ハンドツール用ベアリング

Jul 17, 2023

マイク・サントラ著 | 2017 年 6 月 21 日

AST Bearings 運営担当副社長、John Wallace 著、Mike Santora 編集

産業分野では、Top Cat Air Tools のこのサンダーのような電動工具は、作業者の疲労を軽減し、生産性と品質を向上させる高度に設計された製品です。 また、打ち込み（ファスナー）、穴あけ、切断、成形、研削、ルーティング、研磨など、他の種類の作業でも日常的に使用されます。

手持ち式電動工具は、自動車から航空宇宙に至るまで、多くの業界で一般的です。 ボール ベアリングは、これらの工具の性能と信頼性において重要な役割を果たし、複合荷重条件 (ラジアルおよびアキシャル) の処理、高速動作、低摩擦、低騒音および振動、および高い信頼性を担っています。電動工具は世界市場を持っています。 260億ドル近く（米国では約110億ドル）。 コードレス電動工具は最も急速に成長している分野であり、産業用およびプロフェッショナル市場が消費者の需要を上回っています。 消費者市場向けに製造された製品は、一般的に価格が低く、品質も低く、「既製」または「商品」カテゴリーに分類されるコンポーネントが組み込まれています。

産業分野において、電動工具は、作業者の疲労を軽減し、生産性と品質を向上させる高度に設計された製品です。 これらは、打ち込み（ファスナー）、穴あけ、切断、成形、サンディング、研削、ルーティング、研磨など、あらゆる種類の作業で日常的に使用されます。

産業分野において、電動工具は、作業者の疲労を軽減し、生産性と品質を向上させる高度に設計された製品です。 これらは、打ち込み（ファスナー）、穴あけ、切断、成形、サンディング、研削、ルーティング、研磨など、あらゆる種類の作業で日常的に使用されます。

典型的な産業用回転工具には、ドリル、ドライバー、ナット ランナー、インパクト レンチおよびドライバー、グラインダー、サンダー、ポリッシャーなどがあります。 電気モーターと圧縮空気は、工場環境で使用される最も一般的なタイプの動力源です。 以下は、アプリケーションの設計でベアリングを考える際に考慮すべき事項のほんの一部です。

ベアリング荷重: ボールベアリングはラジアル荷重とアキシアル荷重の両方を同時にサポートできるため、電動工具の要求を満たす理想的な選択肢となります。 ただし、内部構造が比較的浅い軌道を備えているため、主な荷重成分はラジアル方向になります。 アキシアル荷重が過剰な場合、スラストベアリングをラジアルボールベアリングと組み合わせて使用​​すると、これらの荷重を効果的にサポートできます。

騒音と振動: 騒音や振動のあるツールは、特に動きや操作が繰り返される工場や生産環境では、すぐにオペレーターに不快感を与えます。 ボールベアリングの場合、騒音と振動は、リングとボールに使用される材料の品質、内部の製造仕様、および厳格なプロセス管理に直接関係します。

これらの用途で使用されるベアリングは、電気モーター品質 (EMQ) ノイズ レベルに合わせて製造される必要があります。 EMQ 規格は統一されておらず (国家規格がある中国を除く)、メーカーごとに異なりますが、EMQ 定格は、EMQ 規格が電気モーターでの使用に適していることを示しています。

歴史的に、電気モーターは振動をほとんどまたはまったくなく静かに動作する必要があり、その結果としてこの用語が使われるようになりました。 メーカーは、厳格な仕様に従ってベアリング コンポーネントを製造し、EMQ ベアリングを製造するためにさまざまな技術を採用しています。

ほぼ完璧な形状のリングを製造するために細心の注意が払われています。 幾何公差は、真円度、同心度、振れ、平行度などの特徴を制御します。 リングの形状が不十分なベアリングは、低周波のノイズや振動を発生する傾向があります。

レースウェイ（ボールが転がる軌道）は鏡面のような超仕上げになっています。 ボールも真球など形状に優れた高品質のものを使用しています。 表面仕上げの悪いボールや軌道は、高周波の騒音や振動を発生する傾向があります。特定の潤滑剤も騒音レベルの原因となる可能性があります。 これらのハンドツールで使用される小さなベアリングには、「きれいな」グリースが必要です。

EMQ ベアリングを製造するメーカーは通常、最終的な潤滑と梱包の前に、特別に設計された装置を使用してベアリングの 100% ノイズ テストを実行します。

電動工具メーカーは、騒音や振動を低減するために、電動工具に使用されるベアリングを適切に指定し、予圧を適用する必要があります。 ベアリング製造プロセスの最終ステップの 1 つは、外輪、内輪、ボール、リテーナ (またはボール セパレータ) などの個々のベアリング部品の組み立てです。 ベアリングを組み立てる際には、リングとボールの間の内部すきま、つまりガタを制御する必要があります。 これは、ほとんどのベアリングのカタログではラジアル遊びと呼ばれています。

