KR20150058493A - 베어링 장치의 냉각 구조 - Google Patents

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Abstract

베어링 장치는, 축 방향으로 배열되는 복수 개의 롤링 베어링의 외륜 사이 및 내륜(3) 사이에 외륜 스페이서(4) 및 내륜 스페이서(5)를 각각 개재시키고, 외륜 및 외륜 스페이서(4)가 하우징에 설치되고, 내륜(3) 및 내륜 스페이서(5)가 주축(7)에 끼워맞추어진다. 외륜 스페이서(4)에, 내륜(3) 또는 내륜 스페이서의 외주면에 대하여 에어와 오일의 혼합물 또는 오일만으로 이루어지는 냉각용 유체를 분사하여 롤링 베어링에 공급하는 노즐(12)을 설치한다. 이 노즐(12)은, 토출구 측을 주축(7)의 회전 방향의 전방으로 경사지게 하여 설치한다. 베어링 장치를 이와 같이 구성하였으므로, 롤링 베어링을 양호하게 윤활할 수 있고, 또한 롤링 베어링의 내륜(3), 내륜 스페이서(5), 및 이들의 내주에 끼워맞추어지는 주축(7)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.

Description

베어링 장치의 냉각 구조{COOLING STRUCTURE FOR BEARING DEVICE}
본 출원은, 2012년 9월 24일자 일본 특허출원 2012―209135, 동일자 출원의 특원 2012―209136, 동일자 출원의 특원 2012―209137, 동일자 출원의 특원 2012―209138, 및 동일자 출원의 특원 2012―209139의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다.
본 발명은, 베어링 장치의 냉각 구조에 관한 것이며, 예를 들면, 공작 기계의 주축(主軸) 및 주축에 내장되는 베어링 장치의 냉각 구조에 관한 것이다.
공작 기계의 주축 장치에서는, 가공 정밀도를 확보하는 것과 가공 능률을 향상시킬 필요성으로부터, 주축의 지지에 사용되는 베어링에는 장치의 온도 상승의 억제와 가공 능률을 향상시키기 위한 고속화의 상반되는 기술이 요구되고 있다. 이로부터, 최근에는 베어링의 냉각 방법, 윤활 방법 등으로 여러 가지 새로운 기술이 소개되고 있다.
베어링의 냉각 방법에 관하여는, 예를 들면, 2개의 베어링 사이의 공간에 냉풍을, 회전 방향으로 각도를 부여하여 분사하여 선회류(旋回流)로 함으로써 냉각을 행하는 방법이 개시되어 있다(특허 문헌 1). 또한, 내륜 스페이서(spacer)를 공냉하는 공기 분출구를 베어링 박스 또는 주축에 설치한 것이며, 압축 공기를 내륜 스페이서에 분사하여 공냉함으로써, 베어링의 내륜을 간접적으로 냉각시키는 방법이 개시되어 있다(특허 문헌 2). 내륜을 냉각시키면, 냉풍에 의해 발생열을 방출하는 작용과, 내륜 온도의 저하에 의해 베어링 예압을 저감시키는 작용이 있고, 이들 작용에 의해 상승적인 베어링 온도의 억제 효과를 기대할 수 있다. 내륜에 강(鋼)보다 밀도가 작고 저(低)선팽창이며 탄성률이 큰 세라믹스를 사용함으로써, 내륜의 직경 방향의 팽창량을 작게 하여, 예압(豫壓)을 경감하는 방법이 개시되어 있다(특허 문헌 3).
또한, 베어링의 윤활 방법에 관하여는, 예를 들면, 특허 문헌 4에, 고속 운전에 적절한 에어 오일 윤활 방법의 기술이 개시되어 있다. 이 기술은, 베어링 내륜의 외경면(外徑面)에 궤도면에 계속되는 경사면부를 형성하고, 이 경사면부에 간극을 두고 따르는 링형의 노즐 부재를 설치하고 있다. 노즐 부재에는 내륜 경사면부에 에어 오일을 토출(吐出)하는 노즐이 형성되어 있고, 노즐로부터 토출된 에어 오일 중의 오일을 확실하게 경사면부에 부착시키는 것이 가능하다. 부착된 오일은, 회전에 의한 원심력(遠心力)과 부착력에 의해, 부착 흐름(attchment flow)으로 되어 오일이 확실하게 베어링 내에 도입된다. 이로써, 베어링의 고속화와 함께, 종래의 급유 방법과 비교하여 저소음화가 가능하게 되어 있다.
상기 에어 오일 윤활 방법의 기술을, 복수 개의 롤링 베어링이 축 방향으로 배열된 베어링 장치에 적용하면, 예를 들면, 제안예 1로서 나타낸 도 81, 도 82와 같이 된다. 즉, 도 81에 나타낸 바와 같이, 이 베어링 장치는, 축 방향으로 배열된 2개의 롤링 베어링(101, 101)을 구비하고, 각각의 롤링 베어링(101, 101)의 외륜(102, 102) 사이 및 내륜(103, 103) 사이에, 외륜 스페이서(104) 및 내륜 스페이서(105)가 각각 개재되어 있다. 이 예에서는, 롤링 베어링(1)은 앵귤러 볼베어링이다. 2개의 롤링 베어링(101, 101)은, 외륜 스페이서(104)와 내륜 스페이서(105)의 폭 치수 차이에 의해 초기 예압을 설정하여 사용된다.
도 82에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(104)는, 외륜 스페이서 본체(110)와 한 쌍의 노즐 부재(111, 111)로 구성되며, 각각의 노즐 부재(111)에, 롤링 베어링(101)에 에어 오일을 공급하는 노즐(112)이 설치되어 있다. 노즐(112)의 토출구(吐出口)(112a)는 내륜(103)의 어깨면(경사면부)(103b)과 간극 δ을 통하여 대향하고 있다. 내륜(103)의 어깨면(103b)에는, 노즐(112)의 토출구(112a)와 대향하는 축 방향 위치에 원주 방향으로 배열된 복수 개의 환형(環形) 오목부(120)가 형성되어 있다.
베어링 윤활용의 에어 오일은, 도 81에 나타낸 외부의 에어 오일 공급 장치(145)보다, 공급구(140), 공급공(147), 외륜 스페이서(104) 내의 도입 경로(113)를 통하여, 노즐(112)부터 토출된다. 토출된 에어 오일 중의 오일은, 내륜(103)의 환형 오목부(120)에서 내륜(103)으로 분사되어, 내륜(103)에 부착된다. 부착된 오일은, 부착력과 내륜(103)의 회전에 의한 원심력에 의해, 도 82에 나타낸 어깨면(103b)을 부착 흐름으로 되어 궤도면(103a) 측으로 안내되어, 롤링 베어링(101)의 윤활에 제공된다.
도 83a는, 제안예 2의 베어링 장치의 냉각 구조의 단면도(斷面圖), 도 83b는, 동 냉각 구조의 주요부의 확대 단면도이다. 도 84는, 도 83a의 84―84선 단면도이다. 내륜 스페이서(180)의 외경(外徑) 표면에 냉각 에어를 축회전 방향을 향해 분사하고, 내륜 스페이서(180)를 통하여 베어링을 냉각시키는 도 83a, 83b, 도 84의 구조에 있어서, 베어링 내륜(181)과 외륜(182)의 온도 및 이 때의 소음값(騷音値)을, 회전 속도와의 관계로 시험한 결과를 도 85, 도 86에 나타낸다. 도 85 및 도 86에 있어서, 흰원은 냉각이 없는 경우의 결과를, 검은 원은 냉각을 실시한 경우의 결과를 나타내고 있다. 도 85에 나타낸 바와 같이, 에어 냉각을 행함으로써, 운전 중인 내륜(181)과 외륜(182)의 온도는 저하되고, 베어링 예압의 증가가 억제되어 있는 것이 추정된다. 그러나, 도 86에 나타낸 바와 같이, 소음값은, 에어 냉각을 행함으로써, 에어 냉각이 없는 것과 비교하여, 최대 20dB(A) 정도 커져 버린다.
또한, 제안예 3으로서 나타낸 도 87과 같이, 앵귤러 볼베어링으로 이루어지는 4개의 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)을, 좌측 2개의 롤링 베어링(1A, 1B) 및 우측2개의 롤링 베어링(1C, 1D)은 각각 병렬 조합으로 배치하고, 중앙의 2개의 롤링 베어링(1B, 1C)은 서로 배면 조합(back―to―back)으로 배치한 베어링 장치(J)에서는, 일반적으로 에어 오일(AO) 및 냉각용 에어(A)의 급배(給排; supply discharge) 경로는 다음과 같이 된다. 즉, 에어 오일(AO)에 관하여는, 파선(破線)의 화살표로 나타낸 바와 같이, 중앙의 외륜 스페이서(4M)의 축 방향 양단에 설치한 오일 공급구(도시하지 않음)로부터 중앙의 2개의 롤링 베어링(1B, 1C)에 공급하는 동시에, 좌우 양측의 외륜 스페이서(4L, 4R)에 설치한 오일 공급구(도시하지 않음)로부터 외측의 롤링 베어링(1A, 1D)에 각각 공급한다. 냉각용 에어(A)에 관하여는, 실선의 화살표로 나타낸 바와 같이, 중앙의 외륜 스페이서(4M)에 설치한 냉각용 에어 토출구(11M)로부터 중앙의 외륜 스페이서(4M) 및 내륜 스페이서(5M) 사이에 토출하는 동시에, 좌우 양측의 외륜 스페이서(4L, 4R)에 설치한 각각의 냉각용 에어 토출구(11L, 11R)로부터 좌우 양측의 외륜 스페이서(4L, 4R) 및 내륜 스페이서(5L, 5R) 사이로 토출한다. 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)에 윤활용의 오일을 공급한 후의 에어 오일(AO)의 에어, 및 베어링 장치(J) 및 주축(7)을 냉각한 후의 냉각용 에어(A)는, 모두 각각의 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 축 방향 양단에 설치한 배기구(도시하지 않음)로부터, 주축 장치의 외부로 배출된다.
도 87의 베어링 장치(J)의 경우, 중앙의 외륜 스페이서(4M)의 오일 공급구로부터 분사된 에어 오일(AO)의 에어는, 중앙의 외륜 스페이서(4M)의 냉각용 에어 토출구(11M)로부터 토출된 냉각용 에어(A)와 같은 방향으로 흐른다. 그러나, 좌우 양측의 외륜 스페이서(4L, 4R)의 냉각용 에어 토출구(11L, 11R)로부터 토출된 냉각용 에어(A)는, 그 일부가 중앙의 롤링 베어링(1B, 1C)에도 흐른다. 이 좌우 양측의 외륜 스페이서(4L, 4R)의 냉각용 에어 토출구(11L, 11R)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)는, 그 흐름 방향이 중앙의 외륜 스페이서(4M)의 오일 공급구로부터 분사된 에어 오일(AO)의 에어와 역방향이므로, 이들 냉각용 에어(A)와 에어 오일(AO)이 중앙의 롤링 베어링(1B, 1C)의 축 방향 외측부(140)에서 충돌하여, 에어 오일(AO)이 원활하게 흐르지 않게 되는 경우가 있다. 그러면, 에어 오일(AO)의 오일이 상기 축 방향 외측부(140)에 충분히 공급되지 않아, 과승온(過昇溫)에 이르는 경우가 있다.
일본 공개특허 제2000―161375호 공보 일본 공개특허 제2000―296439호 공보 일본 공개특허 제2012―26496호 공보 일본 특허 제4261083호
베어링의 고속화에는, 운전 중인 베어링 온도의 억제와 함께, 윤활유의 확실한 공급이 필수 조건으로 된다. 특허 문헌 1, 2의 베어링 온도 억제 기술은, 압축 공기를 이용한 베어링의 냉각이므로, 비교적 염가로 장치의 구축이 가능한 반면, 다량의 공기를 소비하는 문제가 있다.
다른 한편, 운전 중인 베어링 예압은, 내외륜의 직경 방향 팽창량의 차이에 영향을 받는다. 일반적으로 강제(鋼製)의 내외륜을 사용하여 운전하면, 내륜에서의 발생열은, 베어링 박스가 오일 등으로 강제 냉각되는 외륜 측에 비하여, 쉽게 방열되지 않는다. 그 결과, 온도는, 내륜>외륜으로 된다. 따라서 내륜 측에서의 팽창량은, 이 발열에 의한 것과 원심력에 의한 것이 서로 작용하여 외륜 측에 비해 커져 버린다. 이것이 운전 중인 예압 증대를 초래하는 주요인으로 되어 있다.
특허 문헌 3은 내륜에 세라믹스를 사용하고, 세라믹스의 밀도 소(小), 저선팽창, 탄성률 대(大)의 특징을 활용하여, 운전 중인 내륜 팽창량을 억제하여 예압의 경감을 목적으로 하고 있다. 그러나, 내륜에 세라믹스를 사용해도, 운전 중인 내륜 팽창은, 축의 온도 상승에 의한 팽창의 영향이 크므로, 세라믹스의 특성을 살릴 수 없어 베어링 예압 경감에 대한 효과는 작은 것으로 되어 버린다.
또한, 특허 문헌 4의 윤활 방법은, 윤활에 관하여는 양호한 결과가 얻어지지만, 다른 고속화의 요구에 따르기 위해 냉각 효과를 더 한층 높이는 것이 요구된다.
본 발명의 목적은, 롤링 베어링의 내륜, 내륜 스페이서, 및 이들의 내주(內周)에 끼워맞추어지는 주축을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 베어링 장치의 냉각 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조는, 축 방향으로 배열되는 복수 개의 롤링 베어링의 외륜 사이 및 내륜 사이에 외륜 스페이서 및 내륜 스페이서를 각각 개재(介在)시키고, 상기 외륜 및 외륜 스페이서가 하우징에 설치되고, 상기 내륜 및 내륜 스페이서가 주축에 끼워맞추어지는 베어링 장치로서, 상기 외륜 스페이서에, 상기 내륜 또는 상기 내륜 스페이서의 외주면(外周面)에 대하여 에어와 오일의 혼합물, 오일만, 또는 압축 에어만으로 이루어지는 냉각용 유체(流體)를 분사하여 상기 롤링 베어링에 공급하는 노즐을, 이 노즐의 토출구 측을 상기 주축의 회전 방향의 전방으로 경사지게 하여 설치한 것이다.
이 구성에 의하면, 냉각용 유체를 내륜 또는 내륜 스페이서의 외주면에 분사함으로써, 내륜 또는 내륜 스페이서를 냉각시킨다. 노즐은 토출구 측을 주축의 회전 방향의 전방으로 경사지게 하고 있으므로, 냉각용 유체가 내륜 또는 내륜 스페이서의 외주면을 따르는 선회류로 되어 주축의 회전 방향으로 안정적으로 흐른다. 이로써, 내륜 또는 내륜 스페이서의 표면의 열을 빼앗아, 효과적으로 냉각시키는 것을 기대할 수 있다. 내륜 또는 내륜 스페이서가 냉각되는 것에 의해, 이들 내주에 끼워맞추어지는 주축이 냉각된다.
여기서 외륜 스페이서의 냉각용 유체의 토출구를 주축의 회전 방향의 전방으로 경사지게 한 것은, 예를 들면, 공작 기계의 주축과 같이 회전 방향이 일정한 경우에 유효하고, 외륜 스페이서와 내륜 스페이서 사이의 간극에 있어서, 양호한 유체 흐름을 기대할 수 있어, 냉각 효과가 커지는 것을 실험에 의해 확인한 결과에 의한 것이다. 외륜 스페이서의 토출구로부터 토출된 냉각용 유체는, 내륜 스페이서와 주축의 냉각에 기여한 후, 베어링 내를 통과하여 베어링 외부로 배출되지만, 이 때 베어링 내의 냉각도 동시에 행해지게 된다. 이와 같이 냉각용 유체를 이용하여 효율적이고 또한 합리적으로 베어링을 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조에 있어서, 상기 냉각용 유체는 에어와 오일의 혼합물 또는 오일만으로 이루어진다. 외륜 스페이서에 설치된 노즐로부터 내륜 또는 내륜 스페이서의 외주면에 냉각용 유체를 분사하여, 롤링 베어링에 냉각용 유체를 공급함으로써, 냉각용 유체 중의 에어와 오일의 혼합물 또는 오일이 롤링 베어링에 안정적으로 부여되므로, 롤링 베어링을 양호하게 윤활할 수 있다.
본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조에 있어서, 상기 노즐의 상기 토출구를, 상기 내륜의 외주면에서의 궤도면에 대하여 상기 내륜 스페이서 측으로 계속되는 어깨면에 간극을 두고 대향시켜도 된다. 또한, 상기 어깨면은, 상기 궤도면으로부터 이격될수록 외경이 커지는 경사면으로 해도 된다. 노즐의 토출구를 내륜의 어깨면에 간극을 두고 대향시키면, 노즐의 토출구로부터 토출된 냉각용 유체가 내륜의 어깨면에 분사된다. 어깨면에 분사된 냉각용 유체 중 오일이, 어깨면을 따라 궤도면에 안내됨으로써, 내륜의 궤도면을 양호하게 윤활할 수 있다. 어깨면이 경사면이면, 어깨면에 부착된 오일에 대하여 내륜의 회전에 따른 원심력이 작용하여, 외경측인 내륜의 궤도면을 향해 오일이 원활하게 안내된다. 또한, 냉각용 유체를 내륜의 어깨면에 직접 분사함으로써, 내륜을 냉각시키는 효과가 높다
본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조에 있어서, 상기 노즐은, 상기 냉각용 유체를 상기 내륜 스페이서의 외주면을 향해 토출하도록 설치되고, 상기 내륜 스페이서의 외주면을, 상기 노즐로부터 토출된 상기 냉각용 유체를 양측의 상기 롤링 베어링으로 안내하는 형상으로 해도 된다. 이 경우, 노즐의 토출구로부터 토출된 냉각용 유체가 내륜 스페이서의 외주면에 분사된다. 내륜 스페이서의 외주면에 분사된 냉각용 유체는, 내륜 스페이서의 외주면을 따라 양측의 롤링 베어링에 양호하게 안내되고, 롤링 베어링의 윤활에 제공된다. 또한, 냉각용 유체를 내륜 스페이서의 외주면에 직접 분사함으로써, 내륜 스페이서를 냉각시키는 효과가 높다
상기 내륜 스페이서의 외주면을, 상기 노즐로부터 토출된 상기 냉각용 유체가 분사되는 개소(箇所)의 외경이 가장 작고, 상기 개소로부터 상기 롤링 베어링에 가까워질수록 외경이 커지는 경사면으로 하고, 상기 내륜 스페이서의 외주면에서의 축 방향 외측단의 외경을, 상기 롤링 베어링의 내륜에서의 상기 내륜 스페이서 측단의 외경과 비교하여 같거나 또는 크게 하면 된다. 내륜 스페이서의 외주면을 상기 형상의 경사면으로 하면, 노즐로부터 토출된 냉각용 유체 중 내륜 스페이서의 외주면에 부착된 오일을, 내륜 스페이서의 회전에 따른 원심력에 의해 내륜 스페이서의 외주면을 따라 롤링 베어링 측으로 원활하게 안내할 수 있다.
또한, 상기 내륜 스페이서의 외주면에, 상기 노즐로부터 토출된 상기 냉각용 유체가 분사되는 개소에 위치하는 원주홈과, 일단이 상기 원주홈에 연결되어 상기 주축의 회전 방향으로 원주 위상이 어긋날수록 상기 롤링 베어링에 가까워지는 나선홈을 형성해도 된다. 이 경우에는, 노즐로부터 토출된 냉각용 유체 중 오일이 내륜 스페이서의 원주홈에 체류하고, 그 오일이, 내륜 스페이서의 회전에 따라 나선홈을 따라 롤링 베어링 측으로 원활하게 보내진다.
상기 냉각용 유체는, 에어에 의해 액상(液狀)의 오일을 반송(搬送)하는 에어 오일이라도 되고, 또는 에어에 의해 안개형의 오일을 반송하는 오일 미스트(oil mist)라도 된다.
본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조에 있어서, 상기 냉각용 유체는 압축 에어이며, 상기 외륜 스페이서에, 상기 내륜 스페이서의 외주면을 향해 압축 에어를 토출하는 노즐을, 회전 방향의 전방으로 경사지게 하여 설치하고, 상기 외륜 스페이서에서의, 상기 노즐의 토출구가 있는 내주면과, 상기 토출구에 대향하는 상기 내륜 스페이서의 외주면과의 사이의 간극을, 0.7㎜ 이상이며 또한 상기 노즐 직경의 1/2 이하로 한 것이라도 된다.
이 구성에 의하면, 내륜 스페이서와 외륜 스페이서를 사용하여, 내륜 스페이서의 외주면에, 외륜 스페이서에 설치한 노즐로부터 압축 에어를 토출함으로써, 간접적으로 베어링의 냉각을 행할 수 있다. 외륜 스페이서의 압축 에어의 노즐을, 회전 방향의 전방으로 경사지게 하였으므로, 냉각용의 압축 에어는, 외륜 스페이서가 설치되는 하우징에 설치한 급기구 등으로부터, 노즐을 통하여 내륜 스페이서의 외주면에 분사된다. 이로써, 압축 에어는, 내륜 스페이서의 외주면과 외륜 스페이서의 내주면과의 사이의 환형의 간극부에서, 선회류로 되어 내륜 스페이서를 냉각시킨다. 그 결과, 내륜 스페이서의 단면과 접촉 고정되어 있는 베어링 내륜이, 열전도에 의해 냉각되게 된다. 압축 에어는, 내륜 스페이서 및 회전축(주축 등)의 냉각에 기여한 후, 베어링 내를 통과하여 베어링 외부로 배출되지만, 이 때 베어링 내의 냉각도 동시에 행해지게 된다. 이와 같이 압축 에어를 이용하여 효율적으로 또한 합리적으로 베어링을 냉각시킬 수 있다.
또한, 노즐의 토출구가 있는 내주면과, 상기 토출구에 대향하는 상기 내륜 스페이서의 외주면과의 사이의 간극을, 상기 노즐 직경의 1/2 이하로 하고 있다. 이로써, 노즐의 토출구의 압력을 높게 하고, 공기의 급격한 팽창을 억제함으로써, 종래의 압축 공기를 사용하여 냉각을 행함으로써, 분사음을 저감할 수 있다. 상기 간극의 상한은, 운전 중에 생기는 내륜 스페이서의 온도 상승과 원심력에 의한 팽창으로 내륜 스페이서가, 외륜 스페이서에 접촉하지 않는 것과, 간극의 전체 주위 단면적(斷面績)이, 노즐의 총 단면적보다 커지도록 설정한다. 상기 간극을 반경으로 0.7㎜ 이상으로 함으로써, 냉각 효과를 유지하면서 소음(騷音)의 저감 효과를 병행하여 가지는 것을 시험으로 발견하였다. 베어링 사이즈(스페이서의 직경)에 관계없이, 0.7㎜ 이상의 간극을 확보함으로써, 이와 같은 냉각 효과를 유지하면서 소음의 저감 효과를 병행하여 가지는 효과가 얻어진다. 간극을 더 이상 작게 하면, 필요한 배기 면적이 확보되지 않아, 냉각 에어량이 감소하므로, 냉각 효과가 저하되어 버리는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 베어링 장치를 복잡한 구조로 하지 않고, 또한 고가의 부대(付帶) 설비도 필요 없이 베어링 및 주축의 온도를 저하시킬 수 있는 데 더하여, 외부로의 소음을 저감할 수 있다.
상기 노즐이 직선형으로서, 이 노즐은, 외륜 스페이서의 축심(軸心)에 수직인 단면(斷面)에서의 임의의 반경 방향의 직선으로부터, 이 직선과 직교하는 방향으로 오프셋된 위치에 있는 것이라도 된다. 노즐의 위치가 전술한 바와 같이 오프셋됨으로써, 노즐이 회전축 표면의 접선 방향으로 또한 회전 방향을 향하게 된다. 노즐의 오프셋량이 커질수록, 내륜 온도의 하강을 크게 하는 것이 가능해진다.
상기 외륜 스페이서에, 베어링 내에 윤활유를 공급하는 윤활용 노즐을 설치한 것이라도 된다. 이 경우, 윤활용 노즐로부터 토출된 윤활유를, 예를 들면, 내륜의 궤도면에 도입하여 베어링의 윤활에 사용한다. 상기 윤활유로서, 에어 오일, 오일 미스트를 적용해도 된다.
상기 윤활용 노즐은, 상기 내륜의 궤도면을 향해 윤활유를 토출하는 것이라도 된다. 이 경우, 내륜의 궤도면에 직접 윤활유를 토출함으로써, 베어링 운전 중인 윤활 상태를 항상 바람직하게 유지할 수 있다.
