玉軸受

玉軸受の詳細

概要

玉軸受（たまじくうけ）は、機械の可動部分同士を玉が分離する形で摩擦を減少させる転がり[[軸受]]の一部です。これは、ボール軸受またはボールベアリングとも呼ばれます。玉軸受は、回転時の摩擦を低減させることで、ラジアル荷重とアキシャル荷重を支えます。

玉は通常、少なくとも二つの軌道輪（レース）に囲まれており、これにより荷重が玉を通じて伝達されます。一方の軌道輪は固定され、もう一方が回転することによって玉も回転します。玉が自転することにより、接触面が滑らかに回ることで摩擦が減少します。ただし、玉軸受はその接触面積が小さいため、同じサイズの他の転がり[[軸受]]に比べて荷重許容量がやや低くなります。

この設計により、内輪と外輪が若干ずれても問題ないという利点があります。さらに、玉の製造コストが比較的低いため、かなり経済的な選択肢となります。最近では、ナノテクノロジーを利用してボールベアリングのような結晶を形成する手法も注目されています。

種類

玉軸受には各種の設計が存在し、それぞれ独自の利点と欠点があるため、利用シーンに応じて選ばれます。さらに、素材も多様で、ステンレス鋼やクロム鋼、セラミックス（窒化ケイ素やジルコニア）などが使われます。また、玉をセラミックス、軌道輪を金属とするハイブリッドタイプも存在します。

ラジアル玉軸受

最も一般的なタイプの一つで、軌道輪の溝が玉の大きさとほぼ同じになっているものです。この構造により、浅い溝の軸受に比べて荷重許容量が大きくなりますが、ずれの強度が小さいという欠点があります。

アンギュラ玉軸受

この設計は、非対称な軌道輪を使用し、アキシャル荷重とラジアル荷重の両方を支持する能力があります。接触角が大きくなるとアキシャル荷重をより支えられますが、反対にラジアル荷重には弱くなる特性を持ちます。

自動調心玉軸受

この設計は、外側の軌道輪が球面になっており、傾いた軸でも回転が維持されるという特徴があります。

運用条件と寿命

玉軸受の寿命は、荷重と回転速度に基づいて計算されます。標準の軸受では、荷重の3乗に反比例して寿命が変わるとされています。例えば、ある公称最大荷重を持つ軸受は、50Hz（すなわち3,000RPM）で100万回転を保証する数値で、実際にはこの数値を上回る寿命が期待されます。

故障と最大荷重

回転していない状態では、最大荷重は玉の非弾性変形で規定されますが、回転中は異なる形で最大荷重が変わるため、動等価荷重という異なる指標が必要になります。

一般には、外径と幅を掛けた値に比例して最大荷重が決定され、深溝玉軸受の公称最大静止ラジアル荷重は約12 N/mm²になります。これにより、設計時には慎重な解析が必要です。

潤滑

最大荷重を維持するためには、適切な動粘度の潤滑剤（油やグリース）を使用することが非常に重要です。潤滑剤の粘度の変化は運用環境に大きく依存します。グリースは周囲からの保護が可能ですが、交換頻度が高くなる一方で、油は放置すると漏れが発生するため、補充が必要になります。

用途

玉軸受は、医療機器や工業機械、航空宇宙用のシャフトに広く用いられています。また、高精度の時計やハードディスクドライブにおいても利用されています。これらの多様な用途は、玉軸受が持つ特性に基づいています。

そのため、玉軸受は機械の設計において不可欠な存在であり、幅広い分野でその信頼性が評価されています。

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