JP3789578B2 - 軸受の給脂装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械の主軸等、高速化と長寿命化が求められる軸受に応用される軸受の給脂装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の軸受は、コストおよびメンテナンスフリーの点からグリース潤滑が多く用いられている。しかし、グリース潤滑による軸受の高速化と長寿命化は、相反する性能であり、両立が難しい。
工作機主軸においては、生産性・加工精度の向上等の要求から高速化がますます進んでいる。軸受を高速で運転するには、潤滑方法によるところが大きく、エアオイル潤滑、ジェット潤滑、アンダレース潤滑等の潤滑方法を選択すればよい。しかしこれらの潤滑法は、給油装置等の付帯設備が必要であり、コスト高になってしまう欠点がある。そこで望まれるのが、安価でしかもメンテナンスフリーが可能な潤滑法での高速化がある。
グリース潤滑での高速長寿命化の工夫の一つに、図１１に示すものがある。これは、二体部品５１ａ，５１ｂで構成される内輪間座５１において、間座内部に潤滑剤溜め室５２を形成してグリースを封入し、運転中に作用するグリースの遠心力と、二体部品５１ａ，５１ｂの嵌めあい部５３の双方の面粗さで生じる微小隙間により、運転に必要な潤滑油（グリースの基油）を軸受に供給するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１１の従来例において、運転中の油量制御は、軸受回転数（グリースに作用する遠心力）と、二体部品５１ａ，５１ｂの嵌めあい部５３の面粗さにより生じる微小なすきま量で行われる。このことから、油量を正確に制御するためには、２体部品５１ａ，５１ｂの嵌めあい面の粗さの管理と、嵌めあい時の締め代管理が重要となる。しかし、これら粗さおよび締め代の管理は非常に難しく、量産には対応できないのが現状である。
また、同図の従来例で用いる潤滑油には、グリース中の基油を利用している。即ち、潤滑剤溜め室５２中の約３０％しか潤滑油として利用できず、長寿命化を考えた場合、潤滑剤溜め室５２の空間を大きくする必要がある。
【０００４】
この発明は上記課題を解消するものであり、付帯設備を必要とせずに、メンテナンスフリーの油潤滑が可能で、軸受の高速，長寿命化が可能であり、さらに品質管理が容易な軸受の給脂装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の軸受の給脂装置は、内輪の端面に接する内輪間座内に、油を封入する油溜め室を設け、前記内輪間座の前記内輪と接触する端面に、回転時の吐出油量を制御する吐出溝を半径方向の途中部分から外径縁まで延びて設けたものである。油溜め室と吐出溝とは連通路を設けて連通させる。前記内輪の前記内輪間座側の端面と軌道面との間の外周面部分は、前記端面側が小径となるテーパ面に形成する。このテーパ面の前記端面側の外径寸法は、前記内輪間座の外径寸法よりも大きくする。前記内輪の幅寸法は外輪幅と同じであっても良い。
【０００６】
この構成によると、油溜め室に封入された油には、間座を回転させることにより遠心力が生じ、圧力が発生する。この圧力により、油は連通路より吐出溝に圧送される。この圧送された油は、吐出溝で流量制御されて転動体に向けて吐出し、潤滑に供される。
吐出溝から吐出される油量は、回転数，使用油の粘度，および吐出溝の形状で定まる。回転数は、詳しくは、運転中の油に生じる遠心力に影響し、これが油溜め室内の圧力に影響して吐出油量に影響する。そのため、軸受回転数に応じた潤滑油量調整が可能となり、軸受の高速化が可能になる。
