機械要素の基礎：軸受

機械要素の基礎：軸受

軸受、あるいはベアリングと呼ばれる機械要素は、回転する軸を支え、滑らかな回転運動を実現するための部品です。自動車、航空機、鉄道車両、風力発電機、そしてハードディスクドライブのような精密機器に至るまで、回転部分を持つあらゆる機械装置において、その性能と寿命を左右する心臓部として機能しています。

摩擦制御のメカニズム

物体が他の物体の上を移動するとき、接触面には運動を妨げる力が働きます。これを摩擦と呼びます。軸受の役割は、この摩擦を可能な限り小さくし、スムーズな運動を維持することにあります。軸受は、摩擦の低減方法によって大きく二つの方式に分類されます。

滑り摩擦と転がり摩擦

一つは、面と面が滑ることによって運動する滑り軸受です。古代エジプトで巨石を運ぶ際にそりの下に油や水を撒いた原理と同じく、潤滑剤を介在させることで摩擦を低減します。もう一つは、面と面の間に球や円筒などの転動体を介在させる転がり軸受です。これは、巨石の下に丸太を敷いて転がした原理の応用です。物理的に、転がり摩擦係数は滑り摩擦係数よりもはるかに小さな値を示します。一般的な滑り摩擦係数が0.1程度であるのに対し、転がり摩擦係数は0.001から0.005程度と、桁違いに小さくなります。この圧倒的な低摩擦特性こそが、転がり軸受が現代の機械産業で広く普及している最大の理由です。

始動トルクの違い

特に差が出るのが、動き出しの瞬間です。滑り軸受は、静止状態では潤滑膜が形成されていないため、金属同士が直接接触しており、始動摩擦が大きくなります。対して転がり軸受は、静止状態でも転動体が点あるいは線で接触しているだけなので、始動摩擦は極めて小さく、微小な力で回転を始めることができます。

転がり軸受の構造

転がり軸受は、一般的に四つの主要部品から構成されています。軸と共に回転する内輪、ハウジングに固定される外輪、その間で転がる転動体、そして転動体同士の接触を防ぎ等間隔に保つ保持器です。

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点接触と線接触

転動体の形状によって、荷重の受け方が異なります。球体である玉を用いた玉軸受では、転動体と軌道輪は点で接触します。接触面積が極めて小さいため、回転抵抗は最小となりますが、高い荷重を受けると接触部の面圧が過大になりやすいという特性があります。そのため、高速回転・軽荷重の用途に適しています。一方、円筒や円すい状のころを用いたころ軸受では、線で接触します。接触面積が広いため、玉軸受に比べて回転抵抗は若干大きくなりますが、剛性が高く、大きな荷重に耐えることができます。重荷重・衝撃荷重がかかる産業機械や建設機械に適しています。

ヘルツ接触応力

転がり軸受の設計において支配的なのが、ヘルツ接触応力の理論です。硬い金属同士が点や線で接触し、そこに荷重がかかると、接触部は微小に弾性変形して楕円状あるいは矩形状の接触面を形成します。この微小な領域に数ギガパスカルもの巨大な圧縮応力が発生します。軸受が回転すると、軌道輪の特定の一点は、転動体が通過するたびにこの過大な応力を繰り返し受けることになります。これが材料の疲労を蓄積させ、最終的に剥離などの損傷を引き起こす原因となります。したがって、軸受設計とは、この接触応力を材料の疲労限度内に収めつつ、必要な寿命を確保するプロセスに他なりません。

主要な軸受の種類と特性

荷重には、軸に対して垂直にかかるラジアル荷重と、軸と平行にかかるアキシアル荷重の二種類があります。軸受は、これらの荷重をどのように受けるかによって構造が最適化されています。

深溝玉軸受

最も一般的で汎用性の高い軸受です。転動体は玉であり、内輪と外輪に設けられた円弧状の溝転走路上を転がります。ラジアル荷重だけでなく、ある程度のアキシアル荷重も受けることができます。摩擦トルクが小さく、高速回転に適しており、モーターや家電製品など数え切れないほどの製品に使用されています。

アンギュラ玉軸受

玉と軌道輪の接触点を結ぶ線が、ラジアル方向に対して角度を持っている軸受です。この角度を接触角と呼びます。接触角を持たせることで、一方向の大きなアキシアル荷重を受けることが可能になります。通常、二個を対向させて使用し、予圧を与えることで剛性を高める使い方がなされます。工作機械の主軸など、高精度と高剛性が求められる部位の標準的な軸受です。

円筒ころ軸受

転動体が円筒形の軸受です。外輪と内輪が分離できる構造のものが多く、取り付けが容易です。ラジアル負荷能力は非常に高いですが、アキシアル荷重は原則として受けられません。鉄道車両の車軸や大型モーターなどに使用されます。

円すいころ軸受

転動体が円すい台の形をしており、内輪と外輪の軌道面も円すい状になっています。ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を同時に受けることができます。自動車のホイールベアリングやトランスミッションなど、複雑な荷重がかかる部位で多用されます。

