【機械設計マスターへの道】転がり軸受の種類と選び方
回転機械には、多くの「軸受」（ベアリング）が使用されています。
軸受は、回転体を支えて摩擦の少ない滑らかな回転を実現すると共に、回転体に作用する荷重を受ける重要な役割を果たす機械要素です。
軸受は、構造と潤滑機構の違いにより「転がり軸受」と「すべり軸受」に大別されますが、今回は転がり軸受について概説します。
［※すべり軸受については、当連載の「すべり軸受の基礎知識を整理！」の回をご参照ください。］
転がり軸受は、すべり軸受と異なり規格化・標準化が進み、多くのものは軸受メーカのカタログと技術資料を見ながら、適切な選定をすることが可能です。とはいうものの、機械設計をするうえで、転がり軸受の種類、特徴や、使い分けについて基本的な知識を備えておくことが重要です。
目次
１．転がり軸受とすべり軸受の比較
（1）転がり軸受
軌道輪（外輪、内輪）、保持器、転動体から構成されます。
転動体は玉またはころ形状で保持器に包まれ、回転しながら荷重をささえます。
すべり軸受に比較して摩擦が少ない特長があります。
（2）すべり軸受
軸と軸受が面で支持され、接触面に生じる摩擦を軽減するために潤滑剤（油など）による潤滑膜を作り摩耗を低減します。
転がり軸受よりも高速性能や静粛性に優れています。
| 項目 | 転がり軸受 | すべり軸受 |
| 構造 | 複雑 | 単純 |
| 寸法 | 国際的に規格化されている | 標準規格は無い |
| 軸方向拘束 | 拘束手段必要 | 軸方向に自由 |
| 摩擦 | すべり軸受と比較して小さい | – |
| 潤滑 | 液体またはグリス | 液体、気体または無潤滑 |
| 寿命 | 定量化されている | 定量化されていない |
| 高速性能 | – | 転がり軸受と比較して優れる |
| 静粛性 | – | 転がり軸受と比較して優れる |
【表1：転がり軸受とすべり軸受の対比】
２．転がり軸受の基本的な構造
図1は、転がり軸受の中で最も多く標準的に利用される「深溝玉軸受」の構造を示したものです。
外輪の内側、内輪の外側に作られた溝にはさまれて転動体である玉が並べられ、保持器によって等間隔に保たれています。右の写真では、転動体は保持器の陰になっていて見えません。
一般に、内輪は軸と、外輪はハウジングとはめあいされて使用されます。
【図1：深溝玉軸受】
転動体を玉ではなく、円筒にしたものが「ころ軸受」です。
深溝玉軸受の場合、玉が溝にはまり込んでいるために、外輪と内輪の軸方向へのずれは制限されていますが、ころ軸受では、外輪側にはつばがないため、ある程度、軸方向にずれることができます。
図2は、ころ軸受の中で代表的な円筒ころ軸受の構造を示したものです。
【図2：円筒ころ軸受】
軸受には、回転軸と垂直方向に荷重がかかるラジアル荷重を支えるラジアル軸受と、回転軸の軸方向に加わる荷重（軸スラスト、またはアキシャル荷重といいます）を支えるためのスラスト軸受とがあります。
最も基本的なスラスト軸受である、単式平面座スラスト玉軸受の構造を図3に示します。
転動体として、円筒を用いるものは、「スラストころ軸受」と呼ばれます。軸軌道盤は軸と、ハウジング軌道盤はハウジングとはめあいされて使用されます。
【図3：単式平面座スラスト玉軸受】
３．転がり軸受の図示
深溝玉軸受の場合、図4左側の見取り図に対応して、図4右側の断面模式図で構造を示すのが一般的です。
【図4：深溝玉軸受の断面模式図】
同様に断面模式図で示せば、円筒ころ軸受、単式平面座スラスト玉軸受は、図5のようになります。
ころ軸受けの模式図では、ころは内輪によって軸方向のずれは制限されているものの、外輪にはつばがないため、外輪ところは軸方向にずれることができる、ということも表現されています。
【図5：円筒ころ軸受と単式平面座スラスト玉軸受の断面模式図】
ただし、JIS B0005転がり軸受の簡略図示方法には、図6のように、線を用いて簡略的に転がり軸受を描き、時間と労力を省くことが認められています。
【図6：転がり軸受の簡略図示（例）】
