JP6946224B2 - 軸受装置の冷却構造 - Google Patents

Description

この発明は、軸受装置の冷却構造に関し、例えば、工作機械の主軸および主軸に組み込まれる軸受装置の冷却構造に関する。

現在、工作機械の主軸装置は、装置内部に駆動用のモータを組込んだいわゆるモータビルトインタイプが多くなってきている。モータビルトインタイプの主軸装置では、モータの発熱による軸受の温度上昇を抑えるために、圧縮エアを用いて軸受を冷却することが行われている（例えば特許文献１）。特許文献１の軸受装置は、軸受をグリース潤滑するものであって、外輪間座に設けられたエア供給口から内輪間座に向けて圧縮エアを吐出して、内輪間座およびそれに隣接する軸受、主軸等を冷却する。

また、工作機械の主軸装置では、内部に洗浄液、切削液、加工時に発生する切屑等が浸入するのを防止するために、圧縮エアを用いたエアパージ機能を有するものがある（例えば特許文献２）。特許文献２の主軸装置は、外部からハウジングの内部に供給される圧縮エアが、軸受を迂回する経路を通って外部に排出されるようにすることで、圧縮エアに包含された不純物が軸受に付着したり、軸受に塗布されているグリースが漏出したりすることを防止している（段落００４３）。

１台の空気圧縮機から供給される圧縮エアで軸受の冷却とエアパージの両方を行う場合、従来は、図７に示すように、軸受冷却用およびエアパージ用の各圧縮エアの経路をそれぞれ独立させていた。すなわち、軸受冷却用の圧縮エアＡ１は、ハウジング２に設けられた軸受冷却用経路４０を通って、外輪間座１５に設けられたエア供給口２３から内輪間座１６に向けて吹き付けられ、内輪間座１６およびその両側の転がり軸受３，４を冷却した後、外輪間座１５に設けられた排気溝４１とハウジング２に設けられた排気経路４２とを通って外部に排出される。また、エアパージ用の圧縮エアＡ２は、ハウジング２の前蓋１４に設けられたエアパージ用経路４３を通って、主軸１と前蓋１４との間の隙間４４に流され、この隙間４４から主軸１の先端の外周に吐出される。

特開２０１４−０６２６１９号公報 特開２００７−１０５８５０号公報

通常、工作機械１台当たり１機の空気圧縮機が用いられる。その場合、工作機械の小型化やエネルギー消費を抑える観点から、余力を抑えた容量の小さい空気圧縮機が使用される。そのため、圧縮エアを無駄なく有効に使用しなければならない。しかし、従来のように軸受を冷却した後の圧縮エアをそのまま排気すると、１機の空気圧縮機で軸受冷却用とエアパージ用の両方の圧縮エアを賄わなくてはならず、空気圧縮機が容量不足となって、軸受の冷却とエアパージの両方について十分な効果が得られない可能性がある。

この発明の目的は、圧縮エアを有効利用することで、圧縮エアの使用量を抑えつつ、転がり軸受の冷却とエアパージの両方を効果的に行うことができて、ハウジングに大きな加工を施すことなく構成することが可能な軸受装置の冷却構造を提供することである。

この発明の軸受装置の冷却構造は、転がり軸受の外輪および内輪に隣り合って外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および前記外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および前記内輪間座が回転軸に嵌合した軸受装置において、
前記外輪間座の内周面に、前記内輪間座の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを吹き付けるエア供給口が設けられ、前記内輪間座と前記外輪間座との間の間座空間から前記回転軸の先端の外周に前記圧縮エアを導く排気経路が、前記外輪に軸方向に貫通して設けられた貫通孔により構成されることを特徴とする。

この構成によると、外輪間座に設けられたエア供給口より、冷却用の圧縮エアが内輪間座の外周面に向けて吹き付けられる。内輪間座に衝突した圧縮エアが内輪間座の熱を奪うことで、それに隣接する転がり軸受の内輪および回転軸を効率良く冷却する。転がり軸受等を冷却した後の圧縮エアは、排気経路を通って回転軸の先端の外周に排出されて、その周辺部に存在する洗浄液、切削液、切屑等を吹き飛ばす。このように、転がり軸受等の冷却に使用した圧縮エアをエアパージにも使用するため、圧縮エアの供給系統が１系統だけで済み、圧縮エアの全体使用量が抑えられる。このため、比較的小容量の空気圧縮機であっても、転がり軸受の冷却とエアパージの両方を効果的に行うことができる。

