KR20060113503A - 베어링 장치 - Google Patents

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KR20060113503A
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bearings
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게이치 우에다
히로시 다코
후토시 고스기
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엔티엔 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 복수 열의 베어링에서 접촉면압의 균일화를 도모할 수 있는 베어링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 베어링 장치(3)는, 접촉각을 가지는 롤러 베어링(3A ~ 3C)을 축 방향으로 3열 이상 배열하여 공통의 축을 지지하고, 이들 베어링의 배열을, 대향하는 열수가 상이한 배열인 비대칭 배열로 한다. 상기 비대칭 배열에 있어서, 서로 동일한 베어링 형식(bearing type)이면서 상이한 베어링 사양을 가지는 베어링끼리 대향시키거나, 또는 상이한 베어링 형식을 가지는 베어링끼리 대향시킨다. 이에 따라, 소수열 측의 베어링(3C)의 앵귤러 강성(angular rigidity)을, 다수열 측의 베어링(3A, 3R)보다 높아지게 하고 있다.
공작 기계, 비대칭 배열, 베어링 형식, 베어링 사양, 앵귤러 강성, 접촉면압, 예압 하중

Description

베어링 장치{BEARING ASSEMBLY}
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 롤러 베어링 장치를 길이를 따라 자른 단면도이다.
도 2는 상기 롤러 베어링 장치를 사용한 공작 기계의 주축 지지부의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 롤러 베어링 장치를 길이를 따라 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 롤러 베어링 장치를 길이를 따라 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 롤러 베어링 장치를 길이를 따라 자른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5에 따른 롤러 베어링 장치를 길이를 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 6에 따른 롤러 베어링 장치를 길이를 따라 자른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 7에 따른 롤러 베어링 장치를 길이를 따라 자른 단면도이다.
도 9a ~ 9f는 베어링 장치에서의 각종 대향 배열예를 길이를 따라 자른 단면도이다.
도 10은 종래의 DTBT 배열의 롤러 베어링 장치에서의 각각의 베어링에 걸리는 예압 하중의 분배를 나타낸 설명도이다.
도 11은 종래의 DBT 배열의 롤러 베어링 장치에서의 각각의 베어링에 걸리는 예압 하중의 분배를 나타낸 설명도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 8에 따른 앵귤러 볼 베어링 장치를 구비한 공작 기계 주축의 부분 단면도이다.
도 13은 상기 앵귤러 볼 베어링에서의 세트 축방향 간극의 조정 설명도이다.
도 14a는 상기 앵귤러 볼 베어링에서의 외측 2열의 베어링 사이의 세트 축방향 간극의 설명도이다.
도 14b는 상기 앵귤러 볼 베어링에서의 내측 2열의 베어링 사이의 세트 축방향 간극의 설명도이다.
도 15는 본 발명의 실시예 9에 따른 축방향 볼 베어링 장치를 구비한 공작 기계 주축의 부분 단면도이다.
도 16은 상기 앵귤러 볼 베어링에서의 세트 앵귤러 간극의 조정 설명도이다.
도 17a는 종래의 DB 세트의 앵귤러 볼 베어링을 사용한 공작 기계 주축의 부분 단면도이다.
도 17b는 종래의 DTBT 세트의 앵귤러 볼 베어링을 사용한 공작 기계 주축의 부분 단면도이다.
도 18a는 종래의 사이 공간이 없는 DB 세트의 앵귤러 볼 베어링에서의 세트축방향 간극의 설명도이다.
도 18b는 상기 앵귤러 볼 베어링의 예압 상태의 단면도이다.
도 19a는 종래의 사이 공간이 있는 DB 세트의 앵귤러 볼 베어링에서의 세트축방향 간극의 설명도이다.
도 19b는 상기 앵귤러 볼 베어링의 예압 상태의 단면도이다.
도 20은 종래의 DTBT 세트의 앵귤러 볼 베어링에서의 세트 축방향 간극의 조정 설명도이다.
도 21a는 상기 앵귤러 볼 베어링에서의 외측 2열의 베어링 사이의 세트 축방향 간극의 설명도이다.
도 21b는 상기 앵귤러 볼 베어링에서의 내측 2열의 베어링 사이의 세트 앵귤러 간극의 설명도이다.
도 22는 종래의 앵귤러 볼 베어링 장치에서의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실시예 10에 따른 베어링 장치가 사용되는 주축 장치의 단면도이다.
도 24는 상기 베어링 장치의 프론트측 단면도이다.
일본국 특개 2002-346861호 공보
본 발명은, 공작 기계 주축의 지지 등에 사용되는 베어링 장치에 관한 것이다.
선반이나 기계 센서 등의 공작 기계에서는, 주축을 고속으로 회전시키면서 절삭물의 가공을 행한다. 그러므로, 주축을 지지하는 베어링으로서 고속성이 우수한 앵귤러 볼 베어링(angular ball bearing)이나 원통 롤러 베어링, 원추 롤러 베어링 등이 사용된다. 이 중, 앵귤러 볼 베어링이나 원통 롤러 베어링은, 전동체와 내륜·외륜의 접촉점을 연결하는 직선이 래디얼(radial) 방향에 대하여 소정의 각도(접촉각)를 가지고 있고, 래디얼 하중과 일 방향의 축방향 하중(axial load)을 부하로 설정할 수 있다. 접촉각을 가지는 이들 롤러 베어링은, 축 방향의 위치 결정이나 예압 부하(preload; 필요한 강성을 확보하기 위하여) 등의 목적으로, 일반적으로 복수열로 형성하고 축방향으로 대향시킨 롤러 베어링 장치로서 사용된다. 대향을 포함하는 베어링 배열에는, 도 9a ~ 9d에 나타내는 DB 배열(배면 조합), DF 배열(정면 조합), DTBT 배열, DTFT 배열 등과 같이 대향하는 베어링의 열수가 서로 동일한 배열(대칭 배열)이나, 도 9e, 9f에 나타내는 DBT 배열, DFT 배열 등과 같이 대향하는 베어링의 열수가 상이한 배열(비대칭 배열)이 주로 이용되고 있다.
이들 배열의 선택은, 부하 하중의 크기나 방향, 회전 속도 등의 사용 조건에 따라서 결정된다.
전술한 베어링 배열 중, 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치는, 일 방향의 축방 향 하중(가공 하중 등의 외부 하중)을 분배하는 것이 가능하며, 동일한 열수로 하중을 분배하는 대칭 배열의 롤러 베어링 장치에 비하여 베어링 장치의 총 폭을 억제할 수 있다. 예를 들면, 도 9e에 나타내는 DBT 배열(2열 + 1열로 구성되는 비대칭 배열)에서는, 도 9c에 나타내는 DTBT 배열(2열 + 2열로 구성되는 대칭 배열)과 마찬가지로 일 방향의 축방향 하중을 2열로 분배할 수 있고, 베어링 장치의 총 폭도 1열만큼 짧다. 그러므로, 베어링 공간이 한정되어 있는 경우 등에 효과적인 점 외에도, 발열원도 대칭 배열에 비해 적기 때문에, 온도 상승 억제의 면에서도 유리하게 된다(일본국 특개 2002-346861호 공보 참조)}
공작 기계의 주축 지지에 사용되는 롤러 베어링 장치에서는, 외부 하중을 지지하는 것 외에 강성을 확보하기 위하여, 예압 하중이 부여된다. 예압 하중의 경우는 외부 하중과는 달리, 대향 배열되는 각각의 베어링(또는 베어링 열)의 각각이 예압 하중을 지지해야만 한다. 따라서, 예를 들면, 도 10의 DTBT 배열과 같은 대칭 배열의 경우에는, 대향하는 베어링에서 예압 하중 Fp에 수반하여 베어링에 걸리는 부하 하중은 동일(각각 Fp/2)하게 된다. 이에 비해, 예를 들면 도 11의 DBT 배열과 같은 비대칭 배열의 경우에는, 예압 하중 Fp에 수반하여 베어링에 걸리는 부하 하중은, 대향하는 베어링에서 상이하다. 즉, 2열의 베어링에서 Fp/2, 1열의 베어링에서 Fp의 부하 하중이 된다.
