JP7011439B2 - 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。

工作機械の主軸装置では、加工精度を確保するために、装置の温度上昇は小さく抑える必要がある。しかしながら最近の工作機械では、加工能率を向上させるため高速化の傾向にあり、主軸を支持する軸受からの発熱も高速化と共に大きくなってきている。また、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おり、装置の発熱要因ともなってきている。

発熱による軸受の温度上昇は、予圧の増加をもたらす結果となり、主軸の高速化、高精度化を考えると極力抑えたい。主軸装置の温度上昇を抑える方法として、冷却用の圧縮エアを軸受に送り、軸と軸受の冷却を行う方法がある（例えば、特許文献１）。なお、特許文献１では、２つの軸受間の空間に冷風を、回転方向に角度を付けて噴射して旋回流とすることで、軸と軸受の冷却を行っている。

また、特許文献２に、上記圧縮エアによる冷却方法をグリース潤滑の軸受装置に適用した冷却構造について記載されている。その場合、軸受内のグリースが圧縮エアによって吹き飛ばされることを避けるために、圧縮エアが軸受空間へ流入することを阻止する障害壁を設けることが提案されている。

特開２０１５－１８３７３８号公報 特開２０１４－０６２６１９号公報

上記圧縮エアによる冷却方法は、冷却効果が高いため、主軸装置の温度上昇を効果的に抑えることが期待できる。また、特許文献２の冷却構造のように、圧縮エアが軸受空間へ流入することを阻止する障害壁を設けることにより、圧縮エアによる冷却方法をグリース潤滑の軸受装置にも適用することが可能となる。しかし、特許文献２に提案されている障害壁は、圧縮エアが軸受空間へ流入することを阻止する機能は有するが、排気を抑制する機能は有していない。このため、内輪間座の外周面に向けて吹き付けられた圧縮エアが、内輪間座と外輪間座との間に長く留まることなく、比較的短時間で排出されてしまい、十分な冷却効果が得にくい。

この発明の目的は、グリース潤滑の軸受装置において、軸受内のグリースが圧縮エアによって吹き飛ばされることを防止でき、かつ圧縮エアにより軸受装置を効率良く冷却することができる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、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の外輪間および内輪間に外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および内輪間座が主軸に嵌合され、前記転がり軸受が前記外輪と前記内輪との間の軸受空間に封入されたグリースにより潤滑される軸受装置において、
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供給する供給口が設けられ、かつ前記外輪間座の軸方向端面に、前記供給口から供給された圧縮エアの排気口が設けられており、
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供給口から供給された圧縮エアが前記軸受空間へ流入することを阻止する障害壁が設けられ、この障害壁は、その一部が前記外輪間座と微小な隙間を介して対向して、前記供給口から前記排気口への圧縮エアの円滑な流れを阻害するラビリンスシールを構成していることを特徴とする。

この構成によると、供給口から供給される冷却用の圧縮エアが内輪間座の外周面に吹き付けられることで、内輪間座が冷却され、それに接する転がり軸受の内輪も冷却される。その後、圧縮エアは内輪間座の外周面に沿って両側へ流れる。軸方向の両側には転がり軸受があるが、内輪間座の軸方向両端部に障害壁が設けられているため、圧縮エアが軸受空間へ流入することが阻止される。障害壁の一部がラビリンスシールとして構成されているため、圧縮エアの排気が抑制されて、内輪間座の外周面に吹き付けられた後の圧縮エアが内輪間座と外輪間座との間の空間に留まる時間が長くなり、内輪間座を効率良く冷却することができる。これにより、軸受装置および主軸が効率良く冷却される。

また、上記のように、障害壁によって圧縮エアが軸受空間へ流入することが阻止されるため、軸受空間に封入されたグリースが圧縮エアで吹き飛ばされることが防がれ、良好な潤滑状態を維持することができる。

この発明において、前記障害壁は、複数の部分が前記外輪間座と微小な隙間を介して対向することで、前記供給口から前記排気口への圧縮エアの円滑な流れを阻害するラビリンスシールを構成していてもよい。
この場合、圧縮エアの排気がさらに抑制されて、圧縮エアが内輪間座と外輪間座との間の空間に留まる時間がより一層長くなる。

