複列アンギュラころ軸受は何に使用されますか?

複列アンギュラころ軸受 主に、同時処理を必要とするアプリケーションで使用されます。 大きなラジアル荷重、両方向からの大きなアキシアル荷重およびモーメント荷重 — すべてがコンパクトな単一ユニットのベアリング配置内に収められています。これらは、2 つの別個の単列ベアリングを組み合わせる複雑さを必要とせずに、シャフトまたは回転アセンブリを 1 か所でしっかりと支持する必要がある場合に最適なエンジニアリング ソリューションです。

実際には、これらのベアリングは、工作機械のスピンドル、圧延機のロールネック、重工業用ギアボックス、ポンプとコンプレッサーのシャフト、風力タービンのピッチ システム、航空宇宙用の精密アクチュエーターに使用されており、耐荷重、軸方向の剛性、正確な動作精度を兼ね備えたものが 1 つのベアリング位置に共存する必要があります。 接触角は通常 25° ～ 40° の範囲です。 角度が大きいほどアキシャル荷重容量が大きくなり、角度が小さいほど高速化とラジアル容量が有利になります。

デザインを理解する: 2 つの行が違いを生む理由

用途を理解するには、このベアリング タイプの構造上の特徴を理解することが役立ちます。複列アンギュラころ軸受は、単一の外輪内、および多くの場合単一の内輪アセンブリ内に対向配置 (背面合わせまたは対面) で配置された 2 列の転動体 (円すいころまたは角度の付いた軌道を備えた円筒ころ) で構成されます。

この対向配置により、軸受軸に対して収束する (対面 / O 配置) または発散する (背中合わせ / X 配置) 2 つの荷重線が作成されます。その結果、次のことができるベアリング ユニットが誕生しました。

• 純粋なスラストベアリングでは処理できないラジアル荷重を運ぶことができます。
• シャフトの正方向と負方向の両方の軸力に同時に抵抗します。
• 単列ベアリングの早期故障の原因となる傾斜モーメント (曲げ荷重) に対抗します。
• 同じ軸方向間隔の 2 つの別々のベアリングよりも広い有効荷重分散を提供します。

背中合わせ（X）配列により優れた耐モーメント荷重を実現 荷重線が外側に広がり、より広い仮想軸受スパンが形成されるためです。面間 (O) 配置は、シャフトの位置ずれや熱膨張に対する耐性が高くなります。これらの構成の選択によって、特定のアプリケーション環境への適合性が決まります。

工作機械スピンドル: 精密用途

複列アンギュラころ軸受の最も要求が厳しく、一般的な用途の 1 つは、工作機械の主軸、つまり旋盤、フライス盤、研削盤、マシニング センターで切削工具やワークピースを保持および駆動する回転シャフトです。

これに関連して、ベアリングは相反する要求を同時に満たす必要があります。つまり、マイクロメートルレベルの公差内で機械加工面を生成するのに十分な精度で動作しながら、切削力 (ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方に加えて曲げモーメントを発生させる) に耐えるのに十分な剛性がなければなりません。 精密研削盤のスピンドルベアリングは、ラジアル振れを 1 マイクロメートル (0.001 mm) 未満に維持することが要求される場合があります。 動作速度が 15,000 RPM を超える場合があります。

接触角 15° ～ 25° の複列アンギュラ玉軸受は、この用途の高速端で主流ですが、接触角 30° ～ 40° の複列円すいころ軸受は、大型ターニング センタやボーリング ミルに見られる、より高負荷で低速のスピンドルに使用されます。どちらの場合の主な利点は、単一のベアリング位置ですべての荷重方向に対応できることです。これにより、2 つのベアリングを配置する場合と比較して、スピンドルの設計が簡素化され、ハウジングの長さが短縮され、熱管理が向上します。

圧延機: 極端なラジアル力とアキシャル力の処理

鉄鋼、アルミニウム、銅の製造に使用される圧延機では、ベアリングは産業機械の中で最も厳しい複合荷重条件にさらされます。熱間圧延機または冷間圧延機のワークロールとバックアップロールは、圧延圧力によって巨大な半径方向の力を受けます。 厚板ミルでは数百万ニュートンに達する力 - 同時に、ロールの横方向のクラウンと成形中の材料から大きな軸方向の力を受けます。

