複列アンギュラころ軸受の利点は何ですか?

複列アンギュラころ軸受 他の単一タイプのベアリングでは完全に再現できない利点の組み合わせを提供します。 単一のコンパクトな軸受ユニット内で、高いラジアル荷重、両方向のアキシアル荷重、およびモーメント荷重を同時に処理します。 。この多方向の耐荷重と、高剛性、長寿命、設置の複雑さの軽減を組み合わせることで、要求の厳しい産業、自動車、精密工学用途に利用できる最も多用途でコスト効率の高いベアリング ソリューションの 1 つとなります。

実際の工学用語では、これらのベアリングを使用すると、設計者は 2 つの別個の単列ベアリング、またはラジアルベアリングとスラストベアリングの組み合わせを、占有軸方向スペースが少なく、ハウジングの複雑さが少なくなり、同等以上の総合荷重性能を発揮する単一のユニットに置き換えることができます。その利点は耐荷重、運転精度、システムのシンプルさ、経済的なライフサイクル価値に及びます。これらすべてについて以下で詳しく説明します。

単体で優れた総合耐荷重を実現

複列アンギュラころ軸受の最も基本的な利点は、ラジアル荷重、アキシアル荷重、およびモーメントの複合荷重を同時に効率的に運ぶことができることです。これは、アンギュラ接触の形状から直接生じます。転動体、内側軌道、および外側軌道の間の接触角により、ベアリング軸に対して傾斜した荷重線が作成され、単一の転がり接触を通じてラジアル方向とアキシャル方向の両方に力が伝達されるようになります。

2 列の転動体が対向する構成で配置されているため、軸受は反対の軸方向を指す 2 つの傾斜荷重線 (列ごとに 1 つ) を生成します。これは次のことを意味します。

• シャフトの正の方向に作用する軸方向の力は 1 つの列で反応し、負の方向の軸方向の力はもう 1 つの列で反応します。 完全な双方向アキシアル荷重容量 追加のコンポーネントなしで
• ラジアル方向の力は両方の列で共有され、軸受におよその影響が与えられます。 ラジアル荷重容量が2倍 同じ断面の同等の単列ベアリングの
• モーメント（傾斜）荷重により 2 つの列に差動軸力が生成され、この力は対向配置によって自然に吸収され、2 番目のベアリング位置を必要とせずにシャフトの傾斜に抵抗します。

たとえば、接触角が 30°、ボア径が 150 mm の複列円すいころ軸受は、750 kN の動ラジアル定格荷重と 400 kN を超えるアキシアル定格荷重に耐えることができます。この性能数値を、純粋なラジアル軸受タイプまたは純粋なアキシアル軸受タイプを使用して再現するには、2 つの別個の軸受と追加のスラスト軸受が必要になります。

精密用途向けの高い剛性と剛性

ベアリングの剛性 (負荷がかかったときの弾性たわみに対する抵抗) は、回転シャフトの位置決め精度を直接決定します。工作機械主軸、三次元測定機、半導体製造装置などの精密機器では、たとえマイクロメートルスケールの軸のたわみであっても、最終製品の寸法誤差や機器の測定の不確かさに直結するため、許容できません。

複列アンギュラころ軸受は、次の 2 つの機構が連携して高い剛性を実現します。

内部プリロード

これらのベアリングは、定義された内部予圧、つまり組み立て中に転がり要素に加えられる圧縮力を加えて製造および供給され、すべての内部すきまが排除されます。ゼロの内部遊びで動作することにより、外部荷重下でのベアリングの弾性たわみは、正の内部クリアランスを持つベアリングと比較して大幅に減少します。 研削盤のスピンドルに使用される予圧された複列アンギュラ玉軸受は、200 N/μm を超えるラジアル剛性およびアキシャル剛性値を達成できます。 これは、200 N の荷重で発生するシャフトの変位はわずか 1 マイクロメートルであることを意味します。これは、精密研削作業で Ra 0.1 マイクロメートル以上の表面仕上げ公差を実現できる精度レベルです。

