JP2009138896A - 転がり軸受およびその潤滑方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 潤滑性を向上させて高速化を図ることができると共に、潤滑油の摩擦抵抗による動力損失を低く抑えられる転がり軸受を提供する。
【解決手段】 転がり軸受１は、内輪２、複数の転動体４、および保持器５を備える。内輪２は、軌道面２ａの少なくとも片側に外径側へ突出する外径部６を有する。転動体４は、内輪２の軌道面２ａに転接し、保持器５のポケット１０内に保持される。保持器５は、その内径面の一部である被案内面５ａが内輪外径部６の外径面である案内面２ｂに対向して案内される。保持器５内径面における被案内面５ａの軸方向外側に円周溝１１３を設ける。保持器５におけるポケット１０間の柱部１１およびその延長上の内径面に円周方向溝１１４を設ける。これら円周溝１３および円周方向溝１４を連通する軸方向溝１５を、柱部１１の内径面に設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、工作機械の主軸等の支持に使用される転がり軸受、およびその潤滑装置に関する。

工作機械の主軸に使用される軸受には、高い回転精度と剛性が必要である。また、最近では加工能率の向上のために主軸の高速化が図られており、軸受に対して高い高速対応性が要求されている。このような要求に対して、転動体に円筒ころを用いた円筒ころ軸受を、組込み後の軸受内部すきまをほとんど零に近い値まで小さくして使用することが行われている。円筒ころ軸受を高速運転するための潤滑方法として、運転中の動力損失を小さく抑えられるオイルミストあるいはエアオイル等による微量油潤滑が多く用いられる。

高速運転に適した代表的な潤滑方法であるエアオイル潤滑では、一般的に、例えば特許文献１で開示されているような技術が採用されている。この技術は、内輪外径面の軸方向両側に円筒ころを案内するつば部を有するＮ型円筒ころ軸受に適用され、保持器が外輪の内径面に案内される外輪案内方式とされている。上記Ｎ型円筒ころ軸受は、組込み作業性の良さから、工作機械主軸用の軸受に多く採用されている。特許文献１には、保持器を外輪案内方式とすることで、保持器の内径面と内輪つば部の外径面との間に比較的広いすきま部が確保でき、このすきま部に軸受の軸方向端部に設けたノズルよりエアオイルを噴射することで、潤滑油が軸受内に導入され、回転に伴う遠心力を利用して軌道面および保持器の案内面の潤滑がスムーズに行われるということが記載されている。
特開２００２−３２３０４８号公報

円筒ころ軸受を高速運転するためには、潤滑油を必要とする箇所へ確実に供給すること、ならびに潤滑による運転中の動力損失を低減することが課題となる。潤滑油供給が必要な箇所としては、具体的に次の部位が挙げられる。
・内外輪の軌道面と円筒ころの転動面間
・内輪のつば部の側面と円筒ころの端面間
・保持器のポケット壁面と円筒ころの転動面間
・内外輪の保持器案内面と保持器の被案内面間
また、軸受の動力損失低減を図るためには、次のことを考慮する必要がある。
・内外輪の保持器案内面と保持器の被案内面間の摩擦低減
・軸受内に滞留する潤滑油による抵抗の低減
・運転中における内輪の熱膨張による予圧増加の抑制

これらの課題に対し、特許文献１では、保持器を外輪案内方式として保持器の内径側から給油することにより、軸受の回転による遠心力を利用してスムーズな潤滑ができる、としている。しかし、軸方向片側からだけの給油では、内外輪の軌道面と円筒ころの転動面間への潤滑油供給が難しい。また、ノズルのある側と反対側の内輪つば部と円筒ころ端面間への潤滑油供給も難しい。さらに、動力損失に関しては、以下の点で不利である。すなわち、内外輪および保持器間の保持器案内部には潤滑油が滞留して、その潤滑油の抵抗が発生するが、保持器が外輪案内方式であると、上記抵抗発生箇所が径方向に大きな位置にあるため、軸受の動力損失が大きくなるのである。
他の転がり軸受を高速運転する場合の課題および問題点も、上記円筒ころ軸受とほぼ同じである。

この発明の目的は、潤滑性を向上させて高速化を図ることができると共に、潤滑油の摩擦抵抗による動力損失を低く抑えられる転がり軸受、およびその転がり軸受の潤滑に適し、かつ運転時の内輪の熱膨張による予圧増加を抑制して動力損失を低く抑えられる潤滑方法を提供することである。

この発明の転がり軸受は、外径面に軌道面が形成され、この軌道面の少なくとも片側に外径側へ突出する内輪外径部を有する内輪と、この内輪の軌道面に転接する複数の転動体と、これら複数の転動体をポケット内に保持する保持器とを備え、前記保持器は、その内径面の一部である被案内面が前記内輪外径部の外径面である案内面に対向して案内されるものであり、保持器内径面における前記被案内面の軸方向外側に円周溝を設けると共に、保持器におけるポケット間の柱部の内径面に円周方向溝を設け、これら円周溝と円周方向溝を連通する軸方向溝を前記柱部およびその延長上の内径面に設けたことを特徴とする。

