アンギュラ玉軸受とは何ですか?完全なガイド

アンギュラベアリングとは何ですか?

アンギュラコンタクトベアリング ボール ベアリングは、内側と外側の軌道が相互にオフセットされているため、ボールはベアリングのラジアル面に対して角度を付けて設定された線に沿って各軌道に接触します。 この角度 (接触角と呼ばれます) により、単一のベアリングがラジアル荷重と一方向のアキシアル (スラスト) 荷重を同時に受けることができますが、これは標準の深溝玉軸受では効率的に行うことができません。アンギュラ玉軸受 (ACBB) は、外輪の 1 つの高い肩部と 1 つの低い肩部で構築されており、ボールとレースの接触点を通じてスラスト荷重を伝達するために必要な非対称性を生み出します。

ベアリング業界全体で使用される標準接触角は次のとおりです。 15°、25°、40° 、一部のメーカーの範囲では 30° も表示されます。経験則は単純です。接触角が大きいほど軸方向の荷重が大きくなりますが、許容速度は低くなります。接触角が小さいほど回転は速くなりますが、伝わる推力は少なくなります。単列アンギュラコンタクトベアリングは一方向からの推力にしか抵抗できないため、ほとんどのアプリケーションでは、シャフトの両側から来る荷重に対処するために、2 つのベアリングを対応するペアとして取り付けます。

アンギュラ玉軸受の仕組み

深溝玉軸受の内部では、軌道溝が対称で、玉はそれらの溝の中心に位置します。接触角は基本的にゼロであるため、軸受は主にラジアル荷重に耐えます。アンギュラコンタクトベアリングでは、外輪の溝が内輪の溝に対して軸方向にずれています。ボールが 2 つのオフセットした溝の間にある場合、ボールの 2 つの接触点を結ぶ線はシャフトに対して垂直ではなくなり、傾いてしまいます。 その傾きが接触角（α）です。 、そしてそれは半径方向の押しの一部を軸方向の推力に抵抗できる荷重経路に変換するものです。

自由接触角、静的接触角、動的接触角

ベアリングのカタログには、ベアリングを無負荷または取り付けずに測定した「自由」または公称接触角 (15°、25°、40°) が記載されています。ベアリングがシャフトに圧入され、熱膨張を受け、動作荷重と回転による遠心力を受けると、実際の接触角、または有効な接触角が公称値から変化します。接触角が大きくなりすぎると、ボールが軌道肩を越えて乗り上がり、早期故障が発生する可能性があります。低下しすぎると、ボールが軌道に引っかかったり、予圧が失われ、ボールの動きが不安定になったり、早期に摩耗したりする可能性があります。このため、ベアリング エンジニアは、カタログ角度のみに依存するのではなく、はめあいと予圧仕様を最終決定する前に、静的接触角シフトと動的接触角シフトの両方を計算します。

接触角オプション: 15°、25°、40°の比較

適切な接触角の選択は、アプリケーションの寿命にわたる速度と推力容量の間のトレードオフを決定するため、アンギュラコンタクトベアリングを指定する際の最も重要な決定です。 15 度ベアリングは、より少ないアキシアル荷重容量で速度能力を最大化し、アキシアル荷重が適度に保たれる約 15,000 RPM を超える高速スピンドルに最適です。 25 度ベアリングは、汎用で最も広く在庫されている選択肢であり、大部分の精密ギアボックス、ロボット ジョイント、および中速スピンドルで速度と軸方向容量のバランスをとります。 40 度ベアリングはアキシアル荷重容量を最大化しますが、速度が大幅に低下します。

