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2回目となる今回は前回に引き続き、軸受内部に発生する摩擦について解説します。

2. 転がり接触部での微小すべり （第1回続き）

　第1回で解説した、差動すべりやスピンすべり以外にも、ジャイロすべり、スキュー、公転すべり・自転すべりなどがあります。ここでは、「ジャイロすべり」と「スキュー」について解説します。

ジャイロすべり

　通常、転動体は回転軸を中心にして公転をしています。一方、転動体の自転は転動体と内外輪との接触点ABを結んだ軸に対し、直角となる軸を中心におこなわれます。すなわち、図1に示すように接触角α を有する場合には、転動体自転軸は転動体公転軸と一定の角度を保ちながら旋回します。一般的には、この角度を小さくする (自転軸と公転軸を一致させる) ようにモーメント (ジャイロモーメント) が働きます。このジャイロモーメントにより、転動体は回転をはじめるため、転動体と内外輪との接点にはすべりが発生します。これを「ジャイロすべり」と呼び、接触角や回転速度が大きくなるほどジャイロモーメントが大きくなります。

スキュー

　ころ軸受などにおいて、図2のようにころの中心軸が進行方向に対して正しく直角でなく、小さな角度を持って傾くことを「スキュー」と呼びます。このスキューは、ころ端面とつば部との摩擦抵抗や軸受の加工精度、負荷の偏りなどによって生じます。ころのスキューが発生すると軌道面との接触面に軸方向のすべりを生じます。また、円すいころ軸受の場合には、組立幅が変化し、予圧の「抜け」に繋がります。

3. すべり接触による摩擦

　転がり軸受には、さまざまな要因によってすべり接触が発生しています。たとえば、「つば部のすべり」、「保持器のすべり」などがあります。

つば部のすべり

　前述のように、ころにはスキューが発生しますので、ころをまっすぐ転がすためには、図3に示すように「つば」を設けて、ころを案内する必要があります。このつばところの大端面とはすべり接触をしています。円筒ころなどは、つば部で荷重を受け持つ構造ではありませんので、発生する摩擦はそれほど大きくはありませんが、円すいころ軸受などでは、一部の荷重を「大つば」で受ける構造ですので、大きな摩擦が発生します。そのため、円すいころ軸受の大つば部では、かじりや焼付きが発生しやすくなります。また、ころ大端面が大つばのどの部分で接触しているかによって、摩擦の大きさが変化します。

保持器のすべり

　転がり軸受には、転動体を円周方向に一定の間隔に保たせるために保持器が用いられます。図4に保持器の有無による転動体の状態を示します。保持器がない場合、転動体同士が接触します。このとき、転動体表面の進行方向は逆方向ですので、相対すべり速度は転動体表面の周速の2倍になります。一方、保持器がある場合、転動体と保持器とが接触します。このとき、保持器と転動体との接触部での相対すべり速度は、転動体表面の周速ですから、前者の半分に抑えることができます。したがって、保持器を用いることで、摩擦による発熱を抑えることができ、高速回転に適するようになります。
　ただし、保持器と転動体とのすべり接触をなくすことはできません。また、この保持器を軌道面で案内する方式 （内輪案内方式あるいは外輪案内方式） の軸受がありますが、この場合は保持器と案内面との接触面にすべり摩擦が生じます。

4. 潤滑材の粘性抵抗・かく拌抵抗

　転動体と軌道面とは、きわめて小さな面で接触しているため面圧が高く、接触面は弾性変形しています。このような弾性変形の影響を含んだ流体潤滑領域のことを弾性流体潤滑 （EHL:Elasto-Hydrodynamic Lubrication） と呼びます。 EHL状態で転がり運動をしている場合、接触面の圧力分布に起因した、転動体の回転に対して逆方向のトルクを与えるモーメントが発生します。このモーメントを転がり粘性抵抗と呼びます。ころ軸受では、摩擦抵抗のうち、転がり粘性抵抗の占める割合が玉軸受に比べて大きくなります。
　そのほか、つば部や保持器と転動体とのすべり接触箇所における潤滑剤のせん断抵抗や、転動体や保持器が、潤滑剤の中をかき分けながら進むことで発生するかく拌抵抗などがあります。かく拌抵抗は潤滑剤の粘度だけでなく、封入量にも影響しますので、高速回転の場合には潤滑剤の封入量を減らすこともあります。

5. 密封装置による摩擦損失

　転がり軸受では、潤滑剤の漏れを防ぐために密封装置としてシールやシールドが用いられることがあります。接触型のゴムシールを用いている場合には、開放形や非接触などと比べて、すべり摩擦が非常に大きくなります。

　次回は、軸受のトルクの計算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2025年2月号に掲載予定です。