この発明において、前記転がり軸受は、前記外輪の軸方向端に前記軸受空間を密封するシール材を有し、前記障害壁の端面は前記シール材と隙間を介して対向する形状であり、前記シール材と前記障害壁とでラビリンスシール効果を持っていてもよい。
これにより、より一層圧縮エアが軸受空間に流入し難くなる。

この発明において、前記隙間は前記排気口よりも軸方向の内側に位置し、前記外輪間座の内周面における前記隙間と前記排気口との間の軸方向部分が、軸方向の外側に行くに従い内径寸法が大きいテーパ形状部となっていてもよい。
外輪間座の内周面における前記軸方向部分がテーパ形状部であると、隙間を通過後の圧縮エアが排気口に円滑に流れるようになり、排気が迅速に行われる。それにより、圧縮エアが転がり軸受の軸受空間により流入しにくくなり、軸受空間に封入されたグリースが長期間にわたって保持される。

この発明の軸受装置の冷却構造は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の外輪間および内輪間に外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および内輪間座が主軸に嵌合され、前記転がり軸受が前記外輪と前記内輪との間の軸受空間に封入されたグリースにより潤滑される軸受装置において、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供給する供給口が設けられ、かつ前記外輪間座の軸方向端面に、前記供給口から供給された圧縮エアの排気口が設けられており、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供給口から供給された圧縮エアが前記軸受空間へ流入することを阻止する障害壁が設けられ、この障害壁は、その一部が前記外輪間座と微小な隙間を介して対向して、前記供給口から前記排気口への圧縮エアの円滑な流れを阻害するラビリンスシールを構成しているため、グリース潤滑の軸受装置において、軸受内のグリースが圧縮エアによって吹き飛ばされることを防止でき、かつ圧縮エアにより軸受装置を効率良く冷却することができる。

この発明の第１の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。 同軸受装置の内輪間座および外輪間座を軸方向と垂直な平面で切断した断面図である。 同軸受装置の外輪間座の一部分を展開して表した図である。 この発明の第２の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５の部分拡大図である。 この発明の第３の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７の部分拡大図である。 異なる軸受装置の内輪間座および外輪間座を軸方向と垂直な平面で切断した断面図である。 図１に示す軸受装置を工作機械の主軸装置に組込んだ状態を示す断面図である。

［第１の実施形態］
この発明の第１の実施形態に係る軸受装置の冷却構造を、図１ないし図４と共に説明する。
図１に示すように、この軸受装置Ｊは、軸方向に並ぶ２個の転がり軸受１，１の外輪２，２間および内輪３，３間に、外輪間座４および内輪間座５がそれぞれ介在する。転がり軸受１としてはアンギュラ玉軸受が適用されている。アンギュラ玉軸受からなる２個の転がり軸受１，１は背面組合せで設置される。外輪２および内輪３の各軌道面間に複数の転動体８が介在する。これら転動体８は、保持器９により円周方向に等配に保持される。転がり軸受１はグリース潤滑であり、外輪２の軸方向両端に、外輪２と内輪３との間の軸受空間３０を密封するシール材３１，３２がそれぞれ取り付けられている。

この軸受装置Ｊは、例えば工作機械の主軸の支持に用いられるものであり、その場合、各転がり軸受１の外輪２はハウジング６内に固定され、内輪３は主軸７の外周面に嵌合する。

上記軸受装置Ｊの冷却構造について説明する。
図１において、前記外輪間座４は断面形状が略Ｔ字状であり、Ｔ字の縦線部分である内径側突出部４ａの内周面と前記内輪間座５の外周面とが、径方向隙間９を介して対向している。外輪間座４の内径側突出部４ａの内周面には、内輪間座５の外周面に向けて冷却用の圧縮エアＡを供給する供給口１０が設けられている。この例では、図３に示すように、供給口１０の数は３個であり、各供給口１０は円周方向に等配とされている。

図１および図３に示すように、外輪間座４の外周面には、圧縮エアＡを導入する環状の導入溝１１が設けられている。この導入溝１１は、外輪間座４の外周面における軸方向中間部に設けられ、接続孔１１ａを介して各供給口１０に連通している。軸受装置Ｊの外部に設けた圧縮エア供給装置（図示せず）より、ハウジング６に設けられた圧縮エア導入孔４６（図３）を通って、導入溝１１に圧縮エアＡが供給される。

