JPH11141544A

JPH11141544A - アンギュラ玉軸受

Info

Publication number: JPH11141544A
Application number: JP9303820A
Authority: JP
Inventors: Wataru Hongo; 渉本郷
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 1999-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の予圧切換機構などを用いずに、回転数
の増加による軸受の過渡的な面圧増加を防止でき、主軸
などの回転体の短縮化が可能であり、しかもジャイロす
べりによる発熱を抑制できるアンギュラ玉軸受を提供す
る。【解決手段】アンギュラ玉軸受１は、玉４との接触部
A2の反対側の端面より軸方向に切れ込んだ環状溝10が形
成された内輪２と、玉４との接触部B2側の端面より軸方
向に切れ込んだ環状溝11が形成された外輪３とを備えて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、たとえば工作機
械の主軸などを回転支持するために使用されるアンギュ
ラ玉軸受（アンギュラコンタクト玉軸受）に関し、とく
に高速回転に適したアンギュラ玉軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえばマシニングセンタなどの工作機
械において転がり軸受を用いて高速主軸を実現しようと
する場合、ラジアル荷重とスラスト荷重の両方を受けら
れるアンギュラ玉軸受を採用することが主流となってい
る。アンギュラ玉軸受を採用する場合、回転数に応じて
軸受の予圧すきまを調整する予圧切換機構、内輪側から
潤滑を行うインナーレース潤滑機構などが用いられ、こ
れらを利用して主軸の高速回転を実現している。

【０００３】しかし、上記機構を利用した場合、主軸お
よびその周辺の構成が複雑となって、スペース的にも不
利となり、その結果、主軸が長くなってしまうというよ
うな問題が発生する。また、予圧切換機構は一定の回転
数で予圧すきまを切換えるのが一般的であり、したがっ
て、高速回転による軸受内外輪の温度差の増大による軸
受の面圧増加、高速回転時における遠心膨張による軸受
の面圧増加を過渡的に低減できないというような問題も
発生する。

【０００４】さらに、高速回転時には、ジャイロすべり
と呼ばれる軸受軌道輪と玉との間のすべり現象が発生
し、これによる発熱のために熱変位の増加、軸受の面圧
増加の問題などが発生する。とくに予圧切換機構を有す
る主軸では、次に説明するように、予圧の切換えによ
り、高速回転時に軸受の接触角が大きくなり、ジャイロ
すべりを一層大きくする。

【０００５】図３は予圧切換機構を備えた主軸のアンギ
ュラ玉軸受を概略的に示す図であり、低速回転時を実線
(a)で、高速回転時を破線(b)で表わしている。図３にお
いて、(20)は内輪、(21)は外輪、(22)は玉、(23)は主
軸、(24)は軸受ハウジングである。内輪(20)は主軸(23)
に、外輪(21)はハウジング(24)にそれぞれ固定され、こ
れにより、軸受に所定の予圧が付与されている。(A1)お
よび(B1)は低速回転時における玉(22)と内輪(20)および
外輪(21)との接触部（接点）、β1は低速回転時におけ
る接触角である。(A2)および(B2)は高速回転時における
玉(22)と内輪(20)および外輪(21)との接触部（接点）、
β2は高速回転時における接触角である。主軸(23)が高
速回転すると、玉(22)は熱膨張により破線(b)で示すよ
うに大きくなる。これに伴い、軸受面圧が増加するの
で、軸受破損の危険を回避するため、回転数が一定値を
越えると、予圧切換機構を用いて、破線(b)で示すよう
に、外輪(11)の軸方向の位置を切換える。これにより、
接触角はβ2となり、低速回転時の値β1よりも大きくな
る。このため、次に説明するように、ジャイロすべりも
大きくなり、ジャイロすべりの増大により軸受の発熱が
大きくなる。

【０００６】図４は、アンギュラ玉軸受におけるジャイ
ロすべりの原理を示す説明図である。

【０００７】図４において、ＡおよびＢは玉(22)と内輪
および外輪との接触部、βは接触角である。アンギュラ
玉軸受において、玉が一定の接触角βをもって自転しな
がら公転運動を行う場合、玉にはジャイロモーメントＭ
gが作用する。玉に作用するジャイロモーメントは、次
の式(1)で与えられる。