상기 롤링 베어링은, 상기 내외륜의 궤도면 사이에 개재되는 복수 개의 전동체(轉動體)를 유지하는 유지기를 가지고, 상기 윤활용 노즐은, 상기 내륜의 외경면을 향해 윤활유를 토출하는 것으로 하고, 상기 윤활용 노즐 중 베어링 공간에 진입하는 선단부를, 상기 유지기의 내주면보다 반경 방향 내측에 설치해도 된다. 이 경우, 윤활용 노즐로부터 토출된 윤활유는, 내륜의 외경면에 부착된다. 이 내륜의 외경면에 부착된 윤활유를, 오일의 표면 장력과 원심력을 이용하여 내륜의 궤도면에 도입하여 베어링의 윤활에 사용한다. 또한 윤활용 노즐의 선단부를, 유지기의 내주면보다 반경 방향 내측에 배치하였으므로, 윤활용 노즐과 유지기가 간섭하는 것을 방지할 수 있는 데 더하여, 토출된 윤활유를, 내륜의 외경면, 궤도면을 통하여 유지기의 윤활에 사용할 수 있다.
본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조에 있어서, 또한 상기 외륜 스페이서에, 상기 내륜 스페이서의 외주면을 향해 압축 에어를 토출하는 노즐을, 회전 방향의 전방으로 경사지게 하여 설치하고, 상기 외륜 스페이서 또는 상기 내륜 스페이서 중, 상기 노즐의 토출구의 축 방향 양 측부에, 반경 방향으로 돌출하는 볼록부를 형성하고, 이 볼록부의 반경 방향 선단부와 대향하는 주위면과의 사이에 상기 간극이 형성되고, 이 간극을, 상기 외륜 스페이서의 상기 토출구가 있는 내주면과, 상기 토출구에 대향하는 상기 내륜 스페이서의 외주면과의 사이의 간극보다 작게 한 것이라도 된다.
이 구성에 의하면, 노즐을 회전 방향의 전방으로 경사지게 하였으므로, 냉각용의 압축 에어가 노즐로부터 내륜 스페이서의 외주면에 불어진다(blow). 이로써, 압축 에어는, 내륜 스페이서의 외주면과 외륜 스페이서의 내주면과의 사이의 환형의 간극부에서, 선회류로 되어 내륜 스페이서를 냉각시킨다. 그 결과, 내륜 스페이서의 단면과 접촉 고정되어 있는 베어링 내륜이, 열전도에 의해 냉각된다. 압축 에어는, 내륜 스페이서 및 주축 등의 냉각에 기여한 후, 베어링 내를 통과시켜 베어링 외부로 배출함으로써, 베어링 내의 냉각도 동시에 행해진다.
또한, 외륜 스페이서 또는 내륜 스페이서 중, 노즐의 토출구의 축 방향 양 측부에, 반경 방향으로 돌출하는 볼록부를 형성하였으므로, 노즐로부터의 에어 분사음을 볼록부로 차단하여 외부로의 소음 누출(漏洩)을 억제할 수 있다. 외륜 스페이서의 상기 토출구가 있는 내주면과, 상기 토출구에 대향하는 상기 내륜 스페이서의 외주면과의 사이의 간극에 대해서는, 압축 에어의 출구부에서의 압력이 높게 되지 않도록, 볼록부의 반경 방향 선단부와 대향 주위면과의 사이의 간극에 비하여, 비교적 큰 것으로 한다. 볼록부의 반경 방향 선단부와 대향 주위면과의 사이의 간극의 양은, 압축 에어의 배기를 고려하여 정해진다. 이상 설명한 바와 같이, 베어링 장치를 복잡한 구조로 하지 않고, 또한 고가의 부대 설비도 필요없이 베어링 및 회전축의 온도를 저하시킬 수 있는 데 더하여, 외부로의 소음을 저감할 수 있다.
상기 볼록부의 반경 방향 선단부와 대향하는 주위면과의 사이의 간극에서의, 최소의 축 방향 단면적이, 상기 노즐의 총 단면적에 대하여, 10배 이상 15배 이하의 면적으로 되도록 설정해도 된다. 상기 노즐의 「총 단면적」이란, 각 노즐을 동 노즐의 축선 방향에 수직인 평면으로 절단하여 본 단면에서의, 면적의 노즐 개수 분의 총계를 말한다. 상기 「축 방향 단면적」이란, 이 베어링 장치의 간극이 있는 부분을, 베어링 장치의 축심에 수직인 평면에서 절단한 단면에 있어서, 볼록부의 반경 방향 선단부와 대향하는 주위면과의 사이의 환형부의 면적을 말한다. 이와 같이 간극의 축 방향 단면적을 설정함으로써, 압축 에어량의 감소도 없어, 합리적인 저소음화가 도모된다. 이 간극의 축 방향 단면적은, 시험 결과로부터 발견된 설정값이다.
상기 볼록부를, 상기 내륜 스페이서의 외주면에서의 폭 방향 중간부에 설치하고, 상기 외륜 스페이서에, 베어링 내에 윤활유를 공급하는 윤활용 노즐을 설치하고, 상기 볼록부의 축 방향 양측 단면과, 상기 윤활용 노즐의 내측 단면과의 사이에, 축 방향 간극을 형성해도 된다. 이 축 방향 간극의 크기는, 볼록부의 직경 방향의 간극의 경우와 마찬가지로 설정된다. 상기 윤활용 노즐은, 상기 내륜의 궤도면 또는 외경면을 향해 윤활유를 토출하는 것이라도 된다.
본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조에 있어서, 상기 냉각용 유체는 압축 에어이며, 상기 내륜 스페이서의 외주면에서의, 상기 토출구로부터 토출된 압축 에어가 분사되는 위치에, 원주 방향으로 배열된 복수 개의 구멍을 형성한 것이라도 된다. 또한, 상기 내륜 스페이서에, 상기 외륜 스페이서의 토출구로부터 토출되는 압축 에어가 상기 주축의 표면에 직접 접촉하도록, 직경 방향으로 복수 개의 방사형의 구멍을 형성하는 동시에, 상기 내륜 스페이서의 내주면에, 상기 주축의 표면을 효과적으로 냉각시키기 위해 원주홈이 형성되어 있다.
이 구성에 의하면, 내륜 스페이서의 외주면에, 외륜 스페이서에 설치한 토출구로부터 압축 에어를 토출함으로써, 간접적으로 베어링의 냉각을 행할 수 있다. 외륜 스페이서의 토출구로부터 토출된 압축 에어는, 내륜 스페이서와 함께 주축을 냉각시킨다. 외륜 스페이서의 토출구를, 내륜의 회전 방향의 전방으로 경사지게 하였으므로, 토출된 압축 에어가 내륜 스페이서의 원주 방향의 일부에 닿는다. 이로써, 외륜 스페이서의 토출구로부터 토출되는 압축 에어의 분사 압력을, 내륜 스페이서에 부여할 수가 있어, 주축을 구동하는 작용을 기대할 수 있다.
따라서, 베어링 장치를 복잡한 구조로 하지 않고, 또한 고가의 부대 설비도 필요없이 저렴한 장치로 베어링 및 주축의 온도를 저하시킬 수 있다. 운전 중인 베어링 온도의 저하가 도모됨으로써, 베어링 예압의 증대가 완화되어 베어링 즉 베어링 장치의 새로운 고속화, 즉 가공 효율의 향상 또는 베어링 수명의 연장을 도모할 수 있다. 운전 중인 주축 및 베어링 온도의 저하에 의해, 베어링 예압의 증대가 완화된만큼, 초기 예압을 크게 할 수 있어, 저속에서의 주축 강성(剛性)을 높이는 동시에 가공 정밀도의 향상을 기대할 수 있다. 운전 중에 주축의 온도가 저하되어, 주축의 열팽창에 기인한 가공 정밀도의 열화를 감소시킬 수 있다. 상기 외륜 스페이서의 압축 에어의 토출구는, 1개 또는 복수 개라도 된다.
상기 내륜은 세라믹제라도 된다. 외륜 스페이서의 토출구로부터 토출된 압축 에어가, 내륜 스페이서와 함께 주축을 냉각함으로써, 주축의 온도 상승에 따른 세라믹 내륜의 직경 방향 팽창이 억제되어, 세라믹스의 재질 특성을 살릴 수 있는 것을 기대할 수 있다. 그 결과, 예압을 경감할 수 있어, 다른 고속화가 가능해진다.
상기 외륜 스페이서의 토출구가 직선형으로서, 이 토출구는, 외륜 스페이서의 축심에 수직인 단면에서의 임의의 반경 방향의 직선으로부터, 이 직선과 직교하는 방향으로 오프셋된 위치에 있는 것이라도 된다. 외륜 스페이서의 토출구의 위치가 전술한 바와 같이 오프셋됨으로써, 토출구가 주축 표면의 접선 방향으로 또한 회전 방향을 향하게 된다. 시험의 결과, 토출구의 오프셋량이 커질수록, 내륜 온도의 하강이 크게 되어 있다. 상기 외륜 스페이서의 토출구의 오프셋량이, 피냉각부의 주축의 반경에 대하여 0.5배 이상이며, 또한 외륜 스페이서의 내경(內徑) 이하로 해도 된다. 시험의 결과, 토출구의 오프셋량이, 주축 반경의 약 0.5배로부터 주축 표면의 접선 부근에서 내륜은 최대의 하강 온도로 되어 있었다. 외륜 스페이서의 토출구를 오프셋하여, 에어 흐름을 내륜 회전 방향으로 함으로써, 냉각 에어가 회전 방향으로 안정적으로 흘러, 효과적으로 내륜 스페이서의 표면의 열을 흡수하기때문인 것으로 생각된다.
상기 내륜 스페이서의 외주면에서의, 상기 토출구로부터 토출된 압축 에어가 분사되는 위치에, 원주 방향으로 배열된 복수 개의 방사형의 관통공은, 에어를 직접 주축에 도달시키기 위한 것이며, 내륜 스페이서와 함께 주축을 냉각시킬 수 있다. 이와 같이 압축 에어로 주축을 직접 냉각시킬 수 있으므로, 내륜 스페이서에 같은 구멍이 없는 것보다, 내륜의 온도 하강을 크게 하는 것을 실험에 의해 확인하고 있다.
상기 구멍은, 관통공이라도되고, 비(非)관통공이라도 된다. 관통공의 경우, 비관통공보다, 주축을 직접 냉각시키는 냉각 효과도 더욱 높일 수 있다. 상기 구멍이 복수 형성되어 있으므로, 주축을 직접 냉각시키는 냉각 효과도 높일 수 있다. 상기 내륜 스페이서의 구멍이, 직경 방향 외측을 향함에 따라, 상기 회전 방향과는 역각도(逆角度)로 경사지도록 경사지는 경사형의 구멍으로 해도 된다.
상기 내륜 스페이서의 외주면에, 홈을 형성한 것이라도 된다. 이 경우, 홈이 없는 내륜 스페이서보다 외주면의 표면적을 크게 하여, 내륜 스페이서 표면으로부터의 방열을 효율적으로 행할 수 있다. 따라서, 내륜 온도의 저감을 도모하여 그만큼 베어링 예압이 감소하고 있는 것으로 되므로, 장치의 고속화를 도모할 수 있다. 상기 내륜 스페이서의 홈을 동 내륜 스페이서의 축심을 포함하는 평면에서 절단하여 본 단면이, V자 형상 또는 오목형상이라도 된다. 상기 내륜 스페이서의 홈이 나선홈으로 이루어지는 것이라도 된다. 이와 같이 내륜 스페이서의 외주면의 표면적을 크게 할 수 있다. 상기 내륜 스페이서의 외주면에, 상기 홈 대신에 요철부(凹凸部)를 형성해도 된다. 이 경우에도, 내륜 스페이서보다 외주면의 표면적을 크게 하여, 내륜 스페이서 표면으로부터의 방열을 효율적으로 행할 수 있다.
상기 내륜 스페이서의 내주면에, 축 방향으로 일정한 단면을 가지는 홈을 형성해도 된다. 내륜 스페이서의 내주면에 주축의 외주면이 끼워맞추어지므로, 전술한 바와 같은 홈을 내륜 스페이서의 내주면에 형성함으로써, 주축 표면 전체 주위에 냉각 에어가 진행하게 되어, 주축 표면에 직접 냉각 에어가 접촉하는 면적을 증대시킬 수 있다. 또한, 홈과 연통되는 구멍을 상기 경사형의 구멍으로 함으로써, 주축을 직접 냉각시키는 냉각 효과를 더욱 높일 수 있다. 상기 내륜 스페이서의 홈에 대향하는 주축 표면에, 단면 V형상, 단면 오목형상, 또는 나선형의 홈을 형성해도 된다. 상기 단면은, 주축을 주축 축심을 포함하는 평면에서 절단하여 본 단면을 말한다. 이 경우, 방열 면적을 더욱 확대할 수 있어, 주축을 직접 냉각시키는 냉각 효과를 더욱 높이는 것이 가능하다. 상기 내륜 스페이서의 구멍을 동 내륜 스페이서의 축심에 수직인 평면에서 절단하여 본 단면이, 직사각형 또는 타원형이라도 된다.
상기 외륜 스페이서는, 상기 롤링 베어링 내에 에어 오일을 공급하는 에어 오일 공급구를 가지고, 이 에어 오일 공급구는, 상기 롤링 베어링 내로 돌출되어 상기 내륜의 외주면과의 사이에서 에어 오일 통과용의 환형 간극을 통하여 대면하는 돌출부를 포함하는 것이라도 된다. 이 경우, 에어 오일 공급구로부터 공급된 에어 오일은, 내륜 외경면에 부착된다. 이 내륜 외경면에 부착된 오일을, 오일의 표면 장력과 원심력을 이용하여 내륜 궤도면에 도입하여 롤링 베어링의 윤활에 사용한다. 또한 토출구로부터 토출된 압축 에어는, 내륜 외경면과 상기 돌출부와의 사이의 환형 간극을 통하여 롤링 베어링 내에 도입되어, 롤링 베어링 내에서 열을 흡수하여 배기된다. 이와 같이 내륜 스페이서에서의 냉각과 함께, 롤링 베어링 내에서의 냉각 기능도 있어, 보다 효과적인 베어링 냉각을 행할 수 있다.
상기 에어 오일 공급구는, 상기 돌출부의 내경측(內徑側)에서 내륜에 대하여 에어 오일을 토출하는 노즐을 포함하는 것이라도 된다. 이 경우, 노즐은, 돌기부의 내경측으로 내륜에 대하여 에어 오일을 토출한다. 돌기부를 베어링 내에 삽입한 데 더하여 에어 오일을 내륜에 의해 가까이 하여 토출시킬 수 있으므로, 베어링의 윤활 및 냉각 기능을 높일 수 있다. 상기 에어 오일 공급구와, 상기 압축 에어의 토출구를 겸용시킨 것으로 해도 된다. 이 경우, 에어 오일을 공급하기 위한 에어량 삭감과, 에어 오일 전용의 구멍수 삭감을 도모할 수 있어, 장치 구조를 간소화할 수 있다. 이로써, 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.
상기 에어 오일 공급구와, 상기 압축 에어의 토출구를 겸용시킨 구성에 있어서, 상기 내륜 스페이서에, 직경 방향의 관통공을 형성하는 동시에, 상기 내륜 스페이서의 내주면에서의, 주축과 끼워맞추어지는 부분의 원주 방향의 일부에, 축 방향으로 연장되는 축 방향 홈을 형성하고, 또한 상기 내륜 스페이서에서의 축 방향 양 단면의 원주 방향의 일부에, 상기 축 방향 홈과 연통되고 반경 방향으로 연장되는 직경 방향 홈을 형성해도 된다. 이 경우, 내륜 스페이서의 관통공을 통하여 이 내주면에 토출된 에어 오일은, 주축 및 내륜 스페이서의 냉각과 함께, 축 방향 홈, 직경 방향 홈을 순차적으로 통과하여, 내륜의 냉각을 효과적으로 행할 수 있다. 또한 에어 오일이 직경 방향 홈을 통과할 때, 오일이 내륜 단면(端面)에 부착되어 부착 흐름으로 되므로, 베어링의 윤활유로서 확실하게 이용할 수 있도록 된다.
상기 에어 오일 공급구가, 상기 롤링 베어링 내로 돌출되어 내륜 외경면과의 사이에서 환형 간극을 통하여 대면하는 돌출부를 포함하는 구성을 가지는 경우에, 상기 돌출부의 내경면(內徑面)과 내륜 외경면과의 사이에서 형성되는 원주 간극부의 직경 방향 단면적을, 상기 외륜 스페이서의 토출구의 총 단면적보다 크게 해도 된다. 상기 원주 간극부의 「직경 방향 단면적」이란, 이 베어링 장치를 이 축심과 수직인 평면에서 절단하여 본 단면에 있어서, 돌출부의 내경면과 내륜 외경면과의 사이에서 형성되는 원주 간극부의 면적을 말한다. 상기 토출구의 「총 단면적」이란, 각각의 토출구를 동 토출구의 축선 방향과 수직인 평면에서 절단하여 본 단면에서의, 면적의 토출구 개수 분의 총계를 말한다. 이 구성에 의하면, 토출구로부터 토출된 에어가, 환형 간극을 통하여 롤링 베어링 내에 확실하게 도입된다. 이 에어는 롤링 베어링 내에서 열을 흡수하여 배기된다.
상기 에어 오일 공급구와 상기 압축 에어의 토출구를 겸용시킨 구성, 또는 내륜 스페이서에 상기 축 방향 홈 및 상기 직경 방향 홈을 형성한 구성에 있어서, 상기 롤링 베어링 내의 윤활을 주목적으로 한 에어 오일 토출용의 노즐을 생략해도 된다. 이 경우, 장치 구조를 간소화할 수 있고, 이로써, 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다. 상기 압축 에어 즉 냉각용 에어를 공급하는 압축 에어 공급 장치를, 에어 오일 공급 장치는 별개로 독립적으로 설치해도 되고, 에어 오일 공급 장치의 빈 회로를 오일 공급하지 않고 이용해도 된다.
에어 오일을 배기하는 에어 오일 배기구를 설치하고, 내륜 스페이서 냉각 후의 냉각 에어를, 상기 에어 오일 배기구로부터 배기하도록 해도 된다. 이와 같이 에어 오일의 배기 경로와, 냉각 에어의 배기 경로를 공통화함으로써, 장치 구조를 간소화할 수 있다.
본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조에 있어서, 롤링 베어링이 3개 이상 축 방향으로 나란히 배치되고, 인접하는 롤링 베어링의 각각의 외륜 사이 및 각각의 내륜 사이에 외륜 스페이서 및 내륜 스페이서를 각각 개재시키고, 상기 롤링 베어링을 통하여 인접하고, 이 중간의 롤링 베어링에 대하여 다른 한쪽의 외륜 스페이서로부터 상기 에어와 오일의 혼합물을 공급하는 2개의 외륜 스페이서에 대하여, 상기 중간의 롤링 베어링에 공급되는 상기 에어와 오일의 혼합물의 흐름 방향의, 상류측에 위치하는 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구, 및 하류측에 위치하는 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구로부터 각각 토출되는 냉각용 에어의 유량 또는 압력의 관계가, 하류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어가, 상기 중간의 롤링 베어링 내에서의 상기 에어와 오일의 혼합물의 흐름과 역행하지 않는 관계로 되는 구성을 구비하는 것이라도 된다.
이 구성에 의하면, 각각의 냉각용 에어 토출구로부터 냉각용 에어가 내륜 스페이서의 외주면을 향해 토출됨으로써, 내륜 스페이서에 충돌한 냉각용 에어가 베어링 장치 및 이 베어링 장치에 지지된 축의 열을 빼앗는다. 이로써, 베어링 장치 및 축이 효율적으로 냉각된다. 상기 중간의 롤링 베어링에 있어서 냉각용 에어가 에어와 오일의 혼합물의 흐름과 역행하지 않는 구성이므로, 중간의 롤링 베어링 내에 있어서 냉각용 에어에 의해 에어와 오일의 혼합물의 흐름이 저해되지 않아, 에어와 오일의 혼합물이 중간의 롤링 베어링에 양호하게 공급된다.
상기 중간의 롤링 베어링에 있어서 냉각용 에어가 에어와 오일의 혼합물의 흐름과 역행하지 않도록 하기 위해서는, 일례를 들면, 각각의 상기 냉각용 에어 토출구에 냉각용 에어를 공급하는 냉각용 에어 공급 장치를 설치하고, 이 냉각용 에어 공급 장치로부터 각각의 냉각용 에어 토출구에 공급하는 냉각용 에어의 유량의 설정에 의해, 상기 중간의 롤링 베어링을 통하여 인접하는 2개의 외륜 스페이서에 대하여, 상류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어의 유량을, 하류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어의 유량보다 많게 한다. 그리고, 외륜 스페이서마다의 냉각용 에어 토출구의 개수는, 1개라도 복수 개라도 된다. 복수 개인 경우, 외륜 스페이서의 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어의 유량이란, 각각의 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어의 총 유량을 말한다.
다른 예로서, 상기 중간의 롤링 베어링을 통하여 인접하는 2개의 외륜 스페이서에 대하여, 하류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구의 구경을, 상류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구의 구경보다 크게 한다. 하류측과 상류측에서 냉각용 에어 토출구의 구경을 변경함으로써, 하류측에 위치하는 외륜 스페이서와 내륜 스페이서와의 사이의 공간의 압력이, 상류측에 위치하는 외륜 스페이서와 내륜 스페이서와의 사이의 공간의 압력보다 낮아진다. 이 경우, 각각의 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 압축 에어의 유량이 같은 것이 전제로 된다. 외륜 스페이서마다의 냉각용 에어 토출구의 개수는, 1개라도 복수 개라도 되고, 복수 개의 경우, 외륜 스페이서마다, 각각의 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어의 총 유량이 같은 것이 전제로 된다.
롤링 베어링이 3개 이상 위치한 경우, 상기 중간의 롤링 베어링을 통하여 인접하는 2개의 외륜 스페이서에 대하여, 상류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구의 개수를, 하류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구의 개수보다 많게 한 것이라도 된다. 상류측과 하류측에서 냉각용 에어 토출구의 개수를 변경함으로써, 상류측에 위치하는 외륜 스페이서의 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어의 유량이, 하류측에 위치하는 외륜 스페이서의 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어의 유량보다 많아진다. 이 경우도, 각각의 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 압축 에어의 유량이 같은 것이 전제로 된다.
상기 어느 경우에도, 에어와 오일의 혼합물의 흐름 방향의 상류측으로부터 하류측을 향해, 냉각용 에어의 압력 구배(勾配)가 가능하므로, 중간의 롤링 베어링에서의 냉각용 에어의 역행 흐름이 생기지 않는다. 이로써, 에어와 오일의 혼합물을 중간의 롤링 베어링에 양호하게 공급할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 중간의 롤링 베어링을 통하여 인접하는 2개의 외륜 스페이서 중 다른 한쪽의 외륜 스페이서는, 상기 중간의 롤링 베어링에 대하여 에어와 오일의 혼합물을 공급하는 제1 오일 공급구를 가지고, 또 다른 한쪽의 외륜 스페이서는, 이 외륜 스페이서를 통하여 상기 중간의 롤링 베어링과 인접하는 끝의 롤링 베어링에 대하여 에어와 오일의 혼합물을 공급하는 제2 오일 공급구를 가지고, 상기 제1 오일 공급구로부터 상기 중간의 롤링 베어링에 공급되는 에어와 오일의 혼합물의 흐름 방향과, 상기 제2 오일 공급구로부터 상기 끝의 롤링 베어링에 공급되는 에어와 오일의 혼합물의 흐름 방향이 동일하며, 상기 중간의 롤링 베어링으로부터 상기 끝의 롤링 베어링에, 상기 또 다른 한쪽의 외륜 스페이서와 이 외륜 스페이서에 대향하는 내륜 스페이서의 사이를 통하여 에어와 오일의 혼합물이 흐르는 경우, 상기 중간의 롤링 베어링 및 끝의 롤링 베어링 각각에 공급되는 에어와 오일의 혼합물 중 에어를 배기하는 배기구를, 에어와 오일의 혼합물의 흐름 방향의 하류측단의 1개소에 설치해도 된다.
각각의 롤링 베어링에 공급되는 에어와 오일의 혼합물 중 에어는, 각각의 롤링 베어링을 통과한 후, 베어링 장치가 수용되는 하우징 등에 설치된 배출공을 통하여 하우징 등의 외부로 배출된다. 롤링 베어링마다, 롤링 베어링 내로부터 배출공에 에어를 안내하는 배기구가 설치되어 있으면, 배기관에서의 에어 흐름 방향의 하류측에서, 상류측으로부터 흘러 오는 에어와 배기구로부터 배기관에 흘러드는 에어가 충돌하여 에어가 원활하게 흐르기 어려워진다. 이로써, 롤링 베어링 내에서의 에어와 오일의 혼합물의 흐름도 악화되어, 롤링 베어링에 오일이 충분히 공급되지 않게 될 가능성이 있다. 이에 대하여, 상기 구성과 같이, 배기구를 에어와 오일의 혼합물의 흐름 방향의 하류측단의 1개소에 설치하면, 배기공을 흐르는 에어와 배기구로부터 배기공에 흘러드는 에어가 충돌하는 개소가 적어진다. 이로써, 롤링 베어링 내에서의 에어와 오일의 혼합물의 흐름이 양호해진다.
배기구를 상기 개소에 설치하는 경우, 상기 배기구에 연결되고 에어를 베어링 장치의 외부로 안내하는 배기공을, 상기 배기구마다 형성해도 된다. 이 구성이면, 배기공을 흐르는 에어와 배기구로부터 배기공에 흘러드는 에어가 충돌하는 개소를 완전히 없앨 수 있어, 롤링 베어링 내에서의 에어와 오일의 혼합물의 흐름이 더 한층 양호해진다.
