ボールベアリング

アンギュラ玉軸受は、軸方向に非対称な軌道面を使用します。軸方向荷重は軸受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、軌道面を軸方向に分離するように作用します。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。アンギュラ玉軸受は複合荷重（ラジアル方向と軸方向の両方の荷重）をよりよく支えることができ、軸受の接触角はそれぞれの荷重の比率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）、支えら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、歯科医療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。現在では、低密度（鋼の40%）の窒化ケイ素などのセラミックスがこのような用途で一般的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ひび割れたり割れたりするのではなく、ベアリング鋼と同様の摩耗の仕方をする傾向があります。ほとんどの自転車のヘッドセットにはアンギュラコンタクトベアリングが使用されていますが、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に及ぶためです。

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、並列に配置された軌道面を使用します。アキシャル荷重はベアリングを通して直接伝達されますが、ラジアル荷重は十分に支えられず、軌道面が分離する傾向があるため、ラジアル荷重が大きい場合はベアリングが損傷する可能性があります。

深溝ラジアルベアリングでは、軌道面の寸法は、内部を転動するボールの寸法とほぼ同じです。深溝ベアリングは、浅溝ベアリングよりも高い荷重を支えることができます。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アキシアル荷重の両方を支えますが、接触角を選択することはできないため、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つのベアリングが回転軸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、ベアリングボールとレース間の必要なわずかなクリアランスを吸収（予圧）することで、軸方向の振れが改善されます。ペアリングには、荷重を均等に分散でき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、対向ペアで使用されます。各ベアリングの非対称設計により、軸方向荷重は一方向のみにしか支えられないため、両方向の支持が必要な場合は、対向ペアが必要になります。予圧力は、ベアリングの軸方向荷重容量を減少させ、過度に加え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。ペアリング機構は、ベアリングを直接向かい合わせるだけのものもあれば、シム、ブッシング、またはシャフトの突起で分離するものもあります。

ベアリングの計算寿命は、ベアリングが支える荷重と動作速度に基づいています。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、50 Hz (つまり 3000 RPM) では、5.5 稼働時間の寿命になります。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、ベアリングの 50% 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 Lundberg と Palmgren が行った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できると仮定しています。この式には、材料特性、潤滑、および負荷の係数を含む多くのバリエーションが存在します。負荷の係数は、現代の材料が Lundberg と Palmgren が決定した負荷と寿命の関係とは異なる関係を示すことを暗黙のうちに認めていると考えることができます。^{[ 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軌道面に塑性変形を引き起こす力によって決まります。要素によって生じる凹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、ベアリングレースや転動体に衝撃による損傷が生じることがあり、これはブリネリングとして知られています。さらに軽微な損傷として、ベアリングが短い弧を描いて回転し、潤滑油を転動体から押し出す場合に発生するのが、偽ブリネリングです。

回転ベアリングの場合、動的耐荷重とは、ベアリングが100万回のサイクルに耐えられる荷重のことである。

ベアリングが回転しているが、1回転未満の短い時間だけ大きな負荷がかかる場合は、ベアリングが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、外輪の両側の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る補強が不十分な場合、横方向のトルク応力によって外輪は楕円形に変形し、転動体が脱出できるほどの隙間が生じます。すると内輪が飛び出し、軸受の構造が崩壊します。

ラジアルベアリングに横方向のトルクがかかると、転動体が最大の横方向トルクがかかる位置で一斉に滑ろうとするため、転動体を等間隔に保持している保持器にも圧力がかかります。保持器が破損したり崩壊したりすると、転動体が集まってしまい、内輪が支えを失い、中心から外れてしまう可能性があります。

一般的に、ボールベアリングにかかる​​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 ]}

ベアリングには静荷重定格があります。これは、軌道面における塑性変形量が一定量を超えないことを基準としています。用途によっては、これらの定格値を大幅に超える場合もあります。

ベアリングが適切に機能するためには、潤滑が必要です。ほとんどの場合、潤滑剤は弾性流体潤滑効果（オイルまたはグリース）に基づいていますが、極端な温度環境下で動作する乾式潤滑ベアリングも利用可能です。