重圧延機のロールネック位置には、4 列円すいころ軸受 (本質的には 2 つの複列ユニットを組み合わせたもの) が主な選択肢ですが、複列アンギュラころ軸受は、これらの圧延機の中間位置、スラスト位置、および調整システムで重要な役割を果たします。ラジアル荷重を完全に受けながらも熱膨張による軸方向の変位に対応できるため、ロールの正確な軸方向の位置が必要なバックアップ ロール位置決めシステムに特に適しています。

表面仕上げの品質が最も重要な冷間圧延用途では、複列アンギュラコンタクトころ軸受の低たわみと高剛性がロールギャップの一貫性に直接寄与し、これが圧延製品の全幅にわたるストリップ厚さの均一性につながります。

ギアボックスとトランスミッションシステム

産業用ギアボックスやヘビーデューティーギアボックスでは、ギアの噛み合いにより、ラジアル方向の力 (シャフトに垂直な) とアキシャル方向の力 (シャフト軸に沿った) の両方が同時に生成されます。はすば歯車、まがりばかさ歯車、およびウォーム歯車はすべて軸方向の推力を生成し、これをシャフト ベアリングで吸収する必要があります。 複列アンギュラころ軸受は、これらのシャフト位置に最適です なぜなら、ラジアルベアリングと並んで別個のスラストベアリングを必要とせずに、単一のコンパクトなユニットで複合荷重を処理できるからです。

一般的なヘリカルギアボックスでは、歯のねじれ角によって、接線力にねじれ角の正接を乗じたものに比例する軸方向の力成分が生成されます。ねじれ角が 20°、接線力が 50 kN の場合、軸方向の力は約 18 kN になります。これは、ベアリングを介してハウジング内に継続的に作用する必要がある重大な荷重です。このシャフト位置の複列アンギュラコンタクトベアリングにより、別個のスラストカラーや追加のベアリングが不要になり、部品点数とギアボックス全体のエンベロープの両方が削減されます。

船舶の推進ギアボックス、風力タービンの主ギアボックス、機関車の牽引ドライブ、および大型の産業用ミキサー ギアボックスはすべて、システムの信頼性にとって重要なシャフト位置で複列アンギュラ接触ころ軸受がこの複合荷重処理機能を提供する用途です。

ポンプとコンプレッサー: 連続運転時の軸推力

遠心ポンプとコンプレッサーは、インペラ全体の圧力差の結果として、インペラシャフトにかなりの軸方向のスラスト力を生成します。単段遠心ポンプでは、正味の軸方向スラストは通常​​、シャフトの非駆動端にある専用のスラスト ベアリングによって吸収されます。多段ポンプや高圧コンプレッサーの場合、この軸方向の推力は数十キロニュートンに達する可能性があり、特定の動作条件下では方向が逆転する可能性があるため、複列アンギュラころ軸受がこの位置に適切な軸受タイプとなります。

ポンプおよびコンプレッサーの用途における主な利点は次のとおりです。

• 双方向アキシアル負荷容量 ポンプの動作条件によって逆方向の軸方向推力が発生する可能性がある場合（たとえば、始動過渡現象や流れの反転時）、別個の推力カラーが不要になります。
• 高い剛性によりインペラでのシャフトのたわみが低減され、シールの性能が向上し、シールの摩耗を促進する振動レベルが低減されます。
• コンパクトな軸方向エンベロープによりポンプ全体の長さが短縮され、スペースに制約のあるプロセスプラント環境での設置が簡素化されます。
• 適切に潤滑されている場合、連続運転下でも長寿命 — ポンプ用途でよくメンテナンスされたユニットは定期的に寿命を達成します。 50,000時間を超えるL10耐用年数

風力タービンのピッチおよびヨー システム

風力タービンは、遅い回転速度、非常に高い負荷、負荷方向の反転、および数十年にわたるメンテナンスフリーの耐用年数の必要性の組み合わせにより、ベアリングに特有の一連の課題を抱えています。複列アンギュラころ軸受は、ブレード ピッチ ベアリングとナセル ヨー ベアリングという 2 つの重要な風力タービン サブシステムで広く使用されています。

ブレードピッチベアリング

各ローター ブレードはピッチ ベアリングを介してハブに接続されており、これによりブレードが長手方向の軸を中心に回転し、ブレードのピッチ角を調整して出力を制御し、強風時にタービンを保護します。ピッチベアリングはブレードの全重量を支える必要があります（重量はブレードの全重量を超える場合があります）。 刃の長さが60メートルを超える場合は20トン ) ラジアル/モーメント荷重として作用すると同時に、軸方向の空気力学的な推力に対応し、ピッチ調整のための制御された回転を可能にします。

