JP6609003B2 - 軸受装置の冷却構造 - Google Patents

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

圧縮エアによる冷却では、圧縮エアの流速が速く、かつ流量が多いほど冷却効果が大きい。しかし、圧縮エアの流速を速くしたり、流量を多くしたりするにはエア供給装置の出力を大きくする必要があり、消費電力が多くなる。

この発明の目的は、圧縮エアの供給に要する消費電力を抑えつつ軸受装置を効率良く冷却することができる軸受装置の冷却構造を提供することである。

この発明における第１の発明の軸受装置の冷却構造は、転がり軸受の内外に対向する固定側軌道輪および回転側軌道輪にそれぞれ隣り合って固定側間座および回転側間座が設けられ、前記固定側軌道輪および固定側間座が、固定部材および回転部材のうちの固定部材に設置され、前記回転側軌道輪および回転側間座が、前記固定部材および回転部材のうちの回転部材に設置される軸受装置に適用される。この軸受装置において、前記固定側間座は、前記転がり軸受内にエアオイルを供給する潤滑用ノズルを有し、前記固定側間座における間座同士が対向する周面に環状の凹み部を設け、この凹み部の底面に開口する出口から前記回転側間座の間座同士が対向する周面に向けて冷却用の圧縮エアを吐出するノズル孔を前記回転側間座に設け、この固定側間座には、前記転がり軸受の外部から前記ノズル孔に前記圧縮エアを導入する導入溝が形成され、前記ノズル孔の軸方向寸法は前記導入溝の軸方向寸法よりも小さく、且つ、前記ノズル孔の軸方向寸法は出口側が狭くなっており、前記ノズル孔が、前記固定側間座の前記周面における前記ノズル孔の出口の中心を通る法線に対して、前記回転側間座の回転方向の前方へ傾斜している。例えば、前記固定側軌道輪が外輪であり、前記回転側軌道輪が内輪である。その場合、前記固定部材および回転部材は、例えばそれぞれハウジングおよび軸である。

この構成によると、固定側間座に設けたノズル孔より冷却用の圧縮エアを回転側間座の周面に向けて吐出する。前記固定側間座の間座同士が対向する周面に環状の凹み部を設け、この凹み部に出口を開口させて前記ノズル孔を設けたことにより、固定側間座の凹み部と回転側間座との間の空間に圧縮エアが吐出される。狭いノズル孔から前記空間へ圧縮エアが一気に吐出されることにより、圧縮エアが断熱膨張して、圧縮エアの温度が下がると共に流速が増す。そのため、回転側間座が効率良く冷却される。

また、固定側間座に設けたノズル孔が回転側間座の回転方向の前方へ傾斜させてあるため、ノズル孔から吐出された圧縮エアは、回転側間座の周面に沿って旋回しながら軸方向に流れて軸受外部へ排出される。圧縮エアが旋回するため、軸方向にまっすぐ流れる場合と比べて、圧縮エアが回転側間座の周面を接している時間が長く、回転側間座をより一層効率良く冷却することができる。

このように、回転側間座が効率良く冷却されることで、この回転側間座を介して転がり軸受の内輪および回転軸を効果的に冷却することができる。この冷却構造は、固定側間座の間座同士が対向する周面に環状の凹み部を設け、かつノズル孔を傾斜させるという構造的な工夫を施すだけで冷却効率を向上させることができるため、圧縮エアを供給するエア供給装置の出力を大きくしなくてもよく、消費電力を抑えることができる。

固定側間座の凹み部と回転側間座の間の空間に吐出された圧縮エアは、固定側間座と回転側間座の間のすきまを通って軸受外部へ排出される。その際、少なくとも一部の圧縮エアは軸受内へ流入する。前記空間よりも前記すきまが狭まっているため、すきまを流れる圧縮エアの周方向の各部での流速が均一化され、軸受内に流入する圧縮エアの流速が均一になる。それにより、圧縮エアと回転中の転動体との衝突音を小さくすることができる。