排気経路となる貫通孔を転がり軸受の外輪に設けたことにより、ハウジングに排気経路を設けなくて済むか、または最小限の排気経路を設けるだけで済む。このため、空冷式の主軸装置に対して、ハウジングに大きな加工を施すことなく、エアパージ機能を付加することができる。

この発明において、前記貫通孔は、前記外輪間座に対して前記回転軸の先端側に位置する外輪に設けられているとよい。
この場合、間座空間と回転軸の先端の外周とを貫通孔により最短距離で結ぶことができ、排気経路が簡略になる。

この発明において、前記貫通孔は、前記回転軸の先端側に行くに従い横断面積が小さくなっていてもよい。
この場合、回転軸の先端の外周に吹き出される圧縮エアの流速が増し、エアパージ効果が高くなる。

この発明において、前記転がり軸受はグリース潤滑であってもよい。
排気経路を通って間座空間から圧縮エアを排気させることで、転がり軸受における内輪と外輪との間の軸受空間を通る圧縮エアの量を減らすことができる。このため、転がり軸受がグリース潤滑である場合に、軸受空間内のグリースの漏出が抑えられる。

この発明において、前記内輪間座の軸方向両端部に、外径側に張り出して前記エア供給口から供給された圧縮エアが前記転がり軸受における前記内輪と前記外輪との間の軸受空間に流入するのを阻む障害壁が設けられていてもよい。
障害壁により圧縮エアが軸受空間に流入することが阻まれるため、軸受空間内のグリースの漏出をより一層抑えることができる。

この発明において、前記エア供給口は、前記回転軸の回転方向の前方に傾斜させて設けられていると共に、前記外輪間座の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線から、この直線と直交する方向にオフセットした位置にあってもよい。
このようにエア供給口が傾斜していると、エア供給口から吹き出された圧縮エアが、内輪間座の外周面に沿って旋回しながら軸方向に流れる。圧縮エアが旋回すると、軸方向にまっすぐ流れる場合と比べて、圧縮エアが内輪間座の外周面を接している時間が長くなり、内輪間座をより一層効率良く冷却することができる。このため、冷却効果が向上し、圧縮エアの使用量を抑えることができる。
また、エア供給口が傾斜していると、エア供給口から吹き出された圧縮エアが内輪間座の外周面に当たる際に、圧縮エアの押圧力を内輪間座に与えることができ、回転軸を駆動する作用を期待することができる。

この発明の軸受装置の冷却構造は、転がり軸受の外輪および内輪に隣り合って外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および前記外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および前記内輪間座が回転軸に嵌合した軸受装置において、前記外輪間座の内周面に、前記内輪間座の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを吹き付けるエア供給口が設けられ、前記内輪間座と前記外輪間座との間の間座空間から前記回転軸の先端の外周に前記圧縮エアを導く排気経路が、前記外輪に軸方向に貫通して設けられた貫通孔により構成されるため、冷却用の圧縮エアを有効利用することで、圧縮エアの使用量を抑えつつ、転がり軸受の冷却とエアパージの両方を効果的に行うことができて、ハウジングに大きな加工を施すことなく構成することが可能である。

この発明の一実施形態に係る冷却構造を備えた軸受装置の断面図である。 図１の部分拡大図である。 図２の一部分を取り出して示す図である。 図２の異なる一部分を取り出して示す図である。 図２のＶ−Ｖ面となる横断面図である。 異なる軸受装置の横断面図である。 従来の軸受装置の断面図である。

この発明の一実施形態に係る軸受装置の冷却構造を図１ないし図５と共に説明する。
図１は軸受装置の全体を示す断面図である。この軸受装置は、工作機械用のものであって、回転軸である主軸１の先端側（図の左側）に工具またはチャックが取り付けられる。主軸１は、軸方向に離れた先端部分および後端部分で、それぞれ転がり軸受３，４，５によりハウジング２に対して回転自在に支持されている。

主軸１の先端部分を支持する転がり軸受３，４は、共にアンギュラ玉軸受であって、背面組合せで配置されている。これら転がり軸受３，４よりも後端側の位置に、主軸１の先端部分を支持する別の転がり軸受が設けられていてもよい。主軸１の後端部分を支持する転がり軸受５は、円筒ころ軸受であって、単独で用いられている。

この主軸用の軸受装置は、ハウジング２の内部にモータを内蔵した、いわゆるビルトインモータ駆動方式であって、先端側の転がり軸受３，４と後端側の転がり軸受５との間に、ビルトインモータ７が設けられている。ビルトインモータ７は、主軸１に取り付けられたロータ８、ハウジング２に取り付けられたステータ９等で構成される。ロータ８は永久磁石等からなり、ステータ９はコイルおよびコア等からなる。

