重負荷の機械設計や産業機器のメンテナンスにおいて、機器の耐荷重を正確に計算します。 スラスト円筒ころ軸受 システムの信頼性を確保するための核心です。これらのベアリングは、その並外れたアキシアル荷重支持能力と高い剛性で知られており、石油掘削プラットフォーム、大型押出機、産業用ギアボックスで広く使用されています。ベアリングの耐用年数を最大化し、致命的な機器の故障を回避するには、エンジニアは動的定格荷重と静的定格荷重の両方の正確な計算方法を習得する必要があります。
1. アキシアル荷重容量と軸受形状の基礎
スラスト円筒ころ軸受の負荷容量を理解するには、まず玉軸受との構造上の違いを区別する必要があります。円筒ローラーが提供する ラインコンタクト ではなく 点接触 ボールベアリングに見られます。この幾何学的特性により、スラスト円筒ころ軸受は非常に小さなスペース内で大きな軸方向スラストに耐えることができます。ただし、振動制御やアライメントに関してはより高い精度も要求されます。
1.1 線接触応力の重要性
計算プロセスにおいて、線接触とは、圧力がローラーの全長にわたって分布することを意味します。ヘルツ接触応力理論によると、耐荷重の計算ではローラーの有効長を考慮する必要があります。ベアリングの取り付けが不適切で傾きが発生すると、ローラーのエッジに荷重が集中して「エッジストレス」が発生します。これにより、理論上の耐荷重が 50% 以上減少する可能性があります。したがって、高頻度の検索では、「ベアリングのずれ」が依然として荷重計算に関連する重要なロングテール キーワードです。
1.2 基本的な動的定格荷重と静的定格荷重
- 基本動定格荷重 (Ca): これは、ベアリングが 100 万回転の定格寿命に達するまで回転中に耐えることができる一定のアキシアル荷重を指します。これは、機器の動作寿命を評価するための重要な指標です。
- 基本静定格荷重 (C0a): これは、軸受が静止しているか、または非常に低速で回転しているときに、接触中心点に永久変形が発生する限界荷重を指します。これは、衝撃荷重下または始動時のベアリングの安全性を決定します。これら 2 つの値の違いを理解することがベアリング選択の最初のステップです。
2. ISO281 を使用した基本動定格荷重 (Ca) の計算
動定格荷重の計算は、ベアリングの疲労寿命を予測するための基礎となります。スラスト円筒ころ軸受の場合、世界的に認められた規格は次のとおりです。 ISO 281 。この計算式では、物理的な寸法だけでなく、材料技術や加工精度が耐荷重に与える影響も考慮されています。
2.1 ISO 281 標準公式
単列スラスト円筒ころ軸受の場合、基本動アキシアル定格荷重 Ca (ニュートン単位で測定) は、次の変数を使用して計算されます。
Ca = fc * (Lw * cos α)^7/9 * Z^3/4 * Dw^29/27
2.2 変数の定義とその影響
- fc (幾何学的係数): ベアリングの特定の形状、公差クラス、および材質に応じた係数。高品質の軸受鋼 (GCr15 など) は通常、より高い fc 値を持っています。
- Lw (有効ローラー長さ): ローラーの有効長さ。ローラーの長さを長くすると負荷容量が直接向上しますが、ローラーが長すぎると回転中に大きな滑り摩擦が発生します。したがって、設計者はアスペクト比のバランスをとる必要があります。
- Z (ローラーの数): ローラーの数が多いほど、個々のローラーが受ける力が小さくなり、全体の評価が増加します。
- Dw (ローラー直径): ローラーの直径は負荷容量に指数関数的な影響を及ぼし、設計において最も敏感な変数です。
2.3 定格寿命（L10）の計算
Ca を取得した後、エンジニアは次の計算を行う必要があります。 定格寿命(L10) 。スラストころ軸受の場合、計算式は次のとおりです。
L10 = (Ca / Pa)^10/3