複列アンギュラコンタクト旋回リングベアリング - 本質的に複列アンギュラコンタクト原理の大径 (1.5 ～ 3 メートル) バージョン - は、この用途の標準ソリューションです。モーメント剛性が非対称荷重下でのブレードの傾きを防ぎ、軸方向の容量が風の推力に対応します。

ナセルヨーベアリング

ヨーベアリングはナセル (発電機とドライブトレインを含むハウジング) をタワーに接続し、ナセル全体が回転して風向きの変化を追跡できるようにします。この大径ベアリングは通常、 直径2～4メートル 実用規模のタービンでは、風荷重による転倒モーメントに抵抗し、ヨー駆動モーターによって駆動されるゆっくりとした制御された回転を可能にしながら、ナセルとローター アセンブリの全重量 (多くの場合 100 トン以上) を支えなければなりません。複列アンギュラコンタクト構成は、単一の統合されたリングベアリング構造でラジアル、アキシアル、モーメントの負荷容量の必要な組み合わせを提供します。

航空宇宙および防衛用途

航空宇宙工学では、重量、信頼性、性能密度が最も重要であり、複列アンギュラころ軸受はその 3 つすべてを満たします。その用途は、航空機エンジンの付属品、飛行制御アクチュエーター、着陸装置のピボット ポイント、ヘリコプターのローター ヘッド コンポーネント、ミサイル誘導システムのジンバルなど多岐にわたります。

航空機エンジンのアクセサリ ギアボックスは、エンジン コアから油圧ポンプ、燃料ポンプ、発電機、オイル スカベンジ ポンプを駆動し、ギア シャフトの複列アンギュラ コンタクト ベアリングに大きく依存しています。これらのベアリングは、極端な温度範囲にわたって信頼性の高い性能を発揮する必要があります。 高地巡航で -54°C からギアボックスのオイル環境で 150°C 以上まで — 組み合わせたギア噛み合い荷重の全範囲を処理しながら。

飛行制御アクチュエータ機構では、表面の作動によってボールねじとアクチュエータ ロッド アセンブリに双方向の軸方向荷重が生じますが、複列アンギュラ コンタクト ベアリングは、主要な飛行制御システムにおける安全上重要な要件である、荷重時の操縦翼面の位置誤差を最小限に抑えるために必要な軸方向の剛性を提供します。

鉱山および建設機械

重い鉱山機械や建設機械は、軽量のベアリングタイプを急速に破壊してしまうような激しい衝撃や過負荷条件下で動作します。複列アンギュラ接触円すいころ軸受は、円すいころと軌道面が線接触するため、このような環境で広く使用されています。 同等サイズのボールベアリングよりも大幅に高い衝撃荷重容量 .

具体的な用途には次のようなものがあります。

• 運搬トラックや掘削機のホイールハブ: ホイールベアリングは、車両重量をラジアル荷重として、コーナリング力をモーメント荷重として、ブレーキ/トラクション力をアキシアル荷重として支えなければなりません。複列アンギュラコンタクトベアリングが単一ユニットで処理する古典的な複合荷重シナリオです。
• ファイナルドライブ遊星ギアボックス: リングギアと遊星キャリアの位置には、遊星ギアの噛み合いからラジアル荷重とアキシアル荷重を組み合わせた高い負荷がかかるため、高い組み合わせ定格荷重のベアリングが必要です
• クラッシャーメインシャフトベアリング: ジョークラッシャーとコーンクラッシャーは、メインシャフトベアリングに軸方向成分と同時に偏心した大きなラジアル荷重を課すため、重い衝撃荷重に耐えられる堅牢な複列構成が必要です。
• 掘削リグのスイベル ジョイントとトップ ドライブ システム: 回転穴あけコンポーネントは、ドリルストリングの重量 (アキシャル荷重)、穴あけトルク反力 (モーメント荷重)、および横方向の形成力 (ラジアル荷重) を同時にサポートする必要があります。

自動車および商用車のアプリケーション

自動車工学においては、複列アンギュラ玉軸受が乗用車や小型商用車の前輪ハブの標準的な軸受タイプです。前輪ハブ ベアリングは、高速道路の走行に対応する速度で回転しながら、車両重量 (ラジアル)、コーナリング横力 (軸方向とモーメント)、制動力 (軸方向) を同時にサポートし、交換することなく車両の全耐用年数を乗り切る必要があります。

