60年を経て進化し続ける針状ころ軸受

Sep 25, 2023

針状ころ軸受の基本設計は過去 60 年間大きく変わっていませんが、継続的な開発により、元の同等品の 5 倍の耐用年数と 2 倍の静定格荷重を実現する新しい保持器設計が生まれました。ほとんどの設計エンジニア針状ころ軸受によってもたらされる技術的利点、つまりコンパクトな設計範囲内で比較的高い負荷を処理できる能力については、すでによくご存じでしょう。 この技術的利点により、針状ころ軸受は長年にわたり、さまざまな産業用および自動車の動力伝達用途で軸受の好ましい選択肢となってきました。針状ころ軸受は、小さな円筒ころを使用する軸受です。 これらのローラーは、回転面の摩擦を軽減するために使用されます。 玉軸受と比較して、針状ころ軸受は軸受軌道ジャーナルと接触する表面積が大きくなります。針状ころ軸受の典型的な構造は、内輪 (または場合によってはシャフトのみ)、方向を定めて保持する針状保持器で構成されます。針状ころ、針状ころ自体、外輪軌道。 針状ころ軸受には、シェル形カップ、精密レース、保持器入りころ、スラストころなど、さまざまな設計があります。 ここでは、保持器入り針状ころ軸受の役割として、ラジアル荷重と回転速度を支持することを考えます。 ここでは、ケージがローラーをガイドし、保持します。 ケージ設計には通常、1 列設計と 2 列設計があり、スチール、プラスチック (PA66)、アルミニウムなど、さまざまなケージ材料が利用可能です。 多列ベアリング設計により、耐荷重能力が向上します。ケージは、スチール製かプラスチック製かにかかわらず、ソリッド ケージ、シングル スプリット、スプリット ハーフ (ツーピース) など、さまざまな構造で作成できます。 これらの保持器には、潤滑通路やその他のカスタム設計の機能を組み込むこともできます。保持器付き針状ころ軸受の一般的な用途は、ギアボックス、自動車の動力伝達システム、2 ストロークおよび 4 ストローク エンジン、遊星歯車セット、エアコンプレッサーなどです。4 つの主要なタイプのいずれのタイプであっても、用途に合わせて針状ころ軸受のサイズを選択する場合、エンジニアは設計段階のできるだけ早い段階で決定を下す前に、サイズ/設計範囲、負荷の種類、負荷容量、速度、温度、位置ずれ、ハウジングなどのさまざまな要素を考慮する必要があります。第二次世界大戦末期の 1949 年、INA (現在のシェフラー グループ) の創設者であるゲオルク シェフラー博士とその弟のヴィルヘルムは、新しいタイプのニードル ローラー ベアリングを発明しました。 INA 保持器付き針状ころ軸受。Georg Schaeffler が最初に総ころ針状ころ軸受の欠点を克服する方法を検討したのは、米軍向けの軸受を製造しているときでした。 当時、転動体を備えたベアリングの設計は、特に高速回転時にスキューする傾向があり、摩擦抵抗 (熱) の増加に悩まされていました。 また、クリアランスが厳しい箇所でもベアリングがロックしやすくなりました。 1949 年の Georg Schaeffler 博士の解決策は、保持器内で針を軸方向にガイドすることでした。保持器付き針状ころ軸受は、高速性と低摩擦を実現しながら、これらの欠点を克服しました。 ゲオルグ氏は INA のエンジニア チームと協力して、大量生産の準備が整うまでアイデアを開発し、新しいニードル ベアリングの利点を顧客に納得してもらうためにサンプルのケースを携えて弟とともに着手しました。初期の数年間、 INA の発展は自動車産業と密接に関連していました。 実際、保持器付き針状ころ軸受の最初のターゲットは自動車産業であり、新しい技術に最初に転換した顧客の一部にはメルセデス ベンツやアドラー モーターサイクルが含まれていました。 INAの転がり軸受事業が本格的にスタートしました。 やがて、シェフラー博士の保持器付き針状ころ軸受は、多くの自動車、産業用プラント、機械の設計に不可欠な要素となりました。シェフラー博士の保持器付き針状ころ軸受のエンジニアリングの天才が、現在でもオリジナルの設計で使用されていることは注目に値します。 しかし、当初の設計は長年にわたって静止しているのではなく、継続的に改良され、ますます多様化する要求に適応してきました。INA 保持器付き針状ころ軸受は、より小型で効率的でコスト効率の高い車両の開発に大きく貢献してきました。 