ベアリング（機械式）

ベアリングは、相対運動を所望の運動のみに制限し、可動部品間の摩擦を低減する機械要素です。ベアリングの設計は、例えば、可動部品の自由な直線運動や固定軸を中心とした自由な回転を可能にするものもあれば、可動部品にかかる垂直力のベクトルを制御することで運動を阻止するものもあります。ほとんどのベアリングは、摩擦を最小限に抑えることで所望の運動を容易にします。ベアリングは、動作の種類、許容される運動、または部品に加わる荷重（力）の方向によって大まかに分類されます。

「ベアリング」という用語は、動詞「支える」に由来します。ベアリングとは、ある部品が別の部品を支える（すなわち、支える）ことを可能にする機械要素です。最も単純なベアリングは、部品に切削または成形されたベアリング面であり、その形状、サイズ、粗さ、位置は様々な程度で制御できます。その他のベアリングは、機械または機械部品に組み込まれる独立した装置です。最も高度な用途向けの最も高度なベアリングは、非常に精密な部品であり、その製造には現在の技術における最高水準が求められます。

回転軸受は、機械システム内でシャフトや車軸などの回転部品を保持し、軸方向および半径方向の荷重を荷重源からそれを支える構造に伝達します。最も単純な軸受である滑り軸受は、穴の中で回転するシャフトで構成されています。摩擦を低減するために潤滑剤が使用されます。潤滑剤には、液体、固体、気体などさまざまな形態があります。潤滑剤の選択は、特定の用途や、温度、荷重、速度などの要因によって異なります。ボール軸受とローラー軸受では、滑り摩擦を低減するために、ローラーやボールなどの円形断面の転動体が、軸受アセンブリのレースまたはジャーナルの間に配置されます。用途の要求に適切に対応し、最大限の効率、信頼性、耐久性、および性能を実現するために、さまざまな軸受設計が存在します。

転がり軸受の発明、すなわち移動する物体を支える（または支える）木製のローラーの発明は、平軸受で回転する車輪の発明よりも古いと推測されることがある。このことから、古代エジプト人などの文化では、そりの下に木の幹の形をした転がり軸受を使用していたという憶測が生まれる。しかし、このような技術発展の順序を示す考古学的証拠はない。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]： 31}ジェフティホテプの墓にあるエジプトの絵は、巨大な石のブロックをローラーではなく、凝集力を高めて摩擦を減らすために湿らせた砂の上を引いたそりで移動させる過程を示していると考えられている。^{[ 4 ] [ 3 ]： 36 [ 5 ]： 710}また、手回しドリルの先端を支えるために使用された平軸受のエジプトの絵もある。^{[ 6 ]}

平軸受を用いた車輪付き乗り物は、^紀元前5000年頃から紀元前3000年頃の間に出現し^た。^{[ 3 ]： 15、30、37}

初期の転がり軸受の回収例としては、イタリアのネミ湖にあるローマ時代のネミ船の残骸から発見された、回転テーブルを支える木製のボールベアリングがある。これらの難破船は紀元前40年のものとされている。^{[ 7 ] [ 8 ]}

レオナルド・ダ・ヴィンチは1500年頃、ヘリコプターの設計図にボールベアリングの図面を取り入れました。これは航空宇宙設計におけるベアリングの最初の記録された使用例です。しかし、ローラーベアリングとスラストベアリングのスケッチを最初に発表したのはアゴスティーノ・ラメリです。 ^{[ 9 ]}ボールベアリングとローラーベアリングの問題点は、ボールまたはローラーが互いに擦れ合い、摩擦が増えることです。これは、個々のボールまたはローラーをケージで囲むことで軽減できます。捕獲型、またはケージ付きボールベアリングは、17世紀にガリレオによって初めて記述されました。 ^{[ 10 ]}

実用的なケージ付きローラーベアリングの最初の発明は、1740年代半ばに時計職人のジョン・ハリソンが自身のH3マリンタイムキーパーのために考案したものです。この時計では、ケージ付きベアリングは非常に限定的な振動運動にのみ使用されていましたが、後にハリソンは同時代のレギュレータークロックで、真の回転運動を伴う同様のベアリング設計を採用しました。^{[ 11 ] [ 12 ]}

ボールベアリングに関する最初の特許は、1794年にカーマーゼンのウェールズ人発明家で鉄工職人のフィリップ・ヴォーンに授与されました。彼の設計は、ボールが車軸アセンブリの溝に沿って転がる、最初の近代的なボールベアリング設計でした。^{[ 10 ] [ 13 ]}

