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JP6899306B2 - 軸受装置の冷却構造 - Google Patents

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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装置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、軸受の冷却を行う方法がある（例えば、特許文献１）。特許文献１では、外輪間座に設けられたノズル孔から、外輪間座と内輪間座の間の空間に圧縮エア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、内輪間座を効率良く冷却する。内輪間座を通過した圧縮エアは、転がり軸受に隣接する外輪間座の軸方向端に設けられた排気口や、軸受内部を通って外部に排出される。
この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てしまう。これを防止するために、グリース潤滑の軸受装置において、内輪間座の軸方向端部に圧縮エアが軸受内部に流入するのを阻止する障害壁を設けることが提案されている（特許文献２）。
特開２０１５−１８３７３８号公報 特開２０１４−６２６１９号公報
しかし、特許文献２の軸受装置の冷却構造は、外輪間座に設けられた供給口から内輪間座に向けて吐出される圧縮エアが、そのまま外輪間座と内輪間座の間の隙間を通って軸方向の外側に抜けてしまうため、圧縮エアが内輪間座に接している時間が短い。そのため、一定の冷却効果はあるものの、十分であるとは言えなかった。
また、特許文献２の軸受装置の冷却構造は、内輪間座の障害壁と外輪間座との間に広い空間が形成されているため、前記隙間を抜けた圧縮エアが前記空間内に乱流状態となって滞留し、排気口から排出され難い。前記空間での圧縮エアの滞留時間が長いと、圧縮エアが軸受空間に流入する可能性が高くなる。
この発明の目的は、冷却用の圧縮エアが内輪間座の表面付近に長く留まって内輪間座を効率良く冷却することができ、かつ内輪間座の冷却を終えた圧縮エアが迅速に排気されて転がり軸受の内部に流入することを極力抑え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回転軸に嵌合し、前記転がり軸受は、外径端が前記外輪に取り付けられ内径端のシールリップが前記内輪の外径面に接触または近接するシール部材が軸方向端部に設けられ、前記外輪と前記内輪と前記シール部材とで囲まれた軸受内部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、
前記外輪間座は、内周面に環状の凹み部を有し、この凹み部の底面に前記内輪間座の外周面に向けて圧縮エアを吐出するエア供給口が開口し、前記内周面における前記凹み部の軸方向両側の部分である外側内周面部は軸方向外側に行くに従い内径が大きくなる断面形状であり、前記外側内周面部の軸方向外側端に前記圧縮エアを外部に排出する排気口が開口し、
前記内輪間座は、外周面の一部が前記外輪間座の内周面における前記凹み部と前記外側内周面部との境界部に対して圧縮エアの流通を制限する絞り隙間を介して対向し、前記外周面は前記絞り隙間よりも軸方向外側に行くに従い前記外側内周面部との間隔が広くなり、軸方向端の外径が前記転がり軸受の前記内輪における前記内輪間座と対向する軸方向端の外径よりも大きいことを特徴とする。
この構成によると、外輪間座の凹み部の底面に開口するエア供給口より、冷却用の圧縮エアが内輪間座の外周面に向けて吐出される。圧縮エアが、狭いエア供給口から、外輪間座の凹み部と内輪間座との間の広い凹み空間に吐出されることで、圧縮エアが断熱膨張する。これにより、圧縮エアの温度が下がると共に、圧縮エアの体積が増加して流速が増大する。このような低温で高速の圧縮エアが内輪間座に吹き付けられることで、内輪間座が効率良く冷却される。
また、前記凹み空間の軸方向両側に絞り隙間があるため、圧縮エアは、凹み空間から流出し難く凹み空間内に一時的に滞留する。これにより、圧縮エアが内輪間座に接する時間が長くなり、内輪間座をさらに効率良く冷却することができる。
このように内輪間座が効率良く冷却されることで、内輪間座に接する転がり軸受や回転軸も効率良く冷却される。