広い実効荷重分布

背中合わせ (X 配置) の 2 列構成では、2 つの荷重線がベアリングの中心線から外側に広がり、物理的なベアリングの幅だけよりも広い有効支持スパンが形成されます。この延長された仮想スパンにより、モーメント荷重とシャフトの傾きに対する耐性が大幅に向上し、シャフト システム全体の剛性に貢献します。背中合わせのアレンジでは、 有効モーメントアームは、実際のベアリング面間幅よりも 1.5 ～ 2 倍大きくなる可能性があります 物理的なベアリングエンベロープを増加させることなく、優れた傾斜抵抗を提供します。

スペースを節約し、システムの複雑さを軽減するコンパクトな設計

複列アンギュラころ軸受の実用上最も重要なエンジニアリング上の利点の 1 つは、複数の軸受の配置を単一のコンパクトなユニットに置き換えることができることです。従来のシャフト設計では、ラジアル荷重とアキシアル荷重の組み合わせに対応するには、多くの場合、個別の軸受位置が必要でした。たとえば、ラジアル荷重用の円筒ころ軸受とアキシアル荷重用のスラスト軸受を組み合わせたり、2 つの単列アンギュラコンタクト軸受を直列または対向して取り付けたりすることができます。

このような配置を単一の複列ベアリングに置き換えると、システムレベルで目に見えるメリットがもたらされます。

• 軸方向のシャフト長の短縮: ベアリング位置を 1 つ削除すると、通常、シャフトが 30 ～ 60 mm 短くなり、支持点間のシャフトの曲げたわみが減少し、機械全体のエンベロープが減少します。
• シンプルなハウジング設計: ハウジング内の単一のボアにより、個別の公差要件を持つ 2 つの別個のボアが置き換えられ、機械加工作業とハウジングのコストが削減されます。
• シール面が少ない: ベアリングの位置が少ないということは、潤滑剤の漏れの可能性がある箇所が減り、シール部品が少なくなることを意味し、部品点数とメンテナンス要件の両方が削減されます。
• システム総重量の軽減: 航空宇宙や移動機械などの重量に敏感な用途では、2 つのベアリング位置を 1 つに統合することによる質量の削減がシステム レベルで意味を持つ可能性があります。

たとえば、自動車のホイールハブアセンブリでは、一体型複列アンギュラコンタクトホイールベアリングユニット（ハブベアリングユニット）の導入により、ベアリングコンポーネントの数が、初期の個別ベアリング設計では約 100 個あった個々の部品から、最新のユニット化アセンブリでは 10 個未満に減少しました。 ベアリング関連の部品点数を90%削減 シール効果と耐用年数も同時に向上します。

長く予測可能な耐用年数

複列アンギュラころ軸受は、正しく選択、取り付け、潤滑された場合、複合荷重用途の他の軸受配置と比べても遜色のない耐用年数を提供します。理論上の耐用年数は、標準的な L10 方法論、つまり軸受集団の 90% が疲労破壊に達するかそれを超える動作時間または回転数を使用して計算されます。

これらのベアリングのいくつかの設計上の特徴は、長寿命に直接貢献します。

ローラーのバリエーションにおける線接触

複列円すいころおよび円筒ころアンギュラコンタクトベアリングは、ころと軌道面との接触を玉軸受の点接触ではなく線接触として使用します。線接触により、加えられた荷重がより長い接触領域に分散され、表面疲労の主な原因であるヘルツ接触応力が軽減されます。 同等のベアリング サイズの場合、ラインコンタクト ローラー ベアリングは通常、ボール ベアリングの 2 ～ 4 倍の動定格荷重を提供します。 これは、同じ適用荷重下での L10 寿命の延長、または同じ計算上の寿命でより重い荷重を運ぶ能力に直接変換されます。

