機械保全技能検定の学習を進める中で、軸受（ベアリング）について改めて整理しました。
普段から旋盤などの工作機械を扱っていますが、軸受の種類や特徴は知っていても、実際にどのように固定され、荷重を受け、熱膨張に対応しているのかまでは、十分に理解できていない部分がありました。
今回は、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受などの特徴から、DB・DF・DTの組合せ、固定側・自由側の構造、予圧調整、潤滑油の粘度までまとめます。最後に、軸をつくる側・軸受を交換する側として、実務で感じていることも書きます。
1. 軸受の基本的な役割
軸受は、回転する軸などを支えながら、摩擦を小さくして滑らかな回転を可能にする機械要素です。
一般的な転がり軸受では、内輪が回転軸と一緒に回り、外輪はハウジングに固定されています。その間にある玉やころが転がることで、摩擦を低減します。
軸受の役割は、大きく次の2つです。
- 軸に作用する荷重を支える
- 軸の位置を保持しながら回転を可能にする
軸受を理解するうえで重要なのが、荷重の方向です。
ラジアル荷重は軸に対して垂直方向に作用する力、アキシアル荷重（スラスト荷重）は軸方向に作用する力です。
例えば、水平に設置した軸の自重はラジアル荷重になります。一方、垂直軸の重量を支える場合は、アキシアル荷重になります。
ただし、荷重方向は重力だけで決まるわけではありません。水平軸でも、ねじ送り機構や歯車などによってアキシアル荷重が発生します。
2. 深溝玉軸受・アンギュラ玉軸受・スラスト玉軸受の違い
深溝玉軸受
深溝玉軸受の「深溝」とは、内輪と外輪にある玉の転走面（軌道溝）が比較的深いことを意味します。
主にラジアル荷重を受けますが、両方向のアキシアル荷重にも対応できます。
構造が比較的単純で、高速回転にも適しているため、モーターや一般産業機械などで広く使用されています。
アンギュラ玉軸受
アンギュラ（Angular）は「角度のある」という意味です。
アンギュラ玉軸受では、玉と軌道面の接触方向に角度が設けられています。この角度を接触角と呼びます。
接触角があることで、ラジアル荷重と比較的大きなアキシアル荷重を同時に受けられます。
一般に接触角が大きいほどアキシアル方向の負荷能力が高くなりますが、高速回転性能などとのバランスが必要です。
単列アンギュラ玉軸受は、基本的に一方向のアキシアル荷重を受ける構造です。そのため、両方向の荷重を受ける場合には2個を組み合わせます。
スラスト玉軸受
スラスト玉軸受は、軸方向の荷重を受けるための軸受です。
単式は一方向、複式は両方向のアキシアル荷重に対応します。
ただし、基本的にラジアル荷重は受けられません。
| 軸受の種類 | ラジアル荷重 | アキシアル荷重 |
|---|---|---|
| 深溝玉軸受 | 対応 | 両方向（ラジアル荷重に比べると小さい範囲） |
| 単列アンギュラ玉軸受 | 対応 | 基本的に一方向 |
| 単式スラスト玉軸受 | 非対応 | 一方向 |
| 複式スラスト玉軸受 | 非対応 | 両方向 |
3. アンギュラ玉軸受のDB・DF・DT組合せ
アンギュラ玉軸受では、2個の軸受の向きを変えることで、異なる荷重条件に対応できます。
代表的な組合せは、DB・DF・DTの3種類です。
DB：背面組合せ
DBは、2個の軸受の接触線が外側に広がる組合せです。
O形配置とも呼ばれます。
接触線の作用点間距離が大きくなるため、モーメント荷重に対する剛性が高くなります。
工作機械の主軸など、軸の傾きを抑えて高い回転精度を確保したい用途に適しています。
DF：正面組合せ
DFは、接触線が内側に集まる組合せです。
X形配置とも呼ばれます。
DBよりも作用点間距離が短くなるため、モーメント剛性は低くなる傾向があります。
一方で、軸やハウジングの取付誤差、軸のたわみに比較的対応しやすい特徴があります。
