ボールベアリングとローラーベアリング: 用途に合わせた選び方

高いラジアル荷重容量、耐衝撃性、または過酷な産業用途が必要な用途には、ころがり軸受を選択してください。ボールベアリングを選択する — そして具体的には 深溝玉軸受 — 高速動作、ラジアル荷重とアキシアル荷重の組み合わせ、低摩擦、コンパクトな寸法が必要な場合。 2 つのベアリングファミリーはライバルではありません。それらはさまざまなエンジニアリング上の問題を解決し、それぞれが優れている点を理解することで、早期故障を防ぎ、メンテナンスコストを削減し、機械の寿命を大幅に延長することができます。

実際的には、円筒ころ軸受は次のような搬送が可能です。 ラジアル荷重が 60 ～ 70% 増加 同様のサイズの深溝ボールベアリングよりも優れており、同時にボールベアリングは高速で動作できます。 2～3倍高い ほとんどのタイプのローラーに損傷を与えるアキシアル荷重に対応します。以下のセクションでは、特定のデータ、アプリケーション例、および選択のガイダンスを使用して、この比較のあらゆる側面を詳しく説明します。

ローラーベアリングとボールベアリングの仕組み: 基本的な違い

どちらのベアリングタイプも、内輪と外輪の間に転動体を配置して、回転する機械部品と静止した機械部品の間の摩擦を軽減します。エンジニアリング上の重要な違いは、転動体の形状と軌道との接触の種類にあります。

ボールベアリング: 点接触

ボールベアリングは球面転動体を使用します。各ボールは理論的には単一点で軌道に接触し、エンジニアが呼ぶものを作り出します。 点接触 。負荷がかかると、この点は小さな楕円形の接触パッチに弾性変形しますが、接触面積はボールの直径に比べて小さいままです。この形状により、摩擦が非常に低くなり、高い回転速度が可能になり、ベアリングがラジアル荷重 (シャフト軸に垂直) とアキシャル/スラスト荷重 (シャフト軸に平行) の両方に同時に耐えることができます。その代償として、ローラー要素と比較して単位サイズあたりの耐荷重能力が低くなります。

ころ軸受: 線接触

ころ軸受は、円筒形、テーパー形、針状、または球面の転動体を使用します。各ローラーは点接触ではなく、全長に沿って軌道に接触し、 線接触 。この接触形状により、加えられた荷重がより広い領域に分散され、耐荷重能力が大幅に向上します。通常、特定の穴径の円筒ころ軸受には動ラジアル定格荷重があります。 1.5～2.0倍 同等サイズの深溝玉軸受よりも優れています。ただし、接触面積が大きくなると摩擦が大きくなり、最大動作速度が制限され、高 RPM での発熱が増加します。

ローラーベアリングとボールベアリング: 直接的な技術比較

以下の表は、エンジニアリングの選択を決定する際に最も重要な基準に沿って 2 つのベアリング ファミリを比較しています。

ころがり軸受の種類と固有の強度

ローラー ベアリングは単一の製品ではなく、一連の設計であり、それぞれが異なる荷重や形状の課題に合わせて最適化されています。間違ったローラー ベアリング タイプを選択すると、間違ったベアリング ファミリ全体を選択したのと同じくらいコストがかかります。

円筒ころ軸受

最も一般的なころ軸受のタイプ。円筒形ローラーは、ローラーファミリーの中で最も高いラジアル荷重容量を提供し、他のタイプのローラーよりも比較的高速で動作できます。彼らは提供します 基本形状（NU、Nタイプ）ではアキシアル荷重能力なし ただし、NJ 形と NF 形は一方向の限定されたアキシアル荷重を負荷することができ、NUP/NF 形は両方向のアキシアル荷重を負荷できます。一般的な用途: 重工作機械のメインスピンドルベアリング、電気モーターのラジアル荷重、大型ギアボックスのシャフト。動的定格荷重 60 mm 内径の円筒ころ軸受 (例: NU 212) 通常、半径方向の圧力は 95 ～ 110 kN に達します。

