コラム

みなさん、はじめまして。このたびこのサイトの運営会社・株式会社ジャパンナヴィゲイト様のご依頼により、このページで技術ブログを執筆することになった高原です。普段は機械設計についての講師および機械設計・製図の請負業に従事しています。よろしくお願いします。

このブログでは、経験年数１～３年程度の初心者以上中堅未満の設計技術者を対象とした、日頃の設計業務で感じる「なんで？どおして？」が解消されるおはなしや知っておきたい設計技術の「勘どころ」などについてお話していく予定です。

今日からしばらくは「機械要素の選択」について、お話させていただく予定です。機械要素とは機械を構成する部品のうち、どの機械にも共通して使われる部品のことです。例えば、ねじ、軸受、歯車などが該当します。

設計技術者としてキャリアを積んでいく過程で、多くの人がぶつかる壁は機械要素の選択ではないでしょうか。ここではどの条件の時に、どの機械要素を選択するか、詳しく解説していきます。第１回目は機械要素の中でも使用頻度の高い「転がり軸受」について、お話しいたします。

 

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執筆者について　

株式会社ものプロ
代表取締役 高原 東照

大手工業炉メーカーの設計子会社に入社後、熱処理炉や真空炉の設計業務に従事。同時に、社内で若手向けの技術教育にも携わる。その後新規顧客開拓にも取り組み、受注獲得した研削機、ブラスト機、コンベア等の設備を設計。転職、退社を経て、2017 年に、ものプロを設立。機械設計技術者の養成に携わる一方、機械設計・製図を受託し日々製図・検図に携わる。

軸受とは

軸受とは文字通り、軸を受ける機械要素です。ある部品が回転あるいは直線運動をするとき、その位置を正確に保ち、反力を受け止め、好ましくない運動成分を拘束します。直線運動を可能にする軸受については、直動案内と呼んでいます。

軸受には大きく大別して、転がり軸受とすべり軸受があります。軸を軽い力で動かすためには、軸が動く際に生ずる摩擦力をできるだけ小さくする必要があります。その手段として、転がり摩擦を利用したのが転がり軸受、すべり摩擦を利用したのがすべり軸受です。

転がり軸受は転がり運動をする回転体が球である「ボールベアリング」と、ころである「ローラベアリング」に大別されます。

軸受の基本的な特徴は、軸受がどんな具合に軸を支持しているかによって決まります。支持の仕方はつぎのようになります。

• ボールベアリングは球で負荷を支えているので、「点」で支持
• ローラベアリングはころで負荷を支えているので、「線」で支持
• すべり軸受は平面で負荷を支えているので、「面」で支持

軸受システムの設計にあたっては、入手や使い勝手の良さ、価格などからまず転がり軸受を用いることを検討しましょう。転がり軸受が使えそうにない場合に限り、すべり軸受を採用します。以下にすべり軸受を採用する例を示します。

すべり軸受を採用する例

• 軸受の幅および径に制限がある箇所に非常に大きな負荷が作用する場合。
• 強い衝撃のある荷重で円筒ころ、円すいころ軸受では破損の不安がある場合。（例：エンジンの軸受）
• 転がり軸受では耐えられないような高い周速度の軸に使用する軸受（例：大型電動機の軸受）
• 水または特殊な液の中で使用する軸受
• すべり速度が小さい場合に給油期間を長く、しかも小型にまとめたい軸受（例：オイレスベアリング）
• 二つ割りでないと取り付けられない軸受（例：クランクシャフトのクランク部の軸受）
• 軸または軸受を横滑りさせたり、回転させたりの２動作ができる軸受（例：クラッチの入り、切り側のスリーブ）
• 高速回転でスラスト負荷が作用する軸受

転がり軸受の種類と用途

以下に代表的な転がり軸受の例を紹介します。

①深溝玉軸受

最も一般的で幅広く用いられています。国内で生産されている転がり軸受の半数以上はこの種類です。※ラジアル荷重を受けもつのが基本ですが、両方向の※スラスト荷重にもある程度耐えれます。摩擦トルクが小さく、高速回転する箇所や低騒音、低振動が要求される用途に適しています。

