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4回目となる今回は、軸受の潤滑について解説します。

潤滑の目的

　転がり軸受を運転させる際には、潤滑剤が必須です。転がり軸受において潤滑は、転がり面およびすべり面に油膜を形成し、金属と金属の直接接触を防ぐことを主目的におこなわれます。一般論として、転がり軸受における潤滑の効果は以下の通りです。

1. 軸受寿命の延長
   転がり接触部に油膜を形成させることにより、転がり疲れ寿命を延長させる。
2. 摩擦および摩耗の軽減
   軸受構成部品の転がり部、滑り部における金属接触を防止し、摩擦および摩耗を軽減する。
3. 摩擦熱の排出および冷却
   摩擦により発生した熱あるいは、外部から伝わる熱を排出する。
4. その他
   異物の侵入防止および排出、あるいは金属表面を油膜で覆うことにより、腐食 (さび) を抑制する。

　これらの効果を発揮させるためには、使用条件に適した潤滑方法を用いるとともに、適切な潤滑剤、適切な潤滑剤の量である必要があります。さらに、軸受外部からの異物の侵入と潤滑剤の漏れを防ぐための適切な密封構造の設計などの、総合的な検討が必要です。潤滑が十分でない場合には、摩擦によって軸受の過度な昇温を招いたり、異常摩耗を起したりすることがあるので、潤滑設計は適切におこなわれなければなりません。

　図1に潤滑油量と摩擦損失、温度上昇との関係を示します。図に示したA～Eの領域における特徴と、その条件に対応する主な潤滑方式は以下の通りです。

領域A：油量が非常に少ない場合、転動体と軌道面とが部分的に金属接触し、軸受の摩耗や焼付きが発生する。
領域B：完全な油膜が形成され、摩擦は最小で軸受温度も低い。 (グリース潤滑、オイルミスト潤滑、エアオイル潤滑)
領域C：さらに油量を増やした場合、領域Dに移行し、発熱と冷却とが平衡する。 (循環給油)
領域D：温度上昇は油量に関係なく、ほぼ一定となる。 (循環給油)
領域E：油量の増加とともに冷却効果が顕著になり軸受温度が下がる。 (強制循環給油、ジェット潤滑)

転がり接触領域の潤滑

　前述のように、転がり軸受は潤滑剤により軌道輪と転動体との間に油膜を生成させ、金属接触を防いでいます。したがって、油膜の形成状態が軸受寿命に影響を与えます。つまり、油膜の形成状態、とくに油膜厚さを求めることが軸受寿命を考える上では非常に重要です。
　すべり軸受の油膜厚さの計算に使用されているReynoldsの流体潤滑理論を転がり軸受の油膜厚さの計算に適用しても、実態と一致しない、非常に薄い膜厚が算出されます。これは、転がり軸受では転がり接触面が非常に小さく、接触面圧が数GPaの高圧となるためです。高面圧下の接触領域では、接触面の弾性変形と高圧下での潤滑油の粘度の増加があるため、それらを考慮した計算をおこなう必要があるのです。

　そこで考案されたのが、流体潤滑理論に接触面の弾性変形と高圧による潤滑油の粘度の増加をとりいれた、弾性流体潤滑理論 (EHL理論：Elasto-Hydrodynamic Theory) です。これは、Reynoldsの流体潤滑の基礎方程式にHertzの弾性変形理論、そして圧力と粘度との関係を連立させて解を求めます。

 図2にDowson-Higginsonが提唱したEHLの模式図を示します。接触面の圧力分布は全体的にHertzの接触理論による半だ円形状に近似しています。左側の潤滑油の入口では、くさび形状の流体膜による圧力上昇が生じ、一方、右側の潤滑油の出口では、圧力スパイクと呼ばれる圧力のピークが生じます。流体膜の膜厚はほぼ一様ですが、出口付近では圧力スパイクに対応した位置でくびれがみられ、この部分で膜厚が最小となります。油膜厚さの計算式は多くの研究者により提唱されていますが、ここでは割愛します。

潤滑方法

　潤滑方法には大きく分けて、グリース潤滑と油潤滑があります。表2にそれぞれの特徴を示しますが、転がり軸受では取扱いの容易なグリース潤滑の方が広く用いられています。

次回は、軸受のグリース潤滑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6月号に掲載予定です。