이와 같이, 비대칭 배열에서는, 대향하는 베어링 간에 예압 하중이 상이하게 분담되고, 적은 열수로 하중을 지지하는 측(도 9e의 DBT 배열에서는 1열측: 이하, 「소수열측」이라고 칭함)의 접촉면압은 높고, 많은 열수에서 하중을 지지하는 측(도 9e의 DBT 배열에서는 2열측: 이하, 「다수열측」이라고 칭함)의 접촉면압은 낮아진다.
공작 기계 주축 지지용 베어링 장치에서는, 예압의 부여 방식으로서 정위치 예압 방식이 많이 사용되지만, 이 방식에 의하면 회전 속도의 상승에 수반하여 예압 하중이나 접촉면압이 증가한다. 따라서, 정위치 예압 방식에 의하여 구성되는 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치에 과도한 예압 부여(0min-1시 예압의 과대 부여)나, 현저한 고속 회전은, 소수열 측의 과대면압을 발생시켜서, 손상될 우려가 있다. 그러므로, 종래에는 비대칭 배열에서의 예압 하중의 상한값은, 전술한 현상을 고려하여 소수열 측의 접촉면압이 과대하게 되지 않도록 결정되었다.
한편, 비대칭 배열에서의 다수열 측은, 소수열 측보다 접촉면압이 낮기 때문에, 상기 과대면압이 소수열 측보다 먼저 발생하지는 않는다. 다만, 과소한 접촉면압 상태에서는 전동체에 충분한 구동력이 부여되지 않으므로, 전동체와 내륜·외륜 사이에서 미끄러짐이 생기기 쉽고, 그 정도는 회전 속도가 커질수록 현저하게 된다. 이러한 미끄러짐이 클 경우에는, 롤러 면의 윤활유막을 상하게 할 뿐만 아니라, 손상을 초래하는 경우도 있다. 그래서, 종래에는 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치에서의 예압 하중의 하한값은, 다수열 측의 미끄러짐이 커지지 않도록 고려하여 결정되었다.
이와 같이, 비대칭 배열에서는, 소수열 측의 과대 면압 방지와 다수열 측의 미끄러짐 억제를 동시에 만족시키도록 예압 하중의 영역을 부여하여야 한다. 그러나, 요구 성능이 가혹(보다 고속, 보다 고 예압 하중)해지면서, 선택 가능한 예압 하중의 영역이 축소되고, 적용 불가능한 사태가 발생한다.
또, 일반적으로, 공작 기계 주축의 지지에 사용되는 다열의 앵귤러 볼 베어링에서는, 주축 회전 정밀도 및 강성을 얻기 위해 예압을 부여한 상태에서 사용된다. 그런데 축베어링의 배열로서는, 도 17a와 같이 통상적인 배면 맞춤, 즉 DB 세트(2열)로하는 경우의 이외에, 주축 강성을 보다 높이기 위하여 17b와 같은 DTBT 세트(4열)로하는 경우가 많다. 그리고, 도 17a에서는, 듀얼 베어링(324A, 324B) 사이에 공간(327, 328)을 설치한 예를 나타내고 있다.
예를 들면 DB 세트(2열)에서 사용되는 앵귤러 볼 베어링에 예압을 부여하는 경우, 도 18a과 같이 배면을 맞대어서 배치되는 조립 초기 상태의 듀얼 베어링(324A, 324B)에서의 내외륜(325, 326)의 배면 측의 폭면에 대하여, 내륜(325)의 폭면이 외륜(326)의 폭면에 대해서 약간 축방향으로 후퇴하는 평면차 △g를 형성한다. 이에 따라, 양 내륜(325)의 폭면 사이에 소정의 세트 축방향 간극 δ를 형성하고, 상기 세트 축방향 간극 δ가 도 18b와 같이 없어질 때까지 양 내륜(325)을 도 17a의 경우의 같은 너트(307) 등으로 마감 처리하여 소정의 조립 시 예압량이 부여된다.
도 18에서는 듀얼 베어링(324A, 324B) 사이에 공간을 개재시키지 않는 경우를 나타냈으나, 도 17a과 같이 듀얼 베어링(324A, 324B) 사이에 공간(327, 328)이 있는 경우에는, 도 19에서 나타낸 바와 같이 예압이 부여된다. 즉, 조립 초기 상 태에서, 한쪽의 베어링(324A)에서의 배면측의 내륜 폭면과, 이와 대면하는 내륜 공간(327)의 폭면 사이에 소정의 세트 축방향 간극 δ를 형성하고, 상기 세트 축방향 간극 δ가 도 19b와 같이 없어질 때까지 양쪽 내륜(325)을 너트 등으로 마감 처리하여, 소정의 조립 시에 예압량이 부여된다.
또, 도 17b과 같은 DTBT 세트(4열)로 사용되는 앵귤러 볼 베어링에 예압을 부여하는 경우, 조립 초기 상태에서 도 20과 같이 인접하는 2열의 베어링(324A, 324B) 사이, 듀얼 베어링(324A, 324B)의 외륜(326) 사이의 간극 및 내륜(325) 사이의 간극을 동일한 값 A로 설정한다. 다른 인접하는 2열의 베어링(324C, 324D) 사이에서도, 듀얼 베어링(324C, 324D)의 외륜(326) 사이의 간극 및 내륜(325) 사이의 간극을 동일한 값 B로 설정한다. 또, 내측의 인접하는 2열의 베어링(324B, 1324C) 사이에서의 내륜(325) 사이의 간극(세트 축방향 간극)을 도 18의 DB 세트의 경우와 동일한 δ로 설정하고, 그 세트 축방향 간극 δ가 없어질 때까지 내륜(325)을 마감 처리하면, DB 세트의 2배의 예압를 얻을 수 있다. 즉, 이 경우, 조립 초기 상태에서, 외측 2열의 베어링(324A, 324D) 사이에서 도 21a과 같이 양 내륜(325) 사이의 세트 축방향 간극이 δ가 되면서, 내측 2열의 베어링(324B, 324C) 사이에서도 도 21b와 같이 양 내륜(325) 문사이의 세트 축방향 간극이 δ가 되므로, DB 세트에서의 예압량을 F로 하면, 이 DTBT 세트에서는 예압량은 2F가 된다.
그리고, 한쌍의 조합 앵귤러 볼 베어링을 사용하여 공작 기계 주축을 지지하는 경우에, 내측 열의 베어링의 외륜과 고정 하우징의 내주면의 간극을, 외측열의 베어링의 외륜과 고정 하우징의 내주면의 간극보다 크게 형성(한쪽을 최소 간극으 로 하고, 다른 쪽을 크게 형성한다)함으로써, 주축의 예압 과대 방지를 도모하는 것도 제안되어 있다(예를 들면 일본국 특개 2002-346861호 공보).