前記絞り隙間を通り抜けた圧縮エアは、外輪間座の外側内周面部と内輪間座の外周面との間に形成される通路空間を通って軸方向外側に流れる。内輪間座の軸方向端の外径が転がり軸受の内輪の軸方向端の外径よりも大きいため、シール部材のシールリップを内輪間座が軸方向に覆った状態となっており、圧縮エアがシールリップに直接当たることが防がれている。前記通路空間は、軸方向外側に行くに従い外側内周面部と内輪間座の外周面との間隔が広くなっているため、圧縮エアが軸方向外側に流れるに従い圧力が低下する。この圧力勾配により、圧縮エアを排気口の側に誘引する作用が生じ、排気口から圧縮エアが円滑に排出される。このため、圧縮空気が軸受内部に流入してグリースを排出することを防止できる。
この発明において、前記外輪間座の前記外側内周面部は、軸方向外側に行くに従い内径が大きくなるテーパ形状であってもよい。
外側内周面部がテーパ形状であっても、圧縮エアを排気口の側に誘引する作用が生じさせることができる。この場合、外側内周面部が単純な形状であるため、外輪間座の加工が容易である。
この発明において、前記内輪間座の外周面は、前記エア供給口から吐出される圧縮エアが当たる部分であるエア受け部の外径が最小であり、前記エア受け部から軸方向外側に行くに従い外径が大きくなるテーパ形状であってもよい。
内輪間座の外周面が上記形状であると、外輪間座の凹み部と内輪間座との間の空間を広く保ちつつ、内輪間座の加工を容易にすることができる。
前記内輪間座の外周面が上記形状である場合、前記内輪間座は、前記エア受け部の軸方向位置で二つの内輪間座分割体に分割されていてもよい。
内輪間座を二つの内輪間座分割体に分割することで、内輪間座の外周に外輪間座を容易に組み込みことができる。
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回転軸に嵌合し、前記転がり軸受は、外径端が前記外輪に取り付けられ内径端のシールリップが前記内輪の外径面に接触または近接するシール部材が軸方向端部に設けられ、前記外輪と前記内輪と前記シール部材とで囲まれた軸受内部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、前記外輪間座は、内周面に環状の凹み部を有し、この凹み部の底面に前記内輪間座の外周面に向けて圧縮エアを吐出するエア供給口が開口し、前記内周面における前記凹み部の軸方向両側の部分である外側内周面部は軸方向外側に行くに従い内径が大きくなる断面形状であり、前記外側内周面部の軸方向外側端に前記圧縮エアを外部に排出する排気口が開口し、前記内輪間座は、外周面の一部が前記外輪間座の内周面における前記凹み部と前記外側内周面部との境界部に対して圧縮エアの流通を制限する絞り隙間を介して対向し、前記外周面は前記絞り隙間よりも軸方向外側に行くに従い前記外側内周面部との間隔が広くなり、軸方向端の外径が前記転がり軸受の前記内輪における前記内輪間座と対向する軸方向端の外径よりも大きいため、冷却用の圧縮エアが内輪間座の表面付近に長く留まって内輪間座を効率良く冷却することができ、かつ内輪間座の冷却を終えた圧縮エアが迅速に排気されて転がり軸受の内部に流入することを極力抑えることができる。
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II−II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。 同軸受装置の組立順序を示す説明図である。 同軸受装置を工作機械の主軸装置に組み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３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がそれぞれ介在している。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からなる転がり軸受１，１が背面組合せで設置されている。各転がり軸受１は、外輪２および内輪３の各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、外輪２の軸方向両端にシール部材３１，３２がそれぞれ取り付けられている。各シール部材３１，３２は、外輪２に設けられた円周溝３３，３４に外径端を嵌め込んで取り付けられ、内径端のシールリップ３１ａ，３２ａが内輪３の外周面に接触または近接している。そして、外輪２と内輪３と両側のシール部材３１，３２に囲まれた軸受内部にグリースが封入される。
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。その場合、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。主軸７は、請求項で言う「回転軸」に相当する。
