出して、それらを掛け合わせればよいのです。
もし、上記の100Tスパーに、30Tの2次減速ギヤが一体成型されて
いて、その30Tギヤが例えば45Tのファイナルギヤと噛み合っている
という場合には、この30Tと45Tの減速比は

45/30=1.50 なわけですから (これを2次減速比といいます)

トータルの減速比(最終減速比)は、1次減速と2次減速を掛け合わせて

4.00×1.50=6.00 ということになります。

念のため書き添えておきますが、
2次減速以降のギヤの歯数は、通常はいちいち数えないと分かりません!
私も面倒くさくて、つい最近まで数えたことありませんでしたが・・・。
知りたかったら自分で数えること!

ただし、もう知ってる人は積極的に教えてください。
それが全体として「ムダを省く」ことにつながりますので。
そんなコト出し惜しみしてどうする!

(5)タイヤ径にも要注意!
ギヤの先にはタイヤがつながっています。
タイヤはファイナルギヤと同じ回転数で回るので、
通常は減速比の計算に含める要素にはなりませんが、
これはあくまでも、「タイヤ径が一定」という前提で成り立つ話です。

実際には、タイヤ径はメーカーや銘柄によってマチマチです。
同じ銘柄のタイヤでも、新品と磨耗したものでは直径が2mmくらい
違ってくることもあります。ゴムタイヤでもそうですから、
スポンジタイヤならもっと激しく変わります(これは後述します)。

タイヤが1回転して進む距離は、直径に比例して変わります。
直径66mmが64mmに減ると、64/66=0.9696...つまり3.9%の減少です。
その分、減速比を大きくしたのと同じ効果になります。
 (タイヤ径が小さいほうが回転させるために必要なトルクが
  小さくて済むでしょう?)
これは、時としてタイヤ交換といっしょにギヤ比も変更を迫られることに
なるということを意味しています。注意しましょう。

(6)「指数」って何よ?
スポンジタイヤを使うシャシーを扱うときに、「指数」という言葉を
聞くことがあります。これは、まさに上記の
「タイヤ径を加味した減速比」そのものです。
実際には、モーターが1回転したときにマシンが進む距離(mm)で
表示しています。このような数値をタイヤ径をタテ軸、ピニオン歯数を
横軸として算出し、一覧表にしておくと、
走行してタイヤ径が変化したときに、そのときのタイヤ径から
タイヤが減る前に設定した値と同じ数値を探せば、たちどころに
最適なピニオン歯数が分かる、という仕掛けです。

一応、原理原則はそういうことなんですが、そんなに難しく
考えることはありません。
04モジュールギヤのF-103シャシーの場合、リヤタイヤが1.5〜2mm
減ったら、ピニオン1T上げればいい、という簡便法で
用が足りてしまいます。1/12シャシーでも、使うスパーやタイヤ径は
似たり寄ったりなので、ほぼこの簡便法で用は足ります。
また、ゴムタイヤのシャシーではまず気にする必要のない話です。
そういうこともあるのね、ってくらいで読み流してください。

(7)ギヤ比とマシン性能との関係
いまさらですが、ド入門者の方のために原則論をメモっておきます。

モーター出力を一定と仮定すると、
ギヤ比(減速比の数値)を大きくするということは、それだけ
得られる回転数が下がるわけですから、最高速は遅くなりますが
トルクがより大きく増強されるので加速は良くなります。
逆に、
ギヤ比を小さくすると、最高速が伸びます。
最高速度のみを競うオーバルレースなどでは、3.0を切る減速比を
当たり前のように使います。が、こんな減速比では恐ろしく加速が悪く、
最高速に達するまで1kmくらい走らなければなりません。
通常のサーキット走行では5.0以下あたりが現実的な値です。

また、最適な減速比は使用するモーターによっても変わります。
よりパワーの出るレース用のモーターは、モーターの巻き線を太くして
電気の流れを良くしていますから、低い回転数で長い時間回すと、
短時間に電気が流れすぎて異常発熱してしまいます。
シャシーやコネクターが解けたり回線がショートする原因にもなります。
急激な大電流はバッテリーにも良くありません。
そこで、わざと回転数が上がるように減速比を大きくし、
モーターの負荷を減らし、電気の流れを抑制してやります。

