JP3109191U

JP3109191U - 非真円平軸受

Info

Publication number: JP3109191U
Application number: JP2004007161U
Authority: JP
Inventors: 仲勝武野
Original assignee: 仲勝武野
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2010-12-06

Abstract

【課題】主軸の高速回転において、軸受油膜中に発生する動圧の値を設定圧力内に保ち、軸受における温度上昇を抑えることができる非真円平軸受の提供。
【解決手段】回転軸を三等分点に形成される動圧油膜で支承する非真円平軸受であって、主軸と軸受本体のそれぞれのセグメント部において形成される楔形油膜部分で発生する高い動圧を、それぞれのセグメント内に設けた圧力検知バルブで検知し、圧力が設定値以上になったとき、その高圧油を低圧部へ還流させて高圧を低圧側に逃がす流路を備えた圧力調整機構を軸受本体のそれぞれのセグメント部内に構成する。
【選択図】図２

Description

工作機械主軸の高速・高負荷用軸受であって、詳しくは軸受において楔形油膜に発生する最高動圧力が設定圧力値に調整されるようにした非真円平軸受である。

一般的な非真円平軸受は回転軸が油膜に支えられて回転しているので玉軸受に比べ摩擦特性や騒音特性に優れている。回転数と周囲温度に応じ、潤滑油の粘度の適合する油種を選定して油膜を維持し軸受機能を得ている。
非真円平軸受の中で軸受は、軸回転中に軸外径と軸受内面との間に形成される楔形油膜で回転軸を支承する軸受である。軸が高速に回転し楔形油膜に発生する動圧力が大になると、形成される油膜による軸受負荷容量が増大する。

ここで軸受とは、当該軸受本体が円筒状の軸受筒に圧入されたときに、軸受の外周に刻設した溝により弾性変形して軸受筒の内周面の三個所に形成される楔形油膜で支持する非真円平軸受である。複数の楔形油膜で支持され、その軸受部分の圧力が高いほど安定形状が良く、軸受と潤滑油の温度に関係することが実験的に得られている。〔非特許文献１参照〕

軸回転中は軸表面は軸受面と常に隔てられているので軸受の長寿命化が得られる。前述のとおり、非真円平軸受の持っている多くの特性上の利点から、工作機械の研削軸用軸受として使用されている。例えば、精度では０．００２μｍの回転精度が得られ、砥石軸の剛性では９８０Ｎ／μｍという高剛性軸受が得られている。
また、非真円平軸受に供給する潤滑油流量は軸回転数に応じ適量であることが必要で、流量を多くしても必ずしも軸受の温度上昇を小さくできないことが知られている。〔特許文献１参照〕
武野仲勝、他２名、「円筒研削盤砥石軸軸心の運動の観測に就て」社団法人日本機械学会、名古屋臨時大会講演会前刷、昭和２９年１０月３１日第１室４３〜４７頁。特開平１１−６３３８５号公報、図４

切削加工機の場合、旋盤ではワークを把持する主軸に、マシニングセンタでは工具を把持する主軸に高速軸受が使用されている。研削加工においては、ＣＢＮ砥石で砥石径が３５０ｍｍの場合、実用されている超高速研削では周速度が２００ｍ・Ｓ^−１であり、１０，０００ｍｉｎ^−１程度の回転数があれば実用上充分であった。
しかし、切削加工の場合、細い径の工具を用いた高速切削では主軸の最高回転数は５０，０００ｍｉｎ^−１乃至１００，０００ｍｉｎ^−１が必要である。主軸回転数の高速化は軸受部の潤滑油の高温化をもたらし、温度上昇による加工精度の劣化をもたらすという問題があった。また、軸受周辺部の温度上昇による膨張により軸受隙間が縮小し、最悪の場合焼付を生ずるという問題があった。

本考案は従来技術の有するこのような問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、軸受において一方向又は正逆回転する主軸を支承する軸受面に形成される楔形油膜の領域において、生ずる最高動圧力を一定の圧力値に維持するための圧力調整機構を前記動圧軸受本体内の各セグメント部内に設けて、圧力上昇による軸受の温度上昇を防ぎ安定回転の維持が可能な非真円平軸受を提供する。