今日でも、針状ころ軸受を使用しない自動車のトランスミッション システムを想像するのは難しいでしょう。現在、INA 針状ころ軸受は 15,000 以上のバリエーションで製造されており、顧客のアプリケーションの特別な要件を満たすためにカスタマイズされた新しい設計が含まれています。機械加工された INA針状ころ軸受は、特にシェフラーの X-life プレミアム品質基準の最近の導入により、この製品群の中核を成しています。 X-life 品質に合わせて製造された針状ころ軸受は、従来の軸受と比較して動定格荷重が 13% 増加し、これは耐用年数の 50% の増加に相当します。顧客にとって、これらの改善は潤滑剤ストレスの軽減と摩擦の低減を意味します。軸受の温度が低下し、結果として軸受のエネルギー効率が向上します。 さらに、性能容量の増加により、アプリケーションに合わせてベアリングを小型化することができ、それに応じてベアリングの重量とスペース要件も軽減されます。万が一、アプリケーションの要件が X-life ベアリングをも超える場合には、技術的性能をさらに向上させることができます。シェフラーの自動車部門で現在取り組んでいるプロジェクトの 1 つは、新しいハイブリッド電気乗用車の自動変速機トランスミッション用の高速遊星歯車セットの再設計です。Stewart Davies 氏、シニア アプリケーション エンジニアシェフラー（英国）社のコメント：「今日の自動車業界は、CO2排出量がより少なく、より燃費の良い車両を生産するというプレッシャーが高まっています。これを達成する1つの方法は、駆動装置全体にわたる摩擦を低減することで車両の燃料消費量を改善することです。」これは、個々のコンポーネントの重量を軽減することで車両全体の重量を軽減することを意味します。」「現在、自動車メーカーは、より優れた摩擦特性を提供するベアリングやその他のエンジンコンポーネントを必要としています。そこで、保持器付き針状ころ軸受の利点が生まれます。」デービス氏は、針状ころ軸受用の保持器の特別な設計と、軸受の潤滑流量特性を改善する改良された機能により、軸受の低摩擦設計が実現し、これにより顧客の電気ディファレンシャル用の遊星歯車セットが可能になったと述べています。サイズが縮小され、元のシステムよりも重量が 17% 軽くなります。 このベアリングと、キャリアを通る最適化されたオイルの流れとの組み合わせにより、20% 高い運転速度 (最大 8,000rpm) が可能になりました。」 ケージは用途に合わせてカスタム設計されました。設計範囲が制限されているため、ケージは「シャフトを収容するためにギアのハウジングボアが小さくなり、ギアのハウジングボアはベアリング軌道をサポートするように仕上げられています。そうでない場合は、外輪または内輪が必要になるでしょう」とデービス氏は説明します。ケージ入り針状ころ軸受は、顧客に合わせてさまざまな種類で組み立てることができます。 。 これらには、シングル スプリット デザイン、ハーフ シェル タイプ、および斜めのスプリング バー接続を備えたシングル スプリットが含まれます。 1980 年代後半から 1990 年代前半にかけて、ケージ設計の改良は、質量を削減したより薄い設計に焦点を当てていました。 その他の改良点には、ベアリングのすべての領域に潤滑剤をより効果的に移動させ、オイルの流れを改善するのに役立つ新しい設計機能が含まれていました。もともと、保持器は単に転動体をガイドするために設計されていました。 しかし、より最近では、針状ころ軸受には、たとえば特殊なすりこぎ保持器など、大幅に改良された保持器設計が採用されています。すりこぎは、すべてのころの摩耗を分散させるだけでなく、軸受の周囲に潤滑剤を分散させることにも役立ちます。 「偽ブリネリング」は、特に動力伝達用途における保持器付き針状ころ軸受の典型的な故障モードです。 これらの故障モードは一般に、転がり要素と軌道ジャーナルの間の微小な振動や動きによって引き起こされ、金属間の接触状態が生じます。概要を説明したような改善の結果、最新の軸受保持器付きころ設計では、以下のことが可能になりました。これは、同様のサイズのベアリングに対して最大 25% 高い静荷重容量を提供し、これは動定格荷重の 2 倍以上に相当します。 複数の小さな動きを伴うアプリケーションの場合、ベアリングの寿命は通常 3 倍から 5 倍に増加します。詳細については、www.schaeffler.co.uk をご覧ください。