回転機械では、力が純粋に一方向に作用することはほとんどありません。ポンプインペラは流体を軸方向に押し出しながら、シャフトの重さをラジアルに支えます；ヘリカルギア伝達は分離力とスラスト力の両方を生成します；車両のホイールベアリングはシャシーの重さとともにコーナリングスラストを吸収しなければなりません。これらの力を正しく特定し、それを支持する運動学的に適切なベアリングタイプを選択しないと、過度の摩耗、過熱、そして壊滅的な故障につながります。この記事では、ラジアル荷重と軸方向荷重の違いを明確にし、力の方向を最も適切なベアリング構成にマッピングするための体系的な方法を提供します。.
1. ラジアル荷重と軸方向荷重の定義
- ラジアル荷重 (Fr) シャフト中心線に対して垂直に作用します。これは、シャフトの重さ、ベルト張力、ギアの分離力、または不均衡から生じることがあります。ラジアル力はシャフトを横に押そうとします。.
- 軸方向荷重 (Fa) , 、スラスト荷重とも呼ばれ、シャフト中心線に平行に作用します。一般的な源には、プロペラのスラスト、ヘリカルギアの力、傾斜コンベヤ、ポンプやタービンの圧力差が含まれます。軸方向の力はシャフトをその軸に沿って移動させようとします。.
実際には、ほとんどのアプリケーションは両方の荷重成分を組み合わせます。エンジニアリング分析は、選択が行われる前に、Fr と Fa の名目値を完全な運転サイクル—スタートストップ、過負荷、過渡条件を含む—にわたって定量化する必要があります。.
2. ベアリングタイプが荷重方向にどのように反応するか
転がり軸受は、レースウェイと転がり要素の形状に基づいて特定の荷重方向を受け入れるように設計されています。荷重ベクトルと互換性のないタイプを選択することは、オーバーサイズによって補償できない基本的なエラーです。.
| ベアリングタイプ | 純粋な半径容量 | 軸方向荷重容量（単方向） | 軸方向荷重容量（両方向） | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 深溝玉軸受 | 優れた | 中程度 | 中程度（両方向） | 最も汎用性のある選択肢；非常に高い速度では軸方向容量が減少します。. |
| 円筒ころ軸受（NU/N設計） | 非常に高い | なし | なし | ガイドリップが装着されていない限り、軸方向荷重を受け入れることはできません（NJ、NUP設計は限られた一方向の軸方向位置決めを提供します）。. |
| 角接触玉軸受 | 良好 | 高い（単方向） | ペア配置のみ（対面、背面、またはタンデム）。. | 接触角（15°、25°、40°）が軸方向容量比を決定します。. |
| テーパーローラー軸受 | 高い | 非常に高い（単方向） | 双方向軸荷重に必要なペア。. | 複合荷重を効率的に収容；簡単な取り付けのために本質的に分離可能。. |
| 球面ローラベアリング | 非常に高い | 中程度（両方向） | すでに双方向。. | アライメント許容度は大きな追加の利点です。. |
| スラストボールベアリング | なし | 高い（単方向） | ダブルロー設計の双方向。. | 軸荷重専用に設計されており、ラジアル荷重を持ってはいけません。. |
| スラスト円筒/球面ローラベアリング | なし | 極めて高い（単方向） | – | 押出機や垂直シャフトなどの重い純スラスト用途向け。. |
| 四点接触ボールベアリング | 限定されたラジアル容量 | 高い（双方向） | すでに双方向。. | 一部のアプリケーションで2つの角接触ベアリングを置き換えることでスペースを節約。. |
上記の表は初期フィルタリングマトリックスを形成します：ベアリングタイプは、アプリケーションに存在する荷重方向を物理的に処理できる必要があります。このフィルターを通過した後にのみ、寿命と静的安全計算を進めるべきです。.
3. 複合荷重と等価動的荷重
ラジアル荷重と軸荷重の両方が存在する場合、2つの成分が組み合わさって 等価動的荷重 Pはベアリングのカタログ動的荷重定格Cと比較できる。ISO 281はラジアルベアリングの一般的な公式を定義しています：
P = X · Fr + Y · Fa
要因X（ラジアル要因）とY（軸方向要因）はベアリングの種類に依存し、重要なことにFa / Frの比率に依存します。小さな軸方向力を受ける深溝玉軸受は、支配的な推力荷重下の同じベアリングとは非常に異なる挙動を示します。メーカーのカタログには、異なる接触角とクリアランスクラスに対するXとYを指定する詳細な表が提供されています。主な選定哲学は次のとおりです：
- Fa / Frが小さいとき （主にラジアル）、深溝玉軸受または円筒ローラー軸受が最適である可能性が高いです。.
- Fa / Frが中程度から高いとき, 、角接触玉軸受またはテーパーローラー軸受が軸方向成分を効率的に支えるために必要になります。.
- Fa / Frが非常に大きいとき （ほぼ純粋な推力）、専用の推力ベアリングを導入し、ラジアルサポートは別のラジアルベアリングによって提供されなければなりません。.