この構成によると、軸方向両側から供給される潤滑油が、保持器内径面の円周溝から軸方向溝に流入する。この軸方向溝を流れる潤滑油により、内輪の保持器案内面と保持器の被案内面間が潤滑される。潤滑油は、軸方向溝から円周方向溝を経て、保持器と内輪との間の空間に流出する。この潤滑油が、保持器のポケット壁面および内輪の軌道面を潤滑する。転動体の回転により潤滑油が外輪側へ移動して、外輪の軌道面を潤滑する。また、潤滑油が内輪の軌道面に沿って外径部側へ伝わり、外径部の側面を潤滑する。
このように、保持器の内径面に設けた円周溝、軸方向溝、および円周方向溝により外部から供給される潤滑油を軸受内へ導くことにより、潤滑油を必要とする箇所へ確実に供給することができる。このため、高速運転が可能である。保持器を内外輪で案内する場合、保持器と内外輪間に介在する潤滑油による抵抗が発生するが、この発明の構成では、上記抵抗の発生箇所が内輪外径面であり、径方向位置が比較的小さい位置であるため、潤滑油の抵抗による動力損失が小さくてすむ。具体的には、保持器を外輪で案内する場合に比べ、動力損失が小さい。

この発明において、前記転動体をころとすることができる。
この発明はいずれの形式の転がり軸受にも適用できるが、転動体が玉である場合よりもころである場合の方が、発明の効果がより顕著に現れる。なぜなら、転動体がころである軸受は、構造的に、外部から供給される潤滑油が軌道面に浸入しにくいという傾向があるからである。

前記内輪外径面における軌道面の両側部は、前記案内面と、この案内面から軸方向外側へと続き軸方向外側が小径となるテーパ面とでなり、これら案内面とテーパ面の境界の軸方向位置が、前記円周溝の軸方向幅内に位置するのがよい。
この構成であると、潤滑油の流れが次のようになる。すなわち、外部から供給される潤滑油が内輪のテーパ面に付着すると、その潤滑油は、表面張力と内輪の回転に伴う遠心力により、付着した状態のままテーパ面の大径側へ移動する。テーパ面の最大径部まで移動した潤滑油は、そこで遠心力により外径方向へ飛散する。内輪の案内面とテーパ面の境界の軸方向位置は、保持器内径面の円周溝の軸方向幅内に位置するため、飛散した潤滑油の大半は、上記円周溝に受け止められる。そして、円周溝→軸方向溝→円周方向溝の経路を流れて、軸受各部を潤滑する。これにより、軸受の各部をバランス良く潤滑することができる。

前記テーパ面の角度α（ｄｅｇ）は、転動体配列のピッチ円直径をｄｍ（ｍｍ）、軸受の仕様回転数をｎ（ｍｉｎ^−１）とした場合に、
α＞０．０５３×ｄｍ×ｎ×１０^−４−２．２
の関係が成り立つように設定するのがよい。
前述したように潤滑油を軸受内へ導くには、内輪テーパ面に付着した潤滑油が、付着したまま確実に最大径部まで移動する必要がある。それには、試験結果より、内輪のテーパ面の角度につき、上記関係が成り立つと良いことが判明した。

この発明の転がり軸受の潤滑方法は、上記転がり軸受に対する潤滑方法であって、潤滑油と空気を混合したエアオイルを外部から供給し、そのエアオイルをノズルにより前記内輪のテーパ面に向けて噴射することにより、軸受内部に潤滑油を導入することを特徴とする。
エアオイルの状態で潤滑油を外部から軸受内に導入することにより、少量の潤滑油で軸受の潤滑を行える。また、ノズルにより内輪のテーパ面に向けて噴射されたエアオイルは、空気の断熱膨張により低温化し、この低温化したエアオイルが内輪のテーパ面に付着することで、内輪を効果的に冷却する。そのため、運転中における内輪の熱膨張による予圧増加を抑制できる。

第１の発明の潤滑方法において、前記ノズルから前記内輪のテーパ面までの距離を６ｍｍ以下とするのがよい。
試験結果より、ノズルから内輪のテーパ面までの距離が６ｍｍ以下である場合に、前記エアオイルの断熱膨張による断熱冷却効果が最も大きいことが判明した。

この発明の転がり軸受は、外径面に軌道面が形成され、この軌道面の少なくとも片側に外径側へ突出する内輪外径部を有する内輪と、この内輪の軌道面に転接する複数の転動体と、これら複数の転動体をポケット内に保持する保持器とを備え、前記保持器は、その内径面の一部である被案内面が前記内輪外径部の外径面である案内面に対向して案内されるものであり、保持器内径面における前記被案内面の軸方向外側に円周溝を設けると共に、保持器におけるポケット間の柱部の内径面に円周方向溝を設け、これら円周溝と円周方向溝を連通する軸方向溝を前記柱部およびその延長上の内径面に設けたため、潤滑性を向上させて高速化を図ることができると共に、潤滑油の摩擦抵抗による動力損失を低く抑えられる。