도 17b에 나타내는 DTBT 세트에서는, DB 세트와 비교하여, 내측 2열의 베어링(324B, 324C)의 방열 조건이 악화되므로, 도 22와 같이 내측 2열의 베어링(324B, 324C)에 열이 모이기 쉽고, 운전중의 베어링 온도가 외측 2열의 베어링(324A, 324D)과 비교하여 높아지게 된다. 그 이유는, 운전 시에 내측 2열의 베어링(324B, 324C)에서 예압량이 높아지고, 외측 2열의 베어링(324A, 324D)보다 불필요한 부하가 걸려 있는 때문이다. 이와 같은 부하의 언밸런스는, 내측 2열의 베어링(324B, 324C)의 부담을 크게하여 예압과대가 되어, 최악의 경우 내측 2열의 베어링(314B, 324C) 만 눌어붙을 위험이 있다. 그리고 도 22에 있어서, 가로축의 수치는 도 17b에서의 주축(303)의 좌측으로부터의 베어링 번호를 나타낸다. 또, 동 도면의 막대 그래프에서의 흰색 부분은 외륜(326)의 온도 상승치를 나타내고, 해칭 부분은 내외륜의 온도차를 나타낸다,
상기 일본국 특개 2002-346861호 공보에 기재에 의하면, 주축의 예압 과대의 방지 효과를 얻을 수 있지만, 고정 하우징의 내주면과 베어링 외륜의 간극에 대해, 내측 열과 외측열이 상이하도록 하기 위해서는, 고정 하우징의 내주면의 가공이 복잡한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 복수 열의 베어링에서의 접촉면압의 균일화를 도모할 수 있는 베어링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 구성의 베어링 장치는, 접촉각을 가지는 롤러 베어링을 축방향으로 3열 이상 배열하여 공통의 축을 지지하고, 이들 베어링의 배열을, 대향하는 열수가 상이한 배열인 비대칭 배열로 형성한 것으로서, 서로 동일한 베어링 형식이면서 또한 상이한 베어링 사양을 가지는 베어링끼리 대향시키거나, 또는 상이한 베어링 형식의 베어링끼리 대향시키는 것을 특징으로 한다. 상기 베어링 형식은, 앵귤러 볼 베어링이나 원추 롤러 베어링 등의 구별을 의미한다. 상기 베어링 사양은, 각 부의 치수나 접촉각, 전동체 개수 등에 대한 사양을 의미한다.
제1 구성의 베어링 장치에 있어서, 소수열 측의 베어링은, 다수열 측의 베어링보다 축방향 강성이 높은 것이 바람직하다.
비대칭 배열에서는, 대향하는 베어링 사이에서 예압 하중이 상이하게 분담ㄷ되, 소수열 측은 다수열 측보다 적은 열수로 동일한 하중을 지지한다. 종래에는, 동일한 베어링 형식이면서 또한 동일한 베어링 사양을 가지는 베어링끼리 대향하고 있기 때문에, 소수열 측의 접촉면압이 다수열 측에 비해 높았다. 이것은, 소수열 측, 다수열 측에서 베어링의 열수가 상이할 뿐만 아니라, 대향하는 베어링 하나하나가 동일한 축방향 강성을 가지는 것에 기인하였다. 베어링의 축방향 강성은, 부하 하중에 대한 탄성 변위의 정도를 나타낼 뿐만 아니라, 예압 하중 등 축 방향 하중에 대한 접촉면압의 상승 정도, 즉 응답성을 나타내는 것이기도 하다.
본 발명의 제1 구성은, 이 점에 주목하고 있으며, 베어링 사양의 상이, 또는 베어링 형식의 상이에 따라, 대향하는 베어링의 축방향 강성을, 요구 특성에 따라 서 상이하게 함으로써, 소수열 측에서 발생하는 과도한 접촉면압의 증대를 방지할 수 있다.
접촉면압이 억제되면, 예압 하중의 선택폭이 넓어지므로, 롤러 베어링 장치의 적용 범위 확대, 예를 들면 보다 고속, 보다 고 예압 하중에 대한 대응이 가능해진다.
또, 베어링 사양의 상이, 또는 베어링 형식의 상이하더라도 대처할 수 있으므로, 베어링 배열에 대한 제약은 생기지 않는다. 따라서, 비대칭 배열이 가지는 베어링 점유 공간에 대한 유리한 점이나, 대칭 배열보다 총 열수가 적은 것에 의한 발열의 억제 등의 이점은 유지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 구성은, 롤러 베어링 장치의 소형화·저 온도 상승화의 면에서 유리한 비대칭 배열의 고속화에 기여할 수 있다.
본 발명의 제1 구성에 있어서, 상기 롤러 베어링은, 모두 앵귤러 볼 베어링이라도 된다. 모두 앵귤러 볼 베어링이라 하더라도, 사양의 상이, 예를 들면 접촉각의 상이나, 전동체의 직경, 베어링의 직경의 상이 등에 의해, 소수열 측의 베어링이, 다수열 측의 베어링보다 축방향 강성이 높아져서, 본 발명의 전술한 각각의 이점을 얻을 수 있다.
본 발명의 제1 구성의 베어링 장치는, 공작 기계의 주축 지지부에 사용되어도 된다. 공작 기계의 주축 지지부에서는, 고속화, 저 온도 상승화, 컴팩트화에 대한 요망이 강하여, 본 발명의 제1 구성에서의 소형이며 저 온도 상승화를 도모할 수 있고, 또한 고속화에도 대응 가능한 효과가 있다.
본 발명의 제2 구성의 베어링 장치는, 4열의 베어링을 배열한 앵귤러 볼 베어링 장치에 있어서, 내측 2열의 베어링의 예압량을, 외측 2열의 베어링의 예압량과 상이하게 설정한 것이다. 상기 내측 2열의 베어링끼리 배면이 맞추어져 있고, 외측 2열의 베어링은 인접하는 내측 베어링과 접촉각이 동일한 방향이라도 된다.
이러한 제2 구성에 있어서, 내측 2열의 베어링의 예압량을, 외측 2열의 베어링의 예압량보다 작게 설정해도 된다. 이로써, 온도 상승이 생기기 쉬운 내측 2열의 베어링의 초기 부하가 경감되고, 운전 시의 4열의 베어링의 온도 상승이 균일화된다. 그러므로, 조립 시에 전체 예압량을 변경하지 않고, 즉 축을 지지하는 강성을 저하시키지 않고도, 운전 시에 내측 2열의 베어링이 과대 예압이 되는 것을 회피할 수 있어서, 예열량을 모든 열에 걸쳐서 균일하게 할 수 있다.
본 발명의 제2 구성에 있어서, 베어링 궤도수의 폭면을 연마 가공하여 베어링의 예압 설정을 행해도 된다. 궤도면의 폭면의 연마 가공에 의하면, 예압조정의 작업성이 좋다.
본 발명의 제2 구성에 있어서, 베어링과 함께 배열되는 공간의 폭면을 연마 가공하여 베어링의 예압 설정을 행해도 된다. 공간의 폭면을 연마 가공하면, 예압 조정의 작업성이 더 한층 용이하며, 사용자도 용이하게 대응할 수 있다.
[실시예]
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예의 적절한 설명에 의하여 보다 명료하게 이해될 수 있다. 그러나, 실시예 및 도면은 도시 및 설명을 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 범위는 청구 항에 의하여 정해진다. 첨부된 복수의 도면에서, 동일한 부품 번호는 동일한 부분을 나타낸다.
본 발명의 실시예 1을 도 1 및 도 2에서 설명한다. 도 1은 본 실시예의 롤러 베어링 장치를 길이를 따라 자른 단면도를 나타내고, 도 2는 상기 롤러 베어링 장치를 사용한 공작 기계의 주축 지지부의 단면도를 나타낸다. 도 2의 주축 지지부는, 베어링 하우징(1) 내에 있어서, 주축(2)의 전단측을 롤러 베어링 장치(3)에서, 주축(2)의 후단측을 다른 도시하지 않은 1열의 롤러 베어링에서 회전 가능하게 지지한 것이다. 롤러 베어링 장치(3)는, 접촉각을 가지는 베어링인 앵귤러 볼 베어링(3A ~ 3C)을 축방향으로 3열 배열시킨 것이다. 이들 3열의 앵귤러 볼 베어링(3A ~ 3C)과, 그 내륜(4)이 내륜 고정 너트(7)의 체결에 의해, 주축(2)의 단부(2a)와 너트(7) 사이에서 위치 결정 고정된다. 각각의 외륜(5)은, 외륜 누름 커버(8)를 눌러서, 베어링 하우징(1)의 단부(1a)와 외륜 누름 커버(8) 사이에 위치 결정 고정되어 있다. 이 경우에, 각 단부(1a, 2a)의 위치를 적절하게 고정하고, 또는 베어링(3A ~ 3C) 사이나 측방에 쐐기(미도시) 등을 개재시킴으로써, 롤러 베어링 장치(3)에 정위치 예압이 부여되고 있다.
