軸受けの昔の制作方法

質問

車輪等の回転部品の軸受け部分には、高い精度で製作されていなければ、滑らかに回る事は難しいと思われますが、旋盤等が無かった時代には、どの様な製法によって、軸受けに必要とされる精度を実現していたのでしょうか？
　時代や地域、用途によって、方法は異なっているかも知れませんから、例えば、古代オリエント世界のチャリオットと、18世紀頃の馬車の車輪の軸受けにおける、工作精度の達成方法を御教え願います。

回答No.6

isa-98 · ベストアンサー

笹っ葉と言う工具で摺り合わせで外輪を合わせます。平面でないので当たる面積が少ないので馬が楽なんです。

お礼

御回答有難う御座います。

>笹っ葉と言う工具で摺り合わせで外輪を合わせます。

　どの様な作業なのか良く判らなかったのですが、車軸の端部は先細りのテーパーが付く様に（ろくろ等を使用して）加工されていて、そこへ車輪を当ててみて、車軸と車輪との間に隙間がある場合には、一旦、車輪を取り外してから、車輪側の「車軸と接触した部分」を、刃の厚みが薄くて先端の尖ったナイフ状の刃物で削っては、再度車軸に当ててみる、という様な工程を繰り返すと考えれば宜しいのでしょうか？

回答No.9

fxq11011

軸受けの最も原始的なものはＶブロックだとご存じですか。
２個のブロックにＶの切り込みを入れその上に軸をのせるのです（昔の水車はこれでも十分なのです）。
理論上では接触面積は０です（２本の線のため）、つまり軸受けの最初は接触面積を小さくすることから始まっています。

お礼

三度の御回答有難う御座います。
　接触面積が0に近いのでは、接触部分に力が集中して、急激に摩耗が進み、非常に頻繁にメンテナンスが必要となり、稼働率が極端に悪くなるという事は無いのでしょうか？

回答No.8

fxq11011

軸受けに精度を要求するのは、滑りを良くする、楽に回転するという目的よりも、ブレを無くするのが目的です、もちろんブレが有るとその分余分の摩擦が発生、その他にも余分の力が必要になりスムーズな回転が得られません、但し運動エネルギーは速度の自乗に比例するため、回転速度が大きくなると確かに飛躍的に大きくなります、回転速度が大きいと、ブレによる余分な力（ロス）も無視できません。
１分間６０回転にも満たない程度ではほとんど影響有りません、それよりも単位面積当たりの摩擦力が小さくても、トータル面積が大きければ全摩擦は結構大きくなります、また実際の制作にあたっては、木製の軸と軸受け等の場合は極端な場合１２０度の３点支持の方が接触面の摩擦圧力が高くなる分硬くなり、柔らかい場合よりも転がり摩擦は結構小さくなります。
ベアリングは滑り摩擦を転がり摩擦に替えます、転がり摩擦の方が接触面がすくないからです。
又木製軸受けの水車等、使い込んだものを実際に見てみると、軸受け側は結構楕円になっています（軸受け側の上部は軸に接触していません、低回転のためブレが発生しないので十分です）。
日本刀の切れ味、良く切れるのは刃の側面がいわゆる鏡面ではなく、拡大すれば相当の凹凸がある（切断される物との接触面積が少ない）と聞いた事があります。

お礼

再度の御回答有難う御座います。

>軸受けに精度を要求するのは、滑りを良くする、楽に回転するという目的よりも、ブレを無くするのが目的です、

>１分間６０回転にも満たない程度ではほとんど影響有りません、

　そうでしょうか、車軸や軸受けの円筒面の中心軸と、実際の回転の軸がずれていては、組付けに支障が生じたり、引っ掛って回転しなかったりする事も考えられないでしょうか？
　それに、精度が悪ければ、面接触ではなく点接触や線接触となり、接触面積が極端に小さくなり、面圧が過大となりますから、油膜が切れて摩擦力が大きくなったり、摩耗が激しくなる事で、実用性や耐久性が無くなる事は無いのでしょうか？
　又、油等の潤滑剤を使用しない場合には、油膜が切れる問題は関係無くなりますが、固体同士が接触する場合には、摩擦力は接触面積には関係せず、軸と軸受けが押し付け合う力に比例するのではないでしょうか？