また、この発明にかかる転がり軸受の潤滑方法は、潤滑油と空気を混合したエアオイルを外部から供給し、そのエアオイルをノズルにより前記内輪のテーパ面に向けて噴射することにより、軸受内部に潤滑油を導入するため、上記転がり軸受の潤滑に適し、かつ運転時の内輪の熱膨張による予圧増加を抑制して動力損失を低く抑えられる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。この転がり軸受１は円筒ころ軸受であり、内輪２と、外輪３と、これら内外輪２，３の軌道面２ａ，３ａ間に介在させた転動体としての複数の円筒ころ４と、各円筒ころ４を保持する環状の保持器５とを有する。内輪２は軌道面２ａの両側に外径側へ突出する外径部としてのつば部６，６を有し、外輪３はつば無しである。この形式はＮ型と呼ばれる。内輪２の軸方向両側には内輪位置決め間座７が配置され、外輪３の軸方向両側には外輪位置決め間座８が配置される。

内輪２の外径面は、軸方向中央部に位置する前記軌道面２ａと、前記つば部６の外径面である保持器案内用の案内面２ｂと、この案内面２ｂから軸方向外側へと続き軸方向外側が小径となるテーパ面２ｃとでなる。軌道面２ａと案内面２ｂとを繋ぐ段面は、円筒ころ４の端面に対向するつば部側面６ａになっている。外輪３の内径面は、軸方向中央部に位置する前記軌道面３ａと、この軌道面３ａから軸方向外側へと続き軸方向外側が小径となるテーパ面３ｂとでなる。前記テーパ面２ｃの角度α（ｄｅｇ）は、ころ配列のピッチ円直径をｄｍ（ｍｍ）、軸受の仕様回転数をｎ（ｍｉｎ^−１）とした場合に、
α＞０．０５３×ｄｍ×ｎ×１０^−４−２．２ ・・・（式１）
の関係が成り立つように設定されている。その根拠は後で示す。

保持器５は、円周方向に所定間隔を隔てて設けられた複数のポケット１０を有し、このポケット１０内に各円筒ころ４が保持される。各ポケット１０間の部分は柱部１１である。保持器５の内径面の一部は、内輪２の案内面２ｂに対して僅かなすきまを持った状態で対向する被案内面５ａとされ、内輪２の回転時に案内面２ｂに沿って被案内面５ａが摺接することで内輪２により保持器５が案内される。すなわち、保持器５は内輪案内構造となっている。

保持器５の内径面には、軸方向両端部に円周溝１３が、軸方向中央部に円周方向溝１４がそれぞれ設けられている。円周溝１３は、前記被案内面５ａの軸方向外側に位置し、その軸方向幅内に、前記内輪２の案内面２ｂとテーパ面２ｃの境界の軸方向位置が位置するように設けられている。円周方向溝１４は、各柱部１１を断続的に結ぶように円周方向に設けられ、その軸方向位置が前記内輪軌道面２ａの軸方向幅内に位置する。これらの円周溝１３および円周方向溝１４を連通する軸方向溝１５が、前記柱部１１およびその延長上の内径面に設けられている。図３に示すように、軸方向溝１５は、溝底の形状が円弧状をしている。

外輪位置決め間座８は、転がり軸受１を軸受箱３１（図１３）に組み込む際の外輪３の位置決めと固定を行う役割と、外部にあるエアオイル供給装置７０（図１３）から供給されるエアオイルを軸受内に導入する役割とを有し、エアオイル吐出用のノズル１７が円周方向の１箇所または複数箇所に形成されている。ノズル１７は、軸方向内側かつ内径側を向くように傾斜しており、その吐出口の延長線上に内輪２のテーパ面２ｃが位置している。ノズル１７からテーパ面２ｃまでの距離ｈは、６ｍｍ以下に設定してある（ｈ＜６ｍｍ）。その理由は、後で説明する。外輪位置決め間座８の外径面にはエアオイル供給口１８が形成され、このエアオイル供給口１８から内径側に向けて延びる給油路１９の先にノズル１７が繋がっている。

内輪位置決め間座７と外輪位置決め間座８とは僅かにすきまを持った状態で対向させてあり、両間座７，８と転がり軸受１との間に、ノズル１７から噴射されたエアオイルが一時的に滞留する空間２０が形成されている。外輪位置決め間座８の外輪３側の端部には、上記空間２０内のエアオイルを外部に排出する排油孔２１が、円周方向の複数箇所に形成されている。

この構成の転がり軸受１の潤滑方法について説明する。潤滑には、潤滑油を加圧空気で搬送して潤滑油と空気を混合させたエアオイルが用いられる。外部から供給されるエアオイルが、エアオイル供給口１８および給油路１９を経て、ノズル１７から内輪２のテーパ面２ｃに向けて噴射される。そして、潤滑油がテーパ面２ｃに付着する。内輪２は回転しているため、テーパ面２ｃに付着した潤滑油には遠心力が作用する。潤滑油は、表面表力の作用でテーパ面２ｃに付着した状態のまま、テーパ面２ｃの大径側へ移動する。前記式１は、テーパ面２ｃに沿う潤滑油の移動を可能にするテーパ面２ｃの角度αを規定するものであり、試験により求められた。

