滑り軸受

滑り軸受、またはより一般的には滑り接触軸受やスライド軸受（鉄道ではソリッド軸受、ジャーナル軸受、または摩擦軸受と呼ばれることもある^[2]）は、最も単純なタイプの軸受で、軸受面のみで構成され、転がり要素はありません。したがって、軸受と接触するシャフトの部分は、軸受面上を滑ります。滑り軸受の最も単純な例は、穴の中で回転するシャフトです。単純なリニアベアリングは、動きを可能にするように設計された一対の平面です。たとえば、引き出しとそれが載っているスライド^[3]、または旋盤のベッド上のウェイなどです。

一般的に、滑り軸受は最も安価なタイプの軸受です。また、コンパクトで軽量であり、高い耐荷重性を備えています。^[4]

滑り軸受の設計は、軸受が提供する必要のある動作の種類によって異なります。可能な動作の種類は次の 3 つです。

• ジャーナル（摩擦、ラジアルまたは回転）ベアリング：これは最も一般的なタイプの滑り軸受です。これは単に穴の中で回転するシャフトです。^[3]機関車や鉄道車両の用途では、ジャーナルベアリングは、ジャーナルボックス（車軸箱）に囲まれた鉄道輪軸の車軸の端にかつて使用されていた滑り軸受を特に指していました。^{[1] [5]}今日の車軸箱ベアリングは、滑り軸受ではなく転がり軸受です。 ^[6]
• リニアベアリング：このベアリングは直線運動を提供します。円形ベアリングとシャフト、または他の2つの接合面（スライドプレートなど）の形をとることがあります。 ^[3]
• スラストベアリング：スラストベアリングは、シャフトの軸方向に作用する力に対するベアリング面を提供します。 [ 3 ^]一例として、プロペラシャフトが挙げられます。

一体型すべり軸受は、軸受面に穴を開けて使用対象物に組み込む。工業用一体型軸受は通常、鋳鉄またはバビットで作られ、軸受には硬化鋼シャフトが使用される。 ^[7]

一体型ベアリングは、ブッシングの取り付けが容易で、必要に応じて交換できるため、それほど一般的ではありません。 ^[3]材質によっては、一体型ベアリングの方が安価ですが、交換できません。一体型ベアリングが摩耗した場合、ブッシングを取り付けるために交換または再加工することができます。一体型ベアリングは19世紀の機械では非常に一般的でしたが、交換可能な製造が普及するにつれて徐々に一般的ではなくなりました。

たとえば、一般的な一体型滑り軸受はヒンジであり、これはスラスト軸受とジャーナル軸受の両方の機能を果たします。

ブッシングはブッシュとも呼ばれ、ハウジングに挿入されて回転用途のベアリング面を提供する独立した滑り軸受です。これが最も一般的な滑り軸受の形式です。^[8]一般的な設計には、ソリッド（スリーブとフランジ）、スプリット、およびクレンチブッシングがあります。スリーブ、スプリット、またはクレンチブッシングは、内径（ID）、外径（OD）、および長さを持つ材料の「スリーブ」のみです。3つのタイプの違いは、ソリッドスリーブブッシングは周囲全体がソリッドであるのに対し、スプリットブッシングは長さに沿ってカットがあり、クレンチベアリングはスプリットブッシングに似ていますが、カット全体にクレンチ（またはクリンチ）があり、部品を接続している点です。フランジブッシングは、片端にODから放射状に外側に伸びるフランジが付いたスリーブブッシングです。フランジは、ブッシングを取り付けるときに確実に位置決めするため、またはスラストベアリング面を提供するために使用されます。^[9]

インチ寸法のスリーブベアリングは、ほとんどがSAE番号システムを使用して寸法が付けられています。番号システムは-XXYY-ZZという形式を使用します。ここで、XXは16分の1インチ単位のID、YYは16分の1インチ単位のOD、ZZは8分の1インチ単位の長さです。^[10]メートル法のサイズも存在します。^[11]