上記軸受装置Ｊの冷却構造について説明する。
外輪間座４は、内周面の軸方向中央部に環状の凹み部１０を有する。この凹み部１０は、円筒面からなる底面と、内径側へ行くに従い軸方向幅が広くなる側壁面とで構成される断面略台形状である。底面と側壁面とは滑らかな曲面で繋がっている。凹み部１０の底面には、複数箇所にエア供給口１１が開口している。エア供給口１１は、接続孔１２を介して、外輪間座４の外周面に設けられた環状の導入溝１３に接続されている。
図２に示すように、この例では、エア供給口１１の数は３個であり、円周方向に等配とされている。また、各エア供給口１１は、内輪間座５の回転方向の前方に傾斜させてある。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ＯＳした位置にある。なお、図１では、外輪間座４を、エア供給口１１の中心線を通る断面で表示している。
軸受装置Ｊの外部に圧縮エア供給装置（図示せず）が設けられ、この圧縮エア供給装置から、ハウジング６に設けられた圧縮エア導入孔４６を通って、導入溝１３に圧縮エアＡが供給される。
図１において、外輪間座４の内周面における前記凹み部１０の軸方向両側の部分は、軸方向外側に行くに従い内径が大きくなるテーパ状内周面部１６となっている。このテーパ状内周面部１６は、請求項で言う「外側内周面部」に相当する。テーパ状内周面部１６の軸方向外側端には、エア供給口１１と同数の排気口１７が開口している。排気口１７は例えば図３の展開図に示すような矩形に切り欠かれた形状であり、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、軸受装置Ｊの内部と外部とを連通する開口形状となる。
図１において、内輪間座５は、エア供給口１１から吐出される圧縮エアＡが当たるエア受け部５ａの外径が最小であり、このエア受け部５ａから軸方向外側に行くに従い外径が大きくなっている。この例の場合、エア受け部５ａは内輪間座５の軸方向中央部である。つまり、内輪間座５の外周面もテーパ形状である。このテーパ形状である内輪間座５の外周面の傾斜度は、外輪間座４のテーパ状内周面部１６の傾斜度よりも小さい。内輪間座５の軸方向端の外径は、転がり軸受１の内輪３における内輪間座５と対向する軸方向端の外径よりも大きい。内輪間座５は、エア受け部５ａの軸方向位置で二つの内輪間座分割体５Ａ，５Ｂに分割されている。
内輪間座５の外周面の一部が、外輪間座４の内周面における凹み部１０とテーパ状内周面部１６との境界部に対して絞り隙間１８を介して対向している。これにより、外輪間座４の凹み部１０と内輪間座５との間に凹み部空間２０と、外輪間座４のテーパ状内周面部１６と内輪間座５との間の通路空間２１とが隔てられ、凹み部空間２０から通路空間２１への圧縮エアＡの流通を制限している。
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。
この軸受装置Ｊは、運転時等に、外輪間座４に設けられたエア供給口１１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が狭いエア供給口１１内から広い凹み部空間２０に吐出されることで、圧縮エアＡが断熱膨張する。これにより、凹み部空間２０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。
凹み部空間２０の軸方向両側に絞り隙間１８があるため、凹み部空間２０から通路空間２１への圧縮エアＡの流通が制限されている。また、エア供給口１１が内輪間座５の回転方向の前方へ傾斜させてあるため、凹み部空間２０内を圧縮エアＡが円周方向に旋回することで、軸方向への流れが抑制される。これにより、圧縮エアＡが凹み部空間２０内に長く留まる。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、内輪間座５に接する転がり軸受１や主軸７も効率良く冷却される。
絞り隙間１８を通り抜けた圧縮エアＡは、外輪間座４のテーパ状内周面部１６と内輪間座５の外周面との間の通路空間２１を軸方向外側へ流れる。内輪間座５の軸方向端の外径が転がり軸受１の内輪３の軸方向端の外径よりも大きいため、シール部材３１のシールリップ３１ａを内輪間座５が軸方向に覆った状態となっており、圧縮エアＡがシールリップ３１ａに直接当たることが防がれる。通路空間２１は、軸方向外側に行くに従い外輪間座４のテーパ状内周面部１６と内輪間座５の外周面との間隔が広くなっているため、圧縮エアＡが通路空間２１を軸方向外側に流れるに従い圧力が低下する。この圧力勾配により、圧縮エアＡを排気口１７の側に誘引する作用が生じ、排気口１７から圧縮エアＡが円滑に排出される。このため、圧縮空気Ａが軸受内部に流入してグリースを排出してしまうことを防止できる。
