エンジニア たち は 負荷 の 速度 と 長寿 を 確保 する ため,ベアリング の 設計 を 最適 に する

産業用途では、ベアリングの信頼性は機器の運用効率とメンテナンスコストに直接影響します。 American Roller Bearing は、耐久性の高いベアリングを専門とするメーカーとして、世界の産業で広く使用されているコンポーネントを製造しています。この記事では、ベアリングの寿命計算における重要な要素と、最適化された設計と選択によって厳しい条件下で寿命と信頼性がどのように確保されるかを検討します。

機械の初期設計では、満足のいく定格寿命を達成することがベアリングの選択の主な考慮事項です。通常、シャフトの寸法は、まず許容作動応力とたわみによって決定され、それによってベアリングの内径が決まります。設計者は、指定された内径に対応するために、さまざまな外径と幅を持つ標準ベアリングを選択できます。軸受エンベロープ (外径と幅) が増加すると、動的負荷容量が比例して向上し、定格寿命が延長されます。

負荷と速度のパラメータを確立した後、重要な質問は次のとおりです。「適切に設計された機械に必要な定格寿命はどれくらいですか?」多くの場合、業界標準や企業ポリシーによって、セクター固有の期待に基づいてこれが定義されます。ベアリング交換を伴う毎年のオーバーホールを受け入れる業界もあれば、10 年にわたる耐用年数を要求する業界もあります。動作頻度 (断続的使用と継続的使用、シフト パターン、毎週の実行時間) は、最小寿命要件にさらに影響します。

American Roller Bearing の工業用グレードの製品は、衝撃、過負荷、および時折の高速動作に構造的に耐えながら、転がり疲労基準に従って長い耐用年数を提供する必要があります。大口径バリエーションを含む各高耐久ベアリング設計は、これらの条件に合わせて最適化されています。

動定格荷重 (C) は、ベアリングが理論上 100 万回転に耐えることができる一定のラジアル荷重を表します。この重要なパラメータはすべての軸受テーブル (クレーン フック ベアリングを除く) に表示され、予想される荷重と速度での定格寿命を予測します。最大使用荷重は通常、C の半分を超えてはなりません。C の計算方法は、軌道と転動体の内径を使用して ABMA および ISO によって標準化されています。

静定格荷重 (C₀) は、最も重い荷重がかかる回転要素の接触応力に基づいた、動作障害のない非回転ベアリングの最大安全荷重を示します。 L₁₀ 定格寿命 (90% の信頼性を考慮して計算) は、同一のベアリングの 90% が疲労剥離するまでに完了する期間を表します。

ラジアル荷重とアキシアル荷重を組み合わせた場合、「等価軸受荷重」(P) を計算する必要があります。この複雑な計算は、荷重の大きさの比率と接触角に依存します。 American Roller Bearing の営業チームは、特定の用途に関するこれらの計算を支援できます。

多くのアプリケーションでは負荷や速度の変動が伴うため、最悪の条件のみに基づいて選択することは経済的に非現実的です。デューティ サイクル分析では、さまざまな動作状態 (負荷と速度の組み合わせ) とその時間の割合が考慮されます。往復機械にも同様の課題があり、回転ごとに完全なデューティ サイクルが発生します。複数のピーク荷重/速度による往復運動の複合効果を得るには、条件ごとに個別の L₁₀ 寿命を計算し、それらを総合して複合定格を作成する必要があります。

振動する (回転しない) ベアリングの場合、修正された式により、低減された等価ラジアル荷重が計算されます。

極端なラジアル荷重とスラスト荷重がかかる用途では、荷重タイプごとに個別のベアリングが必要になる場合があります。設計者は、ラジアルベアリングがラジアル荷重のみを処理し、スラストベアリングがアキシアル力を管理するようにする必要があります。ラジアル位置決めにストレートレース円筒ころ軸受（推力に耐えられない）をアンギュラコンタクトまたは急角度円すいころ軸受（ラジアル荷重を防ぐために0.5～1.0mmの緩いハウジングはめ込み付き）と組み合わせて使用​​すると、効果的な解決策が生まれます。

寿命調整係数により、OEM は実際の耐用年数と信頼性をより正確に予測できるようになります。調整された L₁₀ 寿命の計算式には以下が組み込まれています。

• a₁: 信頼性係数 (値 >1 はより高い信頼性要件を示します)
• a₂: 材料/加工の改善 (テストを通じて歴史的に検証されている)
• a₃: 動作条件の修正値 (実験室条件からの実際の偏差のため、通常は ≤1)

優れた潤滑と最適な速度は a₃>1 を正当化する可能性がありますが、この利点を適用する前に、テストデータまたは以前の経験による徹底的な分析が不可欠です。

ほとんどの機械は、1 つまたは複数のシャフトに複数のベアリングを使用して、ベアリング システムを作成しています。システム L₁₀ の信頼性は、常に最も弱い個々のベアリングの定格よりも低く、特殊な計算式を使用して計算されます。メーカーは、機械全体の信頼性を評価するために、このシステムの寿命を理解する必要があります。

重要な動作要件は、転がり要素の滑り (「スキッド」) を防ぐのに十分な荷重を維持することです。滑りは、潤滑膜や軸受表面に損傷を与え (「スミアリング」)、寿命を大幅に短縮します。

温度が上昇すると、軌道面や転動体の硬度が低下するため、軸受の負荷容量が低下します。動的定格荷重には、実際のコンポーネント温度 (通常は周囲温度よりも高い温度) に基づく低減係数を乗算する必要があります。

組み立てミスや動作上のたわみによるミスアライメントは、一般に非自動調心ベアリングに悪影響を及ぼします。標準の玉軸受、円すいころ軸受、および円筒ころ軸受は、≤0.0005 ラジアン (0.03°) を許容します。位置ずれが大きくなると、寿命が計算よりも短くなります。自動調心ころ軸受と自動調心スラスト軸受は、1.0°～1.5°の位置ずれに対応します。

標準ベアリングテーブルには、特定のボアに対して複数の外径/幅オプションが示されています。セクションの高さ（ボア/外径間の半径方向のスペース）が増加し、容量が向上します。適切に設計されたベアリングは、構造の完全性を損なうことなく、軌道の厚さと転動体の直径のバランスをとり、動的負荷容量を最適化します。軌道面が薄いと、負荷がかかると変形しやすくなります。

適切なシャフト/ハウジングのサポートは不可欠ですが、一部の設計ではこれが本質的に制限されます。負荷によるシャフトの大幅なたわみやハウジングの変形により理論上の寿命が短くなりますが、特殊な内部設計によりこれらの影響を軽減できます。

負荷がかかったシャフト/ハウジングの FEA は変形の大きさを予測し、ベアリング内部のコンピューター分析は応力分布を明らかにします。最適化されたローラー/軌道プロファイルにより、寿命の低下を最小限に抑えます。変形を含む寿命の計算については、American Roller Bearing のエンジニアリング チームにお問い合わせください。

一般的なベアリング システムは、2 ～ 3 個のベアリングを使用して、複合荷重の下でシャフトをサポートします。スラスト荷重が無視できる場合、1 つのベアリングは「位置決め」(位置決め) 要素として機能し、もう 1 つは熱膨張の違いに対応する「フローティング」ベアリングとして機能します。直線軌道を備えた円筒ころ軸受はフローティング位置に最適で、潤滑されたころの滑りによる軸方向の移動が可能です。