円すいころ軸受

円すいころはある角度で傾斜しているため、ベアリングはラジアル荷重とアキシアル (スラスト) 荷重を同時に受けることができます。これは、複合荷重の用途においてアンギュラ玉軸受と直接競合する唯一のころ軸受タイプです。両方向のアキシアル荷重に対処するには、これらを適合するペア (背面合わせまたは前面合わせ) で使用する必要があります。自動車のホイールハブ、ディファレンシャルピニオンベアリング、ギアボックスのレイシャフトベアリングに重要です。典型的な 30 mm 内径円すいころ軸受 (例: 30206) 動的なラジアル定格は約 43 kN、アキシャル定格は約 43 kN で、複合荷重に対して同じボアのボール ベアリングよりも大幅に優れた性能を発揮します。

自動調心ころ軸受

標準カタログで最も高い耐荷重のベアリングタイプと、最高の位置ずれ許容量を備えた独自のローラータイプ ±1°～2.5° シリーズにより軸のズレが生じます。湾曲した外側軌道にある樽型ローラーにより、ベアリングは自動調心されます。製紙工場のロール、鉱山用コンベヤドライブ、重いファンシャフト、振動スクリーンなど、シャフトのたわみが避けられない用途に不可欠です。あ 内径 100 mm 自動調心ころ軸受 (例: 22220 E) 500 kN を超える動的ラジアル荷重に耐えることができます。

ニードルベアリング

針状ころは、長さと直径の比が非常に高く (通常は 3:1 ～ 10:1)、非常にコンパクトなラジアル断面で非常に高いラジアル負荷容量を提供します。場合によっては内輪なしで、シャフト表面を直接内輪軌道として使用します。半径方向のスペースが厳しく制限されている自動車のトランスミッション部品、ロッカー アーム ピボット、油圧ポンプ ピストンに使用されます。 アキシアル負荷容量なし 標準構成では。

トロイダルローラーベアリング（CARB）

円筒ころ軸受の高いラジアル荷重容量と、自動調心ころ軸受のミスアライメント許容性および円筒軸受の軸方向の自由度を組み合わせた、比較的最新の設計 (SKF の CARB 軸受、1995 年に導入)。軸応力を誘発することなく熱膨張に対応する必要があるシャフト配置の「自由端」ベアリングとして使用されます。

深溝玉軸受：世界で最も広く使用されている軸受

すべてのベアリングの種類 (ローラーまたはボール) の中で、 深溝玉軸受 (DGBB) は、世界で最も広く生産され、使用されている単一軸受です。 、販売されたすべての転がり軸受ユニットの約 30 ～ 35% を占めます (SKF およびシェフラーの市場データによる)。エンジニアやメンテナンスの専門家にとって、その多用途性を理解することは不可欠です。

ボールベアリングが「深溝」になる理由

標準的なラジアル玉軸受では、軌道溝の深さが比較的浅いため、アキシアル荷重容量が制限されます。深溝玉軸受では、内輪と外輪の両方の溝の深さが次のようになります。 ボール直径の約 25 ～ 32% 。このより深い溝により、アキシアル荷重が加わったときにボールがより高い接触角で適合接触を維持できるようになり、ベアリングが両方向の重大なスラスト荷重 (通常は最大 静ラジアル定格荷重の 25 ～ 50% 同時に加えられるラジアル荷重に応じて、連続的なアキシアル荷重として作用します。