ハウジング２は、ハウジング本体１１と、このハウジング本体１１の後端側に配置された後部ハウジング部材１２と、前記ビルトインモータ７とほぼ同じ軸方向位置でハウジング本体１１の内周に嵌合した円筒状のモータハウジング部材１３と、ハウジング本体１１の先端面に当接して設けられた前蓋１４とからなる。そして、ハウジング本体１１の前端部の内周に前記転がり軸受３，４の外輪３ａ，４ａが嵌め合わされ、後部ハウジング部材１２の内周に前記転がり軸受５の外輪５ａが嵌め合わされている。各転がり軸受３，４，５の内輪３ｂ，４ｂ，５ｂは、それぞれ主軸１の外周面に嵌め合わされている。また、モータハウジング部材１３の内周に、前記ステータ９が取り付けられている。

図２はこの発明の冷却構造が適用された軸受装置の主要部を示す。また、図３、図４は図２の互いに異なる一部分をそれぞれ取り出して示す図である。
主軸１の先端部分を支持する転がり軸受３，４は、前述したようにアンギュラ玉軸受であって、外輪３ａ，４ａおよび内輪３ｂ，４ｂの各軌道面間に複数の転動体３ｃ，４ｃが介在し、これら転動体３ｃ，４ｃが保持器３ｄ，４ｄにより円周方向に等配に保持される。この例では、一対の転がり軸受３，４が背面組合せの配置で設置されているが、正面組合せの配置であってもよい。

図３において、転がり軸受３は、外輪３ａの軸方向両端にシール部材３ｅ，３ｆがそれぞれ取り付けられている。各シール部材３ｅ，３ｆは、外輪３ａに設けられた円周溝に外径端を嵌め込んで取り付けられ、内径端のシールリップが内輪３ｂの外周面に接触または近接している。そして、外輪３ａと内輪３ｂと両側のシール部材３ｅ，３ｆとに囲まれた軸受空間にグリースが封入される。

転がり軸受４も、転がり軸受３と同様に、外輪４ａの軸方向両端にシール部材４ｅ，４ｆがそれぞれ取り付けられている。各シール部材４ｅ，４ｆは、外輪４ａに設けられた円周溝に外径端を嵌め込んで取り付けられ、内径端のシールリップが内輪４ｂの外周面に接触または近接している。そして、外輪４ａと内輪４ｂと両側のシール部材４ｅ，４ｆとに囲まれた軸受空間にグリースが封入される。

図２において、一対の転がり軸受３，４の間には、外輪間座１５および内輪間座１６がそれぞれ介在している。外輪間座１５はハウジング本体１１の内周に嵌合し、内輪間座１６は主軸１に嵌合している。
転がり軸受３の外輪３ａは、外輪間座１５と前蓋１４とによって軸方向に位置決めされている。転がり軸受４の外輪４ａは、外輪間座１５とハウジング本体１１の段面１１とによって軸方向に位置決めされている。転がり軸受３の内輪３ｂは、内輪間座１６と前側の位置決め間座１７とによって軸方向に位置決めされている。前側の位置決め間座１７は、主軸１の先端フランジ部１ａの後端側に配置された回転体である。転がり軸受４の内輪４ｂは、内輪間座１６と後側の位置決め間座１８とによって軸方向に位置決めされている。

図３において、外輪間座１５は、円筒部１５ａと、この円筒部１５ａの軸方向中央から内径側へ突出する環状凸部１５ｂとからなる断面凸形状である。一方、内輪間座１６は、円筒部１６ａと、この円筒部１６ａの軸方向両端から外径側へ張り出す一対の障害壁１６ｂとからなる断面凹形状である。そして、外輪間座１５の環状凸部１５ｂの内周面と内輪間座１６の円筒部１６ａの外周面とが、径方向隙間２０を介して対向している。環状凸部１５ｂの軸方向両側は、外輪間座１５と内輪間座１６とがある程度の距離を隔てて対向する間座空間２１Ａ，２１Ｂとなっている。
なお、外輪間座１５の環状凸部１５ｂが内輪間座１６の障害壁１６ｂと干渉して組み立てられないこと防ぐために、内輪間座１６は、例えば軸方向中間部で２つに分割されている。

内輪間座１６の前記障害壁１６ｂは、この例では、軸方向外側へ行くに従い外径側に張り出す形状であって、その外径端が周方向および軸方向共に転がり軸受３，４の外輪３ａ，４ａに近接している。これにより、障害壁１６ｂの軸方向外側の側面とシール部材３ｅ，４ｅとの間に、ラビリンス効果を持つ軸方向隙間２２が形成されている。

