

ボールベアリングは、ボールを使用してベアリングレース間の間隔を維持する転がり軸受の一種です。
ボールベアリングの目的は、回転摩擦を低減し、ラジアル荷重とアキシアル荷重を支えることです。この目的は、少なくとも2つのレースを用いてボールを収容し、ボールを介して荷重を伝達することで実現します。ほとんどの用途では、一方のレースは固定され、もう一方のレースは回転する部品(ハブやシャフトなど)に取り付けられます。一方のレースが回転すると、ボールも回転します。ボールは転がり運動をするため、2つの平面が互いに滑り合う場合に比べて 摩擦係数ははるかに低くなります。
ボールベアリングは、ボールとレースの接触面積が小さいため、他の種類の転がり軸受に比べてサイズに対して 負荷容量が低くなる傾向があります。ただし、内輪と外輪のある程度のずれは許容できます。
一般的なボールベアリングの設計には、アンギュラコンタクト、アキシャル、深溝、予圧ペアなどがあります。ボールベアリング内のボールも様々な構成が可能です。ボールベアリングは、スケートボードや遠心ポンプなど、幅広い用途に使用されています。
ベアリングは古代から開発されていましたが、ボールベアリングに関する最初の近代的な特許は、ウェールズの発明家で鉄工のフィリップ・ヴォーンに与えられました。彼は1794年にカーマーゼンで最初のボールベアリングの設計を考案しました。彼の設計は、ボールが車軸アセンブリの溝に沿って動く、最初の近代的なボールベアリングの設計でした。[ 1 ]
パリの自転車整備士ジュール・スリレーは1869年に世界初のラジアル式ボールベアリングを設計し[ 2 ]、それが1869年11月に行われた世界初の自転車ロードレース、パリ・ルーアンでジェームズ・ムーアが乗った優勝自転車に取り付けられました[ 3 ] 。
ボールベアリングにはいくつかの一般的な設計があり、それぞれに異なる性能上のトレードオフがあります。ステンレス鋼、クロム鋼、セラミック(窒化ケイ素、Si 3 N 4)など、様々な材料で作られます。ハイブリッドボールベアリングは、セラミックボールと金属レースを組み合わせたベアリングです。
アンギュラコンタクトボールベアリングは、軸方向に非対称なレースを使用します。アキシアル荷重はベアリングを直線的に通過しますが、ラジアル荷重は斜めの経路をたどり、レースを軸方向に分離する作用をします。そのため、内輪の接触角は外輪の接触角と同じになります。アンギュラコンタクトベアリングは複合荷重(ラジアル方向とアキシアル方向の両方の荷重)をより適切にサポートするため、ベアリングの接触角はそれぞれの相対的な割合に合わせて調整する必要があります。接触角が大きいほど(通常10~45度の範囲)、サポートされるアキシアル荷重は大きくなりますが、ラジアル荷重は小さくなります。タービン、ジェットエンジン、歯科機器などの高速用途では、ボールによって発生する遠心力によって内輪と外輪の接触角が変化します。このような用途では、密度が低い(鋼鉄の40%)ため、窒化ケイ素などのセラミックが現在広く使用されています。これらの材料は遠心力を大幅に低減し、高温環境でも優れた性能を発揮します。また、ガラスや磁器のように割れたり砕けたりするのではなく、ベアリング鋼と同様の摩耗特性を示します。ほとんどの自転車のヘッドセットにはアンギュラーコンタクトベアリングが使用されています。これは、これらのベアリングにかかる力がラジアル方向とアキシアル方向の両方向に作用するためです。
アキシャルボールベアリングまたはスラストボールベアリングは、サイドバイサイドのレースを使用します。アキシャル荷重はベアリングを介して直接伝達されますが、ラジアル荷重は支持が不十分でレースが分離する傾向があるため、大きなラジアル荷重はベアリングを損傷する可能性があります。

