ボールベアリングが機械の摩擦を低減して性能を向上させる仕組みを理解する

最近、メンテナンス エンジニアが奇妙な問題について報告しました。コンベアライン上の 15 kW モーターは、銘板温度より 12 K 高い温度で動作し続けました。シャフトシールの周りのグリースが変色し、毎月のエネルギー測定値が上昇していました。モーターは正常でした。ベアリングはそうではありませんでした。摩耗したスリーブ ブッシュを適切なサイズの深溝玉軸受に交換すると、モーターの温度は数時間以内に正常に戻りました。これが、「ボール ベアリングが機械の摩擦をどのように軽減するか」という問題が実際にどのように見えるかということです。

簡単に言うと、ボールベアリングは滑り摩擦を転がり摩擦に置き換えるということです。ボールと軌道面との転がり接触の摩擦係数は、潤滑された滑り面の約100分の1であるため、ボールベアリングは摩擦損失を大幅に削減します。これにより、エネルギーの無駄が減り、熱が減り、磨耗が遅くなり、機械の寿命が長くなります。

転がり接触が滑り接触に勝つ理由

相互に移動する 2 つの表面は摩擦を生成します。 2 つの平面または円筒面がスライドする場合、接触面積は比較的大きく、それらの動きを維持するために必要な力は、材料間の摩擦係数によって決まります。スリーブ ベアリング内で回転するプレーン シャフトは、十分に潤滑されている場合でも、通常 0.08 ～ 0.15 の摩擦係数を持ちます。潤滑が故障するとその値は0.4以上に上昇します。

ボールベアリングはイメージを完全に変えます。負荷は、湾曲した軌道内を転がる硬化鋼球によって支えられます。広い領域をこするのではなく、各ボールは小さな接触面を転がります。これが、適切に潤滑された深溝玉軸受の摩擦係数が通常 0.001 ～ 0.005 であり、滑り接触よりも 1 ～ 2 桁低い理由です。

ボールベアリングの内部では実際に何が起こっているのか

ボール ベアリングがなぜこれほど効果的に摩擦を低減するのかを理解するには、動作中の部品を見ることが役立ちます。ボールベアリングには、内輪、外輪、ボールのセット、保持器という 4 つの機能グループがあります。内輪はシャフトに圧入されています。外輪はハウジング内に収まります。軸が回転すると内輪が回転し、ボールが両輪の軌道溝に沿って転がります。

各ボールと軌道面との接触は点ではなく、荷重による弾性変形によって形成される小さな楕円領域であり、一般にヘルツ接触と呼ばれます。中程度の荷重でも、その面積はすべり軸受の滑り接触面積に比べて小さいです。ボールは滑るのではなく転がるので、接触時の相対速度ははるかに低くなり、摩擦が急激に低下するためエネルギーが散逸されます。

ボールベアリングは完全に摩擦がないわけではありません。転がり抵抗は、鋼の弾性ヒステリシス、ボールと軌道の間の微小滑り、保持器の摩擦、潤滑膜のせん断によって発生します。これらのコンポーネントは小さいですが、精密なアプリケーションでは重要です。このため、ベアリングの形状、表面仕上げ、材質の品質が、ベアリングが生成する摩擦の量に直接影響します。

ベアリングの摩擦を増減させる要因

スムーズに動作するベアリングと過熱するベアリングの違いは、多くの場合、いくつかの動作要因に起因します。これらを理解することは、エンジニアが適切なベアリングを選択し、早期の故障を回避するのに役立ちます。

負荷と速度

荷重が増加すると、変形接触面積が増加し、転がり抵抗が増加します。アキシアル荷重は特に影響を及ぼします。深溝ベアリングに継続的なスラスト荷重を強制的に処理させると、摩擦が著しく増加します。高速になると、遠心力によってボールが外側に押し出され、内部負荷が増加し、摩擦トルクが増加します。

潤滑

適切なグリースはボールと軌道の間に薄い膜を維持し、表面を分離して摩擦と摩耗の両方を軽減します。過剰なグリース注入はよくある間違いです。ベアリング キャビティに低速で約 30 パーセント、高速で 20 パーセントを超えてグリースを充填すると、撹拌が発生し、動作温度が上昇します。

シールとシールド

ZZ と呼ばれる非接触金属シールドは、大きな粒子の侵入を防ぎ、摩擦をほとんど加えません。 2RS と指定された接触ゴムシールは、湿気や微細な塵に対して強力な保護を提供しますが、内輪との摩擦により抵抗が増加します。湿気の多い環境や洗い流される環境では、通常、余分な摩擦は保護のための正当な代償となります。

