JP2011144901A - 転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不快な風切り音を抑制できると共に、転動体と軌道面との間の潤滑切れも起こしにくい転がり軸受装置を提供すること。
【解決手段】玉７の数ｘと、噴射ノズル１０の数ｙとを互いに素とする。また、ｘ個の玉を、周方向に略等間隔に配置すると共に、ｙ個の噴射ノズルを、周方向に略等間隔に配置する。外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が許容回転速度であるときの、各噴射ノズル１０に対する保持器９の相対回転数がｚ１［ＨＺ］である場合に、ｘ×ｙ×ｚ１［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きくなるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受と、オイルおよびエアを噴射する噴射ノズルとを有する転がり軸受装置に関し、例えば、工作機械等の主軸の支持に使用すれば好適な転がり軸受装置に関する。

工作機械の主軸支持用の玉軸受は、高速度で回転する工作機械の主軸を低抵抗で支持する必要がある。また、このような高速度で回転する玉軸受では、軌道輪の軌道面を潤滑する方法として、微量なオイルを圧縮エアで軸受の軌道面周辺に搬送・噴射するオイルエア潤滑あるいはオイルミスト潤滑が好適に使用される。高速度で回転する玉軸受において、オイルエア潤滑を採用することによって、回転輪の高速回転や、玉軸受の低昇温や、上記主軸の低動力損失等を実現することができるからである。

しかしながら、オイルエア潤滑を使用すると、回転輪の高速回転等を実現できる一方、圧縮エアが玉軸受内を通過することになり、圧縮エアの流れを、公転している玉が断続的に遮断することにより、１００デシベル程度の耳障りな高周波の騒音（風切音）が発生する。

また、この騒音を抑制するために、圧縮エアの量を減らすと、圧縮エアの噴射力が弱くなって、オイルが軸受内部へ入りにくくなって、玉軸受の転動体と軌道面との間の潤滑剤不足に起因する焼付きが発生する。

これらの問題を回避するべく提案された玉軸受としては、特開２００８−７５８８２号公報（特許文献１）に記載されているものがある。

この玉軸受は、内輪の外周面の形状をテーパ状にすることによって、オイルの内部への供給を促進すると共に、エアの供給の方向を変えて、風切り音を抑制するようにしている。しかしながら、この玉軸受では、内輪のテーパ状外周面をオイルがうまく伝わらないと、潤滑切れを起こす場合があり、また、エアの流れ方によっては、風切り音の抑制が十分でない場合がある。

特開２００８−７５８８２号公報（第１図）

そこで、本発明の課題は、不快な風切り音を抑制できると共に、転動体と軌道面との間の潤滑切れも起こしにくい転がり軸受装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の転がり軸受装置は、
内周面に軌道面を有する外輪と、
外周面に軌道面を有する内輪と、
上記外輪の軌道面と、上記内輪の軌道面との間に配置された複数の転動体と、
周方向に互いに略同一の間隔をおいて位置すると共に、上記複数の転動体を収容する複数のポケットを有する保持器と、
上記外輪と上記内輪との間に向けてオイルおよびエアを噴射すると共に、周方向に互いに略同一の間隔をおいて配置された複数の噴射ノズルと
を備え、
上記転動体の数がｘであると共に、上記噴射ノズルの数がｙであり、
上記外輪に対する上記内輪の相対回転の回転速度が、許容回転速度であるときの、上記各噴射ノズルに対する上記保持器の相対回転数がｚ１［ＨＺ］であり、
上記ｘと、上記ｙとは、互いに素であり、
かつ、ｘ×ｙ×ｚ１［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きいことを特徴としている。

軸受の回転速度は、主に軸受内部の摩擦熱に起因する温度上昇によって制約を受け、ある限度以上の速度に達すると軸受の焼付きなどにより継続運転ができなくなる。上記許容回転速度は、仕様書に規定されるもので、軸受において焼付きに至るような発熱を生じさせないで継続運転できる回転速度の許容値として定義されるものである。