【０００８】Ｍg＝（１／１０）・ｍ・Ｄa²・ωb・ωc・sinβ ・・・ (1) ここで、ｍは玉の質量、Ｄaは玉の直径、ωbは玉の自転
角速度、ωcは玉の公転角速度である。低速回転では、
玉と内外輪との間の摩擦抵抗よりもジャイロモーメント
による力が小さいので、接触部にすべりが発生すること
はない。しかし、高速回転になると、ジャイロモーメン
トによる力が摩擦抵抗に打ち勝ってすべりが発生し、こ
のすべりがジャイロすべりと呼ばれる。玉と内外輪間の
荷重をＱ、摩擦係数をμとすると、次の式(2)の関係が
成り立つときにジャイロすべりが発生することになる。

【０００９】Ｍg＞μ・Ｄa・Ｑ・・・ (2) 式(1)から明らかなように、ωb、ωcあるいはβが大き
くなるほどジャイロモーメントが大きくなる。したがっ
て、回転速度が大きくなるほど、あるいは接触角βが大
きくなるほど、ジャイロモーメントが大きくなり、ジャ
イロすべりが大きくなる。高速軸受における発熱抑制の
ためにはこのジャイロすべりの発生を防止し、それをで
きるだけ小さくすることが重要である。しかし、前記の
ような予圧切換機構を備えた主軸では、高速回転時に接
触角βが大きくなるため、ジャイロすべりも大きくな
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、上
記の問題を解決し、従来の予圧切換機構などを用いず
に、回転数の増加による軸受の過渡的な面圧増加を防止
でき、主軸などの回転体の短縮化が可能であり、しかも
ジャイロすべりによる発熱を抑制できるアンギュラ玉軸
受を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段および発明の効果】この発
明によるアンギュラ玉軸受は、玉との接触部の反対側の
端面より軸方向に切れ込んだ環状溝が形成された内輪
と、玉との接触部側の端面より軸方向に切れ込んだ環状
溝が形成された外輪とを備えていることを特徴とするも
のである。

【００１２】アンギュラ玉軸受には、内輪と外輪の両方
にカウンタボアが形成されたものと、いずれか一方にの
みカウンタボアが形成されたものとがあるが、この発明
はいずれのアンギュラ玉軸受にも適用できる。

【００１３】この明細書において、軌道輪について、
「玉との接触部側の端面」とは「玉の中心を通り軸受の
中心軸に垂直な平面（以下「中心面」という）に対して
玉との接触部と同じ側にある端面」を意味し、「玉との
接触部の反対側の端面」とは「中心面に対して玉との接
触部と反対側にある端面」を意味する。アンギュラ玉軸
受においては、内輪における玉との接触部と、外輪にお
ける玉との接触部とは、必ず中心面に対して互いに反対
側にあり、したがって、内輪の環状溝と外輪の環状溝と
は軸方向の同じ側の端面より形成される。すなわち、内
輪と外輪の両方にカウンタボアが形成されている軸受の
場合、内輪については、カウンタボア側の端面より環状
溝が形成され、外輪については、カウンタボアの反対側
の端面より環状溝が形成される。内輪にのみカウンタボ
アが形成されている軸受の場合は、内輪については、カ
ウンタボア側の端面より環状溝が形成され、外輪につい
ては、内輪の環状溝と同じ側の端面より環状溝が形成さ
れる。外輪にのみカウンタボアが形成されている軸受の
場合は、外輪については、カウンタボアの反対側の端面
より環状溝が形成され、内輪については、外輪の環状溝
と同じ側の端面より環状溝が形成される。

【００１４】通常、内輪は主軸などの回転体に固定さ
れ、外輪は軸受ハウジングなどの固定部分に固定され、
軸受には所定の予圧が付与される。内輪については、回
転体に固定される内径側の部分と玉に接触する軌道側の
部分との間に環状溝が形成されているので、軌道側の部
分は径方向に弾性変形しうる。外輪については、ハウジ
ングに固定される外径側の部分と玉に接触する軌道側部
分との間に環状溝が形成されているので、軌道側の部分
は径方向に弾性変形しうる。したがって、内輪および外
輪の軌道側の部分は、回転体の回転に伴う遠心力により
弾性変形して、拡径する。そして、このように内輪およ
び外輪の軌道側の部分が弾性変形することにより、軸受
の面圧増加が低減され、面圧増加を低減するために従来
のような予圧切換機構を設ける必要がない。また、内輪
の環状溝に空気などの冷却流体を供給することにより、
内輪を冷却して内外輪の温度差を小さくすることがで
き、この点からも軸受の面圧増加の低減が可能である。