上記目的を達成するために請求項１に記載の非真円平軸受は、回転軸を支承する非真円平軸受であって、前記回転軸に対して釣合のとれる少なくとも三個所の位置に設けた厚肉のセグメント部間を薄肉の可撓体で円環状に連結して一体とした軸受の、前記セグメント部の外周面が軸受筒の内周面と当接するように軸方向の頂点を形成し、前記セグメント部の内周面が回転軸表面との間に円周方向の楔形空間を形成するように窪み面が形成されてなり、軸回転時に形成される楔形油膜の動圧により前記頂点を支点として前記セグメント部が傾き軸表面との隙間が変化するように形成された軸受において、
軸回転時に前記回転軸と軸受すべり面との隙間に形成される楔形油膜の領域において生ずる最高動圧力を設定圧力値に調整可能な圧力調整機構を前記セグメント部のそれぞれに設けたものである。

請求項１の考案によれば、非真円平軸受において、軸受側の固有の軸受面形状にもとづき形成される楔形油膜の圧力値は、軸受の肉厚のセグメント部の両端で低い。隙間の大きい開き側と隙間の小さい閉じ側の隙間量の比により圧力の最大値が異なることが知られている。
本考案では、肉厚のセグメント部のそれぞれに圧力調整機構を設け、発生する最大圧力を過大にならないようにするものである。
発生圧力を一定圧力以下に保って、圧力上昇による軸受部の温度上昇を防ぐことを目的として、高圧部の潤滑油を、軸受の肉厚のセグメント部内に流路を設け、低圧部へ還流させている。

請求項２に記載の、前記圧力調整機構は、前記セグメント部のそれぞれの内部に穿孔され前記楔形油膜中の高圧発生側と低圧側に開口する流路と、
該流路の途中に設けられ前記高圧発生側の油圧が設定圧以上に上昇したことを検知して開口する圧力検知バルブとを含んでなり、圧力検知バルブが高圧側の圧力上昇を検知したときバルブを開いて低圧側に圧力を逃がすようにしたものである。

請求項２の考案によれば、軸受に形成される楔形油膜中に発生している動圧力の最大値を制限するための圧力調整機構の圧力検知バルブは、楔形油膜が形成される肉厚のそれぞれのセグメント部内にコンパクトに構成されている。また、設定圧力レベルは、予め機外において検知する高圧部の圧力レベルを均等に揃えるよう調整することが可能である。
圧力検知バルブは圧縮ばねと鋼球で構成されているので、耐久性にすぐれ圧力調整機能の永続的維持が可能である。
なお、本考案に係る圧力調整機構は主軸の一方回転用のすべり軸受に限定されない。正逆回転する主軸用の軸受にも応用することができる。

請求項３に記載の考案は、前記高圧側のポート内の圧油が前記セグメント部の間で導通可能な還流路を設け、それぞれの前記ポート内高圧力を平準化するようにしたものである。
請求項３の考案によれば、主軸を支える楔形油膜の動圧のレベルを平準化して支持の安定化を可能にするとともに、圧力調整機構の動圧検出感度に若干の差があってもいずれかのバルブシート部が作用することにより調整機能を補完させることができる。

本考案の非真円平軸受は上述の手段により課題を解決するようにした結果、次に記載する効果を奏する。
請求項１の考案は、楔形油膜部に発生する最高の動圧力が一定値を超えないように圧力調整機構を設けているので、最適な負荷能力で運転が可能で軸受負荷能力を最大限に引き出すことができる効果を有する。
また、高圧による潤滑油の温度上昇を防げる結果、加工精度が維持できる効果を有する。
また、許容可能な高速回転における動圧力で軸を支承するので、軸の振動が少なく良い仕上げ面粗さが得られ、工具寿命の長期化が得られるという効果を有する。

請求項２の考案は、請求項１に記載の効果に加え、圧力検知バルブを軸受本体の肉厚のセグメント部のそれぞれに設けて予め設定圧の調整ができるので、動圧力レベルの設定が容易であるという効果を有する。
また、圧力検知バルブは圧縮ばねと鋼球であり安定した圧力調整機能が得られる効果を有する。
また、圧力検知バルブと流路をそれぞれのセグメント部に主軸軸線とセグメント部の中心線を含む平面に対して対称に設けることにより主軸の正逆両方向回転に対しても検知できるという効果を有する。

