深溝ベアリングと通常のベアリング: 違いとそれぞれの使用時期

深溝玉軸受 は、「通常の」ベアリングとは別の特別なカテゴリではありません。ボール ベアリングは、現存する最も一般的なタイプのボール ベアリングであり、ほとんどの文脈で、エンジニアが「通常のベアリング」と言うときに意味します。 主な違いは、深溝玉軸受 (DGBB) と、アンギュラ コンタクト ベアリング、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、円すいころ軸受などの他の軸受タイプとの違いです。深溝ベアリングは、浅い設計または「Conrad-lite」設計よりも大幅に大きい軌道溝の深さを持っています。この深い溝により、ベアリングはラジアル荷重と中程度のアキシアル (スラスト) 荷重の両方を同時に処理できるため、大部分の回転機械のデフォルトの選択肢となっています。この比較では、どのような場合に深溝ベアリングが十分で、どのような場合に別のタイプが必要であるかを理解することが、実際的なエンジニアリング上の決定となります。

深溝玉軸受とは何か、そしてそれが主流である理由

深溝玉軸受は、内輪、外輪、一連の鋼球、および保持器で構成されており、すべて厳しい公差に合わせて精密研磨されています。特徴的なのは軌道溝です。ボールを案内する両方のリングに刻まれた溝の深さは通常、 ボール直径の 25 ～ 32% 。この深さは競合する設計よりも深く、適合する接触形状を作り出し、ベアリングが複数の方向の力に抵抗できるようにします。

深溝玉軸受は約 世界中のベアリング生産量の 30 ～ 40% SKF、NSK、FAG/シェフラーなどの主要メーカーの推定によると、体積ベースでの推定値。これらのベアリングは、中程度のラジアル荷重容量、双方向のアキシアル荷重容量、高速性能、低摩擦、低騒音、現場でのメンテナンスを必要としないシール/グリース封入構成での入手可能性など、他の単一タイプのベアリングに匹敵する機能の組み合わせを提供するため、電気モーター、ギアボックス、ポンプ、ファン、コンベア、自動車のホイールハブ、家庭用電化製品、電動工具、その他何千もの用途で使用されています。

深溝玉軸受とアンギュラ玉軸受

アンギュラコンタクトベアリングは、深溝ベアリングと最も直接的に比較され、高推力または精密用途における最も一般的な代替品となります。

構造の違い

深溝ベアリングでは、純粋なラジアル荷重下では、ボールと軌道の間の接触力線はベアリング軸に対してほぼ垂直になります (接触角 0°)。アンギュラコンタクトベアリングでは、接触力が定義された角度で作用するように軌道がオフセットされています。通常、 15°、25°、または 40° ベアリング軸に。この意図的な接触角により、アンギュラコンタクトベアリングはアキシアル（スラスト）荷重に耐えることがはるかに優れていますが、ベアリングごとに一方向からのアキシアル荷重にしか耐えられないことを意味します。したがって、シングル アンギュラ コンタクト ベアリングは、ほとんどの場合、対で使用され、対面 (O 配置) または背面同士 (X 配置) で取り付けられます。

負荷と速度のパフォーマンス

特定の軸受エンベロープ サイズに対して、アンギュラ接触軸受は 接触角40° およそ運ぶ アキシアル荷重の2～3倍 同等の深溝ベアリングとなります。ただし、深溝ベアリングは相手ベアリングを必要とせずに双方向のアキシアル荷重に対応し、高速で動作します。接触角が 40° のアンギュラコンタクトベアリングは、接触角が高くなるとボールの滑りが増加するため、同じサイズの深溝ベアリングよりも速度定格が大幅に低くなります。たとえば、SKF 6208 深溝ベアリングの制限速度は次のとおりです。 9,500RPM 一方、40° での同等の 7208 アンギュラコンタクト ベアリングの定格は約 6,300RPM .

