ベアリングとはどのような機械部品かご存知ですか？ベアリングは「機械産業の糧」とも呼ばれ、様々な機械に広く使われている重要な部品です。
ベアリングとは何ですか?
ベアリングは、物体の回転を補助する部品です。その名の通り、ベアリングは機械内部の回転軸を支えます。ベアリングが使われている機械には、自動車、飛行機、発電機などがあります。冷蔵庫、掃除機、エアコンといった身近な家電製品にもベアリングが使われています。これらの機械において、ベアリングは車輪、歯車、タービン、ローターなどの部品が取り付けられた軸を支え、軸がスムーズに回転するのを助けています。
ベアリングの機能
ベアリングは摩擦を低減し、回転を滑らかにします。回転軸と回転を支える部品の間には、必然的に摩擦が発生します。ベアリングは、回転軸と支持機構の間に使用されます。摩擦を低減することで、ベアリングはより滑らかな回転と消費エネルギーの低減を実現します。これがベアリングの本来の機能です。
回転支持部を保護し、回転軸を正しい位置に保ちます。回転軸と支持部には大きな力が加わります。ベアリングは、これらの力による支持部の損傷を防ぎ、回転軸を正しい位置に保ちます。これらの機能があるからこそ、機械を長期間繰り返し使用できるのです。
ベアリングの種類
次のセクションでは、一般的なベアリングの種類、違い、および具体的な用途について説明します。
アンギュラ玉軸受
アンギュラコンタクト玉軸受は、ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を同時に支持できます。比較的高速で動作可能です。接触角が大きいほど、アキシアル荷重の許容容量は高くなります。接触角とは、ラジアル面における玉と軌道面の接触点を結ぶ線と、軸受軸に垂直な線との間の角度です。高精度・高速回転の軸受では、通常15度の接触角が用いられます。接触角は、アキシアル荷重の作用下で増加します。
特長
ユニバーサルマッチベアリング：これらのベアリングは、ベアリングを隣接させて取り付ける際に、シムなどの部品を使用することなく、どのような組み合わせでも所定の内部すきままたは予圧、そして均一な荷重分散を実現できるよう特殊加工されています。単一のベアリングの耐荷重能力が不十分な場合や、複合荷重または両方向の軸方向荷重をベアリングで支持する必要がある場合に使用されます。
基本設計ベアリング：これらは単一のベアリング配置用です。基本設計の単列アンギュラコンタクト玉軸受は、主に各位置に1つのベアリングのみを配置する構成で使用されます。幅公差と突出し公差は標準グレードです。したがって、2つの単列アンギュラコンタクト玉軸受を隣接して取り付けるには適していません。
自動調心ボールベアリング
自動調心玉軸受には、円筒穴とテーパ穴の2つの構造があります。保持器の材質には鋼板と合成樹脂が用いられます。特徴的なのは、外輪軌道が球面形状であるため、自動調心性が得られることです。これにより、同心度や軸のたわみによる誤差を補正できますが、内輪と外輪の相対傾斜は3度を超えてはなりません。
主にラジアル荷重に耐えますが、小さなアキシアル荷重にも耐えることができます。軸の軸方向変位は、クリアランス制限内に制限されます。自動調心性能により、内輪と外輪が互いにわずかに傾斜している状態でも正常に動作するため、ハウジング穴の厳密な同軸度が保証できない部品に適しています。
特長
- 自動調心玉軸受の外輪軌道は球面の一部であり、その曲率中心は軸受軸線上にあります。そのため、この軸受は自動調心機能を有し、シャフトまたはハウジングのたわみに応じて自動的に調整することができ、軸受への負担は増加しません。
- ラジアル荷重と両方向のアキシアル荷重（中程度）に耐えることができます。ただし、モーメント荷重には耐えられません。接触角が小さいため、アキシアル荷重を受けても接触角はほとんど変化しません。その結果、アキシアル荷重の負荷能力は低くなりますが、ラジアル荷重の負荷能力は高くなります。重荷重や衝撃荷重がかかる状況に適しています。
- アダプタ スリーブとロック ナットを備えた複列自動調心ボール ベアリングは、滑らかなシャフト上の任意の位置に取り付けることができるため、肩の位置調整が不要になります。
ころ軸受