2 列間の負荷分散

ラジアル荷重は 1 列に集中するのではなく、2 列の転動体間で共有されるため、個々の転動体接触におけるピーク接触応力は、全荷重を支える同等の単列軸受よりも低くなります。軸受寿命理論によれば、接触応力が低いと指数関数的に疲労寿命が長くなります。古典的なルンドバーグ・パームグレン疲労モデルでは、接触応力が 20% 減少すると、L10 の寿命が約 70% 延長されます。

不一致の単一列ペアによる予圧損失の排除

2 つの別個の単列アンギュラコンタクト ベアリングをペアとして使用すると、熱膨張差、ハウジングの穴の公差の変動、取り付け誤差により、一方のベアリングが不釣り合いな荷重を負担することになり、過負荷がかかったユニットの寿命が短くなる可能性があります。工場で調整された複列ベアリングは、製造時に両方の列が転動体のサイズ、内部形状、予圧の点で正確に一致することを保証することで、このリスクを排除します。 ベアリングの耐用年数全体を通じて、列間のバランスのとれた荷重共有を保証します。 .

設置の簡素化とセットアップ時間の短縮

一対の対向する単列アンギュラコンタクトベアリングを取り付けるには、予圧設定、つまり転動体に適切な圧縮力を加えて所望の内部クリアランスまたは予圧レベルを達成するプロセスに細心の注意を払う必要があります。これは通常、シャフトのトルクやベアリングのたわみを測定しながらロックナット、シムスタック、またはスペーサーリングを調整することによって行われますが、このプロセスには熟練した技術者、校正されたツール、およびかなりのセットアップ時間が必要です。

複列アンギュラころ軸受 このフィールドのプリロード設定要件を完全に排除します。 予圧はベアリングの製造時に工場で正確な公差に設定されます。 内輪と外輪の制御された研削を使用して、指定された内部形状を実現します。設置者は、正しいシャフトとハウジングのフィット感を備えたベアリングを取り付けるだけです。ベアリングはあらかじめプリロードが組み込まれた状態で納品されるため、機械の使用前にそれ以上の調整を行う必要はありません。

この製造統合型プリロードには、現場で調整されるセットアップに比べて、いくつかの実用的な利点があります。

• 設置者のスキルレベルに関係なく、ユニット間で一貫した予圧を実現 - 現場で予圧が正しく設定されていない場合に早期故障を引き起こすばらつきを排除します。
• 取り付けの迅速化 — 2 つのベアリングの組み立て手順とそれに関連する調整手順が 1 つのベアリングに置き換えられ、メンテナンス中の機械のダウンタイムが削減されます。
• 組み立てミスのリスクの低減 - 取り付けるコンポーネントが少なく、予圧調整が不要なため、取り付けミスの可能性が大幅に減少します。
• 最初の起動時から予測可能な性能 - ベアリングは、現場で調整された予圧を安定させるために必要な慣らし運転期間を必要とせず、指定された剛性と負荷容量で即座に動作します。

精密機械の優れた走行精度

回転精度（回転中、シャフトの中心線を正確に定義された位置に維持するベアリングの能力）は、工作機械、測定機器、および位置精度が製品の品質や測定の有効性を決定するあらゆる用途において重要な性能パラメータです。

複列アンギュラコンタクトベアリングは、国際標準化団体によって定義された寸法精度基準に従って製造されており、公差クラスは標準 (PN) から高精度グレードまであります。最も正確なグレード (P4 および P2 精度クラスと同等) では、以下を含む実行精度仕様が提供されます。

• ラジアル振れ(MPEW): 最大 80 mm のボア直径を持つ P4 クラスのベアリングの場合は 2.5 μm という低さ - 工作機械のスピンドルが研磨ワークピースで 0.5 μm 未満の真円度誤差を生成できるようにします
• アキシアル振れ(MPAS): P4 クラスで 2.5 µm と低い - 軸位置の一貫性が平坦度公差を決定する正面フライス加工や平坦面の精密研削に重要
• 内輪面振れ(SD): シャフトのショルダー座面がベアリングの軸に対して垂直になるように制御され、精密アセンブリにおけるミスアライメントによる予圧の変動を防ぎます。

