JP4895754B2 - シール付き転がり軸受 - Google Patents

Description

この発明は、工作機械の主軸等に使用されるシール付き転がり軸受、特にグリース潤滑に適したシール付き転がり軸受に関する。

工作機械の主軸に用いられるシール付きアンギュラ玉軸受では、軸受内部に潤滑剤としてグリースを溜め、その軸受内部空間の両端部をシールで封止している。このようなグリース封入タイプのシール付きアンギュラ玉軸受は、油潤滑タイプのものと違って特別な潤滑装置を設ける必要がないので、その軸受が組み込まれる工作機械主軸をコンパクト化できる。さらに、潤滑装置が不要であることから、軸受交換の作業においても軸受を交換するだけで済むというメリットがある。
また、このような工作機械の主軸を支持するシール付きアンギュラ玉軸受の場合、ｄｎ＝６０万程度で回転するので、軸受内部空間の両端部を封止するシールとして、図９に示すように、シールリップ３６ａと内輪シール溝３８が接触しないタイプの非接触シール３６を使用することで、温度上昇を抑制する工夫がなされる（例えば特許文献１）。これにより、シールリップ３６ａと内輪シール溝３８との接触に伴う軸受の発熱、さらには工作機械主軸の発熱が抑制され、この発熱に起因してワークの精度が劣化することを回避できる。
特開２００２−１２２１４９号公報

しかし、図９に示す構造のシール付き転がり軸受では、内輪シール溝３８及び外輪のシール取付溝３９のできによっては内輪シール溝３８とシールリップ３６aが接近し、その場合に、シール３６の振れ幅によっては内輪シール溝３８とシールリップ３６ａとが接触することがあり、その接触部での摺接により発熱する恐れがある。

この発明の目的は、内輪シール溝とシールリップとの接触による発熱を防止できるシール付き転がり軸受を提供することである。

この発明のシール付き転がり軸受は、内輪と外輪の対向する軌道面間に複数の玉を介在させ、この玉を等間隔に保持する保持器を設け、内外輪間の空間の両端部を封止するシールを、外輪に設けられたシール取付溝にそれぞれ嵌合させて取付け、一方のシールのシールリップを、内輪の外径面に設けた環状の内輪シール溝内に内輪と非接触に位置させたシール付き転がり軸受において、このシール付き転がり軸受は、内輪の外径面にカウンタボアが設けられるアンギュラ玉軸受であり、前記内輪の外径面におけるカウンタボアとは反対側の肩部に、前記内輪シール溝を設け、この内輪シール溝の内輪端面側の内側面とシールリップの側面との間の距離を、シールリップと内輪シール溝が非接触に保持される距離とし、且つ、前記内輪シール溝の内輪端面側の内側面とシールリップの側面との間の距離を、シールの平坦度によるシールと内輪シール溝との接触を考慮して、内輪シール溝の溝幅の４０〜４３％とし、前記内輪の外径面におけるカウンタボアには、他方のシールの内周縁部のシールリップが内輪と非接触に位置させてあり、各シールは、それぞれ弾性部材と、この弾性部材に埋め込まれる芯金とでなる環状の部材であり、弾性部材の内周縁部をシールリップとし、前記一方のシールのシールリップの両側面を内輪シール溝に対して非接触とし、前記他方のシールのシールリップの内周面を前記カウンタボアに対して非接触としたことを特徴とする。
この構成によると、内輪シール溝の内輪端面側の内側面とシールリップの側面との間の距離を、内輪シール溝の溝幅の例えば４０％以上としたので、内輪シール溝及び外輪のシール取付溝に、公差内の寸法振れが生じても、内輪シール溝における内輪端面側の内側面とシールリップとの接触を回避でき、また例えば４３％以下としたので、内輪シール溝における軌道面側の内側面とシールリップとの接触も回避できる。このように、内輪シール溝とシールリップとの接触を回避でき、その接触による発熱を防止できる。

前記転がり軸受がアンギュラ玉軸受である。アンギュラ玉軸受の場合に、上記シールリップの接触による発熱の問題が大きく、この発明によるシールリップの接触回避による発熱防止の効果が効果的である。

この発明において、前記シール付き転がり軸受が工作機械の主軸を支持する軸受であっても良い。この構成の場合、主軸を支持する軸受において、内輪シール溝とシールリップとの接触がなく、その接触に起因する軸受の発熱が抑制されるので、主軸の発熱も抑制され、主軸の発熱によるワークの精度劣化を抑制することができる。