図１に示すように、内輪間座５は、中央の円筒体１３と、その軸方向両側の障害壁形成体１４，１４とからなる。各障害壁形成体１４は、軸方向端に障害壁１５が設けられている。障害壁形成体１４における障害壁１５を除く部分１４ａは、円筒体１３と同じ外径の円筒状である。

図１の部分拡大図である図２に示すように、障害壁１５は、外径側に延びるつば状部１５ａと、このつば状部１５ａの外径端から軸方向内側に延びる円筒状部１５ｂとからなる。つば状部１５ａの外径端は、転がり軸受１の外輪２の内周面近くまで延びている。円筒状部１５ｂの軸方向内側端は、外輪間座４の内径側突出部４ａと微小な隙間１６を介して対向しており、この対向部分でラビリンスシールＬＳが構成されている。

障害壁形成体１４の前記部分１４ａ、障害壁１５のつば状部１５ａ、円筒状部１５ｂ、および外輪間座４の内径側突出部４ａの内側に、冷却用空間１８が形成されている。また、障害壁１５の円筒状部１５ｂと、外輪間座４におけるＴ字の横線部分である円筒部４ｂとの間に、排気用空間１９が形成されている。これら冷却用空間１８と排気用空間１９は、ラビリンスシールＬＳとして構成された前記隙間１６を介して繋がっている。

外輪間座４の円筒部４ｂの軸方向端に、排気口２０が設けられている。排気口２０は例えば図４のような矩形に切り欠かれた形状であり、外輪間座４に隣接して転がり軸受１の外輪２が配置されることで、前記排気用空間１９（図２）と軸受装置Ｊの外部とを連通する開口形状となる。

図１において、軸受空間３０と冷却用空間１８とは、障害壁１５によって完全に隔離されている。また、障害壁１５のつば状部１５ａの外径端が外輪３の内周面近くまで延びていることに加えて、障害壁１５のつば状部１５ａが軸方向内側のシール材３１と僅かな軸方向隙間２１を介して対向していることにより、軸受空間３０と排気用空間１９との間に、ラビリンスシール効果を持つラビリンスシール部が構築されている。

この軸受装置Ｊは、運転時等に、軸受装置Ｊの外部に設けた圧縮エア供給装置から送られる冷却用の圧縮エアＡが、外輪間座４の供給口１０から内輪間座５の外周面に向けて供給される。これにより、内輪間座５が冷却され、それに接する転がり軸受１の内輪３も冷却される。その後、圧縮エアＡは内輪間座５の外周面に沿って軸方向の両側に流れる。軸方向の両側には転がり軸受１があるが、内輪間座５の軸方向両端部に障害壁１５が設けられているため、圧縮エアＡが軸受空間３０へ流入しにくい。また、障害壁１５の一部がラビリンスシールＬＳとして構成されているため、内輪間座５の外周面に吹き付けられ後の圧縮エアＡの排気が抑制されて、圧縮エアＡが冷却用空間１８に留まる時間が長くなり、内輪間座５を効率良く冷却することができる。それにより、内輪間座およびそれに接する転がり軸受内輪がより一層効率よく冷却される。

冷却用空間１８の圧縮エアＡは、時間をかけて少しずつ隙間１６を通って排気用空間１９へ流れ、さらに排気用空間１９から排気口２０を通って軸受装置Ｊの外部へ排出される。

障害壁１５が設けられているため、冷却用空間１８から軸受空間３０へ直接に圧縮エアＡが流れ込むことはなく、また、軸受空間３０と排気用空間１９との間にラビリンスシール部が構築されている。このため、圧縮エアＡが軸受空間３０に流れ込むことがほとんどなく、軸受空間３０に封入されているグリースが圧縮エアＡで吹き飛ばされることが防がれ、良好な潤滑状態を維持することができる。

［第２の実施形態］
図５、図６はこの発明の第２の実施形態に係る軸受装置の冷却構造を示す。
この軸受装置Ｊは、内輪間座５の障害壁１５の形状が異なる点を除いて、第１の実施形態と同じ構成である。構成が同じ箇所については同一符号を付して示し、その説明は省略する。