※ラジアル荷重：軸に垂直な荷重、スラスト荷重：軸方向の荷重

 

②アンギュラ玉軸受

ラジアル荷重と一方向のスラスト荷重を負荷することができます。玉と内輪・外輪とが接触角を持っています。接触角により、１５°、３０°、４０°などの形式があり、接触角が大きくなるほど※アキシアル荷重の負荷能力が大きくなり、接触角が小さいほど、高速回転に有利となります。この軸受は接触角をもっているため、ラジアル荷重による分力が生じるので１個では使用できず、対で使用します。与える予圧はＪＩＳで決まっています。

※アキシアル荷重：＝スラスト荷重

③スラスト玉軸受

スラスト荷重を付加するのに特化した軸受です。この軸受はスラスト荷重しか受けることができず、構造上、高速回転よりも大きな負荷を支える用途に適しています。深溝玉軸受と組み合わせると、スラスト方向・ラジアル方向いずれにも負荷できる使用が可能です。

④円筒ころ軸受

円筒形のころを用いており、ころと溝の接触が線のため、ラジアル荷重の負荷能力が大きい。つば付きの内外輪の場合、スラスト荷重を受けられるが、あまり大きくありません。内輪の片側につばがある場合は多少のスラスト荷重に耐えることができます。

⑤円すいころ軸受

円すい形のころを用いた軸受で、ラジアル荷重と一方向のスラスト荷重を負荷できます。転がり軸受の中で最も大きな負荷に耐えることができます。アンギュラ軸受と同様、対で使用します。ころの加工精度がシビアなため、最も高価です。

⑥針状ころ軸受（ニードルベアリング）

長さが直径に比べ長い針状ころ（直径5mm以下）を用いた軸受です。他の形式の転がり軸受に比べて、スペースの割に負荷容量と剛性が大きいことや、慣性力が小さいなどの特長があります。機械の小型化、軽量化に役立つ軸受です。

⑦自動調心玉軸受、自動調心ころ軸受

外輪の軌道面が受の中心と一致し、その軌道面が球面なので、内輪、玉（またはころ）、および保持器は、外輪に対して自由に傾くことができる調心性をもつ軸受です。

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転がり軸受の呼び番号

転がり軸受を分類するための呼び番号は、基本番号と補助番号からなります。

呼び番号＝基本番号＋補助番号

①基本番号

基本番号は、軸受系列記号、内径記号、接触角記号からなり、軸受系列記号は形式記号、幅系列記号、直径列記号に分かれています。

②補助記号

補助記号は、材料記号、保持器記号、シール記号・シールド記号、軌道輪形状記号、組み合わせ記号、すきま記号、等級記号などから構成されています。

例として、6201ZZC3という記号の読み方を見てみます。この場合は6201が基本番号、ZZC3が補助記号です。

まず最初の6は深溝玉軸受であることを表しており、次の2は直径列、01は呼び内径がφ12であることを表しています。次のZZは軸受部が両シールド付き形状であること、最後のC3は内部すきまが普通すきまより大であることを表しています。

ちなみに内径番号が04以上では、軸の直径は内径番号の５倍になっています。

転がり軸受の寿命

転がり軸受には、球やころなどの転動体と内外輪の接触部に応力が繰り返し作用します。それが長時間継続すると、材料の疲労によって、接触部にはく離が生じる場合があります。これをフレーキングと呼びます。

転がり荷重の定格荷重（Ln）とは、同じ軸受を同じ条件でそれぞれ運転したときに、そのうちの90%が繰返し応力による疲労や摩耗などによって、剥離現象が生じることなく回転できる総回転数（または総運転時間）のことです。

