機器選定 #14：玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受 — ラジアル荷重と軸方向荷重で選ぶ
先に結論を述べます。軸が比較的高速で回り、ラジアル荷重が主で、軸方向荷重が形式の限界内なら玉軸受を選びます。より高いラジアル荷重や剛性が必要なら円筒ころ軸受を選びます。軸がラジアル・軸方向の複合荷重を受け、隙間・予圧を制御する対を配置できるなら円すいころ軸受を選びます。馴染みのある軸径や軸受コードだけで選ばないこと。荷重方向、軸のずれ、熱、速度、内輪・外輪の固定方法、潤滑の方法が、軸受が実際にどう働くかを決めます。
早見比較
| 項目 | 深溝玉軸受 | 円筒ころ軸受 | 円すいころ軸受 |
|---|
| 目立つ荷重 | ラジアル、形式により軸方向を一部受ける | 高いラジアル、良好な剛性 | ラジアルと軸方向の複合 |
| 速度 | 通常カタログに従い高速に適する | 保持器、潤滑、形式による | 配置、予圧、潤滑による |
| 軸方向荷重 | 正確なモデルで確認 | 多くはラジアル寄り、軸方向は別配置が要る | 一方向に軸方向を受け、通常対で使う |
| 取付 | 一般的で単純だが正しいはめあいは要る | 位置決め・非位置決め形式の理解が要る | 隙間・予圧の調整と取付方向が要る |
| 用途 | モータ、プーリ、ファン、一般回転機構 | ラジアル・剛性荷重の軸、機械減速機 | ハブ、減速機、複合軸方向荷重の軸 |
軸上の力の図から始める
軸は抽象的に「荷重を持つ」のではありません。プーリはベルト張力からラジアル荷重を作ります。はすば歯車は軸方向の力を加え得ます。ボールねじは軸方向の力を作ります。吊り・張り出しの負荷はモーメントを作り、二つの軸受が異なる荷重を受けます。カタログを開く前に、軸、軸受位置、力の作用点、間隔、回転方向を描きます。この図は、軸方向位置を保持する位置決め軸受はどれか、熱膨張を許すのはどれかも示します。
力がなければ、信頼できる軸受は選べません。伝達力、速度、サイクル、温度、清浄度、軸径、ハウジング空間、要求寿命を集めます。変化する負荷では、各運転・停止・加速の段階を記録します。短いピーク荷重は連続荷重とは意味が異なります。動定格荷重を「使える荷重」とするのではなく、正確なメーカーの計算ソフト・資料を寿命と荷重係数に使います。
玉軸受：一般的な選択、どこでも使うという意味ではない
深溝玉軸受は、小型で低摩擦、入手しやすいため一般的です。通常ラジアル荷重に適し、系列・モデルの具体的な限界内で軸方向荷重を受け得ます。どれも「玉軸受」ですが、シール、シールド、内部すきま、材質、精度等級、グリス、溝形状は大きく変わります。MISUMIカタログは、シールド、ゴムシール、ステンレス、低発塵、スラスト玉軸受、ハウジングユニットなど多くの玉軸受の変種を示します。したがって寸法コードの三つの数値で置き換えることはできません。
玉軸受は、モータ、プーリ、ファン、軽〜中の回転機構、カタログに従う速度を要する組立に良い選択です。しかし、大きな軸方向荷重や張り出しモーメントを自ら扱いはしません。軸にはすば歯車、巻取ドラム、ボールねじ、長い張り出しの機構があるなら、二つの支持部での力を計算し、より適した軸受形式・配置を検討します。玉軸受の内径を増やしても、制約となっている荷重方向を解決しないことがあります。
内部すきまも正しく理解する必要があります。輪を軸・ハウジングに圧入するとき、温度差と取付からの予圧が作動すきまを変え得ます。締めすぎは発熱を生じやすく、緩すぎは振動と遊びを生みます。C3その他のすきま等級を選ぶのは、「どのモータもC3」という規則ではなく、はめあい、温度、メーカーの指針に基づく必要があります。
円筒ころ軸受：ラジアル荷重と剛性、軸アーキテクチャを伴う
ころ軸受は玉の代わりにころを使います。より大きな接触面積は通常、設計に応じてラジアル荷重と剛性を満たすのに役立ちます。円筒、針状、自動調心ころ、スラストころなど多くの変種があります。したがって「ころ軸受」という語だけでは、軸方向荷重や自動調心について結論できません。SKFは軸受をラジアル・軸方向の荷重特性で分類し、実際の荷重が二方向の組み合わせであり得ることを強調します。
円筒ころ軸受は、ラジアル荷重が高く、輪・つばの形式に応じて熱による軸方向変位を許す一つの支持部を配置する必要があるときに有用です。これは固定・自由配置の一部です。一方の位置が軸を軸方向に位置決めし、他方が軸の膨張を許します。加熱する長い軸で、軸方向を両方とも固定する二つの支持部を使うと、力の図には見えない内部荷重を生じ得ます。
針状軸受では、小さい断面が利点ですが、軸とハウジングの軌道・剛性がモデルの構造を満たす必要があります。軌道の要件を無視して、単に「薄い」ために玉軸受を針状に替えないこと。自動調心ころでは、ずれ補償の能力が変形する軸・フレームに役立ち得ますが、速度、軸方向荷重、シール、潤滑は依然としてモデルでサイジングする必要があります。
円すいころ軸受：複合荷重、対を一緒に設計する
円すいころ軸受は円すい状のころと軌道を持つため、ラジアル荷重を一方向の軸方向荷重とともに受けるのに適します。軸方向荷重には方向があるため、系は通常、軸を両側で位置決めするために対向する対を使います。背面組合せ、正面組合せ、並列組合せは、剛性、反力点間の距離、方向別の荷重能力を変えます。選定にはメーカーの図を使います。