この軸受装置Ｊの障害壁１５は、つば状部１５ａの外径端の箇所、および外径端よりも内径側の箇所から２つの円筒状部１５ｂ，１５ｃがそれぞれ軸方向内側に延びている。各円筒状部１５ｂ，１５ｃの軸方向内側端は、外輪間座４の内径側突出部４ａと微小な隙間１６，１７を介してそれぞれ対向しており、これら対向部分でラビリンスシールＬＳが構成されている。このように、２つの対向部分を有すると、ラビリンスシールＬＳとしての機能が高まり、圧縮エアＡが冷却用空間１８に留まる時間がさらに長くなるため、内輪間座５をより一層効率良く冷却することができる。それにより、内輪間座およびそれに接する転がり軸受内輪がより一層効率よく冷却される。

［第３の実施形態］
図７、図８はこの発明の第３の実施形態に係る軸受装置の冷却構造を示す。
この軸受装置Ｊは、第１の実施形態と比べて、外輪間座４の内周面における隙間１６と排気口２０との間の軸方向部分の形状が異なる。すなわち、この軸方向部分は、全周にわたって、軸方向の外側に行くに従い内径寸法が大きいテーパ形状部２３となっている。テーパ角度は、例えば１０°以上６０°以下である。
他は第１の実施形態と同じ構成である。構成が同じ箇所については同一符号を付して示し、その説明は省略する。

このように外輪間座４の内周面における前記軸方向部分をテーパ形状部２３とすると、隙間１６を通過後の圧縮エアＡが排気口２０に円滑に流れるようになり、排気が迅速に行われる。それにより、圧縮エアＡが転がり軸受１の軸受空間３０により流入しにくくなり、軸受空間３０に封入されたグリースが長期間にわたって保持される。

前記軸方向部分が円筒形状である軸受装置（図１のもの）とテーパ形状である軸受装置（図７のもの）について、流体解析により圧縮エアの軸受外部への排出量および軸受内部への圧縮エアの流入量を推測した。前記軸方向部分がテーパ形状である軸受装置Ｊとしては、テーパ角度が１５°のものを用いた。その結果を表１に示す。

表１の結果から、前記軸方向部分が円筒形状である軸受装置と比べて、テーパ形状である軸受装置は、軸受外部への排出量が多く、軸受内部への流入量が少ないことが分かる。

［異なる軸受装置］
軸受装置Ｊにより支持される軸が、工作機械の主軸のように回転方向が一定している場合、図９のように、各供給口１０のエア吐出方向を、内輪３（図１）および主軸７の回転方向Ｌ１の前方へ傾斜させてもよい。各供給口１０は、それぞれ直線状であって、外輪間座４の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線Ｌ２から、この直線Ｌ２と直交する方向にオフセット（オフセット量ＯＳ）した位置にある。このように、各供給口１０のエア吐出方向を傾斜させると、吐出された圧縮エアＡが内輪間座５の外周面に当たる際に、圧縮エアＡの押圧力を内輪間座５に与えることができ、主軸７を駆動する作用を期待することができる。

［工作機械の主軸装置］
図１０は、図１に示す軸受装置Ｊが組込まれた工作機械の主軸装置の一部を示す断面図である。軸受装置Ｊは、転がり軸受１，１の外輪２，２および外輪間座４がハウジング６の内周面に嵌合し、転がり軸受１，１の内輪３，３および内輪間座５が工作機械の主軸７の外周面に嵌合している。例えば、外輪２および外輪間座４はハウジング６に対して隙間嵌めとされ、内輪３および内輪間座５は軸７に対して締まり嵌めとされる。片方（図の右側）の転がり軸受１の外輪３はハウジング６の段部６ａで軸方向の位置決めがされ、同転がり軸受１の内輪３は位置決め間座４１により軸方向の位置決めがされている。そして、もう片方（図の左側）の転がり軸受１の外輪２および内輪３に、外輪押さえ４２および内輪押さえ４３をそれぞれ押し当てることで、軸受装置Ｊがハウジング６に固定されている。

ハウジング６および外輪押さえ４２には、圧縮エア供給装置４５から送られてくる冷却用の圧縮エアＡを軸受装置Ｊに導入する圧縮エア導入孔４６が設けられている。この圧縮エア導入孔４６は、外輪間座４の外周面に設けられた前記導入溝１１に連通している。また、ハウジング６および外輪押さえ４２には排気孔４７が設けられ、この排気孔４７は、接続孔４８を介して外輪間座４の前記排気口２０と連通している。

