ベアリング、ベアリング・ハウジング、シャフト間のはめあいの計算方法

ベアリング、シャフト、及びベアリングハウジング間のはめあいは、ベアリングの用途において重要な側面であり、ベアリングユーザーにとって大きな関心事である。実際の作業では、はめあいに関する標準的な選択原則は、アプリケーションのニーズを満たすことができます。

しかし、多くのエンジニアは、この適合選択原理がどのように計算されるのかに興味を持ち、自分で計算することを好む人さえいる。

実際、ベアリング、シャフト、ベアリング・ハウジング間のはめあいを選択するための基本的な計算方法は、はめあいがベアリングの動作にどのような影響を与えるかという観点から、これまでの知識を組み替えることで実現できる。

I.ベアリング、シャフト、ベアリングハウジングのはめあい計算のための境界条件

ベアリング、シャフト、およびベアリング・ハウジング間の適合を選択するための計算を行う前に、この計算の真の目的を理解することが極めて重要であり、これにより計算方法と境界条件が明確に定義されます。

フィットの目的

ベアリングの内輪とシャフト、およびベアリングの外輪とベアリングハウジングの嵌め合いの全体的な目的は、ベアリングとシャフト、およびベアリングハウジングとベアリングの外輪の間に相対的な動きがないようにすることです。

円周方向と軸方向の両方向の相対運動は避けるべきである。嵌め合いだけで相対移動を防ぐのは難しいので、他の外部設計要素を用いてこれを確実にする必要があることを理解することが重要である。

例えば、軸方向の動きを制限するためにシャフトショルダーやベアリングハウジングの段差が使用され、円周方向の相対的な動きを止めるためにロッキングスロットやOリングを使用した設計があります。これらの方法は通常、はめあいだけではその機能を果たせない場合に補助的な役割を果たし、相対移動を防止して一定の信頼性を確保します。

境界線に合わせる

以上の議論から、ベアリングと関連部品のはめ合いには、最小限の境界があることがわかる。はめあい力が小さすぎると、ベアリングとはめあい面の間に相対的な動きが生じ、固定する役割を果たせなくなります。このような状況では、ベアリングが変位する可能性が高くなります。

機械部品の設計理論から言えば、はめ合いがきついほどはめ合いの力は大きくなり、その結果「固定」効果も大きくなる。しかし、「緩い」フィットと「きつい」フィットには程度がある。

はめ合いがきつすぎると、はめ合い面の相対的な固定は確保できても、ベアリング内の他の寸法と 鋼材 が影響を受ける。従って、固定は、はめ合いを大きくすることだけでは達成できない。

一方、用途によっては、相互に嵌合する2つの嵌合面間に発生する「嵌合力」が変動する場合がある（例えば、振動がある場合など）。従って、前記力の変動時に嵌合面の相対移動傾向が生じる場合には、要求される「嵌合力」を大きくする必要がある。

なぜもっと大きくする必要があるのか？それは、相対移動の「強」段階と「弱」段階の両方で、この「はめあい力」がはめあい面の相対移動を引き起こさないようにする必要があるからです。例えば、相対移動の「強」段階に合わせて「はめあい力」を選ぶと、振動が「弱」段階に移ったとき、この「はめあい力」が大きすぎるように感じられる。

逆に、「弱」の段階に合わせて「はめ込み力」を選ぶと、「強」の段階まで振動したときに、この力では足りず、はめ込み面の相対移動が起きていることがわかる。したがって、ピークに対応するためには、必然的に大きなフィッティング力を使うことになる。

このため、振動のある状況では、関連するベアリングにタイトなフィットを採用することが一般的に推奨されている。

ベアリングと関連部品のはめ合いには、最大限の境界線があります。はめ込み力が大きすぎると、他のベアリングの特性に変化が生じ、問題につながります。

結論として、軸受公差のはめあい選定における最終的な目標は、軸受のはめあい面間のはめあい力である。このはめあい力が小さすぎると、軸受とはめあい部品間の相対運動（変位）につながりやすくなり、はめあい力が大きすぎると、軸受の内部性能（すきまが小さすぎる、予圧が大きくなる）に影響を及ぼす可能性があります。

これは、ベアリング-シャフトおよびベアリング-ハウジングの公差フィットを選択するための基本的な境界と計算方向です。

II.ベアリング、シャフト、ベアリングハウジング間の最小はめあい力

例一般的な横型内回転モーター用軸受。

一般的な横型内回転モータのシャフトシステムは、最も単純な軸受構成を持つ。他のタイプのシャフトシステムは、このモデルに基づいて推測することができます。

水平内転式モーターが回転しているとき、モーターの回転軸はベアリングの内輪とともに回転する。したがって、「回転」はモーターのローターからベアリングの内輪に伝達され、ベアリングの内輪は受動的に回転していることになる。そのため、大きな駆動力が必要となる。