それぞれをいつ使用するか

• 深い溝: 電気モーター、ファン、ポンプ、コンベヤ、家電製品 - 主にラジアル荷重と中程度の双方向アキシアル荷重がかかるあらゆる用途
• 角度接触: 工作機械のスピンドル、はすば歯車を備えたギアボックスの出力シャフト、自動車のホイールハブ、アキシャルコンプレッサー — 定義された方向に継続的に大きなアキシアル荷重がかかる用途

深溝軸受と円筒ころ軸受の比較

円筒ころ軸受は、DGBB のボールを、軌道と点接触ではなく線接触する円筒ころに置き換えます。この基本的な形状の違いにより、ラジアル荷重容量は劇的に高くなりますが、アキシアル荷重容量は制限されているかゼロである軸受が生成されます。

円筒ころの線接触により、ボールの点接触よりもはるかに広い範囲にラジアル荷重が分散されます。深溝玉軸受と同じエンベロープ内の円筒ころ軸受は通常、 ラジアル荷重の 3 ～ 5 倍 。その代償として、ほとんどの円筒ころ軸受設計 (NU および N タイプ) はアキシアル荷重をまったく支えることができません。 NJ形、NUP形は一方向のみのアキシアル荷重がかかります。このため、円筒ころ軸受は、アキシアル荷重がもう一方のシャフトサポートにあるスラストまたはアンギュラコンタクトベアリングによって個別に処理される、大型電気モーター、ギアボックス、圧延機、レールアクスルなどの重いラジアル荷重に最適です。

対照的に、深溝ベアリングは単一ユニットで両方向に対応します。ラジアル荷重とアキシアル荷重の合計が中程度である用途の場合、深溝ベアリングを使用すると、2 つ目のベアリングが完全に不要になります。

深溝軸受と円すいころ軸受の比較

円すいころ軸受は、円錐ころを円すい内輪と外輪の間に使用します。この形状は、すべてのローラーの接触線がベアリング軸上の 1 点に集まることを意味し、ラジアル荷重とアキシアル荷重の組み合わせを同時に処理するベアリングを生成します。これは、原理的には深溝ベアリングと同様ですが、はるかに高い負荷容量で発生します。

所定の軸サイズの円すいころ軸受は、 総合定格荷重の 2 ～ 4 倍 同等の深溝玉軸受となります。これらは、自動車のホイール ベアリング、トラックの車軸、ベベル ギアまたはハイポイド ギアを備えたトランスミッション シャフト、および実用的なボール ベアリングの容量を超える負荷がかかる重工業用ギアボックスの標準です。制限としては、摩擦が大きいこと (ローラーとフランジの接触部での滑りによる)、動作温度が高いこと、組み立て中に軸方向の予圧を正確に調整する必要があること、深溝ベアリングと比較して最高速度が低いことなどが挙げられます。

アンギュラコンタクトベアリングと同様に、円すいころベアリングは通常、各ベアリングが一方向のアキシアル荷重にのみ抵抗するため、対応するペアで使用されます。ベアリングの配置は、正しい予圧を設定するように慎重に設計する必要があります。予圧が不十分な場合は、スキッドや急速な疲労破壊が発生します。一方、過剰な予圧は熱を発生し、ベアリングの寿命が計算値を下回ります。

深溝ベアリングとニードルベアリングの比較

針状ころ軸受は、長さと直径の比が非常に高いころを使用します (通常、 3:1 ～ 10:1 ）、最小限のラジアル空間で高いラジアル荷重容量を備えた非常に薄い断面のベアリングが可能になります。これらは、レシプロ エンジンのコンロッド ベアリング、ロッカー アーム ピボット、ユニバーサル ジョイント クロス、カム フォロアなど、利用可能な半径方向のスペースに比べてシャフト直径が大きい場所で使用されます。

深溝玉軸受は、同等の内径に対してはるかに大きな断面積を必要とします。 30mm シャフト用のニードルベアリングの外径は、 38～40mm 、同等の深溝ベアリング (6006) の外径は 55mm 。ラジアル方向のスペースが限られている場合、実用的な選択肢はニードル ベアリングだけです。深溝ベアリングはまったく適合しません。その代償として、ほとんどのニードル ベアリングはアキシアル荷重を受けず、内部軌道として硬化および研削されたシャフト表面が必要であり (製造コストが増加)、定格速度が非常に限られているという点が挙げられます。

