JP2018168886A - 軸受装置の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮エアの量が比較的少なくても軸受装置を効率良く冷却できる軸受装置の冷却構造を提供する。
【解決手段】軸受装置Ｊは、転がり軸受１の内外に対向する外輪２および内輪３にそれぞれ隣り合って外輪間座４および内輪間座５が設けられる。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に設置される。外輪間座４と内輪間座５との間に、軸方向中央を基準に線対称で全体的に一部のみが開口した閉塞形状の間座間空間１３が形成されている。外輪間座４の内周面に開口する出口５ａから内輪間座５の外周面に向けて間座間空間１３に圧縮エアＡを吐出するノズル孔１５を有する。出口１５ａから間座間空間１３に吐出される圧縮エアＡの軸線が、軸方向中央を基準にして非対称となるようにノズル孔１５が設けられている。
【選択図】図２

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、２）。特許文献１、２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。

また、特許文献２は、外輪間座の内輪間座と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ノズル孔を設け、このノズル孔から冷却用の圧縮エアを内輪間座の周面に向けて吐出している。この冷却構造によると、狭いノズル孔から前記凹み部からなる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する。そのため、圧縮エアの流速が増して、温度が下がる。この低温の圧縮エアが内輪間座に当たることにより、内輪間座およびそれに接する転がり軸受の内輪がより一層効率良く冷却される。

特開２０００−１６１３７５号公報 特開２０１５−１８３７３８号公報

特許文献２の冷却構造の場合、ノズル孔から吐出される圧縮エアの量を増やすほど、冷却効果が高くなる。しかし、圧縮エアの量を増やすと、ランニングコストが高くつく。また、圧縮エアの量を増やすためにはエア圧縮機の容量を大きくしなければならず、設備コストも高くつく。

この発明の目的は、圧縮エアの量が比較的少なくても軸受装置を効率良く冷却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、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前記固定側間座が、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前記回転側間座が、前記固定部材および前記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、
前記固定側間座と前記回転側間座との間に、軸方向中央を基準に線対称で全体的に一部のみが開口した閉塞形状の間座間空間が形成され、前記固定側間座における間座同士が対向する面に開口する出口から前記回転側間座における間座同士が対向する面に向けて前記間座間空間に圧縮エアを吐出するノズル孔を有し、前記出口から前記間座間空間に吐出される圧縮エアの軸線が軸方向中央を基準にして非対称となるように前記ノズル孔が設けられていることを特徴とする。
例えば、前記固定側軌道輪は外輪であり、前記回転側軌道輪は内輪である。

この構成によると、固定側間座に設けられたノズル孔から、冷却用の圧縮エアが、回転側間座に向けて間座間空間に吐出される。圧縮エアが狭いノズル孔から広い間座間空間に吐出されることにより、圧縮エアが断熱膨張する。この断熱膨張により、圧縮エアの流速が増すと共に、温度が下がる。そのため、回転側間座が効率良く冷却され、それに接する転がり軸受の回転側軌道輪も冷却される。その後、圧縮エアは、間座間空間の開口部から間座間空間の外へ排出される。

ノズル孔から間座間空間に吐出される圧縮エアの軸線が、軸方向中央を基準にして非対称であるため、軸方向中央の両側において圧縮エアの流れが不均等となり軸受の幅方向に向かう渦が生じやすい。このため、圧縮エアが間座間空間から排出されるのに時間がかかり、圧縮エアが間座間空間内に留まる時間が長くなる。これにより、回転側間座をより一層効率良く冷却することができる。よって、比較的圧縮エアの量が少なくても軸受装置を効率良く冷却できる。

前記ノズル孔の前記出口の軸方向位置を、前記間座間空間の軸方向中央に対して軸方向にオフセットさせることによって、ノズル孔の出口から吐出される圧縮エアの軸線が前記間座間空間において軸方向中央を基準にして非対称となる。
上記構成において、前記固定側間座の軸方向幅をＨＢとした場合、前記出口のオフセット量が（ＨＢ／２）×０．１以上であると、圧縮エアが間座間空間内に長時間留まるように、間座間空間内で軸受の幅方向に向かう渦を生じさせることができる。

また、前記ノズル孔の前記出口の中心軸を軸方向に傾斜させることによっても、ノズル孔の出口から吐出される圧縮エアの軸線が前記間座間空間において軸方向中央を基準にして非対称となるようにして、間座間空間内で軸受の幅方向に向かう渦を生じさせることができる。