本発明によれば、上記外輪に対する内輪の相対回転の回転速度が、許容回転速度であるときの、上記各噴射ノズルに対する保持器の相対回転数がｚ１［ＨＺ］であると共に、転動体の数ｘと噴射ノズルの数ｙとが互いに素であり、かつ、ｘ×ｙ×ｚ１［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きいから、許容回転速度において、転動体と、噴射ノズルから噴射されたエアとの衝突、非衝突によって生じる音の変動の主な周波数が、可聴域の周波数よりも大きくなる。したがって、不快な風切り音を、大きく抑制することができる。

また、一実施形態では、
ｘ≧６かつｙ≧２である。

転動体の数が、６以上で、噴射ノズルの数が、２以上である場合、一般的に風切り音が、大きくなる。しかし、本実施形態によれば、許容回転速度において、音の変動の主な周波数が、可聴域の周波数よりも大きくなる。したがって、許容回転速度およびそれ以外の使用速度においても、不快な風切り音を、大きく抑制することができる。

また、一実施形態では、
上記外輪に対する上記内輪の相対回転の回転速度が、１万ｒ.ｐ.ｍであるときの、上記各噴射ノズルに対する上記保持器の相対回転数がｚ２［ＨＺ］であるとき、
ｘ×ｙ×ｚ２［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きい。

従来のオイルおよびエアを噴射する潤滑においては、回転輪（外輪または内輪のこと）の回転速度が１万ｒ.ｐ.ｍ程度で、不快な風切り音が発生することが多い。上記実施形態によれば、回転輪の回転速度が１万ｒ.ｐ.ｍにおいて、耳障りな風切り音を、大きく抑制できる。

また、一実施形態では、
上記外輪に対する上記内輪の相対回転の回転速度が、上記外輪または上記内輪が固定される回転軸の定格回転速度であるときの、上記各噴射ノズルに対する上記保持器の相対回転数がｚ３［ＨＺ］であるとき、
ｘ×ｙ×ｚ３［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きい。

上記実施形態によれば、上記外輪に対する内輪の相対回転の回転速度が、回転軸の定格回転速度であるときの、音の変動の主な周波数が、可聴域以上になる。したがって、使用頻度の高い回転数において、不快な風切り音を大きく抑制することができる。

本発明の転がり軸受装置によれば、許容回転速度において、転動体と、ノズルから噴射されたエアとの衝突、非衝突によって生じる音の変動の主な周波数が、可聴域の周波数よりも大きくなる。したがって、不快な風切り音を、大きく抑制することができる。

本発明の一実施形態のアンギュラ玉軸受装置の軸方向の断面図である。 本発明の原理を説明する図である。 本発明の原理を説明する図である。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の転がり軸受装置の一実施形態であるアンギュラ玉軸受装置の軸方向の断面図である。

このアンギュラ玉軸受装置は、内輪５と、外輪６と、保持器９と、転動体の一例としての２４個の玉７と、１７個の噴射ノズル１０とを有する。

上記内輪５は、回転軸としての工作機械の主軸（図示せず）の外周面に外嵌されており、主軸と同期回転するようになっている。上記内輪５は、軌道面の一例としての軌道溝１５を有している。一方、上記外輪６は、工作機械のハウジング（図示せず）の内周面に内嵌されている。上記外輪６は、軌道面の一例としてのアンギュラ型の軌道溝１６を有している。

上記保持器９は、二つの環状部と、図示しない複数の柱部とを有し、上記各柱部は、二つの環状部の間を連結している。上記複数の柱部は、周方向に略等間隔に配置されている。また、上記複数の玉７は、内輪５の軌道溝１５と、外輪６の軌道溝１６との間に、保持器９によって保持された状態で、周方向に互いに略等しい間隔をおいて配置されている。

上記複数の噴射ノズル１０は、内輪５の内部に形成されている。上記各噴射ノズル１０は、略同一である。上記各噴射ノズル１０は、内輪５の軌道溝１５に開口している。上記複数の噴射ノズル１０は、周方向に略等間隔に配置されている。