ただし、自由に傾いてよいという意味ではありません。
DT：並列組合せ
DTは、2個の軸受の接触角を同じ方向にそろえた組合せです。
同じ方向のアキシアル荷重を2個で分担できるため、一方向の大きな推力を受ける場合に適しています。
ただし、DTだけでは逆方向のアキシアル荷重を受けられません。
| 組合せ | アキシアル荷重 | 特徴 |
|---|---|---|
| DB（背面） | 両方向 | モーメント剛性が高い |
| DF（正面） | 両方向 | 取付誤差に比較的対応しやすい |
| DT（並列） | 一方向 | 大きな一方向の推力を分担 |
機械保全技能検定では、DB＝モーメント荷重、DF＝取付誤差、DT＝一方向の大きな推力と整理すると覚えやすいと思います。
4. 単列2個の組合せと複列アンギュラ玉軸受
複列アンギュラ玉軸受は、1個の軸受の内部に2列の玉を配置した構造です。
一般的な複列アンギュラ玉軸受は、単列アンギュラ玉軸受のDB組合せに近い働きをします。
単列軸受を2個組み合わせる場合は、接触角、予圧、組合せ方式などを選択でき、設計の自由度が高い特徴があります。
一方、複列アンギュラ玉軸受は、コンパクトで組立が容易という利点があります。
高精度な工作機械の主軸などでは単列軸受の組合せが有力ですが、一般産業機械やホイールハブなどでは複列軸受も利用されています。
なお、単列2個の組合せが必ず複列軸受より高剛性になるわけではありません。軸受の寸法、接触角、予圧、内部設計などによって変わります。
5. 軸受の固定側と自由側はなぜ必要なのか
軸を2か所で支持する場合、一般的には固定側と自由側を設けます。
固定側は軸方向の位置決めを行い、自由側は熱膨張による軸方向の伸びを吸収します。
例えば、支持間距離500mmの鋼製軸が40℃温度上昇したとします。
線膨張係数を12×10⁻⁶/Kとすると、熱膨張量は次のようになります。
ΔL = α × L × ΔT
ΔL = 12×10⁻⁶ × 500 × 40
ΔL = 0.24mm
軸が約0.24mm伸びる計算です。
実際の軸受間の相対変位はハウジング側の熱膨張にも影響されますが、両側を軸方向に完全固定すると、熱膨張によって余分な荷重が発生する可能性があります。
そこで、一方を自由側として軸方向の移動を許容します。
なお、DB・DFは軸受の組合せ方式であり、固定側・自由側は軸全体の支持方式です。両者は別の考え方です。
6. 自由側にはなぜ円筒ころ軸受が使われるのか
自由側には、NU形やN形の円筒ころ軸受がよく使われます。
円筒ころ軸受は、円柱状のころでラジアル荷重を受ける構造です。
特にNU形では、外輪の両側につばがあり、内輪にはつばがありません。
このため、内輪と外輪が軸方向に相対移動できます。
つまり、内輪を軸に、外輪をハウジングに固定していても、軸受内部で熱膨張を吸収できるのです。
円筒ころ軸受には、つばの構造によって次の違いがあります。
| 形式 | 軸方向の特徴 | 主な用途 |
|---|---|---|
| NU形 | 軸方向に相対移動可能 | 自由側 |
| N形 | 軸方向に相対移動可能 | 自由側 |
| NJ形 | 一方向のアキシアル荷重を受けられる | 一方向の位置決め |
| NUP形 | 両方向のアキシアル荷重を受けられる | 固定側 |
NU形・N形は、ラジアル荷重を支えながら軸方向の伸びを逃がせる点が大きな特徴です。
7. 軸受はどのように固定するのか
軸受の取付けでは、はめあいによる固定と、軸方向の位置決めを分けて考える必要があります。
内輪の固定
内輪は、軸とのしまりばめなどによって保持します。
さらに、軸の段付き部、ロックナット、止め輪などを使って軸方向の位置を決めることがあります。
外輪の固定
外輪は、ハウジングとの適切なはめあいによって保持します。
固定側では、ハウジングの段付き部や押さえ蓋によって軸方向の位置決めを行います。