ベアリングは、黎明期の産業革命において極めて重要な役割を果たし、新しい産業機械の効率的な稼働を可能にした。例えば、ベアリングは車輪と車軸の接合部を固定するために使用され、従来のベアリングを使用しない設計に比べて摩擦を大幅に低減した。

ラジアル型ボールベアリングの最初の特許は、1869年8月3日にパリの自転車整備士ジュール・シュリレイに授与された。その後、このベアリングは、1869年11月に開催さ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・ムーアが優勝した自転車に取り付けられた。 ^{[ 14 ]}

1883年、FAGの創業者であるフリードリヒ・フィッシャーは、適切な製造機械を用いて、均一なサイズと正確な真円度を持つボールをフライス加工および研削する手法を開発し、独立したベアリング産業の創設への道を開きました。彼の故郷であるシュヴァインフルトは、後に世界有数のボールベアリング生産拠点となりました。

現代の自動調心型ボールベアリングの設計は、 1907年にSKFボールベアリングメーカーのスヴェン・ウィングクイストが考案したもので、彼はその設計でスウェーデン特許第25406号を取得している。

19世紀の馬車製造における先見の明と革新性を持つヘンリー・ティムケンは、1898年に円錐ころ軸受の特許を取得しました。翌年、彼は自身の発明品を製造する会社を設立しました。1世紀以上にわたり、同社は特殊鋼軸受をはじめとするあらゆる種類の軸受、そして関連製品やサービスを製造するまでに成長しました。

エーリッヒ・フランケは1934年にワイヤーレースベアリングを発明し、特許を取得しました。彼の研究の焦点は、断面が可能な限り小さく、筐体設計に組み込めるベアリング設計にありました。第二次世界大戦後、彼はゲルハルト・ハイドリッヒと共にフランケ＆ハイドリッヒKG（現在のフランケGmbH）を設立し、ワイヤーレースベアリングの開発と生産を推進しました。

リチャード・ストライベックのボールベアリング鋼に関する広範な研究^{[ 15 ] [ 16 ]}では、一般的に使用されている100Cr6（AISI 52100）の冶金学的性質が明らかにされ^{[ 17 ]} 、摩擦係数が圧力の関数であることが示されました。

1968年に設計され、後に1972年に特許を取得したビショップ・ワイズカーバーの共同創設者であるバド・ワイズカーバーは、外側と内側の両方に90度のV字角を持つ直線運動ベアリングの一種であるV溝ベアリングガイドホイールを開発した。^{[ 18 ]}

1980年代初頭、パシフィックベアリングの創設者であるロバート・シュローダーは、リニアボールベアリングと互換性のある初の二素材プレーンベアリングを発明した。このベアリングは、金属シェル（アルミニウム、鋼、またはステンレス鋼）とテフロンベースの材料の層が薄い接着剤層で接続されていた。^{[ 19 ]}

今日のボールベアリングとローラーベアリングは、回転部品を含む多くの用途で使用されています。例としては、歯科用ドリルの超高速ベアリング、火星探査車の航空宇宙用ベアリング、自動車のギアボックスやホイールベアリング、光学アライメントシステムのフレキシブルベアリング、座標測定機で使用されるエアベアリングなどが挙げられます。

最も一般的な軸受は、滑り軸受です。滑り軸受は、油やグラファイトなどの潤滑剤を用いて、表面同士が摩擦接触する構造になっています。滑り軸受は、独立した部品である場合とそうでない場合があります。シャフトが貫通する穴の軸受面、あるいは別の部品を支える平面（これらの場合は独立した部品ではありません）である場合もあれば、基材に溶着された軸受金属層（半独立型）や、分離可能なスリーブ（独立型）である場合もあります。適切な潤滑を施せば、滑り軸受は多くの場合、最小限のコストで十分な精度、寿命、摩擦性能を発揮します。そのため、非常に広く使用されています。

しかし、より適切なベアリングを使用することで、効率、精度、サービス間隔、信頼性、動作速度、サイズ、重量、および機械の購入・運用コストを改善できる用途は数多く存在する。

