深溝玉軸受のアキシアル剛性: エンジニアのための実践ガイド

8,000 rpm で主軸にかすかなビビリ跡が残り始めます。深溝玉軸受は公表されている定格荷重を満たしていますが、シャフトは設計予算をはるかに超えて軸方向にたわみます。精密機械ではよくある光景ですが、荷重の数値はチェックされますが、剛性の数値は指定されませんでした。軸方向の剛性は、軸方向の力が作用したときにシャフトがどれだけ動くかを決定します。小型モーター、ロボット、測定装置などの機器では、その動きはベアリングの寿命と同じくらい重要です。この記事では、軸方向の剛性の意味、軸方向の剛性を決定する設計変数、選択したベアリングがアプリケーションの要求どおりに剛性を発揮することを確認する方法について説明します。

深溝玉軸受におけるアキシアル剛性が意味するもの

軸方向の剛性は、加えられた軸方向の荷重と結果として生じる軸方向のたわみの比であり、ニュートン/ミリメートルで表されます。深溝玉軸受の場合、この比率は一定ではありません。ボールと軌道の間のたわみはヘルツ接触挙動に従います。つまり、負荷が増加すると、接触面積が増加し、たわみは比例して小さくなり、ベアリングがより堅くなっているように見えます。つまり、負荷がかかると剛性が上がります。

具体的に言うと、小型の 608 サイズ深溝玉軸受は、クリアランスと荷重レベルに応じて 30 ～ 80 N/µm の範囲のアキシアル剛性を示す可能性があります。 6205 などのより大きなベアリングでは、同じ条件下で数百 N/µm に達することがあります。これらの数値は固定された評価ではありません。これらは、非線形曲線上の 1 つの特定の荷重点のスナップショットです。

深溝玉軸受はアキシアル方向に対称であるため、両方向のアキシアル荷重に耐えることができます。しかし、この対称性は、設計エンジニアが見落としがちな結果をもたらします。ベアリングは内部ラジアルすきまを持って構築されているため、ボールが 2 つの軌道肩部に同時に接触することはありません。小さな軸方向の力がかかると、ボールが一方の肩に着座するまで、シャフトはクリアランスをほぼ自由に移動します。この領域の軸方向の剛性は事実上ゼロであり、その遊びが消費された後でのみ、ベアリングは真の接触剛性で荷重に抵抗し始めます。

定格荷重よりも軸方向の剛性が重要な理由

定格荷重は、ベアリングがどれくらいの荷重に耐えられるかという 1 つの質問に答えます。軸方向の剛性は、ベアリングがどの程度正確にシャフトを保持するかという別の質問に答えます。多くの製品では、2 番目の質問が品質を決定するものです。ローターの変位を許容する小型モーターは振動や騒音を発生します。軸方向の遊びが過剰なロボットジョイントでは、位置決めの再現性が失われます。精密スピンドルが切削力によってたわむと、びびりや粗悪な仕上げ面が発生します。

ローターが 2 つの深溝ボール ベアリングによって位置決めされているモーターを考えてみましょう。軌道肩部の軸方向すきまが 15 μm の自由移動量を残すと、磁力が反転するたびにロータが前後に移動します。結果として生じる軸方向の動きは、可聴ノイズに直接変換され、ボールと軌道肩部の間で繰り返される微小な衝撃につながります。予圧を加えたベアリングまたはクリアランスを低減したベアリングを使用すると、この動作が根本的に排除されます。

これらの故障のいずれも、ベアリングが荷重限界に近い状態である必要はありません。単にベアリングが機械の構造ループに対して十分な剛性を持っていないだけです。このため、剛性データはデータシートの結果論ではなく、第一級の仕様として扱う必要があります。アセンブリが軸方向の動きを 2 ミクロン以内に保つように設計されている場合、同じ力で 10 ミクロンもたわむベアリングでは、システム内の他のすべての精密コンポーネントが無意味になってしまいます。

軸方向の剛性を制御する重要な要素

以下の表は、深溝玉軸受のアキシアル剛性に最も直接的に影響を与えるパラメータを示しています。剛性の向上そのものと同じくらい、トレードオフも重要です。

クリアランスの問題とプリロードがどのように役立つか

実際に軸方向の剛性が低下する最も一般的な理由は、ボールの直径が不十分であることではありません。それはクリアランスです。標準の深溝玉軸受は、C2（標準より小さい）、CN（標準）、C3（標準より大きい）のすきまグループに分類されます。クリアランスを大きくすると組み立てが簡単になり、熱膨張に耐えられますが、軸方向の変位ゾーンも広がります。剛性が重要な用途では、C2 またはカスタムでクリアランスを減らすことが、ベアリングの形状を変更せずに軸方向の遊びを減らす最も簡単な方法であることがよくあります。