よく勘違いされるのですが、レース用のハイパワーモーターでも
減速比を小さくすればするほど、スピードは出るのです。
モノによっては、起動トルク、最高出力とも、入門用の540の2倍以上に
なるものもありますから、540と同じギヤ比なら540以上の加速を
示すのです。

しかし、そうすると、消費電力も540の2倍以上になってしまい、
バッテリー1パック走ると、ほぼ確実にコネクターが溶けてしまいます。
  #バッテリーコネクタの定格は10Aですが、
  #レース用のハイパワーモーターでは、23ターン・ストックで  #平均25A程度、10ターンクラスで平均30〜40A程度を流しています。
  #これはアクセルオフの時間を含めた「平均値」ですから、
  #ゼロ発進時などの瞬間にはその2倍以上が流れることがあると考えてください。
  #定格の数倍にも達する電流を流して平気な電気部品はありませんよね? 
  #ムチャなモーター付けてコネクタが溶けるのは至極当然な結果なのです。

ハイパワーモーターを付けると、膨大な起電力が要求されるので、
ゼロ発進の瞬間、バッテリー電圧がドロップしてノーコンになる恐れもあります。
だから、負荷を落として消費電力を抑える必要があり、
一般的には減速比を大きくするように、とアドバイスします。

ただ、一般には、モーターのトルクが2倍になったからといって
減速比を2倍まで増やすことはなく、せいぜい1.3〜1.5倍程度ですから
結果として、もともと付けていたモーターよりスピードが出るのです。
ただし、消費電流が増えるので、走行時間は確実に短くなります。
  #バッテリーは、放電する電流が大きくなればなるほど、
  #取り出せる電気の量が減る特性がありますから、
  #モーターパワーを上げると、余計に走行時間が短くなる傾向があります。
  #例えば、RC1700SPで540で10分走っているとき、平均的な消費電流は
  #おおよそ10Aで、このときに取り出せる電気の量はおおよそ
  #1600mAhくらいですが、これを、平均30A消費するように設定した
  #クルマで使っても、走行時間は1/3の3.3分にはなりません。
  #1700SPを30Ah放電すると、1200mAhくらいしか取り出せなくなるので、
  #実際の走行時間はもっと短く、2分30秒弱となります。

(8)最適ギヤ比の問題
モーターというのは、

 起動トルク>転がり抵抗(車重ではありません!)

という関係にある限り、必ず回ります。
極端な話、モーターをタイヤに直結しても回るのです。
転がり抵抗が数百グラムもあるようなクルマはないですから・・・。

なのに、どうしてこんなことをやらないのかと言うと、
消費電流が物凄いことになるからです。
スタート時は、速度もユルユルで
ほとんどデッドショート状態が数秒間続くわけですから
バッテリーやアンプがたまったものではありません。
発熱でアンプ破損、回路がショートしてバッテリー破裂焼損、
といった悲惨な状況が容易に想像できます。
当然、モーターも樹脂部品を溶かしてしまうくらい熱くなります。
場合によってはモーター内部が熱で変形したり、ブラシが酸化して
性能が低下したり、巻き線の被覆が破損してショートしたり
軸受けのオイルに引火したりして火を吹くことすらあります。
(非常に極端な例ではありますが、実際に巻き線を破損してショートで火を吹くことはあります)

だいたい、そんなユルユルスタートではレースカーとして失格です。
加速性能はタイヤの限界の範囲内で最大限欲しいのが人情です。
だからギヤで減速して加速度を補強しよう、というわけです。

しかし、加速度はタイヤの限界を超えて増えることはありませんから
あまりにギヤ比が低くなりすぎると、こんどは逆に、モーターが本来の性能未満の仕事しかしなくなり
「遊んでしまう」ことになります。
ですから、加速に不満のない範囲内で「ギヤ比は上げて使う」のが
モーター性能を引き出すコツになります。