テーパ面２ｃの最大径部まで移動した潤滑油は、そこで遠心力により、図２に矢印Ａで示すように外径方向へ飛散する。テーパ面２ｃの最大径部、すなわち内輪２の案内面２ｂとテーパ面２ｃの境界の軸方向位置は、保持器５の円周溝１３の軸方向幅内に位置するため、飛散した潤滑油の大半は、上記円周溝１３に受け止められる。そして、この円周溝１３から軸方向溝１５に流入する（矢印Ｂ）。軸方向溝１５を流れる潤滑油により、内輪２の案内面２ｂと保持器５の被案内面５ａ間が潤滑される。軸方向溝１５は、溝底の形状が円弧状であり、内輪２の案内面２ｂと対向する面積が広いため、上記潤滑を効率良く行える。また、軸方向溝１５の底面と被案内面５ａとが成す角度が鈍角であるため、内輪２と保持器５が相対回転する際に軸方向溝１５の存在が障害になりにくい。

潤滑油は、軸方向溝１５から軸方向中央部の円周方向溝１４を経て、保持器５と内輪２との間の空間２２に流出する（矢印Ｃ）。この潤滑油が、ポケット１０の壁面１０ａと円筒ころ４の転動面４ａ間（図３）、および内輪２の軌道面２ａと円筒ころ４の転動面４ａ間を潤滑する。円筒ころ４の回転により潤滑油が外輪３側へ移動して、外輪３の軌道面３ａと円筒ころ４の転動面４ａ間も潤滑される。また、潤滑油が内輪２の軌道面２ａに沿ってつば部６へ伝わり、つば部６の側面６ａと円筒ころ４の端面４ｂ間を潤滑する。

上記のように軸受各部の潤滑に供された潤滑油は、テーパ面２ｃに付着しなかった潤滑油や、テーパ面２ｃの最大径部から外径方向へ飛散したが円周溝１３に受け止められなかった潤滑油と共に、排油孔２１から外部へと排出される。

このように、保持器５の内径面に設けた円周溝１３、軸方向溝１５、および円周方向溝１４により外部から供給される潤滑油を軸受内へ導くことにより、潤滑油を必要とする箇所へ確実に供給して、軸受の各部をバランス良く潤滑することができる。このため、高速運転が可能である。

一般に、保持器を内外輪で案内する場合、保持器と内外輪間に介在する潤滑油による抵抗が発生する。この実施形態の転がり軸受１は保持器５が内輪案内構造であるため、上記抵抗の発生箇所は、径方向位置が比較的小さい内輪２の外径面である。そのため、潤滑油の抵抗による動力損失が小さくてすむ。具体的には、保持器を外輪で案内する場合に比べ、動力損失が小さい。

また、この潤滑方法によると、ノズル１７によりエアオイルを内輪２のテーパ面２ｃに向けて噴射することにより、内輪２を冷却する効果が得られる。すなわち、ノズル１７から噴射されたエアオイルは空気の断熱膨張により低温化し、その低温化したエアオイルを内輪２のテーパ面２ｃに噴射することにより、内輪２を効果的に冷却することができる。それにより、運転中における内輪２の熱膨張による予圧増加を抑制でき、軸受の動力損失低減を図れる。

ノズル１７から内輪２のテーパ面２ｃまでの距離ｈの適正値を求めるために、図５に示す方法で試験を行った。試験方法は、レギュレータ６０、流量計６１、圧力計６２等により一定の流量および圧力に調整された加圧空気をノズル１７から噴射させ、噴射前の空気温度Ｔ１と噴射後の空気温度Ｔ２を比較するというものである。噴射後の空気温度Ｔ２は、ノズル１７に正対して設けた熱電対６３で測定する。熱電対６３は断熱材６４により被覆してある。試験に用いたノズル１７の口径は、φ１．４ｍｍ、加圧空気の圧力は０．４ＭＰａとした。上記方法による温度差の測定を、ノズル１７から熱電対６３まで距離ｈを変えて行った。

図６は試験結果を示すグラフである。試験結果から、ノズル１７から熱電対６３までの距離ｈが６ｍｍ以下である場合に加圧空気の断熱膨張による断熱冷却効果が大きく、距離ｈが６ｍｍを超えると断熱冷却効果が次第に低下することが判明した。そこで、ノズル１７から内輪２のテーパ面２ｃまでの距離ｈを６ｍｍ以下とした。

図７ないし図１０は、この発明の第２の実施形態を示す。この転がり軸受１０１はアンギュラ玉軸受であり、内輪１０２と、外輪１０３と、これら内外輪１０２，１０３の軌道面１０２ａ，１０３ａ間に介在させた転動体である複数の玉１０４と、各玉１０４を保持する環状の保持器１０５とを有する。内輪１０２は、軌道面１０２ａよりも軸受正面側に外径側へ突出する外径部１０６を有し、外輪１０３は、軌道面１０３ａよりも軸受背面側に内径側へ突出する小径部１０７を有する。内輪１０２の軸受正面側には、内輪位置決め間座７が配置され、外輪１０３の軸受正面側には、外輪位置決め間座８が配置される。なお、軸受正面側は図７の左方向である。

