JP6050072B2

JP6050072B2 - 軸受装置の冷却構造

Info

Publication number: JP6050072B2
Application number: JP2012209138A
Authority: JP
Inventors: 水谷　守; 守水谷; 健治玉田; 康由林; 裕士恩田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: JP2014062619A

Description

この発明は、軸受装置の冷却構造に関し、例えば、工作機械の主軸および主軸に組み込まれる軸受の冷却構造に関する。

工作機械の主軸装置では、加工精度を確保するために、装置の温度上昇は小さく抑える必要がある。しかしながら最近の工作機械では、加工能率を向上させるため高速化の傾向にあり、主軸を支持する軸受からの発熱も高速化と共に大きくなってきている。また、装置内部に駆動用のモータを組込んだいわゆるモータビルトインタイプが多くなってきており、装置の発熱要因ともなってきている。

発熱による軸受の温度上昇は、予圧の増加をもたらす結果となり、主軸の高速化、高精度化を考えると極力抑えたい。主軸装置の温度上昇を抑える方法として、冷却用の圧縮エアを軸受に送り、軸と軸受の冷却を行う方法がある（例えば、特許文献１）。なお、特許文献１では、２つの軸受間の空間に冷風を、回転方向に角度を付けて噴射して旋回流とすることで、軸と軸受の冷却を行っている。

特開２０００−１６１３７５号公報

上記圧縮エアによる冷却方法は、冷却効果が高いので、主軸装置の温度上昇を効果的に抑えることが期待できる。しかし、圧縮エアによる冷却方法をグリース潤滑の軸受装置に適用すると、軸受内のグリースが圧縮エアによって吹き飛ばされて排除される事態が生じる可能性がある。よって、上記事態を回避する方策を講じることが必要となる。

この発明の目的は、グリース潤滑の軸受装置において、圧縮エアにより軸受装置を効率良く冷却することができ、しかも軸受内のグリースが圧縮エアによって排除されることを防止できる冷却構造を提供することである。

この発明の軸受装置の冷却構造は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の外輪間および内輪間に外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および内輪間座が主軸に嵌合され、前記転がり軸受が前記外輪と内輪間の軸受空間に封入されたグリースにより潤滑される軸受装置に適用され、前記外輪間座の内周面に、前記内輪間座の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを供給する供給口が設けられ、前記外輪間座の軸方向端面に、前記供給口から供給された圧縮エアを排出する排出口が設けられ、前記内輪間座の軸方向両端部に、外径側に張り出して前記供給口から供給された圧縮エアが前記軸受空間へ流入するのを阻む障害壁が設けられ、この障害壁の外径端は、前記外輪の内周面に僅かな隙間を介して対向することを特徴とする。

この構成によると、外輪間座に設けた供給口より、冷却用の圧縮エアが内輪間座の外周面に向けて供給されることで、内輪間座に衝突した圧縮エアが軸受装置およびこの軸受装置に支持された主軸の熱を奪う。それにより、軸受装置および主軸が効率良く冷却される。内輪間座の軸方向両端部に障害壁が設けられており、圧縮エアが軸受空間へ流入することが阻められているため、軸受空間に封入されたグリースが圧縮エアで排除されることが防がれる。そのため、良好な潤滑状態を維持することができる。

この発明の軸受装置の冷却構造において、前記障害壁の外径面が、軸方向の前記転がり軸受に近い側ほど外径側への張り出し量が大きいテーパ形状であると共に、前記外輪間座の前記排出口が切欠きであっても良い。
この構成であると、供給口から供給された圧縮エアが、内輪間座の外周面に沿って内輪間座と外輪間座との間の空間である間座空間を軸方向外側へ流れ、さらに内輪間座の障害壁のテーパ状外径面に沿って外径側へ導かれ、外輪間座の軸方向端面に設けられた切欠きから排出される。これにより、間座空間での圧縮エアの流れ、ならびに間座空間からの圧縮エアの排出がスムーズとなる。また、間座空間に圧縮エアのスムーズな流れが生じることにより、間座空間の内圧が軸受空間の内圧よりも低くなり、圧縮エアが軸受空間に流入することが抑えられる。

