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 (ベアリング ：Bearing) は、さまざまな機械などの回転軸を支える機械要素です。転がり軸受を用いることでしゅう動部分の摩擦を小さくすることができますが、完全になくすことはできません。本コラムでは、軸受内部の摩擦とその潤滑に着目し解説します。

　第1回目となる今回は、軸受内部に発生する摩擦について解説します。

軸受内部の摩擦

　転がり軸受の内部では、さまざまな要因で摩擦が発生しています。摩擦はトルク損失や熱となって現れますので、転がり軸受を使用するにあたっては、摩擦の要因を理解しておくことが大切です。軸受で発生する摩擦の割合は、軸受の型式、回転速度、荷重および潤滑条件などによって変化しますが、おおよそ以下の5つです。

1. 弾性ヒステリシス損失
2. 転がり接触部での微小すべり
3. すべり接触による摩擦
4. 潤滑剤の粘性抵抗・かく拌抵抗
5. 密封装置による摩擦損失

以下では、これらの要因の詳細を解説します。

1. 弾性ヒステリシス損失

　材料の弾性限度以下の応力において、応力とひずみとは比例の関係にあるとみなされていますが、厳密にいえば比例の関係ではありません。変形する際に材料の内部の摩擦によって、図1に示すようにひずみを発生させるのに必要なエネルギーと、ひずみが復元する際に解放されるエネルギーとにわずかな差異が生じます。この差異がエネルギー損失であり、これを弾性ヒステリシス損失と呼びます。
　軸受の回転中は、転動体と軌道面との接触面は弾性変形と復元とが繰り返し発生していますから、弾性ヒステリシスによりエネルギーの損失が生じます。

2. 転がり接触部での微小すべり

　転動体と軌道面との接触は、玉軸受では点接触、ころ軸受では線接触と言われていますが、実際には弾性変形していますので面接触になっています。面積を有することで、「差動すべり」や「スピンすべり」などが発生します。

差動すべり

　図2に玉軸受の転動体と内輪との接触状態の例を示します。O_a-O_a'が転動体の自転軸、O_i-O_i'が内輪の自転軸を示しています。接触面での周速はこれらの自転軸からの距離によって変化しますので、転動体側の周速は接触面中央の方が速く、内輪表面の周速は接触面中央の方が遅くなっています。純転がりをするためには、転動体表面の周速と内輪表面の周速が等しくなければなりませんが、前述のような周速分布であるため、接触面全面が純転がりをすることは不可能です。
　仮に図のように、ある2点で純転がりをしている場合には、その内側では内輪側の周速が遅くなり、内輪回転方向とは逆方向のすべり (負のすべり) が生じ、その外側では内輪側の周速が速くなり、内輪回転方向のすべり (正のすべり) が生じます。これを「差動すべり」あるいは「ヒースコート・スリップ (Heathcote-Slip) と呼びます。また、純転がりをしている位置を純転がり線、ノンスリップライン、ニュートラルラインなどと呼びますが、とくに純ラジアル荷重の場合には、すべりの部分が摩耗し、純転がり線の部分が摩耗せずに残った「二山摩耗」と呼ばれる特徴的な摩耗が発生します。

スピンすべり

　アンギュラ玉軸受やアキシアル荷重が負荷された玉軸受では、接触角を持ちます。これら接触角を持つ玉軸受においては、スピンと呼ばれる現象が生じます。
　図3にスピンすべりの模式図を示します。接触角αを有し、内輪と転動体が純転がりをする場合、転動体は内輪と転動体との接点Aでの接線と内輪の回転軸との交点O_iと転動体の中心Cとを結んだ軸O_i-Cを中心に自転します。このとき外輪側の接触面において転動体表面の周速は接触楕円の中心部 (点B) に比べ、点O側 (転動体大径側) では速く、その反対側 (小径側) では遅くなります。一方、外輪側表面の周速は点O側では遅く、その反対側では速くなります。この周速の差によって、接触楕円の中心 (点B) を中心として、転動体が回転 (スピン) をはじめます。その結果、スピンすべりが生じます。

　外輪側で純転がりをする場合には、内輪側でスピンすべりが発生します。内輪あるいは外輪のどちらでスピンすべりが生じるかは、それぞれの節点での摩擦 (スピントルク)の大きさによって決定されますが、スピントルクの大きい軌道輪が「コントロール」していると定義されています。

• 内輪コントロール
  内輪側のスピントルクが大きく、外輪側の節点でスピンすべりが生じる。低速域で生じやすい。
• 外輪コントロール
  外輪側のスピントルクが大きく、内輪側の節点でスピンすべりが生じる。高速域で生じやすい。

　接触角を有する玉軸受では、スピンすべりの発生を防ぐことができません。とくに高速回転の場合には、発熱や摩耗などの不具合を発生させる場合があるため、転動体と軌道面との接触面圧 (\(\,P\,\)) にスピン速度 (\(\,V\,\)) を乗じたPV値と呼ばれる値で使用可否を判定することがあります。

　次回は引き続き、軸受の摩擦について解説します。

本コラムは全6回を予定しています。次回は12月号に掲載予定です。