標準シリーズと寸法シリーズ

深溝玉軸受は ISO 15 (寸法規格) に従っていくつかのシリーズで製造されており、主に外径と内径の比によって区別されます。

• エクストラライトシリーズ(61800/16000) — 最小の断面。最低定格荷重。医療機器や小型モーターなど、半径方向のスペースが重要な場所で使用されます。
• ライトシリーズ（6200、6300） — 最も一般的な汎用シリーズです。あ 6205ベアリング (ボア 25 mm) の動的ラジアル荷重定格は 14.8 kN で、電気モーター、ポンプ、ファンで広く使用されています。
• ミディアムシリーズ(6300) — 6200 よりも重い断面積。同じボアでもより高い定格荷重が得られます。あ 6305ベアリング (同じ 25 mm ボア) の動的定格は 22.5 kN で、6205 より 52% 高くなります。
• ヘビーシリーズ(6400) — ボールベアリングの最大ラジアル荷重を実現する最大のボールと最も重いセクション。サイズの関係であまり一般的ではありませんが、高負荷のポンプやギアボックスの出力シャフトに指定されています。

シールとシールドのオプション

深溝玉軸受は、潤滑と汚染防止を決定する 3 つの構成で利用できます。

• オープン (サフィックスなし) — シーリングなし。外部潤滑システムまたはグリースニップルが必要です。潤滑が管理されたクリーンな環境で使用されます（例：オイルミスト潤滑の精密工作機械主軸）。
• シールド付き (接尾辞 Z または ZZ) — 片面または両面の非接触金属シールド。グリースを保持し、粗大な汚染物質を排除します。シールドと内側リングの間にわずかな隙間があるため、均等化が可能ですが、完全に密閉されていません。オープンベアリングと比較して速度容量は変化しません。
• 密閉型 (接尾辞 RS、2RS、RSH) — 片側または両側にゴムリップシールがあり、内輪に接触します。汚れた、湿った、またはほこりの多い環境において、優れた汚染除去とグリース保持力を実現します。わずかな摩擦が発生し、最大速度が約減少します 20～30% オープン相当のものと比較します。長期間使用できるグリースがあらかじめ充填されており、標準的な用途では再潤滑は必要ありません。

深溝玉軸受の定格荷重: ガイド仕様の実数値

ベアリングのカタログでは、ベアリングごとに 2 つの定格荷重が公開されています。 動定格荷重(C) 、回転荷重下での L10 疲労寿命の計算に使用されます。 静定格荷重（C₀） 、ベアリングが静止している場合、または重負荷の下で非常にゆっくり回転する場合に使用されます。以下の表は、負荷容量を具体的に示すために、一般的な深溝玉軸受のサイズの参考データを示しています。

比較のために、 円筒ころ軸受 NU 210 (50 mm ボア、6210 と同様の外径) の動的ラジアル定格は約 62 ～ 67 kN です。これは 6210 の 35 kN のほぼ 2 倍です。これは、定量的な観点から見たころ軸受の負荷容量の利点であり、軸方向容量がゼロで速度制限が低いという犠牲を払って達成されます。

速度性能: 深溝玉軸受が優勢な場合

ベアリングの速度能力の特徴は、 NDM値 — シャフト速度 (rpm) とベアリングの平均直径 (ミリメートル) の積。このパラメータは、潤滑膜の破壊、ボールの滑り、熱過負荷の開始を予測します。

深溝玉軸受はオイル潤滑により、日常的に次の NDM 値を達成します。 1.5～2.0×10⁶mm・rpm 標準構成では。 Precision-grade DGBBs in high-speed spindle applications with oil-air lubrication reach 3.0×10⁶mm・rpm以上 。対照的に、円筒ころ軸受は約 1.0～1.3×10⁶mm・rpm オイル潤滑の場合、円すいころ軸受は通常、以下に限定されます。 0.6～0.9×10⁶mm・rpm .