도 1과 같이, 롤러 베어링 장치(3)는, 서로 동일한 베어링 형식인 3개의 앵귤러 볼 베어링(3A ~ 3C)의 배열을, 대향하는 열수가 상이한 배열인 비대칭 배열으로 한 것이다. 여기서는, 도 1에서 좌측 2열의 베어링(3A, 3B)과 우측 1열의 베어링(3C)가, 서로 배면이 맞추어지는 DBT 배열이 되어 있다. 소수열 측인 우측 1열의 베어링(3C)의 베어링 사양과 다수열 측인 좌측 2열의 베어링(3A, 3B)의 베어링 사양은 서로 상이하다. 구체적으로는, 소수열 측의 베어링(3C)의 접촉각α3를, 다수열 측의 베어링(3A, 3B)의 접촉각α1(=α2)보다 크게 설정함으로써, 1열당의 축방향 강성이 다수열 측의 베어링(3A, 3B)보다 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있다.
이와 같이 소수열 측의 베어링(3C)의 1열당의 축방향 강성을 높여서, 예압 하중에 대한 면압 증가를 억제할 수 있다.
베어링의 축방향 강성은, 부하 하중에 대한 탄성 변위의 정도를 나타낼 뿐만아니라, 예압 하중 등 축 방향 하중에 대한 접촉면압의 상승 정도(응답성)를 나타낸 것이기도 하다. 종래의 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치에서는, 소수열 측의 베어링과 다수열 측의 베어링을 동일 베어링 사양을 가지기 때문에, 개개의 베어링이 동일한 축방향 강성을 가지게 되어, 소수열 측의 접촉면압이 다수열 측에 비해 높았다. 이에 비하여, 실시예 1의 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치(3)에서는, 전술한 바와 같이 1열당의 축방향 강성을 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있으므로, 소수열 측의 베어링(3C)에서 예압 하중에 대한 접촉면압이 과도하게 증대하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이와 같이 접촉면압을 억제할 수 있으면, 예압 하중의 선택 폭이 넓어지므로, 롤러 베어링 장치(3)의 적용 범위 확대(보다 고속, 보다 고 예압 하중에 대한 대응)가 가능하게 된다.
또한, 상기 구성에 의하여도, 베어링 사양의 상이에 대처하고 있으므로, 베어링 배열의 제약은 생기지 않는다. 그러므로, 비대칭 배열이 가지는 베어링 점유 공간에 대한 유효성이나, 대칭 배열보다 총 열수가 적어서 생기는 발열원이 억제되는 이점은 유지할 수 있다. 이로써, 소형화·저 온도 상승화에 효과적이며 고속화가 가능한 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치(3)를 구성할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 실시예 2를 나타낸다. 이 롤러 베어링 장치(3)도, 도 1의 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 서로 동일한 베어링 형식인 3개의 앵귤러 볼 베어링(3A ~ 3C)의 배열을, 대향하는 열수가 상이한 배열인 비대칭 배열(DBT 배열)로 하고 있다. 또한, 소수열 측인 우측 1열의 베어링(3C)의 베어링 사양과 다수열 측인 좌측 2열의 베어링(3A, 3B)의 베어링 사양을 상이하게 하고 있다.
즉, 소수열 측의 베어링(3C)의 전동체(6)의 직경 φdw3를, 다수열 측의 베어링(3A, 3B)의 전동체(6)의 직경 φdw1(= dw2)보다 크게 설정함으로써 베어링 사양이 상이하게 된다. 이로써, 1열당의 축방향 강성이, 다수열 측의 베어링(3A, 3B)보다 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있다. 접촉각은, 각 열의 베어링(3A ~ 3C) 사이에서 동일하다.
이 구성의 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치(3)에서도, 전술한 바와 같이 1열당의 축방향 강성이 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있으므로, 소수열 측의 베어링(3C)에서 예압 하중에 대한 접촉면압이 과도하게 증대되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는, 본 발명의 실시예 3을 나타낸다. 이 롤러 베어링장치(3)는, 도 1의 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 서로 동일한 베어링 형식인 3개의 앵귤러 볼 베어링(3A ~ 3C)의 배열을, 대향하는 열수가 상이한 배열인 비대칭 배열(DBT 배열)로 하고 있다. 또, 소수열 측인 우측 1열의 베어링(3C)의 베어링 사양과 다수열 측인 좌측 2열의 베어링(3A, 3B)의 베어링 사양을 상이하게 하고 있다.
즉, 소수열 측의 베어링(3C)의 전동체(6)의 개수 Z3를, 다수열 측의 베어링(3A, 3B)의 전동체(6)의 개수 Z1(=Z2)보다 많이 하여 베어링 사양이 상이하게 되고, 1열당의 축방향 강성이 다수열 측의 베어링(3A, 3B)보다 소수열 측의 베이링(3C)에서 커지도록 하고 있다. 접촉각 및 전동체의 직경은, 각 열의 베어링(3A ~ 3C) 사이에서 동일하다.
이 구성의 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치(3)에 있어서도, 전술한 바와 같이 1열당의 축방향 강성을 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 고 있으므로, 소수열 측의 베어링(3C)에서 예압 하중에 대한 접촉면압이 과도하게 하증대되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 실시예 4를 나타낸다. 이 롤러 베어링 장치(3)는, 도 1의 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 서로 동일한 베어링 형식인 3개의 앵귤러 볼 베어링(3A ~ 3C)의 배열을, 대향하는 열수가 상이한 배열인 비대칭 배열(DBT 배열)로 하고 있다. 또, 소수열 측인 우측 1열의 베어링(3C)의 베어링 사양과 다수열 측인 좌측 2열의 베어링(3A, 3B)의 베어링 사양을 상이하게 하고 있다.
즉, 소수열 측의 베어링(3C)의 내륜 궤도면(4a) 또는 외륜 궤도면(5a)의 단면의 곡률 Cur3를, 다수열 측의 베어링(3A, 3B)의 내륜 궤도면(4a) 또는 외륜 궤도면(5a)의 단면의 곡률 Cur1(= Cur2)보다 크게 설정함으로써 베어링 사양이 상이하게 되고, 1열당의 축방향 강성에 대하여 다수열 측의 베어링(3A, 3B)보다 소수열 측의 베어링(3C)이 커지도록 하고 있다. 접촉각, 전동체 경, 및 전동체수는, 각 열의 베어링(3A ~ 3C) 사이에서 동일하다.
이 구성의 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치(3)에 있어서도, 전술한 바와 같이 1열당의 축방향 강성을 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있으므로, 소수열 측의 베어링(3C)에서 예압 하중에 대한 접촉면압이 과도하게 증대하는 것을 방지할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 실시예 5를 나타낸다. 이 롤러 베어링 장치(3)는, 도 1의 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 서로 동일한 베어링 형식인 3개의 앵귤러 볼 베어링(3A ~ 3C)의 배열을, 대향하는 열수가 상이한 배열인 비대칭 배열(DBT 배열)로 하고 있다. 또한, 소수열 측인 우측 1열의 베어링(3C)의 베어링 사양과 다수열 측인 2열의 베어링(3A, 3B)의 베어링 사양을 상이하게 하고 있다.