定格寿命が100万回転になるような荷重を基本動定格荷重（C）といい、これは転がり軸受の形式と寸法が決まれば一定の値になります。また、転がり軸受が静止中に荷重を受けたときに、最大応力を受ける転動体と軌道輪の接触部の永久変形の和が、転動体の直径の1/10000となるような荷重を基本静定格荷重（C0）といいます。

定格荷重（Ln）は、100万回転を単位として、軸受荷重（P）と基本動定荷重（C）を用いて、次式で表されます。

例えば、6200番の単列深溝型軸受の基本、動定格荷重Cは5kNです。この軸受が100rpmの回転速度で1日8時間運転したとき、その回転数は1時間で100rpm×60分＝6000回転、1日で6000回転×8時間＝48000回転になります。この軸受が定格寿命に達するのは、100万回転との比を求めることによって、次のように計算できます。

これは21日後に10%の軸受にはく離が生じることを表しています。

以下に転がり軸受の寿命時間の目安を示します。

転がり軸受の寿命は、軸受にどのような荷重が加わるかによっても影響されます。衝撃や振動がある荷重が軸受に加わる場合には、荷重平均値の1.5倍の荷重が加わるとして計算します。また回転時の騒音を抑える必要があったり、非常に高い回転精度を必要とするような場合には、実際に加わる荷重の2倍の荷重が加わるとして軸受の選定を行います。

転がり軸受の許容回転数

転がり軸受の回転数を増加させるに従い、転動体と軌道輪の間の摩擦によって、軸受の温度が上昇します。ある一定以上の回転数で回転させると温度上昇が激しくなり、転動体と軌道輪が焼き付くなど軸受としての機能を果たせなくなってしまいます。そのためそれぞれ軸受には、許容回転数として、回転可能な回転数が明示されています。許容回転数は、潤滑に用いる油によってその値が異なり、グリース潤滑と油潤滑では油潤滑の許容回転数のほうが高くなっています。

転がり軸受の許容回転数を表す数値としてdn（軸内径［mm］×回転数［rpm］）が慣例的によく使われます。転がり軸受のdn値は、通常、50万程度です。

転がり軸受の精度

転がり軸受の精度としては、JI 0級から、6級、5級、4級、2級という順で精度が高くなる規格が制定されています。精度には、寸法精度と回転精度が規定されています。寸法精度は、軸受を軸やハウジングに取り付ける際に必要となる軸受各部の寸法精度です。回転精度は、回転時の軸振れを規定しており、軸が種々の働きをする際に必要となる精度です。

下記のような場合には、5級以上の精度の軸受を使用するのが望ましいです。

1. 回転体の振れを小さくする場合：HDD用スピンドル、工作機械の主軸など。
2. 高速回転の場合：過給機、遠心分離機、高周波モータスピンドルなど。
3. 軸受摩擦および摩擦変動を小さくする場合：ジャイロ、サーボモータなど。

転がり軸受の潤滑法

転がり軸受では、軌道輪内で転動体が転がることになりますが、両者の表面が直接接触しながら回転した場合には、表面温度が異常に高温となり、すぐに表面が破損してしまいます。よって両表面が直接接触することがないように、通常、転がり軸受では油やグリースによる潤滑が行われます。

グリース潤滑は、取り扱い、保守が容易であることから、転がり軸受の潤滑法として広く使用されています。まずはグリース潤滑で検討します。

しかし、高速回転スピンドルなどの高速回転や冷却作用が必要な場合には、油潤滑が使用されます。

 

次回は転がり軸受の取付け方等についてお話しします。

 

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• 参考文献

1. 「続・実際の設計」実際の設計研究所著、日刊工業新聞社、2017
2. 「絵とき機械要素基礎のきそ」門田和雄著、日刊工業新聞社、2006年
3. 「はじめての機械要素」吉本成香著、森北出版、2017年
4. 「使用実績に基づく機械要素の実用設計」宗　孝著、日刊工業新聞社、1985年
5. 「機械要素入門１」林　洋次著、実教出版、2014年