理想的なクリアランス。 理想的なベアリング寿命。

Mar 07, 2023

内部すきまは、ポンプ用途におけるベアリングの性能に影響を与える最も重要な要素の 1 つです。 ベアリングの「内部すきま」は、外輪と内輪が反対方向に軽く押し込まれたときの相対的な動きです。 径方向の動きをラジアルすきま、軸方向の動きをアキシアルすきまと定義します。

内部すきまは、さまざまな理由からベアリングの性能にとって重要です。 クリアランスの量はベアリング内の荷重分布に影響を与え、最終的にはベアリングの寿命に影響します。 ベアリングの作動音や振動にも影響します。 さらに、転動体が回転運動または滑り運動のどちらで移動するかにも影響を与える可能性があります。

通常、軸受は内輪または外輪のどちらかがしめしろを持って取り付けられるため、軸受が膨張または収縮し、すきまが変化します。 動作中、ベアリングは飽和温度に達するまで上昇します。 しかし、内輪、外輪、転動体の温度はそれぞれ異なり、この温度差によりすきまが変化します（図1）。 また、軸受に負荷がかかると、内輪、外輪、転動体の弾性変形によりすきまが変化します。 これらすべての変化を定量化すると、ベアリングの内部すきまの計算が非常に複雑な作業になる可能性があります。

では、理想的なクリアランスとはどのようなものなのでしょうか？ この質問を検討する前に、まず次のさまざまなタイプのクリアランスを定義します。

内部すきまの実測値（Δ1）規定の測定荷重下で測定した内部すきまを「見かけのすきま」といい​​ます。 このすきまには、測定荷重による弾性変形（δFO）が含まれます。

Δ1 = Δ0 + δFO

理論上の内部すきま(Δ0)これは、測定されたすきまから測定荷重によって生じる弾性変形を差し引いたラジアル内部すきまです。

Δ0 = Δ1 + δFO

δFO は玉軸受では重要ですが、ころ軸受では重要ではなく、ゼロに等しいと想定されているため、Δ0 = Δ1 となります。

残留内部すきま (Δf)ベアリングをシャフトやハウジングに取り付けた後に残る隙間のことです。 シャフトの質量などによる弾性変形は無視します。 リングの膨張または収縮によって生じるすきまの減少を δf とすると、次のようになります。

Δf = Δ0 + δf

実効内部すきま(Δ)これは、負荷による弾性変形を除いた、機械の使用温度で存在する軸受すきまです。 つまり、軸受のはめあいδfと内輪と外輪の温度差δtによる変化だけを考慮したすきまです。 軸受の基本定格荷重は、有効すきま Δ=0 の場合にのみ適用されます。

Δ = Δf − δt = Δ0 – (δf + δt)

作動すきま (ΔF)ベアリングを取り付けて負荷をかけた状態での実際のすきまです。 ここでは、フィッティングや温度の他に弾性変形δFの影響も含まれます。 通常、動作すきまは計算に使用しません。

ΔF = Δ + δF

最も重要なベアリングすきまは有効すきまです。 理論的には、わずかに負の有効すきま Δ を持つベアリングの寿命が最も長くなります。 わずかに負のすきま (または予圧) は、ベアリング荷重の影響で実際には正になります。 ただし、すべての軸受のすきまを理想的な有効すきまにすることは不可能であり、ゼロまたはわずかに負の有効すきまの最小値を達成するには、幾何学的なすきま Δ0 を考慮する必要があります。 この値を計算するには、内輪と外輪のしめしろによるすきま減少量 Df と、内輪と外輪の温度差によるすきま変化 Dt の両方を知る必要があります。

軸受の内輪を軸に圧入したり、外輪をハウジングに圧入したりすると、軸受軌道の伸縮によりラジアル内部すきまは自然に減少します。 一般に、ほとんどのポンプには回転シャフトがあり、内輪とシャフトの間はしっかりと嵌め合い、外輪とハウジングの間には緩い嵌めが必要です。 このような場合、内輪への干渉の影響のみを考慮する必要があります。

6310 単列深溝玉軸受の計算例を以下に示します。 使用されるシャフト公差はK5、ハウジングはH7です。 しまりばめは内輪のみとなります。

シャフト直径、ボアサイズ、ラジアルすきまは標準ベアリングの測定値です。 99.7%の部品が公差内にあると仮定して、実装後の内部すきま（残留すきま）の平均値（mΔf）と標準偏差（σΔf）を計算できます。 測定値はミリメートル (mm) 単位で示されます。

見かけの締め代による軌道の平均伸縮量は、λi（mm – mi）から計算されます。

次の式を使用して、取り付け後の内部すきまの変化 (RΔf) を 99.7% の確率で求めます。

RΔf = mΔf ± 3σΔf = +0.014 ～ -0.007

つまり、6310 ベアリングの場合、残留すきま (mΔf) の平均値は +0.0035、範囲は -0.007 ～ 0.014 となります。

軸受に負荷がかかると軸受全体の温度が上昇します。 これには転動体も含まれますが、この変化は測定や推定が非常に難しいため、一般に転動体の温度は内輪温度と同じであると想定されます。

再び 6310 ベアリングを例として使用すると、内輪と外輪の間の 5℃の温度差によって生じるすきまの減少は、次の式を使用して計算できます。

外輪軌道径の計算には次の式を使用します。

ボールベアリング：De = (4D + d) / 5ローラーベアリング：De = (3D + d) / 4

Δf と δt について計算された値を使用すると、有効内部すきま (Δ) は次の式で求めることができます。

D = Df – dt = (+0.014 ～ -0.007) – 0.006 = +0.008 ～ -0.013

図 3 を参照すると、有効内部すきまがベアリングの寿命にどのような影響を与えるかがわかります。この例では、ラジアル荷重が 3,350 N (または基本定格荷重の約 5%) の場合です。 軸受寿命が最も長くなるのは、有効内部すきまが-13μmの条件下です。 好ましい有効内部クリアランス範囲の下限も -13 μm です。

理論的にはわずかにマイナスのすきまを目標にすることがベアリングの寿命にとって最適ですが、実際にはベアリングに予圧がかかるポンプを設計または構築する際には注意が必要です。 図 3 に示すように、寿命比は -13 μm でピークに達しますが、予荷重が追加されると劇的に低下します。 機械加工公差や動作温度に関する誤った仮定により、ベアリングに予圧がかかりすぎると、寿命が予想よりも短くなる可能性があります。 一方、クリアランスが大きすぎると、ベアリングが滑ったり、ポンプの性能が低下したりする可能性があります。 アプリケーションのニーズに基づいて、クリアランスとベアリングのプリロードのトレードオフを評価する必要があります。

ベアリングの内部クリアランスの重要性を理解することは、ベアリングの寿命を延ばし、ポンプ全体の性能を最適化するのに役立ちます。 詳しくはNSKまでお問い合わせください。