즉, 소수열 측의 베어링(3C)의 베어링 내경 φd3를, 다수열 측의 베어링(3A, 3B)의 베어링 내경 φd1(= φd2)보다 크게 함으로써 베어링 사양이 상이하게 되고, 1열당의 축방향 강성이 다수열 측의 베어링(3A, 3B)보다 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있다. 접촉각, 전동체 직경, 전동체수, 및 궤도면 곡률은, 각 열의 베어링(3A ~ 3C) 사이에서 동일하다;
이러한 구성의 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치(3)에 있어서도, 전술한 바와 같이 1열당의 축방향 강성이 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있으므로, 소수열 측의 베어링(3C)에서 예압 하중에 대한 접촉면압이 과도하게 증대하는 것을 방지할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 실시예 6을 나타낸다. 이 롤러 베어링 장치(3)는, 도 1의 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 서로 동일한 베어링 형식인 3개의 앵귤러 볼 베어링(3A ~ 3C)의 배열을, 대향 열수가 상이한 배열인 비대칭 배열(DBT 배열)로 하고 있다. 또, 소수열 측인 우측 1열의 베어링(3C)의 베어링 사양과 다수열 측인 좌측 2열의 베어링(3A, 3B)의 베어링 사양을 서로 상이하게 하고 있다.
즉, 소수열 측의 베어링(3C)의 치수 계열(dimension series) S3를, 다수열 측의 베어링(3A.3B)의 치수 계열 S1(= S2)보다 크고 함으로써 베어링 사양이 상이하게 되고, 1열당의 축방향 강성이 다수열 측의 베어링(3A, 3B)보다 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있다.
실시예 6에서의 치수 계열의 차이는, 직경 계열의 차이로 하고 있다. 직경 계열은, 베어링 내경에 대응하여 베어링 외경의 계열을 나타낸 것이며, 동일한 베어링 내경에 대해 단계적으로 여러 종류의 외경을 결정하여 1자리수의 숫자로 나타낸다. 그리고, 베어링(3A ~ 3C)이 원추 롤러 베어링의 경우에는, 직경 계열의 차이에 한정되지 않고, 폭계열의 차이로 할 수도 있고, 또 직경계열 및 폭계열의 양쪽의 차이로 할 수도 있다.
접촉각, 전동체 직경, 전동체수, 궤도면곡률, 및 베어링 내경은, 각 열의 베어링(3A ~ 3C)이 동일하다.
이 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치 장치(3)에서도, 전술한 바와 같이 1열당의 축방향 강성이 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있으므로, 소수열 측의 베어링(3C)에서 예압 하중에 대한 접촉면압이 과도하게 증대하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 전술한 각 실시예에서는, 소수열 측의 베어링(3C)과 다수열 측의 베어링(3A, 3B)을 상이하게 하는 베어링 사양으로서 접촉각, 전동체 직경, 전동체수, 궤도면곡률, 베어링 내경, 치수 계열 등으로부터 1개의 인자를 특정한 경우에 대하여 설명하였으나, 상기 인자를 복수개 조합한 경우라도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 전술한 인자들 외에도, 소수열 측의 베어링(3C)과 다수열 측의 베어링(3A, 3B)의 내부 설계(예를 들면 전동체(6)의 피치 직경 등)를 상이하게 함으로써, 1열당의 축방향 강성이 다수열 측의 베어링(3A, 3B)보다 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 해도 되고, 이러한 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
도 8은, 본 발명의 실시예 7을 나타낸다. 이 롤러 베어링 장치(3)는, 동일한 베어링 형식인 2개의 앵귤러 볼 베어링(3A, 3B)과, 이것과 베어링 형식이 상이한 1개의 원추 롤러 베어링(3C)의 배열을 비대칭 배열인 DBT 배열로 하고 있다. 이에 의해, 1열당의 축방향 강성이 다수열 측의 베어링(3A, 3B)보다 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있다.
이 구성의 비대칭 배열의 롤러 베어링 장치(3)에 있어서도, 전술한 바와 같이 1열당의 축방향 강성이 소수열 측의 베어링(3C)에서 커지도록 하고 있으므로, 소수열 측의 베어링(3C)에서 예압 하중에 대한 접촉면압이 과도하게 증대하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 도 8의 실시예 7에서는, 앵귤러 볼 베어링(3A, 3)과 원추 롤러 베어 링(3C)이 조합된 예에 대하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 자동 조심 롤러 베어링(self-aligning ball bearing)이나 깊은 홈 볼 베어링(deep groove ball bearing) 등, 다른 베어링 형식의 것으로서 접촉각을 가진 상태에서 사용되는 베어링의 조합이라 하더라도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 각 실시예에서는, 비대칭 배열의 일례로서 DBT 배열의 경우를 예시하여 설명하였으나, 그외의 비대칭 배열이라 하더라도 전술한 바와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예 8을 도 12 내지 도 14b에서 설명한다. 도 12는 본 실시예의 앵귤러 볼 베어링 장치가 사용되는 주축 장치의 부분 단면도를 나타낸다. 상기 주축 장치(301)는, 고정 하우징(302) 내에 있어서, 주축(303)의 전단측을 4열의 베어링(304A ~ 304D)을 배열한 앵귤러 볼 베어링 장치(304)에서 지지하고, 주축(303)의 후단측을 도시하지 않은 단열의 앵귤러 볼 베어링에서 회전 가능하게 지지하고 것이다. 상기 주축(303)은 모터로 회전 구동된다. 앵귤러 볼 베어링 장치(304)의 각 열의 베어링(304A ~ 304D)의 회전측 궤도수인 내륜(305)은, 내륜고정 너트(307)에 의해, 주축(303)의 단부(303a) 사이에서 체결 고정된다. 각 열의 베어링(304A ~ 304D)의 고정측 궤도륜인 외륜(306)은, 외륜 누름 커버(308)에 의해 고정 하우징(302) 내에 그 단부(302a) 사이에서 위치 결정되어 고정된다. 이로써 상기 각 열의 베어링(304A ~304D)에는 정위치예압이 부여된다.
앵귤러 볼 베어링 장치(304)는, 4열의 앵귤러 볼 베어링(304A ~ 304D)가 축방향으로 DTBT 세트된 것이다. 즉, 내측 2열의 베어링(304B, 304C)는 서로 배면을 맞추어서 이루어진 DB 세트이며, 또 한쪽의 내측 베어링(304B)에 인접하는 축방향 외측의 베어링(304A)은 베어링(304B)과 접촉각이 동일한 방향이 되도록 배열되고, 다른 쪽의 내측 베어링(304C)에 인접하는 축방향 외측의 베어링(304D)은 베어링(304C)과 접촉각이 동일한 방향이 되도록 배열되어 있다.
상기 앵귤러 볼 베어링 장치(304)에서는, 도 13에 나타낸 조립 초기 상태에 있어서, 인접하는 2열의 베어링(304A, 304B)에서의 양쪽 외륜(306) 사이의 간극을 A 라 하면, 이들 2열의 베어링(304A, 304B)에서의 양쪽 내륜(305) 사이의 간극은 A + α로 설정된다. 또한, 인접하는 다른 2열의 베어링(304C, 304D)에서의 양쪽 외륜(306) 사이의 간극을 B라 하면, 이들 2열의 베어링(304C, 304D)에서의 양쪽 내륜(305) 사이의 간극은 B + β로 설정된다. 내측 2열의 베어링(304C, 304B)에서의 양쪽 내륜(305) 사이의 간극(세트 축방향 간극)은 Y로 설정된다.
즉, 상기 앵귤러 볼 베어링 장치(304)에서의 외측 2열의 베어링(304A, 304D)의 txm 앵귤러 간극 X(도 14a)는,
X = Y + α + β
로 설정되고, 내측 2열의 베어링(304B, 304C)의 세트 축방향 간극(도 14b)은 Y로 설정된다. 즉, 외측 2열의 베어링(304A, 304D)의 세트 앵귤러 간극 X에 비해, 내측 2열의 베어링(304B, 304C)의 세트 축방향 간극 Y는 작게(Y < X) 설정된다.