請求項３の考案は、支持する動圧のレベルを均一にすることにより、圧力調整機構の感度の若干のばらつきがあっても、いずれかのバルブシート部が作用することにより回転軸を非真円平軸受内で回転中心が変動せず一定位置を保持する調整機構が安定して作動する効果を有する。

以下に本考案の具体的な実施形態を図面にもとづき説明する。
図１は非真円平軸受主要部断面図。図２は軸受本体の圧力調整機構の圧力検知バルブと流路の配置を一つのセグメント部に例示した説明図。図３は図２のＡＡ断面視図で圧力検知バルブの断面図である。
実施例１の構成の説明に先立ち非真円平軸軸受の構造の要点を説明する。

非真円平軸受は軸受の動圧力を発生する油膜を形成する山形のセグメント部は回転軸に対して釣合のとれる位置に複数個所少なくとも円周の三個所の軸方向に設けるものである。以下実施例として工作上最も好ましい形の三等分位置に設けた例の回転軸が回転して動圧力が発生している状態を示す図１において、回転軸１は軸受本体２に挿入され支承されている。軸受本体２はその外周の三等分位置に形成した山形のセグメント部頂面の支持面Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３により軸受筒３の内周面に嵌装されている。セグメント部２ａの支持面Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は三等分したＯＵ，ＯＶ，ＯＷの線上に設けられている。軸受本体２は支持面Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を外側に有する三個所のセグメント部２ａとその間に可撓性ある幅Ｒｅの薄肉部２ｂで結合して円筒状に形成されている。

薄肉部２ｂと軸受筒３の内周面との間で第１隙間４が形成され潤滑油の排出路を形成している。幅ｂのセグメント部２ａの内周面２ｃは回転軸１の回転時に楔形油膜５を形成し回転軸１を支承している。幅Ｒｅの薄肉部２ｂの内周面２ｄと回転軸１の表面との間には前記軸受面に潤滑油の通路となる第２隙間６が形成されている。

非真円平軸受は三個所の楔形油膜５で回転軸１の回転を支承する剛性の高い軸受であり、外周面の支持面Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と軸受筒３と接するセグメント部２ａの内周面側に回転軸１を支承する軸受面２ｃが設けられている。
そのため、軸受本体２のセグメント部２ａの内周面２ｃと半径Ｒ１の回転軸１の外周面との間で軸の回転方向に向かって油膜が薄くなる楔形の隙間を形成するためにセグメント部２ａの内周面２ｃは、半径Ｒ１より僅かに大きな半径Ｒ２を主軸軸心から離れてセグメント部中心線上を偏位した位置に中心をとり、セグメント部２ａのＯＵ，ＯＶ，ＯＷ上の最小の軸受隙間は回転軸の回転とともに回転方向側に移動して軸受面積を拡大する。

セグメント部２ａの隙間ＥＲ〜ＥＬは軸受作用面であり、これらのセグメント部２ａのセグメントを結合する薄肉部２ｂは可撓体であり、その内面と外面は前述のとおり共に潤滑油の通路を形成している。

なお、軸受本体２を軸受筒３に嵌入したときに三個所の楔形隙間を形成させるには、軸受本体２の内周面を外周面と同心に加工しておき、軸受筒３への嵌入時に薄肉部の変形性を利用する方法がある。更に、楔面形成に必要な窪みを加工により三個所に刻設することも可能である。なお、実施例では三等分の場合を説明したが、これに限定されるものでなく、動圧発生の効率上から最適な分割を算出して、三個所以上複数個所に設けることも自由である。

次に非真円平軸受の軸受面に発生する動圧の分布について説明する。
図１において、回転軸１が回転すると厚肉のセグメント部２ａの内径の軸受面２ｃにおいて閉じ側の隙間ＥＬと開き側の隙間ＥＲとする楔形油膜５がＯＵ，ＯＶ，ＯＷの中心線と交叉してそれぞれ形成される。隙間ＥＲ、ＥＬの近傍では油膜の動圧力は低いが中心線の近くでは動圧力は最も高くなっており最大動圧値のＰｍａｘを示すようになる。
ジャーナル速度が上がるに伴いＥＲ隙間が徐々に大きくなり、Ｐｍａｘの位置はＥＬ側に移動する。

