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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等


軸と軸受

軸とは?

 

軸は動力の伝達、回転体を支えるためのもので、電動機の主軸のような回転力を伝える「回転軸」と電車、自動車など、回転する車輪を支える「固定軸」があります。車の左右の車輪をつなぐ車軸などがあります。

 

軸に接続される機械要素

 

軸は通常軸受とセットで利用されます。軸には、スプロケット、歯車などが接続されます。軸とスプロケットなどの回転体の固定は「キー」などが使われます。軸にはこれらの部品が組み付くため、一般的に段付き形状になります。

 

 

軸の種類

 

・伝動軸
 軸は回転運動により、ねじりの力を受けることになります。
 タービン軸、モーター軸、船の推進軸、送風機の軸などに使われています。

 

 

・車軸
 自動車、自動二輪、バイクなど、車両の車輪に付けるための軸であり車体を支えます。
 主に垂直荷重による曲げの力を受けます。
 車輪を駆動する際には、ねじりの力も受けます。

 

 

・クランク軸
 クランクシャフト、曲軸とも呼ばれています。
 ピストンの往復運動を主軸の回転運動に変換するために用いられる軸。
 主な用途としては、空気圧縮機、自動車、船のエンジンがあります。

 

 

・たわみ軸
 方向を自由に変えながら回転する軸。
 細いピアノ線をより合わせて柔軟に曲がる屈曲性を持たせているため、
 ねじり剛性は強いのですが、曲げに対する耐性が弱いのが、デメリットです。
 単純に回転を伝達する場合や小さな動力を伝達する場合に適しています。
 主な用途としては速度計、距離計などに使われています。
 ※剛性とは、ねじりや曲げの力に対して変化し難さの度合いのこと。

 

 

・スプライン軸
 軸のまわりに山とみぞを等間隔に削り、ボス側に嵌る形が成形してあります。
 他の軸に比べると非常に高いトルクを伝達することができます。
 トランスミッションとプロペラシャフトの結合など飛行機、工作機械に使われています。

 

 

・スピンドル
 旋盤に使われる伝動軸の一種で、回転しながら旋削や研削の作業を行います。
 高い精度と剛性が求められます。
 旋盤、ボール盤、フライス盤がこれにあたります。

 

 

軸受とは?

 

軸受は機械要素の一つで軸の回転や往復運動を受け、軸の作用をスムーズして、支えます。軸受があれば摩擦や摩耗を軽減することができます。逆に軸受の品質が低いと、機械の故障につながるため、重要な機械部品の一つとされます。英語で「bearing」ですので、設計現場では「ベアリング」という言葉が良く使われています。

 

軸受の種類

 

軸受には、「すべり軸受」と「ころがり軸受」の2種類があります。

 

すべり軸受

 

 

すべり軸受は、軸と軸受の面が直接接触します。高速、衝撃荷重に対して強いといわれています。すべり軸受は自動車、船舶、機械などのエンジンに使用されています。

 

回転を支えているものは、油膜です。油膜とは、薄く広がった油の膜です。油の温度が上がったり、荷重が大きかったりすると油膜が薄くなり、金属による接触を起こし、焼き付けを起こすこともあります。

 

その他の特徴は次の通りです。

  • 許容される荷重が大きく、振動や騒音が少なく、静かな運転が可能。
  • 潤滑状態やメンテナンスをしっかり行うことで、寿命は半永久的に使用することができる。

 

 

ころがり軸受

 

 

ころがり軸受には、玉やころ(丸棒)が備え付けられており、摩擦抵抗を少なくしています。

 

その他の特徴は次の通りです。

  • 起動摩擦が低い。
  • すべり軸受にくらべても摩擦が少ない。
  • 寸法や精度が標準化されているため、簡単に入手することができる。

 

 

2つの軸受の比較
 

すべり軸受

ころがり軸受

摩擦 摩擦が大きくなりやすい 摩擦は小さい
振動・騒音 音は静か 音が大きい
寿命 摩耗する 転動体が疲労する
潤滑 潤滑装置が必要 油が必要
互換性・保守性 互換性無し 規格無し 互換性有り、規格化
周速度・回転数 速くすることができる 回転数に制限あり

 

 

 

流体潤滑の基礎

 

流体潤滑とは、流体膜によって2つが完全に分離している潤滑状態のことをいいます。すべり軸では、軸受と軸のすきまの中にある流体に発生する圧力が、軸受にかかる荷重を支えています。これを流体油膜圧力といいます。

 

※潤滑は動きをなめらかにすることで、摩耗、摩擦を軽減することができます。長時間使用する場合には、潤滑油の供給が必要になります。

 

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