ボールベアリング

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、回転摩擦を減らし、ラジアル荷重と軸方向荷重を支えることです。この目的を達成するには、少なくとも 2 つのレースを使用してボールを収容し、ボールを介して荷重を伝達します。ほとんどのアプリケーションでは、1 つのレースは固定され、もう 1 つは回転アセンブリ (ハブまたはシャフトなど) に取り付けられます。ベアリング レースの 1 つが回転すると、ボールも回転します。ボールは転がるため、2 つの平面が互いに滑っている場合よりも 摩擦係数が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する 負荷容量が低くなる傾向があります。ただし、内輪と外輪の多少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、およびプリロード ペアがあります。ボール ベアリング内のボールもさまざまな方法で構成できます。ボール ベアリングは、スケートボードや遠心ポンプなど、幅広い用途で使用されています。

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、1794年にカーマーゼンでボールベアリングの最初の設計を作成したウェールズの発明家であり鉄工職人であるフィリップ・ヴォーンに与えられました。彼の設計は、車軸アセンブリの溝に沿ってボールが動く、最初の近代的なボールベアリングでした。^[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型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、それぞれにさまざまなパフォーマンスのトレードオフがあります。これらは、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、さまざまな材料から作ることができます。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備えたベアリングです。

角度接触

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。軸方向の荷重はベアリングを直線で通過しますが、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働きをします。そのため、内レースの接触角は外レースの接触角と同じです。アンギュラコンタクト ベアリングは複合荷重 (ラジアル方向と軸方向の両方の荷重) 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)、サポートされる軸方向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アプリケーションでは、ボールによって発生する遠心力によって内レースと外レースの接触角が変わります。このようなアプリケーションでは、密度が低い (鋼の 40%) ため、現在では窒化ケイ素などのセラミックが頻繁に使用されています。これらの材料は遠心力を大幅に低減し、高温環境でも良好に機能します。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、ベアリング鋼と同じように摩耗する傾向があります。ほとんどの自転車では、ヘッドセットにアンギュラ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​​力が半径方向と軸方向の両方向にあるためです。

軸方向

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、並列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、ラジアル荷重はサポートが不十分でレースが分離する傾向があるため、ラジアル荷重が大きいとベアリングが損傷する可能性があります。

深溝

深溝ラジアル ベアリングでは、レースの寸法は、その中を走るボールの寸法に近くなります。深溝ベアリングは、浅い溝のベアリングよりも高い荷重をサポートします。アンギュラ コンタクト ベアリングと同様に、深溝ベアリングはラジアル荷重と軸方向荷重の両方をサポートしますが、接触角度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。

プリロードされたペア

上記の基本的なタイプのベアリングは、通常、予圧ペア方式で適用されます。この方式では、2 つの個別のベアリングが回転シャフトに沿って互いに向き合うように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クリアランスが確保される (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、単一のベアリングと比較して総荷重容量がほぼ 2 倍になります。アンギュラ 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は、一方向の軸方向荷重のみをサポートするため、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です。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を損傷する可能性があるため、慎重に設計および組み立てる必要があります。ペアリング メカニズムでは、ベアリングを直接向かい合わせることも、シム、ブッシング、またはシャフト機能で分離することもできます。

コンラッド

コンラッド型ボールベアリングは、発明者のロバート・コンラッドにちなんで名付けられました。ロバート・コンラッドは、1903 年に英国特許 12,206、1906 年に米国特許 822,723 を取得しました。これらのベアリングは、内輪を外輪に対して偏心した位置に配置し、2 つのリングが 1 点で接触するようにして組み立てられ、接触点の反対側に大きな隙間が生じます。ボールは隙間に挿入され、ベアリング アセンブリの周りに均等に分散され、リングが同心円状になります。組み立ては、ボールにケージを取り付けて、ボール同士の位置関係を維持することで完了します。ケージがないと、ボールは動作中に最終的に位置がずれ、ベアリングが故障します。ケージは荷重を支えず、ボールの位置を維持するためだけに機能します。コンラッド ベアリングには、ラジアル荷重と軸方向荷重の両方に耐えられるという利点がありますが、ベアリング アセンブリに装填できるボールの数が限られているため、荷重容量が低くなるという欠点があります。おそらく最もよく知られている工業用ボールベアリングは、深溝コンラッド型です。このベアリングは、ほとんどの機械産業で使用されています。

スロットフィル

スロットフィルラジアル ベアリングでは、内輪と外輪の片面に切り込みが入れられており、切り込みを合わせると、できたスロットにボールを差し込んでベアリングを組み立てることができます。スロットフィル ベアリングには、より多くのボールを組み立てることができる (フル コンプリメント設計も可能) という利点があり、同じ寸法と材質のコンラッド ベアリングよりもラジアル荷重容量が高くなります。ただし、スロットフィル ベアリングは大きな軸方向荷重を支えることができず、スロットによってレースに不連続が生じ、強度にわずかながら悪影響を与える可能性があります。