吐出溝の形状は、溝深さ，溝幅，溝長さ等で定まる。このように吐出溝の形状で吐出油量が制御でき、また溝形状は面粗さの調整や孔加工の場合に比べて精度良く加工することが容易であるため、品質管理が容易で、精度の良い微量供給が行える。また、油潤滑とするため、グリースの基油を利用する場合と異なり、油溜め室内の大部分を実際に潤滑に利用される油の収容に利用でき、油溜め室を大きくすることなく、封入油量を確保して長寿命を達成することができる。
さらに、内輪の油溜め室付き内輪間座側の端面と軌道面との間の外周面部分を、前記端面側が小径となるテーパ面に形成し、かつ前記テーパ面の前記端面側の外径寸法を、前記内輪間座の外径寸法よりも大きくしたため、吐出溝より吐出した油は、油の表面張力により、内輪端面からテーパ面へと付着しながら流れ、内輪の軌道面付近で飛散し、潤滑油として供される。そのため、吐出溝から吐出された油の転動体への供給が良好に行われ、潤滑性が向上する。また、このため、内輪幅を、端面が転動体幅内に入るような特殊な幅とすることなく、吐出溝からの油の供給が行え、各種形式の軸受にこの軸受の給脂装置を応用することができる。
【０００７】
上記構成において、前記内輪間座は、外周部品と、この外周部品の内周に嵌合する内周部品とで構成され、前記外周部品の内径面に前記油溜め室が形成されたものとしても良い。これにより、油溜め室を有する内輪間座が容易に形成できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の基礎となる提案例を図１ないし図３と共に説明する。互いに離して配置した一対の軸受１，１の内輪２，２間、および外輪３，３間に、リング状の内輪間座６および外輪間座７が各々設けてある。各軸受１は、内輪２，外輪３、転動体４、および保持器５で構成されるアンギュラ玉軸受からなり、互いに背合せに設けてある。各軸受１の内輪２は、片方（接触角により偏った作用点から遠い方）の端面２ａが、転動体４の幅Ｗの内側となるように形成してある。
【００１２】
内輪間座６は、両端がこれら内輪２，２の転動体幅内の端面２ａに押し付けられるように設けられる。この内輪間座６は、外周部品８と内周部品９とシール部材１０とで構成され、外周部品８の内径面に、その両端付近まで延びる溝幅の円周溝状の油溜め室１１が形成されている。この油溜め室１１に、潤滑油を封入する。シール部材１０は、Ｏリング等の弾性体からなり、外周部品８の内径部の両端に残された環状の鍔状部８ａの内径面に円周溝を形成して嵌着され、内外の部品９，８間からの潤滑油の漏れを阻止する。
【００１３】
内輪間座６の両側の端面には、吐出溝１２が、この端面の半径方向の途中部分から外径縁まで半径方向に延びて設けられ、この吐出溝１２に連通する小孔状の連通路１３が、外周部品８の鍔状部８ａを貫通して設けられている。吐出溝１２は、内輪間座６の円周方向の１か所または複数箇所に設けられる。この例では、吐出溝１２は各軸受１に対して１箇所とし、すなわち内輪間座６の両端に１か所ずつ設け、両端の吐出溝１２は互いに１８０°離れた位置としてある。吐出溝１２の形状は、例えば溝幅がミリ単位、溝深さがミクロン単位となるような微小深さの溝とされる。なお、内周部品９には、油溜め室１１を内径面側に開口させる潤滑油封入口となる小孔１４が形成してある。
【００１４】
上記構成の作用を説明する。油溜め室１１に封入された油には、内輪２と共に内輪間座６が回転することにより、遠心力が生じて圧力が発生する。この圧力により、油は連通路１３より吐出溝１２に圧送される。この圧送された油は、吐出溝１２で流量制御され、転動体４に向けて吐出されて潤滑に供される。
運転中の油量制御は、回転数（運転中の油量に生じる遠心力）と使用油粘度及び吐出溝１２の形状設計で行うことができる。ここで吐出油量は、ダルシーの式が適用でき、次の関係式により求めることができる。