内輪１０２の外径面は、軸方向中央部に位置する断面円弧状の軌道面１０２ａと、外径部１０６の外径面である保持器案内用の案内面１０２ｂと、この案内面１０２ｂから軸受正面側へと続き軸受正面側が小径となるテーパ面１０２ｃと、軌道面１０２ａの軸受背面側へ続くステップ面１０２ｄとでなる。第１の実施形態と同様、テーパ面１０２ｃの角度α（ｄｅｇ）は、玉配列のピッチ円直径をｄｍ（ｍｍ）として、前記式１の関係が成り立つように設定されている。

保持器１０５は、円周方向に所定間隔を隔てて設けられた複数のポケット１１０を有し、このポケット１１０内に各玉１０４が保持されている。各ポケット１１０間の部分は柱部１１１である。保持器１０５の内径面の一部は、内輪１０２の案内面１０２ｂに対して僅かなすきまを持つ状態で対向する被案内面１０５ａとされ、内輪１０２の回転時に案内面１０２ｂに沿って被案内面１０５ａが摺接することで内輪１０２により保持器１０５が案内される。すなわち、保持器１０５は内輪案内構造となっている。

保持器１０５の内径面には、軸受正面側部に円周溝１１３が、軸方向中央部に円周方向溝１１４がそれぞれ設けられている。円周溝１１３は、前記被案内面１０５ａの軸受正面側に位置し、その軸方向幅内に、前記内輪１０２の案内面１０２ｂとテーパ面１０２ｃの境界の軸方向位置が位置するように設けられている。円周方向溝１１４は、各柱部１１１を断続的に結ぶように円周方向に設けられ、その軸方向位置が前記内輪軌道面１０２ａの軸方向幅内に位置する。これらの円周溝１１３，１１４を連通する軸方向溝１１５が、前記柱部１１１およびその延長上の内径面に設けられている。図９に示すように、軸方向溝１１５は、溝底の形状が円弧状をしている。

外輪位置決め間座８は、第１の実施形態のものと同じ構造であり、ノズル１７の吐出口の延長線上に内輪１０２のテーパ面１０２ｃが位置している。この実施形態も、ノズル１７からテーパ面１０２ｃまでの距離ｈを６ｍｍ以下に設定してある（ｈ＜６ｍｍ）。その理由は、第１の実施形態の場合と同様である。

この転がり軸受１０１の潤滑方法も、基本的には、第１の実施形態の転がり軸受１の潤滑方法と同じである。すなわち、外部から供給されるエアオイルが、ノズル１７から内輪１０２のテーパ面１０２ｃに向けて噴射される。そして、潤滑油がテーパ面１０２ｃに付着する。内輪１０２は回転しているため、テーパ面１０２ｃに付着した潤滑油には遠心力が作用する。テーパ面１０２ｃの角度αを前記式１の関係が成り立つ値に設定したことにより、潤滑油は、表面表力の作用でテーパ面１０２ｃに付着した状態のまま、テーパ面１０２ｃの大径側へ移動する。

テーパ面１０２ｃの最大径部まで移動した潤滑油は、そこで遠心力により、図８に矢印Ａで示すように外径方向へ飛散する。テーパ面１０２ｃの最大径部、すなわち内輪１０２の案内面１０２ｂとテーパ面１０２ｃの境界の軸方向位置は、保持器１０５の円周溝１１３の軸方向幅内に位置するため、飛散した潤滑油の大半は、上記円周溝１１３に受け止められる。そして、この円周溝１１３から軸方向溝１１５に流入する（矢印Ｂ）。軸方向溝１１５を流れる潤滑油により、内輪１０２の案内面１０２ｂと保持器１０５の被案内面１０５ａ間が潤滑される。軸方向溝１１５は、溝底の形状が円弧状であり、内輪１０２の案内面１０２ｂと対向する面積が広いため、上記潤滑を効率良く行える。また、軸方向溝１１５の底面と被案内面１０５ａとが成す角度が鈍角であるため、内輪１０２と保持器１０５が相対回転する際に軸方向溝１１５の存在が障害になりにくい。

潤滑油は、軸方向溝１１５から円周方向溝１１４を経て、保持器１０５と内輪１０２との間の空間１２２に流出する（矢印Ｃ）。この潤滑油が、ポケット１１０の壁面１１０ａ、および内輪１０２の軌道面１０２ａを潤滑する。玉１０４の回転により潤滑油が外輪１０３側へ移動して、外輪１０３の軌道面１０３ａも潤滑される。

上記のように軸受各部の潤滑に供された潤滑油は、テーパ面１０２ｃに付着しなかった潤滑油や、テーパ面１０２ｃの最大径部から外径方向へ飛散したが円周溝１１３に受け止められなかった潤滑油と共に、排油孔２１から外部へと排出される。

このように、保持器１０５の内径面に設けた円周溝１１３、軸方向溝１１５、および円周方向溝１１４により外部から供給される潤滑油を軸受内へ導くことにより、潤滑油を必要とする箇所へ確実に供給して、軸受の各部をバランス良く潤滑することができる。このため、高速運転が可能である。

