人に寿命があるのと同じように、機械にも寿命があります。人はいつ死ぬか分かりませんが、機械の寿命は計算で推定することが可能なんです。軸受の寿命は機械そのものの寿命を決める大切な要素です。しっかり理解しておきましょう。
本記事では、軸受の寿命計算について例題を交えな解説していきます。転がり軸受の寿命計算方法が知りたい人、また軸受の基礎を学び直したい人にオススメです。それでは、早速いきましょう！！
転がり軸受の寿命ってなんだ？
軸受は正しく使用していたとしても、時間の経過とともに少しずつ摩耗していきます。そして使用に耐えられなくなったとき寿命を迎えます。ただし、“昨日までは問題無く回っていたのにある日突然壊れる”という感じでは無く、徐々に変化が現れます。
広義の意味での軸受寿命では、軸受の転動面に疲労はくりが起きたら寿命となります。ただ、機械によっては、振動が増加した時点で NGであったり、回転精度が許容値外になった時点でNGであったりと、機械の用途や求める性能によって軸受寿命の定義は異なります。それぞれの機械毎に、独自の寿命基準を設けているものが多いです。その会社独自の基準なんてものもありますから、一口に寿命といってもその解釈は非常に幅広いんです。生き物の寿命とは少し感覚が違いますね。本記事では、広義の軸受寿命（軸受の転動面の疲労はくり）の話をしてきます。
軸受が寿命を迎えたらどうなるの？
軸受の軌道面、転動面でウロコ状の損傷が現れたら寿命となります。この現象をフレーキングと呼びます。軸受は負荷を受けて回転すると、転動面や軌道面に絶えず繰り返し荷重がかかることになり、使い続けていくと必ず疲労によりフレーキングに至ります。このフレーキングが発生するまでの時間が広義の意味での軸受の寿命です。非常に重要ですので、絶対の覚えておきましょう。
寿命の定義
軸受の寿命は“基本定格寿命（L10）”と定義されています。これは一群の同一名番軸受を同一条件で回転させたとき、そのうちの90%が転がり疲れによるフレーキングを起こすことなく回転できる回転総数のことです。小難しい定義ですが、簡単に言えば同じように軸受を使って10個中1個が壊れる時間を軸受の寿命としましょう、ということです。
寿命時間を迎えたからと言って必ず壊れるわけではなく、90%の軸受は問題無く回り続けます。ただ10%の軸受は壊れてしまうから、それを寿命と定義して設計ていきましょうということですね。
転がり軸受の寿命計算式
転がり軸受の寿命計算式は、下記の通りです。玉軸受とコロ軸受で式が異なります。
計算式
上記の式は、L10寿命が総回転数で表されています。何回転したら寿命を迎えるかということですが、これだと直感的にわかりにいくため時間に変換します。例えば「100万回転したら壊れます！」と言われても、でっていうって感じですからね。これが「10000時間（416日）で壊れます！」という報告であれば、色々と計画が立てやすいですよね。下記が、時間変換した一般的に使用される軸受の寿命計算式です。
基本動定格荷重
基本定格寿命が100万回転になるような、方向と大きさが変動しない荷重です。軸受のスペックを表す指標であり、各軸受ごとに軸受寸法表に記載されている数値です。基本動定格荷重が大きければ、負荷に対してより長い寿命を得ることができます。ラジアル軸受ではCr、スラスト軸受はCaと表されます。基本動定格荷重は軸受を選定する際、大切な指標となります。
軸受荷重(動等価荷重)
実際に軸受が受ける荷重です。軸受を使用する設計者が推定して決めます。単一方向の力が掛かり続けるのであれば、そのままその負荷が軸受荷重になります。しかし、実際の軸受はラジアル荷重とスラスト荷重の合成荷重を受ける場合が多いため、それらの合成力を一つの荷重に見立てて寿命計算に用います。具体的な使い方は寿命計算の実例で説明します。
寿命計算をしてみよう!!
実際に軸受の寿命計算をしてみましょう。今回計算に使用する軸受は、私がAmazonで購入したこの軸受とします。
※下記で行う計算はあくまでも単列玉軸受（6202）の計算です。軸受の種類やサイズが異なれば、計算方法や係数も変わりますので、あくまで計算の雰囲気を捉えるための参考として見てください。
まずは、この軸受の諸元を確認しましょう。軸受寸法表は各軸受メーカーのHPから閲覧・ダウンロードすることが可能です。
基本動定格荷重Cr =7650[N]
基本静定格荷重C0r =3750[N]
係数f0 =13.2
寿命計算では上記の諸元を使用します。では、実際に寿命を計算してみましょう。
単純な荷重の場合
非常にシンプルな運転条件ですね。基本動定格荷重Cr =7650[N] なので、軸受の寿命計算に必要な情報は全てそろっています。寿命計算式に代入して軸受の基本定格寿命を計算しましょう。
となります。この条件であれば、10％の軸受が3730時間でフレーキングを起こすということです。余談ですが、寿命計算は四捨五入せず切り捨てるのが基本です。寿命が短くなる方向に切り捨てたほうが設計的には安全側に余裕を見ることになります。
複数の荷重の場合
前項の条件に加えて、アキシャル荷重500Nが負荷されています。この場合、この二つの荷重を一つのラジアル荷重に置き換えて計算する必要があります。これを動等価荷重といいます。まずはこの動等価荷重を計算していきます。
動等価荷重の計算で、ラジアル荷重1000Nとアキシャル荷重500Nを合わせて、ラジアル荷重1285Nに置き換えることができました。あとはこの荷重を寿命計算式に代入して寿命を計算するだけです。
となります。アキシャル荷重500Nが加わることで、軸受寿命が半分以下になってしまいましたね。式を見てわかるようにラジアル荷重とアキシャル荷重の割合で動等価荷重の係数も変わってきます。係数の取り方は間違えないように注意する必要があります。
例題では、単純な2パターンの計算をしました。実際には時間で荷重が変化したり、回転数が変化したりと複雑な動きを想定して寿命計算をする場合がほとんどです。その場合は平均荷重を算出しなければならず、計算はより煩雑になってきます。ただ、考え方の根底にあるのは上記の寿命計算式のため、まずはこの単純な計算をしっかり理解することが重要です。
まとめ
本記事の内容を復習しましょう。
・軸受の寿命とは、フレーキングが発生するまでの時間
・基本定格寿命（L10）は、同軸受を同条件で運転させ90%がフレーキングを起こさない総回転数
・軸受の寿命は一般的に“時間“で表す
・基本動定格荷重は、基本定格寿命が100万回転になるような、方向と大きさが変動しない荷重
軸受の寿命計算式自体は古くからJISで定義されているものです。物理の式ではなく経験値的な式のため、“この式で計算するとなんか現実の寿命と一致するねー”という感じで決まっています。なので、計算精度を高めるために、式自体が更新されることもあります。
使用環境や潤滑状態によって、軸受の実寿命は計算寿命と大きくズレてしまうことが問題視されていました。それらの要因を考慮した寿命計算式として、2013年には修正定格寿命Lnmなども規格化されました。このように経験式は日々、ブラッシュアップされていきます。
数字を入力すれば自動で寿命計算を行ってくれるツールはいくらでもありますが、その中ではこういった計算が行われていることをしっかりと理解しておかなければなりません。それは設計者を目指す学生であっても、現役設計者であっても同じことです。機械設計とは、機械の壊れ方まで設計するのです。自分の設計した機械が何時、どのように壊れるのかを原理原則から推定できていなければ、それは設計したとは言えません。これは私が恩師から言われた言葉でもありますので、皆様にも是非心に留めておいていただきたいです。
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