この比率はベアリングの種類だけでなく、必要な接触角も定義します。角接触ベアリングの場合、40°の接触角は同じサイズの15°ベアリングの約2倍の軸方向荷重を支えることができますが、速度能力は低下します。テーパーローラー軸受は、そのコーン角のために本質的に高い力比を提供します。.
4. アプリケーション駆動の選定例
ケースA – 電動モーター（水平、Vベルト駆動）
- ベルトの張力は一貫したラジアル引力を生み出し、ローターは推力に対して軸方向に位置付けられていません。.
- 推奨タイプ： 組み合わせ荷重能力のために駆動端に深溝玉軸受；純粋なラジアル荷重を受けながら熱膨張を許可するために非駆動端に円筒ローラー軸受（NU）。.
ケースB – ウェアギア減速機出力シャフト
- ウェア駆動は、ギアが分離するラジアル荷重とともに大きな軸方向推力を生成します。.
- 推奨タイプ： 高い組み合わせ荷重を処理し、剛性のあるシャフト位置決めを提供するために、背中合わせまたは対面で配置されたペアのテーパーローラー軸受。あるいは、純粋な推力部分のための球面ローラー推力軸受とラジアルサポートのための円筒ローラー軸受。.
ケースC – インペラが下向きの推力を持つ垂直ポンプ
- 1. 起動時の上向き油圧推力、定常運転時の下向き推力；最小のラジアル荷重。.
- 推奨タイプ： 2. 双方向推力を受け入れるために取り付けられたペアの角接触ボールベアリング（通常は40°の接触角）、ラジアル安定性のために上部に深溝玉軸受がサポートされています。大きなポンプでは、二方向推力ボールベアリングまたは球面ローラ推力ベアリングが好まれます。.
3. ケースD – オーバーヘッドコンベヤートロリー車輪
- 4. 重量による純粋なラジアル荷重；横方向のガイダンス力は最小限で断続的です。.
- 推奨タイプ： 5. C3クリアランスと接触シールを備えた深溝玉軸受は、わずかなシャフトのたわみを受け入れ、汚染の侵入を防ぎます。ラジアル荷重の要求がボールベアリングの静的容量を超える場合のみ、円筒ローラベアリングが使用されます。.
6. 5. 荷重方向に関する特別な考慮事項
- 7. 双方向軸方向荷重 8. ベアリング設計が許可する場合にのみ、単一のベアリングタイプで受けることができます（例：深溝玉軸受、二列角接触ベアリング、四点接触ベアリング、球面ローラベアリング）。そうでない場合は、内部クリアランスを排除し、ボールのすべりを避けるために、二つの単方向ベアリングをペアでプリロードする必要があります。.
- 9. モーメント荷重 10. オーバーハング力によって引き起こされる不均一な軸方向およびラジアル分布がベアリングセット全体に生じます。この場合、二つのベアリング間の距離（スプレッド）とその荷重容量を一緒に計算する必要があります。単一のオーバーサイズベアリングでは、モーメントの問題はほとんど解決しません。.
- 11. 速度と潤滑は荷重選択と相互作用します。. 12. 高速では、ローラーセットに対する遠心力の影響により、テーパーローラーベアリングが除外される可能性があります。角接触ボールベアリングまたはハイブリッドセラミック深溝玉軸受が唯一の選択肢となる場合もありますが、原材料の荷重数値がローラーベアリングを支持している場合でもです。.
13. 6. 荷重方向に合わせたベアリングタイプの段階的チェックリスト
- 14. 通常運転、起動、シャットダウン、過負荷時にシャフトに作用するすべての力ベクトルを特定します。 15. 力をラジアル成分と軸方向成分に分けます.
- 16. 、そして各運転フェーズの最大Fr およびFa を計算します。, 17. 支配的な荷重モードを決定します：.
- 18. 純粋なラジアル、純粋な軸方向、組み合わせラジアル‑軸方向、または重要なモーメントを伴う組み合わせ。 19. ベアリングタイプをフィルタリングします。.
- ベアリングタイプをフィルタリング 能力表（セクション2）を使用して、軸方向または半径方向の要件を物理的に満たせないタイプを排除します。.
- 等価動的荷重Pを計算します。 適切なXおよびY因子を使用し、必要な寿命L10に基づいてベアリングサイズを選択します。.
- 静的安全性を確認します。 ピークショックまたは静的荷重に対して、静的等価荷重P0および静的荷重定格C0を使用します。.
- 二次因子を見直します： 速度、温度、潤滑、不整合、およびフィット。必要に応じてクリアランスクラスを調整するか、タイプを変更します—例えば、シャフトの整列が保証できない場合は球面ローラーベアリングに置き換えます。.
結論
半径方向および軸方向の荷重は互換性のある数値ではなく、それらは使用できるベアリングのタイプを決定します。軸方向の成分を見落とすと、半径方向の力のみを考慮したベアリングでスラストによる故障が発生し、テーパーローラーベアリングが必要な場所に深溝玉軸受を適用すると、寿命が短くなり剛性が低下します。荷重方向と力比Fa / Frをベアリングの運動学的アーキテクチャに厳密に一致させることで、エンジニアは性能と耐久性の目標を満たす堅牢な回転アセンブリを作成します。.