【FreeCAD使い方講座】FreeCADで詳細な歯車形状を作成するやり方


2022/06/08

前回の記事で、
「ネジ形状」を作成するための拡張ワークベンチ・「Fasteners」を使う方法を紹介してみました。

FreeCADでネジ形状の作成方法をマスターしたら、
「歯車形状」の作成方法も同時に把握しておきたいものです。

一般に歯車機構として、様々な種類の歯車が存在していますが、今回はメジャーな歯車からややマイナーなものまで簡単に作成できる拡張ワークベンチ・
「FCGear」を紹介していきます。

参考|FCGear Workbench


簡単な歯車形状をPart Designワークベンチで作成する

非常に基本的な歯車形状ならば、後述するFCGearワークベンチを使わなくても作成可能です。

比較のために、
Part Designワークベンチから歯車形状を作成してみます。

まずは適当なプロジェクトページを新規作成し、
[Part Design]ワークベンチに切り替えて、空のボディを一つ追加しておきます。

合同会社タコスキングダム|蛸壺の中の工作室

次に追加した空のボディがアクティブになっている状態で、メニューから
[Part Design] > [Involute Gear]をクリックします。

合同会社タコスキングダム|蛸壺の中の工作室

すると、ボディにインボリュート歯車のスケッチが追加され、
[コンボビュー] > [タスク]のペインから[インボリュート曲線パラメーター]のツールボックスの中の諸元を指定することで目的の歯車形状のスケッチに変更することが出来ます。

デフォルトでは、

            歯数: 26
モジュール数(Module): 2.5mm
圧力角: 20°
高精度: True
外歯車: true
        
のシンプルな平歯のインボリュート歯車パラメータのみ扱えます。

なお、この記事では歯車設計パラメータの詳細は説明しませんので、以下のサイトのような技術解説されている方のページなどを参考にされてください。

参考|歯車を描く - Qiita

とりあえずデフォルト値のまま
[OK]ボタンを押しスケッチを確定させて、あとはいつもの押し出しツールなどでソリッド化すると歯車が作成されます。

合同会社タコスキングダム|蛸壺の中の工作室

Part Designワークベンチでの歯車形状は原則3つのパラメータ(歯数・モジュール・圧力角)しか扱えないので、この機能だけで緻密な歯車設計をしようと思うとかなり厳しいことが分かります。

よりエンジニアリングツールとしてFreeCADを活用されたい場合、後述する
「FCGear」ワークベンチを使いましょう。


詳細な歯車形状をFCGearワークベンチで作成する

FCGearは有志の方が提供されている外部のFreeCADエクステンションプロジェクトですので、素のFreeCADでは利用することが出来ません。

参考|A Gear module for FreeCAD - Github

ということで別途ワークベンチのインストールを行う必要があります。

FCGearワークベンチのインストール

前回のFastenersワークベンチと同様の手順で、アドオンマネージャから簡単にワークベンチがインストールできます。

メニューから
[ツール] > [アドオンマネージャ]をクリックすると、アドオンマネージャのダイアログが開きます。

合同会社タコスキングダム|蛸壺の中の工作室

後は、ワークベンチの中から
[FCGear]を探し、選択したら[選択をインストール/更新する]のボタンを押すことでインストールが開始されます。

インストール後、FreeCADを再起動するとFCGearワークベンチが使える状態になっていると思います。

FCGearワークベンチの基礎的な使い方

ではFCGearワークベンチを少しだけ使ってみましょう。

まずメニューから追加された
[Gear]のワークベンチ(FCGearワークベンチ)に切り替えてみます。

合同会社タコスキングダム|蛸壺の中の工作室

するといくつかのツールアイコンが表示されていると思います。

これらのツールは、以下のように様々なタイプの歯車形状に対応しています。

合同会社タコスキングダム|蛸壺の中の工作室

それぞれの歯車形状の詳細なパラメータ設定に関しては、
FreeCAD公式のドキュメントに記載されている内容を個別にご確認ください。

ここでは一例としてインボリュート歯車の作り方に焦点を当ててみます。

FCGearでのインボリュート歯車の詳細は
こちらページで解説されています。

インボリュート曲線のアイコンをクリックすると、ソリッド化した歯車形状が即時生成されます。

合同会社タコスキングダム|蛸壺の中の工作室

ここから目的の歯車形状に変更するには、コンボビューから生成されたソリッドを選択肢、
[モデル] > [データ]のプロパティリストに切り替えます。

合同会社タコスキングダム|蛸壺の中の工作室

見てのように、Part Designワークベンチでは、主に歯数・モジュール数・圧力角の3つしか扱えなかったパラメータより緻密に制御できることが分かります。

せっかくなので公式のドキュメントを邦訳で記載しておくと、

プロパティ名

属性

説明

備考

Placement

Base

オブジェクトの位置と方向

Label

Base

コンボビュー上のオブジェクト名

da

computed

歯先円(歯の先端の一番外側の円)の有効径

計算値/自動更新/読み取り専用

df

computed

基礎円(インボリュート曲線の基礎になる円)の有効径

計算値/自動更新/読み取り専用

dw

computed

基準円(ピッチ円)の有効径

計算値/自動更新/読み取り専用

transverse_pitch

computed

回転平面上のピッチ長

計算値/自動更新/読み取り専用

beta

gear_parameter

ヘリカル角度(β角)

正の値:右回り/負の値:左回り

clearance

gear_parameter

対向する歯車からの隙間

既定値0.25[mm]

double_gear

gear_parameter

ダブルヘリカル溝にするか否か

既定値False

head

gear_parameter

歯の深さの補正長さ

既定値0.0

height

gear_parameter

歯車の幅

既定値5[mm]

module

gear_parameter

モジュール数

既定値1[mm]

properties_from_tool

gear_parameter

betaが設定され、かつ、properties_from_toolが有効の時にヘリカル角度を再計算する

試験的な機能

shift

gear_parameter

歯底の切り込み量。正の値:切り込み量を減らす/負の値:切り込み量を増やす

既定値0.0

teeth

gear_parameter

歯数

既定値15

undercut

gear_parameter

歯底により細かいくびれ状の切れ込み構造を付与するオプション

既定値False

pressure_angle

involute_parameter

圧力角

既定値20°

numpoints

precision

インボリュート曲線の分割点数。細かいほどインボリュート曲線の精度が高くなる。

既定値6/大きすぎると予期せぬエラーが起こる

simple

precision

シンプル表示(歯を消してピッチ円の円柱のみ表示)

backslash

tolerance

バックラッシュ

既定値0.0

reversed_backslash

tolerance

バックラッシュの符号。True:バックラッシュを減らす/False:バックラッシュを増やす

既定値False

見ての通り、全てのオプションを把握する場合には工学的な歯車の構造の知識が必要になりますが、気になるパラメータがあれば、ちょこちょこ値を変えてみると視覚的になんとなく分かった雰囲気になるかも知れません。

通常なかなかPythonスクリプト無しでは作成が難しい形状などもパラメータを調整確認しながらモデルを仕上げることができます。

例えば、以下のようなダブルヘリカルギアもあっという間に完成します。

合同会社タコスキングダム|蛸壺の中の工作室

昔のFreeCADなら色々と苦労した記憶もありますが、フリーの3次元CADでここまで出来るとは、ホビーモデラーにとっては大変良い時代になりました。

記事を書いた人

記事の担当:taconocat

ナンデモ系エンジニア

電子工作を身近に知っていただけるように、材料調達からDIYのハウツーまで気になったところをできるだけ細かく記事にしてブログ配信してます。