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実は重要な部品「ベアリング」。知っておくべき、その4種類

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本記事は、4 Different Types of Bearings | Explained
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約4分46秒

ベアリング(軸受)は、機械が正常に機能するために重要な役割を担っています。言い換えれば、機械を円滑かつ安全に動かすことができる部品です。ベアリングの目的は、可動部間の摩擦を減らし、可動部の動きを好ましい方向に制限することです。

 

ベアリングは、そのメカニズム、動作モード、目的から、いくつかの種類とサブタイプに分類することができます。まずは、ベアリングの荷重について知っておく必要がありますので、具体的に荷重の種類を説明します。

 

一般的には、ラジアル荷重【ベアリングが用いられる軸に対して、垂直方向にかかる荷重】とアキシアル荷重(スラスト荷重)【軸と同一方向にかかる荷重】の2種類があり、使用される場所によっては、両方の荷重が組み合わされることがあります。

 

4. 滑り軸受

1906年製Sモーター機関車の滑り軸受
画像出典:Wikimedia Commons

 

滑り軸受(プレーンベアリング)は、世界で最も広く使われている軸受のひとつです。その名の通り、ベアリングの「表面」だけが特徴の、ベアリングの中で最もシンプルなベアリングです。軽量でありながら高負荷に耐えることができます。

 

滑り軸受は、その設計と運動の種類から、ジャーナル軸受、リニア軸受、スラスト軸受、複合軸受などの種類に分けられます。

 

ジャーナル軸受は、鉄道車両の車軸や機関車などに広く使用されています。北米では、鉄道車両の車輪に滑り軸受の代わりに、転がり軸受が使われています。

 

より効果的(低摩擦)かつ耐久性を高めるために、滑り軸受はしばしば異なる材料で作られます。機械式時計では、精密さと低摩擦が要求されるため、軸受は宝石(合成サファイア)で作られており、ジュエルベアリングとも呼ばれます。

 

3. 転がり軸受

転がり軸受とは、2つの軸受輪やレース【溝】の間にボールやローラーなどの転がり部材を組み込んだ軸受のことです。この軸受は、滑り軸受や他の多くの軸受と比較して、設計上の利点があります。

 

レースが相対的に動くことで、転動体が転がり、転がり抵抗が少なく、滑りにくくなっています。

 

転がり軸受には、主に玉軸受ところ軸受の2種類があります。

 

3.1玉軸受

スケートボードのウィール用玉軸受
画像出典:Wikimedia Commons/Mr.PIM

 

このタイプの転がり軸受では、2つのベアリングレースの間にボール(スチール製またはハイブリッドセラミック製)が配置されています。通常、一方のベアリングレースは回転し(ボールも回転する)、もう一方は静止しています。

 

玉軸受は、ベアリングの内側と外側のレース面が、滑らかに転がる球状のボールで区切られているため、摩擦係数が低く、互いに滑らないようになっています。また、ボールが両レース面に接触するのはごく一部です。しかし、その大きさの割には負荷容量が小さいのが特徴です。

 

アキシアル荷重よりもラジアル荷重を受けるように設計されているのが一般的ですが、スラストベアリングのようにラジアル荷重に特化して作られたものもあります。

 

現在、玉軸受は、スケートボードのウィール、コンピュータのファン、遠心ポンプなどに使われています。また、古いハードディスクドライブには、このようなベアリングが使われているものもあります。

 

3.2ころ軸受

玉軸受と異なり、この種の軸受に使用されるローラーは円筒形であるため、下側と上側のレース面間の接触は直線的です(点接触ではない)。ころ軸受は、玉軸受よりも大きなラジアル荷重を支えることができますが、大きなスラスト荷重を扱うことはできません。

 

ころ軸受は、円筒ころ、球面ころ、歯車ころ、円すいころ、針状ころの5種類に大別されます。

 

3.2.1円筒ころ軸受

円筒ころは、ころ軸受の中で最も単純で、ラジアル荷重が大きいものです(ただし、アキシアル荷重の支持力は小さい)。ずれを起こしやすく、その場合、軸受の総負荷容量は極端に減少します。

 