円すいころ軸受を使うときの重要な点は、予圧または軸方向すきまの調整です。緩すぎは遊びと振動を、締めすぎは摩擦、熱、寿命低下を生みます。ロックナット、スペーサ、肩面、ハウジングの直角度、組立手順が結果に直接影響します。二つの円すい輪を圧入して、予圧が自動的に正しいと信じることはできません。
円すいころ軸受は、ハブ、減速機、歯車から荷重を受ける軸、巻取ドラム、軸方向荷重を担う機構によく現れます。用途が高速を要するなら、速度限界とグリス・オイルを確認します。制動、加速、衝撃荷重、伝達からの熱も軸受の条件に入ります。軸に頻繁な動的停止があるとき、ブレーキとクラッチの#12を参照してください。
はめあい、肩、固定の方法
軸受は、内輪・外輪が十分な肩に支持され、正しいはめあいで、誤った場所で滑らないときにのみ、正しく荷重を伝えます。荷重に対して相対的に回る輪は、クリープのリスクを考慮する必要があります。保守で外す必要のある輪は、はめあい形式に影響します。肩は、軸受の面取りに合う適切な丸み・逃げを要します。ロックナット、止め輪、カバーは、「軸受が落ちないように」だけでなく、実際の軸方向保持のタスクで選ぶ必要があります。
軸受ハウジングは十分に剛で、ハウジング穴が幾何的に十分正確である必要があります。薄いハウジング、傾いた取付面、偏った圧入は、輪を変形させ、騒音を生じ、寿命を減らし得ます。取り付けるとき、圧入する正しい輪へ力を伝えます。軸へ入れるときは内輪を、ハウジングへ入れるときは外輪を圧入します。「速く取り付ける」ためにハンマで転動体を通して力を伝えないこと。
潤滑、シール、環境
正しいグリスの種類・量は寿命の一部です。少なすぎると潤滑膜を形成せず、多すぎると高速で発熱し得ます。切削油、洗浄水、微細な粉塵、熱、腐食が、シールド、接触シール、ラビリンス、密閉ハウジングのどれが必要かを決めます。シールは保護を高めますが摩擦を増し得ます。機械の実際の環境で選びます。
清浄・食品の機構では、プロジェクトの規定に従って材質、グリス、シール設計を選びます。汚れた環境では、密閉軸受を選ぶだけで、軸、カバー、洗浄圧を通じた侵入経路を忘れないこと。潤滑・点検の計画は、機械引き渡しの資料に入れる必要があります。
よくある選定・取付の失敗
- ラジアル・軸方向荷重を描かずに軸径で選ぶ。
- 二つの支持部を両方とも軸方向に固定し、熱膨張の余地を残さない。
- モデルが軸方向を受けるかを理解せずにころ軸受を使う。
- 資料・手順ではなく感覚で円すいころ軸受の予圧を調整する。
- 転動体を通して力を圧入し、取付時に軸受を壊す。
- シール、グリス、洗浄水、保守での取外し方を忘れる。
軸受が壊れる前に熱と振動を読む
温度上昇、うなり音、振動の増加、グリスの変色は、荷重、予圧、はめあい、潤滑を確認する信号です。すぐに低品質の軸受と結論しないこと。原因は、締めすぎたベルト、誤った軸の肩、傾いたハウジング、汚染、誤った圧入であり得ます。軸受を交換するとき、現物を残し、軌道・保持器を観察して、摩耗パターンを実際の荷重方向と照合します。
駆動軸組立では、軸受はプーリ、継手、減速機、制動の方法に直接関係します。過大なベルト張力はラジアル荷重を増し、ずれた継手はモーメント・曲げを作り、急に締結するブレーキは衝撃荷重を作ります。したがって軸受選定の要求は、軸の図面が確定したあとに軸受を買う人からではなく、系全体からデータを受ける必要があります。
速い交換が必要な製品では、シールを壊さずに軸を抜き、カバーを外し、再取付する方法を明確に描きます。プーラの空間がない、または交換後に予圧を調整できない正しい軸受は、依然として運用上の悪い選択です。
図面とBOMに確定すべきデータ
軸受コード、該当時のすきま等級または予圧、シール・シールドの種類、グリス・オイルの種類、軸とハウジングのはめあい、軸方向保持の方法、円すい対の取付方向、ロックナットの締付トルクを記録します。「見本どおりの軸受」は、数年後に再購入するのに十分ではありません。シールや内部すきまを変えるだけでも運転条件が変わり得るためです。外部購入のハウジングでは、取付径、中心高さ、フレームへの荷重伝達の方法を確認します。
軸組立の検収は、手回し、設計どおりの軸方向すきま・予圧の確認、無負荷運転、代表的な負荷運転、熱・振動をベースラインとして記録することを含むべきです。このベースラインは、保守が緩やかな変化と機械の正常な特性を区別するのに役立ちます。
試運転の日付、負荷条件、潤滑剤の種類を機械の記録に入れ、保守を追跡します。
手早い選定チェックリスト
- [ ] ラジアル・軸方向の力の図、力の位置、二つの支持部の間隔を得たか。
- [ ] ラジアル荷重が主で、速度が高く、軸方向がモデルの限界内か。該当 → 玉軸受を検討。
- [ ] 高いラジアル荷重・剛性、または熱のための自由配置が必要か。必要 → 正しいころ軸受形式を検討。
- [ ] 複合荷重があり、両側で軸方向に位置決めする必要があるか。該当 → 対配置・予圧で円すいころ軸受を検討。
- [ ] はめあい、肩、固定・自由の方法、潤滑、シール、組立手順を確認したか。
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参考
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