外輪間座１５の環状凸部１５ｂの内周面に、内輪間座１６の円筒部１６ａの外周面に向けて冷却用の圧縮エアＡを吹き付けるエア供給口２３が設けられている。この例では、図２のＶ−Ｖ断面図である図５に示すように、エア供給口２３の数が３個であり、各エア供給口２３は円周方向に等配とされている。

前記圧縮エアＡは、軸受装置の外部に設けられた空気圧縮機（図示せず）から供給される。すなわち、図１に示すように、ハウジング本体１１の外周面に空気圧縮機に接続するエア取込み口２４が開いており、このエア取込み口２４に続くエア供給経路２５がハウジング本体１１の内部に形成されている。エア供給経路２５は、外輪間座１５の外周面まで延びている。

図３、図５に示すように、外輪間座１５の外周面には、圧縮エアＡを導入する導入溝２６が設けられている。この導入溝２６は、外輪間座１５の外周面における軸方向中間に設けられ、エア供給口２３と同数の接続孔２７を介して各エア供給口２３に連通している。接続孔２７は、例えば径方向に延びる孔である。エア供給口２３は、接続孔２７よりも孔径が小さいノズル状の孔である。
エア取込み口２４（図１）から取り込まれた圧縮エアＡが、エア供給経路２５、導入溝２６、および接続孔２７を順に通って、エア供給口２３から内輪間座１６の円筒部１６ａの外周面に向けて吹き付けられる。

図２、図４に示すように、間座空間２１Ａ，２１Ｂから主軸１の先端側の外部空間へ圧縮エアＡを導く排気経路３０が構成されている。この排気経路３０は、間座貫通孔３１と外輪貫通孔３２と排気隙間３３とで構成される。

間座貫通孔３１は、外輪間座１５の環状凸部１５ｂの基部から円筒部１５ａにかけて軸方向に貫通して設けられて、両側の間座空間２１Ａ，２１Ｂを連通している。間座貫通孔３１は、主軸１の先端側に行くに従い横断面積が小さくなるテーパ状の円形孔である。図５に示すように、この例では、間座貫通孔３１の数が３個であり、各間座貫通孔３１が隣り合うエア供給口２３の間にそれぞれ配置されている。

外輪貫通孔３２は、先端側の転がり軸受３の外輪３ａを軸方向に貫通して設けられて、先端側の間座空間２１Ａと排気隙間３３とを連通している。外輪貫通孔３２も、間座貫通孔３１と同様に、先端側に行くに従い横断面積が小さくなるテーパ状の円形孔である。外輪貫通孔３２の数は間座貫通孔３１と同じ３個であり、間座貫通孔３１と外輪貫通孔３２の軸心が一致してある。
外輪間座１５に対して先端側に位置する転がり軸受３の外輪３ａに外輪貫通孔３２を設けることで、間座空間２１Ａと排気隙間３３とを最短距離で結ぶことができ、排気経路３０が簡易な構成となる。

排気隙間３３は、前蓋１４と主軸１および前側の位置決め間座１７との間に形成された環状の隙間であって、その断面形状は、複雑に折れ曲がったラビリンス構造をしている。このため、外輪貫通孔３２から主軸１の先端側の外部空間へ排気隙間３３を通って圧縮エアＡが流れることは可能であるが、圧縮エアＡが流れていないときに逆方向に異物が通ることが抑制される。

［軸受装置の冷却構造の作用］
この軸受装置は、運転時等に、冷却用の圧縮エアＡが、外輪間座１５に設けられたエア供給口２３から、内輪間座１６の円筒部１６ａの外周面に向けて吹き付けられる。そして、圧縮エアＡは、径方向隙間２０を通って軸方向両側の間座空間２１Ａ，２１Ｂに流れる。この間に、圧縮エアＡが内輪間座１６の熱を奪うことで、それに隣接する転がり軸受３，４の内輪３ｂ，４ｂおよび主軸１を効率良く冷却する。

その後、圧縮エアＡは、間座空間２１Ａ，２１Ｂから、排気経路３０を通って主軸１の先端側の外部空間へ排出される。これにより、主軸１の先端フランジ部１ａの外周に存在する洗浄液、切削液、切屑等を吹き飛ばすエアパージ作用が得られる。排気経路３０の間座貫通孔３１は主軸１の先端側に行くに従い横断面積が小さくなっているため、後端側の間座空間２１Ｂから主軸１の先端側の間座空間２１Ａへ圧縮エアＡが円滑に流れる。また、外輪貫通孔３２も主軸１の先端側に行くに従い横断面積が小さくなっているため、外輪貫通孔３２を通過する過程で圧縮エアＡの流速が増す。このため、排気隙間３３から外部空間へ吹き出される圧縮エアＡの速度が速くなり、効果的なエアパージを行える。