例えば、前記凹み部は、断面長方形の環状溝とすることができる。断面長方形の環状溝は加工が容易である。

この発明における第２の発明の軸受装置の冷却構造は、転がり軸受の内外に対向する固定側軌道輪および回転側軌道輪にそれぞれ隣り合って固定側間座および回転側間座が設けられ、前記固定側軌道輪および固定側間座が、固定部材および回転部材のうちの固定部材に設置され、前記回転側軌道輪および回転側間座が、前記固定部材および回転部材のうちの回転部材に設置される軸受装置において、
前記固定側間座は、前記転がり軸受内にエアオイルを供給する潤滑用ノズルを有し、
前記固定側間座における間座同士が対向する周面に環状の凹み部を設け、この凹み部は、前記ノズル孔の出口が設けられている箇所が最も凹み、この最も凹んだ箇所から軸方向の少なくとも一方側へ行くに従い凹み量が次第に少なくなる断面山形の環状溝であり、前記凹み部の底面に開口する出口から前記回転側間座の間座同士が対向する周面に向けて冷却用の圧縮エアを吐出するノズル孔を前記固定側間座に設け、このノズル孔が、前記固定側間座の前記周面における前記ノズル孔の出口の中心を通る法線に対して、前記回転側間座の回転方向の前方へ傾斜している。
この場合は、固定側間座の凹み部と回転側間座との間の空間から流れ出る圧縮エアの抵抗を抑えることができ、軸受内に流入する圧縮エアの流速がより一層均一になる。

この発明において、前記固定側間座における前記凹み部の底面を構成する部分を他の部分とは別体としても良い。
この場合、形状が比較的簡単な複数の部材を組み合わせて固定側間座が構成されるため、加工が容易である。

この発明の軸受装置の冷却構造は、上述の作用・効果を有するため、工作機械の主軸の支持に好適に用いることができる。

この発明における第１の発明の軸受装置の冷却構造は、転がり軸受の内外に対向する固定側軌道輪および回転側軌道輪にそれぞれ隣り合って固定側間座および回転側間座が設けられ、前記固定側軌道輪および固定側間座が、固定部材および回転部材のうちの固定部材に設置され、前記回転側軌道輪および回転側間座が、前記固定部材および回転部材のうちの回転部材に設置される軸受装置において、前記固定側間座は、前記転がり軸受内にエアオイルを供給する潤滑用ノズルを有し、前記固定側間座における間座同士が対向する周面に環状の凹み部を設け、この凹み部の底面に開口する出口から前記回転側間座の間座同士が対向する周面に向けて冷却用の圧縮エアを吐出するノズル孔を前記固定側間座に設け、この固定側間座には、前記転がり軸受の外部から前記ノズル孔に前記圧縮エアを導入する導入溝が形成され、前記ノズル孔の軸方向寸法は前記導入溝の軸方向寸法よりも小さく、且つ、前記ノズル孔の軸方向寸法は出口側が狭くなっており、前記ノズル孔が、前記固定側間座の前記周面における前記ノズル孔の出口の中心を通る法線に対して、前記回転側間座の回転方向の前方へ傾斜しているため、圧縮エアの供給に要する消費電力を抑えつつ軸受装置を効率良く冷却することができる。
この発明における第２の発明の軸受装置の冷却構造は、転がり軸受の内外に対向する固定側軌道輪および回転側軌道輪にそれぞれ隣り合って固定側間座および回転側間座が設けられ、前記固定側軌道輪および固定側間座が、固定部材および回転部材のうちの固定部材に設置され、前記回転側軌道輪および回転側間座が、前記固定部材および回転部材のうちの回転部材に設置される軸受装置において、前記固定側間座は、前記転がり軸受内にエアオイルを供給する潤滑用ノズルを有し、前記固定側間座における間座同士が対向する周面に環状の凹み部を設け、この凹み部は、前記ノズル孔の出口が設けられている箇所が最も凹み、この最も凹んだ箇所から軸方向の少なくとも一方側へ行くに従い凹み量が次第に少なくなる断面山形の環状溝であり、前記凹み部の底面に開口する出口から前記回転側間座の間座同士が対向する周面に向けて冷却用の圧縮エアを吐出するノズル孔を前記固定側間座に設け、このノズル孔が、前記固定側間座の前記周面における前記ノズル孔の出口の中心を通る法線に対して、前記回転側間座の回転方向の前方へ傾斜しているため、圧縮エアの供給に要する消費電力を抑えつつ軸受装置を効率良く冷却することができる。

この発明の一実施形態に係る軸受装置の冷却構造を備えた工作機械主軸装置の断面図である。 同軸受装置の冷却構造の主要部の拡大断面図である。 図１のIII −III 断面図である。 この発明の異なる実施形態に係る軸受装置の冷却構造の主要部の断面図である。 この発明のさらに異なる実施形態に係る軸受装置の冷却構造の主要部の断面図である。

