積み上げ公差の計算方法

積み上げ公差とは何か、なぜそれが問題なのか、そしてそれに対して何ができるのか

 

公差の積み重ねは、すべてのベアリングアセンブリで対処する必要があるものです。その計算は、お客様のアセンブリを意図したとおりに動作させるために、どのような公差補正を行うべきかを評価するための出発点です。以下のアドバイスは、問題点の簡単な説明、計算方法、そして最も重要なことですが、お客様のシステムを最適化するために、結果として何ができるかを含んでいます。

 

積み上げ公差

アセンブリ用の部品を注文する際、必要な寸法を指示することになります。実際には、ほとんどの製造工程では、ロット内の部品がそれぞれ厳密に同じ寸法であることを保証することはできません。そこで、寸法にどの程度のばらつきが許容されるかを示すのが製造公差です。例えば、回転軸受のシャフトを例にとると、シャフト直径の許容差として上限と下限が設定されています。

このシャフトをハウジングのボア（穴）に挿入するアセンブリを考えてみましょう。シャフトの直径が大きすぎると、ボアに入りません。逆に小さすぎると隙間ができてガタつきます。このような極端なことは避けなければなりません。

しかし、ハウジングにも製造公差があるため、ボア内径も変化します。最大サイズと最小サイズの組み合わせでも、シャフトとボアがきつすぎず、ゆるすぎないようにしなければいけません。つまり、最も太いシャフトと最も小さいボア内径、あるいは最も細いシャフトと最も大きいボア内径が組み合わさったときを想定します。

次に、シャフトと穴の間にある滑り軸受(ブッシュ)です。ベアリングの厚みにも製造公差があります。シャフトの最大径、軸受材の最大厚み、ボア内径の最小径の組み合わせで、最もきつくフィットします。最も緩いはめ合いは、最小シャフト径、最小軸受材料厚さ、最大ボア内径の組み合わせから得られます。これらの状況を図1にまとめました。

このような個々の許容寸法の組み合わせは、積み上げ公差と呼ばれるものです。この公差を計算し、理解することが、部品を適合させ、用途に適した方法で相互作用させるために必要になります。

 

どのようなはめ合いが必要か

重要なのは、アセンブリの部品間の適切なはめ合いを設定ことです。ベアリングアセンブリでは、このはめ合いによって、動作に必要なトルクの量が大きく左右されます。

ベアリングのはめ合いには、圧入と呼ばれる「締りばめ」があります。この場合、シャフトの直径はボアの内径より少なくともわずかに大きくなります。用途によっては、相手部品がしっかりと固定され、相対的な動きができないような大きな締め代が必要な場合があります。また、締め代が小さくて動くものもあります。締め代が大きければ大きいほど、移動に必要なトルクは大きくなります。

対して緩いはめ合いでは、隙間ばめがあります。この場合、シャフトとボアの間に少なくともわずかな隙間があります。

また、その中間の中間ばめと呼ばれるものがあります。この場合、多少の隙間はあっても、ガタが出るほどの自由な遊びはありません。あるいは、若干の締まりはあっても、過大なトルクを発生させるほどではありません。

図2、図3、図4は、この3種類のはめ合いについて説明したもので、赤色で示されているものが滑り軸受です。

 

 

 

積み上げ公差の計算

図5に示すように、ベアリングアセンブリの公差の積み上げを計算するには、2つの非常に単純で簡単な方程式を用います。

 

 

公差補正・吸収

積み上げを計算したら、それで何がわかるのでしょうか？サンゴバンのエンジニアは、専門的な知識と経験を駆使して、そのデータをアセンブリの構造や用途に照らして評価することができます。その評価によって、どの程度の締め代や隙間が必要になるかを判断します。また、計算プログラムを用いて、どのような軸受材料、構造、形状の組み合わせが最も適しているかを確認します。