次に圧力調整機構の構成を説明する。
図２におけるＡＡ断面線が中心を通る回転軸とほぼ平行な穴２ｅに圧力検知バルブの主要部が設けられている。軸受面２ｃに形成される楔形油膜５の種々の条件で決定されるＰｍａｘ位置の近傍で隙間ＥＬ側即ち高動圧側に圧力を検知する流入孔ＩＮが軸受本体２の軸線に交叉して穿孔されている。
また、楔形油膜５の高動圧側から低圧力側、図のＯＶ線より右側の楔面に還流させるための流出孔ＯＵＴが同様に穿孔されている。流入孔ＩＮと流出孔ＯＵＴはセグメント部２ａ内に穿孔した流路２２、穴２ｅ、流路１７，１８で導通されている。

軸受本体２の軸線方向に、それぞれのセグメント部２ａに穿孔された穴２ｅに、図３に示すような圧力検知バルブ１０が構成されている。圧力検知バルブ１０は三等分の中心線をＯＵ，ＯＶ，ＯＷとするそれぞれのセグメント部２ａに形成されている。
圧力検知バルブ１０内の鋼球１１の左端はチャンバ１２の穴底に内装したスリーブ２１の右端面内径のエッジのバルブシート部２１ｂに着座している。スリーブ２１は両端部外周をぬすんで隙間を形成した左側のぬすみ部にポート２１ａを穿孔して流路２２，流入孔ＩＮと連通している。鋼球１１の右側にはピストン部材１４が嵌装され、軸端には穿孔された穴２ｅの開口部の蓋１６との隙間Ｓが確保されている。

ピストン部材１４の鋼球１１と当接する凹部を形成した大径部１４ａは、穴２ｅ内で軸方向に進退可能に案内され、細径部１４ｂに積層された皿ばね１５が大径部１４ａの段部と蓋１６の内端に当接するカラー１９との間に外挿され、大径部１４ａを左方向に付勢している。鋼球１１とスリーブ２１のバルブシート部２１ｂとの着座を確実にして流入孔ＩＮから流路２２、ポート２１ａを経て入った圧油Ｏｉをチャンバ１２内に封じて外部と遮断し、チャンバ１２の圧油Ｏｉは所定の設定圧力に達するまで保持される。

皿ばね１５は所定の圧力にカラー１９の長さを規定することで蓋１６で押圧設定されている。ピストン部材１４はチャンバ１２内の圧力が設定圧力より上昇すると鋼球１１は皿ばね１５を圧縮して図上で右方向に移動する。その結果バルブシート部２１ｂと鋼球１１との間に隙間ができる。この着座面近傍には軸１の円周方向にほぼ平行な流路１７，及び流路１７と流出孔ＯＵＴに通ずる流路１８が孔設されており、圧油Ｏｉがスリーブ２１の外周ぬすみ部、流路１７，１８を通って流出孔ＯＵＴから楔形油膜５の低動圧部へ還流して圧力を逃がす。
なお、流路１７，１８，２２の開口部にそれぞれ埋栓２４，２５，２６で閉口されている。

図２において、セグメント部２ａに設けた流入孔ＩＮ、圧力検知バルブ１０、低圧隙間へ通じる流出孔ＯＵＴをそれぞれＯＵ，ＯＶ，ＯＷの中心線に対し対称に構成して設けることにより、回転軸の正逆回転に対する高動圧のレベルを制限し一定圧力に保つことができる。この場合、軸受本体２はセグメント部２ａの外周三個所の支持面Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の回りで中心線ＯＵ，ＯＶ，ＯＷの左右に傾斜可能に軸受筒３の内周面に当接しており、セグメント部２ａの内周面の円弧Ｒ２は軸受作用面ＥＬ〜ＥＲ間の半径で、この曲率中心はＯ点より遠くにあり、曲率半径はその偏心量，回転軸半径及び軸外周面の隙間とを加えたものである。正転時又は逆転時に圧力を検出する圧力検知バルブ１０の逆転用圧力検知バルブ２０は同じ部品で構成されている。
なお、蓋１６に例えば歪形のような圧力センサを取り付けることにより作用圧力の実測を行うことが可能であり、作動圧力を外部から制御することも可能である。
また、三等分位置のチャンバ１２を互いに接続することにより高動圧を等しくでき、軸中心位置が安定する。