상기 구성에 있어서, 상기 냉각용 에어 토출구로부터 토출된 냉각용 에어를 상기 외륜 스페이서와 상기 내륜 스페이서와의 사이의 공간으로부터 배출하는 배기구를, 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구와 같은 축 방향 위치에 설치해도 된다. 이 경우, 냉각용 에어 토출구로부터 토출된 냉각용 에어가, 외륜 스페이서와 내륜 스페이서와의 사이의 공간에 있어서 축 방향으로 넓어지지만, 상기 냉각용 에어의 축 방향의 흐름은 생기지 않는다. 그러므로, 상기 중간의 롤링 베어링을 흐르는 에어와 오일의 혼합물에 역행하는 냉각용 에어의 흐름이 쉽게 생기지 않는다.
본 발명의 공작 기계는, 상기 어느 하나의 베어링 장치의 냉각 구조를 내장한 것이다. 공작 기계에, 어느 하나의 베어링 장치의 냉각 구조를 내장한 경우, 운전 중인 베어링 온도의 저하가 도모됨으로써, 베어링 예압의 증대가 완화되어 베어링의 새로운 고속화, 즉 가공 능률의 향상 또는 베어링 수명의 연장을 도모할 수 있다. 운전 중인 회전축 및 베어링 온도의 저하에 의해, 베어링 예압의 증대가 완화된만큼, 초기 예압을 크게 할 수 있어, 저속에서의 회전축 강성을 높이는 동시에 가공 정밀도의 향상을 기대할 수 있다. 운전 중에 회전축의 온도가 저하되어, 회전축의 열팽창에 기인한 가공 정밀도의 열화를 감소시킬 수 있다.
특허청구범위 및/또는 명세서 및/또는 도면에 개시된 2개 이상의 구성의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다. 특히, 청구의 범위의 각 청구항의 2개 이상의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다.
본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 바람직한 실시형태의 설명으로부터, 보다 명료하게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 실시형태 및 도면은 단순한 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위해 이용되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에 있어서, 복수의 도면에서의 동일한 부호는, 동일 또는 상당하는 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 일부를 추출하여 확대한 도면이다.
도 3은 도 1의 3―3선 단면의 일부를 추출하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 부분의 변형예를 나타낸 종단면도이다.
도 6은 도 2에 나타낸 부분의 다른 변형예를 나타낸 종단면도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 변형예의 오일 배출부의 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 윤활 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도이다.
도 9는 동 베어링 장치의 종단면도이다.
도 10은 도 9의 10―10선 단면도이다.
도 11은 도 10의 부분 확대도이다.
도 12는 도 9에 나타낸 베어링 장치의 변형예의 종단면도이다.
도 13은 도 12의 부분 확대도이다.
도 14는 도 9에 나타낸 베어링 장치의 다른 변형예의 종단면도이다.
도 15는 도 14의 부분 확대도이다.
도 16은 도 9에 나타낸 베어링 장치의 또 다른 변형예의 단면도이다.
도 17은 도 16의 부분 확대도이다.
도 18은 참고예로서 베어링 장치의 도 9에서의 10―10선 단면에 상당하는 종단면도이다.
도 19는 본 발명의 제3 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 종단면도이다.
도 20은 동 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 확대 단면도이다.
도 21은 도 19의 21―21선 단면도이다.
도 22는 내외륜 스페이서 직경 방향 간극과 소음값의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 23은 동 냉각 구조의 노즐단으로부터의 거리와 소음과의 관계를 조사하는 시험 방법을 설명하는 종단면도이다.
도 24는 동 냉각 구조의 노즐단으로부터의 거리와 소음과의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 25는 본 발명의 제4 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 확대 단면도이다.
도 26은 동 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부를 부분적으로 변경한 단면도이다.
도 27은 동 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 확대 단면도이다.
도 28은 도 26의 28―28선 단면도이다.
도 29는 동 냉각 구조에 있어서, 소음원으로 되는 노즐로부터의 분사음에 대하여, 차음벽(遮音壁) 단부의 간극량에 의한 차음 효과를 조사하는 시험 방법을 설명하는 종단면도이다.
도 30은 동 냉각 구조의 차음벽 단부의 간극량과 소음과의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 31은 본 발명의 제5 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 종단면도이다.
도 32는 동 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 확대 단면도이다.
도 33은 도 31의 33―33선 단면도이다.
도 34는 동 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부를 부분적으로 변경한 확대 단면도이다.
도 35는 본 발명의 제6 실시형태 및 제23 실시형태 관계되는 베어링 장치의 종단면도이다.
도 36은 도 35의 주요부의 부분 확대도이다.
도 37은 동 베어링 장치의 외륜 스페이서의 일부분을 전개하여 나타낸 도면이다.
도 38은 상기 어느 하나의 베어링 장치의 냉각 구조를, 공작 기계 주축 장치에 적용한 예를 나타낸 종단면도이다.
도 39는 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도이다.
도 40은 도 39의 40―40선 단면도이다.
도 41은 도 40의 41―41선 단면도이다.
도 42는 동 냉각 구조에서의, 압축 에어의 토출구의 오프셋량과 내륜의 하강 온도와의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 43은 내륜 스페이서의 구멍의 유무에 따른, 내륜 하강 온도의 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 44는 회전 속도와 베어링 온도와의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 45는 본 발명의 제8 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 종단면도이다.
도 46은 본 발명의 제9 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조로서, 동 베어링 장치의 내륜 스페이서의 구멍을 외경측으로부터 본 단면도이다.
도 47은 본 발명의 제10 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 종단면도이다.
도 48은 본 발명의 제11 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 종단면도이다.
도 49는 본 발명의 제12 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 종단면도이다.
도 50은 본 발명의 제13 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도이다.
도 51은 도 50의 51―51선 단면도이다.
도 52는 동 베어링 장치의 내륜 스페이서의 구멍을 외경측으로부터 본 도면이다.
도 53은 회전 속도와 모터 소비 전력과의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 54는 회전 속도와 베어링 온도와의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 55는 본 발명의 제14 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 일부분의 종단면도이다.
도 56은 본 발명의 제15 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 일부분의 종단면도이다.
도 57은 본 발명의 제16 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 일부분의 종단면도이다.
도 58은 본 발명의 제17 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 일부분의 종단면도이다.
도 59는 본 발명의 제18 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도이다.
도 60은 도 59의 60―60선 단면도이다.
도 61은 본 발명의 제19 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 도 59에서의 60―60선에 상당하는 평면의 단면도이다.
도 62는 본 발명의 제20 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도이다.
도 63은 본 발명의 제21 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도이다.
도 64는 도 63의 64―64선 단면도이다.
도 65는 도 63의 65―65선 단면도이다.
도 66은 본 발명의 제22 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 종단면도이다.
도 67은 도 66의 부분 확대도이다.
도 68은 외륜 스페이서의 토출구와 내륜 스페이서의 구멍의 위치 관계를 설명하는 종단면도이다.
도 69는 본 발명의 제24 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치의 종단면도이다.
도 70은 동 베어링 장치의 외륜 스페이서의 일부분을 전개하여 나타낸 도면이다.
도 71은 도 69 및 도 70에 나타낸 베어링 장치를 공작 기계의 주축 장치에 내장한 상태를 나타낸 종단면도이다.
도 72a는 본 발명의 제25 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도이다.
도 72b는 도 72a의 부분 확대도이다.
도 73은 동 주축 장치를 도 72a와 다른 단면에서 절단한 단면도의 상반분을 나타낸 도면이다.
도 74는 동 주축 장치를 축 방향과 수직인 평면에서 절단한 종단면도이다.
도 75는 본 발명의 제26 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도의 상반분을 나타낸 도면이다.
도 76은 본 발명의 제27 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도의 상반분을 나타낸 도면이다.
도 77은 본 발명의 제28 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도이다.
도 78은 본 발명의 제29 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도의 하반분을 나타낸 도면이다.
도 79는 본 발명의 제30 실시형태에 관한 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도의 하반분을 나타낸 도면이다.
도 80은 에어 배출 경로의 문제점을 설명하기 위한 설명도이다.
도 81은 제안예 1인 윤활 구조를 구비한 베어링 장치의 종단면도이다.
도 82는 도 81의 일부를 추출하여 확대한 도면이다.
도 83a는 제안예 2의 베어링 장치의 냉각 구조의 종단면도이다.
도 83b는 동 냉각 구조의 주요부의 확대 단면도이다.
도 84는 도 83a의 84―84선 단면도이다.
도 85는 냉각의 유무에 따른 베어링 장치의 회전 속도와 온도와의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 86은 냉각의 유무에 따른 베어링 장치의 회전 속도와 소음값과의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 87은 제안예 3인 종래의 냉각 구조를 구비한 베어링 장치가 내장된 주축 장치의 종단면도의 상반분을 나타낸 도면이다.
본 발명의 제1 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조를 도 1 내지 도 4와 함께 설명한다. 이 베어링 장치의 냉각 구조는, 예를 들면, 후술하는 공작 기계 주축 장치 등에 적용된다. 단, 공작 기계 주축 장치에만 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명은, 베어링의 냉각 방법에 대한 설명도 포함한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 이 베어링 장치는, 축 방향으로 배열된 2개의 롤링 베어링(1, 1)을 구비하고, 각각의 롤링 베어링(1, 1)의 외륜(2, 2) 사이 및 내륜(3, 3) 사이에, 외륜 스페이서(4) 및 내륜 스페이서(5)가 각각 개재되어 있다. 롤링 베어링(1)은 앵귤러 볼베어링이며, 내외륜(3, 2)의 궤도면(3a, 2a) 사이에 복수 개의 전동체(8)가 개재되어 있다. 각각의 전동체(8)는, 유지기(9)에 의해 원주 균등 배치로 유지된다. 유지기(9)는 외륜 안내 형식의 링 형상으로 이루어진다. 2개의 롤링 베어링(1, 1)은 서로 배면 조합(back―to―back)으로 배치되어 있고, 외륜 스페이서(4)와 내륜 스페이서(5)의 폭 치수 차이에 따라, 각각의 롤링 베어링(1, 1)의 초기 예압을 설정하여 사용된다.
도 1은 베어링 장치를 공작 기계의 주축의 지지에 사용한 상태를 나타낸다. 롤링 베어링(1, 1)의 외륜(2, 2) 및 외륜 스페이서(4)가 하우징(6)의 내주면에 끼워맞추어지고, 롤링 베어링(1, 1)의 내륜(3, 3) 및 내륜 스페이서(5)가 주축(7)의 외주면에 끼워맞추어져 있다. 외륜(2, 2) 및 외륜 스페이서(4)는, 예를 들면, 하우징(6)에 대하여 간극 끼워맞춤(clearance fit)으로 되고, 하우징(6)의 스텝부(段部)(6a)와 단면 커버(40)에 의해 축 방향의 위치 결정이 된다. 또한, 내륜(3, 3) 및 내륜 스페이서(5)는, 예를 들면, 주축(7)에 대하여 조여져 끼워지고, 양측의 위치 결정 스페이서(41, 42)에 의해 축 방향의 위치 결정이 된다. 그리고, 도면의 좌측의 위치 결정 스페이서(42)는, 주축(7)에 나사장착시킨 너트(43)에 의해 고정되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4)는, 단면이 대략 T자 형상의 외륜 스페이서 본체(10)와, 이 외륜 스페이서 본체(10)에서의 T자의 세로 부분에 상당하는 부위의 양측에 배치된 한 쌍의 링크형의 노즐 부재(11, 11)로 구성된다. 각각의 노즐 부재(11)는, 롤링 베어링(1)에 냉각용 유체인 에어 오일을 공급하는 노즐(12)을 가진다. 노즐(12)은, 노즐 부재(11)에서의 베어링 내로 돌출하는 돌출부(11a)에 설치되어 있다. 노즐(12)의 토출구(12a)는 상기 돌출부(11a)의 내주면에 개구되어 있고, 이 내주면은, 내륜(3)의 궤도면(3a)에 계속되는 경사면으로 이루어지는 어깨면(3b)과 간극 δa를 통하여 대향하고 있다. 이 간극 δa의 크기는, 예를 들면, 노즐(12)의 구경의 1/2 이하로 되어 있다. 이것은, 소음의 문제를 고려한 경우에, 노즐(12)로부터 토출된 에어 오일의 압력이 급격하게 하강하지 않도록 하기 위해서이다.
내륜(3)의 어깨면(3b)의 경사 각도 α는, 어깨면(3b)에 분사된 에어 오일의 오일이 어깨면(3b) 상에서 부착 흐름으로 되어 궤도면(3a)에 도입할 수 있는 각도로 된다. 구체적으로는, 주축(7)의 회전 속도의 지표로 되는 dmn값[dm: 전동체(8)의 피치원 직경 ㎜, n: 최고 회전 속도 min―1]에 비례하여, 하기의 식 1[「에어 오일 윤활에서의 공급 오일량의 미소화(微小化)」NTN TECHICAL REVIEW No72(200415)로부터 인용]에 의해 개략값을 구할 수 있다.
α°= 0.06×dmn값/10000 … 식 1
도 3 및 그 부분 확대도인 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 노즐(12)은, 원주 방향으로 균등하게 배치로 복수 개(이 예에서는 3개) 설치되어 있다. 각 노즐(12)은, 직선형으로서, 토출구(12a) 측을 주축(7)의 회전 방향 L1의 전방으로 경사지게 하고 있다. 즉, 각 노즐(12)은, 외륜 스페이서(4)의 축심에 수직인 단면에서의 임의의 반경 방향의 직선 L2로부터, 이 직선 L2와 직교하는 방향으로 오프셋된 위치에 있다. 그 오프셋량 OS는, 예를 들면, 노즐(12)의 위치에서의 내륜(3)의 외경 치수 D에 대하여, 0.4D∼0.5D의 범위로 한다. 그리고, 노즐(12)은, 원주 방향으로 1개만 설치해도 된다.
도 2에 있어서, 외륜 스페이서 본체(10) 및 노즐 부재(11)에는, 노즐(12)에 에어 오일을 도입하는 도입 경로(13)가 설치되어 있다. 이 도입 경로(13)는, 외륜 스페이서 본체(10)의 외주면에 형성된 환형 홈으로 이루어지는 외부 도입구(14)와, 이 외부 도입구(14)로부터 내경측으로 연장되는 복수[노즐(12)과 같은 수]의 직경 방향 구멍(15)과, 이 직경 방향 구멍(15)의 구멍 바닥부로부터 축 방향으로 연장되는 축 방향 구멍(16)으로 이루어지고, 축 방향 구멍(16)의 선단이 노즐(12)의 토출구(12a)와는 반대측단과 연통되어 있다. 상기 축 방향 구멍(16)은, 외륜 스페이서 본체(10)에 형성된 부분(16a)과 노즐 부재(11)에 형성된 부분(16b)을 가지고, 양 부분(16a, 16b)의 접속부로 되는 노즐 부재(11)의 측면에는 양 부분(16a, 16b)보다 대경(大徑)의 카운터보어공(16c)이 형성되어 있다. 그리고, 노즐(12)이 원주 방향으로 1개뿐인 경우, 상기 외부 도입구(14)는 카운터보어공이라도 된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서 본체(10)에서의 노즐 부재(11)의 외경단보다 축 방향으로 길게 돌출된 부분에, 에어 오일의 배기구로 되는 절결부(切缺部)(18)가 형성되어 있다. 외륜 스페이서(4)에 인접하여 롤링 베어링(1)의 외륜(2)이 배치됨으로써, 절결부(18)이, 롤링 베어링(1)의 베어링 공간과 베어링 장치의 외부를 연통시키는 개구 형상으로 된다.
주축 장치의 외부에 에어 오일 공급 장치(45)가 형성되어 있고, 이 에어 오일 공급 장치(45)로부터 송출되는 에어 오일이, 단면 커버(40)의 공급구(46) 및 하우징(6) 내의 공급공(47)을 통하여, 외륜 스페이서(4)의 상기 외부 도입구(14)에 공급된다. 또한, 하우징(6)에는 배기공(48)이 형성되어 있다. 이 배기공(48)은, 접속공(49)을 통하여 외륜 스페이서 본체(10)의 상기 절결부(18)와 연통되어 있다.
이 구성의 베어링 장치는, 도 1에 나타낸 에어 오일 공급 장치(45)로부터 공급되는 에어 오일이, 외륜 스페이서(4)의 도입 경로(13)를 통하여 노즐(12)로부터 토출된다. 상기 간극 δa의 크기를 노즐(12)의 구경의 1/2 이하로 한 것에 의해, 노즐(12)로부터 토출된 에어 오일의 압력이 급격하게 하강하지 않아, 소음의 발생을 억제할 수 있다. 토출된 에어 오일은 내륜(3)의 어깨면(3b)에 분사되고, 에어 오일의 오일이 어깨면(3b)에 부착된다. 이 오일은, 내륜(3)의 회전에 따른 원심력에 의해, 경사면인 어깨면(3b)에 따라 대경측(大徑側)의 궤도면(3a) 측으로 원활하게 안내된다. 어깨면(3b)의 경사 각도 α를 상기 식 1에 나타낸 각도로 한 것에 의해, 오일의 양호한 부착 흐름을 얻을 수 있다. 이와 같이, 에어 오일의 오일이 롤링 베어링(1)에 안정적으로 공급되므로, 롤링 베어링(1)을 항상 양호하게 윤활할 수 있다.
또한, 윤활과 동시에, 도 4에 나타낸 바와 같이, 에어 오일이 내륜(3)에 분사되는 것에 의해, 내륜(3)이 냉각된다. 노즐(12)은 토출구(12a) 측을, 주축(7)의 직경 방향에 대하여, 주축(7)의 회전 방향의 전방으로 경사지게 하고 있으므로, 에어 오일이 내륜(3)의 외주면을 따르는 선회류로 되어, 주축(7)의 회전 방향으로 안정적으로 흐른다. 이로써, 내륜(3)의 표면의 열을 빼앗아, 효과적으로 냉각시키는 것을 기대할 수 있다. 도 3에 나타낸 노즐(12)의 오프셋량 OS를 내륜(3)의 외경 치수 D의 0.4∼0.5배로 함으로써, 냉각 효과가 가장 양호해지는 것이, 시험에 의해 확인되고 있다. 내륜(3)이 냉각되는 것에 의해, 내륜(3)의 내주에 끼워맞추어지는 주축(7)도 냉각된다.
도 5에 나타낸 변형예와 같이, 내륜(3)의 어깨면(3b)에서의 에어 오일이 분사되는 축 방향 위치에, 환형 오목부(20)를 형성해도 된다. 환형 오목부(20)가 형성되어 있으면, 노즐(12)로부터 토출된 에어 오일의 토출 유속(流速)이 증가하여, 어깨면(3b)에 따르는 오일의 부착 흐름이 양호하게 행해진다.
도 6에 나타낸 다른 변형예와 같이, 노즐 부재(11)의 내주면에서의 축 방향단에, 다른 것보다 내경이 작은 철조(凸條; projection)(21)를 형성해도 된다. 이 철조(21)와 내륜(3)의 어깨면(3b)의 간극 δb는, [간극 δb의 치수]×[간극 δb의 노즐(12) 위치에서의 원주 방향의 길이]가 노즐(12)의 총 구멍 직경 면적의 10배 정도가 되도록 한다. 노즐(12)의 총 구멍 직경 면적이란, 1개의 노즐(12)의 구멍 직경 면적에 노즐(12)의 개수를 곱한 면적이다. 이와 같이 간극 δb를 결정함으로써, 철조(21)가, 노즐(12)로부터 토출되는 에어 오일의 분사음이 롤링 베어링(1) 측으로 누출되는 것을 방지하는 차음벽으로서 기능하여, 저소음화가 도모된다.
냉각용 유체는, 에어에 의해 안개형의 오일을 반송하는 오일 미스트라도 된다. 또한, 냉각용 유체가 오일만으로 이루어지는 오일 윤활로 해도 된다. 오일 윤활은, 에어 오일 윤활 및 오일 미스트 윤활보다 내륜(3)의 냉각 효과를 기대할 수 있다. 오일 윤활의 경우도, 제1 실시형태 또는 그 변형예(도 5, 도 6)와 같은 구성으로 할 수 있다.
오일 윤활에서는, 에어의 분사음이 발생하지 않으므로, 도 6의 구성에서의 차음벽으로서의 철조(21)는 불필요하다. 단, 도 6과 마찬가지의 철조(21)를 형성하고, 이 철조(21)를 롤링 베어링(1) 내에 유입되는 오일의 양을 억제하기 위해 기능하게 하는 것은 유효하다. 간극 δb의 치수를 조정함으로써 윤활유의 양의 제어를 행할 수 있어, 내륜(3)을 냉각하면서 내륜(3)의 어깨면(3b)에서의 부착 흐름을 이용한 소량의 오일 윤활이 가능해진다. 오일 윤활에서의 내륜(3)의 어깨면(3b)의 각도 α도, 에어 오일 윤활로 사용한 상기 식 1과 마찬가지로 구해진다. 또한, 노즐(12)의 회전 방향 L1에 대한 각도는, 0°또는 롤링 베어링(1) 내로의 유입 오일량이 과다하게 되지 않도록, 에어 오일 윤활의 경우와 반대로 내륜(3)의 궤도면(3a)과 역방향으로 약간 경사지게 해도 된다.
오일 윤활에 의해 노즐 부재(11)에 상기 철조(21)를 형성하는 경우, 노즐(12)로부터 토출되는 오일 중, 철조(21)와 내륜(3)의 어깨면(3b)의 간극 δb로부터 배출되는 오일의 양은 제한되므로, 나머지의 오일의 배출에 대하여 고려할 필요가 있다. 도 7은, 오일의 배출에 대하여 연구한 오일 배출부의 일례를 나타낸다. 이 예에서는, 외륜 스페이서 본체(10)의 내주면을 노즐 부재(11)의 내주면보다 외경측으로 후퇴시키고, 외륜 스페이서 본체(10)와 내륜 스페이서(5)와의 사이에 오일 체류부(22)를 설치하는 동시에, 외륜 스페이서 본체(10)와 접하는 노즐 부재(11)의 내측면 및 외주면에, 오일 체류부(22) 및 노즐 부재(11)의 축 방향 외측과 연통되는 배유홈(排油溝)(23, 24)이 각각 형성되어 있다. 배유 펌프(도시하지 않음) 등으로 흡인함으로써, 오일 체류부(22)의 오일이, 배유홈(23, 24) 및 상기 절결부(18)를 통하여 베어링 장치의 외부로 배출된다.
본 발명의 다른 실시형태에 대하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 각각의 실시형태에서 선행하는 실시형태에서 설명하고 있는 사항에 대응하고 있는 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 구성의 일부만을 설명하고 있는 경우, 구성의 다른 부분은, 특히 기재가 없는 한 선행하여 설명하고 있는 실시형태와 마찬가지로 한다. 동일한 구성으로부터 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 각각의 실시형태에서 구체적으로 설명하고 있는 부분의 조합뿐만아니라, 특히 조합에 지장이 생기지 않으면, 실시형태끼리를 부분적으로 조합하는 것도 가능하다.
도 8 내지 도 12는, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조를 나타낸다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 이 베어링 장치도, 제1 실시형태와 마찬가지로, 축 방향으로 배열된 2개의 롤링 베어링(1, 1)과, 외륜 스페이서(4)와, 내륜 스페이서(5)로 이루어지고, 공작 기계의 주축(7)의 지지에 사용되고 있다. 제1 실시형태와 같은 구성인 개소는 같은 부호를 부여하여 나타내고, 설명은 생략한다.
제2 실시형태가 제1 실시형태와 상위한 점은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4)가 1개의 부재로 구성되며, 이 외륜 스페이서(4)의 축 방향 중앙부에, 롤링 베어링(1)에 에어 오일을 공급하는 노즐(12)이 설치되어 있는 것이다. 노즐(12)의 토출구(12a)는, 외륜 스페이서(4)의 내주면에 개구되어 있다. 외륜 스페이서(4)의 내주면은, 내륜 스페이서(5)의 외주면에 간극 δc를 통하여 대향하고 있다.
도 10 및 그 부분 확대도인 도 11에 나타낸 바와 같이, 상기 노즐(12)은, 원주 방향으로 균등하게 배치되며 복수 개(이 예에서는 3개) 설치되어 있다. 각 노즐(12)은, 직선형으로서, 토출구(12a) 측을 주축(7)의 회전 방향 L1의 전방으로 경사지게 하고 있다. 즉, 각 노즐(12)은, 외륜 스페이서(4)의 축심에 수직인 단면에서의 임의의 반경 방향의 직선 L2로부터, 이 직선 L2와 직교하는 방향으로 오프셋(오프셋량 OS)한 위치에 있다. 그리고, 노즐(12)은, 원주 방향으로 1개만 설치해도 된다.
도 9에 있어서, 외륜 스페이서(4)에는, 노즐(12)에 에어 오일을 도입하는 도입 경로(13)가 설치되어 있다. 이 도입 경로(13)는, 도 10에 나타낸 외륜 스페이서(4)의 외주면에 형성된 환형 홈으로 이루어지는 외부 도입구(14)와, 이 외부 도입구(14)와 각 노즐(12)을 연통시키는 노즐(12)과 같은 수의 연통공(30)으로 이루어진다. 그리고, 노즐(12)이 원주 방향으로 1개뿐인 경우, 상기 외부 도입구(14)는 카운터보어 구멍이라도 된다. 이 제2 실시형태의 외륜 스페이서(4)에는, 제1 실시형태의 외륜 스페이서(4)에 형성되어 있는 에어 오일의 배기용의 절결부(18)(도 1)가 설치되어 있지 않다.