こ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前記固定側間座が、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前記回転側間座が、前記固定部材および前記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、前記固定側間座と前記回転側間座との間に、軸方向中央を基準に線対称で全体的に一部のみが開口した閉塞形状の間座間空間が形成され、前記固定側間座における間座同士が対向する面に開口する出口から前記回転側間座における間座同士が対向する面に向けて前記間座間空間に圧縮エアを吐出するノズル孔を有し、前記出口から前記間座間空間に吐出される圧縮エアの軸線が軸方向中央を基準にして非対称となるように前記ノズル孔が設けられているため、圧縮エアの量が比較的少なくても軸受装置を効率良く冷却できる。

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拡大断面図である。 同軸受装置の冷却構造の間座間空間を示す図である。 図１のIV−IV断面図である。 この発明の他の実施形態に係る軸受装置の冷却構造の断面図である。 同軸受装置の冷却構造の間座間空間を示す図である。

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は、この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。この例では、工作機械の主軸装置に適用されているが、工作機械の主軸装置だけに限定されるものではない。

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、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」に該当し、外輪間座４、内輪間座５が「固定側間座」、「回転側間座」に該当する。また、主軸７が「回転部材」、ハウジング６が「固定部材」に該当する。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に対して隙間嵌めとされ、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］
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油孔形成部材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油孔形成部材１２，１２がそれぞれ対称配置で固定されている。なお、図１と図２とで片方の転がり軸受１の切断面が異なっている。

外輪間座本体１１の内径寸法は、潤滑油孔形成部材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油孔形成部材１２，１２の側面とで構成される凹み部１３ａが形成されている。外輪間座本体１１の内周面が凹み部１３ａの底面であり、かつ潤滑油孔形成部材１２，１２の側面が凹み部１３ａの側壁面である。図３に示すように、潤滑油孔形成部材１２の側面の内径端部には、断面三角形に切り欠かれた面取り部１２ａが設けられている。

外輪間座４と内輪間座５との間には、間座間空間１３が形成されている。間座間空間１３は、前記凹み部１３ａに、この凹み部１３ａの内径側に位置する円筒状の空間部１３ｂを加えた空間である。円筒状の空間部１３ｂの軸方向範囲は、両潤滑油孔形成部材１２，１２の面取り部１２ａ，１２ａの内径端Ｐ，Ｐ間である。間座間空間１３は、潤滑油孔形成部材１２と内輪間座５との隙間１４および後記環状隙間２２を介して、転がり軸受２の内部空間に繋がっている。つまり、間座間空間１３は、軸方向中央を基準にして線対称で、全体的に一部のみが開口した閉塞形状である。

図２に示すように、前記外輪間座本体１１には、内輪間座５の外周面に向けて間座間空間１３に冷却用の圧縮エア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の凹み部１３ａの底面に開口している。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。

前記ノズル孔１５は、その出口１５ａの軸方向位置が、間座間空間１３の軸方向中央に対して軸方向にオフセットされている。言い換えると、ノズル孔１５の出口１５ａから吐出される圧縮エアＡの軸線が間座間空間１３において軸方向中央を基準にして非対称となるようにしてある。そのオフセット量ＯＳは、外輪間座４の軸方向幅をＨＢとした場合、（ＨＢ／２）×０．１以上とされている。このようにオフセットさせることにより、後述するように、ノズル孔１５から吐出された圧縮エアＡが間座間空間１３内で軸受の幅方向に向かう渦を生じる。

図４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６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］
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、軸受内に潤滑油を供給する前記潤滑油孔形成部材１２，１２を有する。この例では、潤滑油としてエアオイルが用いられる。各潤滑油孔形成部材１２は、内周面が内輪間座５に前記隙間１４を介して対向する基部２０と、この基部２０から軸方向外側に突出して内輪３の外周面との間でエアオイル通過用の環状隙間２２を介して対向する鍔状の先端部２１とからなる。換言すると、潤滑油孔形成部材１２の先端部２１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、潤滑油孔形成部材１２の先端部２１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、潤滑油孔形成部材１２には、この潤滑油孔形成部材１２と内輪３の外周面との間の前記環状隙間２２にエアオイルを供給する潤滑油孔２３が設けられている。この潤滑油孔２３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２１の内周側に出口が開口している。潤滑油孔２３には、ハウジング６および外輪間座本体１１に設けられた潤滑油供給経路（図示せず）を通ってエアオイルが供給される。内輪３の外周面における潤滑油孔２３の延長線上の箇所には、環状凹み部２４が設けられている。
潤滑油孔形成部材１２から吐出されたエアオイルの油が前記環状凹み部２４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］
排気構造について説明する。
図１に示すように、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、潤滑油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。