이러한 조립 초기 상태로부터, 도 12의 내륜 고정 너트(307)에 의해 상기 세트 축방향 간극(X, Y)이 없어질 때까지 각 열의 베어링 내륜(305)을 마감 처리하여 예압을 부여한다. 이 경우, 상기한 바와 같이 내측 2열의 베어링(304B, 304C)의 세트 축방향 간극 Y는, 외측 2열의 베어링(304A, 304D)의 세트 앵귤러 간극 X보다 작게 설정되어 있으므로, 내측 2열의 베어링(304B, 304C)에 설정되는 예압량 H는. 외측 2열의 베어링(304A, 304D)의 예압량 G보다 작아지도록(H < C) 조정된다.
그 결과, 상기 앵귤러 볼 베어링 장치(304)에서는, 온도 상승이 생기기 쉬운 내측 2열의 베어링(304B, 304C)의 초기 부하가 경감되어, 운전 시의 4열의 베어링(304A ~ 304D)의 온도 상승이 균일화된다. 그러므로, 내측 2열의 베어링(304B, 304C)이 과대 예압이 되는 것을 회피할 수 있어서, 예압량이 모든 열에 걸쳐서 균일화시킬 수 있다.
그리고, 도 20, 도 21a 및 도 21b에 나타낸 종래예에서는, 외측 2열의 베어링(324A, 324D)의 세트 축방향 간극과, 내측 2열의 베어링(324B, 324C)의 세트 축방향 간극을 동일한 값 δ로 하고 있으므로, 외측 2열의 베어링(324A, 324D)에 발생하는 예압량 F와 내측 2열의 베어링(324B, 324C)에 발생하는 동일한 예압량 F를 합친 2F의 예압량이 발생한다.
이에 비하여, 실시예 8의 앵귤러 볼 베어링 장치(304)에 있어서는, 외측 2열의 베어링(304A, 304D)의 세트 축방향 간극 X 및 내측 2열의 베어링(304B, 304C)의 세트 축방향 간극 Y를, Y < δ < X가 되도록 설정한다. 이에 따라, 외측 2열의 베어링(304A, 304D)의 예압량 G와, 내측 2열의 베어링(304B, 304C)의 예압량 H를 합한 예압량을 종래예의 경우와 동일한 2F(= G + H, H ＜ G)로 한다.
이와 같이, 조립 시의 전체의 예압량을 변경시키지 않고, 내측 2열의 베어링(304B, 304C)에 대하여, 예압량을 작게하여 초기의 부하를 줄임으로써, 주 축(303)의 강성을 저하시키지 않고, 운전 시의 예압량의 언밸런스를 해소시킬 수 있다.
수치예로 나타내면, 내측 2열의 베어링(304B, 304C)과 외측 2열의 베어링(304A, 304D)에서 세트 축방향 간극을 동일하게 한 경우의 조립 후의 예압량이 40kgf이라고 가정할 때, 실시예 8의 앵귤러 볼 베어링 장치(304)에서는, 베어링 폭면을 연마 가공함으로써 내측 2열의 베어링(304B, 304C)의 예압량을 10kgf로, 외측 2열의 베어링(304A, 304D)의 예압량을 30kgf로 변경한다. 이와 같이, 총 예압량 40kgf를 바꾸지 않고, 내측 2열의 베어링(304B, 304C)의 초기의 부하를 줄이면, 운전 시의 모든 열의 베어링(304A ~ 304D)의 온도 분포를 균일하게 할 수 있고, 동시에 모든 열의 베어링(304A ~ 304D)에 대한 부하도 균일하게 되어 내측 2열의 베어링(304B, 304C)의 예압 과대를 회피할 수 있다.
또한, 상기 세트 축방향 간극X, Y는, 베어링 폭면을 연마 가공함으로써 조정 가능하므로 조정 작업성이 양호하게 된다.
도 15 및 도 16은, 본 발명의 실시예 9를 나타낸다. 도 15는 본 실시예의 앵귤러 볼 베어링 장치가 사용되는 주축 장치의 부분 단면도를 나타낸다. 상기 주축 장치(301A)는, 실시예 8에서의 도 12의 주축 장치(301)에서, 앵귤러 볼 베어링 장치(304)을, 사이 공간(317, 318; spacer)을 가지는 앵귤러 볼 베어링 장치(314)로 치환한 것으로서, 상기 앵귤러 볼 베어링 장치(314)는, DTBT 세트가 된 4열의 각각의 베어링(314A ~ 314D)의 각각의 내륜(315) 사이, 및 각각의 외륜(316) 사이에 사이 공간(317, 318)을 개재시킨 것이다.
상기 앵귤러 볼 베어링 장치(314)에서의 세트 축방향 간극의 조정에서는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 인접하는 2열의 베어링(314A, 314B)의 사이에서는, 베어링(314A)의 외륜(316)의 폭면과 이것에 대향하는 외륜 사이 공간(318)의 폭면 사이의 간극을 A로 하고, 베어링(314A)의 내륜(315)의 폭면과, 여기에 대향하는 내륜 사이 공간(317)의 폭면 사이의 간극을 A + α로 한다. 또한, 인접하는 다른 2열의 베어링(314C, 314D)의 사이에서는, 베어링(314D)의 외륜(316)의 폭면과 이에 대향하는 외륜 사이 공간(318)의 폭면 사이의 간극을 B로 하고, 베어링(314D)의 내륜(315)의 폭면과 이에 대향하는 내륜 사이 공간(317)의 폭면 사이의 간극을 B + β로 한다. 내측 2열의 베어링(314B, 314C)의 사이에서는, 베어링(314B)의 내륜(315)의 베어링(314C) 측으로 향하는 폭면과, 이에 대향하는 내륜 사이 공간(317)의 폭면의 사이의 간극(내측 2열의 베어링(314B, 314C)의 세트 축방향 간극)을 Y로 한다. 외측 2열의 베어링(314A, 1314D의 세트 축방향 간극 X는 Y + α + β가 된다.
이와 같이 세트 축방향 간극 X, Y를 조정한 조립 초기 상태로부터, 상기 세트 축방향 간극 X, Y가 없어질 때까지 각 열의 베어링 내륜(315)을 마감 처리함으로써 예압을 부여한다. 이 경우에도, 내측 2열의 베어링(314B, 314C)의 세트 축방향 간극 Y는, 외측 2열의 베어링(314A, 314D)의 세트 축방향 간극 X보다 작게 설정되어 있으므로, 내측 2열의 베어링(314B, 314C)에 설정되는 예압량 H는 외측 2열의 베어링(314A, 314D)의 예압량 G보다 작아지도록(H ＜ G) 조정된다.
그 결과, 상기 앵귤러 볼 베어링 장치(314)에서는, 운전 시의 4열의 베어 링(314A ~ 314D)의 온도 상승이 균일화되어, 내측 2열의 베어링(314B, 314C)이 과대 예압되는 것을 회피할 수 있어 예압량을 모든 열에 걸쳐서 균일화할 수 있다. 이 경우에도, 조립 시의 전체의 예압량을 바꾸지 않고, 운전 시의 내측 2열의 베어링의 예압 과대를 회피할 수 있다.
실시예 9의 경우, 상기 세트 축방향 간극 X, Y는, 베어링(314A, 314B, 314D)의 내외륜(315, 316)의 폭면이나 내륜 사이 공간(317) 및 외륜 사이 공간(318)의 폭면을 연마 가공함으로써 조정 가능하므로, 조정 작업성이 좋으며, 사용자도 용이하게 대응할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예 10을 도 23 및 도 24에서 설명한다.
실시예 10은 주축(203)을 프론트(front)측 베어링(204) 및 리어(rear)측 베어링으로 지지하고, 프론트측 베어링(204)로서, 각각의 접촉각 θ1 ∼ θ4를 가지는 전부와 후부의 롤러 베어링(204A ∼ 204D)의 배면을 맞추어서 배치한 공작 기계 주축용 베어링 장치로서, 프론트측 베어링(204)로서 상기 실시예 9의 베어링 장치(314, 도 15)를 사용하고, 단 프론트측 베어링(204)에서의 전부 베어링(204A, 204B)만 그 전동체(2234)를 세라믹으로 형성한 것이다.