また、このアンギュラ玉軸受装置は、内輪５の軌道溝１５の外径と、玉７の外周との寸法比から、外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が、許容回転速度であるときの、各噴射ノズル１０に対する保持器９の相対回転数がｚ１［ＨＺ］になっている。また、上記外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が、１万ｒ.ｐ.ｍであるときの、各噴射ノズル１０に対する保持器９の相対回転数がｚ２［ＨＺ］になっている。また、このアンギュラ玉軸受装置は、外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が、主軸の定格回転速度であるときの、各噴射ノズル１０に対する保持器９の相対回転数ｚ３が１００［ＨＺ］になっている。

また、このアンギュラ玉軸受装置は、２４×１７×ｚ１［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きくなっている。また、２４×１７×ｚ２［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きくなっている。また、２４×１７×ｚ３＝２４×１７×１００＝４０８００［ＨＺ］になっている。

ここで、人の可聴域の周波数は、一般的には、１５０００［ＨＺ］程度であるといわれており、２００００［ＨＺ］以上の周波数の音は、如何なる人でも聞こえないといわれている。したがって、可聴域の周波数を１５０００［ＨＺ］に設定すれば、不快な風切り音の変動の主な周波数がカットされ、不快感を格段に抑制することができる。

以下、図２および図３を用いて、玉の数ｘと、噴射ノズルの数ｙとが、互いに素の数であり、外輪に対する内輪の相対回転の回転速度が、設定回転速度領域であるときの、各噴射ノズルに対する保持器の相対回転数がｚ［ＨＺ］であるとき、ｘ×ｙ×ｚ［ＨＺ］が、可聴域より大きい周波数であれば、耳障りな風切り音が、大幅に抑制される理由について説明する。

尚、図２および図３では、比較例として、玉の数が、２４個で、噴射ノズルの数が、１６個である場合について説明する。

先ず、玉の数である２４を素因数分解すると、
２４＝２×２×２×３となる。

また、噴射ノズルの数である１６を素因数分解すると、
１６＝２×２×２×２となる。

したがって、この場合、玉の数と、噴射ノズルの数の最大公約数は、８となる。

図２は、周方向に等配された１６の噴射ノズルの位置を示す図である。

また、図３は、周方向に等配された２４の玉の位置を示す図である。

ここで、各噴射ノズルに対して玉を保持している保持器が相対的に一回転した場合に、噴射ノズルと、玉とが、衝突する場合の数は、２４×１６＝３８４になる。

しかし、この３８４には、先程計算した最大公約数である８倍のだぶりがある。すなわち、図２および図３において、ある噴射ノズルと、ある玉とが周方向において重なっている場合、他の噴射ノズル７個と、他の玉７個が、必ず重なることになる。図で説明すると、図２に実線で周方向の位置を示す８個の噴射ノズルと、図３で実線で周方向の位置を示す８個の玉とは、同時に衝突することになる。したがって、各噴射ノズルに対して玉を保持している保持器が相対的に一回転した場合に、噴射ノズルと、玉とが、衝突する場合の数は、３８４／８＝４８になる。

すなわち、定性的に述べると、噴射ノズルの数と、玉の数とが、互いに素でない場合、両者の単純な積を、両者の最大公約数で割ると、場合の数が算出される。一方、両者が、互いに素である場合には、最大公約数で割る必要がないから、場合の数が、大きくなり、頻繁に噴射ノズルと、保持器に保持された玉との衝突、非衝突が繰り返されることになる。

次に、内輪と、保持器との相対回転数の計算方法について説明する。内輪の軌道溝の外径と、玉の外周の距離（玉の半径をr’とすると、２πｒ’）とは、予め決定される。したがって、上記内輪の軌道溝の外径と、上記玉の外周の距離とにより、内輪に対して玉が相対的に一回転するときの、内輪に対する玉の公転の周波数が、決定される。したがって、内輪の回転速度と、上記軌道溝の外径と、上記玉の外周の距離とにより、内輪が特定の回転速度で回転しているときの、各噴射ノズルに対する保持器の相対回転数が一意に決定される。

以下、具体的に、上記例の場合について、一例について計算を行う。

先ず、玉の数が２４、噴射ノズルの数が１６の場合においては、各玉に対する内輪の相対一回転に対し、１６×２４／８＝４８回の音の変動が生じる。

もし、内輪が１２０００ｒ.ｐ.ｍ（２００ＨＺ）で回転しているとすると、内輪に対する各玉の公転の周波数は、約１００ＨＺ程度に設定できる場合が多い。したがって、発生する音の周波数としては、１００×４８＝４８００ＨＺが主成分となる。