前記供給口および前記切欠きは、それぞれの周方向位置が互いにずれているのが良い。
周方向位置が互いにずれていると、供給口から間座空間に供給された圧縮エアが、内輪間座の外周面に沿って切欠きまで流れるときに、軸方向外側への移動に加えて円周方向の移動を伴うため、圧縮エアが内輪間座と接する時間が長くなり、軸受装置および主軸を冷却する効果が高まる。

この発明の軸受装置の冷却構造において、前記転がり軸受は、前記外輪の軸方向端に前記軸受空間を密封するシール部材を有し、前記障害壁の外径側端が前記内輪の端面の外径側端よりも外径側に位置しかつ前記外輪の端面の内径側端よりも内径側に位置し、前記障害壁の端面が前記シール部材とすきまを介して対向する形状であり、前記シール部材と前記障害壁とでラビリンスシール効果を持つようにしても良い。
これにより、圧縮エアが軸受空間に流入することをより一層妨げることができる。

この発明の軸受装置の冷却構造は、工作機械の主軸の支持に好適に用いることができる。その場合、主軸の冷却効果が高いので、高速な領域での運転が可能となる。

この発明の軸受装置の冷却構造は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の外輪間および内輪間に外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および内輪間座が主軸に嵌合され、前記転がり軸受が前記外輪と内輪間の軸受空間に封入されたグリースにより潤滑される軸受装置に適用され、前記外輪間座の内周面に、前記内輪間座の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを供給する供給口が設けられ、前記外輪間座の軸方向端面に、前記供給口から供給された圧縮エアを排出する排出口が設けられ、前記内輪間座の軸方向両端部に、外径側に張り出して前記供給口から供給された圧縮エアが前記軸受空間へ流入するのを阻む障害壁が設けられ、この障害壁の外径端は、前記外輪の内周面に僅かな隙間を介して対向するため、圧縮エアにより軸受装置を効率良く冷却することができ、しかも軸受内のグリースが圧縮エアによって排除されることを防止できる。

この発明の一実施形態に係る冷却構造を備えた軸受装置の断面図である。図１の部分拡大図である。同軸受装置の内輪間座および外輪間座を軸方向と垂直な平面で切断した断面図である。同軸受装置の外輪間座の一部分を展開して表した図である。この発明の異なる実施形態に係る冷却構造を備えた軸受装置の断面図である。同軸受装置の外輪間座の一部分を展開して表した図である。この発明のさらに異なる実施形態に係る軸受装置の内輪間座および外輪間座を軸方向と垂直な平面で切断した断面図である。図５および図６に示す軸受装置を工作機械の主軸装置に組込んだ状態を示す断面図である。

この発明の一実施形態に係る軸受装置の冷却構造を図１ないし図４と共に説明する。
図１に示すように、この軸受装置Ｊは、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受１，１の外輪２，２間および内輪３，３間に、外輪間座４および内輪間座５をそれぞれ介在させている。各転がり軸受１としてアンギュラ玉軸受が適用されている。これらアンギュラ玉軸受が背面組合せで設置され、内輪外周面および外輪内周面における接触角の反偏り側にそれぞれカウンタボアが設けられている。内外輪３，２の軌道面間に複数の転動体８が介在され、これら転動体８が保持器９により円周等配に保持される。転がり軸受１，１はグリース潤滑であり、外輪２の軸方向両端に、外輪２と内輪３との間の軸受空間Ｓ１を密封するシール部材３１，３２がそれぞれ取り付けられている。

この軸受装置Ｊは、例えば工作機械の主軸の支持に用いられるものであり、その場合、図３のように、各転がり軸受１の外輪２はハウジング６内に固定され、内輪３は主軸７の外周面に嵌合する。

上記軸受装置Ｊの冷却構造について説明する。
図１において、前記外輪間座４の内周面と前記内輪間座５の外周面との間には径方向すきまδ１が設けられており、外輪間座４の内周面に、内輪間座５の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを供給する供給口１０が設けられている。この例では、図３に示すように、供給口１０の数は３個であり、各供給口１０は円周方向に等配とされている。

図１および図３に示すように、外輪間座４の外周面には、圧縮エアＡを導入する環状の導入溝１１が設けられている。この導入溝１１は、外輪間座４の外周面における軸方向中間部に設けられ、接続孔１１ａを介して各供給口１０に連通している。軸受装置Ｊの外部に設けた圧縮エア供給装置（図示せず）より、ハウジング６に設けた圧縮エア導入孔４６を通って、導入溝１１に圧縮エアＡが供給される。