特定のトルク範囲など、ベアリングアセンブリから一定レベルの性能を得るためには、個々の部品の厳しい公差の積み重ねが必要になることがあります。これを達成する一つの方法は、より精密な部品の製造を指定することですが、これはその費用に大きく加算されます。もう一つは、サンゴバンのノルグライド・ベアリング、レンコール・トレランスリング、スプリングライド・スプリングエナジャイズドベアリングの公差吸収機能を利用する方法です。

この3つの製品群は、さまざまな用途の課題に対応するために開発されました。公差を吸収するだけでなく、アセンブリのミスアライメントも吸収することで低トルク化、トルク安定化を実現し、システムをより簡単に、コスト効率よく製造することができます。

 

ノルグライド・ベアリング

ノルグライド滑り軸受は、自己潤滑性を持つ低摩擦のPTFE（フッ素樹脂）層で設計されており、スムーズな動きを保証します。この摺動層と金属層やフィラーを組み合わせることで、さまざまな用途に適したノルグライドの材料が生まれます。

公差吸収に関連するノルグライドの重要な特性は、その寸法安定性です。オーバーサイズのピンを押し込むサイジング加工により、ボアの径公差を加味したうえで、ベアリングのラジアル方向の厚みを調整することができます。それぞれの用途に応じて、寸法精度、耐荷重性、その他の要素を適切にバランスさせた特定のノルグライド材料を選択することができます。

PTFEの厚みと粘弾性に適切なサイジングを組み合わせることで、製造上の公差を補正することができます。サイジングは、特定のトルクを発生させるために精密に計算することもできます。ベアリングの内径に対してシャフトの外径が大きくなるほど、より高いトルクが得られます。

ノルグライド・ベアリングは、自動車用サイドドアヒンジ、ベルトテンショナー、シート高さ調整機構など、さまざまな用途に使用されています。

 

レンコール・トレランスリング

レンコール・トレランスリングは、基本的にシャフトとハウジングの穴のような円筒形の相手部品を接合するための部品です。その形状は、バネの役割をする波やその他突起形状を備えています。この突起は、組み立ての際に圧縮され、部品同士を固定する力を生み出します。

トレランスリングの形状を工夫することで、さまざまな力、つまりさまざまなレベルのトルクを発生させることができます。用途としては、通常は動くことが想定されない静的で高トルクの構造物から、比較的自由に動く低トルクのシステムまで多岐にわたります。

例えば、ベアリングやモーターの固定、部品の回転位置の調整、各種ユニットのトルクリミッターなどに使用されます。

 

スプリングライド・スプリングエナジャイズドベアリング

公差の積み上げが大きすぎて、ノルグライドでは吸収しきれない場合があります。レンコールトレランスリングはより大きな公差を吸収することができます。しかし、低摩擦を必要とする用途には使用できません。このため、サンゴバンはレンコールとノルグライドを組み合わせて、高い公差吸収性能と低摩擦の両方を実現する スプリングライド・スプリングエナジャイズドベアリング を開発しました。

スプリングライド・スプリングエナジャイズドベアリングは、PTFEコンパウンドを含むポリマー層がスプリングスチールに積層されています。レンコール・トレランスリングと同様に、ベアリングの形状には波やリブ、フィンガーなどの突起があり、これらがスプリングとして機能します。これらの突起が、ポリマー層の摩擦低減特性と相まって、要求されるトルクを生み出すように設定することができるのです。

重要なことは、スプリングライド・ベアリングは、非常に大きなミスアライメントや様々な荷重、条件の変化に対しても、摺動力を指定した範囲内に保つことができることです。

 

スプリングライド・スプリングエナジャイズドベアリングは比較的新しいソリューションで、さらなる応用が期待されています。

 

お客様のニーズに合わせて

ノルグライド、レンコール、スプリングライドは単一で機能する製品ではありません。お客様の用途や構成部品、技術要求内容に応じたカスタム設計が可能で、その形状、材質、その他の構成も多種多様です。私たちのエンジニアは、あらゆる段階でお客様と密接に連携し、そのニーズを的確に把握し、お応えします。

お客様の課題をエンジニア同士で話し合うには、お問い合わせフォームをご利用いただくか、makingabigdifference@saint-gobain.com までメールでお問い合わせください。