これに対し、本発明の一実施形態であるが、噴射ノズルの数が１７で、玉の数２４と互いに素である場合、内輪と玉との相対一回転に対して２４×１７＝４０８回の音の変動が生じるから、内輪に対する各玉の公転の周波数は、約１００ＨＺである場合、発生する音の主成分が、４０８×１００＝４０８００ＨＺであり、人の可聴域を超える音となるのである。

上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置によれば、外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が、許容回転速度であるときの、各噴射ノズル１０に対する保持器９の相対回転数がｚ１［ＨＺ］であると共に、玉の数ｘと噴射ノズルの数ｙとが互いに素であり、かつ、ｘ×ｙ×ｚ１［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きいから、許容回転速度において、玉と、噴射ノズルから噴射されたエアとの衝突、非衝突によって生じる音の変動の主な周波数が、可聴域の周波数よりも大きくなる。したがって、不快な風切り音を、大きく抑制することができる。

また、上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置によれば、ｘ≧６かつｙ≧２であるから、従来の装置の場合、風切り音が、特に耳障りになる。しかし、本実施形態によれば、許容回転速度において、音の変動の主な周波数が、可聴域の周波数よりも大きくなるから、許容回転速度およびそれ以外の使用速度においても、不快な風切り音を、大きく抑制することができる。

また、上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置によれば、外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が、１万ｒ.ｐ.ｍであるときの、各噴射ノズル１０に対する保持器９の相対回転数がｚ２［ＨＺ］であるとき、２４×１７×ｚ２［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きいから、従来の装置で、不快な風切り音が発生することが多い、回転輪の回転速度が１万ｒ.ｐ.ｍにおいても、耳障りな風切り音を、大きく抑制できる。

また、上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置によれば、外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が、主軸の定格回転速度であるときの、音の変動の主な周波数が、可聴域以上であるから、使用頻度の高い回転数において、不快な風切り音を大きく抑制することができる。

尚、上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置では、玉の数が２４で、噴射ノズルの数が１７で、外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が、主軸の定格回転速度であるときの、各噴射ノズル１０に対する保持器９の相対回転数ｚ３が１００［ＨＺ］であった。しかしながら、この発明では、玉の数が１９で、噴射ノズルの数が、１５で、ｚ３が１００［ＨＺ］等であっても良い。一実施形態では、転動体の数を、ｘ、噴射ノズルの数を、ｙ、外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が、主軸の定格回転速度であるときの、各噴射ノズルに対する保持器の相対回転数をｚ３としたとき、ｘとｙとが、互いに素であり、ｘ×ｙ×ｚ３［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きければ、ｘとｙの夫々は、如何なる数でも良い。

また、上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置では、転動体の数を、ｘ、噴射ノズルの数を、ｙ、外輪６に対する内輪５の相対回転の回転速度が、主軸の定格回転速度であるときの、各噴射ノズルに対する保持器の相対回転数をｚ３としたとき、ｘとｙとが、互いに素であり、ｘ×ｙ×ｚ３［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きくなっていた。しかしながら、この発明では、転動体の数を、ｘ、噴射ノズルの数を、ｙ、外輪に対する内輪の相対回転の回転速度が、主軸の定格回転速度であるときの、各噴射ノズルに対する保持器の相対回転数を、ｚ３としたとき、ｘとｙとが、互いに素であり、ｘ×ｙ×ｚ３［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きくなっていなくても良い。この発明では、転動体の数を、ｘ、噴射ノズルの数を、ｙ、外輪に対する内輪の相対回転の回転速度が、許容回転速度であるときの、各噴射ノズルに対する保持器の相対回転数がｚ１［ＨＺ］であるとき、ｘ×ｙ×ｚ１が、可聴域以上の周波数を超える周波数になっていれば良い。

