ボールベアリングの代わりに何を使用できますか?負荷、速度、コストで比較した9つの代替品

昨シーズン、折りたたみショッピングカート用のホイールを調達するプロダクトエンジニアが、片手に没収された608ベアリング、もう一方の手に磨耗したナイロンブッシュを持って当社にやって来ました。彼女の質問はカタログとは何の関係もありませんでした。ボール ベアリングの代わりに何を使用できますか?鋼鉄のサンプルは海岸沿いの湿気の多い夏の間に錆び、プラスチックのサンプルはテスト後 3 週間以内に楕円形に磨耗してしまい、彼女は仕様ではなく技術を放棄する用意ができていました。

直接的な答えは、プレーン スリーブ ブッシュ、含油焼結スリーブ、ニードル ベアリングやその他のローラー ベアリング、PTFE やその他のポリマー インサート、そしてコストと複雑さの果てにある流体膜サポート、空気サポート、磁気サポート、およびたわみサポートのすべてが、ボール ベアリングの真の代替品となります。軽いワークショップでの組み立ての場合は、多くの場合、単純な低摩擦ワッシャーで十分です。

このガイドでは、負荷、速度、摩擦、単位コストなど、選択を決定する数値を使用して実証済みの代替品をすべて説明し、ボールベアリング ファミリ内のバリエーションの変更がより賢明な代替品であることを認識する方法を示します。この比較は、理論だけからではなく、ミニチュアおよび小口径ベアリングの日々の生産から得られます。

エンジニアとバイヤーがボールベアリングの代替品を探す理由

代替検索はほとんどの場合、6 つの失敗のうちの 1 つから始まります。まず自分のものを特定することで、この分野で最も高価な間違いを防ぐことができます。つまり、錆の問題で転がり軸受を滑り軸受に交換し、その後、新しいブッシュが元のブッシュが扱う速度に簡単に耐えられないことが判明するということです。

各ドライバーは異なる代替選手を指しています。騒音があなたをポリマーに向かわせます。負荷がかかるとローラーに向かって押し込まれます。腐食により、ステンレス鋼に向かうか、あるいは誤ってプラスチックに向かうことになります。 6 つの理由が 6 つの方向に導くため、「代わりに何を使用できるか」という質問には単一の答えはありません。それには決定パスがあります。この記事の残りの部分はそのパスです。

現実的な代替品の概要

以下の表は、フォーラムのスレッドだけでなく、実際の運用環境でも使用できる代替手段をまとめたものです。制限の列を真剣に扱ってください。置換の失敗のほとんどは、制限が無視され、強度を考慮して代替が選択されたために発生します。

方向性については、ボール ベアリングがデフォルトになったほど優れた機能を覚えておいてください。転がり摩擦は約 0.0015、ラジアル荷重とアキシアル荷重は 1 つの標準化された部品で許容され、世界中で寸法互換性があり、ボール タイプの L10 は数百万回転の 3 乗に等しい (C/P) という定格寿命の計算式です。これにより、プロトタイプを作成する前に寿命を予測できます。代替品は、他の軸が崩れることなく、少なくとも 1 つの軸でボール ベアリングを打ち負かさなければなりません。

スリーブベアリング: ブッシングがボールベアリングを叩くとき

スリーブ ベアリングは、存在する最も単純な回転サポートです。シャフトは、オイルまたは低摩擦ポリマーの膜によってのみ分離されたボア内で直接回転します。ボアには、オイルに浸した焼結青銅、機械加工された真鍮、鋳鉄、または最近では一般的になっている成形アセタール (POM) やナイロンなどが使用されます。ボール、ケージ、シールがないため、この部品は成形や焼結が数百万単位で安価で、音も静かで、軌道をへこませるような衝撃荷重に対してほとんど影響を受けません。