回答No.7

foomufoomu

>もしかしますと、その1インチの隙間は、可塑性の材質で作られたパッキン等を詰めるための隙間
いえ、実際、その程度の加工技術だったらしいです。

同時代の例としては、パスカルの計算機が、歯車の精度が悪くて使いものにならなく、200年近く後のバベッジの差分計算機ですら実用にならなかったという話が有名です。
http://www.bunsugi.ed.jp/kyoka/jyoho/text/zagaku/history0.htm

＞ワットの時代よりも遙かに以前の建築物ですら、
＞もっと高い精度で建設されているとしか思えませんので、
建築の場合は、途中で修正しながら作ることができるので簡単です。たとえば、西洋の石造は、はじめに木で枠を作って、そこに石を順につめていきますが、たくさんある石の中から合うものを選んだり、誤差を修正しながら積んだりできます。

なお、機械の加工はあまり知らないのですが、軸受けのような回転体をつくるのは、わりあい簡単な加工になるのではないでしょうか。はじめに精度の悪いものを作っても、すり合わせで削れば簡単に真円になりそうに思います。

お礼

重ねての御回答有難う御座います。

>いえ、実際、その程度の加工技術だったらしいです。

　それでは爆発的な勢いで、大量の蒸気を供給し続けるのでもない限りは、隙間を通って蒸気が漏れて、ピストンの上下の圧力が殆ど等しくなってしまい、動力は発生しない様に思えるのですが、実際にはどの様にして蒸気漏れの問題に対処していたのか、非常に気になります。

>建築の場合は、途中で修正しながら作ることができるので簡単です。

　はい、私も、おそらくはその様な方法で精度を出していたのではないかと思っておりました。
　只、同様の手段を蒸気機関に用いれば、隙間を1mm未満に抑える事は比較的容易ですから、わざわざ1インチもの隙間を設けているという事は、可塑性のパッキンを詰めるためではないのかと愚考した訳です。（例えすり合わせをしなくとも、隙間を5mm未満に抑える事は容易です）
　元々、ワットが新方式の蒸気機関を開発したのは、ニューコメン式の蒸気機関の効率を改善する事を目的の一つとしていましたから、もっと高精度の加工も容易に出来た筈であるにも関わらず、何故敢えて隙間を設けて、効率を悪化させているのかが理解出来ずにおります。

>はじめに精度の悪いものを作っても、すり合わせで削れば簡単に真円になりそうに思います。

　真円とするだけでしたら仰る通りなのですが、軸の太さや、軸受けの穴の直径を、摺動面のどの部分においても均一とした上で、軸と軸受けの「はめ合い（部品を組合わせた際に、適切な隙間となる様に、部品の寸法を決める事）」を適切に調整する手段が判らなかったため、質問させて頂いた次第です。
　隙間の空き具合が100分の1mm単位で異なれば、回すために必要となる力に極端な違いが生じます。

回答No.5

noname#194996

NO。２　です。

絶対精度を高めるには当然ながら計測器の進歩と歩調を合わせる必要があります。ばらつきの少ない品物を大量生産するには、しっかりした工作機械が進歩したこと、電子技術の進歩もあって今の技術社会が実現したのだと思います。

それまでも時計など精度の高いものは作られていました。例えば平面度を高めるには３つ以上のものを交互に摺り合わせることでどこまでも高精度のものが作れます。要は現物同士を合せながら時間をかけて微調整を繰り返し、最高の組み合わせで完成に持っていったという、職人的な作り方です。

おっしゃるわずかなばらつきを最適な組み合わせにするというのは、現在の工場でも行われています。組み合わせ軸受といって、必ずペアーで使わねばならないベアリングが売られています。どうしてもばらつきが避けられない部品は層別してレベル別にグループを作り相互に組み合わせることが、精度を闇雲に上げるよりもコスト的に有利なのでしょう。