이 구성의 베어링 장치는, 에어 오일 공급 장치(45)로부터 공급되는 에어 오일이, 외륜 스페이서(4)의 도입 경로(13)를 통하여 노즐(12)로부터 토출된다. 도 9에 화살표로 나타낸 바와 같이, 토출된 에어 오일은, 내륜 스페이서(5)의 외주면에 대하여 분사되고, 외륜 스페이서(4)와 내륜 스페이서(5)의 사이의 간극 δc를 통하여 양측의 롤링 베어링(1)을 향해 흐르고, 또한 롤링 베어링(1)을 통과하여 베어링 밖으로 배출된다. 에어 오일이 롤링 베어링(1)을 통과할 때, 에어 오일 중의 오일이 롤링 베어링(1)의 각 부에 부착되어 윤활에 제공된다.
또한, 윤활과 동시에, 에어 오일이 내륜 스페이서(5)에 분사되는 것에 의해, 내륜 스페이서(5)가 냉각된다. 노즐(12)은 토출구(12a) 측을 주축(7)의 회전 방향의 전방으로 경사지게 하고 있으므로, 에어 오일이 내륜 스페이서(5)의 외주면을 따르는 선회류로 되어 주축(7)의 회전 방향으로 안정적으로 흐른다. 이로써, 내륜 스페이서(5)의 표면의 열을 빼앗아, 효과적으로 냉각시키는 것을 기대할 수 있다. 내륜 스페이서(5)가 냉각되는 것에 의해, 내륜 스페이서(5)에 접하는 내륜(3) 및 주축(7)도 냉각된다.
도 12, 도 13은 제2 실시형태의 변형예를 나타낸다. 이 베어링 장치는, 내륜 스페이서(5)의 외주면을, 노즐(12)로부터 토출된 에어 오일이 분사되는 개소(A)의 외경이 가장 작고, 상기 개소(A)로부터 롤링 베어링(1)에 가까워질수록 외경이 커지는 단면 형상이 V자형의 경사면으로 하고, 내륜 스페이서(5)의 외주면에서의 축 방향 외측단(B, B)의 외경을, 롤링 베어링(1)의 내륜(3)에서의 내륜 스페이서 측단(C)의 외경과 비교하여 같거나, 또는 크게 하였다. 이로써, 도 13에 나타낸 바와 같이, 노즐(12)로부터 토출된 에어 오일 중 내륜 스페이서(5)의 외주면에 부착된 오일(25)을, 내륜 스페이서(5)의 회전에 따른 원심력에 의해 내륜 스페이서(5)의 외주면을 따라 롤링 베어링(1) 측으로 원활하게 안내할 수 있다.
또한, 도 14, 도 15에 나타낸 다른 변형예와 같이, 외륜 스페이서(4)의 내주면을, 내륜 스페이서(5)의 외주면과 평행하게 되는 단면 형상이 산형(山形)으로 형성해도 된다. 이 경우, 외륜 스페이서(4)와 내륜 스페이서(5)의 간극이 축 방향의 전역에 걸쳐서 좁아진다. 그렇게 함으로써, 에어 오일 중 에어가, 빠른 유속인 채 롤링 베어링(1)을 향해 흐른다. 그 에어의 흐름에 안내되어, 내륜 스페이서(5)의 외주면에 부착된 오일이 롤링 베어링(1)을 향해 원활하게 흐른다.
도 16, 도 17은 또 다른 변형예를 나타낸다. 이 베어링 장치는, 내륜 스페이서(5)의 외주면에, 노즐(12)로부터 토출된 에어 오일이 분사되는 개소에 위치하는 원주홈(26)과, 일단이 원주홈(26)에 연결되어 주축(7)의 회전 방향 L1에 원주 위상이 어긋날수록 롤링 베어링(1)에 가까워지는 나선홈(27, 27)을 형성하였다. 이 경우에는, 노즐(12)로부터 토출된 에어 오일 중 오일(25)이 내륜 스페이서(5)의 원주홈(26)에 체류하고, 그 오일(25)이, 내륜 스페이서(5)의 회전에 따라 나선홈(27)을 따라 롤링 베어링(1) 측으로 원활하게 보내진다. 즉, 나사 펌프의 효과를 이용하여 오일(25)을 보낸다.
본 발명의 범위로부터는 벗어나지만, 에어 오일 등의 냉각용 유체를 외륜 스페이서(4)에 설치한 노즐(12)로부터 내륜 스페이서(5)의 외주면에 분사하여, 롤링 베어링(1)의 윤활과 베어링 장치와 주축(7)의 냉각을 행하는 경우, 도 18과 같이, 노즐(12)의 토출구(12a)가 주축(7)의 회전 방향 L1의 전방으로 경사져 있지 않아도, 경사지게 한 것과 비교하여 냉각 효과가 뒤떨어지지만, 일정한 냉각 효과는 얻을 수 있다.
본 발명의 제3 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조를 도 19 내지 도 24와 함께 설명한다. 이들 도면 면에 있어서, 도 1 내지 도 7에 나타낸 제1 실시형태와 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 부호를 부여하여 상세한 설명은 생략한다. 이 제3 실시형태가 제1 실시형태와 상위한 점은, 도 20에 나타낸 냉각 구조의 부분이다. 이하에 설명하는 제3∼제6 실시형태는, 후술하는 바와 같이, 전술한 제1∼2 실시형태에 비교하여, 외륜 스페이서(4)에, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 향해 압축 에어를 토출하는 노즐(12A)을, 주축(7)의 직경 방향에 대하여, 회전 방향의 전방으로 경사지게 하여 설치하고, 외륜 스페이서(4)에서의, 노즐(12A)의 토출구(12Aa)가 있는 내주면과, 상기 토출구(12Aa)에 대향하는 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이의 간극을, 0.7㎜ 이상이며 또한 노즐(12A)의 직경의 1/2 이하로 한 점에서 상이하다.
도 19의 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 확대 단면도인 도 20에 나타낸 바와 같이, 이 예의 외륜 스페이서(4)는, 외륜 스페이서 본체(10A)와, 이 외륜 스페이서 본체(10A)와는 별체로 구성된 윤활용 노즐(10B, 10B)(후술함)을 가진다. 외륜 스페이서 본체(10A)는 단면이 대략 T자 형상으로 형성되고, 외륜 스페이서 본체(10A)의 양 측부에, 링형의 윤활용 노즐(10B, 10B)이 각각 끼워넣어져 좌우 대칭으로 고정되어 있다. 외륜 스페이서 본체(10A)에, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 향해 압축 에어를 토출하는 1개 또는 복수 개(이 예에서는 3개)의 노즐(12A)을 설치하고 있다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 이들 노즐(12A)의 에어 토출 방향을, 각각 주축(7)의 회전 방향 L1의 전방으로 경사지게 하고 있다. 이들 복수 개의 노즐(12A)은 원주 균등하게 설치되어 있다. 각 노즐(12A)은, 각각 직선형으로서, 외륜 스페이서(4)의 축심에 수직인 단면에서의 임의의 반경 방향의 직선 L2로부터, 이 직선 L2와 직교하는 방향으로 오프셋된 위치에 있다. 노즐(12A)을 오프셋시키는 이유는, 토출 에어를 주축(7)의 회전 방향으로 선회류로서 작용시켜, 냉각 효과의 향상을 목적으로 하고 있다. 노즐(12A)의 오프셋량은, 내륜 스페이서(5)의 외경 치수 D에 대하여, 0.8 D/2 이상 D/2 이하의 범위로 한다. 이 범위는, 시험의 결과에 의한 것으로, 냉각 효과가 가장 커진다.
외륜 스페이서 본체(10A)의 외주면에는, 냉각 에어인 압축 에어를 도입하는 외부 도입구(14)가 설치되어 있다. 이 외부 도입구(14)는, 외륜 스페이서(4)의 외주면에서의 축 방향 중간부에 설치되고, 또한 각 노즐(12A)과 연통되는 원호형으로 형성되어 있다. 외부 도입구(14)는, 외륜 스페이서 본체(10A)의 외주면에 있어서, 후술하는 에어 오일 공급공(도시하지 않음)이 형성되는 원주 방향 위치를 제외한 원주 방향의 대부분을 차지하는 각도 범위 α1에 걸쳐서 설치되어 있다. 압축 에어의 도입 경로는, 베어링 윤활용의 에어 오일과는 독립 경로로 구성된다. 따라서 도 19에 나타낸 바와 같이, 하우징(6)에 냉각 에어용 공급공(17)이 형성되고, 이 냉각 에어용 공급공(17)에 외부 도입구(14)가 연통되도록 구성되어 있다. 하우징(6)의 외부에는, 냉각 에어용 공급공(17)에 압축 에어를 공급하는 도시하지 않은 공급 장치가 배관 접속되어 있다.
저소음화 수단에 대하여 설명한다. 본 수단의 요점은, 도 20에 나타낸 바와 같이, 내륜 스페이서(5)와, 윤활용 노즐(10B, 10B) 및 외륜 스페이서 본체(10A)로 형성되는 외륜 스페이서(4)와의 사이에서 형성되는 스페이서 사이의 직경 방향 간극 δa의 크기이다. 도 83b에 나타낸 종래 구성의 경우, 이 간극은 내장성, 가공 정밀도 등의 사정에 의해, 반경에서 1㎜ 이상이었다. 이 간극을 1.2㎜로 하여 에어 냉각을 실시하면, 도 85 및 도 86에 나타낸 베어링 온도와 소음값으로 된다. 에어 냉각을 행함으로써, 온도 저하는 커지는 반면, 냉각 에어에 의한 소음값의 증대가 현저해지는 것을 알 수 있다. 이 소음의 음원은, 냉각용 에어 노즐로부터 토출될 때의 분사음이다. 이 분사음은, 고압 에어가 노즐 출구부에서 급격하게 팽창함으로써 발생하는 것으로 추정하고 있다.
본 실시형태에서는, 출구부에서의 급격한 압력 변화를 억제함으로써, 분사음의 저감을 도모하는 것을 목적으로 하고 있다. 구체적으로는, 도 20에 나타낸 바와 같이, 내륜 스페이서(5)와 외륜 스페이서(4)와의 사이에서 형성되는 간극 δa를, 종래 구성보다 작게 하는 것이다. 즉 외륜 스페이서(4)에서의 노즐(12A)의 토출구(12Aa)가 있는 내주면과, 토출구(12Aa)에 대향하는 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이의 직경 방향 간극 δa를, 0.7㎜ 이상이며 또한 노즐(12A)의 직경의 1/2 이하로 하고 있다. 또한 이 예에서는, 외륜 스페이서(4)의 내주면 전체, 내륜 스페이서(5)의 외주면 전체가, 각각 원통면형으로 형성되어 있다. 따라서, 외륜 스페이서(4)의 내주면 전체가, 내륜 스페이서(5)의 외주면에 대하여 직경 방향으로 대향하도록 설치된다. 도 22는, 내경 φ70㎜의 앵귤러 볼베어링을 사용하여, 간극 δa를 0.3㎜에서 1.7㎜의 범위로 바꾸어 소음값과의 관계를, 베어링 회전 속도 8000 min―1과 17000 min―1에서 시험한 결과를 나타내고 있다. 상기 소음값은, 주축 전단(前端)에서의 축심(軸芯) 위치에서 수평 방향 45°×1m 이격된 위치에서 측정하였다.
도 22에 있어서 화이트 플롯(white plots) 데이터는 냉각을 행하지 않을 경우의 결과이며, 간극 δa에 의한 소음값에 대한 영향은 작은 것을 알 수 있다. 동 도면에서의 블랙 플롯(black plots) 데이터는, 에어의 토출 압력 400 kPa로 냉각을 행한 경우의 결과로, 간극 δa이 작아질수록 소음값은 작아지게 되어 있다. 간극 δa이 1.7㎜일 때의 소음값이 95 dB(A)인 것에 대하여, 간극 δa를 0.3㎜까지 작게 하면, 소음값은 80 dB(A)까지 저감되어 있다. 이것은, 간극 δa를 작게 함으로써, 노즐(12A)의 토출구(12Aa)에서의 압력이 높아져, 에어의 급격한 팽창이 억제되었기 때문인 것으로 추정된다. 이 경우, 노즐(12A)의 직경에 대한 간극 δa의 크기가, 노즐 출구부의 압력 분포에 영향을 미치는 것으로 예상된다.
이상의 고찰과 실험 결과로부터, 에어 분사음을 효과적으로 억제하기 위해서는, 간극 δa를 노즐(12A)의 직경의 1/2 이하로 해야 할 것으로 생각된다. 단, 간극 δa의 최적값은, 냉각에 필요한 에어 유량과 그 배기, 운전 중인 접촉 문제 등을 고려하여 결정해야 한다. 이하의 시험의 결과에 의하면, 간극 δa는 반경으로 0.7㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 더 이상 작게 하면, 필요한 배기 면적이 확보되지 않아, 냉각 에어량이 감소하므로, 냉각 효과가 저하되어 버리는 것을 확인할 수 있다.
도 23은, 이 실시형태의 냉각 구조의 노즐단으로부터의 거리와 소음과의 관계를 조사하는 시험 방법을 설명하는 도면이다. 시험에서의 조건은 다음과 같다(도 29의 시험에 대해서도 같다). 그리고, 노즐단(토출구의 선단)으로부터 분사면까지의 거리를 L이라고 한다.
·노즐의 토출구의 직경; φ2㎜ 1개
·에어 압력; 300 kPa 일정
·소음 측정 위치; 노즐단(토출구의 선단)보다 수평으로 500㎜ 이격된 위치
도 24는, 이 냉각 구조의 노즐단으로부터의 거리 L과 소음과의 관계를 나타낸 특성도이다. 동 도면에 의하면 소음은 대체로 노즐단으로부터의 거리에 비례해 커지는 것을 알 수 있다. 즉 소음의 저감을 도모하기 위해서는, 노즐단과 그 분사면까지의 거리를 가능한 한 작게 하는 것이 유효하게 된다. 본 실시형태의 냉각 구조에서 생각하면, 외륜 스페이서에서의, 노즐의 토출구가 있는 내주면과, 상기 토출구에 대향하는 내륜 스페이서의 외주면과의 사이의 거리(간극)는, 운전 중인 원심력과 온도 상승에 의한 내륜 스페이서 팽창량을 고려하여, 내·외륜 스페이서가 접촉하지 않을 정도의 양으로 하는 것이 소음 저감에는 가장 유효하게 되는 것을 알 수 있다.
단, 도 24에 있어서 노즐단으로부터의 거리가 0 내지 0.7㎜ 미만의 범위에서는, 거리 소(小)에 의한 토출 저항이 에어량을 감소시키는 경향이 인정되고, 냉각을 목적으로 하는 본 발명에서는, 필요 에어량을 확보하면서 노즐단으로부터 내륜 스페이서까지의 사이의 거리를 가능한 한 작게 하고자 한다. 이로부터, 노즐단으로부터 분사면까지의 거리로서는, 냉각 효과의 저하의 문제 및 운전 중인 접촉 문제를 회피할 수 있는 0.7㎜ 이상으로 하는 것이 합리적이라고 할 수 있다.
윤활 구조에 대하여 설명한다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4)는, 베어링 내에 에어 오일을 공급하는 윤활용 노즐(10B, 10B)을 가진다. 각 윤활용 노즐(10B)은, 베어링 내로 돌출되도록 형성되어 있고, 그 선단부(29)는 에어 오일 통과용의 환형 간극 δb를 통하여 내륜 외경면(3a)에 대면하고 있다. 환언하면, 윤활용 노즐(10B)의 선단부(29)가, 내륜 외경면(3a)에 덮이도록 베어링 내에 진입하여 배치된다. 또한 윤활용 노즐(10B) 중 베어링 공간에 진입하는 선단부(29)를, 유지기(9)의 내주면보다 반경 방향 내측에 설치하고 있다.
도 20에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서 본체(10A)에 있어서, 각 윤활용 노즐(10B)과의 맞닿은 면인 양 측면(10Aa, 10Aa) 및 내주면(10Ab, 10Ab)에는, 각각 연마 가공이 행해져 있다. 이들 각각의 측면(10Aa)와 내주면(10Ab)와의 코너부에는, 각각 연마를 위한 인덴트(indents)가 형성되어 있다. 각 윤활용 노즐(10B)의 내측면 및 외주면에도, 각각 연마 가공이 행해져 있다. 또한 각 윤활용 노즐(10B) 중 각각의 측면(10Aa)과의 맞닿은 면에는, 에어 오일 누출을 방지하는 환형의 실링 부재(도시하지 않음)가 설치되어 있다.
외륜 스페이서 본체(10A)에는, 각 윤활용 노즐(10B, 10B)과 연통되는 에어 오일 공급공(도시하지 않음)이 각각 형성되어 있다. 각 에어 오일 공급공은, 외륜 스페이서 본체(10A)의 외주면으로부터 직경 방향 내측으로 소정 깊이 형성되고, 구멍 아래 부근부에서 윤활용 노즐(10B)과 연통된다. 각 윤활용 노즐(10B) 내의 에어 오일 공급구(28)는, 기단측(基端側)으로부터 대상으로 하는 베어링 측을 향함에 따라 내경측에 이르도록 경사지는 경사 각도를 가지는 관통공형으로 형성되어 있다. 이 예의 각 에어 오일 공급구(28)는, 윤활용 노즐(10B)의 선단부(29)로부터 정해진 압력으로 토출된 에어 오일이, 도 19에 나타낸 바와 같이, 내륜 외경면(3a)에서의 환형 오목부(3Aa)에 토출되도록 경사 각도가 규정된다. 내륜 외경면(3a)에서의, 윤활용 노즐(10B)의 선단부(29)에 대향하는 위치에는, 환형 간극 δb이 형성되어 있다. 환형 간극 δb는, 다음과 같이 설정된다. 외륜 스페이서(4)의 노즐(12A)의 총 단면적보다도, 내륜 외경면(3a)과 선단부(29)의 내주면과의 사이에서 형성되는 환형 간극 δb의 직경 방향 단면적이 커지도록, 환형 간극 δb이 설정된다.
하우징(6)에 에어 오일용의 베어링 박스 공급공(도시하지 않음)이 형성되고, 이 베어링 박스 공급공에 상기 에어 오일 공급공이 연통된다. 하우징(6)의 외부에는, 베어링 박스 공급공에 에어 오일을 공급하는 도시하지 않은 에어 오일 공급 장치가 배관 접속되어 있다. 운전 중, 에어 오일 공급 장치로부터 공급된 에어 오일은, 순차적으로, 베어링 박스 공급공→에어 오일 공급공→에어 오일 공급구(28)→내륜 외경면(3a)에 토출되도록 되어 있다. 내륜 외경면(3a)에 부착된 에어 오일을, 오일의 표면 장력과 원심력을 이용하여 내륜(3)의 궤도면에 도입하여 베어링의 윤활에 사용한다.
배기 구조에 대하여 설명한다. 이 베어링 장치에는, 에어 오일을 배기하는 에어 오일 배기구(31)를 설치하고 있다. 에어 오일 배기구(31)는, 외륜 스페이서 본체(10A)에서의 원주 방향의 일부에 설치된 배기홈(32)과, 하우징(6)에 설치되어 배기홈(32)과 연통되는 베어링 박스 배기홈(33) 및 베어링 박스 배기공(34)을 가진다. 외륜 스페이서(4)의 배기홈(32)은, 에어 오일 공급공(12)이 형성되는 위치와는 대각(對角)의 원주 방향 위치에 걸쳐 형성되고, 축 방향으로 연장되는 베어링 박스 배기공(34)과 연통된다. 베어링(1)의 윤활에 제공된 에어와 오일은, 베어링 내를 축 방향으로 관통하여 외부로 방출되면, 배기홈(32)으로부터, 베어링 박스 배기홈(33) 및 베어링 박스 배기공(34)을 경로로 하여 외부로 방출된다. 또한 이 예에서는, 에어 오일의 배기 경로와, 냉각 에어의 배기 경로를 공통화하고, 내륜 스페이서 냉각 후의 냉각 에어를, 에어 오일 배기구(31)로부터 배기한다.
작용 효과에 대하여 설명한다. 내륜 스페이서(5)와 외륜 스페이서(4)를 사용하여, 내륜 스페이서(5)의 외주면에, 외륜 스페이서(4)에 설치한 노즐(12A)로부터 압축 에어를 토출함으로써, 간접적으로 베어링의 냉각을 행할 수 있다. 외륜 스페이서(4)의 압축 에어의 노즐(12A)을, 회전 방향 L1의 전방으로 경사지게 하였으므로, 냉각용의 압축 에어는, 하우징(6)에 설치한 냉각 에어용 공급공(17)으로부터, 노즐(12A)을 통하여 내륜 스페이서(5)의 외주면에 분사된다. 이로써, 압축 에어는, 내륜 스페이서(5)의 외주면과 외륜 스페이서(4)의 내주면과의 사이의 환형의 간극부에서, 선회류로 되어 내륜 스페이서(5)를 냉각시킨다. 그 결과, 내륜 스페이서(5)의 단면과 접촉 고정되어 있는 베어링 내륜(3)이, 열전도에 의해 냉각되게 된다. 압축 에어는, 내륜 스페이서(5) 및 주축(7) 등의 냉각에 기여한 후, 베어링 내를 통과하여 베어링 외부로 배출되지만, 이 때 베어링 내의 냉각도 동시에 행해지게 된다. 이와 같이 압축 에어를 이용하여 효율적이며 또한 합리적으로 베어링을 냉각시킬 수 있다.
노즐(12A)의 토출구(12Aa)가 있는 내주면과 토출구(12Aa)에 대향하는 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이의 간극 δa를, 노즐(12A)의 직경의 1/2 이하로 하고 있는 것에 의해, 노즐(12A)의 토출구(12Aa)의 압력을 높게 하고, 공기의 급격한 팽창을 억제함으로써, 종래의 압축 공기를 사용하여 냉각을 행하는 것보다, 분사음을 저감할 수 있다. 간극 δa를 반경으로 0.7㎜ 이상으로 함으로써, 냉각 효과를 유지하면서 소음의 저감 효과를 병행하여 가지는 것을 시험으로 발견하였다. 간극 δa를 더 이상 작게 하면, 필요한 배기 면적이 확보되지 않아, 냉각 에어량이 감소하므로, 냉각 효과가 저하되어 버리는 것을 확인하고 있다.
따라서, 베어링 장치를 복잡한 구조로 하지 않고, 또한 고가의 부대 설비도 필요없이 베어링(1) 및 주축(7)의 온도를 저하시킬 수 있는 데 더하여, 외부로의 소음을 저감할 수 있다. 운전 중인 베어링 온도의 저하가 도모됨으로써, 베어링 예압의 증대가 완화되어 새로운 고속화 즉 가공 효율의 향상, 또는 베어링 수명의 연장이 도모된다. 운전 중인 베어링 온도의 저하에 의해, 베어링 예압의 증대가 완화된만큼, 초기 예압을 크게 할 수 있어, 저속에서의 주축 강성을 높이는 동시에 가공 정밀도의 향상을 기대할 수 있다. 운전 중에 주축 온도가 저하되므로, 주축(7)의 열팽창에 기인한 가공 정밀도의 열화를 감소할 수 있다.
노즐(12A)이 직선형으로 전술한 바와 같이 오프셋됨으로써, 노즐(12A)이 주축 표면의 접선 방향으로 또한 회전 방향을 향하게 된다. 노즐(12A)의 오프셋량이 커질수록, 내륜 온도의 하강을 크게 하는 것이 가능해진다. 윤활용 노즐(10B)로부터 토출된 에어 오일은, 내륜 외경면(3a)에 부착되어 오일의 표면 장력과 원심력을 이용하여 내륜(3)의 궤도면에 도입되고 베어링의 윤활에 사용된다. 또한 윤활용 노즐(10B)의 선단부(29)를, 유지기(9)의 내주면보다 반경 방향 내측에 배치하였으므로, 윤활용 노즐(10B)과 유지기(9)가 간섭하는 것을 방지할 수 있는 데 더하여, 토출된 윤활유를, 내륜 외경면(3a), 궤도면을 통하여 유지기(9)의 윤활에 사용할 수 있다.
도 25에 나타낸 제4 실시형태와 같이, 외륜 스페이서(4) 중, 노즐(12A)의 토출구(12Aa)의 축 방향 양 측부에, 반경 방향으로 돌출하는 볼록부(36, 36)를 각각 형성해도 된다. 이들 볼록부(36, 36)에 의해, 노즐(12A)로부터의 에어 분사음을 차단하여 외부로의 소음 누출을 억제하고 있다. 이 예에서는, 외륜 스페이서(4)에서의 각 윤활용 노즐(10B)의 내경부(內徑部) 중 축 방향 외측부에, 반경 방향으로 내측으로 돌출하는 환형의 볼록부(36)가 형성되어 있다. 이 볼록부(36)는, 에어 오일 공급구(28)의 선단부보다 축 방향 내측에 설치된다. 각 윤활용 노즐(10B)의 내경부에 있어서, 볼록부(36)가 형성되어 있지 않은 내주면(10Ba)이, 외륜 스페이서 본체(10A)의 내주면에 대략 같은 직경으로 연속된다.