実際の例: 6205 深溝玉軸受 (dm ≈ 38.5 mm) は、 グリース潤滑で15,000 rpm、オイル潤滑で22,000 rpm 。同じボアの同等サイズの円筒ころ軸受は、通常、次のように制限されます。 9,000～12,000rpm オイル潤滑付き。このため、電気モーター、ターボチャージャー、歯科用ドリル (セラミック ボールで最大 400,000 rpm)、および工作機械のスピンドルでは、ローラーではなくボール ベアリングが圧倒的に使用されています。

ベアリングの寿命計算: L10 寿命と実際の意味

回転負荷下でのローラー ベアリングとボール ベアリングの両方の寿命は、ISO 281 の定格寿命公式を使用して計算されます。この式と、2 種類のベアリングの異なる負荷容量が式にどのような影響を与えるかを理解することは、情報に基づいて選択を決定するために不可欠です。

基本的な L10 の公式

L10 = (C / P)ᵖ × 10⁶ 回転

ここで、C = 動定格荷重 (kN)、P = 動等価軸受荷重 (kN)、および p = 荷重寿命指数 ( ボールベアリングの場合は 3、ローラーベアリングの場合は 10/3 ≈ 3.33 ）。 L10は人生を表します。 支持人口の 90% が達成またはそれを超える 指定された負荷と速度の下では、この時点より前に 10% が故障することを意味します。

実用寿命比較例

6210 深溝玉軸受 (C = 35.0 kN) と NU 210 円筒ころ軸受 (C ≈ 64 kN、同じボア) のどちらかを選択し、5 kN のラジアル荷重下で 1,500 rpm で動作するシャフトを考えます。

• 6210 DGBB : L10 = (35/5)3 × 106 = 73 × 106 = 343 × 10⁶ 回転 ≈ 3,811 時間 1,500rpmで
• NU 210 円筒ころ : L10 = (64/5)^(10/3) × 10⁶ = 12.8^3.33 × 10⁶ ≈ 3,700×10⁶回転 ≒ 41,000時間 1,500rpmで

この計算は、中程度の速度で高いラジアル荷重がかかる場合に、ローラー ベアリングの優れた定格荷重が劇的に長い耐用年数につながる理由を示しています。この例のローラーベアリングは長持ちします 10倍以上長い 同じラジアル荷重がかかると。ただし、同じ用途で 3 kN のアキシアル スラストを処理する必要がある場合、円筒ころ軸受をその基本形式で使用することはできません。計算上の寿命は短くなりますが、深溝玉軸受が正しく必要な選択となります。

深溝以外のボールベアリングの種類: それぞれを指定する場合

深溝ボール ベアリングはボール ベアリング ファミリのデフォルトの選択肢ですが、他の 4 つのボール ベアリング タイプは、DGBB が最適に対応できない特定の荷重および速度のシナリオに対応します。

アンギュラ玉軸受

アンギュラ玉軸受は、定義された接触角で設計されています。通常、 15°、25°、または 40° これにより、同じサイズの DGBB よりも高い一方向のアキシアル荷重に耐えることができます。両方向のアキシアル荷重に対処するには、ペア (背面合わせまたは対面) またはセットで使用する必要があります。工作機械のスピンドル (適合するセットでは 15° または 25° の接触角が標準)、ポンプ、およびスクリュードライブで使用されます。背中合わせに配置された一対の 7210 アンギュラコンタクト ベアリングは、ラジアル荷重と双方向のアキシアル荷重の両方を高速で処理します。この構成は、どのタイプのころがりベアリングでも同等の速度で再現することができません。

自動調心玉軸受

球面外輪軌道を採用し、 軸ずれ±3° 。たわみやアライメントの不確実性が存在するシャフト配置の自由端ベアリングとして使用されますが、同じサイズの標準 DGBB よりも負荷容量が低くなります。アプリケーションには、正確なシャフトの位置合わせを維持することが難しい繊維機械や農業機械が含まれます。

スラスト玉軸受

低速時のアキシアル（スラスト）荷重専用に設計されています。 2 つのワッシャー (シャフトとハウジング) で構成され、それらの間にボールと保持器が配置されています。垂直ポンプのスラストベアリング、クレーンのフックスイベル、ステアリングコラムのスラスト位置に使用されます。 ラジアル荷重がかからない — シャフトの重量とラジアル力をサポートするために、常にラジアルベアリングと組み合わせる必要があります。