【００１５】

なお、溝長さＬは有効長さであり、連通路１３の開口中心から溝端部までの長さとなる。
【００１６】
図３は、図１の軸受の給脂装置を組み込んだ工作機械または産業機械等のスピンドル装置の一例を示す。両側の軸受１およびその間の内輪間座６は、スピンドルとなる軸１５の外周に嵌合させ、これら両軸受１および内輪間座６を、軸１５の段面１５ａと軸１５のねじ部に螺着されたナット１６との間で挟み付けて固定してある。両軸受１の外輪３および外輪間座７は、ハウジング１７の円筒面状の内径面に嵌合させ、ハウジング１７の両端に各々ボルト等で固定したリング状の押え部材１８間に締め付け固定してある。
このように、この軸受の給脂装置は、スピンドル装置における互いに離れて配置される軸受１，１間に内輪間座６を設ける場合に効果的に使用できる。
【００１７】
図４は、この発明の軸受の給脂装置を応用したスピンドル装置の他の例を示す。この例は、工作機械の一般的な軸受配列であるアンギュラ玉軸受の並列背面組み合わせでの構成例である。この軸受配列で、内側の２個の軸受１、および外側２個の軸受１Ａは、いずれも図１の例と同じ構成のものであり、内輪２の片方の端面２ａが転動体４の幅Ｗ内となるものとしてある。これら各軸受１，１Ａの前記内輪端面２ａは、互いに内側に対向している。油溜め室付きの内輪間座６Ａは、内側２個の軸受１の内輪２の間に、両端が前記端面２ａに押し付けられる状態に設けてある。内側の軸受１と外側の軸受１Ａの内輪２との間には、油路形成用内輪間座１９を設けてある。
【００１８】
油溜め室付きの内輪間座６Ａは、内径面に円周溝状の油溜め室１１Ａを設け、図１の例と同様に、両端に吐出溝１２および連通路１３を形成して内側２個の軸受１，１に油を供給するようにしてある（同図では一端の吐出溝のみを図示）。外側２個の軸受１Ａに対しては、各油路形成用内輪間座１９に、油溜め室付き内輪間座６Ａの吐出溝１２と同様な吐出溝１２Ａを設け、油溜め室付き内輪間座６Ａの油溜め室１１Ａから吐出溝１２Ａに連通する連通路１３Ａで油を供給する。この外側軸受用の連通路１３Ａは、油溜め室付き内輪間座６Ａの鍔状部６ａと、内側軸受１の内輪２と、油路形成用内輪間座１９とに各々設けた連通路部分１３Ａａ，１３Ａｂ，１３Ａｃで構成される。これら連通路部分１３Ａａ，１３Ａｂ，１３Ａｃ間の接続部には、Ｏリングからなるシール部材２１が設けられる。
また、この例の内輪間座６Ａは、油溜め室１１Ａの容積を大きく確保するために、図１の例の内周部品９を無くし、外周部品８に相当する形状の部品とシール部材１０とで構成してある。この内輪間座６Ａでは、軸１５に外嵌させ、シール部材１０で密封することにより、油溜め室１１Ａ内に油が封入される。この内輪間座６Ａは、外径面に栓付きの油注入口２２を設け、外径面から油溜め室１１Ａへの油の封入作業を行う。また、外輪間座７には、油注入口１７と対応する注入ノズル挿入孔２３が設けてある。
【００１９】
この構成の給脂装置の場合、一つの油溜め室付きの内輪間座６Ａから内外両列の軸受１，１Ａに各々吐出溝１２，１２Ａから油の供給が行える。そのため、内外の軸受１，１Ａ間に十分な容量の油溜め室が得られない軸受配置でありながら、複列ずつ設けられる４個の軸受１，１Ａに、十分な量の油の供給が行え、寿命向上が図れる。
【００２０】
図５，図６は、この発明の第１の実施形態を示す。この例は、図１の軸受の給脂装置において、内輪２の幅寸法を外輪幅と同じとなるまで広くし、かつ内輪２の外径面における円弧溝状の軌道面２ｂと油溜め室付き間座６側の端面２ａとの間の外径面部分を、その端面２ａ側が小径となるテーパ面２ｃに形成したものである。テーパ面２ｃの端面２ａ側の側縁の外径寸法Ｄｂは、内輪間座６の外径寸法Ｄｓよりも大きくし、テーパ面２ｃの勾配は所定の勾配αとしてある。油溜め室付き間座６は、内輪２の端面２ａとの間に潤滑油の流路である吐出溝１２を形成する手段となる。
