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

転がり軸受から発生する振動

　転がり軸受から発生する振動の要因は、「転がり軸受が弾性体であることに起因する振動」、「転がり軸受の製作精度に起因する振動」、「転がり軸受の取扱い不良に起因する振動」の3つがあります (図1) 。また、これらの振動には強制振動と固有振動とがありますが、強制振動は回転速度に応じた周波数が発生します。一方で、固有振動は、軸受が固有の周波数（固有振動数）で振動します。これらの振動は、軸受が弾性体で製作されている限り、いくら加工精度を上げてもこの固有振動を抑えることはできません。固有振動は、回転速度に依存しないので、回転速度を変えて周波数スペクトルを測定すれば、それが固有振動かどうかを判別することができます。

転がり軸受の構造に起因する振動

　転がり軸受が弾性体であることによって発生する振動には、「転動体通過振動」、「軸受の固有振動」、「回転軸の危険速度」の3種類が含まれます (図2) 。ここでは、「転動体通過振動」のみを解説します。

転動体通過振動

　内輪は転動体に支えられています。図3に示すように、アキシアル荷重のみの場合には、転動体にかかる荷重 (転動体荷重) が均等になりますが、ラジアル荷重が加わっている場合には、転動体荷重の偏りが生じます。転動体は弾性体ですので、荷重によって弾性変形します。つまり、ラジアル荷重が加わる場合には、転動体は位置によって弾性変形量が変わります。

　たとえば、図4のように、ラジアル荷重\(F_{r}\)が加わっているときに、軸の直下に転動体がある場合と、転動体間である場合とでは、転動体荷重が異なります。転動体をばねとして考えれば、それぞれ、3本のばねと4本のばねとで軸を支えているのと同じですから、この両者で剛性が変わることは何となくイメージができるのではないでしょうか。そのため、軸の回転によって軸の中心が上下に移動します。さらに、この中間 (転動体位置が左右非対称) の場合には、軸が水平 (左右) 方向にも移動します。これによって、転動体がラジアル荷重の方向の位置を通過する周期で振動が発生します。この振動を転動体通過振動と呼び、軸受が弾性体かつ転動体が有限個であるならば、必ず発生します。

　転動体通過振動は、低速時に明瞭に表れるといわれています。また、転動体通過振動周波数\(f\)は、転動体の公転速度を\(f_{c}\) , 転動体数を\(z\)とすれば、以下の式で表すことができます。

\[ f=zf_{c} \]

また、振幅は軸受の呼び、ラジアル荷重、ラジアル隙間、転動体数に依存します。回転数が速くなると、軌道面および転動体面の凹凸がたがいに衝突してランダムな振動を生じ、複雑な振動状態となります。
　この振動を抑えるためには、転動体荷重の偏りを少なくする必要があります。たとえば、転動体個数を増やす、ラジアル隙間を小さくする、あるいは、適当なアキシアル荷重 (予圧) を負荷するなどの方法があります。

　次回は、軸受の製作精度に起因する振動について解説します。