図１に示すように、内輪間座５の軸方向両端部は、外径側に張り出した障害壁３３となっている。この例では、障害壁３３は、軸方向の転がり軸受１に近い側ほど外径側への張り出し量が大きいテーパ形状である。また、外輪間座４の軸方向端面には、供給口１０から供給された圧縮エアＡの排出口となる切欠き３４が設けられている。切欠き３４は例えば図４のような矩形の断面形状であり、外輪間座４に隣接して転がり軸受１の外輪２が配置されることで、切欠き３４が、外輪間座４と内輪間座５間の間座空間Ｓ２と軸受装置Ｊの外部とを連通する開口形状となる。なおこの構成において、外輪間座４を組立可能にするため（外輪間座４の内周と障害壁３３との干渉を防ぐため）、内輪間座５は、例えば、軸方向中間部が分割された二つの内輪間座分割体からなる。

図１の部分拡大図である図２に示すように、前記障害壁３３の外径端は、外輪間座４の内周面と僅かな径方向すきまδ２を介して対向している。また、障害壁３３の端面は前記軸方向内側のシール部材３１と僅かな軸方向すきまδ３を介して対向している。これにより、シール部材３１と障害壁３３とでラビリンスシール効果を持つラビリンスシール部３５が構築され、このラビリンスシール部３５により軸受空間Ｓ１と間座空間Ｓ２とが隔てられている。

この軸受装置Ｊは、運転時等に、軸受装置Ｊの外部に設けた圧縮エア供給装置から送られる冷却用の圧縮エアＡが、外輪間座４の供給口１０から内輪間座５の外周面に向けて供給される。この圧縮エアＡは、内輪間座５に衝突した後、内輪間座５の外周面に沿って軸方向両側へ流れ、さらに内輪間座５の障害壁３３のテーパ状外径面に沿って外径側へ導かれて、外輪間座５の切欠き３４から排出される。障害壁３３によって圧縮エアＡを外径側へ導くことにより、間座空間Ｓ２での圧縮エアＡの流れ、ならびに間座空間Ｓ２からの圧縮エアＡの排出がスムーズになる。圧縮エアＡが間座空間Ｓ２を通過する間に、軸受装置Ｊおよびこの軸受装置Ｊに支持された主軸７の熱を奪う。それにより、軸受装置Ｊおよび主軸７が効率良く冷却される。

内輪間座５の軸方向両端に障害壁３３が設けられていることにより、圧縮エアＡが軸受空間Ｓ１へ流入することが阻められる。特にこの実施形態では、軸受空間Ｓ１と間座空間Ｓ２とがラビリンスシール部３５により隔てられているため、圧縮エアＡの軸受空間Ｓ１への流入をより一層効果的に阻められる。さらに、間座空間Ｓ２において圧縮エアＡがスムーズに流れるため、間座空間Ｓ２の内圧が軸受空間Ｓ１の内圧よりも低くなっており、圧縮エアＡが軸受空間Ｓ１に流入し難い。これらのことから、圧縮エアＡが軸受空間Ｓ１に流入することを極力抑えることができ、軸受空間Ｓ１に封入されたグリースが圧縮エアＡで排除されることが防がれる。そのため、良好な潤滑状態を維持することができる。

上記実施形態では、供給口１０および切欠き３４が同じ円周方向位置に配置されているが、図５および図６に示す実施形態のように、供給口１０および切欠き３４を互いに円周方向位置をずらして配置してもよい。供給口１０および切欠き３４の周方向位置が互いにずれていると、供給口１０から間座空間Ｓ２に供給された圧縮エアＡが、内輪間座５の外周面に沿って切欠き３４まで流れるときに、軸方向外側への移動に加えて円周方向の移動を伴うため、圧縮エアＡが内輪間座５と接する時間が長くなり、軸受装置Ｊおよび主軸７を冷却する効果が高まる。

