4種類のベアリングとは何ですか？完全なエンジニアリングガイド

ほぼすべての機械システムに見られる 4 つの基本的なタイプのベアリングは次のとおりです。 ボールベアリング , ころ軸受 , すべり軸受 (スリーブベアリングとも呼ばれます)、および スラストベアリング 。 4 種類のベアリングとは何か、またそれらの耐荷重、速度能力、摩擦特性がどのように異なるかを理解することは、電気モーター、ギアボックス、コンベヤ、および回転機械用の適切なコンポーネントを指定するための第一歩です。この記事では、業界のメンテナンス調査によると、これら 4 つのベアリング カテゴリのデータに裏付けられた比較を提供し、その内部構造を調査し、耐用年数を最大 30% 延長できる実用的な選択ガイドラインを提供します。

ボールベアリング: 高速オールラウンダー

ボールベアリングは、内輪と外輪の間に精密に硬化された鋼球またはセラミック球を使用することにより回転摩擦を低減し、中程度の負荷および高速動作に最も汎用性の高いベアリングタイプとなっています。 ボールと軌道の間の点接触により、転がり抵抗が最小限に抑えられるため、標準の深溝玉軸受は電気モーター用途で毎分 20,000 回転を超える速度で動作することができます。米国軸受製造者協会 (ABMA) によると、ボール ベアリングは収益ベースで世界の転がり軸受市場の約 42% を占めており、これはボール ベアリングが業界を超えて比類のない適応性を持っていることを証明しています。

ボールベアリングの負荷容量は、小さな接触楕円で発生するヘルツ接触応力によって基本的に制限されます。たとえば、一般的な 6205 深溝玉軸受の動定格荷重は約 14.0 キロニュートンで、ISO 281 の寿命計算に基づくと、清浄な潤滑条件下で 3,600 rpm で約 25,000 時間の耐用年数に相当します。ラジアル荷重と両方向の中程度のアキシアル荷重の両方に耐えることができるため、 ボールベアリング 電気モーター、ファン、ポンプ、自動車のホイール ハブのデフォルトの選択肢です。アンギュラ玉軸受などのサブタイプは、接触角を 25 度または 40 度にシフトすることで、より重いアキシアル荷重をサポートできます。一方、自動調心玉軸受は、過剰な振動を発生させることなく、最大 3 度のシャフトのずれに対応します。

一般的なボールベアリングのバリエーションとその機能

• 深溝玉軸受 – 世界で最も多く生産されているベアリングタイプ。高速でのラジアル荷重および両方向のアキシアル荷重に適しています。
• アンギュラ玉軸受 – 軸力が支配的な場合の複合荷重向けに設計されています。一般的に工作機械のスピンドルでペアまたはセットで使用されます。
• 自動調心ボールベアリング – 2 列のボールと球面外輪軌道を備え、最大 3 度のシャフトのずれを許容します。
• スラスト玉軸受 – 純粋なアキシアル荷重を処理します。回転テーブル、垂直シャフト、低速アキシャルのみの用途に使用されます。

ころ軸受：重機の最大耐荷重

ころ軸受は、円筒ころ、円すいころ、または自動調心ころを使用することで点接触を線接触に置き換え、同じ外形寸法の玉軸受と比較して耐荷重能力を 3 ～ 5 倍に高めます。 接触面積が大きいため、応力がより均一に分散され、コンベアプーリーや大型産業用ギアボックスなどの用途において、単一の円筒ころ軸受で 150 キロニュートンを超える動的荷重をサポートできます。 ISO 281 ベアリング寿命モデルのデータによると、純粋なラジアル荷重の場合、両方が同じ速度と荷重条件で動作した場合、NU210 円筒ころ軸受は寸法的に同等の 6210 深溝玉軸受よりもほぼ 4 倍長い L10 寿命を達成できることが示されています。

その代償として、転動体が重くなり、より大きな遠心力が発生するため、最大速度は低くなります。ほとんどの円筒ころ軸受は、同等の玉軸受の限界の 60 ～ 70% までの速度に定格されています。 4種類のうち、 ころ軸受 これらは重工業の主力製品です。製鋼圧延機、風力タービンの主軸、鉄道の車軸ボックス、大口径ディーゼル エンジンはすべて、衝撃荷重や長時間の運転に耐えるために線接触形状に依存しています。内輪、ローラーセット、外輪に分離できるため、計画停止時の取り付けや検査も簡素化されます。

ローラーベアリングの構成

• 円筒ころ軸受 – 優れたラジアル荷重容量。リング間の軸方向の変位が許容されるため、フローティングベアリングの位置に最適です。
• 円すいころ軸受 – ラジアル荷重と重い一方向アキシアル荷重の組み合わせをサポートします。自動車のホイールベアリングやベベルギアシャフトに広く使用されています。
• 自動調心ころ軸受 – 自動調心式で、重大な位置ずれやシャフトのたわみがある場合でも、非常に高いラジアル荷重に耐えることができます。
• 針状ころ軸受 – ローラーの直径に対する長さの比率が高く、スリムな断面。ユニバーサルジョイントやピストンピンなど、半径方向のスペースが限られている場所に使用されます。