ブッシングのサイズは、PV 値 (N/mm² 単位の軸受圧力と m/s 単位の表面速度を掛けたもの) によって決まります。一般的な含油焼結青銅は、約 1.7 N/mm²・m/s の PV に対応します。空運転のアセタールは管理が桁違いに少なくなります。充填 PTFE コンパウンドは、充填剤の含有量によって大きく異なります。限界を超えると摩擦熱によりポリマーの軟化や油膜の炭化が起こり、摩耗は非線形に加速します。実際の例: 500 rpm での 8 mm シャフトの表面速度は約 0.21 m/s です。長さ 10 mm の焼結青銅ブッシュの投影面積は 80 mm² なので、2 N/mm² で PV 0.42 で約 160 N に耐えることになります。これは制限内に十分収まります。同じシャフトを 5,000 rpm で使用すると、表面速度が 2.1 m/s に上昇し、PV は実用的な上限を超えます。これがまさに、ブッシングがプロトタイプでは良好に感じられ、生産では良好に動作する理由です。

ブッシュの品質は、それが使用されるシャフトと同じくらい重要です。 Ra 0.2 ～ 0.8 μm 程度の表面仕上げ、長寿命を実現するために約 40 HRC 以上の硬度、およびシャフト直径の 0.2 ～ 0.5% 近くの直径ランニング クリアランス (8 mm ピンで約 0.02 ～ 0.05 mm) の研削シャフトを計画します。規格外のシャフトは、まずボアを研磨し、次に摩耗し、次に焼き付きます。

• 表面速度が約 1 m/s 以下の場合にブッシュを選択してください。
• ヒンジ、サスペンション ピボット、クランプ ポイントなど、負荷が静的またはゆっくりと振動する場合に選択してください。
• 走行精度よりも低速での静粛性が重要な場合に選択してください。
• 大量生産時の単価が決定を左右する場合に選択してください。
• ベアリングのグリースが軌道面にゴミを付着させるような汚れた環境に使用してください。
• 薄肉ボールベアリングでも許容できないラジアルスペースが厳しい場合に選択してください。

連続的な高速（熱）、精密な位置決め（ホイールでのランニングクリアランスの傾斜が目に見える）、ラジアルとアキシアルの複合荷重（プレーンスリーブには別個のスラストワッシャーが必要）など、ブッシュがどこで失われるかを把握します。境界潤滑スリーブの始動摩擦は走行摩擦の 2 ～ 5 倍に達する可能性があり、これは断続的に始動する装置では重要です。

ローラーベアリング：高荷重の代替品

ボールベアリングを使用しない理由が負荷である場合、適切な代替品は通常、滑りベアリングではなく、別の転がりベアリングです。ローラーは点ではなく線に沿って軌道に接触するため、同じエンベロープ内の同じ鋼材は劇的に多くの荷重を伝達します。通常、同じボアのボールベアリングの動的定格の 3 ～ 5 倍です。

ニードルベアリング

HK シリーズなどのシェル形ニードルベアリングは、同等のボールベアリングと同じハウジングボアに適合し、ラジアル容量を倍増します。 HK0808 — 内径 8 mm、外径 12 mm、幅 8 mm — の動的定格は、608 ボール ベアリングの約 3.3 kN に対して約 5 ～ 6 kN です。トレードオフ: 軸方向のガイドがほとんどないこと、シャフトの位置ずれに対する許容範囲がほとんどないこと、硬化および研削されたシャフトまたは硬化内輪の要件、および形状を保持するために正確なハウジング壁を必要とする薄い絞り加工の外側カップ。アイドラプーリー、ロッカーアーム、ピボットピン、ポンプシャフトなど、負荷が大きくなってエンベロープでは収まらない場所にはニードルを使用します。

円筒ころ軸受および円すいころ軸受

荷重がボール ベアリングの耐荷重を超えると、円筒ころが最高のラジアル容量と剛性をもたらし、円すいころはラジアル荷重とアキシアル荷重の組み合わせを 1 つのアセンブリで受け入れることができるため、ホイール ハブや重いコンベヤー プーリーに円筒ころが使用されます。コストは現実のものです。騒音の増加、ハウジングとショルダーの寸法の大型化と精密化、ロックナットによる取り付けの精度の高さ、円筒形の位置ずれに対する許容度の低さなどです。一般的なプロのパターンは、1 つのベアリング タイプにすべてを強制するのではなく、作業を分割することです (重いラジアル コンポーネント用の円筒ローラーと別のスラスト配置)。