2 列設計は、より大きな転動体集団全体にわたって個々の転動体の幾何学的欠陥を平均化することで、走行精度の向上に貢献します。単列ベアリングと比較して 2 倍の回転要素が接触するため、統計的平均化効果により、個々のローラーまたはボールが負荷ゾーンを通過する際のシャフト位置の山から谷までの変動が減少し、すべてのシャフト速度でよりスムーズでより安定した回転が得られます。

両方の配置タイプに対応可能: 背中合わせと対面

複列アンギュラころ軸受の設計柔軟性の大きな利点は、背面合わせ (X 配置) と対面 (O 配置) の両方の内部構成で利用できることです。また、一部の設計では、製造元が特定のアプリケーション要件に合わせて配置を調整できることです。

この構成の柔軟性は、単一の軸受タイプ (複列アンギュラ接触ころ軸受) を、適切な内部配置を選択するだけで、各用途の特定の熱、荷重、位置合わせ条件に合わせて最適化できることを意味します。単一の製品ファミリー内でこのレベルのアプリケーション固有の調整を提供できるベアリング タイプは他にありません。

ボールベアリングのバリエーションにおける高速性能

複列アンギュラ玉軸受は、転がり要素として円すいころや円筒ころではなく玉を使用しており、前述の複合負荷容量の利点と玉軸受の特徴である速度能力を兼ね備えています。ボールと軌道面が点接触すると、線接触よりも転がり摩擦が低くなり、これらのベアリングは大幅に高速で動作できるようになります。

接触角 15° の高精度複列アンギュラ玉軸受は、15,000 RPM を超える制限速度で動作可能 グリース潤滑構成では、オイルエア潤滑システムでは 25,000 RPM 以上。この速度機能と、それらの組み合わせによる負荷処理を組み合わせることにより、(切削工具の力またはベルトの引っ張りによる) 軸方向のスラストとミクロンレベルの振れ精度の要件の両方を同時に満たす必要がある高速精密スピンドル用途に独自に適しています。

ローラーベースの代替品と比べて、速度の面で大きな利点があります。同じボア径の複列円すいころ軸受の制限速度は 3,000 ～ 5,000 RPM ですが、同等の複列アンギュラ玉軸受はその 3 ～ 5 倍の速度で動作できます。このため、複合負荷が存在するスピンドル用途やその他の高速回転機器では、このボール バリアントが明確な選択肢となります。

変動荷重や衝撃荷重下でも信頼性の高い性能を発揮

多くの産業用アプリケーションは、安定した一定の負荷の下では動作しません。変動する力、衝撃負荷、および突然の過負荷にさらされ、動的容量が不十分なベアリングは急速に損傷する可能性があります。複列アンギュラころ軸受、特に円錐ころ軸受は、このような条件下で優れた弾性を発揮します。

ローラータイプ複列アンギュラコンタクトベアリングの線接触形状により、短期間のピーク荷重に耐えることができます。 ベアリングの定格動荷重容量の 2 ～ 3 倍 軌道面の永久変形なし — ベアリングの静定格荷重 (C0) によって定義される能力。この復元力は、次のようなアプリケーションにおいて重要です。

• ジョークラッシャーおよびコーンクラッシャー。さまざまな硬度の原料がメインシャフトベアリングに突然の衝撃荷重スパイクを引き起こします。
• ビレット投入中の圧延機、ワークピースの突然の係合によりロール分離力に段階的な変化が生じるとき
• 縁石に衝突したりポットホールに衝突した際の車両のホイールハブベアリング。ホイールには静的ホイール荷重の何倍もの垂直衝撃荷重がかかります。
• モーター始動中の産業用ギアボックス。過渡トルクが連続定格トルクを一時的に 3 ～ 7 倍超える可能性があります。

予圧された内部形状は、変動荷重下でも利点をもたらします。荷重が伝達される前に取らなければならない内部すきまがないため、すきまばめされた軸受の転動体が、以前に無負荷で動作した後に突然接触したときに生じる衝撃がなく、軸受は荷重の変化に瞬時に反応します。