次に、この軸受装置Ｊの組立順序について説明する。
まず、図４（Ａ）のように、主軸７に片方（例えば右側）の転がり軸受１を組み付ける。その際、主軸７の段部７ａまたは主軸７の外周に嵌合した位置決め間座に内輪３を当接させることで、軸方向の位置決めをする。その後、図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）のように、片方（右側）の内輪間座分割体５Ｂ、外輪間座４、もう片方（左側）の内輪間座分割体５Ａ、およびもう片方（左側）の転がり軸受１を順に組み付けることで、軸受装置Ｊが組み上がる。
内輪間座５が二つの内輪間座分割体５Ａ，５Ｂに分割されているため、上記のように内輪間座５の外周に外輪間座４を容易に組み込みことができる。外輪間座４および内輪間座分割体５Ａ，５Ｂは、比較的簡素な形状であって加工が容易であるので、量産性に優れている。
図５は、上記軸受装置Ｊ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２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および内輪押さえ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４２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４の外周面に設けられた前記導入溝１３に連通している。また、ハウジング６および外輪押さえ４２には排気孔４７が設けられ、この排気孔４７は外輪間座５の前記排気口１７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転がり軸受１および主軸７の冷却効果が高いので、主軸装置Ｊ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７の支持に好適に用いることができる。
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１…転がり軸受
２…外輪
３…内輪
４…外輪間座
５…内輪間座
５Ａ，５Ｂ…内輪間座分割体
５ａ…エア受け部
６…ハウジング
７…主軸（回転軸）

Claims (4)

  1. 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回転軸に嵌合し、前記転がり軸受は、外径端が前記外輪に取り付けられ内径端のシールリップが前記内輪の外径面に接触または近接するシール部材が軸方向端部に設けられ、前記外輪と前記内輪と前記シール部材とで囲まれた軸受内部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、
    前記外輪間座は、内周面に環状の凹み部を有し、この凹み部の底面に前記内輪間座の外周面に向けて圧縮エアを吐出するエア供給口が開口し、前記内周面における前記凹み部の軸方向両側の部分である外側内周面部は軸方向外側に行くに従い内径が大きくなる断面形状であり、前記外側内周面部の軸方向外側端に前記圧縮エアを外部に排出する排気口が開口し、
    前記内輪間座は、外周面の一部が前記外輪間座の内周面における前記凹み部と前記外側内周面部との境界部に対して圧縮エアの流通を制限する絞り隙間を介して対向し、前記外周面は前記絞り隙間よりも軸方向外側に行くに従い前記外側内周面部との間隔が広くなり、軸方向端の外径が前記転がり軸受の前記内輪における前記内輪間座と対向する軸方向端の外径よりも大きいことを特徴とす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、前記外輪間座の前記外側内周面部は、軸方向外側に行くに従い内径が大きくなるテーパ形状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、前記内輪間座の外周面は、前記エア供給口から吐出される圧縮エアが当たる部分であるエア受け部の外径が最小であり、前記エア受け部から軸方向外側に行くに従い外径が大きくなるテーパ形状である軸受装置の冷却構造。
  4. 請求項３に記載の軸受装置の冷却構造において、前記内輪間座は、前記エア受け部の軸方向位置で二つの内輪間座分割体に分割されている軸受装置の冷却構造。
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