또한 볼록부(36)의 반경 방향 선단부와 대향하는 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이의 간극 δc를, 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Aa)가 있는 내주면과 토출구(12Aa)에 대향하는 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이의 간극 δd보다 작게 하고 있다. 바꾸어 말하면, 냉각 에어 토출구부에서의 내륜 스페이서(5)와 외륜 스페이서(4)와의 사이의 간극 δd에 대해서는, 에어의 출구부 압력이 높게 되지 않도록 한 비교적 큰 것으로 하고 있다.
볼록부(36)와 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이의 직경 방향 간극 δc의 양은, 냉각 에어의 배기를 고려하여 노즐(12A)의 총 단면적에 대하여, 10배 정도가 되는 간극 면적으로 한다. 이 간극 면적이란, 직경 방향 간극 δc에 볼록부(36)의 원주 길이를 곱한 값이다. 이것은 시험의 결과로부터 발견한 결과이며, 전술한 직경 방향 간극 δc로 규정함으로써, 냉각 에어량의 감소도 없어, 합리적인 저소음화가 도모된다.
그리고, 도 25의 구성에서는, 윤활용 노즐(10B)의 내경부에 단차(段差)를 형성하여 볼록부(36)를 형성하고 있지만, 단차를 형성하지 않고 볼록부(36)를 형성해도 된다. 즉 윤활용 노즐(10B)의 내경면과 내륜 스페이서가 상대하는 전체 폭으로 직경 방향 간극 δc를 구성하고, 시험을 실시한 도 25의 구성보다, 볼록부(36)의 축 방향의 길이를 길게 해도 된다. 이 경우, 윤활용 노즐(10B)의 내경부에 단차(step)가 형성된 가공을 행할 필요가 없어, 공정수 저감을 도모할 수 있다. 도 25에서는 외륜 스페이서(4)에 볼록부(36)를 형성하였으나, 반대로, 내륜 스페이서(5)의 외주면의 축 방향 양 측부에, 직경 방향 외측으로 돌출하는 환형의 볼록부를 형성해도 된다. 이 경우에도, 도 19의 제3 실시형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
도 26, 도 27에 나타낸 바와 같이, 볼록부(36)를, 내륜 스페이서(5)의 외주면에서의 폭 방향 중간부에 형성하고, 볼록부(36)의 축 방향 양측 단면과, 윤활용 노즐(10B)의 내측 단면과의 사이에, 축 방향 간극 δd을 형성해도 된다. 이 축 방향 간극 δd의 크기는, 직경 방향 간극 δc의 경우와 마찬가지로, 냉각 에어의 배기를 고려하여 노즐(12A)의 총 단면적에 대하여, 10배 정도가 되는 간극 면적으로 한다. 이 간극 면적에서의 최소 단면적은, 축 방향의 미소 간극을 가지는 범위의 최내경부(最內徑部)에 의해 형성되므로, 이 최내경부의 원주 방향의 길이에, 축 방향 간극 δd을 곱한 간극 면적을 기준으로 하면 된다. 도 28은 도 26의 28―28선 단면도이다. 도 26, 도 27의 구성에 있어서도, 제3 실시형태와 마찬가지로, 도 28에 나타낸 바와 같이, 노즐(12A)을 회전 방향의 전방으로 경사시켜, 노즐(12A)의 위치를 오프셋시키고 있다(도 25에 대해서도 같다). 이 구성에 의하면, 축 방향 간극 δd 및 직경 방향 간극 δc를 형성하였으므로, 분사음을 축 방향 간극 δd, 직경 방향 간극 δc에 있어서 단계적으로 저감하는 것이 가능해져, 도 25의 구성보다, 더욱 분사음의 차음 효과를 높일 수 있다.
도 29는, 이 냉각 구조에 있어서, 소음원으로 되는 노즐(12A)로부터의 분사음에 대하여, 차음벽 단부의 간극량에 의한 차음 효과를 조사하는 시험 방법을 설명하는 도면이다. 시험에서의 조건은, 전술한 도 23의 조건과 같다.
도 30은, 이 냉각 구조의 차음벽 단부의 간극량 B와 소음과의 관계를 나타낸 특성도이다. 노즐단부로부터 분사면까지의 사이의 거리 L이, 예를 들면, 13.5㎜로 차음벽이 없을 때의 소음값은, 도 24의 결과로부터도 알 수 있는 바와 같이 약 83 dBA이다. 도 29에 나타낸 바와 같이, 볼록부(36)로 이루어지는 차음벽을 설치하고, 차음벽 단부의 간극량 B를 예를 들면, 0.15㎜로 함으로써, 도 30에 나타낸 바와 같이, 차음벽이 없는 경우보다 소음값은 약 10 dBA 저하되었다. 차음벽 단부의 간극량 B이 2㎜ 정도까지는, 간극량 B에 비례한 소음값으로 되는 것을 알 수 있다. 간극량 B이 2∼4㎜ 부근에서 소음값의 극대값을 나타내는 결과로 되어 있지만, 이것은 공명에 의한 것이었다.
차음벽 단부의 간극량을 작게 함으로써 차음 효과가 있으므로, 간극량은 가능한 한 작게 한다. 도 25의 경우의 볼록부(36)로 이루어지는 차음벽 단부의 간극량 B는, 운전 중인 내륜 스페이서(5)의 외주면이, 직경 방향 팽창으로 외륜 스페이서(4)의 내주면에 접촉하지 않을 정도로 하게 된다. 구체적으로는, 사용하는 최고 회전 속도에서의 내륜 스페이서의 팽창량에 대하여, 스페이서의 가공 정밀도와 팽창 후의 간극량 확보를 고려하여 약 5배 정도의 직경 방향 간극량을 설정하면 된다. 예를 들면, 운전 시의 내륜 스페이서의 팽창량이 반경으로 0.05㎜로 하면, 설정 간극은 0.25㎜ 정도(운전 중인 간극은 0.25㎜∼0.05㎜)로 함으로써, 약 10 dBA의 저소음화가 가능해진다. 또한 도 27의 변형예에 있어서는, 운전 중인 원심력에 의한 팽창분의 간극 감소는 없기 때문에, 설정 간극량은, 도 25의 제4 실시형태에 비교하여, 더욱 작게 할 수 있어, 차음 효과는 더욱 크게 된다.
도 31에 나타낸 제5 실시형태와 같이, 내륜(3)의 궤도면을 향해 윤활용 노즐(10B)로부터 에어 오일을 직접 토출하는 구성으로 해도 된다. 도 32는 도 31의 주요부의 확대 단면도이다. 이 예에서는, 윤활용 노즐(10B)의 에어 오일 공급구(28)로부터 정해진 압력으로 토출된 에어 오일이, 예를 들면, 내륜 궤도면과 전동체(8)와의 경계 부근에 닿도록, 에어 오일 공급구(28)의 경사 각도가 규정된다. 이 구성예는, 제1 실시형태와 마찬가지의 컨셉에 의한 저소음화의 예로서, 외륜 스페이서 본체(10A)와 윤활용 노즐(10B)의 내경 치수는 동일하며, 내륜 스페이서(5)와의 간극 δa를 제1 실시형태와 마찬가지로 한 예이다. 도 33은 도 31의 33―33선 단면도이다. 도 31, 도 32의 구성에 있어서도, 제1 실시형태와 마찬가지로, 도 33에 나타낸 바와 같이, 노즐(12A)을 회전 방향 L1의 전방으로 경사시켜, 노즐(12A)의 위치를 오프셋시키고 있다(후술하는 도 34에 대해서도 같다).
도 34에 나타낸 바와 같이, 내륜의 궤도면을 향해 윤활용 노즐(10B)로부터 에어 오일을 직접 토출하는 구성이며, 또한 윤활용 노즐(10B)의 내경부를, 외륜 스페이서 본체(10A)의 내주면보다 반경 방향 내측으로 돌출시켜도 된다. 또한 윤활용 노즐(10B)의 내경부와 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이의 간극 δc를, 도 25의 예와 마찬가지로, 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Aa)가 있는 내주면과 토출구(12Aa)에 대향하는 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이의 간극 δd보다 작게 하고 있다. 도 34의 예에 있어서도, 도 25의 예와 마찬가지로 직경 방향 간극 δc를 규정함으로써, 냉각 에어량의 감소도 없어, 합리적인 저소음화가 도모된다.
도 35, 36에 나타낸 제6 실시형태와 같이, 그리스(grease) 윤활되는 베어링 장치에 있어서, 장해벽(37)을 설치해도 된다. 이 장해벽(37)은, 내륜 스페이서(5)의 축 방향 양 단부에, 외경측으로 길게 뻗어 토출구(12Aa)로부터 토출된 압축 에어(A)가, 내외륜(3, 2) 사이의 베어링 공간 S1에 유입되는 것을 저지한다. 이 예에서는, 장해벽(37)은, 축 방향의 롤링 베어링(1)에 가까운 측일수록 외경측으로의 돌출량이 큰 테이퍼 형상이다. 또한, 외륜 스페이서(4)의 축 방향 단면에는, 토출구(12Aa)로부터 토출된 압축 에어(A)의 배출구로 되는 절결부(18)가 형성되어 있다. 절결부(18)는, 예를 들면, 도 37과 같은 직사각형의 단면 형상이며, 외륜 스페이서(4)에 인접하여 롤링 베어링(1)의 외륜(2)이 배치됨으로써, 절결부(18)가, 외륜 스페이서(4)와 내륜 스페이서(5) 사이의 스페이서 공간 S2와 베어링 장치(J)의 외부를 연통시키는 개구 형상으로 된다. 그리고, 이 구성에 있어서, 외륜 스페이서(4)를 조립 가능하게 하기 위해[외륜 스페이서(4)의 내주와 장해벽(37)과의 간섭을 방지하기 위해], 내륜 스페이서(5)는, 예를 들면, 축 방향 중간부가 분할된 2개의 내륜 스페이서 분할체로 이루어진다.
도 35의 부분 확대도인 도 36에 나타낸 바와 같이, 장해벽(37)의 외경단은, 외륜 스페이서(4)의 내주면과 근소한 직경 방향 간극 δ2를 통하여 대향하고 있다. 또한, 장해벽(37)의 단면은 축 방향 내측의 실링 부재(38)와 근소한 축 방향 간극 δ3을 통하여 대향하고 있다. 이로써, 실링 부재(38)와 장해벽(37)에 의해 래비린스(labyrinth) 실링 효과를 가지는 래비린스 실링부(39)가 구축되고, 이 래비린스 실링부(39)에 의해 베어링 공간 S1과 스페이서 공간 S2가 이격되어 있다. 그리고, 노즐(12A)을 회전 방향의 전방으로 경사지게 하여 설치하고, 외륜 스페이서(4)에서의, 노즐(12A)의 토출구(12Aa)가 있는 내주면과 토출구(12Aa)에 대향하는 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이의 간극 δa를, 0.7㎜ 이상이며 또한 노즐(12A)의 직경의 1/2 이하로 한 구성에 대해서는, 각각의 상기 실시형태와 마찬가지이다.
도 35 및 도 36의 구성에 의하면, 토출구(12Aa)로부터 토출된 압축 에어(A)는, 내륜 스페이서(5)에 충돌한 후, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 따라 축 방향 양측으로 흐르고, 또한 내륜 스페이서(5)의 장해벽(37)의 테이퍼형 외경면을 따라 외경측으로 안내되어, 외륜 스페이서(4)의 절결부(18)로부터 배출된다. 장해벽(37)에 의해 압축 에어(A)를 외경측으로 안내함으로써, 스페이서 공간 S2에서의 압축 에어(A)의 흐름, 및 스페이서 공간 S2으로부터의 압축 에어(A)의 배출이 원활하게 된다. 압축 에어(A)가 스페이서 공간 S2를 통과하는 동안에, 베어링 장치(J) 및 이 베어링 장치(J)에 지지된 주축(7)(도 19)의 열을 빼앗는다. 이로써, 베어링 장치(J) 및 주축(7)(도 19)이 효율적으로 냉각된다.
내륜 스페이서(5)의 축 방향 양단에 장해벽(37)이 설치되어 있는 것에 의해, 압축 에어(A)가 베어링 공간 S1에 유입되는 것이 저지된다. 특히 이 실시형태에서는, 베어링 공간 S1과 스페이서 공간 S2가 이 래비린스 실링부(39)에 의해 이격되어 있으므로, 압축 에어(A)의 베어링 공간 S1으로의 유입을 더 한층 효과적으로 저지할 수 있다. 또한, 스페이서 공간 S2에 있어서 압축 에어(A)가 원활하게 흐르므로, 스페이서 공간 S2의 내압(內壓)이 베어링 공간 S1의 내압보다 낮게 되어 있어, 압축 에어(A)가 베어링 공간 S1에 유입되기 어렵다. 이들로부터, 압축 에어(A)가 베어링 공간 S1에 유입되는 것을 최대한 억제할 수 있어, 베어링 공간 S1에 봉입(封入)된 그리스가 압축 에어(A)에 의해 배제되는 것이 방지된다. 그러므로, 양호한 윤활 상태를 유지할 수 있다.
도 38은, 상기 어느 하나의 베어링 장치의 냉각 구조를, 공작 기계 주축 장치에 적용한 예를 나타낸 단면도이다. 어느 하나의 실시형태에 관한 베어링 장치의 롤링 베어링으로서, 공작물(work)이 장착되는 주축(7)의 전단측(前端側)에, 래디얼 부하와 축 방향 부하를 받는 앵귤러 볼베어링을 배면 조합(back―to―back)으로 배치하고 있다. 주축(7)의 후단측에, 래디얼 하중을 받으면서 축의 진동 방지를 목적으로 하는 원통 롤러 베어링(27)을 끼워맞추고 있다. 내외륜(3, 2)은, 내륜 가압으로 되는 위치 결정 스페이서(41, 42) 및 외륜 가압으로 되는 단면벽(端面壁)(40) 등에 의해 주축(7) 및 하우징(6)에 각각 고정되어 있다.
한 경우, 베어링 장치를 복잡한 구조로 하지 않고, 또한 고가의 부대 설비도 필요없이 베어링(1) 및 주축(7)의 온도를 저하시킬 수 있는 데 더하여 외부로의 소음을 저감할 수 있다. 또한 운전 중인 베어링 온도의 저하가 도모됨으로써, 베어링 예압의 증대가 완화되어 베어링(1)의 새로운 고속화, 즉 가공 능률의 향상 또는 베어링 수명의 연장을 도모할 수 있다. 운전 중인 주축(7) 및 베어링 온도의 저하에 의해, 베어링 예압의 증대가 완화된만큼, 초기 예압을 크게 할 수 있어, 저속에서의 주축 강성을 높이는 동시에 가공 정밀도의 향상을 기대할 수 있다. 운전 중에 주축(7)의 온도가 저하되므로, 주축(7)의 열팽창에 기인한 가공 정밀도의 열화를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제7 실시 형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조를 도 39 내지 도 44와 함께 설명한다. 이 제7 실시형태는, 제1 실시형태와 상위하고, 후술하는 바와 같이, 냉각용 유체로서 압축 에어를 사용하고, 내륜 스페이서(5)의 외주면에서의, 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어가 분사되는 위치에, 원주 방향으로 배열된 복수 개의 구멍(56)을 형성한 점에서 상이하다. 이 예의 베어링 장치의 냉각 구조도, 각각의 상기실시형태와 마찬가지로, 공작 기계 장치에 적용된다. 단, 공작 기계 장치에만 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명은, 베어링의 냉각 방법에 대한 설명도 포함한다.
냉각 구조에 대하여 설명한다. 도 39의 40―40선 단면인 도 40에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4)에, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 향해 압축 에어를 토출하는 복수 개(이 예에서는 3개)의 토출구(12Ba)를 형성하고 있다. 이들 토출구(12Ba)의 에어 토출 방향을, 각각 내륜(3)(도 39) 및 주축(7)의 회전 방향 L1의 전방으로 경사지게 하고 있다. 이들 복수 개의 토출구(12Ba)는 원주 균등 배치로 설치되어 있다. 각각의 토출구(12Ba)는, 각각 직선형으로서, 외륜 스페이서(4)의 축심에 수직인 단면에서의 임의의 반경 방향의 직선 L2로부터, 이 직선 L2와 직교하는 방향으로 오프셋된 위치에 있다. 이 예에서는, 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)의 오프셋량 OS는, 피냉각부의 주축(7)의 반경에 대하여 0.5배 이상이며, 또한 외륜 스페이서(4)의 내경 이하로 하고 있다.
외륜 스페이서(4)의 외주면에는, 냉각 에어인 압축 에어를 도입하는 외부 도입구(14)가 설치되어 있다. 이 외부 도입구(14)는, 외륜 스페이서(4)의 외주면에서의 축 방향 중간부에 설치되고, 또한 각각의 토출구(12Ba)와 연통되는 원호형으로 형성되어 있다. 환언하면, 외부 도입구(14)는, 외륜 스페이서(4)의 외주면에 있어서, 후술하는 에어 오일 공급공(29)이 형성되는 원주 방향 위치를 제외한 원주 방향의 대부분을 차지하는 각도 범위 α1에 걸쳐서 설치되어 있다. 압축 에어의 도입 경로는, 베어링 윤활용의 에어 오일과는 독립 경로로 구성된다. 따라서 도 39에 나타낸 바와 같이, 하우징(6)에 냉각 에어용 공급공(17)이 형성되고, 이 냉각 에어용 공급공(17)에 도입홈(11)이 연통되도록 구성되어 있다. 하우징(6)의 외부에는, 상기 냉각 에어용 공급공(17)에 압축 에어를 공급하는 압축 에어 공급 장치(55)가 배관 접속되어 있다.
도 40에 나타낸 바와 같이, 내륜 스페이서(5)에는, 직경 방향의 구멍(56)이 원주 균등 배치로 복수(이 예에서는 10개) 형성되어 있다. 각 구멍(56)을 내륜 스페이서(5)의 축심에 수직인 평면에서 절단하여 본 단면은, 직사각형 또는 타원형으로 형성되어 있다. 각 구멍(56)은, 내륜 스페이서(5)에서의 원주 방향의 소정 위치에서 또한 축 방향 중간부에 있어서, 직경 방향으로 관통하는 환공(丸孔) 형상으로 형성되어 있다. 이로써, 운전 시에 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어를, 내륜 스페이서(5)의 구멍(56)을 통해 주축(7)의 외표면에 도달시킴으로써 주축(7)을 직접 냉각시킨다.
도 39에 나타낸 바와 같이, 내륜 스페이서(5)의 외주면과 외륜 스페이서(4)의 내주면과의 사이에는, 직경 방향 간극 δ1이 형성되어 있다. 이 때 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)의 총 단면적보다도, 내륜 스페이서(5)의 외주면과 외륜 스페이서(4)의 내주면과의 사이에서 형성되는 직경 방향 간극부의 직경 방향 단면적이 커지도록, 상기 직경 방향 간극 δ1이 설정된다. 상기 토출구(12Ba)의 「총 단면적」이란, 각각의 토출구(12Ba)를 동 토출구(12Ba)의 축선 방향과 수직인 평면에서 절단하여 본 단면에서의, 면적의 토출구 개수분의 총계를 말한다. 상기 「직경 방향 단면적」이란, 이 베어링 장치를 이 축심과 수직인 평면에서 절단하여 본 단면에 있어서, 내륜 스페이서(5)의 외주면과 외륜 스페이서(4)의 내주면과의 사이에서 형성되는 직경 방향 간극부의 면적의 2배를 말한다. 2배로 하는 것은, 이 실시형태에서는, 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어가, 내륜 스페이서(5)의 외주면과 외륜 스페이서(4)의 내주면과의 사이에서 형성되는 직경 방향 간극부를 축 방향 양측으로 흐르기 때문이다. 전술한 바와 같이 직경 방향 간극 δ1이 설정되므로, 각각의 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어를, 주축 표면에 접촉시키면서 회전 방향을 따라 원활하게 또한 안정적으로 흐르게 하는 것이 가능해진다.
윤활 구조에 대하여 설명한다. 도 41에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4)는, 베어링 내에 에어 오일을 공급하는 에어 오일 공급구(28)를 가진다. 에어 오일 공급구(28)는 롤링 베어링(1, 1)마다 각각 설치되어 있다. 도 40에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4)에는, 각 에어 오일 공급구(28)와 연통되는 에어 오일 공급공(51, 51)이 각각 형성되어 있다. 각 에어 오일 공급공(51)은, 외륜 스페이서(4)의 외주면으로부터 직경 방향 내측에 소정 깊이로 형성되고, 구멍 아래 부근부에서 에어 오일 공급구(28)와 연통된다. 도 41에 나타낸 바와 같이, 각 에어 오일 공급구(28)는, 상기 구멍 아래 부근부로부터 대상으로 하는 베어링 측을 향함에 따라 내경측에 이르도록 경사지는 경사 각도를 가지는 관통공형으로 형성되어 있다. 이 예의 각 에어 오일 공급구(28)는, 동 에어 오일 공급구(28)로부터 정해진 압력으로 토출된 에어 오일이, 예를 들면, 내륜 궤도면과 전동체(8)와의 경계 부근에 닿도록 경사 각도가 규정된다.
하우징(6)에 에어 오일용의 베어링 박스 공급공(52)이 형성되고, 이 베어링 박스 공급공(52)에 상기 에어 오일 공급공(51)이 연통되도록 구성되어 있다. 하우징(6)의 외부에는, 베어링 박스 공급공(52)에 에어 오일을 공급하는 에어 오일 공급 장치(45)가 배관 접속되어 있다. 운전 중, 에어 오일 공급 장치(45)로부터 공급된 에어 오일은, 순차적으로, 베어링 박스 공급공(52)→에어 오일 공급공(51)→에어 오일 공급구(28)→내륜 궤도면으로 토출되도록 되어 있다.
배기 구조에 대하여 설명한다. 이 베어링 장치에는, 에어 오일을 배기하는 에어 오일 배기구(31)를 설치하고 있다. 에어 오일 배기구(31)는, 외륜 스페이서(4)에서의 원주 방향의 일부에 설치된 배기홈(32)과, 하우징(6)에 설치되어 상기 배기홈(32)과 연통되는 베어링 박스 배기홈(33) 및 베어링 박스 배기공(34)을 가진다. 상기 외륜 스페이서(4)의 배기홈(32)은, 에어 오일 공급공(51)이 형성되는 위치와는 대각의 원주 방향 위치에서, 베어링 배면측의 외륜 단면에 노출되는 외륜 스페이서(4)의 단면에 슬릿형으로 형성된다. 하우징(6)의 베어링 박스 배기홈(33)은, 상기 외륜 스페이서(4)의 배기홈(32)과 동일한 원주 방향 위치에 걸쳐 형성되고, 축 방향으로 연장되는 베어링 박스 배기공(34)과 연통된다. 롤링 베어링(1)의 윤활에 제공된 에어와 오일은, 베어링 내를 축 방향으로 관통하여 외부로 방출되면, 상기 배기홈(32)으로부터, 베어링 박스 배기홈(33) 및 베어링 박스 배기공(34)을 경로로 하여 외부로 방출된다. 또한 이 예에서는, 내륜 스페이서 냉각 후의 냉각 에어를, 상기 에어 오일 배기구(31)로부터 배기하도록 하고 있다. 바꾸어 말하면, 에어 오일의 배기 경로와, 냉각 에어의 배기 경로를 공통화하고 있다.
도 42는, 이 냉각 구조에서의, 냉각 에어의 토출구(12Ba)의 오프셋량과 내륜(3)의 하강 온도와의 관계를 나타낸 도면이다. 시험에 있어서, 내륜(3)의 내경 치수가 φ70㎜의 앵귤러 볼베어링을 에어 오일 윤활에 의해 17000 min―1로 운전하고, 냉각 없음(에어 압력 0 kPa)과 냉각 시(에어 압력 400 kPa)에서의 내륜(3)의 하강 온도를, 토출구(12Ba)의 오프셋량의 관계로 본 것이다. 각각의 토출구(10)의 오프셋의 방향은, 각각의 토출구(12Ba)로부터 토출하는 에어의 흐름이 주축(7) 및 내륜(3)의 회전 방향과 같아지도록 정해져 있다.
시험의 결과, 토출구(12Ba)의 오프셋량 OS가 커질수록, 내륜(3)의 온도 하강은 크게 되어 있고, 주축 반경의 약 0.5배로부터 주축 표면의 접선 위치 부근에서, 최대의 하강 온도로 되는 것을 알 수 있다. 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)를 오프셋하고, 에어 흐름을 내륜 회전 방향으로 함으로써, 냉각 에어가 회전 방향으로 안정적으로 흘러, 효과적으로 내륜 스페이서(5)의 표면의 열을 흡수하고 있는 것으로 생각된다.