４．転がり軸受の種類と分類
転がり軸受は、その構造から、転動体に玉を用いる玉軸受（Ball Bearing）と、ころを用いるころ軸受（Roller Bearing）に大別されます。
さらに支える荷重の方向によって、主としてラジアル荷重を受けるラジアル軸受と、スラスト荷重を受けるスラスト軸受に分け、図7のようにそれぞれが、いくつかの種類に分類されます。
【図7：転がり軸受の分類】
深溝玉軸受の場合は、玉が外輪、内輪とラジアル方向（軸と直角の方向）で接しているのに対し、ラジアル方向と角度を持って接している軸受を「アンギュラ玉軸受」と言います。図8右側にその構造を示します。
【図8：深溝軸受（左）とアンギュラ玉軸受（右）】
深溝玉軸受の玉は内外輪にある程度拘束されているため、軸方向の荷重（スラスト荷重）も受けることができますが、アンギュラ玉軸受では角度を持っている分、図9の左のような方向に対して、スラスト荷重をより支えやすくなります。
しかし、図9右のような方向に荷重がかかると内外輪が容易にずれるため、荷重を受けることができません。
単独では一方向の荷重しか受けられないので、図10のように、対または組み合わせで使用します。
【図9：単独アンギュラ玉軸受】
【図10：組合せアンギュラ玉軸受】
５．転がり軸受の使い分け
（1）「玉軸受」と「転がり軸受」の特徴（比較）
玉軸受では、転動体である玉は軌道輪と点接触しており、荷重を受けると接触面は楕円形になります。
これに対して、ころ軸受では線接触で、荷重を受けた時の接触面は長方形になります。
このため、玉軸受は、転がり抵抗が小さく、低トルクで、高速使用に適しており、ころ軸受は、回転トルクは玉軸受より大きいものの剛性が高く、負荷能力が高いという特徴を持ちます。
また、深溝玉軸受は、ラジアル及びスラスト両方向の荷重を受けられるのに対し、円筒ころ軸受では、つば付のタイプに限って若干のスラスト荷重を受けることが出来るという制約があります
【図11：玉軸受と、ころ軸受の比較】
「深溝玉軸受」「自動調心玉軸受」「自動調心ころ軸受」は、ラジアル荷重と両方向スラスト荷重を受けることができ、「アンギュラ玉軸受」「円すいころ軸受」は、ラジアル荷重と片方向スラスト荷重を受けることができます。
また、「円筒ころ軸受」「針状ころ軸受」はラジアル荷重専用、「単式・複式スラスト玉軸受」「スラスト円筒ころ軸受」はスラスト荷重専用です。
荷重方向に対する転がり軸受の適用区分をまとめると、表2のようになります。
| 荷重方向 | 軸受種類 |
| ラジアル | 円筒ころ軸受、針状ころ軸受 |
| スラスト | 単式・複式スラスト玉軸受、スラスト円筒ころ軸受 |
| ラジアル＆両方向スラスト | 深溝玉軸受、自動調心玉軸受、自動調心ころ軸受 |
| ラジアル＆片方向スラスト | アンギュラ玉軸受、円すいころ軸受 |
【表2：荷重方向と適用で可能な軸受】
（2）転がり軸受の選定基準
深溝玉軸受は、玉軸受の中で最も多く標準的に使用されます。ラジアル、スラストの両荷重を受けることができて、高速回転性能、回転精度、低騒音性、低摩擦性に優れています。
転がり軸受選定に際しては、先ず深溝玉軸受を検討し、軸受荷重や要求仕様から判断して深溝玉軸受では対応できない場合に、下記のような基準で他の形式の選定を考えるという手順が良いでしょう。
- スラスト荷重が大きく、高速回転の時 ⇒ アンギュラ玉軸受
- 調心性を要求される時 ⇒ 自動調心玉軸受
- ラジアル荷重が大きい時 ⇒ 円筒ころ軸受
- ラジアル荷重、スラスト荷重共に大きい時 ⇒ 円すいころ軸受
- スラスト荷重のみの時 ⇒ スラスト玉軸受、スラスト円筒ころ軸受
ひとくちに、転がり軸受といっても、様々な種類、構造のものがあります。
荷重の種類や方向に応じて、適切な転がり軸受を選定することが重要です。
ということで今回は、転がり軸受の種類、分類と選定基準概要について解説しました。
次回は続きとして、転がり軸受の実用的な面から、寿命や潤滑などを中心に解説します。
（アイアール技術者教育研究所 S・Y)