続いて、圧力検知バルブ１０の作用について説明する。
流入孔ＩＮから導かれた圧油は流路２２，ポート２１ａを経てチャンバ１２に入り、圧油Ｏｉが鋼球１１を押圧する。チャンバ１２の断面積に作用する圧油Ｏｉの総圧力が僅かに皿ばね１５の設定値を超えると、バルブシート部２１ｂ即ちチャンバ１２の端面と鋼球１１の外周面との当接面が開いて近傍に穿設された流路１７から流路１８を経て流出孔ＯＵＴへ導かれ、楔形油膜の入口側の厚い油膜側ＥＲへ放出して圧力を逃がし、流入孔ＩＮと流出孔ＯＵＴ側の圧力差を減少する方向に作用させることになる。

従って、回転軸１の回転数がなんらかの理由で上昇し、楔形油膜５の圧力レベルが上昇しても、前述のように高動圧潤滑油の圧油Ｏｉのレベルが制限され圧油Ｏｉの温度上昇による軸受本体２の温度上昇を防ぐことができ、軸受の精度性能が損なわれることなく安定した軸受機能の維持が可能となる。
研削盤の砥石軸は一方向回転だけで使用されている。しかし、旋盤又はマシニングセンタの主軸は通常正逆回転で使用される。主軸を逆回転させた時にも高い動圧部の圧力調整が可能なように３つのそれぞれの中心線ＯＵ，ＯＶ，ＯＷと主軸軸線を含む平面に対して対称に圧力検知バルブと流路を含む圧力調整機構を構成することにより、正逆回転する主軸においても高動圧力調整が可能なすべり軸受装置の構成が可能となる。

回転軸が回転中で動圧が発生している状態における本考案に係る非真円平軸受主要部断面図である。軸受本体の圧力検知バルブと流路の配置説明図である。図２のＡＡ断面視図で圧力検知バルブの断面図である。

符号の説明

１回転軸（主軸）
２軸受本体
３軸受筒
４第１隙間
５楔形油膜
６第２隙間
１０圧力検知バルブ（正転用）
１１鋼球
１２チャンバ
１４ピストン部材
１５皿ばね
１６蓋
１７，１８，２２流路
１９カラー
２０圧力検知バルブ（逆転用）
２１スリーブ

Claims

回転軸を支承する非真円平軸受であって、前記回転軸に対して釣合のとれる少なくとも三個所の位置に設けた厚肉のセグメント部間を薄肉の可撓体で円環状に連結して一体とした軸受の、前記セグメント部の外周面が軸受筒の内周面と当接するように軸方向の頂点を形成し、前記セグメント部の内周面が回転軸表面との間に円周方向の楔形空間を形成するように窪み面が形成されてなり、軸回転時に形成される楔形油膜の動圧により前記頂点を支点として前記セグメント部が傾き軸表面との隙間が変化するように形成された軸受において、
軸回転時に前記回転軸と軸受すべり面との隙間に形成される楔形油膜の領域において生ずる最高動圧力を設定圧力値に調整可能な圧力調整機構を前記セグメント部のそれぞれに設けた非真円平軸受。
前記圧力調整機構は、前記セグメント部のそれぞれの内部に穿孔され前記楔形油膜中の高圧発生側と低圧側に開口する流路と、
該流路の途中に設けられ前記高圧発生側の油圧が設定圧以上に上昇したことを検知して開口する圧力検知バルブとを含んでなり、圧力検知バルブが高圧側の圧力上昇を検知したときバルブを開いて低圧側に圧力を逃がすようにした請求項１に記載の非真円平軸受。
前記高圧側のポート内の圧油が前記セグメント部の間で導通可能な還流路を設け、それぞれの前記ポート内高圧力を平準化するようにした請求項２に記載の非真円平軸受。