ほっとしたレース

リリーフ レース ボール ベアリングは、その名前が示すように、片側の内輪の外径を小さくするか、片側の外輪の内径を大きくすることで「リリーフ」されます。これにより、より多くのボールを内輪または外輪に組み付け、リリーフの上に​​圧入することができます。組み立てを容易にするために、外輪を加熱することもあります。スロット フィル構造と同様に、リリーフ レース構造では、コンラッド構造よりも多くのボール (フル コンプリメントを含む) を使用でき、ボール数が増えると負荷容量も増えます。ただし、リリーフ レース ベアリングは、1 方向 (リリーフ レースから「離れる」方向) の大きな軸方向負荷しかサポートできません。

分裂した人種

ラジアル ボール ベアリングにボールをさらに取り付ける別の方法は、リングの 1 つをラジアル方向に完全に「破断」 (スライス) し、ボールを装填して破断部分を再度組み立て、次に 2 本のスチール バンドを使用して破断したリング部分を一列に保持することです。この場合も、ボールを完全に補填するなど、より多くのボールを使用できますが、スロット フィルまたはリリーフ レース構造とは異なり、どちらの方向でも大きな軸方向荷重をサポートできます。

行

2列設計があります。単列ベアリングと複列ベアリングです。ほとんどのボールベアリングは単列設計で、つまりベアリングボールが1列あります。この設計は、ラジアル荷重とスラスト荷重で機能します。^[4]複列設計には、ベアリングボールが2列あります。単列と比較した複列ベアリングの利点は、両方向のラジアル荷重と軸方向荷重に耐えられることです。複列アンギュラコンタクトボールベアリングは急勾配で取り付けられているため、傾斜の影響も受けます。複列ベアリングのその他の利点は、剛性とコンパクトさです。欠点は、単列ベアリングよりも優れたアライメントが必要になることです。

フランジ付き

外輪にフランジが付いたベアリングは、軸方向の位置決めが簡単になります。このようなベアリングのハウジングは、均一な直径の貫通穴で構成できますが、ハウジングの入口面 (外面または内面のいずれか) は、穴の軸に対して垂直に機械加工する必要があります。ただし、このようなフランジは製造コストが非常に高くなります。同様の利点があり、ベアリング外輪をよりコスト効率よく配置する方法は、外径の両端または片側にスナップ リング溝を設けることです。スナップ リングはフランジの役割を果たします。

檻に入れられた

ケージは、コンラッド スタイルのボール ベアリングでボールを固定するために一般的に使用されます。他の構造タイプでは、ケージの形状によってはボールの数が少なくなり、負荷容量が減少する場合があります。ケージがない場合、接線位置は 2 つの凸面が互いに滑ることで安定します。ケージがある場合、接線位置は、対応する凹面内で凸面が滑ることで安定し、ボールのへこみを防ぎ、摩擦が低くなります。ケージ付きローラー ベアリングは、 18 世紀半ばにジョン ハリソンがクロノグラフの研究の一環として発明しました。^[5]

セラミックボールを使用したハイブリッドボールベアリング

セラミック ベアリング ボールは、サイズと材質によって異なりますが、スチール製のものより最大 40% 軽量です。これにより遠心荷重と横滑りが軽減されるため、ハイブリッド セラミック ベアリングは従来のベアリングより 20% ～ 40% 高速で作動します。つまり、ベアリングが回転するときに、外側のレース溝がボールに対して内側に及ぼす力が少なくなります。この力の減少により、摩擦と転がり抵抗が減少します。ボールが軽いため、ベアリングの回転速度が速くなり、速度を維持するために必要な電力が少なくなります。セラミック ボールは通常、レースより硬いです。摩耗により、時間の経過とともにレースに溝が形成されます。ボールが摩耗すると、フラット スポットが発生してパフォーマンスが大幅に低下する可能性があるため、これは好ましい方法です。セラミック ハイブリッド ベアリングは、スチール製のボールの代わりにセラミック ボールを使用しますが、スチール製の内輪と外輪で構成されているため、ハイブリッドと呼ばれます。セラミック素材自体はスチールよりも強度がありますが、剛性も高いため、リングにかかる​​応力が増加し、負荷容量が低下します。セラミック ボールは電気的に絶縁性があるため、ベアリングに電流が流れた場合に発生する「アーク」障害を防ぐことができます。セラミック ボールは、潤滑剤が使用できない環境 (宇宙用途など) でも効果を発揮します。設定によっては、金属ボール ベアリングに薄いセラミック コーティングのみが使用されます。