また、上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置では、噴射ノズル１０が、回転輪である内輪５内に形成されていて、回転輪に対して相対回転しない構成であったが、この発明では、噴射ノズルが、静止輪である外輪の内部に形成されるか、または、内外輪に間隔をおいて配置される等して、静止輪に対して相対回転しない一方、回転輪に対して相対回転する構成であっても良い。尚、静止輪は、内輪であっても良く、外輪であっても良い。

また、上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置では、保持器９が、二つの環状部と、その二つの環状部の間を連結する複数の柱部とを有する構成であったが、この発明では、保持器は、環状部を一つしか有さない冠型保持器であっても良い。

また、上記実施形態では、外輪６が、カウンタボアを有するアンギュラ型の軌道溝を有していたが、この発明では、外輪は、深溝型の軌道溝であっても良い。

また、上記実施形態では、転動体が玉７であったが、この発明の転がり軸受装置は、転動体が、円筒ころや円錐ころ等の玉以外の転動体のみからなっていても良い。また、この発明の転がり軸受装置は、玉、円筒ころおよび円錐ころのうちの二以上の転動体を有していても良い。

また、上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置では、図１に示すように、噴射ノズル１０の開口が、軸方向に傾斜する方向に向いていた。しかしながら、この発明では、噴射ノズルは、軸方向に向いていても良い。また、噴射ノズルは、外輪の内部に形成されるとともに、径方向または径方向に傾斜する方向に向いていても良い。また、噴射ノズルは、内輪の内部に形成されるとともに、径方向または径方向に傾斜する方向に向いていても良い。また、噴射ノズルは、内外輪と別体で、軸方向および軸方向に傾斜する方向に向いていても良い。要は、噴射ノズルは、内外輪の間に向いていれば、如何なる角度、また、如何なる箇所から、噴射されても良い。

また、上記実施形態のアンギュラ玉軸受装置では、複数の噴射ノズルは、全てが同一であったが、この発明では、複数の噴射ノズルは、周方向に略等間隔に配置されていさえすれば良く、複数の噴射ノズルは、全てが同一でなくても良い。すなわち、噴射ノズルの数がＮ（Ｎは、自然数である）とすると、そのうちのＭ（Ｍは、０≦Ｍ≦Ｎを満たす自然数）個の噴射ノズルのみが、略同一であっても良い。

また、この発明では、回転軸が、回転している際に、エアを常時内外輪の間に吹き付けながら、油滴が間欠的にエアに混入されるようになっていても良く、あるいは、回転軸の回転時にオイルミストを含むエアが常時噴霧される形式であっても良い。

５ 内輪
６ 外輪
７ 玉
９ 保持器
１０ 噴射ノズル
１５ 内輪の軌道溝
１６ 外輪の軌道溝

Claims (3)

1. 内周面に軌道面を有する外輪と、
   外周面に軌道面を有する内輪と、
   上記外輪の軌道面と、上記内輪の軌道面との間に配置された複数の転動体と、
   周方向に互いに略同一の間隔をおいて位置すると共に、上記複数の転動体を収容する複数のポケットを有する保持器と、
   上記外輪と上記内輪との間に向けてオイルおよびエアを噴射すると共に、周方向に互いに略同一の間隔をおいて配置された複数の噴射ノズルと
   を備え、
   上記転動体の数がｘであると共に、上記噴射ノズルの数がｙであり、
   上記外輪に対する上記内輪の相対回転の回転速度が、許容回転速度であるときの、上記各噴射ノズルに対する上記保持器の相対回転数がｚ１［ＨＺ］であり、
   上記ｘと、上記ｙとは、互いに素であり、
   かつ、ｘ×ｙ×ｚ１［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きいことを特徴とする転がり軸受装置。
2. 請求項１に記載の転がり軸受装置において、
   ｘ≧６かつｙ≧２であることを特徴とする転がり軸受装置。
3. 請求項１または２に記載の転がり軸受装置において、
   上記外輪に対する上記内輪の相対回転の回転速度が、１万ｒ.ｐ.ｍであるときの、上記各噴射ノズルに対する上記保持器の相対回転数がｚ２［ＨＺ］であるとき、
   ｘ×ｙ×ｚ２［ＨＺ］が、可聴域の周波数よりも大きいことを特徴とする転がり軸受装置。

Images