最新のホイール ハブ ベアリング ユニット (HBU — ハブ ベアリング ユニット第 1、2、および 3 世代) は、複列アンギュラコンタクト ベアリングをホイール ハブ フランジ、ABS センサー リング、および場合によっては CV ジョイント インターフェイスと一体化して、単一の密閉されたメンテナンス不要のアセンブリに統合します。 これらのユニットは 200,000 km 以上の耐用年数を想定して設計されています また、動作寿命全体を通じて潤滑油を供給しなくても機能するように設計されています。

トラック、バス、建設機械などの大型商用車では、特にラジアル荷重、アキシアル荷重、モーメント荷重の合計が一般的な乗用車の条件よりも厳しい駆動軸位置では、円すいころベースの複列アンギュラコンタクトホイールベアリングが依然として一般的です。これらのユニットは、密閉型の自動車用ユニットとは異なり、定期的な点検と予圧の再調整が必要です。

複列アンギュラコンタクトベアリングと代替ベアリングタイプの比較

適切な軸受のタイプを選択するには、特定のアプリケーションの負荷と速度の要件に対して、複列アンギュラころ軸受が代替品とどのように比較されるかを理解する必要があります。

複列アンギュラコンタクトベアリングの主な差別化点は、ラジアル荷重、両方向アキシアル荷重、およびモーメントという 3 つの荷重タイプすべてを、コンパクトなアキシアル包絡線を備えた単一ユニットで処理できることです。円筒ころ軸受には追加のスラスト軸受が必要であり、2 つの単列アンギュラコンタクト軸受には注意深い予圧設定と追加の軸方向スペースが必要な場合、複列ユニットは、より少ない部品と簡単な取り付けで同等または優れた複合荷重性能を実現します。

耐荷重と選択: 主要な技術的考慮事項

特定の用途向けに複列アンギュラころ軸受を選択する場合、エンジニアは、適切な耐用年数と性能を確保するために、いくつかの相互依存パラメータを評価します。

接触角の選択

接触角は最も基本的な設計パラメータです。複列アンギュラ玉軸受の標準接触角は通常、 25°、30°、または 40° 。 25°の角度は、より高い速度能力とより低い軸方向の剛性を提供します。これは、速度は高いが軸方向の負荷が中程度である工作機械のスピンドルに適しています。 40°の角度により、定格速度は低下しますが、軸方向の負荷容量と剛性が向上します。これは、圧延機の位置決めシステムなど、重負荷の低速回転用途に適しています。

プリロードと剛性

複列アンギュラコンタクトベアリングには、通常、定義された内部予圧が与えられます。これは、転動体にわずかな圧縮力を加えて、内部すきまをすべて排除し、ベアリングの剛性を高めます。予圧レベルは軽 (C)、中 (CA)、または重 (CB) に分類され、予圧が重くなると剛性が高まりますが、発熱が増加し、速度能力が低下します。 精密工作機械のスピンドルでは、中程度の予圧が最も一般的です。 動作速度で過度の熱が蓄積することなく、寸法精度に必要な剛性を提供します。

動定格荷重とL10寿命

特定の用途向けの軸受の選択は、式 P = X・Fr Y・Fa を使用して、実際のラジアル力 Fr とアキシアル力 Fa から等価動圧軸受荷重 P を計算することから始まります。ここで、X と Y は接触角と Fa/Fr 比に依存する荷重係数です。次に、この等価荷重をベアリングの動定格荷重 C とともに使用して、L10 耐用年数、つまり同一のベアリングの母集団の 90% が達成または超える寿命 (数百万回転または動作時間) を計算します。

ほとんどの産業用途では、少なくとも L10寿命は20,000～50,000時間 動作条件を対象としています。製鉄所のロールネックや発電設備などの重要な用途では、L10 の寿命が 100,000 時間を超えることが多く、動定格荷重に十分な安全マージンを備えた大径、高容量の複列軸受が選択されることになります。

アプリケーション全体にわたる潤滑要件

複列アンギュラころ軸受の潤滑方法と潤滑剤の選択は、アプリケーションの速度、負荷、温度、メンテナンスのしやすさに大きく依存します。 3 つの主要な潤滑アプローチは次のとおりです。