リニアブッシングは通常、ハウジングに押し込まれるのではなく、ラジアル方向で固定されます。そのような例としては、2つの保持リング、またはハウジングの溝と一致するブッシングの外径に成形されたリングがあります。これは通常、ブッシングに作用する力によってブッシングが押し出される可能性があるため、ブッシングを保持するより耐久性のある方法です。フランジ付きブッシングは、ラジアル方向と軸方向の両方の荷重に対する耐性を強化するように設計されています。^[12]

ブッシングのスラスト形状は、慣例的にスラストワッシャー。

産業機械ではフルベアリングとして知られるツーピースすべり軸受^[13]は、クランクシャフト軸受などの大径軸受によく使用されます。2 つの半分はシェルと呼ばれます。^[14]シェルの位置を維持するためにさまざまなシステムが使用されています。最も一般的な方法は、取り付け後に軸方向の動きを防ぐために、ハウジングのノッチと相関するパーティングラインエッジのタブです。大きく厚いシェルには、ボタンストップまたはダボピンが使用されます。ボタンストップはハウジングにねじ止めされ、ダボピンは 2 つのシェルを固定します。あまり一般的ではない別の方法として、シェルの穴またはスロットを介してシェルをハウジングに固定するダボピンを使用します。 ^[15]

一方の分割端から他方の分割端までの距離は、ハウジング内の対応する距離よりもわずかに大きいため、ベアリングを取り付けるのにわずかな圧力しかかかりません。これにより、ハウジングの2つの半分が取り付けられたときにベアリングが所定の位置に保持されます。最後に、シェルの円周もハウジングの円周よりもわずかに大きいため、2つの半分がボルトで固定されると、ベアリングがわずかに押しつぶされます。これにより、ベアリング全体の周囲に大きな半径方向の力が生じ、ベアリングが回転するのを防ぎます。また、ベアリングからハウジングに熱が伝わるための優れたインターフェイスも形成されます。^[14]

滑り軸受は、耐久性があり、摩擦が少なく、軸受とシャフトの摩耗が少なく、高温に耐え、耐腐食性のある材料で作られている必要があります。多くの場合、軸受は少なくとも2つの構成要素で構成されており、1つは柔らかく、もう1つは硬いです。硬い構成要素が負荷を支え、柔らかい構成要素が硬い構成要素を支えます。^{[要出典]一般に、接触面が硬いほど摩擦係数は低くなり、}潤滑が失敗したときに2つがかじったり固まったりするのに必要な圧力が大きくなります。 [ 8 ^{] [16]}

バビットは通常、一体型ベアリングに使用されます。直径に応じて、通常は0.25～2.5  mm（9.8～98.4 thout）の厚さでボア全体にコーティングされます。バビットは、ジャーナルや回転軸の材料に比べて柔らかい材料を使用して作られています。バビットベアリングは、直接接触してもジャーナルを損傷せず、潤滑油中の汚染物質を収集するように設計されています。^[13]

バイマテリアルベアリングは、金属シェルとプラスチックベアリング面の2つの材料で構成されています。一般的な組み合わせには、スチール裏打ちPTFEコーティングブロンズとアルミニウム裏打ちフレロンがあります。^[17]スチール裏打ちPTFEコーティングブロンズベアリングは、他のほとんどのバイメタルベアリングよりも高い負荷に耐えることができ、回転運動や振動運動に使用されます。アルミニウム裏打ちフレロンは化学的に不活性であるため、腐食環境でよく使用されます。^[18]

一般的な滑り軸受の設計では、硬化および研磨された鋼鉄シャフトと、より柔らかい青銅のブッシングが使用されています。ブッシングは摩耗が激しくなった場合は交換されます。

ベアリングに使用される一般的な青銅合金には、SAE 841、SAE 660（CDA 932）、SAE 863、CDA 954などがあります。^[19]

摩擦係数が比較的低いため、鋳鉄ベアリングは焼入れ鋼シャフトと一緒に使用できます。鋳鉄は艶消しされるため、摩耗はごくわずかになります。^[20]

オーブンや乾燥機などの過酷な環境では、銅とグラファイトの合金（一般に商標名グラファロイで知られる）が使用されます。グラファイトは乾式潤滑剤であるため、摩擦が少なく、メンテナンスもほとんど必要ありません。銅は強度と耐久性を高め、放熱特性を提供します。