ただし、必ず内輪と外輪の両方をしまりばめにするわけではありません。
荷重の方向、回転条件、取付け・取外しの必要性などによってはめあいを選定します。
また、深溝玉軸受を自由側に使用する場合には、外輪がハウジング内を軸方向に滑れる構造にすることもあります。
8. 軸受の予圧調整とは
予圧とは、軸受にあらかじめ一定の荷重を与え、内部すきまをなくして剛性や回転精度を高めることです。
アンギュラ玉軸受の組合せでは、特に重要になります。
代表的な方法は次の3つです。
- ロックナットなどによる定位置予圧
- 内輪・外輪間座の寸法差による予圧設定
- ばねを利用した定圧予圧
予圧が不足すると、ガタつきや振動が発生しやすくなります。
反対に予圧が過大になると、摩擦抵抗や発熱が増え、軸受寿命が短くなる可能性があります。
そのため、予圧は大きければよいというものではありません。
なお、予圧があらかじめ設定された組合せ軸受では、ロックナットを強く締めることで任意に予圧を増やすのではなく、メーカー指定の取付条件を守る必要があります。
9. 内輪と外輪の傾きは問題になるのか
深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受では、内輪と外輪の中心線が大きく傾くことは基本的に好ましくありません。
軸とハウジングの同軸度、軸の肩の直角度、圧入状態などが不適切だと、軸受内部で荷重が偏る可能性があります。
また、運転中の軸のたわみによって傾きが発生することもあります。
このような傾きに対応する軸受として、自動調心玉軸受や自動調心ころ軸受があります。
自動調心軸受は、外輪の球面状の軌道面などによって、内輪と外輪の傾きをある程度許容できる構造です。
10. 潤滑油の粘度グレードとグリースのちょう度
軸受を長期間使用するには、潤滑剤の選定も重要です。
潤滑油のISO VG
ISO VGは、40℃における動粘度によって潤滑油を分類する規格です。
| 粘度グレード | 40℃の動粘度の代表値 |
|---|---|
| ISO VG 32 | 32 mm²/s |
| ISO VG 46 | 46 mm²/s |
| ISO VG 68 | 68 mm²/s |
| ISO VG 100 | 100 mm²/s |
| ISO VG 220 | 220 mm²/s |
数値が大きいほど粘度が高くなります。
例えば、出光興産の「ダフニースーパーマルチオイル32」「ダフニースーパーマルチオイル68」の数字も、粘度グレードを表しています。
同じ温度で比較すると、VG68の方がVG32より粘度が高くなります。
一般に、高粘度の油は厚い油膜を形成しやすい一方、摩擦抵抗や発熱が増える場合があります。
グリースのちょう度
グリースは、基油に増ちょう剤などを加えた半固体状の潤滑剤です。
硬さを表す指標として、NLGIちょう度番号が使われます。
| NLGI番号 | 硬さの目安 |
|---|---|
| 000 | 非常に流動的 |
| 00 | 流動的 |
| 0 | 非常に柔らかい |
| 1 | 柔らかい |
| 2 | 標準的 |
| 3 | 硬め |
| 4 | 硬い |
NLGI番号が大きいほどグリースは硬くなります。
ただし、測定される混和ちょう度の数値は、柔らかいほど大きくなります。
また、グリースのちょう度と基油粘度は別の指標です。
例えば、同じNLGI 2号でも、基油粘度が異なる製品があります。
軸受の潤滑剤を選定する際には、粘度やちょう度だけでなく、回転速度、荷重、温度、給脂方式などを考慮する必要があります。
11. 実務で感じていること：軸をつくる側と、交換する側から
ここまでは検定の学習としての整理ですが、私は普段、旋盤で軸を加工する側でもあり、機械の保全で軸受を交換する側でもあります。その立場から感じていることを書いておきます。