システムのライフサイクル全体にわたるコスト効率

複列アンギュラころ軸受は通常、同じ内径の単列軸受よりも購入単価が高くなりますが、ライフサイクル全体のコスト分析では、複数の軸受構成を複列ユニットに置き換えた方が総所有コストが低くなることが一貫して示されています。経済的な利点は、いくつかのコスト カテゴリにわたって蓄積されます。

産業メンテナンス環境における総所有コストの調査では、一貫して次のことが示されています。 ベアリングの故障に関連したダウンタイムのコストは、通常、ベアリング自体のコストを 10 ～ 100 倍上回ります。 生産に不可欠な装置で。したがって、2列ユニットのより長い耐用年数、より一貫した予荷重、より簡単な交換手順により、ダウンタイムコストカテゴリにおいて不釣り合いに大きな節約がもたらされ、代替構成よりも単価が高い場合でも、より経済的な選択肢となります。

幅広いサイズと精度等級を用意

複列アンギュラころ軸受は、精密ジャイロスコープや航空宇宙用アクチュエータに使用される内径 10 mm 未満の小型計器用軸受から、風力タービンのヨー システムや大型レーダー アンテナ ドライブに使用される外径 4 メートルを超える巨大な旋回リング 軸受まで、非常に幅広いサイズで製造されています。この包括的なサイズ範囲は、二列アンギュラコンタクトコンセプトの設計上の利点が、規模に関係なく、事実上あらゆるエンジニアリング用途に利用できることを意味します。

各サイズ範囲内で、これらのベアリングは複数の精度等級でも利用できます。

• ノーマル（PN）グレード： 標準的な産業用途 - ギアボックス、ポンプ、一般機械 - 負荷容量やコストよりも運転精度が重要視される場合
• P6グレード: 電気モーターシャフトや軽量工作機械ドライブなどの高速または中程度の精度のアプリケーション向けの精度の向上
• P5グレード： 工作機械のスピンドルや精密ギアボックス向けの高精度。ラジアル振れは通常 5 µm 未満
• P4グレード: 研削盤スピンドルや精密測定機器向けの超高精度。小さいサイズでも半径方向の振れは 2.5 μm と低い
• P2グレード: 三次元測定機、精密旋盤、科学機器などの超精密。小口径サイズのラジアル振れは 1 µm 未満

この段階的な精度の利用可能性は、エンジニアがベアリングの精度レベルをアプリケーションの要件に正確に一致させることができることを意味します。精度が必要な場合は費用を支払い、そうでない場合は標準グレードを選択することで、性能とコストの両方を同時に最適化できます。

広い温度範囲にわたる熱安定性と性能

産業用アプリケーションでは、-50°C での北極の採掘作業から高温の炉に隣接した製鉄所の設備、液化ガス処理における極低温ポンプ軸受から 150°C 以上のジェット エンジン付属ギアボックスまで、軸受は幅広い動作温度にさらされます。複列アンギュラころ軸受は、これらの極端な状況でも確実に動作するように製造および処理できます。

標準の軸受鋼 (52100 クロム鋼) は、約 120°C まで適切な硬度と疲労耐性を維持します。より高温での使用には、熱安定化ベアリング (S1 ～ S4 処理クラスに指定) が利用可能で、連続動作温度能力が次のように拡張されます。

• S1 治療: 150°Cまで安定 - 高温のギアボックスやポンプベアリングハウジングに最適
• S2処理： 最大 200°C まで安定 — 乾燥装置、加熱プロセス機械、熱間圧延機の隣接位置に最適
• S3 および S4 処理: それぞれ最大 250 °C と 300 °C まで安定 - 最も熱的に厳しい産業環境に対応

低温用途の場合、低温定格保持器材料と潤滑剤を使用したステンレス鋼または特別に処理された炭素鋼で製造された軸受は、以下の温度でも確実に動作します。 -60℃以下 鋼部品の適切な靭性と潤滑膜の流動性を維持して、飢餓やコールドスタート摩耗を防ぎます。