一般に、保持器を内外輪で案内する場合、保持器と内外輪間に介在する潤滑油による抵抗が発生する。この転がり軸受１０１は保持器１０５が内輪案内構造であるため、上記抵抗の発生箇所は、径方向位置が比較的小さい内輪１０２の外径面である。そのため、潤滑油の抵抗による動力損失が小さくてすむ。具体的には、保持器を外輪で案内する場合に比べ、動力損失が小さい。

また、この潤滑方法によると、ノズル１７によりエアオイルを内輪１０２のテーパ面１０２ｃに向けて噴射することにより、内輪１０２を冷却する効果が得られる。すなわち、ノズル１７から噴射されたエアオイルは空気の断熱膨張により低温化し、その低温化したエアオイルを内輪１０２のテーパ面１０２ｃに噴射することにより、内輪１０２を効果的に冷却することができる。それにより、運転中における内輪１０２の熱膨張による予圧増加を抑制でき、軸受の動力損失低減を図れる。

第１の実施形態では、ころ軸受の一種である円筒ころ軸受に本発明を適用した例を示し、第２の実施形態では、玉軸受の一種であるアンギュラ玉軸受に本発明を適用した例を示したが、この発明は上記以外の軸受にも適用できる。
図１１は第３の実施形態を示し、この実施形態は、この発明を円すいころ軸受に適用したものである。繰り返しになる説明は省略し、円筒ころ軸受である転がり軸受１（第１の実施形態）と異なる点についてだけ記す。この円すいころ軸受である転がり軸受２０１は、内輪２０２の外周に形成された円すい面からなる軌道面２０２ａと、外輪２０３の内周に形成された円すい面からなる軌道面２０３ａ間に、転動体である円すいころ２０４が介在している。内輪２０２は、軌道面２０２ａの両側に、外径部としての大つば部２０６および小つば部２０７をそれぞれ有する。これら大つば部２０６および小つば部２０７の外径面は、それぞれ保持器２０５案内用の案内面２０２ｂである。大つば部２０６の案内面２０２ｂから円すいころ大径側へ続く面は、円すいころ大径側が小径となるテーパ面２０２ｃとされている。このテーパ面２０２ｃの角度α（ｄｅｇ）も、ころ配列のピッチ円直径をｄｍ（ｍｍ）として、前記式１の関係が成り立つように設定されている。

保持器２０５は内輪案内構造であり、保持器２０５の内径面の一部は、内輪２０２の案内面２０２ｂに対して僅かなすきまを持つ状態で対向する被案内面２０５ａとされている。また、保持器２０５の内径面には、円すいころ大径側の円周溝２１３と、それよりも小径側の円周方向溝２１４と、これらの円周溝２１３および円周方向溝２１４を連通する軸方向溝２１５とが設けられている。円周方向溝２１４の円すいころ中心軸方向の位置は、内輪軌道面２０２ａの中心とほぼ一致する。軸方向溝２１５は、保持器２０５の柱部（図示せず）およびその延長上の内径面に設けられている。

内輪２０２の円すいころ大径側には、内輪位置決め間座７が配置され、外輪２０３の円すいころ大径側には、外輪位置決め間座８が配置される。外輪位置決め間座８のノズル１７の吐出口の延長線上に内輪２０２のテーパ面２０２ｃが位置している。ノズル１７からテーパ面２０２ｃまでの距離ｈは６ｍｍ以下に設定してある（ｈ＜６ｍｍ）。

円すいころ軸受と円筒ころ軸受とを比べた場合、円すいころ軸受は、円すいころ２０４の小径側から潤滑油が内輪軌道面２０２ａに入りやすい。そのため、この円すいころ軸受である転がり軸受２０１の場合、内輪２０２のテーパ面２０２ｃ、および保持器２０５の円周溝２１３を円すいころ２０４の大径側にだけ設けて、大径側からのみ潤滑油を軸受内部に強制導入するようにしている。それに伴い、エアオイルを軸受内に導入する外輪位置決め間座８は、円すいころ２０４の大径側にだけ配置されている。内輪２０２のテーパ面２０２ｃ、および保持器２０５の円周溝２１３を円すいころ２０４の大径側にだけでなく小径側にも設けて、両側から潤滑油を軸受内部に強制導入するようにしてもよい。

図１２は第４の実施形態を示し、この実施形態は、この発明を深溝玉軸受に適用したものである。繰り返しになる説明は省略し、アンギュラ玉軸受である転がり軸受１０１（第２の実施形態）と異なる点についてだけ記す。この深溝玉軸受である転がり軸受３０１は、内輪３０２の外周に形成された軌道面３０２ａと、外輪３０３の内周に形成された軌道面３０３ａ間に、転動体である玉３０４が介在している。内輪３０２は、軌道面３０２ａの両側に外径側へ突出する外径部３０６をそれぞれ有する。これら外径部３０６の外径面は、それぞれ保持器３０５案内用の案内面３０２ｂである。案内面３０２ｂから軸方向外側へ続く面は、外側が小径となるテーパ面３０２ｃとされている。このテーパ面３０２ｃの角度α（ｄｅｇ）も、玉配列のピッチ円直径をｄｍ（ｍｍ）として、前記式１の関係が成り立つように設定されている。

