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ボールベアリングとローラーベアリング、どっち?
ベアリングはほぼすべての機械の重要なコンポーネントであり、可動部品間の摩擦を軽減することで機械のスムーズな動作を助けます。ベアリングには多くの種類があり (伝説によると 470,000 種類あると言われています)、それぞれが異なる負荷条件に対応するように設計されています。この記事では、ボール ベアリングとローラー ベアリングという XNUMX つの主要なタイプに焦点を当てます。オーベアリングは、ベアリング製造における長年の経験に基づいて、さまざまな設計を説明して比較し、どのように選択するかについて建設的なアドバイスを提供します。
両方 ボールベアリング と ころ軸受 回転部分を備えたさまざまな機械に使用されています。それらの特性は、工学のさまざまな分野における技術的および経済的進歩に大きく貢献することがよくあります。軸受の標準化により、メーカーの軸受カタログの軸受表から直接設計を選択できるようになりました。ベアリング製造会社など SKF, NTN, ティムケン、FAG、 シェフラー, 誕生、などは選択情報の自然な情報源です。ほとんどの場合、設計者は自分の設計に使用するストック ベアリング製品をカタログから直接選択できます。人気があり広く使用されているデザインを選択すると、最適な使いやすさが実現され、最も経済的なソリューションが得られます。
産業用ボールベアリングは、スムーズで効率的な回転運動を実現するために、さまざまな機械や製造装置に使用されています。ベアリング自体は、外輪、内輪、鋼球のセット、および鋼球を均等に分散させる保持器で構成されています。通常、外側リングと内側リングはどちらも鋼やセラミックなどの非常に耐久性のある材料で作られており、高速や重荷重に耐えるように設計されています。ベアリング内の鋼球は内輪と外輪の間に低摩擦の接触点を提供し、最小限の抵抗で動き、摩擦によるエネルギー損失を軽減します。ベアリングのケージは、ボールの正しい位置を維持し、ボール同士の接触を防ぎ、荷重を均等に分散するのに役立ちます。転がり運動にはアキシアル荷重とラジアル荷重がかかります。ボールベアリングは、電気モーターやギアボックスなどの高速用途で一般的に使用されます。 See our ball bearing overview article for information.
ボールベアリングタイプ
ボール ベアリングには、単列または複列の 2 つの基本的なタイプがあります。最も一般的なのは単列深溝玉軸受で、単一の溝の経路を移動する一連のボールで構成されます。複列ボールベアリングは、2 セットの溝付き軌道内の 2 列のボールで構成されています。単列玉軸受も複列玉軸受も、内輪、外輪、玉、保持器で構成されています。どちらのタイプのベアリングも、高いラジアル荷重とアキシアル荷重に耐えることができます。深溝玉軸受は、公差クラス、潤滑、内部クリアランス、および選択したシールまたはガードの種類に応じて、低速および高速の両方の用途で使用できます。次のリストは、さまざまなタイプのボール ベアリングの概要を示しており、それぞれに独自の特性と特定の用途があります。これらのベアリングは、精密機器、マイクロモーター、ギアボックス、ホイールハブなどの多くの用途で重要です。
深溝玉軸受：深溝玉軸受は最も一般的なタイプです。ラジアル荷重とアキシアル荷重に耐えることができます。
アンギュラ玉軸受: アンギュラ玉軸受は平均以上の内部アキシアルすきまを持っています。一方向のアキシアル荷重と中程度のラジアル荷重に耐えます。
自動調心玉軸受：自動調心ボールベアリングにより、位置合わせの誤差を調整できます。ラジアル荷重には耐えられますが、最小限のアキシアル荷重には耐えられます。
スラストボールベアリング: スラスト玉軸受は、高いアキシアル荷重と無視できるラジアル荷重を考慮して設計されています。
ミニチュアボールベアリング: ミニチュアボールベアリングは、マイクロモーターなどスペースが限られた精密機器用途に適しています。
複列ボールベアリング：複列ボールベアリングはボールが2列になっており、より高い荷重に耐えることができます。
ボールベアリングの利点
低い摩擦係数: 接触面積が大きいことの主な利点は、内側と外側の軌道の動きによってボール ベアリングが受ける摩擦が大幅に少なくなることです。これは、部品の回転が非常にスムーズに行われることを意味します。同様に、ハンドスピナーを見るだけで、ボール ベアリングが回転運動をどのように処理するかを理解できます。したがって、速度と操作の容易さが優先されるアプリケーションでは、ボール ベアリングが最適なソリューションとなります。