深溝ラジアル軸受では、レース寸法は、その中を転がるボールの寸法とほぼ等しくなります。深溝軸受は、浅い溝を持つ軸受よりも高い荷重を支えます。アンギュラコンタクト軸受と同様に、深溝軸受はラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を支えますが、接触角を選択できないため、これらの荷重容量の相対的な割合を選択することはできません。

上記の基本的なタイプのベアリングは、通常、予圧ペア方式で使用されます。この方式では、2 つの個別のベアリングが互いに向き合うように回転シャフトに沿ってしっかりと固定されます。これにより、ベアリングのボールとレースの間に必要なわずかな隙間が取られる (予圧がかけられる) ため、軸方向の振れが改善されます。ペアリングには、荷重が均等に分散されるという利点もあり、1 つのベアリングに比べて総荷重容量がほぼ 2 倍になります。アンギュラー コンタクト ベアリングは、ほとんどの場合、対向するペアで使用されます。各ベアリングの非対称設計では、1 方向の軸方向荷重しかサポートされないため、アプリケーションで両方向のサポートが必要な場合は、対向するペアが必要になります。予圧力はベアリングの軸方向力容量から差し引かれ、過度に適用されるとベアリングが損傷する可能性があるため、設計および組み立ては慎重に行う必要があります。ペアリング メカニズムでは、ベアリングを直接向き合わせることも、シム、ブッシング、またはシャフト フィーチャを使用して分離することもできます。


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ベアリングの寿命は、ベアリングが受ける荷重と動作速度に基づいて計算されます。業界標準のベアリングの使用可能寿命は、ベアリング荷重の3乗に反比例します。ベアリングの公称最大荷重は100万回転の寿命であり、50Hz(つまり3000RPM)では5.5時間の稼働時間となります。このタイプのベアリングの90%は少なくともこの寿命を持ち、50%は少なくともその5倍の寿命を持ちます。[ 7 ]
業界標準の寿命計算は、1947年に行われたLundbergとPalmgrenの研究に基づいています。この式は、寿命が金属疲労によって制限され、寿命分布がワイブル分布で記述されると仮定しています。この式には、材料特性、潤滑、荷重などの要素を考慮した多くのバリエーションがあります。荷重を考慮することは、現代の材料がLundbergとPalmgrenが決定した荷重と寿命の関係とは異なることを暗黙のうちに認めていると言えるかもしれません。[ 7 ]
ベアリングが回転していない場合、最大荷重は、部品または軌道面の塑性変形を引き起こす力によって決まります。部品によって生じる圧痕は応力を集中させ、部品に亀裂を生じさせる可能性があります。回転していない、または非常にゆっくりと回転しているベアリングの最大荷重は、「静的」最大荷重と呼ばれます。[ 7 ]
また、ベアリングが回転していない場合、ベアリングにかかる振動力によってベアリングレースまたは転動体に衝撃損傷が生じる可能性があります。これはブリネリングと呼ばれます。2つ目の軽微な現象は、ベアリングが短い円弧を描いて回転し、転動体から潤滑剤を押し出すことで発生する 偽ブリネリングです。
回転ベアリングの場合、動的負荷容量はベアリングが 1,000,000 サイクルに耐える負荷を示します。
ベアリングが回転しているが、1回転未満の短い期間の大きな荷重を受ける場合、ベアリングは最大荷重の間回転しないため、計算では静的最大荷重を使用する必要があります。[ 7 ]
深溝ラジアル軸受に横方向のトルクが作用すると、転動体によって外輪に楕円形の不均一な力が作用し、外輪の両側の2つの領域に集中します。外輪の強度が不十分であったり、支持構造によって外輪が十分に支えられていない場合、横方向のトルク応力によって外輪は楕円形に変形し、転動体が抜け落ちるほどの隙間が生じます。すると内輪が飛び出し、軸受の構造が破壊されます。