取り付けと予圧

ハウジング穴と軸とのミスアライメントや圧入装着時の外輪の歪みにより、内部応力や摩擦が増大します。プリロードされたベアリングはクリアランスをなくすために意図的に締められ、剛性が向上しますが、摩擦が増加します。プリロードは、アプリケーションが本当に必要とする場合にのみ適用してください。

適切なベアリング設計の選択

ほとんどの産業用回転機器では、深溝玉軸受が第一の選択肢となります。深溝玉軸受は、ラジアル荷重と中程度のアキシアル荷重の両方を負担しながら、一般的な転がり軸受の中で最も低い摩擦を提供するためです。これは最も経済的なオプションでもあり、このシリーズはモーター、ポンプ、ギアボックス、コンベア ローラーの幅広いボア サイズと定格荷重をカバーしています。一般的な機械設計では、 6200シリーズ深溝玉軸受 信頼できるベースラインとして機能します。

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連続的なアキシアル荷重がかかる用途、またはスラスト荷重とラジアル荷重の組み合わせパターンがある用途には、アンギュラコンタクト ベアリングが必要です。内部接触角により一方向の軸方向容量が向上しますが、角度のある形状により深溝ベアリングと比較して摩擦も増加します。正しく負荷がかかったベアリングは過負荷のベアリングよりも摩擦が少ないため、設計者はそのトレードオフを受け入れます。 7000シリーズアンギュラ玉軸受 これらの条件では、これが標準的な選択です。

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材料の選択により、摩擦の話に新たな層が加わります。機械が化学蒸気、洗浄洗浄、海水、または高湿度にさらされると、標準のクロム鋼レースウェイは数週間で腐食により粗くなります。表面が粗いと摩擦が高くなるため、材料の選択がベアリングの長期的な性能を左右する可能性があります。

摩擦の低減が実際に何を意味するか

ベアリングの摩擦が低いことは、消費電力の削減、動作温度の低下、グリースの劣化の遅さ、ベアリングの寿命の延長など、目に見える形で現れます。多くのメンテナンス チームが使用する経験則では、ベアリング温度が 10 K 低下するごとに、グリースの寿命が 2 倍になり、ベアリングの疲労寿命が大幅に延長されます。省エネはより控えめではありますが、それでも現実的です。 6 つまたは 8 つのベアリングを備えた機械では、高損失の滑りベアリングと高品質のボール ベアリングの差が、モーターの総出力の数パーセントを占める可能性があります。

これが、ベアリングの選択が機械的な決定であると同時に経済的な決定である理由です。ベアリングの形状が不良であったり、軌道が粗かったり、ボールのサイズが小さすぎると、摩擦が増大し、熱が発生し、早期に故障します。ベアリングが故障した場合、交換部品は、ダウンタイム、人件費、接続された機器への損害などの総コストのほんの一部にすぎません。

アプリケーション環境は、適切なベアリング ファミリを選択するための最も強力なシグナルの 1 つです。食品加工ライン、製薬工場、水処理施設、化学工場では、洗浄液や腐食性蒸気により、標準的な炭素鋼ベアリングは数週間で破損します。軌道に穴が開いて荒れ、摩擦が増大し、モーターが消費する電流が増加します。このような状況に対する実際的な解決策は、接触シールを備えたステンレス鋼ベアリングです。これらの業界で私たちが計画している条件については、 化学および電気めっきのアプリケーションノート 。洗浄と衛生基準が決定要因である場合、 SS 6200シリーズステンレス鋼深溝玉軸受 腐食攻撃を受けても、クロム鋼よりもはるかに長く軌道を滑らかに保ちます。

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転がり接触がさまざまなベアリング ファミリ間でどのように摩擦を軽減するかをより詳しく見るには、 深溝玉軸受とアンギュラ玉軸受のガイド 違いを詳しく説明します。

結論

機械の摩擦は不思議ではありません。ボール ベアリングは単純な理由で摩擦を軽減します。転がり接触は滑り接触よりもはるかに少ないエネルギーを消費します。最大限のメリットを得るには、適切なベアリングの種類、材質、シール、潤滑剤を選択し、位置ずれなく取り付ける必要があります。これらすべてが組み合わさると、ボール ベアリングはほとんど気づかれることなくその役割を果たします。これはまさに、優れた設計の機械が動作すべき方法です。