ベアリングタイプの総合比較

溝の深さの利点: なぜ「深さ」が重要なのか

DGBB の溝を深くすることによる具体的なエンジニアリング上の利点は定量化できます。浅溝ベアリング (「充填スロット」設計とも呼ばれる、リングのスロットによってより多くのボールを搭載できるが、溝の深さが浅くなる) では、溝壁とのボール接触面積が減少します。アキシアル荷重下では、この浅い接触は、荷重が溝壁全体に分散されるのではなく、溝の端に集中することを意味します。この状態は、高いヘルツ接触応力を発生させ、疲労を加速させます。

適切に設計された深溝ベアリングでは、溝の曲率半径は通常、 ボール直径の51.5～53% （適合率またはオシュレーションと呼ばれます）。この緊密な適合により、ボールと軌道面の間の接触面積が最大化され、最大接触応力が軽減されます。たとえば、内径 40 mm の ISO 6208 深溝ベアリングの静アキシアル荷重定格は約 6,550N — 浅溝ベアリングまたはアンギュラコンタクトベアリングが同等のサイズで達成するには、かなりの接触角が必要となる負荷容量。

シールド型およびシールド型深溝ベアリングとオープン設計の比較

深溝ベアリング ファミリ自体には、ベアリング側面の閉じ方によって定義される重要なバリエーションがあります。

• オープンベアリング (接尾辞: なし) — 両側が開いています。外部潤滑（グリースまたはオイル）と汚染を防ぐための密閉ハウジングが必要です。ギアボックスやオイルバス潤滑の用途に使用されます。サービス中に再潤滑が可能
• シールドベアリング (接尾辞: Z または ZZ) — 片面または両面に、内輪と接触しないプレス鋼シールドが取り付けられています。抵抗は低いですが、完全に密閉されていません。適度に清潔な環境に適しています。摩擦を大幅に増加させることなく基本的な汚染保護を提供します
• シールドベアリング (末尾: RS、2RS、または RZ) — 片側または両側に、内輪に接触するゴム接触シールが取り付けられています。 生涯にわたって完全にグリースが充填されている ;優れた汚染と湿気の排除。高速では摩擦が若干増加します。メンテナンスへのアクセスが制限されているモーター、家電製品、および一般機械向けの主要な選択肢。ゴムシールは約以上で劣化します 120℃ 、高温用途にはオープンまたは高温シールされたベアリングが必要

深溝玉軸受で利用できるさまざまなサイズと価格帯で、同じ範囲の潤滑済み、密封された構成を提供する一般的な軸受は他にありません。この入手しやすさが、玉軸受が優勢である主な実用的な理由です。

ベアリングの寿命の計算: 荷重の種類が L10 の寿命に与える影響

ISO 281 ベアリングの寿命計算式は、L10 寿命、つまりベアリングが寿命を迎える回転数を計算します。 同一のベアリングの母集団の 90% が引き続き稼働します — として:

L10 = (C/P)3 × 10⁶ 回転 (ボールベアリング用)

ここで、C は動定格荷重、P は等価動的な軸受荷重 (ラジアル力とアキシアル力を組み合わせたもの) です。深溝玉軸受の場合、動等価荷重 P は、ラジアル荷重 (Fr) とアキシアル荷重 (Fa) の両方を考慮した係数を使用して計算されます。 Fa/Fr がしきい値 (e 係数と呼ばれ、通常は 0.19～0.44 ベアリングのシリーズに応じて）、有効定格荷重を減少させるペナルティ係数が適用されます。

これは、中程度のアキシアル荷重（e しきい値を下回る Fa/Fr）で動作する深溝ベアリングは、本質的に無料で、つまり寿命の低下がないことを意味します。しかし、アキシアル荷重が支配的になる場合、寿命は急速に低下します。その場合、アンギュラ コンタクトまたは円すいころ軸受への切り替えがエンジニアリング上の重要な利点をもたらします。 SKF および NSK アプリケーション エンジニアリングによる実用的なガイドラインは次のとおりです。 アキシアル荷重が次の値を超えた場合 ラジアル荷重の50～60% 、デフォルトで深溝を使用する前に、アンギュラコンタクトベアリングの耐用年数が大幅に向上するかどうかを評価します。