도 23은 실시예 10의 베어링 장치가 사용되는 공작 기계의 주축 장치의 단면도를 나타낸다. 상기 주축 장치(201)는, 베어링 하우징(202) 내에서, 주축(203)을 프론트측 베어링(204) 및 리어측 베어링(205)에서 회전 가능하도록 지지하는 것이며, 주축(203)의 중간부에 설치된 모터(206)에 의해 주축(203)을 회전 구동하게 되어 있다. 프론트측 베어링(204)은 주축(203)의 전단측을 지지하는 것이며, 여기서 는 다열 앵귤러 볼 베어링으로 이루어진다. 리어측 베어링(205)은 주축(203)의 후단측을 지지하는 것이며, 여기서는 단열의 앵귤러 볼 베어링으로 이루어진다.
프론트 측 베어링인 다열 앵귤러 볼 베어링(204)의 각각의 내륜(214)은, 내륜 고정 너트(207)의 체결에 의해, 주축(203)의 단부(203a)와 내륜 고정 너트(207) 사이에 주축(203)에 체결 고정되어 있다. 다열 앵귤러 볼 베어링(204)의 각각의 외륜(215)은, 외륜 누름 커버(208)의 볼트 등에 의한 체결에 의해, 베어링 하우징(202)의 단부(202a) 와 외륜 누름 커버(208) 사이에서 위치 결정 고정되어 있다. 다열 앵귤러 볼 베어링(2Q)4의 각각의 베어링(204A ~ 204D) 사이에는, 내륜 사이 공간(219) 및 외륜 사이 공간(220)이 개재되어 있고, 이들 내륜 사이 공간(219)과 외륜 사이 공간(220)의 폭을 상이하게 하여, 상기 실시예 9의 베어링 장치(314, 도 15)와 마찬가지로, 다열 앵귤러 볼 베어링(204)에 정위치 예압이 부여된다.
리어측 베어링인 단열 앵귤러 볼 베어링(205)의 내륜(216)은, 내륜 고정 너트(209)에 의해 주축(203)에 체결 고정되어 있다. 단열 앵귤러 볼 베어링(205)의 외륜(217)은, 상기 베어링 하우징(202)으로부터 분리된 하우징 별재(210) 내에 고정되어 있다. 상기 하우징 별재(210)와 베어링 하우징(202)의 후단 사이에는 압축 스프링(211)이 개재되어 있고, 상기 스프링(211)에 의해 단열 앵귤러 볼 베어링(205)에 주축(203)의 뒷 방향으로 정압 예압이 부여된다.
모터(206)는, 주축(203)에 고정된 로터(212)와, 상기 로터(212)에 대향하여 베어링 하우징(202)의 내주에 설치된 고정자(213)에 의하여 이루어진다.
그리고, 실시예 10에서는, 다열 앵귤러 볼 베어링(204)의 각 베어링(204A ~ 204D) 사이에 사이 공간(219, 220)을 개재시킨 것으로 하고 있지만, 사이 공간(219, 220)을 개재시키지 않아도 된다. 그 경우, 다열 앵귤러 볼 베어링(204)에는 다른 수단으로 정위치 예압을 부여한다.
즉, 다열 앨귤러 볼 베어링(204)인 프론트측 베어링으로서 상기 실시예 8의 베어링 장치(304, 도 12)를 사용하고, 단 프론트측 베어링에 있어서 전부 베어링만, 그 전동체를 세라믹으로 하고, 상기 실시예 8의 베어링 장치와 마찬가지로, 프론트측 베어링에 정위치 예압를 부여해도 된다.
다열 앵귤러 볼 베어링(204)은, 각각 접촉각을 가지는 4개의 베어링(204A ~ 204D)이 축 방향으로 DTBT 배열된 것이다. 즉, 도 23의 일부를 확대하여 나타낸 도 24와 같이, 전부(도 24의 좌측) 2열의 베어링(204A, 204B)과, 후부(도 24의 우측) 2열의 베어링(204C, 204D)가 서로 배면이 맞대어져 배열되어 있다.
4개의 베어링(204A ~ 204D) 중, 전부 2열의 베어링(204A, 204B)의 전동체(223)는 세라믹으로 형성되고, 후부 2열의 베어링(204A, 204B)의 전동체(223A)는 베어링강으로 형성되어 있다. 베어링(204A ~ 204D)의 내외륜(221, 222)은, 모두 베어링강제로 형성되어 있다.
또, 상기 다열 앵귤러 볼 베어링(204)에서는, 축 방향 외측의 베어링(204A, 204D)에 비해, 축 방향 내측인 중앙 2열의 베어링(204B, 204C)의 외경 치수를 작게 하고 있다. 여기서는, 상기 외경 치수의 차이를 5 ~ 20μm로 하고 있다.
또, 실시예 10에서는, 축 방향 외측의 베어링(204A, 204D)의 접촉각 θ1 , θ4에 비해, 축 방향 내측인 중앙 2열의 베어링(204B, 204D)의 접촉각θ2, θ3를 작게 하고 있다. 즉, θ2(= θ3) < θ1(= θ4)가 되어 있다. 그 접촉각의 차이는, 3 ~ 5°가 되어 있다.
그리고, 접촉각을 상이하게 하는 경우, 각각의 베어링(204A ~ 204D)의 외경 치수를 동일하게 해도 된다.
이 구성에 의하면, 프론트 측 베어링인 다열 앵귤러 볼 베어링(204)에서, 가공 하중이 크게 부하되는 전부 2열의 베어링(204A, 204B)의 전동체(223)를, 경량이며 선팽창 계수가 작은 재질인 세라믹으로 형성하고 있으므로, 고속 회전 시의 베어링 예압의 증대를 작게 억제할 수 있다. 그 결과, 베어링의 발열에 따른 주축(203)의 신장에 의한 가공 정밀도의 열화나 눌어붙는 것을 방지할 수 있고, 발열에 의한 윤활제의 열화나 윤활이 잘되지 않는 것도 저감시킬 수 있다. 또, 세라믹제의 전동체(223)로 형성함으로써, 마모도 억제할 수 있어 베어링의 정밀도 저하를 방지할 수 있다. 이러한 마모가 억제되는 베어링(204A, 204B)은, 주축(203)의 선단을 지지하는 것이므로, 정밀도 저하의 방지에 의한 가공 정밀도 유지에 큰 효과가 있다.
또, 다열 앵귤러 볼 베어링(204)의 모든 베어링(204A ~ 204D)의 전동체(223, 223A)를 세라믹으로 형성하지 않고, 전부 2열의 베어링(204A, 204B)의 전동체(223)만을 세라믹으로 형성하여, 비용 증대를 억제할 수 있다.
실시예 10에서는, 리어측 베어링인 단열 앵귤러 볼 베어링(205)에 주축(203)의 뒷 방향으로 정압 예압이 부여되므로, 주축(203)은 정압 예압 만큼 뒤 측으로 끌려가서, 이 예압 하중도 프론트측 베어링인 다열 앵귤러 볼 베어링(204)의 전부 의 베어링(204A, 204B)에 부하되어 다열 앵귤러 볼 베어링(204)의 발열을 증대시키는 요인이 된다. 그러나, 전술한 바와 같이 다열 앵귤러 볼 베어링(204))의 전부 2열의 베어링(204A, 204B)의 전동체(223)를 세라믹으로 형성하고 있으므로, 발열을 충분히 억제할 수 있다.