【００１５】さらに、内輪の環状溝が玉との接触部の反
対側の端面より形成され、外輪の環状溝が玉との接触部
側の端面より形成されているため、次に説明するよう
に、内輪および外輪の軌道側の部分が拡径することによ
って接触角が小さくなる。すなわち、内輪の軌道側の部
分については、玉との接触部側の拡径の度合が、反対側
の溝が形成されている端面側の拡径の度合に比べて小さ
く、したがって、拡径により、玉との接触部が中心面に
近付く方向に移動する。外輪の軌道側の部分について
は、溝が形成されている玉との接触部側の拡径の度合
が、反対側の拡径の度合に比べて大きく、したがって、
拡径により、玉との接触部が中心面に近付く方向に移動
する。そして、このように内輪および外輪の玉との接触
部がともに中心面に近付く方向に移動することにより、
接触角が小さくなる。したがって、内輪および外輪の軌
道側の部分が拡径することによって接触角が小さくな
る。一方、高速回転になるに伴って、内輪および外輪の
軌道側の部分の拡径の度合は大きくなる。したがって、
高速になるに伴って、接触角は小さくなる。このため、
高速になっても、ジャイロモーメントの増加が小さく、
ジャイロすべりによる発熱を低減することができる。前
記の式(1)から明らかなように、ジャイロモーメントを
小さくするためには、玉の質量を小さくすることと、接
触角を小さくすることとが考えられるが、この発明は、
接触角を小さくすることによってジャイロモーメントを
小さくして、ジャイロすべりを抑制するものである。

【００１６】このように、この発明によれば、従来のよ
うな予圧切換機構を用いずに、軸受の面圧増加を低減す
ることができ、面圧増加による軸受の破損を防止するこ
とができる。また、従来のような予圧切換機構を用いる
必要がないため、構造が簡単になり、回転体を短くする
ことができる。さらに、高速回転時の軸受のジャイロす
べりによる発熱を抑制することができ、熱変位の低減、
面圧増加の低減が可能である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図１および図２を参照し
て、この発明の実施形態について説明する。

【００１８】図１および図２は工作機械の高速主軸に用
いられたアンギュラ玉軸受の１例を示しており、図１は
低速回転時、図２は高速回転時の状態を表わしている。
なお、図２には、低速回転時の状態を鎖線で表わしてい
る。また、以下の説明において、図１および図２の左右
を左右とする。

【００１９】アンギュラ玉軸受(1)は軌道輪である内輪
(2)および外輪(3)、ならびにこれらの間に配置された複
数の転動体である玉(4)より構成されている。内輪(2)は
回転体である主軸(5)に、外輪(3)は固定部分である軸受
ハウジング(6)にそれぞれ固定され、軸受(1)には所定の
予圧が付与されている。(C)は軸受(1)および主軸(5)の
中心軸であり、左右方向にのびている。(S)は軸受(1)の
中心面であり、玉(4)の中心を通り、中心軸(C)に垂直で
ある。図１において、(A1)および(B1)は低速回転時にお
ける内輪(2)および外輪(3)と玉(4)との接触部であり、
β1は低速回転時における接触角である。図２におい
て、(A2)および(B2)は高速回転時における内輪(2)およ
び外輪(3)と玉(4)との接触部であり、β2は高速回転時
における接触角である。

【００２０】内輪(2)の外径の左端部を除く部分および
外輪(3)の内径の右端部を除く部分に、カウンタボア(7)
(8)がそれぞれ形成されており、内輪(2)の玉(4)との接
触部(A1)(A2)は中心面(S)よりも左側にあり、外輪(3)の
玉(4)との接触部(B1)(B2)は中心面(S)よりも右側にあ
る。

【００２１】内輪(2)に、玉(4)との接触部(A1)(A2)の反
対側の右端面より軸方向左側に切れ込んだ環状溝(10)が
同心状に形成され、内輪(2)は、溝(10)により、主軸(5)
に取付けられた内径側の部分(2a)（以下「取付部分」と
いう）と、玉(4)と接触する外径側の部分(2b)（以下
「軌道側部分」という）と、これらを接触部(A1)(A2)側
の左端部において連結する部分(2c)（以下「連結部分」
という）とに分けられている。