よくある選択ミスとその回避方法

• 大きなアキシアル荷重が主となる深溝ベアリングを使用する場合: 最もよくある間違い。ラジアル荷重を大幅に超えるアキシアル荷重がかかるアプリケーション（たとえば、ベルト張力と軸方向の空気流推力を伴うファン）の場合、アンギュラコンタクトベアリングまたはペアの深溝配置により、耐用年数が大幅に長くなります。重度の持続的なアキシアル荷重がかかった単一の深溝軸受では、溝の 1 つの肩に特徴的な軌道疲労損傷が見られます。
• 極度のラジアル荷重がかかるローラーベアリングが必要な場合に深溝ベアリングを使用する場合: ボールベアリングのヘルツ点接触により、線接触ローラーベアリングと比較してラジアル荷重容量が制限されます。ボールベアリングに大きなラジアル荷重がかかると、表面下の疲労が急速に生じます。荷重計算により、DGBB で L10 寿命が許容限界を下回っていることが示された場合は、同じエンベロープ内の円筒ころ軸受または自動調心ころ軸受を使用すると、通常は問題が解決されます。
• 高速アプリケーションでシールドベアリングをシールドベアリングに交換するには: 2RS ベアリングの接触シールにより摩擦トルクが増加し、動作温度が上昇し、速度定格が低下します。高速モーター用途 (小型ベアリングの場合 10,000 RPM 以上) では、ZZ シールドまたはオープン ベアリングの代わりに 2RS を使用すると、速度がカタログ定格の最大値以内であっても過熱が発生する可能性があります。
• メーカーの公差クラスに関係なく、すべての「6000 シリーズ」ベアリングを同等のものとして扱います。 標準ベアリングは ISO 公差クラス ノーマル (PN) に基づいて製造されています。精密スピンドルの場合、ABEC 5 (P5) または ABEC 7 (P7) 公差の深溝ベアリングにより、ラジアル振れが大幅に低減されます。 P5 は振れを ≤ 5 ミクロンに制限しますが、PN では ≤ 18 ミクロンに制限します — これは工作機械や精密機器の用途にとって重要です。
• 内部すきまの選択を無視する: 深溝ベアリングは、C2 (通常より小さい)、CN (通常)、C3 (通常より大きい)、および C4 のすきまクラスで利用できます。高温アプリケーションでは、熱予負荷を防ぐために C3 または C4 が必要です。圧入取り付けでは、締まりばめ閉鎖を補正するために C3 が必要です。どちらの状況でも標準の CN クリアランスを使用すると、焼き付き (きつすぎる) または過度の振動 (緩すぎる) が発生します。

実用的な選択ガイド: 深溝ベアリングが正しい選択である場合

次の条件が当てはまる場合は、デフォルトの選択肢として深溝玉軸受を使用します。

1. ラジアル荷重は一次荷重です — 荷重は主にシャフト軸に対して垂直であり、使用中のアキシアル荷重はラジアル荷重の約 50% を超えません。
2. アキシアル荷重は両方向です - ベアリングは、ペアのベアリング配置なしで両方向からの軸方向の力に抵抗しなければなりません。深溝はこれを単一のベアリングで処理します。
3. 高速性が求められる - アプリケーションは、ローラーベアリングの代替品の速度制限に近い、またはそれを超える速度で動作します。深溝ベアリングは、特定のボア サイズの標準ベアリング タイプの中で最高の速度定格を備えています。
4. 低騒音・低振動が重要 — 電気モーター、家電製品、および消費者製品は、高品質の深溝ベアリング (たとえば、SKF の「E」または FAG の「P6Q」音響仕様などの低騒音グレード指定) によって実現可能な静かでスムーズな動作の恩恵を受けます。
5. メンテナンスフリーの運用が望ましい — 密封され、グリースが塗布された深溝ベアリングは現場での潤滑を必要とせず、ほぼすべてのボア サイズで入手可能です。 3mm～200mm .
6. コスト効率が重要 — 深溝ベアリングは、生産量が多いため、単位容量あたり最も安価な精密ベアリング タイプです。負荷と速度の要件を満たすコスト重視の用途では、匹敵する価値を提供できるベアリング タイプは他にありません。