このように、多くの種類のベアリングは、形状、材質、潤滑方法、作動原理などがそれぞれ異なっている。

ベアリングには少なくとも6種類の一般的なタイプがあり、^{[ 21 ]}それぞれが異なる原理で動作します。

• プレーンベアリングは、穴の中で回転するシャフトで構成されています。いくつかの具体的なスタイルがあります。ブッシング、ジャーナルベアリング、スリーブベアリング、ライフルベアリング、複合ベアリング。
• 転がり軸受は、2つの表面間の摩擦を回避または低減することに性能が依存せず、軸方向または半径方向の荷重を受ける表面間の中間要素の転がり運動によって低い外部摩擦を実現する別の原理を採用しています。以下のいずれかに分類されます。
  • ボールベアリングとは、転動体が球状のボールであるベアリングのことである。
  • 転動体が円筒ころ、直線テーパー（円錐）ころ、湾曲テーパーを持つころ（いわゆる球面ころなど）、または歯車であるころ軸受。
• 宝石軸受とは、摩擦と摩耗を低減するために、軸受面の一方をサファイアなどの超硬質なガラス状の宝石材料で作った滑り軸受のことである。
• 流体軸受とは、荷重が気体または液体によって支えられる非接触軸受（すなわち空気軸受）のことである。
• 磁気軸受とは、荷重が磁場によって支えられる軸受のことである。
• フレキシブルベアリングとは、荷重要素が曲がることで運動が支えられるベアリングのことである。

以下の表は、これらのベアリングタイプのそれぞれの主な特徴をまとめたものです。

ベアリングの中には、潤滑のために粘度の高いグリースを使用するものがあり、これはベアリング表面間の隙間（パッキンとも呼ばれる）に押し込まれます。グリースは、ベアリングレースの内側と外側の縁を覆うプラスチック、革、またはゴム製のガスケット（グランドとも呼ばれる）によって所定の位置に保持され、グリースが漏れるのを防ぎます。ベアリングには、他の材料を詰めることもできます。歴史的には、鉄道車両の車輪には、油に浸した綿や羊毛繊維の廃棄物や緩い切れ端を詰めたスリーブベアリングが使用され、その後、綿の固形パッドが使用されるようになりました。^{[ 24 ]}

ベアリングは、リングオイラーと呼ばれる金属製のリングによって潤滑されます。このリングはベアリングの中心回転軸に緩く取り付けられています。リングは潤滑油の入ったチャンバー内に垂れ下がっています。ベアリングが回転すると、粘性付着力によってオイルがリングを伝って軸に吸い上げられ、そこでオイルがベアリング内部に移動して潤滑します。余分なオイルは飛び散り、再びオイルプールに溜まります。^{[ 25 ]}

基本的な潤滑方法の一つに飛沫潤滑があります。一部の機械では、底部に潤滑油のプールがあり、ギアが液体に部分的に浸かっているか、クランクロッドが装置の動作中にプールに振り下ろせるようになっています。回転するホイールが周囲の空気中にオイルを飛ばし、クランクロッドがオイルの表面を叩いて、エンジンの内部表面にオイルをランダムに飛散させます。小型の内燃機関の中には、機構内部にオイルをランダムに散布する特殊なプラスチック製の飛沫ホイールを備えているものもあります。 ^{[ 26 ]}

高速かつ高出力の機械では、潤滑油の損失により、摩擦によってベアリングが急速に加熱され損傷する可能性があります。また、汚れた環境では、オイルがほこりや破片で汚染され、摩擦が増加する可能性があります。このような用途では、ベアリングと他のすべての接触面に潤滑油を継続的に供給し、余剰分を回収してろ過、冷却し、場合によっては再利用することができます。加圧給油は、オーバーヘッドバルブアセンブリなど、オイルが直接飛散しないエンジンの部分で、大型で複雑な内燃機関で一般的に使用されています。 ^{[ 27 ]}高速ターボチャージャーも通常、ベアリングを冷却し、タービンからの熱でベアリングが焼き付かないようにするために、加圧オイルシステムを必要とします。

複合ベアリングは、自己潤滑性ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）ライナーと積層金属バッキングで設計されています。PTFEライナーは、一貫した制御された摩擦と耐久性を提供し、金属バッキングは、複合ベアリングが堅牢で、長寿命にわたって高負荷と応力に耐えることができることを保証します。その設計により、従来の転がり軸受の10分の1の重量で軽量化も実現しています。^{[ 28 ]}

ベアリングの取り付け方法には多くの種類があり、通常は圧入嵌め合いが用いられます。ベアリングを穴やシャフトに圧入または焼き嵌めする場合、ハウジングの穴とシャフトの外径を非常に狭い範囲に収めることが重要であり、そのためには1回以上の座ぐり加工、複数の面削加工、穴あけ、ねじ切り加工が必要となる場合があります。^{[ 29 ]}また、公差リングを追加することで圧入嵌め合いを実現することもできます。