スフェリカルローラーベアリングは、複列ローラー、外輪の共通球面軌道、およびベアリング軸に対して傾斜した2つの内輪軌道を特徴としています。この独創的な構造により自動調心性が得られ、シャフトとベアリングハウジング間の角度誤差やシャフトの曲がりの影響を受けにくくなっています。取り付け誤差やシャフトのたわみによって角度誤差が生じる場合に適しています。ラジアル荷重に加えて、このベアリングは双方向のアキシアル荷重にも耐えることができます。スフェリカルローラーベアリングには、円筒穴とテーパー穴の2種類があります。テーパー穴のテーパー比は1:30または1:12です。これらのテーパー穴ベアリングは、アダプタスリーブまたは引き抜きスリーブを使用して、平滑シャフトまたは段付きシャフトに簡単かつ迅速に取り付けることができます。
用途
- 打ち抜き鋼板補強ケージ、打ち抜き鋼板ケージ、ガラス繊維強化ポリアミド66ケージ、機械加工黄銅製ツーピースケージ、機械加工黄銅製一体型ケージ、振動用途向け打ち抜き鋼板ケージ。同じ構造でも、ベアリングのコードが異なる場合があります。
- 製紙機械、減速機、鉄道車両の車軸、圧延機ギアボックスのベアリングシート、圧延機ローラー、粉砕機、振動スクリーン、印刷機械、木工機械、各種産業用減速機、およびシート付き垂直自動調心ベアリング。
球面ローラースラストベアリング
スフェリカルローラースラストベアリングは、スフェリカルローラーベアリングとほぼ同様の構造です。ハウジングのワッシャー軌道面は球面状で、その中心はベアリングの中心軸と一致しています。ローラーは球面形状であるため、自動調心機能を備えており、同軸度や軸のたわみの影響を受けにくくなっています。これらのベアリングは主に、石油掘削リグ、鉄鋼機械、水力発電機、垂直モーター、船舶用プロペラシャフト、タワークレーン、押出機などに使用されています。
特長
外輪と軸受ハウジングの穴の間には締まりばめを使用しないでください。また、内輪とジャーナルの間のはめあいもきつすぎないようにしてください。取り付け時にナットで調整する際に、軸受が柔軟な軸方向変位を生じることが求められます。スフェリカルローラーベアリングに締まりばめを使用すると、接触角が変化しやすく、荷重分布の不均一化や高温化の原因となります。そのため、内輪／外輪とジャーナルおよびハウジングの穴との取り付けはめあいは、一般的に、両手の親指だけで軸受をジャーナルおよびハウジングの穴に押し込める状態が最適です。
スフェリカルローラーベアリングの軸方向の取付すきまは、ジャーナルの調整ナット、シム、ベアリングハウジング穴のねじ、または予圧スプリングによって調整できます。軸方向のすきまの大きさは、取付時の配置、ベアリング間の距離、シャフトとハウジングの材質によって異なり、使用条件に応じて決定できます。
高荷重・高速回転のスフェリカルローラベアリングの場合、温度上昇が軸方向すきまに与える影響を考慮してすきまを調整する必要があります。温度上昇によるすきまの減少量を予測し、軸方向すきまをやや大きめに調整する必要があります。
振動を受ける低速軸受の場合、すきまゼロまたは予圧をかけた取り付け方法を採用する必要があります。これは、スフェリカルローラーベアリングのローラーと軌道面の良好な接触を確保し、荷重を均等に分散し、振動や衝撃によるローラーと軌道面の損傷を防ぐためです。
調整後、ダイヤルゲージを用いて軸方向すきまの大きさを確認します。この方法は、ダイヤルゲージを機械本体または軸受ハウジングに固定し、ゲージの先端を軸の滑らかな面に当て、軸を軸方向に左右に押します。指針の最大振れ幅が軸方向すきまの値を示します。
テーパーローラーベアリング
円すいころ軸受は分離可能な軸受であり、内輪と外輪の両方にテーパ状の軌道面が設けられています。ころの列数に応じて、単列、複列、四列の円すいころ軸受に分類されます。単列円すいころ軸受は、ラジアル荷重と一方向のアキシアル荷重に耐えることができます。軸受がラジアル荷重を受けると、アキシアル分力が発生するため、これをバランスさせるために、逆方向のアキシアル荷重に耐えられる別の軸受が必要です。
機能
外輪の角度と外輪軌道の直径は標準化されています。円すいころ軸受の外輪と内輪が世界中で互換性を持つことを保証するため、設計・製造中の変更は認められていません。