［冷却構造の作用］
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に設けられたノズル孔１５より、冷却用の圧縮エアＡが内輪間座５の外周面に向けて間座間空間１３に吐出される。圧縮エアＡが狭いノズル孔１５から広い間座間空間１３に吐出されることにより、圧縮エアＡが断熱膨張する。この断熱膨張により、圧縮エアＡの流速が増すと共に、温度が下がる。そのため、内輪間座５が効率良く冷却され、それに接する転がり軸受１の内輪３も冷却される。その後、圧縮エアＡは、間座間空間１３の開口部である前記隙間１４および環状隙間２２を通って軸受空間に流れ、さらに排気経路４６を通って外部へ排出される。

ノズル孔１５から間座間空間１３に吐出される圧縮エアＡの軸線が、軸方向中央を基準にして非対称であるため、軸方向中央の両側において圧縮エアＡの流れが不均等となり軸受の幅方向に向かう渦が生じやすい。このため、圧縮エアＡが間座間空間１３から排出されるのに時間がかかり、圧縮エアが間座間空間１３内に留まる時間が長くなる。これにより、内輪間座５をより一層効率良く冷却することができる。その結果、比較的圧縮エアの量が少なくても軸受装置を効率良く冷却できる。そのため、ランニングコストを低く抑えることができ、エア圧縮機の容量が小さくて済むため設備コストも安くできる。

また、この実施形態の場合、ノズル孔１５が内輪間座５の回転方向の前方へ傾斜させてある。このため、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、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、軸方向に真っ直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。

［他の実施形態］
図５、図６は他の実施形態を示す。この軸受装置の冷却構造は、ノズル孔１５の出口１５ａの中心軸Ｃを軸方向に傾斜させてある。ノズル孔１５の出口１５ａの軸方向位置は、間座間空間１３の軸方向中央に対して軸方向にオフセットされていても、オフセットされていなくてもよい。図５、図６の例では、ノズル孔１５は間座間空間１３の軸方向中央に位置し、そのノズル孔１５から出口１５ａが斜めに延びており、出口１５ａの軸方向位置は、間座間空間１３の軸方向中央に対して軸方向にオフセットされている。他は、前記実施形態と同じ構成である。

この構成の軸受装置Ｊの冷却構造も、ノズル孔１５から間座間空間１３に吐出される圧縮エアＡの軸線が軸方向中央を基準にして非対称となっているため、前記実施形態と同様に、軸方向中央の両側において圧縮エアＡの流れが不均等となり、間座間空間１３内で軸受の幅方向に向かう渦が生じやすい。このため、圧縮エアＡが間座間空間１３内に長く留まり、内輪間座５を効率良く冷却することができる。

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（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）
１３…間座間空間
１５…ノズル孔
１５ａ…出口
Ａ…圧縮エア
Ｃ…中心軸
Ｊ…軸受装置

Claims (4)

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前記固定側間座が、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前記回転側間座が、前記固定部材および前記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、
   前記固定側間座と前記回転側間座との間に、軸方向中央を基準に線対称で全体的に一部のみが開口した閉塞形状の間座間空間が形成され、前記固定側間座における間座同士が対向する面に開口する出口から前記回転側間座における間座同士が対向する面に向けて前記間座間空間に圧縮エアを吐出するノズル孔を有し、前記出口から前記間座間空間に吐出される圧縮エアの軸線が軸方向中央を基準にして非対称となるように前記ノズル孔が設けられ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、前記ノズル孔の前記出口の軸方向位置が、前記間座間空間の軸方向中央に対して軸方向にオフセットしている軸受装置の冷却構造。
3. 請求項２に記載の軸受装置の冷却構造において、前記固定側間座の軸方向幅をＨＢとした場合、前記出口のオフセット量が、（ＨＢ／２）×０．１以上である軸受装置の冷却構造。
4. 請求項１に記載の軸受装置の冷却構造において、前記ノズル孔の前記出口の中心軸が軸方向に傾斜している軸受装置の冷却構造。

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