JP2014005848A - 転がり軸受及び工作機械用主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保持器音を抑制可能な転がり軸受及び工作機械用主軸装置を提供する。
【解決手段】転がり軸受１は、外輪２と、内輪３と、外輪２及び内輪３との間に転動自在に配置される複数のころ４と、円周方向に所定の間隔で形成され、該複数のころ４をそれぞれ保持する複数のポケット１１を有する保持器１０と、を備え、保持器１０の案内方式が外輪案内または内輪案内である。ころ４と保持器１０との径方向すきまΔＤは、案内すきまΔＥの２倍以上、且つ、案内輪の面取り長さＦ以下である。
【選択図】図５

Description

本発明は、転がり軸受及び工作機械用主軸装置に関し、より詳細には、高速回転する工作機械用主軸装置、高速モータ等に用いられる転がり軸受及びそれを用いた工作機械用主軸装置に関する。

最近の工作機械の主軸においては、高効率加工のため高速化が進み、従来の歯車駆動及びベルト駆動では、歯のかみ合い部での摩擦、ベルトのスリップによる発熱など伝達効率がよくないため、カップリングによる駆動モータ直結タイプ若しくは主軸内部にモータを搭載したいわゆる、モータビルトインタイプが主流を占めている。これらの高速主軸の場合、主軸に使用される軸受のｄｍｎ値は５０万以上がほとんどである。また、軸受の転動体に比重の小さい軽量のセラミック材料（例えば、窒化けい素など）を用いて高速回転時の転動体の遠心力を抑えた軸受では、ｄｍｎ値が１００万以上を越えるケースもある。

このような高速回転用途の軸受に使用される保持器では、軽量、かつ耐摩耗性のある合成樹脂材料保持器として、例えば、フェノール、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド（略称：ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（略称：ＰＥＥＫ）、ポリイミドなどが使用されており、さらには強化材として、ガラス繊維・カーボン繊維・アラミド繊維などが添加されている場合がある。

保持器は、円周方向に等間隔に形成されたポケットによって、転動体を円周方向に等間隔に配置させる。当然のことながら、転動体を円滑にポケット内で自転させるには、ポケット内面と転動体間に適正なすきま（ポケットすきま）を設ける必要がある。また、内外輪間で保持器は軸受の半径方向にもすきまを設けており、保持器の半径方向動き量は、外輪内周面と保持器外周面間、または、内輪外周面と保持器内周面間のいずれか小さい方のすきま（案内すきま）で規制される。

このため、このような保持器を組み込んだ転がり軸受においては、転動体が転がって接する内輪軌道面と外輪軌道面の形状誤差、転動体自身の形状誤差、あるいは、軸受の内輪と外輪との中心軸の芯ずれや傾き等によって、転動体は、転動体ごとに微小の遅れや進みが発生し、保持器ポケットの内面と接触する。また、保持器自身も外内輪間で不規則な挙動を生じる。この結果、保持器音と呼ばれる騒音や振動が発生することがある。

保持器音等の発生を抑制する転がり軸受として、例えば特許文献１〜３の転がり軸受が知られている。

特開２００４−１９９２１号公報 特開平１１−３４４０３５号公報 特開平２０００−８１０４２号公報

しかしながら、特許文献１〜３の転がり軸受においても、保持器音等の発生を抑制するという点において改善の余地があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、保持器音を抑制可能な転がり軸受及び工作機械用主軸装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 外輪と、内輪と、前記外輪及び内輪との間に転動自在に配置される複数のころと、円周方向に所定の間隔で形成され、該複数のころをそれぞれ保持する複数のポケットを有する保持器と、を備え、該保持器の案内方式が外輪案内または内輪案内である転がり軸受であって、
前記ころと前記保持器との径方向すきまは、案内すきまの２倍以上、且つ、案内輪の面取り長さ以下であることを特徴とする転がり軸受。
（２） 前記保持器は、軸方向に並んで配置された一対のリング部と、該リング部間を繋ぐように、円周方向に所定の間隔で配置された複数の柱部と、を有し、
前記柱部は、円周方向両側の軸方向中間部に、前記ころ側に突出した爪部を有し、
前記径方向すきまは、前記爪部の内面から前記保持器の回転軸線と前記ころの回転軸線を結ぶ線分と平行に引いた線と前記ころとの交点との間の距離であることを特徴とする（１）に記載の転がり軸受。
（３） （１）又は（２）に記載の転がり軸受を備えたことを特徴とする工作機械用主軸装置。