保持器３０５は内輪案内構造であり、保持器３０５の内径面の一部は、内輪３０２の案内面３０２ｂに対して僅かなすきまを持つ状態で対向する被案内面３０５ａとされている。また、保持器３０５の内径面には、軸方向両端部の円周溝３１３と、軸方向中央部の円周方向溝３１４と、これらの円周溝３１３および円周方向溝３１４を連通する軸方向溝３１５とが設けられている。軸方向溝３１５は、保持器３０５の柱部（図示せず）およびその延長上の内径面に設けられている。

内輪３０２の軸方向両側には、内輪位置決め間座７が配置され、外輪３０３の軸方向両側には、外輪位置決め間座８が配置される。外輪位置決め間座８のノズル１７の吐出口の延長線上に内輪３０２のテーパ面３０２ｃが位置している。ノズル１７からテーパ面３０２ｃまでの距離ｈは６ｍｍ以下に設定してある（ｈ＜６ｍｍ）。

深溝玉軸受は、内輪軌道面３０２ａの軸方向両側に外径部３０６があるため、アンギュラ玉軸受と比べて、軸方向のいずれからも潤滑油が内輪軌道面３０２ａに入りにくい。そのため、内輪３０２のテーパ面３０２ｃ、および保持器３０５の円周溝３１３を軸方向両側に設けて、軸方向両側から潤滑油を軸受内部に強制導入するようにしている。それに伴い、エアオイルを軸受内に導入する外輪位置決め間座８は、転がり軸受３０１の軸方向両側に配置されている。転がり軸受３０１が組み込まれる装置の状態等によって、内輪３０２のテーパ面３０２ｃ、および保持器３０５の円周溝３１３を軸方向片側だけに設けて、片側からだけ潤滑油を軸受内部に強制導入するようにしてもよい。

このように、この発明はいずれの形式の転がり軸受にも適用できるが、転動体が玉である場合よりもころである場合の方が、発明の効果がより顕著に現れる。なぜなら、転動体がころである軸受は、構造的に、外部から供給される潤滑油が軌道面に浸入しにくいという傾向があるからである。さらに付け加えると、円すいころ軸受と円筒ころ軸受を比べた場合、円すいころ軸受は、円すいころの小径側から潤滑油が軌道面に入りやすいので、円筒ころよりも潤滑性がよいと言える。したがって、この発明の潤滑構造を採用するのに最も適するのは円筒ころ軸受であると考えられる。

図１３は、第１および第２の実施形態にかかる転がり軸受１，１０１を備えた高速スピンドル装置の一例を示す。このスピンドル装置３０は工作機械に応用されるものであり、主軸２５の前側（加工側）端部に工具またはワークのチャックが取付けられる。主軸２５は、軸方向に離れた複数の転がり軸受１，１０１により支持されている。ここでは、主軸２５の後側端部が、図１〜図４に示した円筒ころ軸受からなる転がり軸受１により、主軸２５の前側端部が、図７〜図１０に示したアンギュラ玉軸受からなる２個１組の転がり軸受１０１により、それぞれ支持されている。

各転がり軸受１，１０１の内輪２，１０２は主軸２５の外径面に嵌合し、外輪３，１０３は軸受箱３１の内径面に嵌合している。転がり軸受１は、両側に配置した内輪位置決め間座７および外輪位置決め間座８により位置決めされている。２個の転がり軸受１０１も、両側に配置した内輪位置決め間座７および外輪位置決め間座８により位置決めされている。転がり軸受１の前側に位置する内輪位置決め間座７と、転がり軸受１０１の後側に位置する内輪位置決め間座７との間には、内輪間座部材３６が介在している。また、転がり軸受１の前側に位置する外輪位置決め間座８と、転がり軸受１０１の後側に位置する外輪位置決め間座８との間には、軸受箱３１の小径部３１ａが介在している。転がり軸受１およびその両側の内、外輪位置決め間座７，８は、主軸２５の後端部に螺着した固定ナット３７と押さえ蓋３３Ｂとにより、軸受箱３１内に固定されている。２個１組の転がり軸受１０１およびその外側の内、外輪位置決め間座７，８は、主軸２５の段面２５ａと押さえ蓋３３Ａとにより、軸受箱３１内に固定されている。

軸受箱３１は、内周軸受箱３１Ａと外周軸受箱３１Ｂの二重構造とされ、内外の軸受箱３１Ａ，３１Ｂ間に冷却溝４０が形成されている。前記押さえ蓋３３Ａ，３３Ｂには、転がり軸受１，１０１をエアオイル潤滑する潤滑油供給源であるエアオイル供給装置７０から潤滑油を導入するエアオイル導入孔４２がそれぞれ設けられている。これらエアオイル導入孔４２は、内周軸受箱３１Ａに設けられた供給路４３に連通し、この供給路４３が外輪位置決め間座８のエアオイル供給口１８（図１、図７）に連通している。また、冷却油供給装置４１から供給される冷却油が、給油路４５を経て、外周軸受箱３１Ｂの冷却油導入孔４４から軸受箱３１内に導入される。冷却油導入孔４４は、軸受箱３１内の前記冷却溝４０に連通している。