この発明のシール付き転がり軸受は、内輪と外輪の対向する軌道面間に複数の玉を介在させ、この玉を等間隔に保持する保持器を設け、内外輪間の空間の両端部を封止するシールを、外輪に設けられたシール取付溝にそれぞれ嵌合させて取付け、一方のシールのシールリップを、内輪の外径面に設けた環状の内輪シール溝内に内輪と非接触に位置させたシール付き転がり軸受において、このシール付き転がり軸受は、内輪の外径面にカウンタボアが設けられるアンギュラ玉軸受であり、前記内輪の外径面におけるカウンタボアとは反対側の肩部に、前記内輪シール溝を設け、この内輪シール溝の内輪端面側の内側面とシールリップの側面との間の距離を、シールリップと内輪シール溝が非接触に保持される距離とし、且つ、前記内輪シール溝の内輪端面側の内側面とシールリップの側面との間の距離を、シールの平坦度によるシールと内輪シール溝との接触を考慮して、内輪シール溝の溝幅の４０〜４３％とし、前記内輪の外径面におけるカウンタボアには、他方のシールの内周縁部のシールリップが内輪と非接触に位置させてあり、各シールは、それぞれ弾性部材と、この弾性部材に埋め込まれる芯金とでなる環状の部材であり、弾性部材の内周縁部をシールリップとし、前記一方のシールのシールリップの両側面を内輪シール溝に対して非接触とし、前記他方のシールのシールリップの内周面を前記カウンタボアに対して非接触としたため、内輪シール溝とシールリップとの接触による発熱を防止することができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１はこの実施形態のシール付き転がり軸受の断面図を示し、図２はその部分拡大断面図を示す。この転がり軸受１０は、内輪１と外輪２の対向する軌道面１ａ，２ａ間に複数の玉３を介在させたアンギュラ玉軸受であって、グリース潤滑で使用される。玉３は、保持器４によって、周方向に所定の間隔で転動自在に保持されている。保持器４は、外輪２の内径面で案内される。内輪１の外径面および外輪２の内径面に設けられる各軌道面１ａ，２ａは、玉３との接触角が所定の角度となるようにされる。内輪１の外径面には、軌道面１ａの片側に、つまり接触角の生じる方向と反対側部分に、外径が外側へ次第に小径となるカウンタボア５が設けられている。外輪２の内径面は、円筒状面とされ、カウンタボアは設けられていない。軸受組立時において、このアンギュラ玉軸受１０は、玉３が組付けられた外輪２を加熱することによって膨張させ、カウンタボア５側から内輪１を挿入することによって組付けることができる。

外輪２には、内外輪１，２間の空間の両端部を封止する一対の芯金付きのシール６，６Ａが取付けられている。具体的には、外輪２の内径面の両端部に、一対のシール取付溝７，７Ａが周方向に向けて環状に形成され、これらのシール取付溝７，７Ａに前記各シール６，６Ａが嵌合される。一方のシール６は、ゴム等の弾性部材１１と補強部材である芯金１２との複合体からなる環状の部材であり、芯金１２の外周部は弾性部材１１の外周縁部である弾性膨出部１１ａ内に埋込まれて芯金１２の固定側とされている。また、芯金１２の内周部は弾性部材１１の内周縁部であるシールリップ１１ｂ内に埋込まれている。他方のシール６Ａも弾性部材１１と芯金１２との複合体からなる環状の部材であり、弾性部材１１の外周縁部が弾性膨出部１１ａとされ、弾性部材１１の内周縁部がシールリップ１１ｂとされる。

内輪１の外径面におけるカウンタボア５とは反対側の肩部には、周方向に向けて環状の内輪シール溝８が設けられており、この内輪シール溝８内に一方のシール６のシールリップ１１ｂが内輪１と非接触に位置させてある。この場合、シール６と内輪シール溝８とが接触しないように、内輪シール溝８の内輪端面側の内側面とシールリップ１１ｂの側面との間の距離は、内輪シール溝８の溝幅の４０〜４３％とされている。また、内輪１の外径面におけるカウンタボア５には、他方のシール６Ａの内周縁部のシールリップ１１ｂが内輪１と非接触に位置させてある。