フルセラミックベアリング

これらのベアリングは、セラミック製のボールとレースの両方を使用しています。これらのベアリングは腐食しにくく、潤滑剤をまったく必要としないか、ほとんど必要ありません。ボールとレースの剛性と硬さのため、これらのベアリングは高速で騒音を発します。セラミックの剛性により、これらのベアリングは脆くなり、負荷や衝撃を受けると割れやすくなります。ボールとレースの硬度はどちらも同じであるため、高速で磨耗するとボールとレースの両方が欠け、火花が出ることがあります。

自動調整

写真に示されているウィングクヴィストベアリングなどの自動調心ボールベアリングは、球面軌道を持つ外輪内に内輪とボールアセンブリが収められています。この構造により、ベアリングはシャフトやハウジングのたわみや不適切な取り付けによって生じる小さな角度のずれを許容できます。このベアリングは主に、繊維工場のトランスミッションシャフトなど、非常に長いシャフトを備えたベアリング配列で使用されていました。^[6]自動調心ボールベアリングの欠点の1つは、外側のレースウェイの接触が非常に小さい（半径がボールの半径よりもはるかに大きい）ため、定格荷重が限られていることです。これが、同様の設計でボールの代わりにローラーを使用する球面ローラーベアリングの発明につながりました。球面ローラースラストベアリングは、ウィングクヴィストの発見から派生したもう1つの発明です。

ベアリングの寿命は、ベアリングが支える負荷と動作速度に基づいて計算されます。業界標準の使用可能なベアリングの寿命は、ベアリングの負荷の3乗に反比例します。^[要出典]ベアリングの公称最大負荷は、100万回転の寿命であり、50Hz（つまり3000RPM）では5.5時間の稼働時間です。このタイプのベアリングの90％は少なくともその寿命を持ち、50％のベアリングは少なくとも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。この式では、寿命は金属疲労によって制限され、寿命分布はワイブル分布で記述できると仮定しています。この式には、材料特性、潤滑、荷重などの要素を含む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が決定したものとは異なる荷重と寿命の関係を示していることを暗黙のうちに認めているものと見なすことができます。^[7]

ベアリングが回転していない場合、最大荷重は要素またはレースウェイの塑性変形を引き起こす力によって決まります。要素によって生じたへこみは応力を集中させ、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による損傷が発生する可能性があり、これをブリネリングと呼びます。2 つ目のより軽微な形態である偽ブリネリングは、ベアリングが短い円弧を描いて回転するだけの場合、転動体から潤滑剤を押し出すことで発生します。

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回転未満の重い負荷を受ける場合、ベアリングは最大負荷の間回転しないため、計算には静的最大負荷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加わると、転動体によって外輪に楕円形の不均一な力が加わり、外輪の反対側の 2 つの領域に集中します。外輪の強度が十分でない場合、または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、隙間が大きくなり転動体が逃げ出します。その後、内輪が飛び出し、軸受の構造が崩壊します。

ラジアル ベアリングの横方向のトルクは、横方向のトルクが最も大きい場所で転動体がすべて一緒にスライドしようとするため、転動体を等間隔で保持するケージにも圧力をかけます。ケージが潰れたり壊れたりすると、転動体が集まり、内輪が支えを失い、中心から飛び出すことがあります。

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（幅は車軸の方向に測定）の積に比例します。^[7]

ベアリングには静的荷重定格があります。これは、レースウェイの塑性変形が一定量を超えないことに基づいています。特定の用途では、これらの定格が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。ほとんどの場合、潤滑剤は弾性流体力学的効果（オイルまたはグリースによる）に基づいていますが、極端な温度で動作する場合は、乾式潤滑ベアリングも使用できます。

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示される）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]${\displaystyle \nu }$

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は、 3000 RPM未満では、速度が10倍低下すると推奨粘度は6倍に増加し、 3000 RPMを超えると、速度が10倍増加すると推奨粘度は3倍に減少します。^[7]

ベアリングの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倍減少します。^[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、その短さ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が、通常のオイルの場合、推奨値よりも低い粘度を使用すると、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うことができます。グリースの利点は、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を放出することです。グリースはベアリング金属を環境から保護するバリアを提供しますが、このグリースは定期的に交換する必要があり、ベアリングの最大負荷が減少するという欠点があります（ベアリングが熱くなりすぎると、グリースが溶けてベアリングからなくなるため）。グリースの交換間隔は、ベアリングの直径とともに大幅に短くなります。40 mmのベアリングの場合、グリースは5000稼働時間ごとに交換する必要がありますが、 100 mmのベアリングの場合は500稼働時間ごとに交換する必要があります。^[7]