ベアリングが定格最大荷重で定格寿命を達成するためには、少なくとも最小動粘度（通常はギリシャ文字で表される）を有する潤滑剤（オイルまたはグリース）で潤滑されなければならない。${\displaystyle \nu }$）そのベアリングに推奨されています。^{[ 7 ]}

推奨される動粘度は、ベアリングの直径に反比例する。^{[ 7 ]}

推奨される動粘度は回転周波数とともに低下します。おおよその目安として、 3000 RPM未満の場合、回転速度が10分の1に低下すると推奨粘度は6倍に増加し、 3000 RPMを超える場合、回転速度が10倍に増加すると推奨粘度は3分の1に低下します。^{[ 7 ]}

ベアリングの外径と軸穴の直径の平均が50 mmで、回転速度が3000 RPMのベアリングの場合、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が必要です。温度が50～70  ℃上昇すると、粘度は10分の1に低下します。^{[ 7 ]}

潤滑油の粘度が推奨値より高い場合、ベアリングの寿命は粘度の平方根にほぼ比例して長くなります。潤滑油の粘度が推奨値より低い場合、ベアリングの寿命は短くなり、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）添加剤入りのオイルの場合、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は、推奨値より低い粘度を使用すると寿命は粘度の二乗に比例します。^{[ 7 ]}

潤滑はグリースで行うことができ、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という利点があります。ベアリング金属を環境から保護するバリアとしても機能しますが、このグリースは定期的に交換する必要があり、ベアリングの最大荷重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とともに非常に短くなります。40 mmベアリングの場合は 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ます。オイル潤滑には最大負荷が高いという利点がありますが、オイルは通常ベアリングから流れ出てしまうため、ベアリング内にオイルを保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  °Cを超えない用途では年に 1 回、オイルの温度が100  °Cを超えない用途では年に 4 回オイルを交換することが推奨されています。自動車エンジンでは、オイルは100  °C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のオイルフィルターが備わっているため、ベアリング内のオイルよりも交換頻度は少なくなります。^{[ 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る。可能であれば、ブリーディング率が高く、基油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」）を支えるように設計されています。軸方向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、軸方向荷重専用に設計されています。^{[ 7 ]}

単列深溝玉軸受の場合、SKFの資料には最大軸方向荷重は最大ラジアル荷重の約50%であると記載されていますが、「軽量」および/または「小型」の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倍であり、円錐ベアリングの場合、最大軸方向荷重は最大ラジアル荷重の1～2倍である。^{[ 7 ]}

コンラッド型ボールベアリングは、軸方向荷重がかかると接触楕円が切断される現象がよく見られます。これは、外輪の内径が十分に大きいか、内輪の外径が十分に小さいかのいずれかによって、ボールと軌道面と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著しく増加し、ラジアル荷重とアキシャル荷重の容量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​​総荷重を求め、そ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（そのため、スライドしても構いません）。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、車軸の膨張によって軸力が加わりベアリングが破損する可能性があるため、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。したがって、少なくとも一方のベアリングはスライド可能でなければなりません。^{[ 7 ]}

「自由に滑り合う嵌め合い」とは、少なくとも4μmのクリアランスがある状態を指し、これはおそらく旋盤で加工さ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る。^{[ 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、シャフトとハウジングの嵌合公差を規定することで、これを実現しています。材質や硬度も指定される場合があります。^{[ 7 ]}

滑りが許されない継手は、滑りを防止する直径で作られており、その結果、嵌合面は力を加えなければ所定の位置に収まりません。小型ベアリングの場合は、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、取り付け前に一方の部品を加熱して熱膨張により一時的な滑り嵌めを可能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持されている場合、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。ごくわずかなミスアライメントは許容されますが、その量はベアリングの種類によって異なります。特に「自動調心」のために作られたベアリングの場合、許容されるミスアライメントは 1.5 ～ 3 度の弧です。自動調心のために設計されていないベアリングは、2 ～ 10 分角 (0.033 ～ 0.166 度) のミスアライメントしか許容できません。^{[ 7 ]}