アプリケーションが軸方向の自由移動を許容できない場合、次のステップは予圧です。外輪を軸方向に押すスプリングがボールを軌道面に継続的に押し付けるため、ベアリングは常にそのたわみ曲線のより硬い部分で動作します。リジッド予圧では、ボールが常に接触するように両方の軌道輪を固定することで同じ結果が得られます。どちらのアプローチでも軸方向の遊びはゼロ近くまで減少しますが、摩擦が増加して熱が発生するため、予想される動作速度と温度範囲に合わせて予圧値を慎重に計算する必要があります。

実際のラジアル剛性とアキシャル剛性

深溝玉軸受はラジアル方向に優位であると表現されることがありますが、その表現は正当です。ラジアル荷重はボールと両方の軌道を通る直線に沿ってかかりますが、アキシアル荷重は軌道の肩部を通って伝達され、接触角の増加を引き起こす必要があります。この形状により、深溝玉軸受のラジアル剛性は、通常、同じ荷重におけるアキシアル剛性よりも高くなります。その違いは欠陥ではありません。それはベアリングの設計の結果です。

両方向に正確に配置する必要があるシャフトの場合、実際的な解決策は、多くの場合、一対のベアリングまたは一体型フランジを備えたベアリングです。フランジ付きタイプは、ベアリングをハウジング面に対して軸方向に位置決めし、小型電気モーターやギア ユニットの組み立てを簡素化します。の フランジ付きベアリングの選択ガイド では、フランジの位置とハウジングの取り付けが軸方向のシャフトの位置にどのように影響するかを説明します。スペースが限られたモーターでは、次のようなシールド付きフランジ付きベアリングが使用されます。 F696ZZ フランジ付きベアリング 追加の止め輪を必要とせずに、軸方向のサポートとシンプルなハウジング位置の両方を提供します。

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購入前に軸方向の剛性を確認する方法

理論上の剛性計算は出発点ですが、実際の荷重 - たわみ曲線は、製造されたクリアランス、軌道プロファイル、およびボールの真円度によって異なります。力たわみ試験は簡単です。ベアリングを硬い支持体に置き、校正されたプレスで軸方向の荷重を段階的に加え、変位センサーでシャフトの変位を測定します。荷重をたわみに対してプロットすると、動作荷重における傾きがベアリングの接線剛性となる曲線が得られます。

ミニチュアベアリングが関係する場合、テストセットアップも縮小する必要があります。数ニュートンのアキシアル荷重によるたわみはわずか数マイクロメートルになる可能性があるため、測定分解能は大型の工業用ベアリングよりも要求が厳しくなります。新しい製品の認定を行う際に、社内測定機能を備えたベアリング サプライヤーが違いを生むのはこの点です。 688ZZ コンパクトミニチュアベアリング 精密な組み立てに。

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静荷重たわみ試験では静的剛性が測定されることに注意してください。ランニングマシンでは、ベアリングはボールと軌道の間の油膜の挙動、高速でボールにかかる遠心力、リングの熱膨張などの動的影響にも反応します。ベアリング速度定格の 60% 未満のほとんどの用途では、静的剛性が信頼できる比較基準となります。速度関連の軟化は、主に直接動的試験が必要な高速スピンドルで顕著になります。

剛性の高いベアリング配置の実際的な選択手順

選択プロセスは、荷重の計算ではなく、軸方向のたわみの予算から始める必要があります。アプリケーションが最大軸力でどの程度のシャフトの動きを許容できるかを決定します。次に、カタログから取得した単一の剛性数値ではなく、その特定の力で予測される荷重たわみ挙動に基づいてベアリングのオプションを比較します。剛性には普遍的な評価はありません。それは荷重、クリアランス、予圧の関数です。

小型モーター、ロボット工学、医療機器の場合、負荷の大きさと同じくらい負荷の方向が重要です。のようなステンレスミニチュアベアリング SMR148-2RS ステンレスベアリング モーターが湿気や洗浄剤にさらされる環境でも耐食性とスムーズな動作を実現します。スペースが非常に限られている場合、コンパクトな設計により軸受エンベロープを小さく保ちながら、クリアランスを慎重に選択することで予測可能な軸方向の動作を提供します。

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剛性を考慮して選択されたベアリングは、実際のハウジングとシャフトの取り付けでも検証する必要があります。しまりばめにより、取り付け後に内部すきまが変化します。また、テストベンチでは堅く見えるベアリングも、ハウジングに押し込まれると柔らかくなることがあります。ベアリングを独立したコンポーネントとして扱うのではなく、剛性評価に取り付け状態を含めてください。小型ベアリングが精密システムをどのようにサポートしているかについて詳しくは、当社の概要をご覧ください。 ミニチュアベアリングが精密工学と高速機械にどのように影響を与えるのか .