機械設計 #01：チェーン・ベルト駆動における軸受と軸の荷重計算

軸受と軸にかかる荷重

この記事は、チェーンやベルトを使う駆動系で、軸受と軸にかかる荷重を求めるための計算方法をまとめたものです。設計と荷重検証でよく使う基本式に焦点を当て、NTN の軸受カタログを参考資料としています。

① 軸受と軸にかかる荷重の式

荷重の計算は次のとおりです。

この計算は NTN の製品カタログの式を参考にしています。（参考：NTN 転がり軸受総合カタログ CAT. NO. 2202-Ⅶ/J, A-23）。

なお、参考資料では、軸受荷重の式は伝達動力（kW）に基づいています。ただし私の場合は、実際の運転トルクから計算することが多いため、トルクを伝達動力（kW）に換算してから式に当てはめています。

② 必要な条件 計算に必要な条件は、上の図を参照してください。

① トルクから伝達動力を求める（補足計算） W[kW] = (0.1047 × N × T1) / 1000

② スプロケットまたはプーリにかかる荷重 Kt[N] = (19.1 × (10⁶ × H)) / (Dp × Ns)

③ 初期張力（initial tension）を含む荷重 Kr(F1)[N] = fb × Kt

④ 軸受 A にかかるラジアル荷重 FrA[N] = (((a + b) / b) × F1) + ((d / (c + d)) × F2)

⑤ 軸受 B にかかるラジアル荷重 FrB[N] = -((a / b) × F1) + ((c / (c + d)) × F2)

この荷重計算式の Excel シートをダウンロードできます。

軸受や軸支持の荷重を計算する前に、次の情報をそろえておくべきです。

これらのデータが欠けていると、計算は数値を出せても、軸受の選定や設計評価に十分な信頼性を持ちません。

多くの場合、軸受の故障は、最初に型番を選び間違えたことからではなく、運転条件の評価不足から生じます。たとえば、初期のベルト張力が大きすぎる、組み立て時の芯ずれ、支持フレームの剛性不足、あるいは粉じん／油が実寿命を縮める、などです。

そのため、荷重を計算した後は、次も確認すべきです。

計算は最初のステップにすぎません。良い設計は、計算と組み立て条件と実際の運転条件を組み合わせます。