ポリマーソリューション: PTFE、ナイロン、アセタール

ポリマーの代替は 3 つのレベルで行われます。ワークショップでの製造用のワッシャーとパッド、量産製品用の成型ブッシュ、およびボール ベアリング コアとプラスチック製走行面を組み合わせたポリマートレッド ローラーです。以下のグラフは、最初の 2 つのレベルが他のすべてのものと摩擦を交換する理由を示しています。

PTFEワッシャーとパッド

低速で負荷が軽いビルド (ヒンジ付きの蓋、レイジー スーザン、カメラ マウント) の場合、2 つの硬い表面の間にある PTFE ワッシャーが、存在する最も安価な回転サポートです。腐食せず、音も静かで、スムーズな調整に重要なスティックスリップにも耐性があります。その限界は、持続負荷下でのクリープ、研磨粉塵による急速な摩耗、およびゼロの位置精度です。設計者は、PTFE シートを研磨または硬質クロムメッキの対向面と組み合わせたり、コールドフローに耐えるガラスまたはブロンズ充填 PTFE グレードを選択したりすることで、その寿命を延ばします。

ナイロンおよびアセタールブッシュ

成形ナイロンおよび POM ブッシュは、おもちゃ、家具のピボット、小型家電製品のドアなど、ボール ベアリングが過剰に感じられるほとんどの消費者製品で使用されています。音も静かで錆びず、大量に出すと数ペニーの費用がかかります。 3 つのプロパティを確認します。まず、湿気です。ナイロンは飽和時の重量の数パーセントの水を吸収し、乾燥すると適切なクリアランスを締め付けるほど膨張します。そのため、ナイロンを濡れた状態で使用しないようにするか、十分なクリアランスを設計してください。アセタールはほとんど何も吸収しないため、ウェットタイプの方が安全です。第二に、クリープ: 室温で持続的な圧縮荷重がかかると、両方のポリマーが流動し、隙間がゆっくりと閉じます。第三に、温度: 強度は 80 ～ 100°C に近づくと急激に低下するため、低温のラインで動作するブッシングは、加熱されたエンクロージャ内で故障する可能性があります。どちらにも食品接触グレードが存在し、これが食品機器の金属に代わってポリマーブッシュが使用される理由の 1 つです。

3 番目のポリマー レベルはコーティングされたローラーです。ボール ベアリングのコアの上にポリウレタンまたは柔らかいプラスチックのトレッドが接着されています。このハイブリッドはベアリングの摩擦を 0.0015 に保ち、トレッドが振動を吸収し、接触を静かにし、床とレールを保護し、軌道を飛沫から保護します。これは、スケート靴、カートの車輪、ベビーカー、コンベア ラインにおける標準的な答えであり、次のセクションで開発される「代替ベアリング」と「アップグレードされたベアリング」の間の橋渡しとなります。

流体、空気、磁気、および曲げサポート

転動体自体が制限となるボール ベアリングに代わる 4 つの非接触技術。それぞれの製品にはインフラストラクチャが組み込まれているため、これらが日常の製品に使用されることはまれですが、それらがいつ適用されるかを知ることは、推測することと特定することの違いを示します。

流体膜（流体力学）ジャーナルベアリング

すべての自動車のクランクシャフトはボールではなく流体膜上で回転します。高速走行時には、加圧オイルのくさびがシャフトとベアリングを完全に分離するため、金属が接触することはなく、疲労寿命は理論上無制限です。要件は、連続回転、濾過されたオイル、慎重に設計されたクリアランスと溝、および始動と停止のたびに許容される摩耗です。およそ数百 rpm 以下では、膜は形成されません。これは、小型の機構ではなく、大型の連続稼働マシンの代替品です。