滑り軸受と流体潤滑理論

転がり軸受が点や線で支えるのに対し、滑り軸受は面で荷重を支えます。ここには流体力学の原理が深く関与しています。

流体潤滑とウェッジ効果

軸が回転すると、粘性を持つ潤滑油が軸の表面に引きずられて狭い隙間に流れ込みます。狭い空間に油が押し込まれることで圧力が発生し、その圧力が軸を浮き上がらせて非接触状態を作り出します。これをウェッジ効果あるいはくさび膜効果と呼びます。この流体潤滑状態では、金属接触がないため摩耗は理論上ゼロになり、半永久的な寿命が期待できます。発電所のタービンや船舶のプロペラ軸など、超大型で高速回転する機械では、転がり軸受では寿命や耐荷重が不足するため、この滑り軸受が採用されます。

境界潤滑と含油軸受

常に完全な流体膜が形成されるわけではありません。低速回転時や高荷重時には油膜が薄くなり、金属同士の一部が接触する境界潤滑状態となります。このような領域で使用されるのが、多孔質の金属組織内に油を含浸させた焼結含油軸受や、自己潤滑性を持つ樹脂軸受です。これらは外部からの給油なしで運転できるため、メンテナンスフリーが求められる小型モーターやファンなどに広く普及しています。

材料科学と製造プロセス

軸受は、極めて高い接触応力に耐え、かつミクロン単位の精度を維持しなければならないため、使用される材料には最高レベルの清浄度と硬度が要求されます。

高炭素クロム軸受鋼

転がり軸受の標準的な材料は、JIS規格でSUJ2と規定される高炭素クロム軸受鋼です。炭素を約1パーセント、クロムを約1.5パーセント含有し、焼入れ焼き戻し処理によってロックウェル硬さHRC60以上の高い硬度を得ています。材料中に酸化物などの非金属介在物が存在すると、そこに応力が集中し、疲労破壊の起点となります。そのため、真空脱ガス処理などを施して不純物を極限まで低減した超清浄鋼が使用されます。

セラミックス軸受

極限環境や超高速回転用途では、窒化ケイ素などのファインセラミックスが転動体として使用されます。セラミックスは鋼よりも軽く、硬く、熱膨張が小さく、電気を通さない絶縁体です。遠心力を低減できるため発熱が少なく、焼付きにくいため、工作機械の超高速主軸や、電気自動車のモーターにおける電食防止用軸受として需要が急増しています。

潤滑技術とトライボロジー

軸受の損傷原因の大部分は、潤滑不良に起因すると言われています。適切な潤滑剤の選定と供給は、軸受寿命を全うさせるための生命線です。

弾性流体潤滑 EHL

転がり軸受の接触部のような極端な高圧下では、潤滑油の粘度が圧力によって指数関数的に増大し、固体に近い振る舞いをするようになります。同時に、金属表面も弾性変形して平らになります。この現象により、点接触のような極小領域でも油膜が形成され、金属接触を防ぐことができます。これを弾性流体潤滑と呼びます。この理論の確立により、軸受の寿命予測精度は飛躍的に向上しました。

グリース潤滑と油潤滑

潤滑方式には大きく分けてグリース潤滑と油潤滑があります。グリースは、潤滑油（基油）を半固体状の増ちょう剤で保持したもので、密封装置と一体化させることでメンテナンスフリー化や簡素化が可能です。全軸受の8割以上で採用されています。一方、油潤滑は、冷却効果や洗浄効果が高く、高速・高温条件に適していますが、給油装置や配管が必要となりシステムが複雑になります。ジェット給油やオイルエア潤滑など、微量の油を的確に供給する技術が進化しています。

寿命予測と損傷モード

軸受は、理想的な潤滑状態で使用したとしても、転がり疲れによっていつかは寿命を迎えます。

定格寿命 L10

同一の軸受を同一条件で運転したとき、その90パーセントが転がり疲れによる損傷を起こさずに回転できる総回転数を基本動定格寿命、あるいはL10寿命と定義します。この寿命は、荷重の3乗（玉軸受）あるいは10/3乗（ころ軸受）に反比例します。つまり、荷重が2倍になれば寿命は8分の1から10分の1に激減するということです。設計者はこの式を用いて、機械の設計寿命に見合った軸受サイズを選定します。

代表的な損傷

剥離（フレーキング）: 転走面や転動体の表面が、疲労によって鱗状に剥がれ落ちる現象です。寿命の終焉を示す正常な損傷形態です。 焼き付き: 潤滑切れや過大荷重により発熱し、金属組織が溶融して固着する現象です。急激に回転不能となり、重大な事故につながります。電食: モーターなどの漏れ電流が軸受内部を通過し、薄い油膜を通してスパーク放電が発生することで、軌道面が溶融して洗濯板状の凹凸ができる現象です。インバータ制御の普及に伴い増加しているトラブルです。