このように、（内輪外径寸法（Ｄｂ））＞（油溜め室付き内輪間座外径寸法Ｄｓ）とし、かつ内輪外径面をテーパ面２ｃとすることで、内輪２の端面２ａへ潤滑油を吐出する手段である油溜め室付き内輪間座６から吐出された油は、油の表面張力により、内輪端面からテーパ面２ｃへと付着しながら流れ（矢印ｓ）、軌道面２ｂの付近で飛散し、潤滑に供される。この付着流れは、テーパ面２ｃの傾斜角度に影響され、例えばα＞５°とすることで生じる。このように、油溜め室付き内輪間座６から吐出した油の流れを制御し、効果的な潤滑を行うことができる。
【００２１】
同図のアンギュラ玉軸受に応用した給脂装置につき、次の寸法および運転条件で実験したところ、１００パーセントの付着流れが確認できた。
回転数 ： ８０００rpm
内輪内径： １００mm
Ｄｓ ： １１６mm
Ｄｂ ： １１７mm
α ： ５°以上
テーパ面の長さ ：１０mm
【００２２】
図７は、この付着流れを利用し、円筒ころ軸受への給脂装置に応用した例を示す。円筒ころ軸受１Ｃは、両鍔付きの内輪２Ｃと、鍔無しの外輪３Ｃと、転動体であるころ４Ｃと、保持器５Ｃとで構成される。この軸受１Ｃにおける内輪２Ｃの両側の端面に各々接して、図１の例と同じ構成の油溜め室１１，吐出溝１２，連通路１３を持つ内輪間座６を設けてある。内輪２Ｃの鍔部外径面はテーパ面２Ｃｃとしてある。
この構成の場合、油溜め室付き内輪間座６から吐出された油は、内輪端面からテーパ面２Ｃｃを付着して流れ、最終的にはころ端面への付着及び保持器内径面への付着流れとなって潤滑油として供される。
このように、この付着流れを利用することで、内輪幅を特殊幅とすることなく、この油溜め室付き内輪間座６および吐出溝１２からなる微量給脂機構を用いることができる。また、このため各種形式の軸受に応用でき、それら軸受のメンテナンスフリーでの高速・長寿命化が可能となる等の効果が期待できる。
【００２３】
【実施例】
つぎに、この発明の給油装置における設計方法と溝加工の方法につき説明する。この給油装置は、軸受サイズ、軸受の配列と配置、回転数、使用油粘度、必要潤滑油量、運転時間を基に、前記ダルシーの式を用いて設計することができる。図９は、図１〜図３の軸受構成での設計例で、運転時間と単位時間当たりの吐出油量の関係を示したものである。
設計条件は、つぎの条件としてある。
油溜め室内径 Ｄｉ １０４mm
油溜め室外径 Ｄｅ １１０mm
油溜め室幅 Ｂ ６０mm
吐出溝の幅 ２・ｂ １．５mm
吐出溝の深さ ２・ａ ０．００２mm
吐出溝の長さ Ｌ ３．５mm
連通路数 ２個
油の動粘度 ２２ cSt
油の比重 ０．９
回転数 １０，０００rpm
【００２４】
この設計条件として、例えば要求運転時間が８０００ｈで、必要潤滑油量が軸受１個当たり１ｍｇ／ｈとすると、油満杯時において１４．５ｍｇ／ｈの吐出量になるような溝形状を求めればよい。即ちこの例での溝形状は、ｂ＝１．５mm，ｄ＝０．００２mm，Ｌ＝３．５mmとすればよい。
このように、この給脂装置での設計の重要点は溝形状にあり、特に吐出溝１２の深さの管理が重要になる。この発明では、この溝加工をエッチングにより行い、深さをそのエッチング時間を調整することで、簡単にしかも精度良く管理できるものとした。参考までに説明すると、図１０は、エッチングの加工時間と溝深さの関係を調べたものであり、加工時間に比例した溝深さが得られる。このように加工時間の管理で、微小深さの吐出溝１２の溝深さを精度良く加工することができる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明の軸受の給脂装置は、次の各効果が得られる。