ラジアル軸受に横方向のトルクがかかると、転動体が横方向のトルクが最も大きい箇所で全て一緒に滑ろうとするため、転動体を等間隔に保持するケージにも圧力がかかります。ケージが潰れたり破損したりすると、転動体が凝集し、内輪が支持力を失い、中心から飛び出す可能性があります。
一般的に、ボールベアリングの最大荷重は、ベアリングの外径とベアリングの幅(幅は車軸方向に測定)の積に比例します。[ 7 ]
ベアリングには静定格荷重があります。これは、軌道面の塑性変形が一定量を超えないことを前提としています。用途によっては、これらの定格荷重を大幅に超過する場合があります。
ベアリングが適切に動作するには、潤滑が必要です。多くの場合、潤滑剤は弾性流体力学的効果(オイルまたはグリース)に基づいていますが、極度の温度で動作する場合は、乾式潤滑ベアリングも利用可能です。
ベアリングが公称最大負荷で公称寿命を維持するには、そのベアリングに推奨される最小動粘度(通常はギリシャ文字で表される)以上の潤滑剤(オイルまたはグリース)で潤滑する必要があります。 [ 7 ]
推奨される動粘度はベアリングの直径に反比例します。[ 7 ]
推奨される動粘度は回転数とともに低下します。大まかな目安として、 3000 RPM未満では、回転数が10倍減少すると推奨粘度は6倍に増加し、 3000 RPMを超えると、回転数が10倍増加すると推奨粘度は3倍に減少します。[ 7 ]
ベアリング外径と車軸穴の直径の平均が50 mmで、3000 RPMで回転するベアリングの場合、推奨される動粘度は12 mm 2 /sです。[ 7 ]
油の動粘度は温度によって大きく変化することに注意してください。温度が50~70℃上昇すると粘度は10分の1に減少します。[ 7 ]
潤滑油の粘度が推奨値よりも高い場合、ベアリングの寿命は粘度の平方根にほぼ比例して延びます。潤滑油の粘度が推奨値よりも低い場合、ベアリングの寿命は短くなりますが、その差は使用するオイルの種類によって異なります。EP(極圧)添加剤入りオイルの場合、寿命は粘度が高すぎる場合と同様に動粘度の平方根に比例します。一方、一般的なオイルの場合、推奨値よりも低い粘度を使用した場合、寿命は粘度の平方根に比例します。[ 7 ]
潤滑はグリースで行います。グリースの利点としては、グリースは通常ベアリング内に保持され、ボールによって圧縮されると潤滑油が放出されるという点があります。グリースはベアリング金属を環境から保護するバリアとして機能しますが、定期的に交換する必要があり、ベアリングの最大荷重が低下するという欠点もあります(ベアリングが過度に熱くなるとグリースが溶けてベアリングから流れ出てしまうため)。グリース交換間隔はベアリングの直径に応じて大幅に短くなります。40 mmのベアリングでは5000稼働時間ごとにグリースを交換する必要がありますが、100 mmのベアリングでは500稼働時間ごとに交換する必要があります。[ 7 ]
潤滑にはオイルを使用することもできますが、最大負荷が高いという利点がありますが、通常はオイルがなくなる傾向があるため、ベアリング内のオイルを維持する何らかの方法が必要です。オイル潤滑の場合、オイルの温度が50℃を超えない用途では1年に1回の交換が推奨されますが、オイルの温度が100℃を超えない用途では1年に4回の交換が推奨されます。自動車のエンジンの場合、オイルは100℃になりますが、エンジンにはオイルの品質を維持するためにオイルフィルターが装備されているため、通常、ベアリングのオイルよりも交換頻度は低くなります。[ 7 ]
軸受が振動下で使用される場合は、油潤滑が推奨されます。[ 8 ]グリース潤滑が必要な場合は、発生するパラメータに合わせて組成を調整する必要があります。可能であれば、ブリード率が高く、基油粘度が低いグリースが推奨されます。[ 9 ]
ほとんどのベアリングは、車軸に対して垂直な荷重(「ラジアル荷重」)を支えるように設計されています。軸方向の荷重も支えられるかどうか、また支えられる場合はどの程度支えられるかは、ベアリングの種類によって異なります。スラストベアリング(回転台などによく見られる)は、軸方向の荷重に特化して設計されています。[ 7 ]