次に、このシール付き転がり軸受１０において、内輪シール溝８の内輪端面側の内側面とシールリップ１１ｂの側面との間の距離を、内輪シール溝８の溝幅の４０〜４３％とした根拠を、図３〜図６を参照して説明する。
図３は、この実施形態と略同一構造のシール付き転がり軸受の従来例の部分断面図を示し、同一部材には実施形態の場合と同一符号を付している。実施形態の場合と異なるのは、外輪２に対するシール６の取付位置だけである。このシール付き転がり軸受１０Ａの諸元は以下の通りである。
・軸受型番：BNS012（ＮＴＮ社製）
・アキシアル荷重：198 Ｎ
・回転数：10000min^-1
・封入グリース：MP-1（日本グリース社製）
・封入量：軸受静止空間の４５％
この従来例では、図４に示すシール６の取付部の符号で示す各部位の寸法が表１の値とされている。

また、同シール６のシールリップ１１ｂが臨む内輪シール溝８の詳細を拡大断面図で示す図５において、
・シールリップ１１ｂの先端の側面と内輪シール溝８の入口側斜面との隙間：0.3mm
・シールリップ１１ｂの先端位置での内輪シール溝８の溝幅 ：1.1mm
・公差による前記隙間の変動幅 ：0.24mm
とされている。なお、内輪シール溝８の寸法は、光学顕微鏡を用いて測定した。
公差による隙間の変動幅は、図４の符号を用いると、
ａの公差＋ｃの公差＋（φD1−φd1）の公差×tan40 ° …（１）
＝0.06＋0.06＋0.14tan40 °
＝0.237
として算出される。

これらの各値から、シールリップ１１ｂの先端の側面と内輪シール溝８の内輪端面側の内側面との距離は、0.06〜0.54（0.3 −0.237 〜0.3 ＋0.237 ）mmとなるが、軸受１０Ａのでき具合や、シール６の平坦度によってはシール６と内輪シール溝８とが接触する恐れがある。
そこで、前記シール６の側面の平坦度を測定すると、表２に示す測定結果が得られた。

なお、この平坦度測定では、図６に示すように、シール６の側面にダイヤルゲージ２３を当てた状態で軸受１０Ａを１周させ、シール６の凹凸を測定した。

この平坦度測定の結果を上記した隙間の値0.06〜0.54mmに加味すると、シールリップ１１ｂと内輪シール溝８との接触を防ぐためには、隙間の値は最小でも0.2mm 程度あった方が望ましい。すなわち、上記従来例の場合よりも隙間を0.14（＝0.2 −0.06）mmだけ大きくする必要があり、具体的にはシールリップ１１ｂの先端の側面と内輪シール溝８の内輪端面側の内側面との距離を0.44（＝0.3 ＋0.14）mm以上とする必要がある。内輪シール溝８の溝幅は1.1mm であるから、換言すると、シールリップ１１ｂの先端の側面と内輪シール溝８の内輪端面側の内側面との距離を、内輪シール溝８の溝幅の40％（0.44／1.1 ＝0.4 ）以上とする必要がある。

一方、図５において、○で囲んで示す内輪シール溝８の軌道面１ａ側の内側面とシールリップ１１ｂの側面との間の隙間は0.5mm とされている。そこで、上記の場合と同様に、公差による隙間の変動幅を求めると、0.13mmとなる。すなわち、内輪シール溝８の軌道面１ａ側の内側面は角度が５°であるから、上記の式（１）において、tan４０°に代えてtan５°とすると、幅0.13mmとなる。これを加味すると、○で囲んで示す内輪シール溝８の軌道面１ａ側の内側面とシールリップ１１ｂの側面との間の隙間は、0.37〜0.63mmとなる。さらに、シール６の平坦度による接触を考慮すると0.2mm 程度の隙間が望ましいため、シール６を内輪シール溝８の軌道面１ａ側の内側面にずらせる量の上限値は0.17（＝0 .37 −0.2 ）mmとなり、この時のシールリップ１１ｂの先端の側面と内輪シール溝８の内輪端面側の内側面との距離は0.47（＝0.3 ＋0.17）mmとなる。すなわち、シールリップ１１ｂの先端の側面と内輪シール溝８の内輪端面側の内側面との距離は、内輪シール溝８の溝幅の43％（0.47／1.1 ≒0.43）以下とする必要がある。

このように、このシール付き転がり軸受１０によると、内輪シール溝８の内輪端面側の内側面とシールリップ１１ｂの側面との間の距離を、内輪シール溝８の溝幅の４０〜４３％としているので、内輪シール溝８とシールリップ１１ｂとの接触を回避でき、その接触による発熱を防止できる。