すべり軸受: シンプル、堅牢、メンテナンス不要

プレーンベアリングは、スリーブベアリングまたはブッシングと呼ばれることが多く、回転要素なしで動作し、シャフトと柔らかいベアリング素材の間の滑り接触を使用して荷重を支えます。 可動部品がないことにより、 すべり軸受 これは、転がり軸受がブリネリングや汚染によりすぐに故障する汚れ、衝撃の大きい、または往復運動の用途において固有の利点です。 2024 年のヘビーデューティ オフロード機器の調査では、複合すべり軸受を備えたピボット ピンの平均交換間隔は 12,000 時間であったのに対し、同じジョイントのシールド ローラー ベアリングでは 6,500 時間であったことがわかりました。

すべり軸受の性能は、材料の組み合わせと潤滑方式によって異なります。青銅、油を含浸させた焼結青銅、PTFE ライニング鋼、およびポリマー複合材は、それぞれ摩擦係数、摩耗率、および温度耐性の異なる組み合わせを提供します。適切に潤滑されたブロンズ製スリーブ ベアリングは流体力学的領域で動作し、多くの転がり要素ベアリングと同等かそれ以上の 0.003 という低い摩擦係数を達成できます。農業用ベーラーや建設機械のヒンジポイントなど、コストが重視される場所やメンテナンスが困難な場所では、 すべり軸受 致命的な故障を起こすことなく、角度のずれ、衝撃、および限界潤滑に耐えられるため、多くの場合、これが唯一の実用的な選択肢となります。

スラストベアリング：アキシアル荷重管理のスペシャリスト

スラスト ベアリングは、軸方向の力を伝達し、負荷がかかった状態でシャフトが端方向に移動するのを防ぐように特別に設計されており、転動体構成と平面構成の両方で存在します。 ボールベアリングとローラーベアリングはある程度のアキシアル荷重に耐えることができますが、専用の スラストベアリング アキシアル力が標準の深溝ベアリングのラジアル容量の約 20% を超える場合、このトルクが必要になります。たとえば、垂直ポンプ モーターでは、ロータの全重量とインペラによって生成される油圧推力をティルティング パッド スラスト ベアリングまたは自動調心ころスラスト ベアリングで支え、シャフトの軸方向の位置を 100 分の 1 ミリメートルの公差内に維持する必要があります。

スラストベアリングの容量は、ラジアル方向ではなくアキシアル定格荷重の観点から測定されることがよくあります。内径 50 ミリメートルの単方向スラスト玉軸受は、通常、中程度の速度で 40 ～ 50 キロニュートンのアキシアル荷重に耐えることができます。船舶のプロペラ シャフトや水力発電機のタービンで発生するような非常に重いアキシアル荷重に対して、流体力学的ティルティング パッド スラスト ベアリングは、ミクロンの厚さの油膜を維持しながら数百キロニュートンに耐えることができます。全荷重下でも軸方向のたわみを 0.01 ミリメートル未満に抑えることができるため、 スラストベアリング 精密回転テーブルやクレーンの旋回輪、自動車のステアリングコラムなどに欠かせない製品です。

4種類のベアリングを徹底比較

4 種類のベアリングを並べて評価すると、速度、荷重方向、摩擦、コストの明確な境界が明らかになり、これらが選択プロセスに直接影響します。 以下の表は、メーカーのカタログ データと ISO 規格に基づいて、内径 50 ミリメートルの中型ベアリングの代表値を使用してこれらの違いを定量化しています。

適切なベアリングの種類を選択する方法

ベアリングの選択プロセスは、まず負荷の大きさと方向によって決まり、次に動作速度、必要な耐用年数、環境条件によって決まります。 表 1 のデータと次の順序付きチェックリストを併用すると、4 つのタイプからお使いのマシンに最も適したものを選択するのに役立ちます。

1. 主な荷重方向を特定します。 純粋に軸方向の荷重である場合は、評価から始めます スラストベアリング 。荷重が純粋にラジアル荷重である場合、または複合荷重である場合は、次のステップに進みます。
2. ラジアル荷重の大きさを数値化します。 50 mm シャフトで 50 kN を超える重いラジアル荷重の場合、 ころ軸受 通常、寿命要件を満たしながらも最も経済的な選択肢です。
3. 動作速度を確認してください。 3,000 rpm を超える速度で動作するアプリケーションには通常、 ボールベアリング ; 100 rpm 未満および汚染度の高い環境では、自己潤滑性があります。 すべり軸受 多くの場合、転動体よりも優れた性能を発揮します。
4. メンテナンスアクセスを評価します。 再潤滑が困難または不可能な場合でも、メンテナンスフリー すべり軸受 PTFE ライナー付き、またはグリース・フォー・ライフ潤滑付きの密閉ボールベアリングが推奨されます。
5. アライメントのずれや衝撃を考慮してください。 シャフトのたわみや取り付け位置の調整を厳密に制御できない場合は、自動調心ころ軸受または堅牢な すべり軸受 早期故障の原因となるエッジローディングを防止します。
6. 熱環境を確認してください。 ボールベアリングとローラーベアリングは、適切な熱処理を施すことで最高 150 ℃まで動作できます。プレーンポリマーベアリングは摂氏 100 度までに制限される場合がありますが、青銅製ブッシュは適切な潤滑を行えば摂氏 200 度を超えても耐えることができます。