(1)付帯設備を使用せず、しかもメンテナンスフリーの油潤滑が可能となる。そのため、グリース潤滑時のような運転初期の慣らし運転が不要となる。
(2)軸受回転数に応じた潤滑油量調整が可能となるため、軸受の高速化が可能となる。
(3)油溜め室内の全てが実際の潤滑に使用されるため、軸受の潤滑寿命は油溜め室の容量により決定され、油溜め室の適正設計により要求寿命を満足させられる軸受設計が可能となる。
【００２６】
また、内輪の油溜め室付き内輪間座と接する端面が、転動体の幅の内側である場合は、吐出溝から吐出された油が良好に転動体へ供給される。
軸受を２個並べて設ける場合に、前記のように同じ油溜め室付き内輪間座から各軸受の内輪端面に沿う吐出溝に油を供給するように構成した場合は、２個並べて設けられる軸受の片方にしか油溜め室の得られる内輪間座を配置することができない場合でも、両列の軸受に十分な油の供給が行える。そのため、工作機械等のスピンドル装置等への応用が容易となる。
さらに、内輪の外周面部分を端面側が小径となるテーパ面に形成した場合は、内輪幅を特殊な幅とすることなく、吐出溝から吐出された油の転動体への供給が良好に行われる。そのため、各種形式の軸受に、この軸受の給脂装置を応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の基礎となる提案例にかかる軸受の給脂装置の断面図である。
【図２】 （Ａ）は図１のＡ部分内で軸受内輪および内輪間座を外径側から見た部分破断拡大展開図、（Ｂ）は同部分の拡大断面図である。
【図３】 同軸受の給脂装置を応用したスピンドル装置の断面図である。
【図４】 他の提案例にかかる軸受の給脂装置を応用したスピンドル装置の部分断面図である。
【図５】 この発明の第１の実施形態にかかる軸受の給脂装置の断面図である。
【図６】 （Ａ）は同給脂装置の部分拡大破断展開図、（Ｂ）は同部分の拡大断面図である。
【図７】 さらに他の実施形態にかかる給脂装置の断面図である。
【図８】 同給脂装置のＢ部分の部分拡大断面図である。
【図９】 図１〜図３の給脂装置の実験例における運転時間と油吐出量の関係を示すグラフであるか。
【図１０】 吐出溝をエッチングで加工する場合の加工時間と溝深さの関係を示すグラフである。
【図１１】 従来例の断面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ…軸受
２…内輪
２ａ…端面
２ｃ…テーパ面
３…端面
６…内輪間座
８…外周部品
９…内周部品
１０…シール材
１１…油溜め室
１２…吐出溝
１３…連通路
１３Ａ…連通路
１９…油路形成用内輪間座

Claims (4)

1. 内輪の端面に接する内輪間座内に、油を封入する油溜め室を設け、前記内輪間座の前記内輪と接触する端面に、吐出溝を半径方向の途中部分から外径縁まで延びて設け、前記油溜め室から前記吐出溝に連通する連通路を設け、前記内輪の前記内輪間座側の端面と軌道面との間の外周面部分を、前記端面側が小径となるテーパ面に形成し、このテーパ面の前記端面側の外径寸法を、前記内輪間座の外径寸法よりも大きくした軸受の給脂装置。
2. 前記吐出溝は回転時の吐出油量を制限するものである請求項１記載の軸受の給脂装置。
3. 前記内輪の幅寸法が外輪幅と同じである請求項１または請求項２記載の軸受の給脂装置。
4. 前記内輪間座は、外周部品とこの外周部品の内周に嵌合する内周部品とで構成され、前記外周部品の内径面に前記油溜め室が形成された請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の軸受の給脂装置。

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