この軸受装置Ｊの冷却構造は、先に説明したように軸受装置Ｊおよび主軸７の冷却効果が高いので、主軸装置を高速な領域で運転させることが可能となる。このため、この軸受装置Ｊを、工作機械の主軸の支持に好適に用いることができる。

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…転がり軸受
２…外輪
３…内輪
４…外輪間座
５…内輪間座
６…ハウジング
７…主軸
１０…供給口
１５…障害壁
１６，１７…微小な隙間
２０…排気口
２１…軸方向隙間
２３…テーパ形状部
３０…軸受空間
３０，３１…シール材
Ａ…圧縮エア
Ｊ…軸受装置
ＬＳ…ラビリンスシール

Claims (6)

1. 軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の外輪間および内輪間に外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および内輪間座が主軸に嵌合され、前記転がり軸受が前記外輪と前記内輪との間の軸受空間に封入されたグリースにより潤滑される軸受装置において、
   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供給する供給口が設けられ、かつ前記外輪間座の軸方向端面に、前記供給口から供給された圧縮エアの排気口が設けられており、
   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供給口から供給された圧縮エアが前記軸受空間へ流入することを阻止する障害壁が設けられ、
   前記障害壁は、前記内輪間座の外径面から外径側に延びるつば状部と、前記つば状部から軸方向内側に延びる円筒状部とを有し、
   この障害壁の円筒状部が、前記外輪間座と隙間を介して対向して、前記供給口から前記排気口への圧縮エアの流れを阻害するラビリンスシールを構成し、
   前記内輪間座を冷却する圧縮エアが貯留される冷却用空間と、前記排気口に繋がる排気用空間とが、ラビリンスシールとして構成された前記隙間を介して繋がってい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、前記障害壁は、径方向に並んだ複数の前記円筒状部を有し、
   複数の前記円筒状部が前記外輪間座と前記隙間を介して対向することで、前記供給口から前記排気口への圧縮エアの流れを阻害するラビリンスシールを構成し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、前記転がり軸受は、前記外輪の軸方向端に前記軸受空間を密封するシール材を有し、前記障害壁の端面は前記シール材と隙間を介して対向する形状であり、前記シール材と前記障害壁とでラビリンスシール効果を持つ軸受装置の冷却構造。
4. 軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の外輪間および内輪間に外輪間座および内輪間座がそれぞれ介在し、前記外輪および外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および内輪間座が主軸に嵌合され、前記転がり軸受が前記外輪と前記内輪との間の軸受空間に封入されたグリースにより潤滑される軸受装置であって、
   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供給する供給口が設けられ、かつ前記外輪間座の軸方向端面に、前記供給口から供給された圧縮エアの排気口が設けられており、
   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供給口から供給された圧縮エアが前記軸受空間へ流入することを阻止する障害壁が設けられ、
   前記障害壁は、前記内輪間座の外径面から外径側に延びるつば状部と、前記つば状部から軸方向内側に延びる円筒状部とを有し、
   この障害壁の円筒状部が、前記外輪間座と隙間を介して対向して、前記供給口から前記排気口への圧縮エアの流れを阻害するラビリンスシールを構成し、
   前記隙間は前記排気口よりも軸方向の内側に位置し、前記外輪間座の内周面における前記隙間と前記排気口との間の軸方向部分が、軸方向の外側に行くに従い内径寸法が大きいテーパ形状部となっている軸受装置の冷却構造。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の軸受装置の冷却構造において、前記外輪間座は断面形状がＴ字状であり、Ｔ字の縦線部分である内径側突出部の内周面と、前記内輪間座の外周面が径方向隙間を介して対向している軸受装置の冷却構造。
6. 請求項１から３のいずれか１項を引用する請求項５に記載の軸受装置の冷却構造において、前記障害壁の前記円筒状部の軸方向内側端と、前記外輪間座の前記内径側突出部の外周面とが前記隙間を介して軸方向に対向し、
   前記内輪間座の外周面と、前記障害壁のつば状部および円筒状部と、前記内径側突出部とにより前記冷却用空間が形成され、
   前記障害壁の円筒状部と、前記外輪間座におけるＴ字の横線部分である円筒部との間に前記排気用空間が形成されている軸受装置の冷却構造。

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