上記（１）に記載の転がり軸受によれば、ころと保持器との径方向すきまは、案内すきまの２倍以上であるので、高速回転時に保持器がホワールし回転数に応じた力で外輪に押し付けられて変形しても、保持器音の発生を抑制することができる。なお、本明細書において、「ホワール」とは、回転軸の触れ回り、及び、遠心力に伴い保持器密度のばらつき等の影響で保持器が楕円状に変形することを含む趣旨である。
また、保持器ところ間の摩擦が増加することがないので、異常昇温により焼きつきも防止することができる。
さらに、径方向すきまは、案内輪の面取り長さ以下であるので、内輪、保持器、ころを組み付けた組立体を外輪に軸方向から挿入する際に、外輪端部にころが干渉することが抑制され、組み込み性の悪化を抑制することができる。

上記（２）に記載の転がり軸受によれば、保持器音の発生を抑制しながら、爪部によりころの脱落を確実に防止することができる。

上記（３）に記載の工作機械用主軸装置によれば、高速回転させた場合であっても保持器音を抑制することができる。

本発明の一実施形態の転がり軸受の断面図である。 図１の保持器の斜視図である。 図１の転がり軸受の一部を示す平面図である。 図３のＣ−Ｃ線断面図である。 保持器の移動及び変形を説明する転がり軸受の断面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る転がり軸受について図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の転がり軸受の断面図、図２は図１の保持器の斜視図、図３は図１の転がり軸受の一部を示す平面図、図４は図３のＣ−Ｃ線断面図である。

本発明の一実施形態に係る転がり軸受１は、図１に示すように、内周面に外輪軌道面２ａを有する外輪２と、外周面に内輪軌道面３ａを有する内輪３と、外輪軌道面２ａ及び内輪軌道面３ａ間に転動自在に配置される複数のころ（転動体）４と、円周方向に所定の間隔で形成され、複数のころ４をそれぞれ保持する複数のポケット１１を有する保持器１０と、を備え、グリース潤滑で使用される。

ころ４は、図３に示すように、回転軸線Ｑ方向の両側をそれぞれの端部へ向けて全周に亘って徐々に縮径させてなるクラウニング部５、５と、これらのクラウニング部５、５を一定の径寸法で連続させてなるころ直線部６と、から構成される。なお、クラウニング部５、５及びころ直線部６の長さや、クラウニング部５、５ところ直線部６との間の傾斜角度などは、使用条件や使用目的などに応じて任意に設定すればよいため、ここでは特に限定しない。

保持器１０は、図２〜４に示すように、軸方向に並んで配置された一対のリング部１２と、両リング部１２間を繋ぐように、円周方向に所定の間隔で配置された複数の柱部１３と、を有し、一対のリング部１２と隣り合う柱部１３によってポケット１１を構成している。

柱部１３の円周方向両側の軸方向中間部には、直線形状を有するポケット直線部１５が形成されている。このポケット直線部１５は、保持器１０の回転軸線Ｒと平行になるように形成されており、円周側壁部１６を構成している。従って、保持器１０が傾いていない状態においては、保持器１０の回転軸線Ｒところ４の回転軸線Ｑが平面視で一致するので、ポケット直線部１５（円周側壁部１６）ところ直線部６が平行となる。円周側壁部１６は、ころ４の転動面であるころ直線部６と対向し転動体保持面として機能する。

また、柱部１３の円周方向両側の軸方向中間部には、柱部１３の円周側壁部１６円周方向側面から僅かにころ４側に突出連続した側面を有し、円筒ころ４を確実に保持するための爪部１４が柱部１３の径方向外面から突出して設けられている。