エアベアリング

ミクロンレベルの隙間に保持された加圧空気は、摩擦や摩耗粒子をほとんど発生させずにローターをサポートします。歯科用ハンドピースはエアベアリング上で 300,000 rpm を超えます。精密研削スピンドルと計測ステージは、ナノメートルレベルの振れをこれらに依存しています。コストは、清浄で乾燥したろ過された空気の供給、供給圧力によって制限される負荷容量、そしてどの転がり軸受よりもはるかに高い価格です。速度や精度を重視する場合のみエアーをご指定ください。

磁気軸受

アクティブ電磁石は、非接触、無潤滑、汚染なしでローターを浮遊させます。これが、ターボ分子真空ポンプやエネルギー貯蔵フライホイールがアクティブ電磁石を使用する理由です。この依存関係が落とし穴です。制御電子機器、センサー、電力損失に備えたバックアップ着陸ベアリングです。通常のマシンの場合、磁気サポートはコストが桁違いに跳ね上がり、ほとんどの製品には存在しない問題を解決します。

たわみと準拠したピボット

フレクシャは、回転する代わりに曲がるモノリシック スプリング要素です。摩擦、バックラッシュ、スティクション、粒子、潤滑剤はまったくありません。制約は移動量です。フレクシャは小さな傾斜角を許容しますが、連続回転は許容しません。負荷はバネ応力によって制限されます。精密天秤、光学スキャナミラー、半導体ステージ、および転動体を物理的に取り付けることができないマイクロスケールロボットはすべて、たわみの上に存在します。小型ロボットでは、ボールやレースが大きすぎてパッケージ化できないため、コンプライアントな転がり接触ジョイントが自然なジョイント動作を再現します。

代替する前に: 修正内容を実際の障害に合わせてください

さて、答えの残り半分です。代替質問の背後にある問い合わせを確認すると、腐食、騒音、負荷、フィット感という圧倒的な大部分を 4 つのドライバーがカバーしています。それぞれの場合において、出口は 2 つあります。ボールベアリングファミリーを離れるか、ベアリングを変更してドライバーが消えるかです。 2 番目の出口は通常、より安価で、検証が速く、リスクが低くなります。

Rust が検索を開始した場合

屋外でシーズンを過ごした後にクロム鋼ベアリングが固着しても、ボールベアリングが環境に対応できないことを証明するものではありません。それは間違った材料が指定されたことを証明します。ステンレス製のバリエーションは、同一の 608 シリーズのエンベロープを維持しながら、負荷経路全体を耐食性スチールに変更し、ゴム製接触シールがボールに湿気が溜まるのではなく、レースウェイから湿気を遮断します。

材質のグレードは、ステンレスにするかの決定と同じくらい重要です。マルテンサイト 440C は、優れた軸受鋼と同じ硬度クラスまで硬化するため、全定格荷重を維持します。オーステナイト 304 は耐薬品性に​​優れていますが、硬化できないため、耐荷重に限界があります。塩水噴霧や希酸の場合は、デフォルトで 304 を選択する前に AISI 440C ステンレス鋼ベアリングのオプションを確認し、リングだけでなくシールの材質を化学的性質に合わせてください。

騒音が苦情の場合

回転するホイールの騒音の発生源は 3 つあります。ベアリング内部の軌道仕上げ、組み立て前に混入した汚れ、ハウジングに振動を伝える硬いトレッドです。ポリマートレッドは第 3 の発生源を直接攻撃します。エラストマー層は道路やレールを構造物から切り離します。そのため、ポリウレタンでコーティングされたホイールがカート、ベビーカー、スケートの音響特性を変えました。

床面ではなく機械内部で騒音を消す必要がある場合、正しい解決策は、技術の変更ではなく、低振動向けにベアリングを選択し、グレード付けすることです。制御された軌道仕上げと保持器設計を備えた密閉型低騒音深溝ベアリングは、まさにこの仕様向けに存在します。

負荷が定格を超えた場合

軌道面の剥離は、加えられた荷重が動的定格を超えていることを意味しており、正直な解決策は、ボアを大きくするか、ローラー ベアリングを使用するか、同じボア内にボールを追加することです。列を 2 倍にすると、コンパクトなエンベロープ内で容量が増加し、単一列を転倒させるモーメント荷重にも耐えられます。