内燃機関のシリンダーは最終的にはピストンリングで抜けを最小にしますので、案外ピストンとの隙間は大きいものです。ある程度隙間がなければ動かないものは滑り軸受でも同じです。わずかな油ないし空気を軸と軸受の隙間に押し込んで圧力をかけ、隙間を一定に保つことで回転摩擦を減らします。高精度の直線運動を司るテーブルの滑り面は完全な平面を機械で作ったあと、人間が手できさげを施し、微妙な油溜の凹凸をつくるそうです。

映画「世界最速のインデアン」にもありましたが、手づくりのエンジンで当時最速のオートバイを作ったバートマンローのように、時間と技能があれば最高の性能を持ったエンジンも作れるのですね（耐久性は？）。
つまり、昔も今も肝心なところはあまりかわっていないということではないでしょうか。

お礼

重ねての御回答有難う御座います。

>要は現物同士を合せながら時間をかけて微調整を繰り返し、最高の組み合わせで完成に持っていったという、職人的な作り方です。

　成程、私は「どうやって信頼に足る基準を得るのか」という事ばかりを考えていて、「必ずしも基準が必要であるとは限らない」という事に考えが及んでおりませんでした。
　この御回答を頂いた事で、円筒度の精度も、回転軸の部品と軸受け部品を組み合わせて、擦れ合う位置を回転軸方向にずらしながら、半径を調整して行けば、何とかなりそうだと気付く事が出来ました。

回答No.4

foomufoomu

昔の加工技術に高い精度などありません。
ワットの蒸気機関はシリンダとピストンの間に１インチの隙間があったそうです。

お礼

御回答有難う御座います。

>ワットの蒸気機関はシリンダとピストンの間に１インチの隙間があったそうです。

　すみません、一寸俄かには信じ難い話なのですが…
　幾らなんでもそれほどの隙間があったのでは、ピストンの上下に差圧が生じ得ない様に思えますし、ワットの時代よりも遙かに以前の建築物ですら、もっと高い精度で建設されているとしか思えませんので、宜しければその情報元を御教え頂けないでしょうか？
　もしかしますと、その1インチの隙間は、可塑性の材質で作られたパッキン等を詰めるための隙間という事は無いのでしょうか？

回答No.3

fxq11011

古代オリエントまでさかのぼれば、高い精度はむしろ邪魔です。
たとえば、２枚の木の板２組、１組は名工がカンナで高精度に仕上げたもの、もう１組は製材所の帯鋸で挽いただけのもの、それぞれ水で濡らして２枚重ねます、簡単にずらせるのはどちらと思いますか、名工がカンナで仕上げたほうはおそらくビクともしません。
使用する回転数で、ガタつかない（とくに共振しない）程度であれば、どちらかと言えば、ですが接触する面積が少ないほうが有利です。

お礼

御回答有難う御座います。

>古代オリエントまでさかのぼれば、高い精度はむしろ邪魔です。

　そうなのですか？
　確かに油で濡れた鉄板を重ねた場合には、滑らなくなりますが、滑り軸受けの様に、給油された滑らかな金属円筒を用いるベアリングもありますから、木材が吸収しきれない程の量の油等で濡らした場合には、高精度に仕上げた滑らかな面の方が、摩擦が少なくなるのではないでしょうか？

回答No.2

noname#194996

チャリオットは知りませんが、手作りで職人が作っていたのではないでしょうか。回転対偶は回ればいいのでたいした回転数ではなく、そこそこの精度で実用に達したと思います。日本の水車の軸受なども同様でしょう。皆木と木の対偶で、油や水で潤滑し、減れば交換していたはずです。今の飛行機のようにしょっちゅううメンテが必要だったと思います。

昔の軸受は皆滑り軸受でしたし、腕の良い職人がひとくみひと組み現合せで作っていたのでしょう。今だって卓越技能者といわれる職人はやすりとシカラップ（はつり）だけで船の大きなジーゼルエンジンのシリンダや軸受など真円度の高い円筒部分を削り出したりします（洋上での故障など緊急の場合）。昔は大量につくることがなかったから腕ひとつで実用性のある精度ものまでは作っていたでしょう。

