ラジアル荷重とアキシアル荷重の違いとは？ベアリングにかかる力を図解

ベアリング（軸受）とは回転する軸を支えて、なめらかに回すための部品です。ベアリングには運転中さまざまな力がかかりますが、その力は向きによって大きく2つに分けられます。軸に対して垂直方向、つまり軸を横から押したり上から押さえつけたりする力がラジアル荷重です。一方、軸と同じ方向、つまり軸を押し込んだり引き抜いたりする向きの力がアキシアル荷重です。

アキシアル荷重はスラスト荷重と呼ばれることもありますが、意味は同じです。また、主にラジアル荷重を受けるベアリングをラジアル軸受、主にアキシアル荷重を受けるベアリングをスラスト軸受と呼び分けています。

ショッピングカートの車輪を思い浮かべると、2つの荷重の違いがイメージしやすくなります。カートに荷物を載せると、その重さは車輪の軸を上から押さえつけます。これが軸に対して垂直にかかるラジアル荷重です。一方、車輪の付け根は向きを変えるためにクルクル回転しますが、この回転軸には荷物の重さが軸と同じ方向にかかります。これがアキシアル荷重です。同じ重さでも軸の向きによって荷重の呼び方が変わるのがポイントです。

工場の機械も同じで、横向きの軸を持つモーターやポンプでは部品の重さやベルトの張力が主にラジアル荷重として働きます。縦向きの軸を持つ機械では、回転体の重さがアキシアル荷重として働きます。

ベアリングが受ける荷重には支えている部品の重さ、歯車やベルトで動力を伝える力、運転中の機械に生じる力などがあります。例えば、はすば歯車（歯が斜めに切られた歯車）は静かに回る一方、歯が斜めであるために軸方向の力が発生し、ベアリングにアキシアル荷重として加わります。また、軸は運転中の温度上昇で伸び縮みするため、両端のベアリングで軸を完全に固定してしまうと無理なアキシアル荷重がかかる原因になります。

そのため一般的には、1本の軸を2個のベアリングで支える場合、一方を軸の位置を決める固定側、もう一方を軸の伸びを逃がす自由側として使い分けます。なお、実際にかかる荷重は振動や衝撃によって計算値より大きくなることが多いとされ、設計では余裕を見込んで検討されます。

ベアリングは種類によって、受けられる荷重の向きが決まっています。荷重の向きに合わない種類を選ぶと、本来の性能を発揮できません。代表的なベアリングと受けられる荷重の向きを整理すると次のようになります。

※◎は比較的得意、〇は対応可、×は不可を示す概略です。実際の負荷能力は形式・寸法・使用条件によって異なるため、メーカーのカタログで確認してください。

実際の機械では、ラジアル荷重とアキシアル荷重の両方が同時にかかる合成荷重の状態がほとんどです。そこでベアリングの寿命計算では、2つの荷重を同じ寿命になる1つの仮想的な荷重に置き換えた動等価荷重という値を使います。

さらに、軸の傾きや偏心によってモーメント荷重と呼ばれる、ベアリングを傾けようとする力が生じることもあります。この荷重がかかるとベアリングの寿命は大きく低下するとされるため、取付け時の芯出しも重要です。

アキシアル荷重を受けられない形式のベアリングに軸方向の力がかかり続けると、想定外の負担によって発熱や異音、早期の損傷が起こりやすくなります。ベルトの張りすぎによる過大なラジアル荷重や熱膨張の逃げ場がない取付けも一般的にトラブルの原因として挙げられます。

ベアリングの不具合は、ベアリングそのものの品質ではなく、使い方と荷重条件の組み合わせに原因があるケースも少なくありません。交換を繰り返している箇所がある場合はどの向きにどれくらいの力がかかっているかを見直すことが根本対策の第一歩になります。