ラジアル荷重とスラスト荷重に耐えることができます。 ボール ベアリングのもう 1 つのユニークな特徴は、複数の軸上で回転できることです。これは、ラジアル荷重だけでなくスラスト荷重にも反応することを意味します。ボールベアリングの回転の仕方はスラスト荷重の角度によって決まります。ボール ベアリングは汎用性が高いため、おもちゃや家の周りのその他のアイテムなど、厳格な基準に準拠していない機器に最適です。
コンパクト設計: 必要なスペースが少なく、小規模な施設でも使用できます。
多才：ラジアル荷重、アキシアル（スラスト）荷重に適しています。
低メンテナンス: アキシアル荷重が低い用途では耐用年数が長く、メンテナンスの必要性が少なくなります。
ボールベアリングのデメリット
重い重量を支えることができない: Although ball bearings have a smaller contact area with the load, meaning they experience much less stress, this also means the load becomes concentrated. In extreme cases, this can cause the ball bearings to deform, a precursor to complete failure. Therefore, ball bearings are usually only used in applications with smaller loads. For industrial grade equipment, roller bearings are preferred. A type of ball bearing, called a full complement ball bearing, fills the space between the inner and outer raceways with as many balls as possible. This type of bearing can handle higher loads by distributing the load over balls. However, full complement ball bearings are also susceptible to wear due to frequent contact between adjacent balls.
耐久性：過大な荷重がかかると変形し、軸受寿命が短くなる可能性があります。
感度: susceptible to misalignment and shock loads.
ころ軸受は円筒形または円錐形の転動体を備えています。この軸受タイプは、ころと軌道面の間の接触面積が大きいため、大きなラジアル荷重に耐えられるように設計されています。
ローラーベアリングタイプ
次のリストは、さまざまな特性と特定の用途を持つさまざまなタイプのころがり軸受の概要を示しています。これらの軸受は、車両の車輪、重機、高い耐荷重能力が必要な用途など、さまざまな場面で重要な役割を果たしています。詳細については、ローラー ベアリングの概要に関する記事をお読みください。
円筒ころ軸受: 円筒ころ軸受には、長さ方向に沿って均一なサイズの円筒ころが付いています。これらのベアリングは重いラジアル荷重を支えるのに適しており、高速で動作できます。円筒ころ軸受は、内輪または外輪のフランジの間で案内されます。フリーリングを取り外しても、フリーリングはガイドリングとともに保持器によって保持されます。最も一般的なタイプの円筒ころ軸受では、フリー リングにはフランジがないため、一定の制限内で軸受リングが互いに対して軸方向に変位する可能性があります。ベアリングが回転している場合、変位速度が比較的遅い場合 (シャフトの熱膨張による変位など)、この変位は抵抗なく発生します。円筒ころ軸受は摩擦が低いため比較的高速に適しており、高速機械の主軸では高速アンギュラ玉軸受と組み合わせて使用されることがよくあります。