【００２２】外輪(3)に、玉(4)との接触部(B1)(B2)側の
右端面より軸方向左側に切れ込んだ環状溝(11)が同心状
に形成され、外輪(3)は、溝(11)により、ハウジング(6)
に取付けられた外径側の部分(3a)（以下「取付部分」と
いう）と、玉(4)と接触する内径側の部分(3b)（以下
「軌道側部分」という）と、これらを接触部(B1)(B2)の
反対側の左端部において連結する部分(3c)（以下「連結
部分」という）とに分けられている。

【００２３】上記の軸受(1)において、内輪(2)および外
輪(3)の軌道側部分(2b)(3b)は、主軸(5)およびハウジン
グ(6)に直接取付けられておらず、それらへの取付部分
(2a)(3a)との間に溝(10)(11)があるので、軌道側部分(2
b)(3b)は径方向に弾性変形しうる。したがって、これら
の軌道側部分(2b)(3b)は、主軸(5)の回転に伴う遠心力
により弾性変形して、拡径する。すなわち、主軸(5)が
回転すると、内輪(2)はこれと一体になって回転し、玉
(4)は内輪(2)の軌道側部分(2b)のまわりを自転しながら
公転する。内輪(2)が回転すると、その軌道側部分(2b)
に遠心力が作用し、これが弾性変形して、拡径する。ま
た、玉(4)には、回転によって遠心力が作用し、この遠
心力により、外輪(3)の軌道側部分(3b)が径方向外側に
押され、弾性変形して、拡径する。そして、このように
内輪(2)および外輪(3)の軌道側部分(2b)(3b)が弾性変形
することにより、軸受(1)の面圧増加が低減される。ま
た、内輪(2)の溝(10)に空気などの冷却流体を供給する
ことにより、内輪(2)を冷却して、内輪(2)と外輪(3)の
温度差を小さくすることができ、これによっても軸受
(1)の面圧増加を低減することが可能である。

【００２４】内輪(2)および外輪(3)の軌道側部分(2b)(3
b)の拡径の度合は、回転速度が高くなって遠心力が大き
くなるほど大きくなる。内輪(2)の軌道側部分(2b)は、
左端部において取付部分(2a)に連結されているため、拡
径の度合は右側の方が左側よりも大きい。このため、内
輪(2)の玉(4)との接触部は、拡径の度合が大きくなるほ
ど、すなわち、高速になるほど、右側すなわち中心面
(S)に近付く側に移動する。また、外輪(3)の軌道側部分
(3b)は、左端部において取付部分(3a)に連結されている
ため、拡径の度合は右側の方が左側よりも大きい。この
ため、外輪(3)の玉(4)との接触部は、拡径の度合が大き
くなるほど、すなわち、高速になるほど、左側すなわち
中心面(S)に近付く側に移動する。したがって、高速に
なるほど、接触角が小さくなる。図１および図２からも
明らかなように、高速回転時の接触部(A2)(B2)の方が低
速回転時の接触部(A1)(B1)よりも中心面(S)に近く、高
速回転時の接触角β2の方が低速回転時の接触角β1より
も小さい。そして、このように高速回転になるに伴って
接触角が小さくなることにより、ジャイロモーメントの
増加が小さく、ジャイロすべりによる発熱を低減するこ
とができる。

【００２５】上記実施形態には、内輪(2)と外輪(3)の両
方にカウンタボア(7)(8)が形成されたアンギュラ玉軸受
を示したが、この発明は、内輪と外輪のいずれか一方に
のみカウンタボアが形成されたアンギュラ玉軸受にも適
用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の実施形態を示す低速回転時
のアンギュラ玉軸受の要部縦断面図である。

【図２】図２は、同高速回転時のアンギュラ玉軸受の要
部縦断面図である。

【図３】図３は、従来例を示すアンギュラ玉軸受の要部
縦断面図である。

【図４】図４は、アンギュラ玉軸受におけるジャイロす
べりの原理を示す説明図である。

【符号の説明】

(1) アンギュラ玉軸受 (2) 内輪 (2a) 取付部分 (2b) 軌道側部分 (2c) 連結部分 (3) 外輪 (3a) 取付部分 (3b) 軌道側部分 (3c) 連結部分 (4) 玉 (5) 主軸 (6) 軸受ハウジング (10)(11) 環状溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】玉との接触部の反対側の端面より軸方向に
切れ込んだ環状溝が形成された内輪と、玉との接触部側
の端面より軸方向に切れ込んだ環状溝が形成された外輪
とを備えていることを特徴とするアンギュラ玉軸受。