では、最適なギヤ比はどれくらいなのか?
これは非常に難しい問題です。モーターによって全然性能が違うからです。
また、使用するバッテリーやアンプ、走行する場所やクルマなどの条件によっても違います。
バギーとツーリングカーでは同じバッテリーとモーターでもギヤ比は異なりますし、
同じクルマでもタイヤのグリップやコースレイアウトによって変わります。

唯一絶対的な「最適ギヤ比」の基準は

  一番速くラップタイムを刻めるギヤ比

ということなんで、「このモーターならギヤ比いくつだよ〜」みたいな
「数値」から入るのは、あまり正しい作法とは言えないです。
もちろん、行きつけのサーキットがあれば、同じモーターやパワーソースを使っている人と情報交換すると
手っ取り早く最適値を探し出すことができますが・・・。

簡単な目安としては、「モーターがどの程度熱くなるか?」です。
触れる程度にしか熱くならないなら、まだまだ仕事不足です。
最速ラップを刻もうとすると、それなりにモーターも酷使されますから、通常は触れないくらいに熱くなります。
エキスパートユーザーは、エンドベル付近の表面温度にして、
540SHやスポーツチューンで60〜80度、
23Tストックなら70〜100度程度に達する前提で使用しています。
熱収支の関係でこれ以上の温度にはならないんですが、逆にいうと
これ以下の温度にしかならないような使い方なら、「まだまだ追い込みが足りない」ということかも知れません。

ただしこの値は、3600パックでフルに走った後の温度、ということですから
例えば1300パックとかで走れば、絶対にそんな温度にはなりません。
放電できる電流の大きさが全然違いますから。

また、単に熱いからといってそれでいいという意味では決してありません。
メンテナンスが悪くてブラシカスが溜まっているモーターは内部でショートを起こして簡単に発熱します。
遅いのに熱くなるモーターはまず内部を洗浄すべきです。

(9)モジュールって?
RC用のギヤには現在、
ミリ規格で2種類、インチ規格で2種類、計4種類の規格が広く採用されています。

「モジュール」の定義と計算方法については、
http://www.rct.jp/cgi-bin/lab/ta04/bbs.cgi?read=1&refer=00000331 を読んでください。
 (この記事は、TA-04分会BBSに「TA04PROとTA04との違い」として
  2000/11/22 (Wed) 23:51:40 付けで書き込まれたスレッドの
  レス記事のひとつです。TA-04分会はスレッドが投稿日時順で
  並んでいるので当該日付のあたりを探せばスレッドごと読めます)

基本的に、ギヤの歯は小さいほうがギヤ同士の接触面積が減り、
抵抗によるロスが少なくなります。
駆動させたときの音が静かになることをみれば明らかでしょう。

ただし、同時に耐久性が犠牲になっています。
04モジュールのほうがひんぱんに交換を要します。
また、ピニオンギヤとの噛み合わせ(バックラッシュ)調整や
モーターマウント回りの剛性確保にも注意を要します。
例えばTA-04の場合、アルミスパーホルダー使用といった対策をしないで04モジュールを使うと、
回転ブレでスパーの歯が飛び、
1パックごとにスパー交換の憂き目に遭います(経験者は語る)。

また、ちょっとでも石を噛んだら、04モジュールは一発でアウトです。
駐車場などで遊ぶなら、ほとんどのタミヤ製キットで標準の06モジュールが適当です。
06モジュールなら、多少、石を噛んで歯がボロくなっても
直ちに走行に差し支えるようなことはありません。

もともとタミヤのキットは、第1号の「ポルシェ934ターボ」以来、06モジュールが標準でした。
ところが、当時はJMRCA全日本選手権をはじめとして、レースというレースはたいてい
「駐車場」などを使った仮設コースだったので、石噛みがヒドかったのでしょう、
純レースモデルのRM-Mk.1「カンナムローラ」(1980年)では効率より耐久性を重視して
08モジュールというとんでもなくデカい歯を採用しました。
これはレーシングマスターシリーズではMk.4まで使用され、
後にグラスホッパー/ホーネットやDT-01(ファイターバギー等)/DT-02(デザートゲイター等)
といった入門用2駆バギーにも転用され、今でも使われています。
カスタマーサービスで「RMピニオン」という部品名で登録されているのは、そういう経緯です。