또, 실시예 10에서는, 프론트측 베어링인 다열 앵귤러 볼 베어링(204)에 정위치예압을 부여하고 있지만, 축 방향의 외측의 베어링(204A, 204D)에 비해 축 방향의 내측의 베어링(204B, 204C)의 외경 치수를 작게 하고 있으므로, 베어링 외륜(223)과 베어링 하우징(202)의 내경 면 사이의 간극이, 축 방향 외측의 베어링(204A, 204D)에 비해 축 방향 내측의 베어링(204B, 204C)에서 커지게 된다. 그 때문에, 베어링 온도가 상승 시에 축 방향 내측의 베어링(204B, 204C)에서의 간극 막힘을 경감시킬 수 있고, 따라서 베어링 예압의 증가를 억제하여 발열을 작게 할 수 있다. 또한, 축 방향 외측의 베어링(204A, 204D)에서 상기 간극이 커지지 않으므로, 주축(203)의 경사 정도가 커지지 않고, 주축(203)의 정밀도를 확보할 수 있다.
베어링(204B, 204C)의 외경 치수는 상이하게 하지만, 축 방향 외측의 베어링(204A, 204D)과 축 방향 내측의 베어링(204B, 204C)은 내륜(221), 전동체 223, 223A), 및 유지기(224)는 동일한 설계 사양으로 형성할 수 있기 때문에, 불필요한 부품비가 들지 않고 비용 증대를 억제할 수 있다.
또한, 실시예 10에서는, 프론트측 베어링인 다열 앵귤러 볼 베어링(204)은, 그 내륜(221)을 축방향으로 가압함으로써 정위치 예압을 부여한 것으로서, 축 방향 외측의 베어링(204A, 204D)의 접촉각 θ1, θ4에 비해 축 방향 내측의 베어링(204B, 204C)의 접촉각 θ2, θ3를 작게 하고 있으므로, 베어링 온도가 상승 시에 축 방향 내측의 베어링(204B, 204C)에서의 간극 막힘을 경감시킬 수 있어서, 베어링 예압의 증가를 억제하여 발열을 작게 할 수 있다.
실시예 10에서는, 프론트측 베어링으로서 상기 실시예 9 또는 실시예 10의 베어링 장치를 사용하였지만, 본 발명은, 프론트측 베어링으로서, 내측 2열의 베어링의 예압량을 외측 2열의 베어링의 예압량과 상이하게 설정하여 4열의 앵귤러 볼 베어링 장치를 사용하지 않는 경우에도 응용할 수 있다. 이러한 응용예는 다음의 제1 측면 내지 제7 측면을 포함한다.
제1 측면)
주축을 프론트측 베어링 및 리어측 베어링으로 지지하고, 프론트측 베어링으로서, 각각 접촉각을 가지는 전부와 후부의 롤러 베어링의 배면을 맞추어서 배치한 공작 기계 주축용 베어링 장치로서, 상기 프론트측에서의 전부의 베어링만, 그 전동체를 세라믹으로 형성한 공작 기계 주축용 베어링 장치.
제2 측면)
제1 측면에 있어서, 상기 리어측 베어링은, 주축의 뒷 방향으로 정압 예압된 공작 기계 주축용 베어링 장치.
제3 측면)
제1 측면에 있어서, 상기 프론트측 베어링이 앵귤러 볼 베어링인 공작 기계 주축용 베어링 장치.
제4 측면)
제3 측면에 있어서, 프론트측 베어링을 3개 이상 배치하고, 또한 이들 프론트측 베어링에 예압을 부여하며, 이들 3개 이상의 프론트측 베이링을, 축 방향 외측의 베어링과 비교하여 축 방향 내측의 베어링의 외경 치수를 작게 설정하는 공작 기계 주축용 베어링 장치.
제5 측면)
제4 측면에 있어서, 축 방향 내측의 베어링의 외경 치수와 외측의 외경 치수의 차이를, 4㎛ ∼ 20㎛로 설정하는 공작 기계 주축용 베어링 장치.
제6 측면)
제4 측면에 있어서, 3개 이상 배치된 상기 프론트측 베어링은, 내륜을 축 방향으로 가압함으로써 베어링에 예압을 부여함으로써, 축 방향 외측의 베어링과 비교하여 축 방향 외측의 베어링의 접촉각을 작게 설정하는 공작 기계 주축용 베어링 장치.
제7 측면)
제6 측면에 있어서, 축 방향 외측 베어링과 내측 베어링의 접촉각의 차이를, 3 ∼ 5°로 설정한 공작 기계 주축용 베어링 장치.
본 발명에 의하면, 프론트 측 베어링인 다열 앵귤러 볼 베어링(204)에서, 가공 하중이 크게 부하되는 전부 2열의 베어링(204A, 204B)의 전동체(223)를, 경량이며 선팽창 계수가 작은 재질인 세라믹으로 형성하고 있으므로, 고속 회전 시의 베 어링 예압의 증대를 작게 억제할 수 있다. 그 결과, 베어링의 발열에 따른 주축(203)의 신장에 의한 가공 정밀도의 열화나 눌어붙는 것을 방지할 수 있고, 발열에 의한 윤활제의 열화나 윤활이 잘되지 않는 것도 저감시킬 수 있다. 또, 세라믹제의 전동체(223)로 형성함으로써, 마모도 억제할 수 있어 베어링의 정밀도 저하를 방지할 수 있다. 이러한 마모가 억제되는 베어링(204A, 204B)은, 주축(203)의 선단을 지지하는 것이므로, 정밀도 저하의 방지에 의한 가공 정밀도 유지에 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 접촉각을 가지는 롤러 베어링을 축 방향으로 3열 이상 배열하여 공통의 축을 지지하고, 이들 베어링의 배열을, 대향하는 열수가 상이한 배열인 비대칭 배열로 한 롤러 베어링 장치로서,
    서로 동일한 베어링 형식(bearing type)을 가지면서 상이한 베어링 사양을 가지는 베어링 끼리 대향시키거나, 또는 상이한 베어링 형식의 베어링끼리 대향시키는 롤러 베어링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    소수열 측의 베어링은, 다수열 측의 베어링보다 축방향 강성(axial rigidity)이 높은 것을 특징으로 하는 롤러 베어링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 롤러 베어링은, 모두 앵귤러 볼 베어링(angular ball bearing)인 것을 특징으로 하는 롤러 베어링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    공작 기계의 주축 지지부에 사용되는 것을 특징으로 하는 롤러 베어링 장치.
  5. 4열의 베어링을 배열한 앵귤러 볼 베어링 장치에 있어서, 내측 2열의 베어링의 예압량을 외측 2열의 베어링의 예압량과 상이하게 설정한 것을 특징으로 하는 앵귤러 볼 베어링 장치
  6. 제5항에 있어서,
    내측 2열의 베어링끼리 배면을 맞추고, 외측 2열의 베어링은 이웃하는 내측 베어링과 접촉각이 동일한 방향인 것을 특징으로 하는 앵귤러 볼 베어링 장치
  7. 제5항에 있어서,
    내측 2열의 베어링의 예압량을, 외측 2열의 베어링의 예압량보다 작게 설정한 것을 특징으로 하는 앵귤러 볼 베어링 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    베어링의 예압 설정을, 베어링 궤도의 폭면을 연마 가공하여 행한 것을 특징으로 하는 앵귤러 볼 베어링 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    베어링의 예압 설정을, 베어링과 함께 배열된 사이 공간(spacer)의 폭면을 연마 가공하여 행한 것을 특징으로 하는 앵귤러 볼 베어링 장치.
  10. 주축을 프론트측 베어링 및 리어측 베어링으로 지지하고, 프론트측 베어링으로서, 각각 접촉각을 가지는 전부와 후부의 롤러 베어링의 배면을 맞추어서 배열한 공작 기계 주축용 베어링 장치로서, 상기 프론트측 베어링으로서 제5항에 기재된 장치를 사용하고, 상기 프론트측 베어링에서의 상기 전부의 베어링만, 그 전동체를 세라믹으로 형성한 것을 특징으로 하는 공작 기계 주축용 베어링 장치.
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