これを覚えておくための実際的な方法: ラジアル荷重が荷重ケースの大半を占める場合、25° ベアリングがデフォルトになります。アキシアル（スラスト）荷重が支配的な場合は、40°までステップアップします。シャフトを速く回転させる必要があり、アキシアル荷重が軽い場合は、15°まで下げます。メーカーは部品番号に角度もエンコードしています。たとえば、次のようになります。 NSKでは25°を示すために「A5」という接尾辞を使用しています 、多くのブランドでは、標準の 30° ではなく 40° を示すために、基本部品番号に「B」を追加しているため、ユニバーサル サフィックス システムを前提とするのではなく、特定のメーカーのカタログに対して角度コードを必ず確認してください。

アンギュラ玉軸受と深溝玉軸受の比較

アンギュラコンタクトベアリングと深溝ベアリングは、多くの場合、同じ穴、外径、幅を共有しているため、図面上では交換可能に見えますが、実際の負荷条件下で一方をもう一方に交換すると、L10 ベアリングの寿命が 60 ～ 80% 短縮される可能性があり、最悪の場合、起動後数時間以内に焼き付きが発生する可能性があります。違いは完全に接触角とそれに必要なショルダーの形状によって決まります。

6206 深溝玉軸受 (内径 30 mm) は約 19.5 kN の動ラジアル定格荷重に耐えますが、25° の同等の 7206 アンギュラコンタクト ベアリングはラジアル方向に約 17.8 kN (約 9% 小さい) に耐えます。アンギュラコンタクトベアリングが決定的に前進するのはスラスト側です。同じ 7206 は 25°で最大約 8.5 kN までの連続アキシアル荷重に耐えることができますが、同等の深溝ベアリングは通常、軸方向の動的ラジアル定格の 30 ～ 40% に制限され、低速から中程度の速度でのみ制限されます。はすば歯車の噛み合い、ボールねじ、角度の付いた切削力など、重要な推力を伴うあらゆる用途では、深溝ベアリングはアンギュラコンタクトベアリングよりずっと前に軸方向の能力を使い果たしてしまいます。

視覚的な識別

深溝ベアリングにはボール溝の両側に 2 つの等しい肩がありますが、アンギュラコンタクト ベアリングには 1 つの高い肩と 1 つの低い肩があります。高い側は耐荷重面であり、取り付け時にスラスト荷重の発生源に面する必要があります。部品番号付けも利点の 1 つです。アンギュラ玉軸受には通常 7xxx シリーズ番号が付けられますが、深溝玉軸受には 6xxx シリーズ番号が使用されます。

取り付け配置: DB、DF、DT の説明

1 つのアンギュラ コンタクト ベアリングは一方向からの推力にしか耐えられないため、実際の設置では、ほとんどの場合、事前に調整されたペアとして取り付けられた 2 つ (またはそれ以上) のベアリングが使用されます。軸受は、外輪の前面を合わせる（対面、DF）、背面を合わせる（背面、DB）、または面を同じ方向に並べる（タンデム、DT）ことができます。荷重ケースに対して間違った配置を選択することは、最も一般的な、そしてコストのかかる仕様エラーの 1 つです。

バックトゥバック (DB)

背中合わせの配置では、2 つのベアリングの接触角線が内側に広がり、「O」字形を形成します。そのため、DB は O 配置とも呼ばれます。 DB ペアは傾斜モーメントに対して最も強い抵抗力を与えるため、傾斜モーメントと組み合わされたラジアル荷重が荷重ケースを支配する場合には常に正しい選択です。この広い有効荷重中心間隔が、転倒力に耐える必要があるスピンドル ノーズとホイール ハブに DB ペアが標準的な選択肢である理由です。

対面（DF）

対面配置では、内輪ではなく外輪の間に隙間があり、取り付け時にその隙間を埋めることで作動予圧が生成されます。アキシアル荷重が両方向から発生する可能性があり、アセンブリがシャフトの膨張を熱的に補償する必要がある場合、DF ペアリングは正しい選択です。これは、DB よりも狭い荷重中心間隔によりシャフトの伸びがより緩やかに許容されるためです。トレードオフとして、モーメント荷重に対する耐性が低下するため、ミスアライメント耐性が重要な場合、DF ペアには適切な軸方向の間隔が必要です。