10/3 という指数 (約 3.33) は、ボール ベアリング (指数 3 を使用) と比較して、ころがりベアリングが疲労破壊するまでの耐久性が高いという事実を反映しています。企業 Web サイトでこの正確な寿命予測を実証することで、製品に対する顧客の信頼が大幅に高まります。
3. 静耐荷重（C0a）と安全率
多くの用途において、ベアリングは常に高速動作状態にあるわけではありません。たとえば、重いバルブを開いたり、クレーンで荷物を吊り上げたりする瞬間、ベアリングは静止している間に大きな圧力にさらされます。このような場合に頼らなければならないのは、 ISO76 静耐荷重を計算するための基準です。
3.1 永久変形（ブリネリング）の防止
静的負荷容量は、最も重い負荷がかかるローラーと軌道の接触中心に合計永久変形を引き起こす負荷として定義されます。 0.0001 ローラーの直径のこと。この値を超えると、その後の回転時に軸受が激しい振動や騒音を発生します。これは業界調査では一般に「ブリネリング効果」と呼ばれています。
3.2 静的な計算式
静アキシアル定格荷重C0aの一般式は次のように表されます。
C0a = 220 * Z * Lw * Dw * sinアルファ
定数 220 特定の接触応力レベルにおける標準硬化軸受鋼の性能レベルを表します。
- 安全率 (S0): 実際の工学では、静的安全係数 S0 = C0a / P0a を導入します。衝撃荷重のある機器の場合は、S0 3 以上が推奨されます。精密機器の場合、塑性変形が精度に影響を与えないように、S0 をさらに高くする必要があります。
4. 動作比較：負荷調整係数
実際の作業条件は実験室の条件よりもはるかに複雑です。潤滑、温度、取り付け精度はすべて、ベアリングの実効負荷容量に直接影響を与える「補正係数」として機能します。
| インパクトファクター | 変数 | 容量への影響 | 推奨事項 |
|---|---|---|---|
| 動作温度 | フィート | 120℃を超えると大幅に低下 | 熱安定鋼を使用 |
| 潤滑条件 | カッパ | 潤滑不良による金属接触の原因 | 粘度比 kappa > 1.5 を確保してください |
| 位置合わせエラー | ベータ版 | 傾斜角が小さいと負荷が集中する | 球面座金または自動調心座を使用してください。 |
| 材料の純度 | aISO | 不純物は早期剥離の原因となる | 真空脱ガス鋼またはESR鋼を選択してください |
| 動作速度 | n | 遠心力により応力が増大 | 制限速度の仕様を確認する |
5. よくある質問（FAQ）
Q1: スラスト円筒ころ軸受はラジアル荷重に耐えられますか?
いいえ。 これらのベアリングは、アキシアル荷重に対して厳密に設計されています。ローラーはシャフト軸に対して垂直に配置されているため、半径方向の力によってケージとの激しい摩擦が生じたり、アセンブリの崩壊につながる可能性もあります。ラジアル力が作用する場合には針状ころ軸受を組み合わせてご使用ください。
Q2: L10の寿命指数がボールベアリングと異なるのはなぜですか?
これは接触機構の違いによるものです。玉軸受は点接触を利用するため、応力集中が大きくなり、指数は 3 になります。円筒ころ軸受は線接触を利用し、応力がより均一に分散されるため、10/3 という優れた指数が得られます。
Q3: 潤滑粘度は有効荷重にどのように影響しますか?
潤滑油膜の厚さによって、接触面の粗さの頂点が衝突するかどうかが決まります。理論上の定格荷重が高くても、オイルの粘度が低すぎる場合、実際の寿命は計算値の 10% 未満になることがあります。
6. 参考文献と技術基準
- ISO 281:2007 : 転がり軸受 — 動定格荷重と定格寿命。
- ISO76:2006 : 転がり軸受 — 静定格荷重。
- ANSI/ABMA 規格 11 : ころがり軸受の定格荷重と疲労寿命。
- T.A.ハリスとM.N.コツァラス : 転がり軸受解析、第 1 巻および第 2 巻 、CRCプレス。 (ベアリング解析の業界標準教科書).