SKFの資料によると、単列深溝玉軸受の場合、最大軸方向荷重は最大ラジアル荷重の約50%ですが、「軽量」および/または「小型」軸受は最大ラジアル荷重の25%の軸方向荷重に耐えることができるとも記載されています。[ 7 ]
単列エッジコンタクトボールベアリングの場合、軸方向荷重は最大ラジアル荷重の約2倍になり、コーンベアリングの場合、最大軸方向荷重は最大ラジアル荷重の1~2倍になります。[ 7 ]
コンラッド型ボールベアリングは、軸方向荷重を受けると接触楕円が切断されることがよくあります。これは、外輪の内径が大きすぎるか、内輪の外径が小さすぎるため、ボールと軌道面の接触面積が減少することを意味します。このような場合、ベアリング内の応力が大幅に増加し、ラジアル荷重と軸方向荷重の容量の関係に関する経験則が当てはまらないことがよくあります。コンラッド型以外の構造では、外輪の内径をさらに小さくし、内輪の外径を大きくすることで、この現象を防ぐことができます。
軸方向荷重とラジアル方向荷重の両方が存在する場合、それらをベクトル的に加算してベアリングにかかる総荷重を算出し、これを公称最大荷重と組み合わせて寿命を予測することができます。[ 7 ]ただし、ボールベアリングの定格寿命を正しく予測するには、計算ソフトウェアを使用してISO / TS 16281を使用する必要があります。
ベアリングの回転する部分(軸穴または外周)は固定する必要がありますが、回転しない部分は固定する必要はありません(スライドさせることができます)。ベアリングに軸方向の荷重がかかる場合は、両側を固定する必要があります。[ 7 ]
車軸に2つのベアリングがあり、温度変化によって車軸が収縮または膨張する場合、両方のベアリングを両側で固定することは許容されません。車軸の膨張によって軸方向の力が作用し、ベアリングが破損する可能性があるためです。したがって、少なくとも1つのベアリングはスライド可能である必要があります。[ 7 ]
「自由に滑り合う」とは、少なくとも4μmの隙間がある状態を指します。これは、旋盤で作られた表面の表面粗さが通常1.6~3.2μmであるためと考えられます。[ 7 ]
ベアリングは、嵌合部品が適切なサイズに設計されている場合にのみ、最大荷重に耐えることができます。ベアリングメーカーは、この要件を満たすために、シャフトとハウジングのはめあい公差を提供しています。材質と硬度も指定される場合があります。[ 7 ]
滑り止めが必要な継手は、滑りを防止する直径で作られているため、嵌合面は力を加えなければ所定の位置にはめ込むことができません。小型ベアリングの場合、ハンマーで叩くとベアリングとシャフトの両方が損傷するため、プレス機を使用するのが最適です。一方、大型ベアリングの場合は必要な力が非常に大きいため、取り付け前に部品を加熱し、熱膨張によって一時的に滑り嵌めを行う以外に方法はありません。[ 7 ]
シャフトが2つのベアリングで支えられており、これらのベアリングの回転中心線が一致していない場合、ベアリングに大きな力が加わり、破損する可能性があります。ごくわずかなミスアライメントは許容されますが、その程度はベアリングの種類によって異なります。「自動調心」設計のベアリングの場合、許容されるミスアライメントは1.5~3度です。自動調心設計ではないベアリングでは、2~10分角(0.033~0.166度)のミスアライメントしか許容されません。[ 7 ]
一般的に、ボールベアリングは可動部品を含むほとんどの用途に使用されます。これらの用途の中には、特定の特性と要件を持つものもあります。
内径または外径(両方ではない)が同じ場合、シリーズが大きくなるにつれてボールのサイズも大きくなります。ボールが大きいほど、耐荷重性も高くなります。シリーズ200と300が最も一般的です。[ 4 ]
ハリソンがH-3用に開発した斬新な減摩装置、つまりケージ付きボールベアリングは現在も使われています。