初期の06モジュールピニオンは真鍮製で石噛みに強く個人的には好きだったのですが、現在はアルミ製です。
この切り替えのきっかけとなったのは、1988年発売の「アバンテ」でした。
この時にスペアとして出た「AVピニオン」が今でも使われています。
この経緯を知れば、「AV」という呼称が「AVANTE」に由来したものであることは言わずもがなです。
バギー用なのになぜヤワなアルミ製になったのかは知りませんが、軽量化を狙ったのかもですね。
結果的には石噛みの弱さ以外は特に悪くないですしね。

一方、90年代以降は、オンロードでもオフロードでも効率が重視されるようになり、
駆動効率の良い「04モジュール」が採用されるケースが出てきています。
純レース用バギー「ダイナストーム」で標準採用されたほか、
90年代以降のF-1/Cカーモデルでもoptとして発売されました。
さらに1996年のTA03F・PROの発売でツーリングカーにも04モジュールが導入され、
1999〜2000年のTRF414/TA04シリーズで汎用形状の04モジュールスパーへの移行を経て、
今ではツーリングカーにも幅広く使われるようになっています。

また、ピニオンと接することのないカウンターギヤなど
ギヤボックス内部では、耐久性の観点から05モジュールといった
中間的な大きさのモジュールも使われています。
最新のミドルクラスバギー、DF-03シリーズでは遂に
スパー/ピニオン系統にも05モジュールが採用されました。
ただ、現時点(2007年10月)ではまだ極めて限定的な普及状況です。

なお、モジュールと歯数が分かると、ギヤの基本的な直径が割り出せるので
異なるモジュールのギヤに交換する際、ギヤの大きさ(直径)を知る目安にできるそうです。

 ギヤ直径(mm)=モジュール(単位m)×(歯数+2)
 (例)04モジュール90T → 0.4m×(90+2)=36.8mm

何Tの歯数だと直径がどのくらいか、あらかじめ分かっていると
「このピニオンは付くのか付かないのか?」ということも分かるわけです。

さらに言うと、
特定のシャシーに取り付けられる最大ピニオン&スパーと最小ピニオン&スパーの組み合わせは
「歯数(=スパー&ピニオンの直径の合計)が一定」という法則がありますから、
これを利用すれば、ギヤの歯数を変更しても、組み合わせ可能な歯数がすぐ分かります。
例えば、スパー120Tでピニオン50Tが最大限、というシャシーの場合、
スパーを112Tに落としたらピニオンは58Tまで付くわけです。
(このシャシーの場合は、合計で170T未満であればいいというわけ)
組み合わせ可能な最小スパー&ピニオンも同様に計算できます。

また、モジュールが違っても、直径が等しければギヤ比を維持できます。
64モジュールと同じギヤ比を得るための48モジュールギヤの歯数はこちらのURLに説明があります。
http://2.pro.tok2.com/~rctv/cgi-bin/bbs/tb/raib.cgi?md=tv&no=1603&mln=x

インチサイズのモジュールは「1インチ当たり」の歯数なのでこのような計算になりますが、
これに対し、ミリサイズのモジュールは単に「ピッチの表示」なので計算方法は逆になります。

つまり、
06モジュールの40T(例)=04モジュールの60Tです(直径が同じ)。
06モジュール→04モジュール 6/4=1.5倍
04モジュール→06モジュール 4/6=0.67倍
すれば、等しいサイズのギヤ歯数が分かります。

具体的に計算してみますと、例えばTB-02R用のスパーギヤの場合

06M 52T=04M 78.0T
06M 55T=04M 82.5T
06M 58T=04M 87.0T  と計算されます。

そうすると、例えば06M58Tというのは、TB-01用optの88Tの04モジュールギヤがほぼそっくり使える計算です。
(最終調整には現物合わせが必要です)
ふぇら〜り伊藤 メール 2002/12/22日01:22 [208]



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