ベアリングの寿命は、ベアリングメーカーが制御できない多くの要因によって影響を受けます。例えば、ベアリングの取り付け、温度、外部環境への曝露、潤滑剤の清浄度、ベアリングを流れる電流などです。高周波PWMインバータはベアリングに電流を誘導する可能性がありますが、フェライトチョークを使用することで抑制できます。微細表面の温度と地形は、固体部品との接触による摩擦量を決定します。特定の要素や磁場は、摩擦を低減しながら速度を向上させます。強度と可動性は、ベアリングの種類が支えることができる荷重を決定するのに役立ちます。アライメント要因は摩耗や損傷に悪影響を及ぼす可能性がありますが、コンピュータ支援信号や、磁気浮上や空気圧などの非摩擦ベアリングタイプによって克服できます。

流体軸受と磁気軸受は、事実上無期限の耐用年数を持つことができる。実際、流体軸受は、1900年頃からほぼ連続稼働している水力発電所で高負荷を支えているが、摩耗の兆候は全く見られない。

転がり軸受の寿命は、荷重、温度、メンテナンス、潤滑、材料の欠陥、汚染、取り扱い、設置、その他の要因によって決まります。これらの要因はすべて、軸受の寿命に大きな影響を与える可能性があります。たとえば、ある用途では、軸受の設置および使用前に保管方法を変更することで、軸受の耐用年数が劇的に延長されました。保管中の振動により、軸受にかかる荷重が自重のみの場合でも潤滑剤が劣化するためです。^{[ 30 ]}その結果生じる損傷は、しばしば偽ブリネリングです。^{[ 31 ]}軸受の寿命は統計的です。特定の軸受の複数のサンプルは、耐用年数のベルカーブを示すことが多く、ごく少数のサンプルでは、​​著しく寿命が長かったり短かったりします。軸受の寿命が変動するのは、巨視的に同じに見えても、微細構造と汚染が大きく異なるためです。

ベアリングの寿命は一般的に「L10」（場合によっては「B10」）値で規定されます。これは、その用途で使用されるベアリングの10%が、古典的な疲労破壊（潤滑不足、不適切な取り付けなど、その他の故障モードではない）によって故障すると予想される期間、または、90%がまだ動作している期間です。ベアリングのL10/B10寿命は理論値であり、ベアリングの実際の使用寿命を表すものではありません。ベアリングは、C0（静荷重）値を使用して評価されることもあります_。これは、基準となる基本荷重定格であり、実際の荷重値ではありません。

滑り軸受の場合、材質によって寿命が大きく異なります。ジョン・ハリソンの時計の中には、リグナムバイタ材を使用しているため、数百年経ってもなお動き続けるものがありますが、彼の金属製の時計は摩耗の恐れがあるため、ほとんど動かされていません。

フレキシブルベアリングは、材料の弾性特性に依存しています。フレキシブルベアリングは、材料を繰り返し曲げることで機能します。一部の材料は、低荷重であっても繰り返し曲げると破損しますが、適切な材料選定とベアリング設計により、フレキシブルベアリングの寿命を事実上無期限に延ばすことができます。

ベアリングの長寿命は望ましい場合が多いが、必ずしも必要ではない場合もある。ハリス(2001)は、ロケットモーターの酸素ポンプ用ベアリングについて、必要な数十分をはるかに超える数時間の寿命を実現したと述べている。^{[ 30 ]}

カスタマイズされた仕様（裏打ち材やPTFE化合物など）によっては、複合ベアリングはメンテナンスなしで最長30年間稼働することが可能です。

振動用途で使用されるベアリングの場合、L10/B10 を計算するためのカスタマイズされたアプローチが使用されます。^{[ 32 ]}

多くのベアリングは早期故障を防ぐために定期的なメンテナンスが必要ですが、メンテナンスがほとんど不要なものもあります。後者には、各種ポリマーベアリング、流体ベアリング、磁気ベアリング、そして「シールベアリング」や「寿命までシール」といった用語で表現される転がり軸受などが含まれます。これらは、汚れの侵入を防ぎ、グリースを保持するためのシールを備えています。多くの用途で問題なく機能し、メンテナンスフリーの運転を実現します。ただし、一部の用途では効果的に使用できない場合もあります。