円すいころ軸受は、主にラジアル荷重とアキシアル荷重の複合荷重に耐えるために使用されます。この荷重はラジアル荷重が支配的です。荷重負荷容量は大きいですが、限界速度は低くなります。円すいころ軸受は、一方向のアキシアル荷重に耐えることができ、シャフトまたはハウジングの一方向のアキシアル変位を制限することができます。軸受の荷重負荷容量は外輪の軌道角に依存し、角度が大きいほど荷重負荷容量は大きくなります。
このタイプのベアリングは分離型ベアリングです。単列円錐ころ軸受のクリアランスは、取り付け時にユーザーによる調整が必要です。複列および四列円錐ころ軸受のクリアランスは、ユーザーの要件に応じて工場で設定されており、ユーザーによる調整は不要です。
円すいころ軸受は、内輪と外輪の軌道がテーパー状になっており、その間に円すいころが配置されています。すべてのテーパー面の投影線は、軸受軸上で同じ点で交わります。この設計により、円すいころ軸受は、複合荷重（ラジアル荷重とアキシアル荷重）を受けるのに特に適しています。
ベアリングの軸方向負荷容量は、主に接触角αによって決定されます。α角が大きいほど、軸方向負荷容量は高くなります。角度の大きさは計算係数eで表され、e値が大きいほど接触角が大きくなり、ベアリングの軸方向負荷への適用性が高まります。
円すいころ軸受は通常分離可能であり、コーンアセンブリ（ローラーとケージを備えた内輪で構成）をカップ（外輪）から分離して取り付けることができます。円すいころ軸受は、自動車、圧延機、鉱業、冶金、プラスチック機械などの産業で広く使用されています。
深溝玉軸受
深溝玉軸受は、最も広く使用されている転がり軸受の一種です。摩擦抵抗が低く、高速回転が可能です。ラジアル荷重、ラジアル荷重とアキシアル荷重の複合荷重を受ける部品、および低出力モーター、自動車やトラクターのギアボックス、工作機械のギアボックス、一般機械・工具などのアキシアル荷重を受ける部品にも使用できます。
ベアリングのラジアルクリアランスが増加すると、アンギュラコンタクトボールベアリングの特定の性能特性を備え、複合ラジアル荷重と軸方向荷重に耐えることができます。
これらのベアリングは、同サイズの他のベアリングと比較して、摩擦係数が小さく、限界速度が高いという利点があります。ただし、耐衝撃性が低く、重い荷重を支えるのには適していません。
深溝玉軸受は、シャフトに取り付けた後、軸受の軸方向クリアランスの範囲内でシャフトまたはハウジングの軸方向変位を両方向で制限できるため、双方向の軸方向位置決めに使用できます。
さらに、このタイプのベアリングには一定の自動調心機能があり、ハウジング穴に対して2～10フィート傾けても動作は可能ですが、ベアリングの寿命に一定の影響を与えます。
深溝玉軸受の場合、運転中に負荷が小さすぎると、玉と軌道面の間で滑りが生じ、傷が付く可能性があります。特に、玉と保持器の重量が大きい大型深溝玉軸受では、この傾向が顕著です。多くの場合、軸受は腐食します。軸受の腐食には多くの原因がありますが、最も一般的な要因は次のとおりです。
- 密閉不良により湿気や汚れなどが侵入する。
- ベアリングは長期間使用されず、防錆期間を超えており、メンテナンスも不足しています。
- 金属の表面粗さが大きい。
- 腐食性化学媒体との接触、ベアリングの洗浄が不十分で表面に汚れが付着していた、または汗をかいた手でベアリングに触れていた。洗浄後、ベアリングが適切な梱包や取り付けをされず、長時間空気にさらされたため、水分の侵入や汚染が生じた。
- 周囲の温度と湿度、さまざまな環境媒体との接触、防錆剤の不具合、または品質が要件を満たさないこと。
スラスト玉軸受
スラスト玉軸受は、高速運転時のスラスト荷重に耐えるように設計されており、ボールが転がる軌道溝を備えたワッシャー状のリングで構成されています。リングがクッション形状であるため、スラスト玉軸受はフラットベースクッションタイプと自動調心球面クッションタイプに分類されます。また、この軸受はアキシアル荷重には耐えられますが、ラジアル荷重には耐えられません。
特長
- 単方向タイプと双方向タイプがあります。