도 43은, 내륜 스페이서(5)의 구멍(56)(도 40)의 유무에 따른, 내륜 하강 온도의 비교 결과를 나타낸 도면이다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 내륜 스페이서(5)에 직경 방향의 구멍(56)이 있는 경우에는, 구멍(56)이 없는 경우와 비교하여, 내륜(3)의 온도 하강이 크게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)로부터 토출된 냉각 에어가 구멍(56)을 통하여 주축(7)의 외표면까지 도달하여, 주축(7)을 직접 냉각하고 있는 것으로 생각된다.
이상의 발명의 구성에 있어서 실제로 도 39에 나타낸 바와 같이, 세라믹 내륜 베어링(1)을 내장하여 운전 시험을 실시한 결과가 도 44가 된다. 이 운전 시험에서의 각각의 토출구(12Ba)의 오프셋량 OS는, 각각 33.6㎜이며, 냉각 에어 없음(에어 압력 0 kPa)과 냉각시(에어 압력 300 kPa)에서 비교한 것이며, 각 베어링(1)의 내륜(3) 및 외륜(2)의 온도를 각각 검출하였다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 회전 속도가 19000 min―1일 때, 냉각을 행함으로써, 내륜 온도는 10℃ 이상의 온도 하강이 인정되었다. 또한 내륜 온도가 60℃ 도달했을 때를 고속 한계로 한다면, 냉각 없을 때의 회전 속도 19000 min―1에 대하여, 냉각을 행함으로써 21000 min―1까지의 고속화가 도모되게 된다. 냉각에 의해 내륜 온도가 낮아지는 것은, 그만큼 베어링 예압이 감소하고 있는 것에 의해, 고속화가 가능하다고 할 수 있다.
이상 설명한 베어링 장치의 냉각 구조에 의하면, 내륜 스페이서(5)의 외주면에, 외륜 스페이서(4)에 설치한 토출구(12Ba)로부터 압축 에어를 토출함으로써, 간접적으로 롤링 베어링(1)의 냉각을 행할 수 있다. 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어는, 내륜 스페이서(5)를 냉각시키고, 또한 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)의 위치가 전술한 바와 같이 오프셋됨으로써, 토출구(12Ba)가 주축 표면의 접선 방향으로 또한 회전 방향을 향하고, 주축(7)의 냉각을 행한다. 시험의 결과, 토출구(12Ba)의 오프셋량 OS가 커질수록, 내륜 온도의 하강이 크게 되어 있다. 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)를 오프셋하고, 에어 흐름을 내륜 회전 방향으로 함으로써, 냉각 에어가 회전 방향으로 안정적으로 흘러 효과적으로 내륜 스페이서(5)의 표면과 주축(7)의 열을 흡수할 수 있다.
여기서 외륜 스페이서(4)의 압축 에어의 토출구(12Ba)를 내륜(3) 및 주축(7)의 회전 방향의 전방으로 경사지게 한 것은, 예를 들면, 공작 기계의 주축과 같이 회전 방향이 일정한 경우에 유효하고, 외륜 스페이서(4)와 내륜 스페이서(5)와의 사이의 간극 δ1에 있어서, 양호한 에어 흐름을 기대할 수 있어, 냉각 효과가 커지는 것을 실험에 의해 확인한 결과에 의한 것이다. 또한, 외륜 스페이서(4)로부터 토출된 압축 에어는, 내륜 스페이서(5)와 주축(7)의 냉각에 기여한 후, 베어링 내를 통과하여 베어링 외부로 배출되지만, 이 때 베어링 내의 냉각도 동시에 행해지게 된다. 이와 같이 압축 에어를 이용하여 효율적 또한 합리적으로 베어링을 냉각시킬 수 있다.
따라서, 베어링 장치를 복잡한 구조로 하지 않고, 또한 고가의 부대 설비도 필요없이 저렴한 장치로 베어링(1) 및 주축(7)의 온도를 저하시킬 수 있다. 운전 중인 베어링 온도의 저하가 도모됨으로써, 베어링 예압의 증대가 완화되어 베어링 즉 베어링 장치의 새로운 고속화, 즉 가공 효율의 향상 또는 베어링 수명의 연장을 도모할 수 있다. 운전 중인 베어링 온도의 저하와 주축 온도 저하에 의한 내륜의 직경 방향 팽창량의 억제에 의해, 베어링 예압의 증대가 완화된만큼, 초기 예압을 크게 할 수 있어, 저속에서의 주축 강성을 높이는 동시에 가공 정밀도의 향상을 기대할 수 있다.
내륜 스페이서(5)에 직경 방향의 구멍(56)을 형성하였으므로, 토출된 압축 에어가, 내륜 스페이서(5)의 구멍(56)을 통하여 주축(7)의 외표면까지 도달하므로, 내륜 스페이서(5)와 함께 주축(7)을 냉각시킬 수 있다. 이와 같이 압축 에어로 주축(7)을 직접 냉각시킬 수 있으므로, 내륜 스페이서(5)에 구멍이 없는 것보다, 내륜(3)의 온도 하강을 크게 할 수 있다.
내륜 스페이서(5)의 구멍(56)은 원주 방향을 따라 복수 형성되어 있으므로, 내륜 스페이서(5)에 예를 들면, 1개의 구멍(56)을 형성하는 것보다, 주축(7)을 직접 냉각시키는 냉각 효과도 높일 수 있다. 또한 에어 오일의 배기 경로와, 냉각 에어의 배기 경로를 공통화하고 있으므로, 장치 구조를 간소화할 수 있어, 제조 비용의 저감이 도모된다.
도 45에 나타낸 제8 실시형태와 같이, 내륜 스페이서(5)의 외주면에, 홈(5a)을 형성한 것이라도 된다. 이 예에서는, 내륜 스페이서(5)의 홈(5a)을, 내륜 스페이서(5)의 축심을 포함하는 평면에서 절단하여 본 단면이 V자 형상으로 되도록 형성하고 있다. 또한, 이 단면 V자 형상으로 이루어지는 홈(5a)을 축 방향으로 소정 간격을 두고 배열된 복수 개의 원주홈 또는 나선홈으로 하고 있다. 상기 홈(5a)에 의해 내륜 스페이서(5)의 표면적을 크게 하고, 스페이서 표면으로부터의 방열을 효율적으로 행할 수 있다. 상기 홈(5a)은, 단면 V형상 홈 이외의 예를 들면, 단면이 오목형상 홈이라도 된다. 또한, 내륜 스페이서(5)는, 베어링 강 등의 강재(鋼材)보다 열방사율이 큰 재질로 이루어지는 것으로 하는 것이 바람직하고, 이 경우, 더욱 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.
도 46에 나타낸 제9 실시형태와 같이, 내륜 스페이서(5)의 구멍(56)이, 직경 방향 외측을 향함에 따라, 내륜(3) 및 주축(7)의 회전 방향 L1과는 역각도(도 46에서 각도 β로 표기)로 경사지도록 경사지는 경사형의 구멍(56)으로 해도 된다. 이 경우, 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어를, 경사형의 구멍(56)에 의해 효과적으로 트랩(trap)할 수 있다. 그 결과, 주축(7)의 표면에 대한 에어량이 많아지게 되어, 효과적으로 주축(7)이 냉각된다.
도 47에 나타낸 제10 실시형태와 같이, 내륜 스페이서(5)의 외주면에 홈(5a)을 형성한 구성에 있어서, 상기 내륜 스페이서(5)의 내주면에, 구멍(56)의 직경 치수보다 큰 폭으로 원주홈(5b)을 형성해도 된다. 이 경우, 외륜 스페이서(4)의 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어가, 구멍(56)으로부터 유입되고, 상기 원주홈(5b) 내를 흐른다. 그 결과, 주축 표면 전체 주위에 냉각 에어가 진행하게 되어, 주축 표면에 직접, 냉각 에어가 접촉하는 면적을 증대시킬 수 있다. 따라서, 주축(7)을 직접 냉각시키는 냉각 효과를 더욱 높일 수 있다.
도 48에 나타낸 제11 실시형태와 같이, 외륜 스페이서(4A)는, 베어링 내에 에어 오일을 공급하는 에어 오일 공급구(28)를 가지고, 외륜 스페이서(4A)는, 베어링 내로 돌출되어 내륜 외경면(3a)과의 사이에서 에어 오일 통과용의 환형 간극 δ2를 통하여 대면하는 돌출부(27)를 포함하는 것이라도 된다. 이 예의 외륜 스페이서(4A)는, 외륜 스페이서 본체(10A)와, 이 외륜 스페이서 본체(10A)와는 별체로 구성된 노즐(10B, 10B)을 가진다. 외륜 스페이서 본체(10A)는 단면이 대략 T자 형상으로 형성되고, 외륜 스페이서 본체(10A)의 양 측부에, 링형의 노즐(10B, 10B)이 각각 끼워넣어져 좌우 대칭으로 고정되어 있다. 각 노즐(10B)에, 베어링 내로 돌출하는 돌출부(27)가 형성되어 있다.
외륜 스페이서 본체(10A)에 있어서, 각 노즐(10B)과의 맞닿은 면인 양 측면(10Aa, 10Aa) 및 내주면(10Ab, 10Ab)에는, 각각 연마 가공이 행해져 있다. 이들 각각의 측면(10Aa)와 내주면(10Ab)와의 코너부에는, 연마를 위한 인덴트가 형성되어 있다. 각 노즐(10B)의 내측면 및 외주면에도, 각각 연마 가공이 행해져 있다. 또한 각 노즐(10B) 중 각각의 상기 측면(10Aa)과의 맞닿은 면에는, 에어 오일 공급구(28)로부터의 에어 오일 누출을 방지하는 환형의 실링 부재(38)가 설치되어 있다. 내륜 외경면(3a)에서의, 에어 오일 공급구(28)에 대향하는 위치에는, 환형 오목부(3Aa)가 형성되어 있다. 상기 환형 간극 δ2는, 전술한 직경 방향 간극 δ1과 마찬가지로, 다음과 같이 설정된다. 외륜 스페이서(4A)의 토출구(12Ba)의 총 단면적보다도, 내륜 외경면(3a)과 돌출부(27)의 내주면과의 사이에서 형성되는 환형 간극 δ2의 직경 방향 단면적이 커지도록, 상기 환형 간극 δ2이 설정된다.
도 48의 구성에 의하면, 에어 오일 공급구(28)로부터 토출된 에어 오일은, 내륜 외경면(3a)의 환형 오목부(3Aa)에 도입되어 부착된다. 이 부착된 오일을, 오일의 표면 장력과 원심력을 이용하여 내륜 궤도면에 도입하여 베어링(1)의 윤활에 사용한다. 돌기부(27)를 베어링 내에 삽입한 데 더하여, 에어 오일을 내륜(3)에 의해 접근하여 토출시킬 수 있으므로, 베어링(1)의 윤활 및 냉각 기능을 높일 수 있다. 냉각용의 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어는, 상기 환형 간극 δ2를 통하여 베어링 내에 도입되어, 베어링 내에서 열을 흡수하여 배기된다. 이와 같이 내륜 스페이서(5)에서의 냉각과 함께, 베어링 내에서의 냉각 기능도 있어, 보다 효과적인 베어링 냉각을 행할 수 있다. 상기 환형 간극 δ2를 전술한 바와 같이 설정함으로써, 냉각용의 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어를, 도 48 중의 화살표 A1으로 나타낸 바와 같이, 내륜 외경면(3a)과 노즐(10B)에 의해 형성되는 환형 간극 δ2를 통하여, 확실하게 베어링 내에 도입할 수 있다. 따라서, 압축 에어는 베어링 내에서 열을 흡수하여 배기되게 된다.
또한, 이 구성에서는, 외륜 스페이서(4A)의 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어가, 확실하게 베어링 내를 통과하여 배기되므로, 지금까지의 실시형태와 같이 베어링 윤활용의 에어 오일 공급구(28)를, 토출구(12Ba)와는 별개로 설치하는 것이 아니라, 에어 오일을 상기 토출구(12Ba)로부터 분출하는 구성으로 해도 된다. 환언하면, 에어 오일 공급구(28)와 압축 에어의 토출구(12Ba)를 겸용시켜도 된다. 이 경우, 에어 오일을 공급하기 위한 에어량 삭감과 에어 오일 전용의 구멍수 삭감을 도모할 수 있어, 장치 구조를 간소화할 수 있다. 이로써, 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.
도 49에 나타낸 제12 실시형태의 구성으로 해도 된다. 즉 전용의 에어 오일 공급구(28)(도 48)를 생략하고, 에어 오일 공급구(28)와, 압축 에어의 토출구(12Ba)를 겸용시킨다. 또한 내륜 스페이서(5A)의 내주면에서의, 주축과 끼워맞추어지는 부분의 원주 방향의 일부에, 축 방향으로 연장되는 축 방향 홈(16)을 형성한다. 또한, 상기 내륜 스페이서(5A)에서의 축 방향 양 단면의 원주 방향의 일부에, 상기 축 방향 홈(16)과 연통되고 반경 방향으로 연장되는 직경 방향 홈(15, 15)을 형성하는 구성으로 한다. 이 구성에 의하면, 내륜 스페이서(5A)의 구멍(56)을 통하여 이 내주면에 토출된 에어 오일은, 도 49의 화살표 A2에 나타낸 바와 같이, 주축(7) 및 내륜 스페이서(5A)의 냉각과 함께, 축 방향 홈(16), 직경 방향 홈(15, 15)을 순차적으로 통과하여, 내륜(3)의 냉각을 효과적으로 행할 수 있다. 또한 에어 오일이 직경 방향 홈(15)을 통과할 때, 오일이 내륜 단면에 부착되어 부착 흐름으로 되므로, 롤링 베어링(1)의 윤활유로서 확실하게 이용할 수 있게 된다.
도 50 내지 도 52는 제13 실시형태를 나타낸다. 이 냉각 구조는, 내륜의 온도 상승이 커져, 예압 과대가 문제로 되는 고속용 주축용의 앵귤러 볼베어링으로 이루어지는 베어링 장치에 대하여 사용하는 데 적합하다. 도 50에 나타낸 바와 같이, 각각의 롤링 베어링(1, 1)의 외륜(2, 2) 및 외륜 스페이서(4A)는, 하우징(6)의 스텝부(6a)와 단면 커버(40)에 의해, 축 방향의 위치 결정이 행해진다. 또한, 각각의 롤링 베어링(1, 1)의 내륜(3, 3) 및 내륜 스페이서(5)는, 양측의 위치 결정 스페이서(41, 42)에 의해, 축 방향의 위치 결정이 행해진다. 도면에서의 좌측의 위치 결정 스페이서(42)는, 주축(7)의 외주(外周)에 나사결합시킨 너트(43)에 의해 고정된다. 외륜 스페이서(4A)는, 도 48의 제11 실시형태와 마찬가지로, 외륜 스페이서 본체(10A)와 에어 오일용의 한 쌍의 노즐(10B, 10B)로 이루어지는 구성이며, 외륜 스페이서 본체(10A)와 내륜 스페이서(5)의 폭 치수 차이에 의해, 롤링 베어링(1)의 초기 예압을 설정하여 사용한다.
이 베어링 장치의 냉각 구조에서는, 내륜 스페이서(5)의 외주면에 형성되는 구멍(56)으로서, 비관통공으로서 내륜 스페이서(5)의 외주면에 대하여 오목한 버킷(bucket) 형상의 구멍이 형성되어 있다. 버킷 형상의 구멍(56)은, 도 51에 나타낸 바와 같이, 축회전 방향 L1의 전방으로 갈수록 바닥부 깊이가 깊어지는 경사형이다. 도면의 예의 버킷 형상의 구멍(56)은, 도 52와 같이 외경측에서 볼 때 축회전 방향 L1의 전방단이 원호형으로 되어 있지만, 원호형이 아니어도 된다.
구멍(56)을 상기 버킷 형상으로 하면, 외륜 스페이서(4A)의 토출구(12Ba)로부터 토출된 압축 에어를 구멍(56)이 효과적으로 받을 수 있으므로, 주축(7)의 구동력을 더 한층 보조할 수 있다. 버킷 형상의 구멍(56)을 형성한 것의 효과를 확인하기 위해서, 도 49에 나타낸 제13 실시형태의 구성의 베어링 장치에 의해 시험을 행하였다.
시험은, 압축 에어에 의한 주축(7)의 구동력의 보조를, 구동 모터의 소비 전력으로 치환한 방법으로 행하고, 내륜 스페이서(5)에 버킷 형상의 구멍(56)이 없는 경우와, 어떤 경우의 모터 소비 전력의 차이를 보았다. 롤링 베어링(1)으로서는, 내경 φ70㎜의 앵귤러 주축을 사용하였다. 압축 에어의 분사 압력은 400 kPa로 하였다. 주축(7)의 구동은, 도 50의 지면(紙面) 좌측에 배치된 빌트인(built in) 모터(도시하지 않음)에 의한 것이다. 도 53은, 모터의 소비 전력값을 회전 속도의 관계로 정리한 경우의 결과를 나타낸다. 도 54는, 이 때의 롤링 베어링(1)의 온도 결과를 나타낸다.
시험의 결과로부터, 버킷 형상의 구멍(56)이 있는 경우에는, 없는 경우와 비교하여 모터 소비 전력이 작아지는 것을 알 수 있다. 이것은, 버킷 형상의 구멍(56)에 의한 구동력의 증가에 의해, 모터의 소비 전력이 저감된 것이라고 할 수 있다. 또한, 20000 min―1에서의 모터 소비 전력은, 버킷 형상의 구멍(56)이 있으므로, 약 100W 저감되었다. 베어링 온도도 버킷 형상의 구멍(56)이 있는 경우, 없는 경우와 비교하여 낮아지고 있다. 이것은, 모터의 소비 전력이 저감된 것에 의해, 모터의 발열이 경감되어 모터부로부터 롤링 베어링(1)으로의 전달열이 작게 되었던 것으로 추정할 수 있다. 특히, 내륜(3)의 온도가 외륜(2)의 온도에 비해 크게 저하되어 있고, 모터 로터의 승온(昇溫)이 억제되어 있는 것을 알 수 있다.
회전하고 있는 내륜 스페이서(5)의 버킷 형상의 구멍(56)에 대하여, 외륜 스페이서(4A)의 토출구(12Ba)로부터 압축 에어를 분사하면, 구멍(56)의 공간에서 분사음이 발생하는 동시에, 복수 개의 구멍(56)에 의한 풍절음(風切音; wind noise)이 발생한다. 이들 소음을 저감하기 위해서는, 도 55 또는 도 56에 나타낸 제14 또는 제15 실시형태의 구성으로 하면 된다.
도 55의 제14 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조는, 외륜 스페이서(4A)의 노즐(10B)의 내주면에서의 축 방향 외단 부분과, 내륜 스페이서(5)의 외주면에서의 구멍(56)의 축 방향 외측 부분과의 사이의 직경 방향 간극 δa의 치수를 작게 하였다. 이 예에서는, 노즐(10B)의 축 방향 외단부에 내경측으로 돌출하는 볼록부(10Ba)를 형성함으로써 상기 직경 방향 간극 δa의 치수를 작게 하고 있지만, 내륜 스페이서(5)의 축 방향 양 단부에 외경측으로 돌출하는 볼록부(도시하지 않음)를 형성함으로써 상기 직경 방향 간극 δa의 치수를 작게 해도 된다.
도 56의 제15 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조는, 내륜 스페이서(5)의 외주면에서의 버킷 형상의 구멍(56)을 포함하는 축 방향 중앙부를 외경측으로 돌출하는 볼록부(5c)로 하는 동시에, 노즐(10B)의 내주면을 축 방향 중앙부의 내경이 큰 단차가 형성된 형상으로 하고, 내륜 스페이서(5)의 볼록부(5c)의 양측 측면과 노즐(10B)의 단면에 의해 축 방향 간극 δb를 형성하고 있다.
상기 직경 방향 간극 δa 및 축 방향 간극 δb의 간극 면적은, 냉각용의 압축 에어의 배기를 고려하여, 압축 에어의 토출구(12Ba)의 총 단면적에 대하여 10배 정도로 한다. 여기서 말하는 간극 면적은, 축 방향 양측에 있는 직경 방향 및 축 방향 간극 δa, δb 중 한쪽의 간극의 면적이다. 그리고, 직경 방향 간극 δa의 간극 면적은, (직경 방향 간극 δa의 간극 치수)×(직경 방향 간극 δa의 원주 길이)에 의해 산출되고, 축 방향 간극 δ의 간극 면적은, (축 방향 간극 δb의 간극 치수)×(축 방향 간극 δb의 원주 길이)에 의해 산출된다. 이것은 시험의 결과로부터 도출된 수치이며, 상기한 토출구(12Ba)의 총 단면적과 간극 면적과의 관계로 함으로써, 냉각용의 압축 에어의 유량의 감소가 적어, 합리적인 저소음화가 도모된다.
도 57, 도 58에 나타낸 제16, 제17 실시형태와 같이, 외륜 스페이서(4A)가, 내륜(3)의 궤도면에 직접 에어 오일을 토출하는 에어 오일 공급구(28)를 가지는 구성인 경우에도, 상기와 마찬가지로, 압축 에어에 의한 소음을 저감시키는 구성을 적용할 수 있다. 즉, 도 57에 나타낸 제16 실시형태와 같이, 외륜 스페이서(4)의 노즐(10B)의 내주면과, 내륜 스페이서(5)의 외주면에서의 구멍(56)의 축 방향 외측 부분과의 사이의 직경 방향 간극의 간극 치수 δa를 작게 한다. 또한, 도 58에 나타낸 제17 실시형태와 같이, 내륜 스페이서(5)의 외주면에서의 버킷 형상의 구멍(56)을 포함하는 축 방향 중앙부를 외경측으로 돌출하는 볼록부(5c)로 하는 동시에, 외륜 스페이서 본체(10A)보다 노즐(10B)을 내경측으로 돌출시키고, 내륜 스페이서(5)의 볼록부(5c)의 양측 측면과 노즐(10B)의 내경측으로 돌출된 부분의 측면에서, 축 방향 간극 δb를 형성한다.
도 59 및 도 60은, 제18 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조를 나타낸다. 도 60에 나타낸 바와 같이, 내륜 스페이서(5)의 구멍(56)은, 내륜 스페이서(5)의 외주면으로부터 내주면으로 갈수록 주축(7)의 회전 방향 L1 측에 위치하는 경사 구멍으로 해도 된다. 구멍(56)이 경사 구멍이면, 토출구(12Ba)로부터 토출되는 압축 에어의 분사 압력을 구멍(56)이 효율적으로 받을 수 있어, 주축(7)의 구동력을 어시스트하는 효과가 높다. 그리고, 이 예에서는, 외륜 스페이서(4)의 각각의 토출구(12Ba)에, 각각 개별적인 냉각 에어 공급공(17)에 의해 압축 에어가 공급되고 있다.
도 61에 나타낸 제19 실시형태와 같이, 내륜 스페이서(5)의 구멍(56)을, 바닥부 측으로 갈수록 주축(7)의 회전 방향 L1에 경사진 경사 오목부라도, 상기 경사 구멍과 마찬가지의 효과가 얻어진다.
외륜 스페이서(4)의 축 방향의 길이를 비교적 길게 취할 수 있는 경우에는, 도 62에 나타낸 제20 실시형태와 같이, 외륜 스페이서(4)의 축 방향이 상이한 복수 개소에 압축 에어의 토출구(12Ba, 12Ba)를 설치해도 된다. 각각의 토출구(12Ba)는, 모두 주축(7)의 회전 방향의 전방으로 경사지게 한다. 이와 같이, 토출구(12Ba, 12Ba)를 축 방향의 복수 개소에 설치함으로써, 주축(7)의 구동력을 더 한층 어시스트할 수 있다.
도 63 내지 도 65에 나타낸 제21 실시형태는, 머시닝 센터의 주축과 같이 정역(正逆) 양 방향으로 회전하는 주축을 지지하는 데 적절한 베어링 장치의 냉각 구조를 나타낸다. 도 63에 나타낸 바와 같이, 이 냉각 구조의 외륜 스페이서(4)에는, 축 방향이 상이한 2개소에 압축 에어의 토출구(12C, 12D)가 설치되어 있다. 한쪽의 토출구(12C)는, 도 64에 나타낸 바와 같이, 주축(7)의 정회전 방향 LA의 전방으로 경사지게 하고 있고, 다른 한쪽의 토출구(12D)는, 도 65에 나타낸 바와 같이, 주축(7)의 역회전 방향 LB의 전방으로 경사지게 하고 있다. 도 63에 나타낸 바와 같이, 압축 에어 공급 장치(55)로부터 하우징(6)의 냉각 에어용 공급공(17A, 17B)에 압축 에어를 보내는 경로에 전자(電磁) 제어 밸브(57)가 형성되어 있고, 이 전자 제어 밸브(57)를 제어함으로써, 냉각 에어용 공급공(17A, 17B)을 통하여 어느 한쪽의 토출구(12C, 12D)에 압축 에어가 공급된다.
이 구성에 의하면, 주축(7)의 정회전 시에는 토출구(12C)로부터 압축 에어를 토출시키고, 역회전 시에는 토출구(12D)로부터 압축 에어를 토출시킴으로써, 정역 양 회전 시에 주축(7)의 구동력을 어시스트할 수 있다. 또한, 주축(7)을 정회전 상태로부터 정지시킬 때 토출구(12D)로부터 압축 에어를 토출시키고, 주축(7)을 역회전 상태로부터 정지시킬 때 토출구(12C)로부터 압축 에어를 토출시키면, 주축(7)의 브레이크로서 활용할 수 있다.