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３と共に説明する。この例の軸受装置の冷却構造は、工作機械の主軸装置に適用されている。ただし、工作機械の主軸装置だけに限定されるものではない。

図１に示すように、軸受装置Ｊは、軸方向に並ぶ２つの転がり軸受１，１を備え、各転がり軸受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がそれぞれ介在している。外輪２および外輪間座４がハウジング６に設置され、内輪３および内輪間座５が主軸７に嵌合している。転がり軸受１はアンギュラ玉軸受であり、内外輪３，２の軌道面間に複数の転動体８が介在している。各転動体８は、保持器９により円周等配に保持される。２つの転がり軸受１，１は互いに背面組合せで配置されており、外輪間座４と内輪間座５の幅寸法差により、各転がり軸受１，１の初期予圧を設定して使用される。
この実施形態では、転がり軸受１は内輪回転で使用される。よって、外輪２、内輪３が、それぞれ請求項で言う「固定側軌道輪」、「回転側軌道輪」であり、外輪間座４、内輪間座５が「固定側間座」、「回転側間座」である。また、主軸７が「回転部材」、ハウジング６が「固定部材」である。後で示す他の実施形態についても同様である。

外輪２，２および外輪間座４は、例えばハウジング６に対してすきま嵌めとされ、ハウジング６の段部６ａと端面蓋４０とにより軸方向の位置決めがされる。また、内輪３，３および内輪間座５は、例えば主軸７に対して締まり嵌めとされ、両側の位置決め間座４１，４２により軸方向の位置決めがされる。なお、図の左側の位置決め間座４２は、主軸７に螺着させたナット４３により固定される。

冷却構造について説明する。
図１の部分拡大図である図２に示すように、外輪間座４は、外輪間座本体１１と、この外輪間座本体１１とは別部材からなるリング状の潤滑用ノズル１２，１２とを有する。外輪間座本体１１は断面略Ｔ字形状に形成され、この外輪間座本体１１の軸方向両側に潤滑用ノズル１２，１２がそれぞれ対称配置で固定されている。外輪間座本体１１の内径寸法は、潤滑用ノズル１２，１２の内径寸法よりも大きい。これにより、外輪間座４の内周面に、外輪間座本体１１の内周面と、この内周面に続く潤滑用ノズル１２，１２の側面とで構成される凹み部１３が形成されている。この凹み部１３は、断面長方形の環状溝である。外輪間座４の凹み部１３以外の内周面、すなわち潤滑用ノズル１２，１２の内周面と、内輪間座５の外周面とは、微小な径方向すきまδａを介して対向している。これにより、前記凹み部１３と内輪間座５の外周面との間に、他よりも径方向幅の広い空間１４が形成されている。

前記外輪間座本体１１には、内輪間座５の外周面に向けて冷却用の圧縮エアＡを吐出するノズル孔１５が設けられている。ノズル孔１５の出口１５ａは、外輪間座４の内周面の前記凹み部１３に開口している。この例では、複数個（例えば３個）のノズル孔１５が設けられており、それぞれが円周方向等配に配置されている。

図３に示すように、各ノズル孔１５は、それぞれ内輪間座５の回転方向の前方へ傾斜させてある。つまり、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Ｌから、この直線Ｌと直交する方向にオフセットした位置にある。ノズル孔１５をオフセットさせる理由は、圧縮エアＡを内輪間座５の回転方向に旋回流として作用させて、冷却効果を向上させるためである。なお、図１、図２では、外輪間座４を、ノズル孔１５の中心線を通る断面で表示している。

外輪間座本体１１の外周面には、軸受外部から各ノズル孔１５に圧縮エアＡを導入するための導入溝１６が形成されている。この導入溝１６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、各ノズル孔１５に連通する円弧状に形成されている。導入溝１６は、外輪間座本体１１の外周面において、後述のエアオイル供給経路（図示せず）が設けられる円周方向位置を除く円周方向の大部分を示す角度範囲αにわたって設けられている。図１のように、ハウジング６に圧縮エア導入経路４５が設けられ、この圧縮エア導入経路４５に導入溝１６が連通するように構成されている。ハウジング５の外部には、圧縮エア導入孔４５に圧縮エアＡを供給するエア供給装置（図示せず）が設けられている。

