関東学院大学 理工学部　准教授

堀田 智哉

2017/3　　　　　博士（工学）　東京理科大学
...もっと見る 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
2020/4-2023/3　 関東学院大学理工学部講師
2023/4　　　　　関東学院大学理工学部准教授
[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3回目となる今回は、軸受の内部すきまと予圧について解説します。

内部すきま

　軸受の内部すきまとは、内輪あるいは外輪の一方を固定し、もう一方を動かした場合の移動量のことです。半径方向の移動量を「ラジアル内部すきま」といい、軸方向の移動量を「アキシアル内部すきま」と呼びます（図1）。

　運転中における内部すきまの大きさは、転がり疲れ寿命、発熱、騒音、振動などの軸受の性能に影響を与えます。理想的な状態におけるラジアル内部すきまと軸受寿命との関係は、図2のようになります。軸受の定常運転状態において、内部すきまが負となる場合は、常に転動体に弾性圧縮力が加わります。また、内部すきまが小さくなるほど転動体に加わる荷重が大きくなります。逆に、すきまが大きければ、負荷を受けることのできる転動体数が減りますので、こちらも転動体に加わる荷重が増加します（図3）。これらの影響が合わさった結果、わずかに負になるときに疲労寿命が最大となります。

　しかし、実際に最も寿命が長くなるすきまを常に保っておくことは難しく、何らかの要因によって、負のすきま量がわずかでも大きくなると，著しい寿命低下と発熱を招くことになります。したがって通常は、運転すきまがゼロよりもわずかに大きくなるように初期の軸受内部すきまを選定します。通常の使用条件（普通荷重のはめあいを用い、回転速度、運転温度などが通常である場合）であれば、普通すきまを選定することによって適切な内部すきまになるようになっています。
　しめしろを与えて軸受を回転軸またはハウジングに取付けた場合には、内輪は膨張し外輪は収縮することになりますので、軸受の内部すきまは減少します。内輪または外輪の膨張あるいは収縮量は、軸受の形式、軸またはハウジングの形状、寸法および材料によって異なりますが、近似的には有効しめしろの70〜90％になるといわれています。

予圧

　前述したように、軸受は運転状態でわずかな内部すきまを与えて使用するのが一般的です。しかし、剛性が必要な場合には、あらかじめ荷重を加えて軸受内部すきまを負の状態にすることがあります。このような軸受の使い方を予圧法と呼びます。とくに円すいころ軸受は、アキシアル荷重を与えた状態でないと、内輪と外輪が分離してしまいます。そのため、この軸受を正常に機能させるには、予圧が必要になります。
　予圧を与えることで、転動体と軌道面との接触点には常に弾性圧縮力が生じた状態になりますので、次の効果が得られます。

1. 荷重負荷時にも内部すきまが発生しにくく、剛性が高くなる。
2. 軸の固有振動数が高くなり、高速回転に適するようになる。
3. 軸振れが抑えられ、回転精度および位置決め精度が向上する。
4. 振動および騒音が抑制される。
5. 転動体の公転すべり、自転すべりおよびスピンすべりが抑制される。
6. 外部振動によって発生するフレッチングを防止する。

　しかし一方で、過大に予圧を加えると、寿命低下、異常発熱および回転トルク増大などが発生しますので、適切な予圧量を与えなければなりません。予圧量はその目的に応じて決定されますが、振動防止を目的として予圧を付加する場合には、軽予圧または普通予圧が用いられます。また、剛性を必要とする場合には、中予圧または重予圧が用いられます。

予圧方法

　軸受への予圧の付与は、対向する軸受の間にアキシアル方向の荷重を与えて、軸受の内輪と外輪をアキシアル方向に相対的に変位させることによっておこなわれます。軸受に予圧を与える方法として、対向する軸受を固定し、間座あるいはシムなどによって寸法を調節することによって所定の予圧をかける定位置予圧と、ばねを弾性変形させることによって予圧する定圧予圧の2種類が存在します（図4）。それぞれの特徴は以下の通りです。

定位置予圧

• 軸受同士の位置が固定され，剛性を高めるのに有効である。
• 軸とハウジング間の温度差によるアキシアル方向の伸びの差，内外輪温度差，荷重による変位等により，予圧量が変化する。

定圧予圧

• ばねを用いて予圧するので，運転中の熱影響および荷重の影響による軸受間の位置の変化があっても，予圧量を一定に保つことができる。
• ばねを収縮させる方向のアキシアル荷重は負荷できない。

予圧と剛性

　軸受に荷重が加わると、軌道輪と転動体との接触部に弾性変形が生じます。そのため、かかる荷重の増加にともなって、軸受の変位量も増加します。この変位の変化量を剛性と呼びますが、予圧を付与すると剛性を向上させることができます。たとえば、アンギュラ玉軸受の内輪にアキシアル荷重とアキシアル方向の変位量の関係は、図5に示す曲線のようになっています。外部からアキシアル荷重\(T\)が加わると，軸受には\(δ\) の変位が生じることになります。一方で、予圧\(P\) が付与された状態から、アキシアル荷重\(T\)を加えたときには、\(δ^{’}\)となります。このときの\(δ^{’}\)は\(δ\)よりも小さくなりますから、剛性が高くなることになります。
　アンギュラ玉軸受や円すいころ軸受では、それぞれの軸受のアキシアル荷重（予圧）とアキシアル方向変位量（剛性）との関係から、必要なアキシアル荷重を算出して、与えることになります。

　次回は、転がり軸受のはめあいについて解説します。