電動ハンドツールの用途では、一対のベアリングが適切に動作するために、この内部クリアランスを除去する必要があります。 内部の空き隙間を除去する目的で、一対のベアリング全体にアキシアル荷重を与えることを予圧といいます。

軸方向の予圧を加えると、ボールが軌道に強制的に接触し、ボールセットが均一な円周面内で回転する接触角が確立されます。 プリロードは、速度が 60,000 RPM にも達する高精度かつ高速の電動工具アプリケーションでは重要です。

動作温度: 電動ハンドツールは、オペレーターが長時間保持できるように設計および製造されなければなりません。 動作温度を最小限に抑えるために、ベアリングは適切に取り付けられ、適切な予圧があり、適切な潤滑の種類と量が必要です。

ベアリングの材料: すべてのベアリングは、高純度の材料から製造されたコンポーネントを使用して製造される必要があります。

シールは、ベアリングの内部に異物が入るのを防ぎ、潤滑剤を保持するのに最適なオプションです。最も一般的なベアリングのシール材料はニトリルゴムです。 このタイプのシールは通常、鋼製インサートにブナ N 接合されており、外輪の溝に固定されています。 最大動作温度は 240°F です。

ベアリング リングとボールは、SAE 52100 クロム鋼から製造されるのが最も一般的です。 この貫通硬化合金は、優れた疲労強度と耐摩耗性を備えており、非腐食環境において最もコスト効率の高い選択肢です。ハンドツールでは、ベアリングは通常、ハウジングまたはエンクロージャ内で十分に保護されています。 ただし、湿気や腐食にさらされるリスクがある場合は、AISI 440C と同様のマルテンサイト系ステンレス鋼を推奨します。 この 400 シリーズ ステンレス鋼は、耐食性と疲労寿命の最良の組み合わせを提供します。 優れた耐食性を備え、微細で均一に分散された炭化物を備えているため、騒音と振動のレベルが 440C よりも低くなります。 この材料はメーカーによって異なる指定がされる場合があります。

場合によっては、窒化ケイ素などのセラミック材料から製造されたボールが非常に有益です。 セラミック ボールは非常に軽量で、高度に研磨され、非磁性であり、高い硬度を示し、ほとんどの液体や化学物質からの攻撃に耐性があります。 セラミックボールはベアリングの高速性能を大幅に向上させます。 スチールリングとセラミックボールで作られたベアリングは一般にハイブリッドベアリングと呼ばれます。 セラミック ボールには数多くの有益な機能がありますが、通常は手持ち式電動工具には使用されません。

潤滑: 潤滑剤の選択は、設計者やエンジニアが最も見落とす仕様である可能性があります。 ベアリングの寿命は、潤滑の種類と量の両方で適切に行われるかどうかによって決まります。

ほとんどの場合、電動工具に使用される小さなベアリングには、装置の耐用期間中に 1 回潤滑が行われます。 さまざまな条件や環境で機能するように設計された何千ものグリースやオイルが入手可能です。

潤滑剤を選択する際の主な考慮事項は動作温度です。 温度は基油の粘度に直接影響を与え、それが荷重を支える能力に影響を与えます。 製品の種類が豊富で、価格や入手可能性も高いため、最終的な潤滑剤を選択する前に、潤滑の専門家とベアリングのメーカーの両方に相談する必要があります。

過酷な環境: 多くの産業環境では、電動工具 (および場合によってはベアリング) が液体やさまざまな種類の粒子状の破片に継続的にさらされています。 このような状況では、シールドまたはシールドされたベアリングを使用する必要があります。 シールは、ベアリング内部に異物が入るのを防ぎ、潤滑剤を保持するのに最適なオプションです。

最も一般的なベアリングシールの材質はニトリルゴムです。 このタイプのシールは通常、鋼製インサートにブナ N 接合されており、外輪の溝に固定されています。 最大動作温度は 240°F です。このタイプのシールは内輪と接触し、金属シールドよりも汚染環境での保護が強化されます。 ただし、これによりトルクが増加し、ベアリングの最大速度能力が低下しますが、ほとんどの場合、寿命を向上させるために設計上のトレードオフが生じます。

特定の潤滑剤や化学物質はゴムと反応します。 ブナ-ンとニトリルゴム材料以外にも、高温や耐薬品性のために他の材料も利用できます。 これらには、優れた耐薬品性と最大動作温度 400°F を備えた F テフロン生地とバイトンが含まれます。

明らかなように、ハンドツールの最適な性能を考慮するには、幅広いベアリングのオプションがあります。 エンジニアと設計者は、ベアリングの特性を適切に指定するための環境要因の評価だけでなく、耐荷重、ベアリングの寿命、はめあい、コンポーネントの公差の計算についても、ベアリング アプリケーションの専門家に相談することをお勧めします。

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