公差は「軸受を取り付ける箇所だけ」に指定してあるとつくりやすい
軸受に入れる軸のように、はめあいの精度を求められる軸をつくる場合、軸全体がその公差に収まるように指示されるよりも、軸受を取り付ける箇所だけに公差が指定してあるほうがつくりやすいです。
はめあいの公差は幅が数µm〜十数µmしかないことが多く、それを軸の全長で守ろうとすると、加工にも測定にも手間がかかります。軸受が入らない部分まで同じ精度にしても、機能の上ではあまり意味がありません。
7章で書いたとおり、はめあいは荷重の方向や回転条件によって選ぶものです。どの箇所にどのはめあいが必要なのかが図面で明確になっていると、加工する側も狙いがはっきりします。旋盤ではめあい公差を狙うときの工夫は、別の記事「旋盤ではめあい公差を出すために役立った実践テクニック ― センター支持とスプリングパス」にまとめています。
軸受は寸法がきちきちなので、取り付けにはコツがいる
軸受と軸、軸受とハウジングの間には、ほとんどすきまがありません。しまりばめの場合は、そもそも寸法の上では「そのままでは入らない」大きさになっています。そのため、軸受を取り付けるにはコツがいります。
一般的な注意点としては、内輪を軸にはめるときは内輪に、外輪をハウジングにはめるときは外輪に力をかけ、玉やころを通して力をかけないこと、傾けずにまっすぐ押し込むことなどが、軸受メーカーの資料でも挙げられています。
交換するときは、部品の数・向き・位置を確かめながら分解・組付けする
軸受を交換する際には、ほかの部品の数や向き、位置などをしっかり確認しながら分解・組付けを行う必要があります。
軸受のまわりには、間座、止め輪、ロックナット、座金、シールなど、小さな部品が集まっています。3章のとおり、アンギュラ玉軸受は向きを逆にすると組合せ（DB・DF・DT）そのものが変わりますし、8章の予圧は間座の寸法で決まっていることもあります。部品の数や向きを1つ間違えるだけで、荷重の受け方や予圧が設計と変わってしまいます。
12. 機械保全技能検定に向けた重要ポイント
今回の学習内容を整理すると、特に重要なのは次の点です。
- 深溝玉軸受はラジアル荷重と両方向のアキシアル荷重を受けられる。
- 単列アンギュラ玉軸受は基本的に一方向のアキシアル荷重を受ける。
- DB組合せはモーメント剛性が高い。
- DF組合せはDBより取付誤差に比較的対応しやすい。
- DT組合せは一方向の大きなアキシアル荷重に対応する。
- 固定側軸受は軸方向の位置決めを行う。
- 自由側軸受は熱膨張による軸方向の移動を許容する。
- NU形・N形円筒ころ軸受は自由側に適している。
- 予圧は軸受の剛性と回転精度を高めるが、過大な予圧は発熱や寿命低下につながる。
- ISO VGは潤滑油の粘度、NLGI番号はグリースの硬さを表す。
まとめ
今回の学習で特に理解が深まったのは、軸受は単に回転軸を支える部品ではなく、軸の位置決め、熱膨張への対応、剛性の確保など、機械全体の構造と密接に関係しているということです。
例えば、NU形円筒ころ軸受は、内輪と外輪をそれぞれ保持したまま軸方向の相対移動ができるため、自由側軸受として利用できます。
また、アンギュラ玉軸受のDB・DF・DT組合せも、単なる配置の違いではなく、荷重を受ける方向やモーメント剛性を考慮した設計になっています。
機械保全技能検定では、軸受の名称や特徴を暗記することも必要ですが、実際の機械構造と関連付けて理解すると、知識が定着しやすいと感じました。
軸をつくる側としては公差の指定のしかた、交換する側としては取り付けのコツや部品の向き・位置の確認が、どれも軸受の働きと結びついていることも、改めて整理できました。
今後、旋盤などの工作機械を点検・整備する際にも、今回学習した内容を役立てていきたいと思います。
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