いまでも直線運動を受ける高精度のテーブルの滑り面は最終的には手作りだそうdす。

今の自動車の車軸などに使われているボールベアりんグで代表される汎用の転がり軸受の普及は当然ながら高速旋盤などで大量生産システムが発達した１９世紀以後のものです。

そういった近代の量産の始原はそれをつくるマザーマシンが必要ですが、やはりそれは職人がてで作るよりなかったのだと思います。すべて手作りではなく、ろくろといわれる初期の旋盤は古代からあったと思いますし。

。転がり軸受はその点そこそこに精度があれば実用的な車軸が組めるので車の安価な量産が可能になったのだと思います。
もちろん現代の一部の機械が必要とされるターボなど１０万回転もする軸受を手作りでつくることは不可能でしょうし、厳選された部品で特別の軸受を精度の高い工作機械で作っていると思います。

お礼

御回答有難う御座います。

>手作りで職人が作っていたのではないでしょうか。回転対偶は回ればいいのでたいした回転数ではなく、そこそこの精度で実用に達したと思います。

>昔は大量につくることがなかったから腕ひとつで実用性のある精度ものまでは作っていたでしょう。

　はい、私も手作りで行うしか方法は無いと考えているのですが、手作りでどの様にして高い精度を実現しているのかが明確には判りません。

>今だって卓越技能者といわれる職人はやすりとシカラップ（はつり）だけで船の大きなジーゼルエンジンのシリンダや軸受など真円度の高い円筒部分を削り出したりします

　それでは、真円度は出せると思いますが、それだけでは軸方向の位置によって、軸の半径が異なってしまいますから、軸の端から端までの半径を揃える方法が必要になると思いますが、それはどの様に行っていたのでしょうか？（ろくろの回転軸に平行に、直線定規を当てる術があればよいのですが）
　後、船舶用大型ディーゼルエンジンの回転数は60～120rpm程度と、馬車の車輪と比べても高速とは言えませんし、例えば同じ0.1mmの誤差であっても、半径10mmの軸と、半径100mmの軸とでは、影響の大きさが異なりますから、大型のエンジンの方が要求される精度を満たす事が難しいとは、一概には言えません。

>厳選された部品で特別の軸受を精度の高い工作機械で作っていると思います。

　その様な方法もあるかも知れませんが、寸法精度に（故意に）ある程度のばらつきが現れる様にして大量生産をした部品を用意しておき、例えば内径が基準寸法よりも0.002mmだけ大きな軸受けに対して、僅かに太さが異なる多数の軸の中から、外径が基準寸法よりも0.002mmだけ大きな軸を選択して組み合わせる事で、軸受けと軸の間の隙間を狙い目通りの値に収める、という方法もあります。

回答No.1

bibendumbibendum

質問の回答になっていませんが、現代の自動車の精度で馬車を作ると馬がつかれてすぐ走ることができなくなるそうです。
馬車は軸方向が緩く作られていて、車輪が石を乗り上げようとすると、軸方向へずれて、石を乗り上げずに走ります。
石を乗り上げないぶん、馬への負担が軽くなるそうです。

私の推測ですが、スピードと持久力のバランスを考えて、ほどよい精度で加工することがもとめられたのではないかな？？？？

お礼

御回答有難う御座います。

>馬車は軸方向が緩く作られていて、

　SLの動輪のカーブを曲がるための機構と似た様なものですね、ずれる場所は車軸と軸受けの間の部分なのでしょうか、それとも車軸と車輪との間の部分なのでしょうか？
　もし、前者だとしますと、軸受けと車軸の、同軸度公差や各種振れ公差、円筒度公差、等に対する要求が厳しくなると思われますから、後者の方法に拠るのでしょうか？

>スピードと持久力のバランスを考えて、ほどよい精度で加工することがもとめられたのではないかな？？？？

　その「ほどよい精度」をどの様にして実現していたのかを質問しているのですが、御教え頂ければ幸いです。