この駆動力には、転動体や保持器とともに、軸受の内輪が回転するのに必要な力が含まれます。従って、軸受の内輪を回転させるのに最も過酷な運転条件は、起動時や速度変更時である。このとき、最小の駆動力は、遠心加速度に軸受の内輪の質量を掛けたものになります。

ベアリングが一様な速度で回転している場合、状況は少し異なる。

ベアリングが一定の速度で動く場合、必要な駆動力は、主に内部の転動体と軌道面の間の摩擦に打ち勝つための最小限の力です。したがって、必要な「はめあい力」は、前述のシナリオよりもはるかに単純です。

2つの異なる用途を見ると、速度が頻繁に変化したり始動したりするモーターは、一定の速度で作動するモーターよりもはるかに大きな「はめあい力」を必要とします。このことは、これまで推奨されてきた適合表が、速度が変化したり頻繁に始動したりする状況では、しばしばきつめの適合を必要とする理由を説明している。

これまでは "回転リング"、つまり内側のリングについて説明してきた。しかし、外輪はどうでしょうか？横型インナーローターモーターでは、通常、ベアリングの外輪は固定されており、ベアリングハウジングも固定されています。

ベアリングの外輪を回転させようとする力は、外輪内でのベアリングローラーの転がりだけです。通常、軸受ローラーと外輪の間には転がり摩擦しかないため、このはめあい力は、この転がり摩擦を超えるだけで、軸受の外輪の回転傾向に打ち勝つことができます。

さらに、転がり摩擦が非常に小さいため、転がり摩擦に打ち勝つために軸受が必要とするはめあい力も非常に小さい。しかし、軸受箱と軸受の外輪との間にはすべり摩擦がある。

同時に、軸受の外輪と軸受箱の間のラジアル荷重は、軸受の内部ラジアル荷重と同じと考えることができます。さらに、軸受軌道面内には摩擦を低減するための潤滑剤が存在しますが、軸受外輪と軸受ハウジングの間には潤滑剤が存在しません。

結論として、ベアリングのアウターレースをベアリングハウジング内に確実に配置することで、滑り摩擦による相対運動の傾向を克服することができる。したがって、水平内部回転モーターのベアリングのアウターレースが一般的に緩く取り付けられている理由は容易に理解できる。

本題に戻ると、転動体がベアリングのアウターレースに及ぼす摩擦力を計算するのは非常に簡単です。もちろん、私の個人的な経験では、標準的なはめあい選定表で十分であるため、このような計算は実際には必要ないと考えています。しかし、好奇心旺盛なエンジニアは、試してみてもいいかもしれません。

以下は、エンジニアが検討すべき追加的な質問である（思考プロセスは上記で概説したので、それに従えばよい）：

1.振動条件下で、なぜアウターレースのはめあいをタイトにする必要があるのですか？

2.立形モータの公差適合はどのように選択すべきですか？

3.外部回転モータの公差適合はどのように選択すべきですか？

上記の内容は、上記の質問に対する答えを示したものではない。皆さんも自分で考えてみてください、そして誰でも答えを導き出せると思います。(ちょっとしたヒント：弾力性を考える）。

均一な動きの場合、前述のアウターレースのフィッティングは軌道を描くことになるのでしょうか？

III.ベアリング、シャフト、ベアリングハウジング間の最大干渉フィット。

最大干渉はめあいの境界について述べた。干渉が大きすぎると、他のベアリングの性能に変化をもたらす可能性があります。

まず、最も重要な要因は、ベアリング自身の寸法の変化である。ベアリングがきつくはめ込まれると、ベアリングの内部すきまは減少します。また ベアリングクリアランス が小さすぎると、ベアリングが焼き付く可能性がある。したがって、ベアリングのはめあいを最もきつくするための第一条件は、ベアリングの残留すきまの要件を満たすことである。

これらの方法は、ギアボックスのベアリングのアプリケーションなど、特定の分野で一般的に使用されている。

第二に、内輪の割れなど、タイトフィットによって影響を受ける要因は軸受材料である。このような状況は、実際に実用化されている。しかし、一般的に軸受材料の影響はすきま効果の後に発生する。

II.結論

これらの記事は主に、ベアリングと関連部品のはめあいの基本的な計算方法について述べている。

しかし、モーターベアリングシステムでは、通常このような複雑な計算は不要であることを理解しておくことが重要です。なぜなら、日常的に推奨される公差適合表は、前述の要因をすでに考慮しているからです。これらの原則に基づいて直接選択すれば、通常は十分です。このコンテンツは、私たちが日々使用しているこれらの参考結果がどのように導き出されたかをお知らせするために書いています。

よほど特殊な用途でない限り、あるいは理論的なプロセスを理解することに特に熱心でない限り、フィットの各選定にこのような複雑な検討を経ることはお勧めしない。

もちろん、ギアボックスのエンジニアにとって、特に円すいころ軸受やアンギュラ玉軸受の予圧を計算する場合、このような考慮は避けられず、慎重な理解が必要となります。