タンデム(DT)

タンデム配置では、両方のベアリングの接触角線が平行になり、ラジアル荷重を一切受けず、一方向の推力のみを受け入れる非常に強力な推力構成が生成されます。 DT ペアリングは、配置により両方のベアリングのアキシアル容量が重畳されるため、一方向のアキシアル荷重が単一のベアリングでは大きすぎる場合に選択されます。タンデム システムで両方向からの推力に抵抗する必要がある場合は、タンデム ペアに対して 3 番目のベアリングを追加する必要があります。DT だけでは、追加の予圧がなければ固有の軸方向の安定性が得られません。

アンギュラ玉軸受の一般的な種類

単列アンギュラベアリング

基本設計: 1 列のボール、1 つの隆起ショルダーで、ラジアル荷重と一方向のアキシアル荷重に耐えることができます。推力が真に一方向である場合にのみ単独で使用されます。それ以外の場合は、DB、DF、または DT ペアにマウントされます。

複列アンギュラコンタクト軸受

複列アンギュラコンタクトベアリングは、高い剛性と両方向のラジアル荷重とアキシアル荷重の合成を考慮して設計されており、モーター、ポンプ、コンプレッサーで一般的に使用されています。これらは、単一のベアリングに組み込まれた永久的な背中合わせのペアのように機能し、モーメント荷重も処理しながら両方向のアキシアル荷重に耐え、シャフト システムの固定端ベアリングとしてよく使用されます。

4点接触ベアリング

4 点接触ベアリングは、限られたラジアル荷重容量で両方向のアキシアル荷重をサポートするコンパクトで高剛性の設計を提供し、モーター、ギアボックス、ポンプで一般的に使用されています。ラジアル荷重がかかると、ボールは内輪および外輪と 4 つの接触点を確立します。純粋なアキシアル荷重がかかると、標準のアンギュラコンタクト ベアリングと同様に、接触は 2 点に減少します。この設計により、軸方向のスペースが重要な場合に、単一のベアリングを対応するペアの代わりに使用できます。

組合せ（マッチドペア）アンギュラコンタクト軸受

複式ベアリングは、2 つ以上の単列アンギュラコンタクト ベアリングが製造され、指定されたクリアランスと予圧に合わせてセットとして調整され、DB、DF、または DT 構成で一緒に取り付けられます。性能の一貫性を保証するために、一致するペアは同じ製造バッチで生産される必要があるため、たとえ部品番号が同じに見えても、異なるセットのベアリングと混合してはなりません。

ミニチュアアンギュラベアリング

ミニチュアアンギュラコンタクトベアリングは、標準的な単列設計のコンパクトで高精度バージョンで、通常は内径が 10 mm 未満で、歯科用ハンドピース、光学機器、小型サーボ アクチュエータなど、スペースに制約があり精度が重要な用途向けに構築されています。

予圧: アンギュラコンタクトベアリングに予圧が必要な理由

アンギュラコンタクトベアリングは通常、内輪、ボール、外輪の間に予圧を加えて組み立てられます。これにより、ボールと両方の軌道の間の内部すきまが最小化または除去されます。予圧がないと、アンギュラコンタクトベアリングに軽い荷重や逆転荷重がかかると、ボールが軌道との一貫した接触を一時的に失うため、ボールの滑り、振動、早期摩耗が発生する可能性があります。

プリロードは接触角とペアリング配置の両方に密接に関係しており、適切なプリロードによって剛性が向上し、振動が低減されるスピンドルやサーボ モーターなどの高速、高精度のアプリケーションでは、プリロードを正しく行うことが特に重要です。具体的な方法（工場で機械加工されたプリロード、スプリングプリロード、または取り付け時にテーパーワッシャーで設定されたプリロード）は、通常、設計段階で固定されるのではなく、取り付け段階で決定されます。 プリロードを締めすぎることは、現場でよくある間違いです。 過剰なクランプ力は摩擦と熱を増加させ、予圧が少なすぎる場合と同じくらいベアリングの寿命を縮める可能性があります。