業界全体の市場とアプリケーションのデータ

世界のベアリング市場は 2024 年に 1,200 億米ドルを超え、自動車の電動化と産業オートメーションの推進により、ボールベアリングとローラーベアリングを合わせた売上高の 80% 以上を占めています。 2024 年の ABMA 市場分析によると、すべり軸受は建設、農業、航空宇宙分野に集中して 12% の価値シェアを占め、一方、スラスト軸受が残りのセグメントを占め、特に大型発電と船舶推進で大きな存在感を示しました。

電気自動車分野では、トラクションモーターは通常、深溝モーターと深溝モーターを組み合わせて使用されます。 ボールベアリング 出力端で円筒形 ころ軸受 フローティングエンドで高速性と熱膨張の要件に対応します。単一の風力タービンの主軸には、内径 300 ミリメートル、動定格荷重 3,000 キロニュートンを超える自動調心ころ軸受が採用されている場合がありますが、ピッチとヨーの制御は次のようなものに依存します。 すべり軸受 そして専門化された スラストベアリング 。 4 種類のベアリングとは何かを理解することで、設計エンジニアはこれらのカテゴリを組み合わせて、重量、コスト、信頼性に関してローター サポート システムを最適化することができます。

よくある質問

1 台の機械で複数の種類のベアリングを使用できますか?

絶対に。ほとんどの回転機械は 2 つ以上のタイプのベアリングを組み合わせています。たとえば、一般的な電気モーターは深溝を使用しています。 ボールベアリング シャフトを軸方向と円筒形に配置します。 ローラーベアリング もう一方の端は熱膨張を許容します。ギアボックス内、テーパー ころ軸受 結合したギア負荷を個別に処理しながら、 スラストベアリング はすば歯車からの高い軸方向推力を管理するために追加される場合があります。

スラストベアリングと平スラストワッシャーの違いは何ですか?

A スラストベアリング 通常、アキシアル荷重下の摩擦を最小限に抑えるために転動体を使用しますが、平スラストワッシャーは一種の すべり軸受 これは、簡素化、低コスト、および汚れた潤滑条件または断続的な潤滑条件下での作業能力を実現するために、低摩擦を犠牲にしています。プレーンスラストワッシャーは、自動車のキングピンや低速ウインチドライブで一般的です。

ボールベアリングが一部のローラーベアリングよりも高価なのはなぜですか?

その間 ボールベアリング 多くの場合、基本的な円筒ころ軸受よりも単価が高いように見えますが、コストは均一な球を製造するために必要な精度と、それに適合する軌道曲率によって決まります。大量生産の標準サイズでは、深溝玉軸受は実際に非常に経済的です。ただし、特殊なアンギュラ コンタクト ボール ベアリングやセラミック ハイブリッド ボール ベアリングは、公差が厳しく、先端材料が使用されているため、プレミアム価格が要求されます。

どのベアリングのタイプが衝撃荷重に最もよく耐えられますか?

すべり軸受 軌道面にブリネルが発生する危険がなく、表面接触によってエネルギーが吸収されるため、激しい衝撃の下でもすべての転がり軸受よりも優れた性能を発揮します。鍛造プレスや砕石機では、高強度青銅または複合材 すべり軸受 この理由から標準です。転がり軸受の中でも自動調心ころ軸受は、樽型ころにより衝撃がより広範囲に分散されるため、最も優れた耐衝撃性を備えています。

あらゆる状況に適したベアリング

4 種類のベアリングとは何か、またそれぞれが負荷速度環境マトリックスのどこに当てはまるかを知ることは、信頼性エンジニア、メンテナンス プランナー、機械設計者にとっての基礎知識です。 ボールベアリング 比類のないスピードと多用途性を実現し、 ころ軸受 最も重いラジアル荷重に耐えます。 すべり軸受 シンプルさと耐衝撃性が最も重要な場所で成功し、 スラストベアリング 軸方向の力を正確に制御します。デフォルトで単一の形式を使用するのではなく、軸受のタイプを実際のデューティ サイクルに一致させることにより、プラントの信頼性データによると、計画外のダウンタイムを最大 40% 削減し、機械の耐用年数全体にわたって稼働時間あたりのコストを最小に抑えることができます。