関東学院大学 理工学部 講師

堀田 智哉

2017/3     博士(工学) 東京理科大学
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2017/3     博士(工学) 東京理科大学
2017/4‐2020/3  関東学院大学理工学部助教
2020/4     関東学院大学理工学部講師
[専門分野] 転がり軸受工学、機械要素・機械設計、トライボロジー、材料工学

 第2回目となる今回は、軸受の配列について解説します。

単列・複列・組合せ

 1つの軸受に転動体が1列に配列されているものを単列軸受と呼び、2列に配列されているものを複列軸受と呼びます(図1)。複列軸受は軸受を2個並べているようなものですから、単列軸受に比べて負荷能力が大きく、剛性も高くなります。鉄鋼圧延機などの大きな荷重が加わる機械では、より列数の多い4列円すいころ軸受なども使用されます。
 アンギュラ玉軸受の場合、単列ではアキシアル荷重は一方向しか受け持てず、また、モーメント荷重への耐性もありません。そこで、複列にすることで、両方向のアキシアル荷重とモーメント荷重を受け持てるようになります。

 複列と同様の効果を得るために、複数の軸受を並べて使用することを“組合せ”と呼びます。基本的に組合せ軸受は、軸受の内部すきまあるいは予圧量を調整したうえで販売されています。そのため、同一の製品番号の軸受を組み合わせて使用する必要があります。
 アンギュラ玉軸受や円すいころ軸受は、接触角を持ちますので向きが存在します。図2に示すように、正面、背面と呼び、組合せの方向によって、正面組合せ、背面組合せ、並列組合せと呼びます。背面組合せの方が正面組合せに比べて、モーメント荷重の負荷能力が大きくなりますが、許容傾き角は小さくなります。また、並列組合せでは、一方向のアキシアル荷重しか負荷できませんが、アキシアル荷重を2個の軸受で受けることができるため、より大きなアキシアル荷重を受けることができます。

固定側と自由側

 通常、1本の軸には2個以上の軸受を取り付けなければなりません。このとき、軸が回転すると取り付けられた軸受が発熱し、その熱が周辺部品に伝わることで、軸とハウジングとが熱膨張します(図3)。

 多くの場合では、軸とハウジングは放熱量や熱容量などが異なるため、温度差ができることになります。その結果として熱膨張の差による熱応力が生じ、最終的には軸のたわみや破損、軸受の早期損傷につながります。そこで、熱膨張の差による軸の伸縮を逃がす(吸収する)ことが必要です。そのため、軸の伸縮を考えた取付けをおこなわなければなりません。
 たとえば、1本の軸に取り付けられている2個の軸受のうち、一方を軸とハウジングとを軸方向に固定します。この軸受により、軸とハウジングの相対位置を決定します。もう一方の軸受は、軸あるいはハウジングが軸方向に自由に動くようにして熱膨張の差による軸の伸縮を逃がします(図4)。

固定側軸受

 軸とハウジングとを半径方向と軸方向に固定する固定側軸受には、ラジアル荷重とアキシアル荷重との合成荷重が加わります。そのため、ラジアル荷重とアキシアル荷重を支持できる形式の軸受を荷重の大きさに応じて選定します。また、固定側ベアリングにはラジアル荷重とアキシアル荷重を支持するために、外径の大きな深溝玉軸受を用い、自由側軸受にはラジアル荷重のみを支えるために、外径の小さな深溝玉軸受を用いる配列にすることもあります。
 場合によっては軸受を組み合わせて、ラジアル荷重とアキシアル荷重を別々の軸受で支える方式にすることもあります。たとえば、図4(f)のように、深溝玉軸受の外径とハウジングの内径との間にすきまをつけて、深溝玉軸受はアキシアル荷重を支え、円筒ころ軸受にはラジアル荷重のみを支える配列とします。
軸を支える軸受のうち、どこを固定側軸受にするかは、機械の機能や軸受寿命のつりあいなどを考慮して決定します。

自由側軸受

軸の伸縮を逃がすための自由側軸受には、大きく2つの方式があります。分離形(内輪と外輪との分離ができる)軸受では、ころと軌道面との間で軸の伸縮を逃がします。非分離形(内輪と外輪との分離ができない)軸受では、軸受の外径とハウジングの内径とをすきまばめにします。これによって、軸受がハウジングを滑動できるようになり、軸の伸縮を逃がします。軸受の発熱によって、軸受の外径も膨張しますので、滑動できなくなることがありますので、この膨張量を考慮してはめあいを決定しなければなりません。

固定側と自由側とを区別しない場合

 以下のような場合は、固定側と自由側を区別しません。

  • 軸の伸縮による影響が少ない小型機械の場合(図5 (a)(b))
  • 予圧を与えて軸に剛性をもたせる場合(図5 (c)~(f))

 小型機械の場合には、軸が短く、荷重も小さいため、伸縮の影響が少なく、自由側と固定側を区別せずに配列することがあります。また、予圧を与える場合には、双方の軸受を固定し、アキシアル荷重をかける必要があります。アンギュラ玉軸受または円すいころ軸受では、2個対向して背面または正面取付けにします。正面取付けと背面取付けを選ぶ際には、モーメントを考慮する必要があります。モーメントが小さい場合は正面取付けを、モーメントが大きい場合には背面取付けを選びます。

 次回は、転がり軸受の内部すきまと予圧について解説します。