円周側壁部１６は、回転軸方向から見て平坦面をなしており、爪部１４の内面から回転軸線Ｒと回転軸線Ｑを結ぶ線分Ｘと平行に引いた線Ｙところ４との交点Ｚと、保持器１０の爪部１４の内面との間に、径方向すきまΔＤが設けられている（図４参照）。軸方向においては、ころ４とポケット１１との間に軸方向ポケットすきまΔＰ（ころ４の円周方向両側にそれぞれΔＰ／２）が設けられている（図３参照）。

また、柱部１３の円周方向両側の軸方向両端部には、円周側壁部１６から窪むようにグリース溜まり１７が設けられている。

保持器１０は、柱部１３の径方向外面よりも大径の両リング部１２の外周面１２ａが外輪軌道面２ａによって案内される外輪案内方式である。

続いて、本発明の特徴である、ころ４と保持器１０との径方向すきまについて説明する。
径方向すきまΔＤは、外輪内径（転がり軸受１の回転軸線を通る外輪軌道面２ａ間の径方向距離）と保持器外径（転がり軸受１の回転軸線を通る一対のリング部１２の外周面１２ａ間の径方向距離）の差である案内すきまをΔＥとすると、案内すきまΔＥの２倍以上、且つ、案内輪である外輪２の面取り長さＦ以下となるように、その大きさが設定されている。

以下にその理由について、図５に基づいて説明する。図５は、保持器の移動及び変形を説明する転がり軸受の断面図である。
転がり軸受１においては、図５で示したころ４側及びその反対側（図５で示したころ４から１８０°の位置、）でそれぞれ案内すきまΔＥ／２が確保されている。そのため、図５で示したころ４側において、保持器１０は内径側にΔＥ／２だけ動くことができる。図５中、実線は保持器１０が非回転時における中立位置、即ちころの公転軸線（転がり軸受１の回転軸線）と保持器１０の回転軸線Ｒが一致した状態の保持器１０の位置を示しており、一点鎖線は、保持器１０が内径側にΔＥ／２だけ動いた状態を示している。したがって、理論上は、径方向すきまΔＤがΔＥ／２より大きければ、ころ４が保持器１０と接触することがないこととなる。

しかしながら、高速回転時に保持器１０がホワールすると、回転数に応じた力で保持器１０が外輪２に押し付けられて変形する。即ち、保持器１０が内径側にΔＥ／２だけ動いてさらに外輪内周面に押し付けられると、楕円状に変形し、図５で図したころ４側において、保持器１０は内径側にさらに動くこととなる。図５中の二点鎖線は、保持器１０がホワールによりさらに内径側に動いた（変形した）状態を示している。なお、図５では、円周方向における保持器１０の変形については無視している。

保持器１０がホワールにより内径側にさらに動くと、径方向すきまΔＤはさらに減少する。このホワールによる径方向すきまΔＤの減少量は、保持器１０の材質、形状等により変わるが、本発明では、ホワールによる保持器１０の移動を案内すきまΔＥの１．５倍以上確保することとし、ΔＥ／２の移動分も考慮して、全体として、径方向すきまΔＤを、案内すきまΔＥの２倍以上としている。これにより、保持器１０がホワールしても、ころ４が保持器１０と摺接することが防止される。従って、ころ４が保持器１０と摺接することによって摩擦力の発生が抑制され、保持器音の発生が抑制される。

一方で、径方向すきまΔＤが大きすぎると、ころ４がずれ、内輪３、保持器１０、ころ４を組み付けた組立体を外輪２に軸方向から挿入する際に、外輪端部にころ４が干渉し、組み込むことが困難となる。そのため、径方向すきまΔＤを、案内輪である外輪２の面取り長さＦ（図１参照）以下としている。これにより、内輪３、保持器１０、ころ４を組み付けた組立体を外輪２に軸方向から挿入する際に、外輪端部にころ４が干渉することが抑制され、組み込み性の悪化を抑制することができる。

続いて、本発明の効果を、以下に示す実施例及び比較例に基づいて検証した。
まず、呼び番号Ｎ１０１１ＫＲ（内径φ５５ｍｍ、外径φ９０ｍｍ、幅１８ｍｍ、外輪つばなし、内輪両つば、ころ径φ８ｍｍ、ころ長さ８ｍｍ）の円筒ころ軸受を用意した。組込後のラジアルすきまを−１５μｍとし、潤滑材としてＮＢＵ８ＥＰ（ＮＯＫクリュ−バー株式会社製）を１．５ｃｃ充填した。