テーパーローラーベアリング: 円すいころ軸受は円すいころと軌道を備えており、車両ハブやその他の高負荷用途に最適です。円すいころ軸受は、最も広く使用されているころ軸受です。大きな軸方向および半径方向の力に耐えることができます。円すいころ軸受は外輪と内輪で構成され、玉軸受は外輪と内輪で構成されます。テーパーローラーはカートリッジに組み立てることができますが、最も単純な形式では 2 つの別個のコンポーネントですが、ボールベアリングは分離可能であり、通常は内蔵ユニットになります。
円すいころ軸受は、直線円すいころを使用しており、その端面が内輪の案内フランジに接触しています。ころテーパと内輪ころ軌道は軸受軸上に共通の頂点を持っています。外輪は、ローラーのエッジ荷重を防ぐために、わずかに湾曲したローラー経路母線を使用して設計されています。ころと外輪との密着度は低下しますが、外輪のひずみは内輪に比べて小さくなります。内輪のガイドフランジは球面となっており、ころのボールエンドがこの面に押し付けられます。球面ベアリングと同様に、フランジにかかる圧力によりローラーが効果的にガイドされます。ティムケン、FAG、NTN、SKF などの一部のメーカーでは、ローラーの端面が平坦で、フランジのガイド面が円錐形になっています。ローラーの端は 2 点だけでローラーのフランジに接触します。
テーパーローラーベアリングは分離可能であるため、通常、一方のベアリングが他方のベアリングに合わせて調整できるように、互いに反対側に取り付けられます。調整後、ベアリングには常に一定の非常に小さな隙間が残ります。シャフトの温度変化はこの調整に影響し、ひいてはベアリングのクリアランスにも影響します。したがって、単列円すいころ軸受は通常、距離が短い場合にのみ使用されます。円すいころ軸受は、高いラジアル荷重支持能力と一方向のアキシアル荷重支持能力を備えています。推力能力はローラーの角度によって異なります。この角度（接触角）の目安としては、通常 12 ～ 16 度です。一部の耐久性の高い円すいころ軸受の接触角は 28 ～ 30 度です。
多くの用途では、円すいころ軸受が背中合わせのペアで使用され、どちらの方向にも均等に軸方向の力を支えます。円すいころ軸受は、ラジアル荷重とアキシアル荷重を支えるために自動車のホイールベアリングに広く使用されています。円すいころ軸受は、重負荷の用途によく使用されます。農業、建設、鉱山機械、車軸システム、ギアボックス、エンジンモーターとギア減速機、ドライブシャフト、鉄道車軸ボックス、ディファレンシャル、風力タービン、あらゆる種類のトレーラーなど、さまざまな産業に使用されています。
球面ころ軸受：自動調心機能を備えた自動調心ころ軸受で、大きなラジアル荷重とアキシアル荷重に耐えることができます。ミスアライメントやシャフトのたわみを伴う用途に最適です。
針状ころ軸受：針状ころ軸受はころが薄くて長いため、ラジアル方向のスペースが限られているが、耐荷重性が必要な用途に適しています。
スラストころ軸受: スラストころ軸受は大きなアキシアル荷重に耐えることができ、掘削リグや押出機などの重機でよく使用されます。
ころ軸受の利点
大きな荷重に耐える: ローラーベアリングによって提供される接触面積が大きいため、変形や破損を起こすことなく大きな荷重に耐えることができます。このため、ローラーベアリングは、重い荷重を運ぶように設計された産業用機器や、故障の余地がほとんどないその他の用途に最適です。
バリエーションデザイン: ボールベアリングとは対照的に、ローラーの形状は操作の種類に応じて異なります。標準的な円筒ころは、純粋にラジアル荷重用に設計されており、スラスト荷重を処理する能力を犠牲にして、より大きな荷重容量を提供します。
針状ころ軸受は、直径がはるかに小さい円筒ころのわずかなバリエーションです。径方向のスペースが狭い用途に使用されます。ニードルローラーも接触面積は大きいですが、回転が速いため摩擦や振動が多くなります。したがって、低速で動作し、大きな振動に耐えられる機器でのみ使用できます。
テーパーローラーベアリングは、全体が真っ直ぐな円筒ではなく、一端がテーパーになっています。これにより、ローラーベアリングは限られたスラスト荷重に耐えることができます。円すいころが負担できるラジアル荷重とスラスト荷重の比はころの角度によって決まります。最大 30 度までは許容されますが、ほとんどのテーパー ローラーの角度は 10 ～ 16 度です。
耐久性: 丈夫で耐久性があり、変形することなく重い荷重に耐えることができます。
感度が低い: resistant to shock loads and misalignment than ball bearings.