また、軸受装置Ｊにより支持される軸が、工作機械の主軸７のように回転方向が一定している場合、図７のように、各供給口１０のエア吐出方向を、内輪３（図１）および主軸７の回転方向Ｌ１の前方へ傾斜させてもよい。各供給口１０は、それぞれ直線状であって、外輪間座４の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線Ｌ２から、この直線Ｌ２と直交する方向にオフセット（オフセット量ＯＳ）した位置にある。このように、各供給口１０のエア吐出方向を傾斜させると、吐出された圧縮エアＡが内輪間座５の外周面に当たる際に、圧縮エアＡの押圧力を内輪間座５に与えることができ、主軸７を駆動する作用を期待することができる。

図８は、図５および図６に示す軸受装置が組込まれた工作機械の主軸装置の一部を示す断面図である。軸受装置Ｊは、転がり軸受１，１の外輪２，２および外輪間座４がハウジング６の内周面に嵌合し、転がり軸受１，１の内輪３，３および内輪間座５が工作機械の主軸７の外周面に嵌合している。例えば、外輪２および外輪間座４はハウジング６に対してすきま嵌めとされ、内輪３および内輪間座５は軸７に対して締まり嵌めとされる。片方（図の右側）の転がり軸受１の外輪３はハウジング６の段部６ａで軸方向の位置決めがされ、同転がり軸受１の内輪３は位置決め間座４１により軸方向の位置決めがされている。そして、もう片方（図の左側）の転がり軸受１の外輪２および内輪３に、外輪押さえ４２および外輪押さえ４３をそれぞれ押し当てることで、軸受装置Ｊがハウジング６に固定されている。

ハウジング６および外輪押さえ４３には、圧縮エア供給装置４５から送られてくる冷却用の圧縮エアＡを軸受装置Ｊに導入する圧縮エア導入孔４６が設けられている。この圧縮エア導入孔４６は、外輪間座５の外周面に設けられた前記導入溝１１に連通している。また、ハウジング６および外輪押さえ４３には排気孔４７が設けられ、この排気孔４７は、接続孔４８を介して外輪間座５の前記切欠き３４と連通している。

この軸受装置Ｊの冷却構造は、先に説明したように軸受装置Ｊおよび主軸７の冷却効果が高いので、主軸装置を高速な領域で運転させることが可能となる。このため、この軸受装置Ｊを、工作機械の主軸の支持に好適に用いることができる。

１…転がり軸受
２…外輪
３…内輪
４…外輪間座
５…内輪間座
６…ハウジング
７…主軸
１０…供給口
３１，３２…シール部材
３３…障害壁
３４…切欠き
３５…ラビリンスシール部
Ａ…圧縮エア
Ｊ…軸受装置
Ｓ１…軸受空間
Ｓ２…間座空間
δ２…環状すきま

Claims

軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の外輪間および内輪間に外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および内輪間座が主軸に嵌合され、前記転がり軸受が前記外輪と内輪間の軸受空間に封入されたグリースにより潤滑される軸受装置において、
前記外輪間座の内周面に、前記内輪間座の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを供給する供給口が設けられ、前記外輪間座の軸方向端面に、前記供給口から供給された圧縮エアを排出する排出口が設けられ、前記内輪間座の軸方向両端部に、外径側に張り出して前記供給口から供給された圧縮エアが前記軸受空間へ流入するのを阻む障害壁が設けられ、この障害壁の外径端は、前記外輪の内周面に僅かな隙間を介して対向することを特徴とする軸受装置の冷却構造。
請求項１に記載の軸受装置の冷却構造において、前記障害壁の外径面が、軸方向の前記転がり軸受に近い側ほど外径側への張り出し量が大きいテーパ形状であると共に、前記外輪間座の前記排出口が切欠きである軸受装置の冷却構造。
請求項２に記載の軸受装置の冷却構造において、前記供給口および前記切欠きは、それぞれの周方向位置が互いにずれている軸受装置の冷却構造。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造において、前記転がり軸受は、前記外輪の軸方向端に前記軸受空間を密封するシール部材を有し、前記障害壁の外径側端が前記内輪の端面の外径側端よりも外径側に位置しかつ前記外輪の端面の内径側端よりも内径側に位置し、前記障害壁の端面が前記シール部材とすきまを介して対向する形状であり、前記シール部材と前記障害壁とでラビリンスシール効果を持つ軸受装置の冷却構造。
工作機械の主軸の支持に用いられる請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造。