図７は、図１の実施形態のシール付き転がり軸受（アンギュラ玉軸受）１０を用いた工作機械におけるスピンドル装置部分を示す。この工作機械のスピンドル装置は、主軸１３を一対のアンギュラ玉軸受１０，１０と別の転がり軸受１４で支持している。一対のアンギュラ玉軸受１０，１０は、主軸１３の前部を支持し、別の転がり軸受１４は主軸１３の後部を支持する。両アンギュラ玉軸受１０，１０は、互いに例えば背面組み合わせに設置される。別の転がり軸受１４には円筒ころ軸受等が用いられる。このスピンドル装置は、ビルトインモータ型のものであり、主軸１３の外周に、モータ１５のロータ１６が設けられ、ロータ１６と対応するステータ１７が、ハウジング１８の内周に設けられている。ハウジング１８は、軸受冷却ジャケット１９およびモータ冷却ジャケット２０を有している。

図８は、工作機械の主軸軸受部を示す。主軸１３は、左右に並べて配置した複数のアンギュラ玉軸受１０，１０を介してハウジング（図示せず）に支持される。これらのアンギュラ玉軸受１０は、図１に示したシール付き転がり軸受であり、互いに背面組合せに配置されている。両アンギュラ玉軸受１０，１０の内輪１，１間および外輪２，２間には、内輪間座２１および外輪間座２２が介在させてある。

このように、工作機械の主軸軸受部に図１の実施形態のシール付き転がり軸受１０を用いた場合、主軸を支持する軸受１０において、内輪シール溝８とシールリップ１１ｂとの接触がなく、その接触に起因する軸受１０の発熱が抑制されるので、主軸１３の発熱も抑制され、主軸１３の発熱によるワークの精度劣化を抑制することができる。

この発明の一実施形態にかかるシール付き転がり軸受の部分断面図である。 同シール付き転がり軸受の部分拡大断面図である。 同シール付き転がり軸受における内輪シール溝とシールリップの距離設定の根拠説明に用いる従来のシール付き転がり軸受の部分断面図である。 図３におけるシール取付部を示す部分拡大断面図である。 図３における内輪シール溝の部分を示す部分拡大断面図である 図３のシール付き転がり軸受の平坦度測定の説明図である。 図１の実施形態にかかるシール付き転がり軸受を用いた工作機械におけるスピンドル装置の部分断面図である。 図１の実施形態にかかるシール付き転がり軸受を用いた工作機械の主軸軸受部の部分断面図である。 従来例の部分断面図である。

符号の説明

１…内輪
２…外輪
１ａ，２ａ…軌道面
３…玉
４…保持器
６，６Ａ…シール
７…シール取付溝
８…内輪シール溝
１１ｂ…シールリップ
１３…主軸

Claims (2)

1. 内輪と外輪の対向する軌道面間に複数の玉を介在させ、この玉を等間隔に保持する保持器を設け、内外輪間の空間の両端部を封止するシールを、外輪に設けられたシール取付溝にそれぞれ嵌合させて取付け、一方のシールのシールリップを、内輪の外径面に設けた環状の内輪シール溝内に内輪と非接触に位置させたシール付き転がり軸受において、
   このシール付き転がり軸受は、内輪の外径面にカウンタボアが設けられるアンギュラ玉軸受であり、
   前記内輪の外径面におけるカウンタボアとは反対側の肩部に、前記内輪シール溝を設け、この内輪シール溝の内輪端面側の内側面とシールリップの側面との間の距離を、シールリップと内輪シール溝が非接触に保持される距離とし、且つ、前記内輪シール溝の内輪端面側の内側面とシールリップの側面との間の距離を、シールの平坦度によるシールと内輪シール溝との接触を考慮して、内輪シール溝の溝幅の４０〜４３％とし、
   前記内輪の外径面におけるカウンタボアには、他方のシールの内周縁部のシールリップが内輪と非接触に位置させてあり、
   各シールは、それぞれ弾性部材と、この弾性部材に埋め込まれる芯金とでなる環状の部材であり、弾性部材の内周縁部をシールリップとし、前記一方のシールのシールリップの両側面を内輪シール溝に対して非接触とし、前記他方のシールのシールリップの内周面を前記カウンタボアに対して非接触としたことを特徴とするシール付き転がり軸受。
2. 請求項１において、工作機械の主軸を支持する軸受であるシール付き転がり軸受。

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