潤滑はオイルで行うこともできるが、最大負荷が高いという利点があるが、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ある。オイル潤滑の場合、オイルが50℃を超えない用途ではオイルを1年に1回交換し、オイルが100℃を超えない用途ではオイルを1年に4回交換することが推奨される。自動車のエンジンの場合、オイルは100℃になるが、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付いているため、通常、オイルはベアリングのオイルよりも交換頻度が低い。^[7]

ベアリングが振動下で使用される場合は、オイル潤滑が望ましい。^[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、ベースオイル粘度が低いグリースが望ましい。^[9]

ほとんどのベアリングは、車軸に垂直な荷重（「ラジアル荷重」）を支えるためのものです。ベアリングが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（回転台によく見られる）は、軸方向の荷重用に特別に設計されています。^[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られ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]

多くの場合、コンラッド スタイルのボール ベアリングは、軸方向の負荷を受けると接触楕円が切断されます。これは、外輪の ID が十分に大きいか、内輪の OD が十分に小さいため、ボールとレースウェイの接触面積が減少することを意味します。この場合、ベアリングの応力が大幅に増加する可能性があり、ラジアル荷重容量と軸方向荷重容量の関係に関する経験則が無効になることがよくあります。コンラッド以外の構造タイプでは、外輪の ID をさらに小さくし、内輪の OD を大きくすることで、これ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、温度が変化すると車軸が収縮または膨張するため、両方のベアリングを両側に固定することは認められません。車軸の膨張により軸方向の力が加わり、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なければなりません。^[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、嵌合部品のサイズが適切であ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、これを実現できるようにシャフトとハウジングの嵌合公差を提供しています。材質と硬度も指定できます。^[7]

滑り止めが必要な継手は滑り止めの直径で作られているため、力を加えなければ接合面を所定の位置に配置することはできません。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、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て熱膨張により一時的に滑り嵌めできるようにする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同じでない場合、ベアリングに大きな力が加わり、ベアリングが破損する可能性があります。ごくわずかなずれは許容されますが、どの程度のずれが許容されるかはベアリングの種類によって異なります。特に「自動調整」するように作られたベアリングの場合、許容されるずれは 1.5 度から 3 度の円弧です。自動調整用に設計されていないベアリングは、2 分から 10 分の円弧 (0.033 度から 0.166 度) のずれしか許容できません。^[7]

一般的に、ボール ベアリングは可動部品が関係するほとんどのアプリケーションで使用されます。これらのアプリケーションの一部には、特定の機能と要件があります。

• コンピュータのファンや回転装置のベアリングは、かつては球面性が高く、球面加工形状としては最適と言われていましたが、ハードディスクドライブではそうではなく、流体ベアリングに置き換えられつつあります。
• 時計製造では、ジャン・ラサール社がボールベアリングを使用してムーブメントの厚さを減らした時計ムーブメントを設計しました。0.20 mmのボールを使用したキャリバー1200の厚さはわずか1.2 mmで、これは現在でも最も薄い機械式時計ムーブメントです。^[10]
• 航空宇宙用ベアリングは、プーリー、ギアボックス、ジェットエンジンシャフトなど、商用、個人用、軍用航空機のさまざまな用途に使用されています。材料には、M50 工具鋼 (AMS6491)、炭素クロム鋼 (AMS6444)、耐腐食性 AMS5930、440C ステンレス鋼、窒化ケイ素(セラミック)、チタンカーバイドコーティング 440C などがあります。
• スケートボードの車輪には 2 つのベアリングが含まれており、軸方向と半径方向の両方の時間変動荷重を受けます。最も一般的に使用されるベアリングは 608-2Z (シリーズ 60 の 8 mm ボア直径の深溝玉軸受) です。
• 初心者用からプロ用、競技用まで、多くのヨーヨーにはボールベアリングが組み込まれています。
• 多くのハンドスピナーのおもちゃは、重量を増やしておもちゃを回転させるために、複数のボールベアリングを使用しています。
• 遠心ポンプの場合。
• 鉄道機関車の車軸ジャーナル。鉄道がディーゼル エンジンに転換される前の最新の高速蒸気機関車のサイド ロッド アクション。

ボールのサイズはシリーズが大きくなるにつれて大きくなります。内径または外径（両方ではない）が与えられている場合も同様です。ボールが大きいほど、耐荷重能力が高くなります。シリーズ200と300が最も一般的です。^[4]

• ボールねじ - 低摩擦リニアアクチュエータ
• ベアリング専門家協会 – アメリカの業界団体
• 直線運動ベアリング – 一方向の自由な動きを提供するように設計された機械式ベアリング
• ローラーベアリング

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