円筒ころの場合、外輪荷重は各ローラーに偏在し、あるいは常に再配分されます。ある時点では、数個のローラーだけが荷重の大部分を担っています。

 

3.2.2球面ころ軸受

複列球面ころ軸受の切断面図
画像出典:Wikimedia Commons

 

球面ころ軸受は、円筒形の転動体の中央部を少し大きくしたり、厚くしたりしたものです。このような軸受は、ずれ(角度のずれ)を許容しますが、その代償として、非常に高速で動作することはできません。また、他のタイプのころ軸受に比べ、高価で摩擦が大きいという欠点があります。

 

球面ころ軸受には、単列ローラーと複列ローラーの2種類の設計があります。単列ローラーは負荷容量が小さく、「バレルローラー軸受」とも呼ばれます。一方、複列の方は、2列の円筒ローラーを持つため、重い荷重に耐えることができます。

 

3.2.3歯車ころ軸受

歯車ころ軸受の切断面図

 

ころ軸受のもうひとつのタイプは、歯車ころ軸受です。外輪の内側と内輪の外側の両方のレース面と、円筒形の転動体上にある多数の小さな歯車で構成されています。

 

チェーン駆動の自転車と同様に、歯車ころ軸受は軸方向に噛み合っており、個々の歯車が正しく噛み合わないと機能しません。この設計は、摺動摩擦を最小限に抑え、ずれを防止することができます。

 

しかし、製造工程が複雑で、メンテナンスに費用がかかるという欠点があります。

 

3.2.4円すいころ軸受

円すいころ軸受の切断面図

 

円すいころ軸受は、他の多くのころ軸受と異なり、アキシアルとラジアル両方の大きな荷重を支えることができます。円すいころ軸受は、円すい形の軌道面だけでなく、円すい形の(または先細の)ローラーを特徴としています。

 

円すいころ軸受の円すい形は、玉軸受よりも大きな荷重を支えることができます(点接触でなく線接触)。ローラーは内部のリムによって安定化されており、ローラーが外れるのを防ぎます。

 

円すいころは通常、鉱山機械や建設機械、自動車のホイール、風力発電機、鉄道車両の軸箱、プロペラシャフトなどの高荷重用途に好まれます。現代の多くの用途では、背中合わせの配置で使用されています。

 

3.2.5針状ころ軸受

針状ころ軸受

 

針状ころ軸受は、円筒形のローラーが細くて長いという特徴を持っています。針状ころ軸受は、他のころ軸受に比べ、軌道面との接触面積が大きいため、大きな荷重を受けることができます。また、針状ころ軸受は薄型であるため、コンパクトなスペースに簡単に取り付けられるという利点もあります。

 

針状ころ軸受は、ドライブシャフト、トランスミッション、コンプレッサーなど、自動車産業で主に使用されています。

 

2. 流体軸受

流体膜軸受
画像出典:Waukesha bearings

 

流体軸受は、ボールやローラーの代わりに、加圧された液体や気体を利用して動作する軸受です。流体軸受には、レース速度に依存する動圧軸受と、油や水、時には空気で加圧される静圧軸受があります。

 

流体軸受は、非常に高い速度、精度、耐久性が要求される用途で使用されることが多くなっています。流体軸受は、レース間の金属接触がないため、摩擦や振動が少ないという特徴があります。

 

そのため、ハードディスクドライブに使用されている玉軸受は、流体軸受に置き換えられています。

 

1. 磁気軸受

磁気軸受

 

その名の通り、磁気浮上を利用して荷重や機能を支持するベアリングです。基本的には、電磁サスペンションの原理で動作します。磁気軸受は物理的な露出を伴わないため、摩擦や振動が極めて少ないうえ、真空中や無潤滑での使用も可能です。

 

磁気軸受は、流体軸受を含むすべてのベアリングの中で最も高い速度支持能力を持っています。高速のコンプレッサーや発電機、タービンなどの特殊な機械に使用されています。

 

磁気軸受の代表的な用途として、磁気浮上式鉄道車両に使用される電磁誘導式磁気浮上装置(インダクトラック)があり、過大な騒音を抑制するために使用されています。

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