潤滑構造について説明する。
図１に示すように、外輪間座４は、軸受内にエアオイルを供給する前記潤滑用ノズル１２，１２を有する。各潤滑用ノズル１２は、軸受内に突出して内輪３の外周面との間でエアオイル通過用の環状すきまδｂを介して対向する先端部３０を含む。換言すれば、潤滑用ノズル１２の先端部３０が、内輪３の外周面に被さるように軸受内に進入して配置される。また、潤滑用ノズル１２の先端部３０は、保持器９の内周面よりも半径方向の内方に配置されている。

図２に示すように、潤滑用ノズル１２には、この潤滑用ノズル１２と内輪３の外周面間の前記環状すきまδｂにエアオイルを供給するエアオイル供給孔３１が設けられている。 このエアオイル供給孔３１は、軸受側に向かうに従い内径側に至るように傾斜し、先端部３０の内周側に出口が開口している。エアオイル供給孔３１には、ハウジング６および外輪間座本体１１に設けられたエアオイル供給経路（図示せず）を通ってエアオイルが供給される。内輪３の外周面におけるエアオイル供給孔３１の延長線上の箇所には、環状凹み部３ａが設けられている。
潤滑用ノズル１２から吐出されたエアオイルの油が前記環状凹み部３ａに溜り、この油が、内輪３の回転に伴う遠心力により、傾斜面である内輪３の外周面に沿って軸受中心側へと導かれる。

排気構造について説明する。
この軸受装置Ｊには、冷却用の圧縮エアおよび潤滑用のエアオイルを排気する排気経路４６が設けられている。排気経路４６は、外輪間座本体１１における円周方向の一部に設けられた排気溝４７と、ハウジング６に設けられ前記排気溝４７に連通する径方向排気孔４８および軸方向排気孔４９とを有する。前記外輪間座本体１１の排気溝４７は、エアオイル供給経路が設けられる位置とは対角の円周方向位置にわたって形成されている。

上記構成からなる軸受装置の冷却構造の作用について説明する。
外輪間座４に設けたノズル孔１５より、冷却用の圧縮エアＡが内輪間座５の外周面に向けて吹き付けられる。このとき、圧縮エアＡが狭いノズル孔１５内から広い空間１４に吐出されることで、圧縮エアＡが断熱膨張する。ノズル孔１５内における圧縮エアの体積をＶ１、温度をＴ１とし、空間１４での圧縮エアの体積をＶ２、温度をＴ２とした場合、気体の状態方程式、熱力学の第１法則より、Ｖ１＜Ｖ２、Ｔ１＞Ｔ２となる。すなわち、空間１４では、圧縮エアＡの温度が下がると共に、体積が増加する。体積が増加することで、圧縮エアＡの流速が増大する。このように、低温で高速の圧縮エアＡを内輪間座５に吹き付けることで、内輪間座５を効率良く冷却する。

また、ノズル孔１５が内輪間座５の回転方向の前方へ傾斜させたあるため、ノズル孔１５から吐出された圧縮エアＡは、内輪間座５の外周面に沿って旋回しながら軸方向に流れて、前記排気経路４６を通って軸受外部へ排出される。圧縮エアＡが旋回するため、軸方向にまっすぐ流れる場合と比べて、圧縮エアＡが内輪間座５の外周面と接している時間が長く、内輪間座５をより一層効率良く冷却することができる。このため、内輪間座５をより一層効率良く冷却することができる。

このように、内輪間座５が効率良く冷却されることで、この内輪間座５を介して転がり軸受１の内輪３および主軸７を効果的に冷却することができる。この冷却構造は、外輪間座４の内周面に環状の凹み部１３を設け、かつノズル孔１５を傾斜させるという構造的な工夫を施すだけで冷却効率を向上させることができるため、圧縮エアＡを供給するエア供給装置の出力を大きくしなくてもよく、消費電力を抑えることができる。

加えて、外輪間座４の内周面に凹み部１３が設けられていると、次のような効果もある。すなわち、凹み部１３と内輪間座５の間の空間１４に吐出された圧縮エアＡは、外輪間座４と内輪間座５の間の径方向すきまδａを通って軸受外部へ排出される。その際、少なくとも一部の圧縮エアＡは軸受内へ流入する。空間１４よりも径方向すきまδａが狭まっているため、径方向すきまδａを流れる圧縮エアＡの周方向の各部での流速が均一化され、軸受内に流入する圧縮エアＡの流速が均一になる。それにより、圧縮エアＡと回転中の転動体９との衝突音を小さくすることができる。