保持器は、カーボン繊維を含有したポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなる樹脂性保持器を用いて、ころと保持器との径方向すきまΔＤを変えて、４０００〜１２０００ｒｐｍの回転数における保持器音を評価した。

表１に示すように、径方向すきまΔＤを案内すきまΔＥの２倍としたものを実施例１、径方向すきまΔＤを案内すきまΔＥの３倍としたものを実施例２、径方向すきまΔＤを案内すきまΔＥの１．５倍としたものを比較例とした。

表１には、保持器音評価の結果について３段階で示している。評価は○、△、×の３段階とした。○は、保持器音がなく、使用上全く支障がないことを示しており、△は、小さな保持器音があるものの、使用上支障がないことを示しており、×は、大きな保持器音があり、使用できないことを示している。

表１の結果から、径方向すきまΔＤを案内すきまΔＥの１．５倍とした比較例では、回転数によらず、使用できないほどの大きな保持器音が発生する結果となった。即ち、ΔＥ／２の移動分を除いて、ホワールによる径方向すきまΔＤの減少分を案内すきまΔＥだけ確保した場合（１．５×ΔＥ−ΔＥ／２）、径方向すきまΔＤが十分ではなく、ころが保持器と接触し大きな摩擦力が発生することで、保持器音が発生しているものと考えられる。

これに対し、径方向すきまΔＤを案内すきまΔＥの２倍以上とした実施例１、２では、回転数によらず、保持器音が小さいか、又は保持器音がないに分類されており、保持器音が抑制されていることが分かる。

以上説明したように、本発明の転がり軸受１によれば、径方向すきまΔＤを、案内すきまΔＥの２倍以上とすることにより、高速回転時に保持器１０がホワールし回転数に応じた力で外輪２に押し付けられて変形しても、径方向すきまが十分大きく保たれているので、保持器音の発生を抑制することができる。また、保持器１０ところ４間の摩擦が増加することがないので、異常昇温により焼きつきも防止することができる。
さらに、径方向すきまΔＤを、案内輪である外輪２の面取り長さＦ以下とすることにより、内輪３、保持器１０、ころ４を組み付けた組立体を外輪２に軸方向から挿入する際に、外輪端部にころ４が干渉することが抑制され、組み込み性の悪化を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、適宜、変更、改良、等が可能である。
例えば、ころ４は、必ずしもクラウニング部５、５が形成されている必要はなく、直線部６によって構成された単純な円筒ころであってもよい。
また、上記実施形態では、保持器１０の案内方式が外輪案内である転がり軸受１について説明したが、保持器１０の案内方式が内輪案内であってもよい。

１ 転がり軸受
２ 外輪
３ 内輪
４ ころ
１０ 保持器
１１ ポケット
１２ リング部
１３ 柱部
１４ 爪部
ΔＤ 径方向すきま
ΔＥ 案内すきま
Ｆ 面取り長さ
Ｑ ころの回転軸線
Ｒ 保持器の回転軸線

Claims (3)

1. 外輪と、内輪と、前記外輪及び内輪との間に転動自在に配置される複数のころと、円周方向に所定の間隔で形成され、該複数のころをそれぞれ保持する複数のポケットを有する保持器と、を備え、該保持器の案内方式が外輪案内または内輪案内である転がり軸受であって、
   前記ころと前記保持器との径方向すきまは、案内すきまの２倍以上、且つ、案内輪の面取り長さ以下であることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記保持器は、軸方向に並んで配置された一対のリング部と、該リング部間を繋ぐように、円周方向に所定の間隔で配置された複数の柱部と、を有し、
   前記柱部は、円周方向両側の軸方向中間部に、前記ころ側に突出した爪部を有し、
   前記径方向すきまは、前記爪部の内面から前記保持器の回転軸線と前記ころの回転軸線を結ぶ線分と平行に引いた線と前記ころとの交点との間の距離であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. 請求項１又は２に記載の転がり軸受を備えたことを特徴とする工作機械用主軸装置。

Images