四点接触玉軸受

両方向のアキシアル荷重を同時に負荷できる単列軸受で、非常にコンパクトなアキシアル空間で複列アンギュラコンタクト軸受と同等になります。風力タービンローターのピッチおよびヨーベアリング、クレーンジブの旋回リング、大型バルブアクチュエーターに使用されます。

一般的なアプリケーション例: 使用されるベアリングのタイプとその理由

実際のアプリケーションでは、ベアリングの選択が上記の原則に従う理由が明確になります。次の例は、主要業界の標準的なエンジニアリング実践から抜粋したものです。

材質と精度グレードの考慮事項

ローラー ベアリングとボール ベアリングはどちらも、性能に大きな影響を与えるさまざまな材料と精度グレードで製造されており、無駄なコストや早期故障を避けるために、グレードの選択は用途の要件に一致する必要があります。

鋼種

転がり軸受の大部分は、 完全硬化 52100 クロム鋼 (EN31 / 100Cr6) レースおよび転動体用 - 熱処理後 HRC 60 ～ 65 に硬化されます。この材料は、ほとんどの用途に対して硬度、靱性、耐疲労性の最適なバランスを提供します。汚染された環境または水にさらされる用途の場合、 440C ステンレス鋼 ベアリングは耐食性を備えていますが、 20 ～ 30% 低い定格負荷 硬度が低いため。ハイブリッド ベアリングのセラミック (窒化ケイ素、Si₃N₄) ボールは、スチール ボールと比較して重量が 60% 削減され、高速での遠心力が低く、電気絶縁性があり、優れた耐食性を備えています。これは、標準的なスチール ベアリングを通る電流の通過が溝状損傷を引き起こすインバーター駆動モーターの用途において重要です。

精密等級 (ISO 492 / ABEC)

ベアリングは、ISO 492 (国際) または ABEC (アメリカ) で定義された寸法および運転精度グレードに基づいて製造されています。標準から超精密までのグレードは次のとおりです。

• ノーマル / ABEC 1 — 一般産業用の標準グレードです。ほとんどのカタログベアリング、ローラーおよびボールはノーマルグレードです。ほとんどのボアサイズで最大 3,400 rpm までの用途に適しています。
• P6 / ABEC 3 — 許容誤差が厳しくなります。高品質の電気モーターやポンプなどの中程度の精度のアプリケーションに使用されます。
• P5 / ABEC 5 — 精密級;高速モーター、工作機械中間部品、精密機器などに使用されます。
• P4 / ABEC 7 そして P2 / ABEC 9 — CNC 工作機械スピンドル、研削スピンドル、航空宇宙用ジャイロスコープ、歯科用タービン用の超精密グレード。ラジアル振れ許容差は次のように厳しい 1μm P4グレードで。

用途に必要な精度よりも高い精度のグレードを指定すると、コストが増加しますが、パフォーマンス上の利点はありません ;必要以上に低いグレードを指定すると、振動、騒音、発熱、寿命低下の原因となります。ほとんどの工業用ローラー ベアリングの用途では、標準グレードが適切です。精密工作機械や高速電動アプリケーションには、P5 または P4 DGBB またはアンギュラコンタクト ベアリングが標準です。

潤滑：ベアリングの耐用年数における最大の要素

SKF と NSK による研究は一貫して次のことを示しています。 ベアリングの早期故障の 40% 以上は、不適切または不適切な潤滑によって引き起こされます。 — 過負荷や製造上の欠陥によるものではありません。正しい潤滑剤の種類と再潤滑間隔を選択することは、正しいベアリングの種類を選択することと同じくらい重要です。

グリース潤滑とオイル潤滑の比較

• グリース潤滑 およそで使用されます ベアリング用途の 80 ～ 90% 。グリースはベアリングハウジング内に保持されるため、継続的な供給システムは必要ありません。中程度の速度でのほとんどのローラーおよびボール ベアリングの用途に適しています。グリースが塗布された密封型深溝玉軸受は永続的に潤滑されており、メンテナンスは必要ありません。
• オイル潤滑 高速（グリースの撹拌により過剰な熱が発生する場合）、高温、またはオイルが冷却剤またはギア潤滑剤としての二重の目的を果たす場合に仕様化されています。高速ギアボックスの円筒ころ軸受や工作機械のアンギュラコンタクトスピンドル軸受では、通常、循環オイルまたはオイルエアミスト潤滑が使用されます。