非合金グラファイトベアリングは、水中に沈む場所などの特殊な用途に使用されます。^[22]

宝石軸受として知られるこれらの軸受には、サファイア、ルビー、ガーネットなどの宝石が使用されています。

固体プラスチックすべり軸受は、潤滑剤を使わずに空運転できるため、現在ますます人気が高まっています。固体ポリマーすべり軸受は軽量で、耐腐食性があり、メンテナンスも不要です。数十年にわたる研究の結果、今日ではポリマーすべり軸受の耐用年数を正確に計算できるようになりました。固体ポリマーすべり軸受の設計は、熱膨張係数の範囲が広く非線形であるため複雑です。これらの材料は、推奨される pV 制限外の用途で使用すると急速に熱くなる可能性があります。

ソリッド ポリマー タイプのベアリングは、射出成形プロセスによって制限されます。このプロセスではすべての形状が可能なわけではなく、可能な形状は射出成形の優れた設計方法と見なされるものに限定されます。プラスチック ベアリングは、他のすべてのプラスチック部品と同じ設計上の注意事項の対象となります。つまり、クリープ、高熱膨張、高温での軟化 (摩耗の増加/寿命の短縮)、低温での脆性破壊、および吸湿による膨張です。ほとんどのベアリング グレードのプラスチック/ポリマーは、これらの設計上の注意事項を軽減するように設計されていますが、それでも注意事項は存在し、ソリッド ポリマー (プラスチック) タイプを指定する前に慎重に検討する必要があります。

プラスチックベアリングは現在ではごく一般的になっており、コピー機、レジ、農機具、繊維機械、医療機器、食品・包装機械、自動車の座席、船舶機器などに使用されています。

一般的なプラスチックには、ナイロン、ポリアセタール、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）、ルロン、PEEK、ウレタン、ベスペル（高性能ポリイミド）などがあります。^{[23] [24] [25]}

• MDS（二硫化モリブデン）
  • PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）

• Igus、iglidur: 寿命予測機能を備えた特別に開発されたポリマーベアリング材料
• セラミックベアリングは非常に硬いため、ベアリング内に入った砂やその他の砂利は、ベアリングの動作を妨げない微細な粉末に簡単に粉砕されます。
• 潤滑剤^[30]
• リグナムバイタは自己潤滑性の木材で、時計に使用すると非常に長寿命になります。また、船の索具の青銅製の車輪にも使用されます。
• ピアノでは、鍵盤とアクションのさまざまな（通常は）木製の部分が、通常はドイツ銀製のセンターピンによって連結されています。これらの連結部分には通常フェルトが使用されていますが、まれに革製のブッシングが使用されています。
• アルミニウム合金は低荷重用途に使用できる^{[31] [32]}

潤滑システムの種類は3つのグループに分類できます。^[10]

• クラス I : 外部からの潤滑剤 (オイル、グリースなど) の塗布を必要とするベアリング。
• クラス II : ベアリングの壁内に潤滑剤を含むベアリング (青銅、グラファイトなど)。通常、これらのベアリングでは、最大の性能を得るために外部の潤滑剤が必要です。
• クラス III : 潤滑剤となる材料で作られたベアリング。これらのベアリングは通常「自己潤滑性」があると考えられており、外部潤滑剤なしで動作できます。

2番目のタイプのベアリングの例としては、オイライトやポリアセタール製のプラスチックベアリングが挙げられます。3番目のタイプのベアリングの例としては、金属化グラファイトベアリングやPTFEベアリングが挙げられます。^[10]

ほとんどのすべり軸受は内面が平坦ですが、スパイラル溝軸受のように溝が刻まれたものもあります。溝は潤滑剤が軸受内に入り込み、ジャーナル全体をカバーするのに役立ちます。^[33]