複列ボールベアリングとニードルベアリングのどちらを選択するかは、スペースとガイドによって決定します。ミリメートルあたりの純粋なラジアル容量ではニードルが優先され、要件にある程度のアキシアル荷重と自己誘導が残る場合は複列が優先されます。

フィット感が問題の場合

多くの場合、誰かが「別の種類のベアリング」を求める本当の理由は、カタログ寸法が適合しないことです。プーリーを取り付けるために内輪が張り出さなければならない、幅が標準外である、ホイールがプラスチックのハウジングにスナップするには一体型のフランジが必要である、またはシャフトが古い設計から受け継いだ奇数の直径であるなどです。拡張された内輪、特別な幅、統合されたフランジ、およびカスタムボアはすべて、社内研削を行うメーカーの日常的な生産です。決して正しい答えではなかったブッシング周りのアセンブリを再設計する前に、当社のカスタマイズされた非標準精密ベアリング機能をご覧ください。フランジシリーズベアリングは、取り付け側から同じ問題を解決し、ピローブロックスタイルの取り付けでは必要となる別個のハウジングを削除します。

実用的な選択チェックリスト

回転サポートの決定は、このシーケンスを順番に実行してください。候補者を失格にする最初の行により、プロトタイピングのコストが節約されます。

1. ニュートン単位のラジアル荷重、アキシアル荷重、およびそれらに伴う衝撃や振動の有無を記録します。
2. 動作速度 (rpm) とデューティ サイクル (連続、断続、または振動) を記録します。
3. 環境を記録します: 湿度、洗浄、化学物質、ほこり、極端な温度。
4. 寿命目標を時間単位で設定し、ローリング オプションの L10 定格寿命に換算します。
5. 騒音制限とサポートが許容しなければならない取り付け公差を設定します。
6. シャフトの直径、ハウジングのボア、および利用可能な幅の範囲を決定します。これらはどのパンフレットよりも早くシリーズを決定します。
7. 年間の量と単価の上限を見積もります。一定の量を下回ると、珍しい代替品の追加エンジニアリングは決して報われません。
8. ここで候補を比較します。低速とコストのプレッシャーによりスリーブが有利になります。ラジアル荷重が大きい場合は、ニードルまたは二列ボールが有利です。腐食はステンレスに有利です。騒音はポリマートレッドまたは段階的低騒音ベアリングに有利です。不可能なエンベロープではカスタム ディメンションが優先されます。

このシーケンスが存在するのは、置換が予測可能なパターンで失敗するためです。つまり、1 つの属性で選択され、別の属性で強制終了されます。 8 つのラインすべてに対して同時に行われた決定は、生産との接触を維持します。

ボールベアリングの交換に関するよくある質問

ベアリングの代わりにシャフトをプラスチックの穴に直接通すことはできますか?

はい、低速かつ中程度の負荷の場合に可能です。穴をリーマー加工してクリアランスを制御し、湿潤状態では非充填ナイロンよりもアセタールまたは PTFE 充填グレードを優先し、膨潤と摩耗を考慮して小さなシャフトに直径約 0.03 ～ 0.05 mm のクリアランスを追加します。製品の耐用年数とともにクリアランスが増加することが予想されます。おもちゃやゆっくりとした蓋の場合は許容されますが、調整が必要なものは許容されません。

大音量で静かな代替品として最も安価なものは何ですか?

油含浸焼結青銅スリーブ。自己潤滑性があり、静かに動作し、コストが非常に低く、ボール軌道をブリネルするような衝撃を吸収します。その上限は PV 値です。平均ではなく最高連続速度で確認し、図面ではシャフトの仕上げ仕様を主張してください。

PTFE ワッシャーは本当に DIY でベアリングの代わりになるのでしょうか?

低速、軽量、低精度の回転の場合は、そうです。滑らかな硬い表面に対する PTFE ワッシャーは正当な解決策であり、錆びることはありません。持続的な負荷がかかるものについては、コールドフローに耐えるために充填 PTFE グレードを選択するか、磨耗を分散するために研磨スチール スラスト ワッシャーを追加してください。ランニングクリアランスの再現性は期待できません。

ニードルローラーベアリングはボールベアリングのドロップインスワップですか?

