ローラーベアリングとは
ローラーベアリングとは、ベアリング内部で転がりながら荷重を支える役目を果たす転動体に玉ではなく、円筒のコロを使用したベアリングです。
コロの直径が大きいものはローラーと呼び、直径が小さいものはニードルや針状コロなどと呼びます。転動体玉 (ボール) を使っているボールベアリングと比較すると、ローラーベアリングの方が一層大きい負荷を支持することが可能です。ローラーベアリングは使用用途に合わせて、様々な種類があります。
ローラーベアリングの使用用途
ローラーベアリングはボールベアリングに比べて大きな荷重を受け持つことができることから、自動車や産業用機械などに使われています。種類によって用途は異なります。
1. スラストニードルローラーベアリング
遊星歯車機構 (プラネタリギア) によって相対回転する部品同士の間には、軸方向の荷重を支えるためにスラストニードルローラーベアリングが使われています。
2. ニードルベアリング
競技用自転車のクランク軸にニードルベアリングが使われています。日常生活用の自転車のクランク軸にはボールベアリングが使われていますが、競技用自転車では小型・軽量化のために、ニードルベアリングとボールベアリングが使われています。
3. テーパーローラーベアリング
自動車のトランスミッションにテーパーローラーベアリングが使われています。前輪駆動用の自動変速機の最終減速軸には大きな歯車がついていますが、この歯車は通常はす歯歯車が使われています。はす歯歯車はそれぞれの歯が斜めになっていることによって歯車が噛み合う時の音や振動を低減できる代わりに、3方向の力が発生します。テーパーローラーベアリングの役割は、この3方向の力を支えることです。
また、多段のステップ式自動変速機やCVT (無段変速機) の前後進切り替え機構、一部副変速機には遊星歯車機構 (プラネタリギア) が使われています。遊星歯車機構のピニオンは針状コロ (ニードル) によって支えられています。通常ピニオンもはす歯ですが、ニードルが支えられるのは2方向の荷重だけです。 (噛み合い反力と接線力) 残るスラスト荷重はニードルでは支えられないので、ピニオンの端面に設けられたワッシャが支えます。
ローラーベアリングの原理
一般的に、ローラーベアリングの方がボールベアリングと比べて受けられる荷重が大きくなります。理由として、ローラーベアリングは転動体が円筒なので、接触する内外輪や軌道盤と線接触している点が挙げられます。
ボールベアリングは点接触であるため、ローラーベアリングの方が接触面積が大きいです。接触面積が大きくことによって、接触部で発生する応力 (ヘルツ応力) を小さくすることができます。
コロの形には円筒型や円錐型などがあり、この形状を変えるとベアリングが支えられる荷重の大きさも変化します。また、これにより、複数のベアリングを用いなくても、一つのベアリングで支えられる荷重が大きくなるため、軽量化や小型化によるコンパクトな仕様が実現可能です。
ローラーベアリングの種類
ローラーベアリングにはボールベアリングと同様に、ラジアル荷重 (回転軸に対して直角方向) とスラスト荷重 (回転軸と同じ方向) を支えるものに大別できます。コロが比較的大きいものはローラーベアリング、細いものはニードルベアリング 、 針状コロ軸受など呼びます。代表的な種類は以下の通りです。
1. ラジアルローラーベアリング
ラジアルローラーベアリングは、軸に対して直角にはたらくラジアル荷重の負荷を受けることができるベアリングです。コロではなく玉を用いたボールベアリングと比べて、より大きなラジアル荷重を支えられます。また、ローラーの形状を変えることで、その種類はさらに多岐にわたります。
2. ニードルローラーベアリング
ベアリングの内輪と外輪の間の転動体部分に、針状 (ニードル) のローラーを用いています。転動体を針のように細くすることによって、ローラーベアリングと比べて断面の高さが小さくなるため、機械の軽量化や小型化に貢献しています。ラジアルベアリングだけでなく、スラストベアリングもあり、自動車、電気機械など、様々な用途に使用されています。
3. テーパーローラーベアリング
テーパーローラーベアリングは、ラジアルローラーベアリングのローラーをテーパー形状にし、内外輪の軌道面も平面ではなく斜面になったベアリングです。ローラーがテーパー状で軌道面が斜面になることにより、大きなラジアル荷重と大きなスラスト荷重を同時に支えることができます。
主に、はす歯歯車によって発生する3方向の荷重を支えるのに適しています。ただし、スラスト荷重は1つの軸受で一方向の荷重しか支えられません。支えられる向きを逆にした2つのテーパーローラーベアリングを組み合わせて使うことが一般的です。
参考文献
https://koyo.jtekt.co.jp/2019/02/column01-04.html
https://www.ikont.co.jp/product/needle/tou14.html
https://www.ntn.co.jp/japan/products/catalog/pdf/2300.pdf