ローラーベアリングのデメリット
Limited Ability to Handle Thrust Loads: Although there is an option to use tapered versions, the fact remains that roller bearings are not primarily designed for thrust loads. Therefore, the movement allowed by roller bearings is restricted. This reduces the versatility of roller bearings, which explains why they are less visible in domestic environments.
位置がずれやすい: Bearings of any type, whether ball or roller, have a small amount of play between the bearing elements and the raceways. This internal clearance allows the bearing elements to move smoothly along the raceway. However, this also makes it possible for the bearing elements to deviate from their original position. Ball bearings are tolerant of angular misalignment. This is especially true for roller bearings. While ball bearings can handle misalignment up to 0.004 inches, cylindrical roller bearings may already have difficulty rotating when misalignment exceeds 0.001 inches. This means roller bearings need to be designed with greater precision, making them difficult and expensive to manufacture.
サイズ： Typically larger and require mechanical space.
メンテナンス: frequent maintenance may be required, especially in high-speed applications due to increased friction.
ボールベアリングとローラーベアリングの違い
ボールベアリングとローラーベアリングはどちらも、ラジアル荷重とアキシアル荷重をサポートしながら回転摩擦を軽減するように設計されています。ローラーベアリングとボールベアリングの基本的な違いは、その基本設計にあります。ローラーベアリングとボールベアリングの主な違いは、転動体がローラーであるかボールであるかです。ボール ベアリングとローラー ベアリングを比較する場合、いくつかの要因が関係します。
Due to their lower coefficient of friction, ball bearings are generally suitable for applications requiring high speed operation.
ローラーベアリングは接触面積が大きいため、ラジアル荷重が重い用途に最適です。
ボールベアリングは接触面積が小さいため、ローラーベアリングに比べて負荷容量が低くなります。
Ball bearings deform less under load, making them suitable for precision applications.
選択基準
特定の用途に適したベアリングを選択することは、最適な性能と耐用年数を実現するために重要です。選考基準は主に以下の2点です。
負荷の種類と容量: ベアリングは、ラジアル荷重、アキシアル荷重、またはこれらの組み合わせの荷重にかかわらず、特定の荷重に耐えることができなければなりません。ローラーベアリングは通常、重いラジアル荷重に使用され、ボールベアリングは軽い荷重に使用されます。
速度要件: アプリケーションの実行速度は重要な役割を果たします。ボール ベアリングは、摩擦抵抗が低いため、高速用途には最初の選択肢です。一般に、ボール ベアリングは、高速回転が必要な用途に適しています。始動時および動作時の摩擦係数が低いため、より少ない抵抗で高速に到達できます。
Roller bearings, on the other hand, are better suited for applications requiring higher load capacities. This is because line contact (as opposed to point contact in ball bearings) allows the load on the bearing to be distributed widely. In terms of efficiency, ball bearings tend to have a slight advantage in minimizing friction at high speeds. However, due to their design, roller bearings can handle larger loads efficiently.
まとめ
ベアリングは何十年にもわたって使用されており、産業、商業、家庭環境において最も重要なエンジニアリングコンポーネントの 1 つであることは間違いありません。スムーズで一貫した回転運動を実現し、摩擦による摩耗を防ぎます。ボール ベアリングとさまざまな種類のローラー ベアリングだけで、任意の軸に沿って回転する必要があるコンポーネント間の取り外し可能な接続を提供できます。