軸受箱３１内の冷却溝４０に供給されて軸受箱３１の冷却に使用された油は、外周軸受箱３１Ｂの油導出孔４９から冷却油供給装置４１へと循環して回収される。また、押さえ蓋３３Ａ，３３Ｂにはエアオイル排出孔５０が設けられ、これらエアオイル排出孔５０は内周軸受箱３１Ａに設けられた排出路５１から外輪位置決め間座８の排油孔２１に連通しており、転がり軸受１，１０１から出た空気と油が、排油孔２１および排油路５１を通り、排油孔５０から外部に排出される。

このように構成されたスピンドル装置３０は、主軸２５を支持する軸受として、潤滑油を必要とする箇所へ確実に供給でき、潤滑による運転中の動力損失を低減でき、運転中における内輪の熱膨張による予圧増加を抑制できる転がり軸受１，１０１が使用されているため、主軸２５の高速運転が可能である。
このスピンドル装置３０は、円筒ころ軸受である転がり軸受１およびアンギュラ玉軸受である転がり軸受１０１を併用しているが、いずれか一方の転がり軸受だけを用いた構成としてもよい。また、円筒ころ軸受である転がり軸受１およびアンギュラ玉軸受である転がり軸受１０１に代えて、円すいころ軸受である転がり軸受２０１および深溝玉軸受である転がり軸受３０１を用いてもよい。

上記実施形態の転がり軸受１，１０１，２０１，３０１は外輪３，１０３，２０３，３０３を有するが、外輪が無く軸受箱に直接組み込まれる軸受にも本発明を適用できる。その場合、内輪のテーパ面にエアオイルを噴射するノズルを、外輪間座以外の別の部材または軸受箱に設ければよい。

この発明の第１の実施形態にかかる転がり軸受の断面図である。 図１の部分拡大図である。 図２のIII−III断面図である。 同転がり軸受の保持器を内径側から見た部分展開図である。 エアオイルの断熱冷却効果を測定する試験の方法を示す説明図である。 同試験の結果を示すグラフである。 この発明の第２の実施形態にかかる転がり軸受の断面図である。 図７の部分拡大図である。 図８のIX−IX断面図である。 同転がり軸受の保持器を内径側から見た部分展開図である。 この発明の第３の実施形態にかかる転がり軸受の断面図である。 この発明の第４の実施形態にかかる転がり軸受の断面図である。 この発明の転がり軸受を備えたスピンドル装置の構成図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１…転がり軸受
２，１０２，２０２，３０２…内輪
２ａ，１０２ａ，２０２ａ，３０２ａ…内輪軌道面
２ｂ，１０２ｂ，２０２ｂ，３０２ｂ…案内面
２ｃ，１０２ｃ，２０２ｃ，３０２ｃ…テーパ面
３，１０３，２０３，３０３…外輪
４…円筒ころ（転動体）
５，１０５，２０５，３０５…保持器
５ａ，１０５ａ，２０５ａ，３０５ａ…被案内面
６…つば部（外径部）
８…外輪位置決め間座
１０，１１０…ポケット
１１，１１１…柱部
１３，１１３，２１３，３１３…円周溝
１４，１１４，２１４，３１４…円周方向溝
１５，１１５，２１５，３１５…軸方向溝
１７…ノズル
１０４，３０４…玉（転動体）
１０６…外径部
２０４…円すいころ（転動体）
２０６…大つば部（外径部）
２０７…小つば部（外径部）

Claims (6)

1. 外径面に軌道面が形成され、この軌道面の少なくとも片側に外径側へ突出する内輪外径部を有する内輪と、この内輪の軌道面に転接する複数の転動体と、これら複数の転動体をポケット内に保持する保持器とを備え、前記保持器は、その内径面の一部である被案内面が前記内輪外径部の外径面である案内面に対向して案内されるものであり、保持器内径面における前記被案内面の軸方向外側に円周溝を設けると共に、保持器におけるポケット間の柱部の内径面に円周方向溝を設け、これら円周溝と円周方向溝を連通する軸方向溝を前記柱部およびその延長上の内径面に設けたことを特徴とする転がり軸受。
2. 請求項１において、前記転動体がころである転がり軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記内輪外径面における軌道面の両側部は、前記案内面と、この案内面から軸方向外側へと続き軸方向外側が小径となるテーパ面とでなり、これら案内面とテーパ面の境界の軸方向位置が、前記円周溝の軸方向幅内に位置する転がり軸受。
4. 請求項３において、前記テーパ面の角度をα（ｄｅｇ）、転動体配列のピッチ円直径をｄｍ（ｍｍ）、軸受の仕様回転数をｎ（ｍｉｎ^−１）とした場合に、
   α＞０．０５３×ｄｍ×ｎ×１０^−４−２．２
   の関係が成り立つ転がり軸受。
5. 請求項３または請求項４に記載の転がり軸受の潤滑方法であって、潤滑油と空気を混合したエアオイルを外部から供給し、そのエアオイルをノズルにより前記内輪のテーパ面に向けて噴射することにより、軸受内部に潤滑油を導入することを特徴とする転がり軸受の潤滑方法。
6. 請求項５において、前記ノズルから前記内輪のテーパ面までの距離を６ｍｍ以下とした転がり軸受の潤滑方法。

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