非密閉ベアリングには、グリースガンで定期的に潤滑するためのグリースフィッティング、または定期的にオイルを補充するためのオイルカップが付いていることが多い。1970 年代以前は、ほとんどの機械で密閉ベアリングは見られず、オイルやグリースを塗布することは今日よりも一般的な作業だった。たとえば、自動車のシャーシは、エンジンオイルの交換とほぼ同じ頻度で「潤滑作業」が必要だったが、今日の自動車のシャーシはほとんどが永久に密閉されている。1700 年代後半から 1900 年代半ばにかけて、産業界は、オイル缶で機械に頻繁に潤滑を行うオイル係と呼ばれる多くの労働者に頼っていた。

今日の工場機械には通常、潤滑システムが備わっており、中央ポンプが定期的にオイルまたはグリースを貯蔵タンクから潤滑ラインを通して、機械のベアリング面、ベアリングジャーナル、ピローブロックなどのさまざまな潤滑箇所に供給します。このような潤滑サイクルのタイミングと回数は、 PLCやCNCなどの機械のコンピュータ制御によって制御され、必要に応じて手動オーバーライド機能によって制御されます。この自動化されたプロセスは、すべての最新のCNC工作機械やその他の多くの工場機械の潤滑方法です。同様の潤滑システムは、自動化されていない機械にも使用されており、その場合は、機械オペレーターが1日1回（常時稼働している機械の場合）または週1回ポンプで操作する手動ポンプが備えられています。これらは、機械の周囲の12か所でアレンマイトガンやオイル缶を12回ポンプする代わりに、1つのハンドルを1回引くだけで機械全体に潤滑できるという最大のセールスポイントから、ワンショットシステムと呼ばれています。

現代の自動車やトラックのエンジン内部のオイル供給システムは、オイルが連続的に送り込まれる点を除けば、上述の潤滑システムと概念的には類似しています。このオイルの大部分は、エンジンブロックやシリンダーヘッドにドリル加工または鋳造された通路を通って流れ、ポートから直接ベアリングに噴射され、他の箇所にも噴射されてオイル浴を形成します。オイルポンプは単純に常にオイルを送り出し、余分なオイルはリリーフバルブを通してオイルパンに排出されます。

高サイクルで稼働する産業用ベアリングの多くは、定期的な潤滑と清掃が必要であり、摩耗の影響を最小限に抑えるために、予圧調整などの調整を時折行う必要がある。

ベアリングを清潔に保ち、十分に潤滑すると、ベアリングの寿命は大幅に向上することが多い。しかし、多くの用途では適切なメンテナンスが困難である。たとえば、岩石破砕機のコンベアのベアリングは、常に硬い研磨粒子にさらされている。洗浄は費用がかかるためあまり役に立たないが、コンベアが運転を再開するとすぐにベアリングは再び汚染される。したがって、適切なメンテナンス プログラムでは、ベアリングに頻繁に潤滑油を塗布するが、洗浄のための分解は含まない可能性がある。頻繁な潤滑は、その性質上、古い（砂粒が詰まった）オイルやグリースを新しいオイルやグリースに置き換えることで、限定的な洗浄作用をもたらすが、新しいオイルやグリース自体が次のサイクルで置き換えられる前に砂粒を収集する。もう 1 つの例は風力タービンのベアリングである。風力タービンのナセルは強風地帯の高い場所に設置されているため、メンテナンスが困難である。さらに、タービンは常に稼働しているわけではなく、さまざまな気象条件で異なる動作挙動を示すため、適切な潤滑が困難である。^{[ 33 ]}

• ニードルローラーベアリング– 細長い円筒をローラーとして使用するタイプのローラーベアリング 
• ロラマイト– 低摩擦ベアリング技術 
• 旋回ベアリング– 方向調整のための回転支持要素 

   製造業者：

• ティムケン
• SKF
• シェフラーグループ
• NSK
• NTN
• 光洋精工
• 不二越那智
• ミネベアミツミ

• Dowson, D.; Hamrock, BJ (1981年2月) 「ボールベアリングの歴史」 NASAテクニカルメモランダム( 81689):9866。Bibcode : 1981ntrs.rept09866D。
• ベアリングに関する包括的なレビュー、ケンブリッジ大学
• ベアリングの種類、ケンブリッジ大学
• 「ベアリングの仕組み」How Stuff Works

• ISO寸法システムとベアリング番号
• 設計のための運動モデルデジタルライブラリ（KMODDL） – コーネル大学にある数百もの動作可能な機械システムモデルの動画と写真
• ベアリング用語集