• グリース潤滑 (シールドまたはシールドベアリング): 自動車のホイールハブ、一般産業用ギアボックス、および多くのポンプ用途に使用されます。密閉型ユニットには高品質のグリースがあらかじめ充填されており、メンテナンスは必要ありません。グリース潤滑は約100℃までが適しています。 ベアリングの限界速度の 70 ～ 80% .
• オイル循環潤滑： 熱除去が重要な工作機械スピンドル、高速ギアボックス、圧延機用途で使用されます。オイルはベアリングハウジング内を循環し、摩擦によって発生した熱を奪い、常に新鮮な潤滑を提供します。オイルの粘度はベアリングの速度と負荷に基づいて選択されます。通常、スピンドル用途の場合は ISO VG 32 ～ VG 68、重工業用ギアボックスの場合は VG 68 ～ VG 220 です。
• エアオイル（オイルミスト）潤滑： 摩擦を最小限に抑えることが最重要となる超高速工作機械のスピンドルで使用されます。圧縮空気によって運ばれる微細な油滴が、最小限の熱を発生させながら磨耗を防ぐのに十分な潤滑を提供します。このメソッドにより、次の操作が可能になります。 ベアリングの最大速度定格またはそれを超える速度まで上昇します 適切なベアリング設計と組み合わせると、

設置と取り付けに関する考慮事項

複列アンギュラころ軸受の定格寿命を達成するには、正しく取り付けることが重要です。不適切な取り付け、特に不正確なはめあい公差、不適切な予圧、または位置のずれた取り付けは、使用中のベアリングの早期故障の主な原因の 1 つです。

主なインストール要件は次のとおりです。

• シャフトとハウジングの適合: 内輪は通常、回転負荷時のクリープを防止するためにシャフトへのしまりばめを必要とします。中負荷の場合の標準しめしろは約 0～0.013mm 直径100mmまでのシャフトに対応。ハウジングへの外輪のはめ込みは、通常、軽いしまりばめまたは中間ばめです。
• 取り付け力の適用: 力は嵌合するリング（軸嵌合用内輪）にのみ作用し、転動体には力が伝わらないため、取付時に軌道や転動体を損傷する恐れがあります。
• 大型ベアリングの熱取り付け: ボア径が約 80 mm を超えるベアリングは、通常、取り付ける前に 80 ～ 100 °C に加熱してボアを拡張し、シャフトに滑り嵌めできるようにします。これにより、ベアリング コンポーネントに損傷を与える可能性のある高い軸方向の力の必要性が回避されます。
• プリロードの検証: 取り付け後は、内部形状が正しく、取り付け中に変更されていないことを確認するために、シャフトのトルクまたはベアリングの仕様に対するベアリングの剛性を測定することで予圧を検証する必要があります。

摩耗の兆候と寿命インジケーター

サービス中、 複列アンギュラころ軸受 耐用年数の終わりに近づいているとき、または異常な動作状態が発生しているときに、いくつかの検出可能なインジケーターを提供します。これらのベアリングの状態監視は、計画外のダウンタイムが高くつく用途では特に重要です。

• 高い振動: 加速度計を使用した振動解析では、ベアリングの欠陥を検出できます。内輪の欠陥はボール通過周波数内部 (BPFI) で発生し、外輪の欠陥は BPFO で、転動体の欠陥は BSF で発生します。あ 3 ～ 6 dB 増加 ベアリング周波数帯域のエネルギーは通常、表面疲労の始まりを示します。
• 動作温度の上昇: 確立されたベースライン (ベアリング ハウジングの外面で測定) よりも 10 ～ 15°C 高い持続的な温度上昇は、潤滑の劣化、過負荷、または初期の疲労損傷の信頼できる指標です。
• シャフト位置の寸法成長: 精密工作機械の用途では、機械加工部品の寸法ドリフトは、ベアリングの予圧損失または軌道の摩耗を示し、切削力によるシャフトのたわみの増大を引き起こす可能性があります。
• 潤滑剤の汚れまたは黒ずみ: グリース潤滑ベアリングでは、グリース中の黒ずみや金属粒子の含有量 (定期検査時に検出可能) は、ベアリング内で表面疲労または摩耗が発生していることを示しています。

計算された L10 寿命またはその前に計画的に交換することと、定期的な状態監視を組み合わせることが、計画外のダウンタイムのコストが軸受自体のコストを大幅に超える重要な用途における複列アンギュラコンタクト軸受にとって最も費用対効果の高い保守戦略です。