도 66은, 롤링 베어링(1)이 원통 롤러 베어링인 제22 실시형태를 나타낸다. 이 베어링 장치는, 원통 롤러 베어링으로 이루어지는 롤링 베어링(1)의 양측에 2개의 외륜 스페이서(4A, 4B)가 각각 배치되고, 내륜(3)의 양측에 2개의 내륜 스페이서(5A, 5B)가 각각 배치되어 있다. 외륜(2) 및 외륜 스페이서(4A, 4B)는, 하우징(6)의 스텝부(6a)와 단면 커버(40)에 의해 축 방향의 위치 결정이 행해지고, 내륜(3) 및 내륜 스페이서(5A, 5B)는, 주축(7)의 스텝부(7a)와 주축(7)의 외주에 나사결합시킨 너트(43)에 의해 위치 결정이 행해진다.
외륜 스페이서(4A, 4B)의 내주면에는, 냉각용의 압축 에어를 토출하는 토출구(12C, 12D)가 각각 설치되고, 내륜 스페이서(5A, 5B)의 내주면에는, 토출구(12C, 12D)로부터 토출되는 압축 에어를 받는 구멍(56A, 56b)이 각각 형성되어 있다. 도 67에 나타낸 바와 같이, 서로 대향하는 외륜 스페이서(4A, 4B)와 내륜 스페이서(5A, 5B)에서의 토출구(12C, 12D)와 구멍(56A, 56B)의 위치 관계는, a1>b1, a2>b2로 하고 있다. 여기서, a1, a2는 외륜(2)의 단면으로부터 토출구(12C, 12D)까지의 거리, b1, b2는 내륜(3)의 단면으로부터 구멍(56A, 56b)까지의 거리이다.
원통 롤러 베어링은, 전동체(8)인 원통 롤러가 내외륜(3, 2)과 선 접촉하기 위해, 베어링의 양측으로부터 균등하게 냉각시키는 것이 바람직하다. 또한, 양측의 외륜 스페이서(4A)에 압축 에어의 토출구(12C, 12D)를 설치한 경우, 양측의 토출구(12C, 12D)로부터 토출되는 냉각용 에어가 서로 롤링 베어링(1)을 향해 흐르면, 베어링 내에서 냉각용 에어 및 에어 오일이 체류하여 과승온의 원인이 될 수도 있다. 예를 들면, 도 68과 같이, 외륜 스페이서(4A, 4B)의 압축 에어의 토출구(12C, 12D)와 내륜 스페이서(5A ,5B)의 구멍(56A, 56B)이 축 방향으로 오버랩하고 있으면, 오버랩 부분(overlap portion)(66, 67)에서 내륜 스페이서(5A, 5B)가 냉각용 에어를 받아 버려, 냉각용 에어의 일부가 베어링 내로 흘러 버린다. 토출구(12C, 12D)와 구멍(56A, 56b)의 위치 관계가 상기한 바와 같이 정해지면, 토출구(12C, 12D)로부터 토출되는 냉각용의 압축 에어를, 주축(7)의 구동력의 어시스트에 유효하게 이용하여, 원활하게 배출할 수 있다.
다음에, 그리스 윤활인 제23 실시형태에 대하여 설명한다. 동 실시형태의 기본 구성은, 전술한 제6 실시형태에 관한 도 35, 36에 나타낸 구성과 마찬가지이므로, 이들 도면을 원용해 새로운 도면은 생략한다. 이 베어링 장치(J)도, 에어 오일 윤활의 베어링 장치와 마찬가지로, 도 35, 36에 나타낸 바와 같이, 축 방향으로 배열되는 복수 개의 롤링 베어링(1, 1)의 외륜(2, 2) 사이 및 내륜(3, 3) 사이에, 외륜 스페이서(4) 및 내륜 스페이서(5)를 각각 개재시키고 있다. 각각의 롤링 베어링(1)으로서 앵귤러 볼베어링이 적용되고 있다. 내외륜(3, 2)의 궤도면 사이에 복수 개의 전동체(8)가 개재되고, 이들 전동체(8)가 유지기(9)에 의해 원주 균등 배치로 유지된다. 부가하여, 그리스 윤활인 이 베어링 장치(J)는, 외륜(2)의 축 방향 양단에, 외륜(2)과 내륜(3)과의 사이의 베어링 공간 S1을 밀봉하는 실링 부재(38, 38)가 각각 장착되어 있다.
상기 실시형태에서는, 토출구(12Ba) 및 절결부(18)가 같은 원주 방향 위치에 배치되어 있지만, 도 70에 나타낸 제24 실시형태와 같이, 토출구(12Ba) 및 절결부(18)를 서로 원주 방향 위치를 어긋나게 하여 배치해도 된다. 토출구(12Ba) 및 절결부(18)의 주위 방향 위치가 서로 어긋나 있으면, 토출구(12Ba)로부터 스페이서 공간 S2에 공급된 압축 에어(A)가, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 따라 절결부(18)까지 흐를 때, 축 방향 외측으로의 이동에 더하여 원주 방향의 이동을 수반하므로, 압축 에어(A)가 내륜 스페이서(5)와 접하는 시간이 길어져, 베어링 장치(J) 및 주축(7)을 냉각시키는 효과가 높아진다.
도 71은, 도 69 및 도 70에 나타낸 제23 및 제24 실시형태에 관한 베어링 장치가 내장된 공작 기계의 주축 장치의 일부를 나타낸 단면도이다. 주축 장치의 구성은 도 50에 나타낸 제13 실시형태의 것과 같으므로, 주축 장치의 각 부의 설명은 생략한다.
본 발명의 제25 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조를 도 72a, 72b 내지 도 74와 함께 설명한다. 이 제25 실시형태는, 후술하는 바와 같이, 상기 제1 실시형태와 달리, 각각의 외륜 스페이서(4)는, 그 축 방향 단부에, 롤링 베어링(1)에 에어 오일(에어와 오일의 혼합물) AO를 공급하는 오일 공급구(28A, 28B)를 가진다. 또한, 각각의 외륜 스페이서(4)의 내주면에, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 향해 냉각용 에어(A)를 토출하는 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)를 설치한다. 각각의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)로부터 각각 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량 또는 압력의 관계는, 에어 오일(AO)의 흐름 방향의 하류측에 위치하는 외륜 스페이서(4)의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)가, 에어 오일(AO)의 흐름과 역행하지 않는 관계로 한 점에서 제1 실시형태와 상위하다. 도 72a는 베어링 장치(J)가 공작 기계의 주축 장치에 내장된 상태를 나타냈지만, 공작 기계에 한정되는 것은 아니다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 이 베어링 장치(J)는, 4개의 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)가 축 방향으로 나란히 배치되고, 인접하는 롤링 베어링의 각각의 외륜(2) 사이 및 각각의 내륜(3) 사이에, 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R) 및 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)를 각각 개재시키고 있다.
베어링 장치(J)는, 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)의 각각의 외륜(2) 및 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)가 하우징(6)의 내주면에 끼워맞추어지고, 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)의 각각의 내륜(3) 및 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)가 공작 기계의 주축(7)의 외주면에 끼워맞추어져 있다. 예를 들면, 외륜(2) 및 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)는 하우징(6)에 대하여 간극 끼워맞춤으로 되고, 내륜(3) 및 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)는 주축(7)에 대하여 조여져 끼워지게 된다. 도면의 우측단의 롤링 베어링(1D)의 외륜(2)은 하우징(6)의 스텝부(6a)에 의해 축 방향의 위치 결정이 행해지고, 동 롤링 베어링(1D)의 내륜(3)은 주축(7)의 스텝부(7a)에 의해 축 방향의 위치 결정이 되어 있다. 또한, 도면의 좌측단의 롤링 베어링(1A)의 외륜(2)에 외륜 가압구(31)를 가압하는 동시에, 동 롤링 베어링(1A)의 내륜(3)에 대하여 너트(32)의 체결에 의해 위치 결정 스페이서(33)를 강하게 가압함으로써, 베어링 장치(J)가 하우징(6)에 예압을 부여한 상태로 고정되어 있다.
각각의 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)은 앵귤러 볼베어링이며, 내외륜(3, 2)의 궤도면 사이에 복수 개의 전동체(8)를 가지고, 이들 전동체(8)가 유지기(9)에 의해 원주 균등 배치로 유지되어 있다. 좌측 2개의 롤링 베어링(1A, 1B) 및 우측 2개의 롤링 베어링(1C, 1D)은 모두, 서로 병렬 조합이며, 중앙의 2개의 롤링 베어링(1B, 1C)는 서로 배면 조합이다. 각각의 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)의 외륜(2) 및 각각의 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)가 주축 장치의 하우징(6)에 설치되고, 각각의 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)의 내륜(3) 및 각각의 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)가 주축(7)의 외주면에 끼워맞추어져 있다.
상기 베어링 장치(J)의 냉각 구조에 대하여 설명한다. 도 72a, 72b 내지 도 74에 나타낸 바와 같이, 각각의 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 내주면과 각각의 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)의 외주면과의 사이에는 직경 방향 간극 δ(도 72b)이 형성되어 있고, 각각의 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 내주면에, 각각의 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)의 외주면을 향해 냉각용 에어(A)를 토출하는 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)가 설치되어 있다. 이들 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)는, 예를 들면, 원주 방향으로 균등하게 배치로 복수 개소에 설치되어 있다. 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)는, 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)마다 1개라도 된다.
이 실시형태의 경우, 도 74에 나타낸 바와 같이, 각각의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)는, 그 에어 토출 방향을, 내륜(3) 및 주축(7)의 회전 방향 L1의 전방으로 경사지게 하고 있다. 즉, 각각의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)는, 상기 실시형태와 마찬가지로, 각각 직선형으로서, 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 축심에 수직인 단면에서의 임의의 반경 방향의 직선 L2로부터, 이 직선 L2와 직교하는 방향으로 오프셋(오프셋량 OS)한 위치에 있고, 상기 직선 L2와 평행하게 되어 있다. 또한, 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)에는, 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)와 같은 축 방향 위치에, 직경 방향으로 관통하는 구멍(56)이 원주 방향으로 균등하게 배치로 복수 개 설치되어 있다.
외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 외주면에는, 냉각용 에어(A)를 도입하는 환형의 외부 도입구(14)가 설치되어 있다. 이 외부 도입구(14)는, 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 외주면에서의 축 방향 중간부에 설치되고, 각각의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)와 같은 방향으로 연장되는 접속공(14a)을 통하여 각각의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)와 연통되어 있다. 베어링 장치(J)의 외부에 설치된 블로어 등의 냉각용 에어 공급 장치(55)로부터, 하우징(6)에 설치한 냉각용 에어 도입공(17A, 17B)를 통하여, 외부 도입구(14)에 냉각용 에어(A)가 공급된다. 상세하게는, 냉각용 에어 도입공(17A)에 의해 중앙의 외륜 스페이서(4M)에 설치된 냉각용 에어 토출구(12M)에 압축 에어가 공급되고, 2개의 냉각용 에어 도입공(17B)에 의해 좌우의 외륜 스페이서(4L, 4R)에 설치된 냉각용 에어 토출구(12L, 12R)에 각각 압축 에어가 공급된다.
이 실시형태의 경우, 각각의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)의 구경은 같지만, 냉각용 에어 공급 장치(55)로부터 냉각용 에어 도입공(17A, 17B)에 송출하는 냉각용 에어(A)의 유량을 상이하게 함으로써, 중앙의 외륜 스페이서(4M)에 설치된 냉각용 에어 토출구(12M)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량 쪽이, 양측의 외륜 스페이서(4L, 4M)에 설치된 냉각용 에어 토출구(12L, 12R)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량보다 많게 하고 있다. 냉각용 에어 공급 장치(55)로부터 송출하는 냉각용 에어(A)의 유량 조정은, 예를 들면, 유량 조정 밸브 등에 의해 행한다. 예를 들면, 냉각용 에어 토출구(12M)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량을 「100」이라고 할 경우, 냉각용 에어 토출구(12L, 12R)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량을 「50」으로 한다.
바꾸어 말하면, 롤링 베어링(1B)[1C]을 통하여 인접하고, 이 중간의 롤링 베어링(1B)[1C]에 대하여 다른 한쪽의 외륜 스페이서(4M)로부터 후기하는 에어 오일(AO)을 공급하는 2개의 외륜 스페이서(4M, 4L)[4M, 4R]에 대하여, 상기 중간의 롤링 베어링(1B)[1C]에 공급되는 에어 오일(AO)의 흐름 방향의 상류측에 위치하는 외륜 스페이서(4M)의 냉각용 에어 토출구(12M)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량을, 하류측에 위치하는 외륜 스페이서(4L)[4R]의 냉각용 에어 토출구(12L)[12R]로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량보다 많게 했다. 그 이유에 대해서는, 다음에 상세하게 설명한다.
각각의 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 축 방향 양 단면에는, 절결로 이루어지는 냉각용 에어(A)의 배기구(58)가 설치되어 있다. 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)에 인접하여 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)의 외륜(2)이 배치됨으로써, 상기 절결이, 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)와 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)와의 사이의 공간과 베어링 장치(J)의 외부를 연통시키는 배기구(58)로 된다. 하우징(6)에는 배기공(60)이 형성되고, 이 배기공(60)이, 접속공(59)을 통하여 각각의 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 배기구(58)와 연통되어 있다.
다음에, 베어링 장치(J)의 윤활 구조에 대하여 설명한다. 이 베어링 장치(J)는, 오일과 에어의 혼합물, 예를 들면, 에어에 의해 액상의 오일을 반송하는 에어 오일에 의해 윤활한다. 에어 오일 대신에, 에어에 의해 안개형의 오일을 반송하는 오일 미스트로 해도 된다.
도 73에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 단면에, 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)의 베어링 공간에 에어 오일(AO)를 공급하는 오일 공급구(28A, 28B)가 설치되어 있다. 상세하게는, 중앙의 외륜 스페이서(4M)는, 양측의 롤링 베어링(1B, 1C)에 각각 에어 오일(AO)를 공급하는 제1 오일 공급구(28A)를 양 단면에 가진다. 양단의 외륜 스페이서(5L, 5R)는, 인접하는 양단의 롤링 베어링(1A, 1D)에 각각 에어 오일(AO)를 공급하는 제2 오일 공급구(28B)를 다른 한쪽의 단면에 가진다.
외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)에는, 상기 오일 공급구(28A, 28B)와 연통되는 오일 도입공(39)이 형성되어 있다. 오일 도입공(39)은, 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 외주면으로부터 직경 방향 내측에 소정 깊이로 형성되고, 구멍 아래 부근에서 오일 공급구(28A, 28B)와 연통된다. 각 오일 공급구(28A, 28B)는, 오일 도입공(39)으로부터 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)을 향함에 따라 내경측에 이르도록 경사진 관통공형으로 형성되어 있다. 베어링 장치(J)의 외부에 설치한 에어 오일 공급 장치(45)로부터, 하우징(6)에 설치한 에어 오일 공급공(10B)을 통하여, 오일 도입공(39)에 에어 오일(AO)이 공급된다.
이 베어링 장치(J)는, 운전 시 등에, 도 72b의 부분 확대도에 흰 화살표로 나타낸 바와 같이, 냉각용 에어 공급 장치(45)로부터 보내져 오는 냉각용 에어(A)가, 각각의 외륜 스페이서(4L, 4M)의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M)로부터 내륜 스페이서(5L, 5M)의 외주면을 향해 토출된다. 이로써, 내륜 스페이서(5L, 5M)를 냉각시키고, 다시 냉각된 내륜 스페이서(5L, 5M)에 의해 주축(7)을 냉각시킨다. 또한, 내륜 스페이서(5L, 5M)에, 냉각용 에어 토출구(12L, 12M)와 같은 축 방향 위치에 구멍(56)이 형성되어 있으므로, 냉각용 에어 토출구(12L, 12M)로부터 토출된 냉각용 에어(A)가 상기 구멍(56)을 통하여 주축(7)에 직접 닿아, 주축(7)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다. 각각의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M)의 에어 토출 방향이 내륜(3) 및 주축(7)의 회전 방향 L1의 전방으로 경사지게 하고 있으므로, 냉각용 에어(A)가 내륜 스페이서(5L, 5M)의 외주면 및 구멍(56)의 벽면에 닿을 때, 냉각용 에어(A)의 분사력을 내륜 스페이서(5L, 5M)에 부여할 수 있어, 주축(7)을 구동하는 작용을 기대할 수 있다.
냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)로부터 토출된 냉각용 에어(A)의 대부분은, 그 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)가 설치되어 있는 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 배기구(58)로부터, 접속공(59) 및 배기공(60)을 통하여, 주축 장치(J)의 외부로 배출된다. 중앙의 외륜 스페이서(4M)에 설치된 냉각용 에어 토출구(12M)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량 쪽이, 양측의 외륜 스페이서(4L, 4M)에 설치된 냉각용 에어 토출구(12L, 12R)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량보다 많게 한 것에 의해, 중앙의 외륜 스페이서(4M)와 내륜 스페이서(5M)와의 사이의 공간의 압력 쪽이, 외측의 외륜 스페이서(4L)[4R]와 내륜 스페이서(5L)[5R]와의 사이의 공간의 압력이 더욱 높아져 있다. 그러므로, 냉각용 에어 토출구(12M)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 일부는, 양측의 롤링 베어링(1B)[1C]을 빠져 나가, 외측의 외륜 스페이서(4L)[4R]와 내륜 스페이서(5L)[5R]와의 사이의 공간으로 흐르지만, 외측의 외륜 스페이서(4L)[4R]와 내륜 스페이서(5L)[5R]와의 사이의 공간으로부터 중앙의 외륜 스페이서(4M)와 내륜 스페이서(5M)와의 사이의 공간으로는 냉각용 에어(A)가 흐르지 않는다.
또한, 베어링 장치(J)의 운전 시 등에, 도 72b의 부분 확대도 중 검은 화살표로 나타낸 바와 같이, 에어 오일 공급 장치(45)로부터 보내져 오는 에어 오일(AO)이, 제1 오일 공급구(28A)로부터 중앙의 롤링 베어링(1B)[1C]의 베어링 공간에 공급되고, 또한 제2 오일 공급구(28B)로부터 양단의 롤링 베어링(1A)[1D]의 베어링 공간에 각각 공급된다. 먼저 설명한 바와 같이, 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)와 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)와의 사이의 공간의 압력은, 중앙 쪽이 외측보다 높아져 있다. 즉, 에어 오일(AO)의 흐름 방향의 상류측으로부터 하류측을 향해, 냉각용 에어(A)의 압력 구배가 되어 있다. 따라서, 중간의 롤링 베어링(1B)[1C]에 있어서, 에어 오일(AO)의 에어의 흐름에 냉각용 에어(A)의 흐름이 역행하지 않는다. 그러므로, 에어 오일(AO)의 에어가 원활하게 흘러 각각의 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D)에 오일을 양호하게 공급할 수 있다.
도 75는, 본 발명의 제26 실시형태를 나타낸다. 이 베어링 장치(J)의 냉각 구조는, 상기 제25 실시형태와 비교하여, 인접하는 2개의 외륜 스페이서(4M, 4L)[4M, 4R]에 대하여, 중간의 롤링 베어링(1B)[1C]에 공급되는 에어 오일(AO)의 흐름 방향의 상류측에 위치하는 외륜 스페이서(4M)의 냉각용 에어 토출구(12M)의 구경 D1보다, 하류측에 위치하는 외륜 스페이서(4L)[4R]의 냉각용 에어 토출구(12L)[12R]의 구경(D2)을 크게 한 점이 상이하다. 냉각용 에어 공급 장치(도시하지 않음)로부터 공급되어 각각의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량은 같다. 그 이외는, 제25 실시형태와 같은 구성이다.
이 구성의 경우, 상기한 바와 같이 냉각용 에어 토출구(12M, 12L)[12R]의 구경 D1, D2을 정한 것에 의해, 하류측에 위치하는 외륜 스페이서(4L)[4R]와 내륜 스페이서(5L)[5R]와의 사이의 공간의 압력이, 상류측에 위치하는 외륜 스페이서(4M)와 내륜 스페이서(5M)와의 사이의 공간의 압력보다 낮아진다. 이로써, 에어 오일(AO)의 흐름 방향의 상류측으로부터 하류측을 향해, 냉각용 에어(A)의 압력 구배가 가능하여, 중간의 롤링 베어링(1B)[1C]에서의 냉각용 에어(A)의 역행 흐름을 방지할 수 있다.
도 76은, 본 발명의 제27 실시형태를 나타낸다. 이 베어링 장치(J)의 냉각 구조는, 중앙의 외륜 스페이서(4M)에 2개의 냉각용 에어 토출구(12M)를 설치한 점이 제25 실시형태와 상위하다. 바꾸어 말하면, 인접하는 2개의 외륜 스페이서(4M, 4L)[4M, 4R]에 대하여, 중간의 롤링 베어링(1B)[1C]에 공급되는 에어 오일(AO)의 혼합물의 흐름 방향의 상류측에 위치하는 외륜 스페이서(4M)의 냉각용 에어 토출구(12M)의 수를, 하류측에 위치하는 외륜 스페이서(4L)[4R]의 냉각용 에어 토출구(12L)[12R]의 수보다 많게 했다. 냉각용 에어 공급 장치(도시하지 않음)로부터 공급되어 각각의 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량은 같다. 그 이외에는, 제25 실시형태와 같은 구성이다.
이 경우, 중앙의 외륜 스페이서(4M)에 2개의 냉각용 에어 토출구(12M)를 설치한 것에 의해, 상류측에 위치하는 외륜 스페이서(4M)의 냉각용 에어 토출구(12M)로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량이, 하류측에 위치하는 외륜 스페이서(4L)[4R]의 냉각용 에어 토출구(12L)[12R]로부터 토출되는 냉각용 에어(A)의 유량보다 많아진다. 이로써, 에어 오일(AO)의 흐름 방향의 상류측으로부터 하류측을 향해, 냉각용 에어(A)의 압력 구배가 가능하여, 중간의 롤링 베어링(1B)[1C]에서의 냉각용 에어(A)의 역행 흐름을 방지할 수 있다.
도 77은, 본 발명의 제28 실시형태를 나타낸다. 이 베어링 장치(J)의 냉각 구조는, 각각의 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)에 있어서, 냉각용 에어(A) 및 에어 오일(AO)의 에어의 배기구(58)가, 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)와 같은 축 방향 위치에 설치되어 있다. 그에 따라, 접속공(59)도 배기구(58)와 같은 축 방향 위치로 한다. 배기구(58)를 상기 배치로 함으로써, 냉각용 에어 토출구(12L, 12M, 12R)로부터 토출된 냉각용 에어(A)가, 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)와 내륜 스페이서(5L, 5M, 5R)와의 사이의 공간에 있어서 주위 방향으로는 넓어지지만, 축 방향으로는 흐르기 어려워진다. 그러므로, 중간의 롤링 베어링(1B)[1C]을 흐르는 에어 오일(AO)의 흐름에 역행하는 냉각용 에어(A)의 흐름이 쉽게 생기지 않는다.
도 78 및 도 79는, 각각 냉각용 에어(A) 및 에어 오일(AO)의 에어(이하, 모아서 「에어」라고 함)의 배출 경로를 제25 실시형태와 상이하게 한 제29 및 제30 실시형태를 나타낸다. 제25 실시형태의 배기 경로이면, 도 80과 같이, 각각의 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)의 배기구(58)로부터 에어가 배출되지만, 각각의 배기구(58)의 압력 밸런스 등의 요인이 에어의 배출에 관여하므로, 어느 배기구(58)로부터 배출되기 쉬울지는 정확하게는 알 수 없다. 일반적으로는, 대기 개방구에 가까운 배기구(58)는 배출되기 쉽고, 먼 배기구(58)는 배출되기 어렵다는 경향이 있다. 또한, 배기공(60)과 접속공(59)이 교차하는 개소(64)와, 양 구멍(59, 60)을 흐르는 에어가 충돌함으로써, 에어가 원활하게 흐르기 어려워진다. 그러면, 배기구(58)로부터의 에어의 배출성이 악화되어, 에어 오일(AO)의 오일이 체류하여 소부(燒付) 등을 일으킬 가능성이 있다.
도 78에 나타낸 제29 실시형태에 관한 베어링 장치(J)의 냉각 구조는, 제25 실시형태에 있어서 각각의 외륜 스페이서(4L, 4M, 4R)에 설치되어 있는 배기구(58)를 없게 하여, 에어 오일(AO)의 흐름 방향의 하류측단으로 되는 1개소만에 배기구(58)를 설치하였다. 이로써, 배기공(60)을 흐르는 에어와 배기구(58)로부터 배기공(60)에 흘러드는 에어가 충돌하는 개소가 적어지게 되어, 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D) 내에서의 에어 오일(AO)의 흐름이 양호해진다.
또한, 도 79에 나타낸 제30 실시형태에 관한 베어링 장치(J)의 냉각 구조는, 에어 오일(AO)의 흐름 방향의 하류측단으로 되는 1개소만에 배기구(58)를 설치하는 동시에, 이 배기구(58)에 연결되는 배기공(60)을 배기구(58)마다 형성하였다. 이로써, 배기공(60)을 흐르는 에어와 배기구(58)로부터 배기공(60)에 흘러드는 에어가 충돌하는 개소를 완전히 없앨 수 있어, 롤링 베어링(1A, 1B, 1C, 1D) 내에서의 에어 오일(AO)의 흐름을 더 한층 양호하게 할 수 있다.