排気経路３０を通って間座空間２１Ａ，２１Ｂから圧縮エアＡを排気させることで、転がり軸受３，４の軸受空間を通る圧縮エアＡの量を減らすことができる。このため、軸受空間内のグリースの漏出が抑えられる。特に、この実施形態の場合、内輪間座１６の軸方向両端部に障害壁１６ｂが設けられているため、圧縮エアＡが軸受空間に流入することが阻まれて、軸受空間内のグリースの漏出をより一層抑えることができる。

このように、内輪間座１６、転がり軸受３，４等の冷却に使用した圧縮エアＡをエアパージにも使用するため、圧縮エアＡの使用量が抑えられる。そのため、比較的小容量の空気圧縮機であっても、内輪間座１６、転がり軸受３，４等の冷却とエアパージの両方を効果的に行うことができる。

内輪間座１６および転がり軸受３の外輪３ａにそれぞれ設けられた間座貫通孔３１および外輪貫通孔３２により排気経路３０を構成したため、ハウジング２に排気経路を設けなくて済むか、または最小限の排気経路を設けるだけで済む。このため、空冷式の主軸装置に対して、ハウジング２に大きな加工を施すことなく、エアパージ機能を付加することができる。

［他の実施形態］
主軸１の回転方向が一定である場合、図６のように、接続孔２７およびエア供給口２３を、内径側が主軸１の回転方向の前方に位置するように傾斜させてもよい。つまり、接続孔２７およびエア供給口２３が、外輪間座１５の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線Ｌから、この直線Ｌと直交する方向にオフセットした位置にある。

このように接続孔２７およびエア供給口２３が傾斜していると、エア供給口２３から吹き出された圧縮エアＡが、内輪間座１６の外周面に沿って旋回しながら軸方向に流れる。圧縮エアＡが旋回すると、軸方向にまっすぐ流れる場合と比べて、圧縮エアＡが内輪間座１６の外周面を接している時間が長くなり、内輪間座１６をより一層効率良く冷却することができる。そのため、冷却効果が向上し、圧縮エアＡの使用量を抑えることができる。
また、接続孔２７およびエア供給口２３が傾斜していると、エア供給口２３から吹き出された圧縮エアＡが内輪間座１６の外周面に当たる際に、圧縮エアＡの押圧力を内輪間座１６に与えることができ、主軸１を駆動する作用を期待することができる。

この実施形態では、転がり軸受３，４がグリース潤滑方式であるが、転がり軸受３，４がエアオイルやオイルミスト等のオイル潤滑方式である場合にも、この発明の冷却構造を適用することができる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…主軸（回転軸）
２…ハウジング
３，４…転がり軸受
３ａ，４ａ…外輪
３ｂ，４ｂ…内輪
１５…外輪間座
１６…内輪間座
１６ｂ…障害壁
２１Ａ，２１Ｂ…間座空間
２３…エア供給口
３０…排気経路
３１…間座貫通孔
３２…軸受貫通孔
３３…排気隙間
Ｌ…直線
Ａ…圧縮エア

Claims (6)

1. 転がり軸受の外輪および内輪に隣り合って外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および前記外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および前記内輪間座が回転軸に嵌合した軸受装置において、
   前記外輪間座の内周面に、前記内輪間座の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを吹き付けるエア供給口が設けられ、前記内輪間座と前記外輪間座との間の間座空間から前記回転軸の先端の外周に前記圧縮エアを導く排気経路が、前記外輪に軸方向に貫通して設けられた貫通孔により構成されることを特徴とする軸受装置の冷却構造。
2. 請求項１に記載の軸受装置の冷却構造において、前記貫通孔は、前記外輪間座に対して前記回転軸の先端側に位置する外輪に設けられている軸受装置の冷却構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の軸受装置の冷却構造において、前記貫通孔は、前記回転軸の先端側に行くに従い横断面積が小さくなっている軸受装置の冷却構造。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造において、前記転がり軸受はグリース潤滑である軸受装置の冷却構造。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造において、前記内輪間座の軸方向両端部に、外径側に張り出して前記エア供給口から供給された圧縮エアが前記転がり軸受における前記内輪と前記外輪との間の軸受空間に流入するのを阻む障害壁が設けられている軸受装置の冷却構造。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造において、前記エア供給口は、前記回転軸の回転方向の前方に傾斜させて設けられていると共に、前記外輪間座の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線から、この直線と直交する方向にオフセットした位置にある軸受装置の冷却構造。

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