ローラーベアリングとボールベアリングのグリースの選択

基油粘度は、グリース選択の重要なパラメータです。重荷重下で低速から中速で動作するころ軸受の場合、基油粘度が 40°C で 150 ～ 220 cSt 典型的です。電動モーターの高速深溝玉軸受には、低粘度のグリース ( 40°C で 40 ～ 100 cSt ) 撹拌摩擦と熱を軽減します。リチウム複合増ちょう剤は一般産業用軸受に最も広く使用されています。ポリウレア増粘グリースは、高温の電気モーターのベアリングや恒久的に潤滑される密閉型 DGBB に適しています。

故障モードの認識: ローラーベアリングとボールベアリングの故障の違い

さまざまな条件下で各タイプのベアリングがどのように故障するかを理解することは、メンテナンス エンジニアが根本原因を特定し、交換後の故障の繰り返しを防ぐのに役立ちます。

選択決定の枠組み: ローラーベアリングかボールベアリングか?

新しいアプリケーションのベアリングを指定するとき、または根本原因が元の選択が間違っていた可能性がある故障したベアリングを交換するときに、この決定ロジックを適用します。

1. 負荷のタイプを定義します。 高速時のみラジアル荷重→深溝玉軸受または円筒ころ軸受。中程度の速度でのみ大きな大きさのラジアル荷重がかかる → 円筒ころ軸受または自動調心ころ軸受。ラジアルアキシャル→DGBB、アンギュラ玉軸受、または円すいころ軸受を組み合わせます。純スラストのみ→スラスト玉軸受またはスラスト円筒ころ軸受。
2. 速度要件を評価します。 ndm = 1.0 × 10⁶ mm・rpm 以上 → ボールベアリングファミリー。高負荷の場合はこのしきい値を下回ります。→ ローラー ベアリングが実用的であり、耐荷重の観点から推奨されます。
3. ズレを確認します。 軸の振れやハウジングの芯ずれが0.05°を超える場合→自動調心ころ軸受または自動調心玉軸受。アライメントを±0.02°以内に管理する場合→標準DGBBまたは円筒ころ軸受。
4. 環境を評価します。 湿潤、腐食性、または食品グレード → ステンレススチールまたはハイブリッドセラミックボールベアリング。重荷重による極度の汚れ → 密閉型自動調心ころ軸受。清潔で管理された環境 → 正しいタイプの標準スチールベアリング。
5. 上位候補の L10 寿命を計算します。 選択を最終的に行う前に、実際の荷重、速度、ベアリングの C 値を使用して、目標寿命 (通常、産業用機械の場合は 20,000 時間、重要またはアクセス不可能な用途の場合は 40,000 時間) が達成されているかを確認します。
6. ベアリングがスペースと取り付け配置に適合していることを確認してください。 ラジアル空間が著しく制限されている場合→針状ころ軸受。軸方向のスペースが制限されている場合→薄肉DGBB。アプリケーションが互換性と調達の複雑さを最小限に抑える必要がある場合 → 深溝玉軸受 (世界中で最も幅広い入手可能性と最低コスト)。

深溝玉軸受は、中程度の負荷のアプリケーションの大部分でデフォルトの選択に選ばれています。これは、最も重要な実際的な理由が 1 つあります。 これほどコンパクトで手頃な価格の汎用パッケージで、ラジアル荷重、両方向のアキシアル荷重、高速性、低騒音を処理できる単一ベアリング タイプは他にありません。 。パッケージの荷重制限を実際に超えた場合、ローラー ベアリング ファミリは、特定の形状に適したタイプであれば、ボール ベアリングでは達成できない耐荷重と耐衝撃性を実現します。