自己潤滑性すべり軸受は、軸受壁内に潤滑剤を封入しています。自己潤滑性軸受には多くの形態があります。最初の最も一般的なものは、多孔質壁を持つ焼結金属軸受です。多孔質壁は毛細管現象^[34]によって油を吸い込み、圧力または熱が加えられると油を放出します。^[35]焼結金属軸受の実例としては、動作中に追加の潤滑を必要としない自己潤滑チェーンが挙げられます。別の形態は、内径にグラファイトで満たされた 8 の字溝チャネルを備えた一体型金属ブッシングです。同様の軸受では、8 の字溝の代わりにグラファイトで塞がれた穴が使用されています。これにより、軸受の内側と外側が潤滑されます。^{[36]最後の形態は、軸受に潤滑剤が成形されたプラスチック軸受です。軸受が}慣らされると潤滑剤が放出されます。^[37]

潤滑には、完全膜状態、境界状態、乾燥状態の 3 つの主なタイプがあります。完全膜状態とは、ベアリングの荷重が流体潤滑剤の膜によってのみ支えられ、2 つのベアリング表面の間に接触がない場合です。混合状態または境界状態では、荷重は部分的に直接表面接触によって支えられ、部分的に 2 つの表面の間に形成される膜によって支えられます。乾燥状態では、全荷重は表面対表面接触によって支えられます。

ベアリンググレードの材料で作られたベアリングは、常に乾燥状態で動作します。他の 2 つのクラスの滑りベアリングは、3 つの条件すべてで動作します。ベアリングが動作する条件は、動作条件、負荷、相対表面速度、ベアリング内のクリアランス、潤滑剤の品質と量、および温度 (潤滑剤の粘度に影響) によって異なります。滑りベアリングが乾燥状態または境界状態で動作するように設計されていない場合、摩擦係数が高くなり、摩耗します。通常の動作条件外で動作する場合 (起動時や停止時など)、流体ベアリングでも乾燥状態や境界状態が発生する可能性があります。

流体潤滑は、フルフィルム潤滑または境界条件潤滑モードになります。適切に設計されたベアリング システムは、流体力学効果によってジャーナルとベアリング間の表面間接触を排除することで摩擦を低減します。

流体軸受は、静水圧または流体力学的に潤滑することができます。静水圧潤滑軸受は、静的な圧力を維持する外部ポンプによって潤滑されます。流体動圧軸受では、油膜内の圧力はジャーナルの回転によって維持されます。静水圧軸受は、ジャーナルが回転しているときに流体力学的状態になります。 ^[13]静水圧軸受は通常、油を使用しますが、流体動圧軸受は油またはグリースを使用できます。ただし、軸受は利用可能な流体を使用するように設計でき、いくつかのポンプ設計では、ポンプで汲み上げた流体を潤滑剤として使用します。^[38]

流体動圧軸受は、静圧軸受よりも設計と操作に細心の注意が必要です。また、軸が回転するまで潤滑が行われないため、初期摩耗が発生しやすくなります。回転速度が低い場合、潤滑は軸とブッシングを完全に分離できない場合があります。その結果、流体動圧軸受は、始動および停止時に軸を支える二次軸受によって補助され、ジャーナル軸受の精密公差機械加工面を保護します。一方、流体動圧軸受は取り付けが簡単で、安価です。^[39]

流体力学的状態では、潤滑「くさび」が形成され、ジャーナルが持ち上がる。ジャーナルはまた、回転方向に水平方向にわずかに移動する。ジャーナルの位置は、姿勢角（垂直とジャーナルの中心とベアリングの中心を通る線との間の角度）と偏心率（ジャーナルの中心からベアリングの中心までの距離と全体の半径方向の隙間の比）によって測定される。姿勢角と偏心率は、回転方向と速度、および負荷に依存する。静圧ベアリングでは、油圧も偏心率に影響を与える。モーターなどの電磁機器では、電磁力が重力負荷に対抗し、ジャーナルが通常とは異なる位置を取ることがある。^[13]