- 取り付け誤差を考慮して、単方向タイプと双方向タイプの両方に、球面自動調心シートクッションまたは球面シートリングを選択できます。
- 高品質のスチール - ベアリング寿命を最大 80% 延長できる超クリーンなスチールを採用しています。
- 高度なグリース技術 - NSK の潤滑技術は、グリースの寿命を延ばし、ベアリングの性能を向上させます。
- 高級スチールボール - 高速回転時も静かでスムーズ。
- オプションにあるリングを使用することで、取り付けエラーに対応できます。
スラスト玉軸受は、クレーンフック、垂直ポンプ、垂直遠心分離機、ジャッキ、低速減速機など、片側に軸方向荷重を負荷し、比較的低速の部品にのみ適しています。軸受の軸リング、シートリング、および転動体は分離可能であり、個別に取り付けおよび取り外しが可能です。
スラストローラーベアリングは、軸方向荷重とラジアル荷重の複合荷重を受けるために使用されますが、ラジアル荷重は軸方向荷重の55%を超えてはなりません。他のスラストローラーベアリングと比較して、このベアリングは摩擦係数が低く、速度が速く、自動調心性能に優れています。スラスト円筒ころ軸受は、主に重機、高出力船舶用ギアボックス、石油掘削リグ、垂直モーターなどの機械に使用されます。
円筒ころ軸受
円筒ころ軸受は、転動体が円筒ころであるラジアル転がり軸受です。円筒ころ軸受の内部構造は、ころを平行に配置し、ころ間にスペーサーまたはスペーサーブロックを設置することで、ころ同士の傾きや擦れを防止し、回転トルクの上昇を効果的に防止します。
大型および中型の電気モーター、鉄道車両、工作機械のスピンドル、内燃機関、発電機、ガスタービン、減速機、圧延機、振動スクリーン、および昇降輸送機械。
特長
- ローラーと軌道は線接触または修正線接触になっており、大きなラジアル荷重容量を提供し、重荷重や衝撃荷重を支えるのに適しています。
- 摩擦係数が小さく、高速回転に適しており、限界速度は深溝玉軸受に近いです。
- N型、NU型は軸方向に移動でき、熱膨張や設置誤差などによるシャフトとハウジングの相対位置の変化に適応でき、自由端支持部として使用できます。
- シャフトまたはシートボアに対する高い加工要件。接触応力の集中を避けるために、ベアリング取り付け後の外輪軸の相対的なたわみを厳密に制御する必要があります。
- 内輪または外輪を分離できるため、取り付けおよび取り外しが容易です。
4点接触ボールベアリング
4点接触玉軸受は分離型軸受であり、双方向の軸方向荷重に耐えられるアンギュラ接触玉軸受とも言えます。内輪と外輪の軌道面は桃形の断面を有しています。無荷重時または純粋なラジアル荷重時には、鋼球と外輪が4点接触しているように見えることから、この名称が付けられました。
4 点接触ボール ベアリングは分離可能な構造になっており、対面または背面に配置されたアンギュラ接触ボール ベアリングを 1 つのベアリングで置き換えることができます。
ラジアル荷重と双方向の軸方向荷重に耐えることができ、2方向の軸方向変位を制限できますが、現在の仕様の複列アンギュラコンタクトボールベアリングよりも軸方向のスペースを占有しません。
他のボールベアリングと比較すると、4 点接触ボールベアリングは、ラジアルクリアランスが同じ場合、軸方向クリアランスが小さく、限界速度が高くなります。
4点接触玉軸受は、純粋なアキシアル荷重、またはアキシアル荷重が支配的なアキシアル荷重とラジアル荷重の複合荷重を受けるのに適しています。二重半内輪（または外輪）のため、ボールの数が増え、結果としてより大きな荷重容量が得られます。
通常の使用条件下では、このタイプのベアリングは、あらゆる方向のアキシアル荷重を受けると接触角を形成する可能性があります。鋼球は内輪と外輪の軌道にそれぞれ1点で接触するため、接触領域における大きな滑り摩擦は回避されます。したがって、このベアリングはラジアル力が支配的なベアリング荷重には適していません。
円筒ころスラスト軸受
円筒ころスラスト軸受は、高剛性軸受構成に組み合わされることが多く、重荷重や振動荷重にも問題なく耐えることができます。ただし、クレーンフック、垂直ポンプ、垂直遠心分離機、ジャッキ、低速減速機など、片側で軸方向荷重を受け、低速で動作する部品にのみ適しています。軸受の軸ワッシャー、ハウジングワッシャー、および転動体は分離可能で、個別に取り付けおよび取り外しが可能です。