この実施形態の場合、前記凹み部１３を断面長方形の環状溝としたため、凹み部１３が一定深さとなり加工が容易である。また、図４のように、凹み部１３の底面を構成する部分１１ａを他の部分１１ｂと別体とすると、形状が比較的簡単な複数の部材を組み合わせて外輪間座本体１１が構成されるため、より一層加工が容易である。

図５のように、外輪間座４の内周面の凹み部１３は、ノズル孔１５の出口１５ａが設けられている箇所が最も凹み、この最も凹んだ箇所から軸方向の少なくとも一方側へ行くに従い凹み量が次第に少なくなる断面山形の環状溝であっても良い。図の例では、凹み部１３の底面はテーパ状であるが、これに限らない。この場合、外輪間座４の凹み部１３と内輪間座５との間の空間１４から流れ出る圧縮エアＡの抵抗を抑えることができ、軸受内に流入する圧縮エアＡの流速がより一層均一になる。

以上の各実施形態では、転がり軸受１を内輪回転で使用する場合を示したが、外輪回転で使用する場合も、この発明を適用することができる。その場合、例えば内輪３の内周に嵌合する軸（図示せず）が固定部材、外輪２の外周に嵌合するローラ（図示せず）が回転部材である。

１…転がり軸受
２…外輪（固定側軌道輪）
３…内輪（回転側軌道輪）
４…外輪間座（固定側間座）
５…内輪間座（回転側間座）
６…ハウジング（固定部材）
７…主軸（回転部材）
１１…外輪間座本体
１１ａ…ノズル孔を構成する部分
１１ｂ…他の部分
１２…潤滑用ノズル
１５…ノズル孔
１５ａ…出口
Ｊ…軸受装置

Claims (6)

1. 転がり軸受の内外に対向する固定側軌道輪および回転側軌道輪にそれぞれ隣り合って固定側間座および回転側間座が設けられ、前記固定側軌道輪および固定側間座が、固定部材および回転部材のうちの固定部材に設置され、前記回転側軌道輪および回転側間座が、前記固定部材および回転部材のうちの回転部材に設置される軸受装置において、
   前記固定側間座は、前記転がり軸受内にエアオイルを供給する潤滑用ノズルを有し、
   前記固定側間座における間座同士が対向する周面に環状の凹み部を設け、この凹み部の底面に開口する出口から前記回転側間座の間座同士が対向する周面に向けて冷却用の圧縮エアを吐出するノズル孔を前記固定側間座に設け、この固定側間座には、前記転がり軸受の外部から前記ノズル孔に前記圧縮エアを導入する導入溝が形成され、前記ノズル孔の軸方向寸法は前記導入溝の軸方向寸法よりも小さく、且つ、前記ノズル孔の軸方向寸法は出口側が狭くなっており、前記ノズル孔が、前記固定側間座の前記周面における前記ノズル孔の出口の中心を通る法線に対して、前記回転側間座の回転方向の前方へ傾斜している軸受装置の冷却構造。
2. 請求項１に記載の軸受装置の冷却構造において、前記固定側軌道輪が外輪であり、前記回転側軌道輪が内輪である軸受装置の冷却構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の軸受装置の冷却構造において、前記凹み部は、断面長方形の環状溝である軸受装置の冷却構造。
4. 転がり軸受の内外に対向する固定側軌道輪および回転側軌道輪にそれぞれ隣り合って固定側間座および回転側間座が設けられ、前記固定側軌道輪および固定側間座が、固定部材および回転部材のうちの固定部材に設置され、前記回転側軌道輪および回転側間座が、前記固定部材および回転部材のうちの回転部材に設置される軸受装置において、
   前記固定側間座は、前記転がり軸受内にエアオイルを供給する潤滑用ノズルを有し、
   前記固定側間座における間座同士が対向する周面に環状の凹み部を設け、この凹み部は、前記ノズル孔の出口が設けられている箇所が最も凹み、この最も凹んだ箇所から軸方向の少なくとも一方側へ行くに従い凹み量が次第に少なくなる断面山形の環状溝であり、前記凹み部の底面に開口する出口から前記回転側間座の間座同士が対向する周面に向けて冷却用の圧縮エアを吐出するノズル孔を前記固定側間座に設け、このノズル孔が、前記固定側間座の前記周面における前記ノズル孔の出口の中心を通る法線に対して、前記回転側間座の回転方向の前方へ傾斜している軸受装置の冷却構造。
5. 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において、前記固定側間座における前記凹み部の底面を構成する部分を他の部分とは別体とした軸受装置の冷却構造。
6. 前記回転部材が工作機械の主軸である請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造。

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