高速機械における流体潤滑式流体ジャーナル ベアリング特有の欠点の 1 つは、オイル ホワール(ジャーナルの自己励起振動) です。オイル ホワールは、潤滑ウェッジが不安定になったときに発生します。ジャーナルの小さな乱れがオイル フィルムからの反作用力を引き起こし、それがさらなる動きを引き起こし、オイル フィルムとジャーナルの両方がベアリング シェルの周りを「旋回」します。通常、旋回周波数はジャーナル回転速度の約 42% です。極端な場合、オイル ホワールはジャーナルとベアリングの直接接触を引き起こし、ベアリングを急速に摩耗させます。場合によっては、旋回周波数が機械シャフトの臨界速度と一致し、「ロックオン」します。この状態は「オイル ホイップ」として知られています。オイル ホイップは非常に破壊的になる可能性があります。^{[13] [40]}

オイルの渦流は、ジャーナルに安定力を加えることで防ぐことができます。多くのベアリング設計では、ベアリングの形状を利用して、渦流の流体に障害物を提供するか、安定荷重を提供して渦流を最小限に抑えようとしています。その 1 つにレモン ボアまたは楕円ボアがあります。この設計では、ベアリング ハウジングの 2 つの半分の間にシムを取り付け、次にボアをサイズに合わせて機械加工します。シムを外すと、ボアはレモンの形に似たものになり、ボアの一方向のクリアランスが減少し、その方向の予圧が増加します。この設計の欠点は、一般的なジャーナル ベアリングと比較して、耐荷重性が低いことです。また、高速ではオイルの渦流が発生しやすいですが、コストは比較的低いです。^[13]

もう一つの設計は、圧力ダムまたはダム溝^[41]で、ベアリングの上半分の中央に浅いリリーフカットが施されています。溝は急に止まり、下向きの力を生み出してジャーナルを安定させます。この設計は高い耐荷重性があり、ほとんどのオイル渦流状況を修正します。欠点は、一方向にしか機能しないことです。ベアリングの半分をオフセットすると、圧力ダムと同じ効果が得られます。唯一の違いは、オフセットが大きくなるにつれて耐荷重性が高まることです。^[13]

より革新的な設計は、変化する負荷に合わせて動くように設計された複数のパッドを使用するティルティング パッド設計です。これは通常、非常に大規模なアプリケーションで使用されますが、オイルの渦流をほぼ完全に排除できるため、最新のターボ機械でも広く使用されています。

滑り軸受でよく使用されるその他のコンポーネントには、次のものがあります。

• ピロー ブロック ベアリング: プレーン ベアリングを受け入れるように設計された標準化されたベアリング マウントです。平らな面に取り付けるように設計されています。
• リングオイラー：20 世紀前半に中速用途で使用された潤滑機構。
• スタッフィング ボックス: 加圧システムから滑り軸受を通して流体が漏れるのを防ぐために使用されるシーリング システム。

• ベアリング係数 – ジャーナルベアリングの設計で使用される無次元数
• コンピューターファン – コンピューターのアクティブ冷却用に使用される小型ファン
• ホットボックス – 鉄道車両の過熱
• ピローブロックベアリング – 回転軸を支えるために使用されるブラケット
• プラスチゲージ
• ローラーベアリング – 2つの溝付きリングの間に転がり要素を配置して荷重を支えるベアリングリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• ステーブベアリング

• ベアリングとベアリング金属: さまざまな種類の滑りベアリング、ベアリング金属の組成と特性、適切な潤滑を保証する方法、および滑りベアリングの設計を支配する重要な要素を扱う論文。インダストリアル プレス。1921 年。OCLC 1184217724  。
• ニール、マイケル・ジョン（1995）、トライボロジーハンドブック（第2版）、バターワース・ハイネマン、ISBN 978-0-7506-1198-5{{citation}}: CS1 maint: ref がデフォルトと重複しています (リンク)
• McMaster-Carr カタログ (第 115 版)、McMaster-Carr 、2009 年 12 月 22 日取得</ref>

• 設計用運動学モデル デジタル ライブラリ (KMODDL): コーネル大学で実際に動作する数百の機械システム モデルの動画と写真。機械設計とエンジニアリングに関する古典的なテキストの電子書籍ライブラリも含まれています。
• CSX 辞書 J
• 円筒ころ軸受工場