ニードルローラースラストベアリング
ニードルローラースラストベアリングは、スラスト停止機能を持ち、軸方向の荷重に耐え、低速で、たわみを許容することができます。
先を細くされたローラーのスラスト・ベアリング
テーパーローラースラスト軸受は、非常にコンパクトなアキシャル軸受構成を形成できます。この軸受は、大きなアキシャル荷重に耐え、衝撃荷重の影響を受けにくく、優れた剛性を備えています。LYTBZは、単方向テーパーローラースラスト軸受と複方向テーパーローラースラスト軸受を製造しています。スクリューダウン軸受は、特別に設計された単方向テーパーローラースラスト軸受で、ローラーを全て備えています。このタイプの軸受は、圧延機のスクリューダウン軸受構成に使用されます。LYTBZテーパーローラースラスト軸受は、軌道面とローラーの間に対数接触プロファイルを備えており、軸受内の応力分散を最適化し、軸受寿命を延ばします。
ハウジング付きインサートベアリング
ハウジング付きインサートベアリングは、転がり軸受と軸受ハウジングを組み合わせた軸受ユニットです。インサートベアリングの多くは外径が球面状で、内径が球面状の軸受ハウジングと組み合わせて使用されます。様々な構造形式があり、汎用性と互換性に優れています。また、このタイプのベアリングは、設計上、ある程度の自動調心性を備え、取り付けが容易で、二重構造のシール装置を備えているため、過酷な環境でも使用できます。
ベアリングの構造と機能
ベアリングは転がり運動によって摩擦を低減します。「軸」が回転すると、ベアリング内部の複数の「転動体」（「ボール」または「ローラー」）が転がり始めます。ベアリングはこの「転がり運動」によって摩擦を低減します。「滑り運動」のすべり軸受（スライディングベアリング）と比較して、「転がり運動」のベアリングはより効果的に摩擦を低減し、回転エネルギーの消費を抑えることができます。
現代のベアリングには多くの種類がありますが、その基本構造は、約500年前にレオナルド・ダ・ヴィンチが考案したものとほぼ同じです。ベアリングの構成要素は次のとおりです。
- リング：リング状の部品
- 転動体：軌道輪の間を転がる部品（転動体にはボールやローラーなど）
- ケージ：転動体同士の接触を防ぎ、転動体間に一定の間隔を保つ部品。
リング
図2に示す軸受は「ラジアル軸受」と呼ばれ、軸に対して垂直な力を受ける軸受です。転動体として「ボール」を使用するボールベアリングに対し、「ローラーベアリング」は「ローラー」を使用します。このようなラジアル軸受にはリングが用いられます。軸に組み付けられる内側のリングは内輪、外側のリングは外輪と呼ばれ、ハウジングに組み込まれます。
転がり要素
転動体には「ボール」と「ローラー」があり、支持の強さや回転速度など、ベアリングの使用条件に応じて様々な種類の転動体を選択できます。
ケージ
ベアリングの内輪が回転すると、転動体も転がり始めます。このとき、ベアリングに保持器がない場合、隣接する転動体同士が接触してしまいます。接触面における2つの転動体の転がり方向は逆方向となり、転動体の転がり運動の妨げとなります。これを防ぐため、保持器を用いて隣接する転動体を分離し、スムーズに転がるようにします。支持力の大きさや回転速度などのベアリングの使用条件に応じて、様々なタイプの保持器を選択できます。
軌道輪、転動体、保持器はそれぞれ異なる役割を担っており、これらの役割が協調して初めてベアリングはスムーズに回転します。しかし、これらの部品だけではベアリングはスムーズに回転し続けることができません。次に、ベアリングにとってもう一つ重要な部品についてご紹介します。
潤滑剤
ベアリングがスムーズに回転するためには、転がり運動による摩擦を低減し、部品の摩耗を防ぐ必要があります。この役割を担うのが潤滑剤です。ベアリングの潤滑剤としては、主に半固体グリースと液体潤滑油が用いられます。さらに、「潤滑剤」は回転するベアリングの内部発熱を抑え、ベアリングの寿命を延ばす役割も担っています。そのため、「潤滑剤」はベアリングの「安定」したスムーズな回転を確保するための「重要なアイテム」でもあります。