ラジアル容量、そして多くの場合、エンベロープに関しては、はい、ドローカップニードルは同じハウジングボアに適合し、ボール定格を大幅に上回ります。他のすべてについてはノーです。最小の軸方向ガイド、低い位置ずれ許容値、硬化した研磨シャフト、および薄い絞りカップの場合は外輪として機能するのに十分な硬さのハウジング壁を計画します。

プラスチック製ブッシュは屋外や水中でも大丈夫ですか?

アセタールと PTFE は水、洗剤、耐候性に優れています。ナイロンは湿気を吸収して膨張するため、ウェットサービスでは十分な隙間を設けるか、別のポリマーを使用する必要があります。多くの未充填プラスチックは太陽光により長年にわたって劣化するため、屋外設計では UV 安定化グレードを指定する必要があります。それらはどれも腐食しないので、これが湿ったニッチに選ばれる主な理由です。

どの選択肢が最も静かですか?

ポリマーブッシュまたはポリウレタントレッドホイールは、低速では効果的に静かです。シールされたハウジング内では、きれいなアセンブリを備えた低騒音の傾斜深溝玉軸受が通常、ブッシングを打ち負かします。これは、摩耗によってクリアランスが開くと、ブッシングのきしむ音が戻ってくるためです。選択する前に騒音源を追跡します。トレッド騒音、ベアリング騒音、クリアランス騒音にはそれぞれ異なる修正方法があります。

ボールベアリングを残さずに錆びたアプリケーションを解決できますか?

ほとんどの場合、そうです。そしてそれが工学的により良い答えです。接触シールと互換性のあるグリースを備えた、化学的性質に適合したステンレス ベアリングを指定すると、アプリケーションは腐食要因がなくなると同時に回転効率と精度を維持します。プラスチック製ブッシングは、湿った環境と低速および低精度の要求が組み合わされる場合のために取っておいてください。

空気軸受や磁気軸受は通常の機械に実用的ですか?

めったに。どちらも、製品の核となる価値が超高速、超高精度、または完全に粒子のない環境でない限り、その利点を上回るサポート インフラストラクチャ (ろ過された圧縮空気、制御電子機器、センサー、バックアップ着陸システム) を必要とします。歯科用ハンドピース、真空ポンプ、計測機器はそれらを正当化します。カート、家電製品、モーターには違います。

特定のシャフトを念頭に置いていますか?労働条件を送信する

この記事のすべての比較は、入力の短いリストにまとめられます。実際の運用データに対して代替品をレビューしてもらうには、以下の条件を送信すると、何が最初に失敗するか、どのマージンで失敗するかなどのトレードオフを書面で示した推奨事項が返されます。

• ニュートン単位のラジアル荷重とアキシアル荷重、および衝撃または振動プロファイル。
• rpm 単位の動作速度とデューティ サイクル。
• 環境: 湿気、化学薬品、洗浄液、粉塵、温度範囲。
• シャフトの直径、ハウジングの穴、および使用可能な幅と公差。
• 時間単位の目標寿命と騒音制限。
• 年間ボリュームと単価の上限。

生産は寧波にある ISO 9001:2015 認定の製造子会社を通じて行われ、年間生産能力は 3,000 万セットで、クロム鋼および炭素鋼の深溝ベアリング、304 および 440C グレードの S シリーズ ステンレスベアリング、ポリウレタン コーティングおよびプラスチック コーティングされたローラー、フランジ シ​​リーズ、顧客の図面に基づいて研削された非標準形状などがあります。 OEM および ODM プロジェクトは、上記のリスト (負荷、速度、環境、エンベロープ) から始まり、量をコミットする前にサンプルで検証されます。正直な答えが、ブッシング、ニードルローラー、または再設計されたサポートが現在使用しているベアリングよりも優れているという場合、あなたもそれを聞くでしょう。目標は、任務を適切にサポートすることであり、たまたま在庫がある部品ではありません。