アンギュラ玉軸受の代表的な用途

アンギュラコンタクトベアリングは、シャフトがラジアル荷重と並んで重要なスラスト荷重を受けるあらゆる場所に現れます。これは回転機械の広範囲に及びます。最も一般的なアプリケーションのいくつかは、実際に接触角と取り付け配置がなぜそれほど重要であるかを示しています。

• 工作機械スピンドル — 最大 30,000 RPM で動作する CNC 工作機械の超精密スピンドルから、15° ベアリングがプロセスに要求される速度能力を提供します。
• 自動車用ホイールハブ — 複列アンギュラコンタクトベアリングは、現代の自動車ホイールハブの標準的な選択肢であり、高速コーナリング中に発生する大きな軸方向の力を容易に処理します。
• 渦巻ポンプ — インペラが流体を前方に押し出し、シャフトに沿って均等で逆向きの推力を生成し、40°のアンギュラコンタクトベアリングがその推力を簡単に吸収します。
• ボールねじと直動軸 — 精密な自動化にはバックラッシュゼロが必要であり、背中合わせに配置されたアンギュラコンタクトベアリングは、ロボットの正確な動きに必要な堅固な軸方向の位置決めを提供します。
• 自転車用ヘッドセット — ほとんどの自転車では、ヘッドセットにアンギュラコンタクトベアリングが使用されています。これは、そこに作用する力が半径方向と軸方向の両方にかかるためです。
• ギアボックスとターボチャージャー — マッチしたアンギュラコンタクトペアは、ギアボックス、ターボチャージャー、ロボットジョイントなど、双方向のアキシアル荷重が発生するあらゆる場所で広く使用されています。

適切なアンギュラベアリングの選び方

アンギュラコンタクトベアリングを正しく指定するには、荷重の方向、速度、精度の要件を順番に処理する必要があります。これらの手順のいずれかをスキップすると、アプリケーション側の障害のほとんどが発生します。

1. アキシアル荷重が一方向であるか両方向であるかを識別します。一方向の荷重では、単一のベアリングが使用される場合があります。双方向負荷には常に、整合ペアまたは 2 列設計が必要です。
2. ラジアル荷重とアキシアル荷重の大きさを比較します。ラジアル荷重がアキシアル荷重を超える場合、接触角は 25° が一般的に選択されます。アキシアル荷重がラジアル荷重を超える場合、推力向上の利点を得るために最大 40° までステップアップします。高速で軽負荷のシナリオでは、15° が推奨されます。
3. 主要な荷重のタイプに合わせて取り付け配置を調整します。ラジアル荷重と傾斜モーメント (最も強力な耐傾斜抵抗) の場合は DB 背面、双方向のアキシアル荷重が熱によるシャフトの膨張にも対応する必要がある場合は DF 対面、過大な一方向のアキシアル荷重が複数のベアリングの結合容量を必要とする場合は DT タンデムです。
4. 接触角を最終的に決定する前に、限界速度 (理想的な条件での理論上の最大値)、基準速度 (安定した長期動作のための推奨上限値)、およびアプリケーションの実際の動作速度をベアリングの定格値と比較して確認してください。
5. 高精度または高速の主軸作業の場合は、P5 以上の精度等級を指定してください。これらの等級は、特殊なはめあいで使用条件に基づいて予圧を調整する工作機械の主軸によく使用されます。
6. 別のブランドの番号付けと一致すると仮定するのではなく、メーカーの角度コード規則 (「A5」または「B」接尾辞など) を特定のカタログと照らし合わせて確認してください。

使い慣れた部品番号をデフォルトにするのではなく、これらの 6 つのステップを最初に行うことによって、定格 L10 寿命に達するベアリングと、実際に運ぶのに適さない荷重ケースで早期に故障するベアリングを分けることができます。