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ラックアンドピニオンは、円形ギア（ピニオン）と直線ギア（ラック）が噛み合う直線アクチュエータの一種です。[ 1 ]これら2つは、回転運動と直線運動を相互に変換します。ピニオンを回転させるとラックが直線的に駆動され、逆にラックを直線的に動かすとピニオンが回転します。
ラックアンドピニオン機構は、ラック式鉄道で用いられています。機関車や鉄道車両に取り付けられたピニオンが、通常はレール間に設置されたラックに噛み合い、列車を急勾配を登らせるのに役立ちます。また、アーバープレスやボール盤でも用いられ、ピニオンはレバーに接続され、垂直ラック（ラム）を移動させます。パイプラインやその他の工業用配管システムでは、リニアアクチュエータによって移動されたラックがピニオンを回転させ、バルブを開閉します。階段昇降機、水門、電気ゲート、自動車の機械式操舵機構なども、ラックアンドピニオン機構の代表的な用途です。
「ラックアンドピニオン」という用語は、ラックが直線ではなく弧状（曲がっている）の場合、つまり大きなギアの一部である場合にも使用されることがあります。[ 2 ]
1つのピニオンで、平行だが反対方向の2つのラックを同時に駆動できます。ラックは常に同じ距離だけ、反対方向に変位します。逆に、2つのラックに反対方向の力を加えることで、ピニオンに力成分のない純粋なトルクを得ることができます。このダブルラックアンドピニオン機構は、例えば、一対の空気圧アクチュエータと組み合わせて、最小限の応力でバルブを操作するために使用できます。[ 3 ]
クレーンキンは、15世紀にクロスボウの弦を引くために使用されたラックアンドピニオン装置である。[ 4 ]
1598年、銃器設計者の趙時珍は、オスマン帝国の火縄銃の設計から派生したラックアンドピニオン式火縄銃機構を特徴とする軒轅銃を開発した。 [ 5 ]後に『呉培志』 （1621年）は、ラックアンドピニオン式機構を使用したオスマン帝国のマスケット銃について記述した。 [ 6 ] [ 7 ]
可変ラック（通常のピニオンを使用）の使用は、特に高速走行時の車両の応答性とステアリングの「感覚」を向上させるために、1970年代にアーサー・アーネスト・ビショップ[ 8 ]によって発明されました。彼はまた、ラックを製造するための低コストのプレス鍛造プロセスを開発し、ギアの歯を機械加工する必要をなくしました。
ラックアンドピニオンは、ウォームの代わりにラックを使用するという点で、ウォームギアとほぼ同じ目的で、どちらもトルクを直線力に変換します。ただし、ラックアンドピニオンは一般的に直線速度が速くなります。これは、ピニオンが1回転するとラックがピニオンのピッチ円と同じ量だけ移動するのに対し、ウォームスクリューが1回転するとラックは歯幅1つ分しか移動しないためです。同様に、ラックアンドピニオン機構は、同じ入力トルクに対してウォームギアよりも小さな直線力を生み出します。また、ラックアンドピニオンは逆方向にも使用でき、直線力をトルクに変換できますが、ウォームドライブは1方向にしか使用できません。[ 9 ]
ラックアンドピニオンの歯は、直線（平歯車のように回転軸に平行）またはらせん状のいずれかになります。ピニオンでは、ほとんどの歯車と同様に、歯面の形状は通常インボリュート曲線です。一方、ラックでは、対応する歯面は平面です。これらは、無限半径の歯車のインボリュート歯面と解釈できます。どちらの部品でも、歯は通常、歯車カッター（ホブ）で形成されます。[ 1 ]