이상, 본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조는, 각각의 실시형태에서 설명한 바와 같이, 베어링 장치 및 주축(7)의 냉각 효과가 높고, 각각의 롤링 베어링(1, 1A, 1B, 1C, 1D)에 윤활용의 오일을 양호하게 공급할 수 있으므로, 주축 장치를 고속의 영역에서 운전시키는 것이 가능해진다. 그러므로, 이 베어링 장치를, 공작 기계의 주축의 지지에 바람직하게 사용할 수 있다.
각각의 상기실시형태는 각각 단독이라도 구성할 수 있지만, 각각의 실시형태를 병용함으로써, 보다 냉각 효과는 커진다. 또한, 이 냉각 구조 및 냉각 방법은, 앵귤러 볼베어링, 원통 롤러 베어링 이외에, 베어링 위치결정용의 스페이서를 사용하는, 테이퍼진 롤러 베어링 등에도 적용할 수 있다. 베어링 장치의 냉각 구조 및 냉각 방법을, 공작 기계 장치, 터보 기계 장치에 적용할 수도 있다.
이하, 본 발명의 응용 형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조에 대해서 도 35∼37, 도 18, 도 69∼71, 및 도 3을 원용하여 설명한다.
먼저, 응용 형태 1에 있어서, 도 35∼도 37에 나타낸 베어링 장치(J)는, 예를 들면, 공작 기계의 주축의 지지에 사용되는 것이며, 이 경우, 도 3과 같이, 각각의 롤링 베어링(1)의 외륜(2)은 하우징(6) 내에 고정되고, 내륜(3)은 주축(7)의 외주면에 끼워맞추어진다.
도 35에 있어서, 상기 외륜 스페이서(4)의 내주면과 상기 내륜 스페이서(5)의 외주면과의 사이에는 직경 방향 간극 δa이 형성되어 있고, 외륜 스페이서(4)의 내주면에, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 향해 냉각용의 압축 에어(A)를 공급하는 공급구로 되는 노즐(12A)이 설치되어 있다. 이 예에서는, 도 18에 나타낸 바와 같이, 노즐(12A)의 수는 3개이며, 각 노즐(12A)은 원주 방향으로 균등한 배치로 되어 있다.
도 35 및 도 37에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4)의 외주면에는, 압축 에어(A)를 도입하는 환형의 도입홈인 외부 도입구(14)가 설치되어 있다. 이 외부 도입구(14)는, 외륜 스페이서(4)의 외주면에서의 축 방향 중간부에 설치되고, 접속공(14a)을 통하여 각 노즐(12A)과 연통되어 있다. 베어링 장치(J)의 외부에 설치한 압축 에어 공급 장치(도시하지 않음)로부터, 하우징(6)에 설치한 압축 에어 도입공(68)을 통하여, 외부 도입구(14)에 압축 에어(A)가 공급된다.
도 35에 나타낸 바와 같이, 내륜 스페이서(5)의 축 방향 양 단부는, 외경측으로 길게 돌출된 장해벽(37)으로 되어 있다. 이 예에서는, 장해벽(37)은, 축 방향의 롤링 베어링(1)에 가까운 측일수록 외경측으로의 돌출량이 큰 테이퍼 형상이다. 또한, 외륜 스페이서(4)의 축 방향 단면에는, 노즐(12A)로부터 공급된 압축 에어(A)의 배출구로 되는 절결부(18)가 형성되어 있다. 절결부(18)는, 예를 들면, 도 37과 같은 직사각형의 단면 형상이며, 외륜 스페이서(4)에 인접하여 롤링 베어링(1)의 외륜(2)이 배치됨으로써, 절결부(18)가, 외륜 스페이서(4)와 내륜 스페이서(5) 사이의 스페이서 공간 S2와 베어링 장치(J)의 외부를 연통시키는 개구 형상으로 된다. 그리고, 이 구성에 있어서, 외륜 스페이서(4)를 조립 가능하게 하기 위해[외륜 스페이서(4)의 내주와 장해벽(37)과의 간섭을 방지하기 위해], 내륜 스페이서(5)는, 예를 들면, 축 방향 중간부가 분할된 2개의 내륜 스페이서 분할체로 이루어진다.
도 35의 부분 확대도인 도 36에 나타낸 바와 같이, 이 응용 형태 1에 있어서도 래비린스 실링부(39), 베어링 공간 S1과 스페이서 공간 S2가 이격되어 있는 점은 마찬가지이다.
이 베어링 장치(J)는, 운전 시 등에, 베어링 장치(J)의 외부에 설치한 압축 에어 공급 장치로부터 보내지는 냉각용의 압축 에어(A)가, 외륜 스페이서(4)의 노즐(12A)로부터 내륜 스페이서(5)의 외주면을 향해 공급된다. 이 압축 에어(A)는, 내륜 스페이서(5)에 충돌한 후, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 따라 축 방향 양측으로 흐르고, 또한 내륜 스페이서(5)의 장해벽(37)의 테이퍼형 외경면을 따라 외경측으로 안내되어, 외륜 스페이서(5)의 절결부(18)로부터 배출된다. 장해벽(37)에 의해 압축 에어(A)를 외경측으로 안내함으로써, 스페이서 공간 S2에서의 압축 에어(A)의 흐름, 및 스페이서 공간 S2로부터의 압축 에어(A)의 배출이 원활하게 된다. 압축 에어(A)가 스페이서 공간 S2를 통과하는 동안에, 베어링 장치(J) 및 이 베어링 장치(J)에 지지된 주축(7)의 열을 빼앗는다. 이로써, 베어링 장치(J) 및 주축(7)이 효율적으로 냉각된다.
내륜 스페이서(5)의 축 방향 양단에 장해벽(37)이 설치되어 있는 것에 의해, 압축 에어(A)가 베어링 공간 S1에 유입되는 것이 저지된다. 특히 이 태양(態樣)에서는, 베어링 공간 S1과 스페이서 공간 S2이 래비린스 실링부(39)에 의해 이격되어 있으므로, 압축 에어(A)의 베어링 공간 S1으로의 유입을 더 한층 효과적으로 저지할 수 있다. 또한, 스페이서 공간 S2에 있어서 압축 에어(A)가 원활하게 흐르므로, 스페이서 공간 S2의 내압이 베어링 공간 S1의 내압보다 낮게 되어 있어, 압축 에어(A)가 베어링 공간 S1에 유입되기 어렵다. 이들로부터, 압축 에어(A)가 베어링 공간 S1에 유입되는 것을 최대한 억제할 수 있어, 베어링 공간 S1에 봉입된 그리스가 압축 에어(A)에 의해 배제되는 것이 방지된다. 그러므로, 양호한 윤활 상태를 유지할 수 있다.
상기 응용 형태에서는, 노즐(12A) 및 절결부(18)가 같은 원주 방향 위치에 배치되어 있지만, 도 69 및 도 70에 나타낸 바와 같이, 응용 형태 2 및 3에서는, 노즐(12A) 및 절결부(18)를 서로 원주 방향 위치를 어긋나게 하여 배치해도 된다. 노즐(12A) 및 절결부(18)의 주위 방향 위치가 서로 어긋나 있으면, 노즐(12A)로부터 스페이서 공간 S2에 공급된 압축 에어(A)가, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 따라 절결부(18)까지 흐를 때, 축 방향 외측으로의 이동에 더하여 원주 방향의 이동을 수반하므로, 압축 에어(A)가 내륜 스페이서(5)와 접하는 시간이 길어져, 베어링 장치(J) 및 주축(7)을 냉각시키는 효과가 높아진다.
또한, 베어링 장치(J)에 의해 지지되는 축이, 공작 기계의 주축(7)과 같이 회전 방향이 일정한 경우, 원용하는 도 3과 같이, 각 노즐(12)[12A]의 에어 토출 방향을, 내륜(3)(원용하는 도 35) 및 주축(7)의 회전 방향 L1의 전방으로 경사지게 해도 된다. 각 노즐(12)[12A]은, 각각 직선형으로서, 외륜 스페이서(4)의 축심에 수직인 단면에서의 임의의 반경 방향의 직선 L2로부터, 이 직선 L2와 직교하는 방향으로 오프셋(오프셋량 OS)된 위치에 있다. 이와 같이, 각 노즐(12)[12A]의 에어 토출 방향을 경사지게 하면 토출된 압축 에어(A)가 내륜 스페이서(5)의 외주면에 닿을 때, 압축 에어(A)의 압압력(押壓力)을 내륜 스페이서(5)에 부여할 수 있어, 주축(7)을 구동하는 작용을 기대할 수 있다.
이들 응용 형태 1∼3에 관한 베어링 장치(J)도 도 71에 나타낸 바와 같이, 공작 기계의 주축 장치의 일부로서 내장하여 사용된다. 그 구조, 작용에 대해서는 설명을 생략한다.
이 베어링 장치(J)의 냉각 구조는, 먼저 설명한 바와 같이, 베어링 장치(J) 및 주축(7)의 냉각 효과가 높으므로, 주축 장치를 고속의 영역에서 운전시키는 것이 가능해진다. 그러므로, 이 베어링 장치(J)를, 공작 기계의 주축의 지지에 바람직하게 사용할 수 있다.
이상의 응용 형태 1∼3은 다음의 태양(態樣)을 포함한다.
[태양 1]
이 태양의 베어링 장치(J)의 냉각 구조는, 축 방향으로 배열되는 복수 개의 롤링 베어링의 외륜(2, 2) 사이 및 내륜(3, 3) 사이에 외륜 스페이서(4) 및 내륜 스페이서(5)를 각각 개재시키고, 상기 외륜(2) 및 외륜 스페이서(4)가 하우징(6)에 설치되고, 상기 내륜(3) 및 내륜 스페이서(5)가 주축(7)에 끼워맞추어지고, 상기 롤링 베어링이 상기 외륜(2)과 내륜(3) 사이의 베어링 공간에 봉입된 그리스에 의해 윤활되는 베어링 장치(J)의 냉각 구조로서,
상기 외륜 스페이서(4)의 내주면에, 상기 내륜 스페이서(5)의 외주면을 향해 냉각용의 압축 에어(A)를 공급하는 공급구로 되는 노즐(12A)을 설치하고, 상기 내륜 스페이서(5)의 축 방향 양 단부에, 외경측으로 길게 뻗어 상기 노즐(12A)로부터 공급된 압축 에어(A)가 상기 베어링 공간으로 유입되는 것을 저지하는 장해벽(37)을 설치하였다.
이 구성에 의하면, 외륜 스페이서(4)에 설치한 노즐(12A)로부터, 냉각용의 압축 에어(A)가 내륜 스페이서(5)의 외주면을 향해 공급됨으로써, 내륜 스페이서(5)에 충돌한 압축 에어가 베어링 장치(J) 및 이 베어링 장치(J)에 지지된 주축(7)의 열을 빼앗는다. 이로써, 베어링 장치 및 주축(7)이 효율적으로 냉각된다. 내륜 스페이서(5)의 축 방향 양 단부에 장해벽(37)이 형성되어 있고, 압축 에어(A)가 베어링 공간으로 유입되는 것이 저지되어 있으므로, 베어링 공간에 봉입된 그리스가 압축 에어(A)에 의해 배제되는 것이 방지된다. 그러므로, 양호한 윤활 상태를 유지할 수 있다.
[태양 2]
태양 1의 베어링 장치(J)의 냉각 구조에 있어서, 상기 장해벽(37)의 외경면을, 축 방향의 상기 롤링 베어링에 가까운 측일수록 외경측으로의 돌출량이 큰 테이퍼 형상으로 하는 동시에, 상기 외륜 스페이서(4)의 축 방향 단면에, 상기 노즐(12A)로부터 공급된 압축 에어(A)의 배출구로 되는 절결부(18)를 형성하였다. 이 구성이면, 노즐(12A)로부터 공급된 압축 에어(A)가, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 따라 내륜 스페이서(5)와 외륜 스페이서(4)와의 사이의 공간인 스페이서 공간을 축 방향 외측으로 흐르고, 또한 내륜 스페이서(5)의 장해벽(37)의 테이퍼형 외경면을 따라 외경측으로 안내되고, 외륜 스페이서(4)의 축 방향 단면에 형성된 절결부(18)로부터 배출된다. 이로써, 스페이서 공간에서의 압축 에어(A)의 흐름, 및 스페이서 공간으로부터의 압축 에어(A)의 배출이 원활하게 된다. 또한, 스페이서 공간에 압축 에어(A)의 순조로운 흐름이 생기는 것에 의해, 스페이서 공간의 내압이 베어링 공간의 내압보다 낮아져, 압축 에어(A)가 베어링 공간으로 유입되는 것이 억제된다.
[태양 3]
태양 2의 베어링 장치의 냉각 구조에 있어서, 상기 노즐(12A) 및 상기 절결부(18)는, 각각의 주위 방향 위치가 서로 어긋나 있다. 주위 방향 위치가 서로 어긋나 있으면, 노즐(12A)로부터 스페이서 공간에 공급된 압축 에어(A)가, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 따라 절결부(18)까지 흐를 때, 축 방향 외측으로의 이동에 더하여 원주 방향의 이동을 수반하므로, 압축 에어(A)가 내륜 스페이서(5)와 접하는 시간이 길어져, 베어링 장치(J) 및 주축(7)을 냉각시키는 효과가 높아진다.
[태양 4]
태양 1 내지 태양 3 중 어느 하나에 기재된 베어링 장치(J)의 냉각 구조에 있어서, 상기 롤링 베어링은, 상기 외륜(2)의 축 방향단에 상기 베어링 공간을 밀봉하는 실링 부재(38)를 가지고, 상기 장해벽의 단면을 상기 실링 부재(38)와 간극을 통하여 대향하는 형상으로 하고, 상기 실링 부재(38)와 상기 장해벽(37)에 의해 래비린스 실링 효과를 갖도록 하였다. 이로써, 압축 에어(A)가 베어링 공간으로 유입되는 것을 더 한층 저지할 수 있다.
[태양 5]
태양 1 내지 태양 4 중 어느 하나에 기재된 베어링 장치(J)의 냉각 구조는, 공작 기계의 주축의 지지에 바람직하게 사용할 수 있다. 이 경우, 주축(7)의 냉각 효과가 높으므로, 고속의 영역에서의 운전이 가능해진다.
전술한 바와 같이, 도면을 참조하면서 바람직한 실시형태를 설명하였으나, 당업자이면, 본건 명세서를 볼 때, 자명한 범위 내에서 각종 변경 및 수정을 용이하게 상정할 수 있을 것이다. 따라서, 그와 같은 변경 및 수정은, 청구의 범위로부터 정해지는 발명의 범위 내의 것으로 해석된다.
1…롤링 베어링
2…외륜
2a…궤도면
3…내륜
3a…궤도면
3b…어깨면
4…외륜 스페이서
5…내륜 스페이서
6…하우징
7…주축
10, 10B…윤활용 노즐
12, 12A∼12D, 12L, 12M, 12R…노즐
12a, 12Ba…토출구
25…오일
26…원주홈
27…나선홈
L1…회전 방향
δa, δ1, δ2, δ3…간극

Claims (29)

  1. 축 방향으로 배열되는 복수 개의 롤링 베어링의 외륜 사이 및 내륜 사이에 외륜 스페이서(spacer) 및 내륜 스페이서를 각각 개재(介在)시키고, 상기 외륜 및 상기 외륜 스페이서가 하우징에 설치되고, 상기 내륜 및 상기 내륜 스페이서가 주축(主軸)에 끼워맞추어지는 베어링 장치로서,
    상기 외륜 스페이서에, 상기 내륜 또는 상기 내륜 스페이서의 외주면(外周面)에 대하여 에어와 오일의 혼합물, 오일만, 또는 압축 에어만으로 이루어지는 냉각용 유체(流體)를 분사하여 상기 롤링 베어링에 공급하는 노즐을, 상기 노즐의 토출구(吐出口) 측을 상기 주축의 회전 방향의 전방으로 경사지게 하여 설치한,
    베어링 장치의 냉각 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각용 유체는 상기 에어와 상기 오일의 혼합물 또는 오일만으로 이루어지는, 베어링 장치의 냉각 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 노즐의 상기 토출구를, 상기 내륜의 외주면에서의 궤도면에 대하여 상기 내륜 스페이서 측으로 계속되는 어깨면(shoulder surface)에 간극을 두고 대향시킨, 베어링 장치의 냉각 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 어깨면은, 상기 궤도면으로부터 이격될수록 외경(外徑)이 커지는 경사면인, 베어링 장치의 냉각 구조.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 노즐은, 상기 냉각용 유체를 상기 내륜 스페이서의 외주면을 향해 토출하도록 설치되고, 상기 내륜 스페이서의 외주면을, 상기 노즐로부터 토출된 상기 냉각용 유체를 양측의 상기 롤링 베어링으로 안내하는 형상으로 한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 내륜 스페이서의 외주면은, 상기 노즐로부터 토출된 상기 냉각용 유체가 분사되는 개소(箇所)의 외경이 가장 작고, 상기 개소로부터 상기 롤링 베어링에 가까워질수록 외경이 커지는 경사면이며, 상기 내륜 스페이서의 외주면에서의 축 방향 외측단의 외경은, 상기 롤링 베어링의 내륜에서의 상기 내륜 스페이서 측단의 외경과 비교하여 같거나 또는 큰, 베어링 장치의 냉각 구조.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 내륜 스페이서의 외주면에, 상기 노즐로부터 토출된 상기 냉각용 유체가 분사되는 개소에 위치하는 원주홈과, 일단이 상기 원주홈에 연결되고 상기 주축의 회전 방향으로 원주 위상이 어긋날수록 상기 롤링 베어링에 가까워지는 나선홈을 형성한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각용 유체는, 상기 에어에 의해 액상(液狀)의 오일을 반송(搬送)하는 에어 오일, 또는 상기 에어에 의해 안개형의 오일을 반송하는 오일 미스트(oil mist)인, 베어링 장치의 냉각 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각용 유체는 압축 에어이며, 상기 외륜 스페이서에, 상기 내륜 스페이서의 외주면을 향해 상기 압축 에어를 토출하는 노즐을, 회전 방향의 전방으로 경사지게 하여 설치하고, 상기 외륜 스페이서에서의, 상기 노즐의 토출구가 있는 내주면과, 상기 토출구에 대향하는 상기 내륜 스페이서의 외주면 사이의 간극을, 0.7㎜ 이상이며 또한 상기 노즐 직경의 1/2 이하로 한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 외륜 스페이서에, 상기 베어링 내에 윤활유를 공급하는 윤활용 노즐을 설치한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 윤활용 노즐은, 상기 내륜의 궤도면을 향해 상기 윤활유를 토출하는 것으로 한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 롤링 베어링은, 상기 내외륜의 궤도면 사이에 개재되는 복수 개의 전동체(轉動體)를 유지하는 유지기(retainer)를 구비하고, 상기 윤활용 노즐은, 상기 내륜의 외경면(外徑面)을 향해 윤활유를 토출하는 것으로 하고, 상기 윤활용 노즐 중 베어링 공간에 진입하는 선단부를, 상기 유지기의 내주면보다 반경 방향 내측에 배치한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  13. 제9항에 있어서,
    또한, 상기 외륜 스페이서 또는 상기 내륜 스페이서 중, 상기 노즐의 토출구의 축 방향 양 측부에, 반경 방향으로 돌출하는 볼록부를 형성하고, 상기 볼록부의 반경 방향 선단부와 대향하는 주위면 사이에 상기 간극이 형성되고, 상기 간극을, 상기 외륜 스페이서의 상기 토출구가 있는 내주면과, 상기 토출구에 대향하는 상기 내륜 스페이서의 외주면 사이의 간극보다 작게 한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 볼록부를, 상기 내륜 스페이서의 외주면에서의 폭 방향 중간부에 설치하고, 상기 외륜 스페이서에, 베어링 내에 윤활유를 공급하는 윤활용 노즐을 설치하고, 상기 볼록부의 축 방향 양측 단면과, 상기 윤활용 노즐의 내측 단면 사이에, 축 방향 간극을 형성한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 윤활용 노즐은, 상기 내륜의 궤도면 또는 외경면을 향해 윤활유를 토출하는 것으로 한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 냉각용 유체는 압축 에어이며, 상기 내륜 스페이서의 외주면에서의, 상기 토출구로부터 토출된 압축 에어가 분사되는 위치에, 원주 방향으로 배열된 복수 개의 구멍을 형성한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 내륜이 세라믹제인, 베어링 장치의 냉각 구조.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 내륜 스페이서의 외주면에 홈을 형성한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내륜 스페이서의 내주면에 홈을 형성한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외륜 스페이서는, 상기 롤링 베어링 내에 에어 오일을 공급하는 에어 오일 공급구를 구비하고, 상기 에어 오일 공급구는, 상기 롤링 베어링 내로 돌출되어 상기 내륜의 외주면과의 사이에서 에어 오일 통과용의 환형(環形) 간극을 통하여 대면하는 돌출부를 포함하는, 베어링 장치의 냉각 구조.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 에어 오일 공급구는, 상기 돌출부의 내경측(內徑側)에서 상기 내륜에 대하여 에어 오일을 토출하는 노즐을 포함하는, 베어링 장치의 냉각 구조.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 에어 오일 공급구와, 상기 압축 에어의 토출구를 겸용시킨, 베어링 장치의 냉각 구조.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 롤링 베어링이 3개 이상 축 방향으로 나란히 배치되고, 인접하는 롤링 베어링의 각각의 외륜 사이 및 각각의 내륜 사이에 상기 외륜 스페이서 및 상기 내륜 스페이서를 각각 개재시키고, 상기 롤링 베어링을 통하여 인접하고, 이 중간의 롤링 베어링에 대하여 다른 한쪽의 외륜 스페이서로부터 상기 에어와 상기 오일의 혼합물을 공급하는 2개의 외륜 스페이서에 대하여, 상기 중간의 롤링 베어링에 공급되는 상기 에어와 상기 오일의 혼합물의 흐름 방향의, 상류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구, 및 하류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구로부터 각각 토출되는 냉각용 에어의 유량(流量) 또는 압력의 관계가, 상기 하류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어가, 상기 중간의 롤링 베어링 내에서의 상기 에어와 상기 오일의 혼합물의 흐름과 역행하지 않는 관계로 되는 구성을 포함하는, 베어링 장치의 냉각 구조.
  24. 제23항에 있어서,
    각각의 상기 냉각용 에어 토출구에 냉각용 에어를 공급하는 냉각용 에어 공급 장치를 더 구비하고, 상기 냉각용 에어 공급 장치로부터 각각의 냉각용 에어 토출구에 공급하는 냉각용 에어의 유량의 설정에 의해, 상기 중간의 롤링 베어링을 통하여 인접하는 2개의 상기 외륜 스페이서에 대하여, 상류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어의 유량을, 하류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구로부터 토출되는 냉각용 에어의 유량보다 많게 한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 중간의 롤링 베어링을 통하여 인접하는 2개의 상기 외륜 스페이서에 대하여, 하류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구의 구경을, 상류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구의 구경보다 크게 한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 중간의 롤링 베어링을 통하여 인접하는 2개의 외륜 스페이서에 대하여, 상류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구의 개수를, 하류측에 위치하는 상기 외륜 스페이서의 상기 냉각용 에어 토출구의 개수보다 많게 한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  27. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간의 롤링 베어링을 통하여 인접하는 2개의 상기 외륜 스페이서 중 한쪽의 외륜 스페이서는, 상기 중간의 롤링 베어링에 대하여 상기 에어와 상기 오일의 혼합물을 공급하는 제1 오일 공급구를 구비하고, 또 다른 한쪽의 외륜 스페이서는, 상기 외륜 스페이서를 통하여 상기 중간의 롤링 베어링과 인접하는 끝(端)의 롤링 베어링에 대하여 상기 에어와 상기 오일의 혼합물을 공급하는 제2 오일 공급구를 구비하고,
    상기 제1 오일 공급구로부터 상기 중간의 롤링 베어링에 공급되는 상기 에어와 상기 오일의 혼합물의 흐름 방향과, 상기 제2 오일 공급구로부터 상기 끝의 롤링 베어링에 공급되는 상기 에어와 상기 오일의 혼합물의 흐름 방향이 동일하며, 상기 중간의 롤링 베어링으로부터 상기 끝의 롤링 베어링에, 상기 또 다른 한쪽의 외륜 스페이서와 상기 외륜 스페이서에 대향하는 내륜 스페이서의 사이를 통하여 상기 에어와 상기 오일의 혼합물이 흐르고,
    상기 중간의 롤링 베어링 및 끝의 롤링 베어링 각각에 공급되는 상기 에어와 상기 오일의 혼합물 중의 에어를 배기하는 배기구를, 상기 에어와 상기 오일의 혼합물의 흐름 방향의 하류측단의 1개소에 설치한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 배기구에 연결되고 에어를 베어링 장치의 외부로 안내하는 배기공을, 상기 배기구마다 형성한, 베어링 장치의 냉각 구조.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 기재된 베어링 장치의 냉각 구조를 내장한 공작 기계.
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