KR20190044095A - 베어링 장치의 냉각 구조 - Google Patents

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Abstract

롤링 베어링(1)의 내외에 대향하는 고정측 궤도륜(2) 및 회전측 궤도륜(3)에 각각 이웃하여 고정측 스페이서(4) 및 회전측 스페이서(5)가 설치되고, 고정측 궤도륜(2) 및 고정측 스페이서(3)가 고정 부재(6)에 설치되고, 회전측 궤도륜(3) 및 회전측 스페이서(5)가 회전 부재(7)에 설치되는 베어링 장치(J)의 냉각 구조이다. 고정측 스페이서(4)에 있어서의 회전측 스페이서(5)에 대향하는 주위면에 환형의 고정측 오목부(13)가 형성되고, 또한 회전측 스페이서(5)에 있어서의 고정측 스페이서(4)에 대향하는 주위면에 있어서 고정측 오목부(13)에 대향하는 축 방향 위치에 환형의 회전측 오목부(14)가 형성된다. 고정측 오목부(13)의 바닥면에 개구되는 출구(15a)로부터 회전측 오목부(14)의 바닥면을 향하여 압축 공기(A)를 토출하는 노즐 구멍(15)이, 회전측 스페이서(5)의 회전 방향의 전방으로 경사져 형성된다.

Description

베어링 장치의 냉각 구조
본 출원은, 2016년 9월 9일자 출원의 특허출원 제2016-176547호의 우선권을 주장하는 것이고, 이들의 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다.
본 발명은 베어링 장치의 냉각 구조에 관한 것이고, 예를 들면, 공작 기계의 주축 및 주축에 포함되는 베어링의 냉각 구조에 관한 것이다.
공작 기계의 주축 장치에서는 가공 정밀도를 확보하기 위하여, 장치의 온도 상승은 작게 억제할 필요가 있다. 그러나 최근의 공작 기계에서는, 가공 능률을 향상시키기 위해 고속화의 경향이 있고, 주축을 지지하는 베어링으로부터의 발열도 고속화와 함께 커져 오고 있다. 또한, 장치 내부에 구동용 모터를 포함한 이른바 모터 빌트인 타입이 많아지고 있어, 장치의 발열 요인으로도 되고 있다.
발열에 의한 베어링의 온도 상승은 예압(豫壓)의 증가를 초래하는 결과로 되어, 주축의 고속화, 고정밀도화를 고려하면 극력 억제하고 싶다. 주축 장치의 온도 상승을 억제하는 방법으로서, 냉각용 압축 공기를 베어링에 보내고, 축과 베어링의 냉각을 하는 방법이 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2). 특허문헌 1, 특허문헌 2에서는, 2개의 베어링 사이의 공간에 냉풍을, 회전 방향으로 각도를 붙여서 분사하여 선회류로 함으로써, 축과 베어링의 냉각을 행하고 있다.
일본공개특허 제2000-161375호 공보 일본공개특허 제2015-183738호 공보
공작 기계는, 주축으로의 이물질 침입을 방지하기 위한 공기 차단(air seal), 베어링 윤활용 에어 오일, 오일 미스트 등에 압축 공기가 사용된다. 이들 압축 공기는 압축기로 만들어진다. 통상, 1대의 공작 기계에 1기(機)의 압축기가 사용된다. 베어링, 축 등을 압축 공기로 냉각하는 경우, 이를 위한 냉각용 압축 공기도, 압축기로 발생시킨 압축 공기가 사용된다.
특허문헌 1과 같은 압축 공기에 의한 냉각에서는, 압축 공기의 공급량을 많게 할수록 냉각 효과가 증가한다. 그러나, 압축 공기의 공급량을 많게 하기 위해서는, 보다 큰 용량을 가지는 압축기를 채용해야 하다. 이 때문에, 냉각 효과의 향상을 도모하면, 공작 기계의 대형화나 에너지 소비량의 증가를 초래한다.
특허문헌 2는, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 제안이다. 즉, 도 12와 같이, 한 쌍의 롤링 베어링(101, 101) 사이에 외륜 스페이서(104) 및 내륜 스페이서(105)가 설치된 베어링 장치(J)에 있어서, 외륜 스페이서(104)의 내주면(內周面)에 환형의 오목부(113)를 형성하고, 외륜 스페이서(104)에 형성한 노즐 구멍(115)로부터, 냉각용 압축 공기(A)를 내륜 스페이서(105)의 외주면을 향하여 분사한다. 압축 공기(A)가 좁은 노즐 구멍(115)으로부터, 주로 오목부(113)로 이루어지는 넓은 공간(120)에 단숨에 토출되는 것에 의해, 압축 공기(A)가 단열 팽창하여, 압축 공기(A)의 온도가 하강하고, 또한 유속이 증가한다. 이 압축 공기(A)가 내륜 스페이서(105)에 분사되는 것에 의해, 내륜 스페이서(105) 및 롤링 베어링(101)이 효율적으로 냉각된다.
이와 같이, 특허문헌 2의 구성에 의하면, 냉각 효과가 향상되므로, 특허문헌 1과 같은 구성보다 적은 압축 공기로 베어링 등의 온도 상승을 억제하는 것이 가능해진다. 그러나, 더 적은 압축 공기로 베어링 등을 효율적으로 냉각시키는 것이 요망된다.
본 발명의 목적은, 적은 압축 공기라도 베어링 등을 효율적으로 냉각할 수 있고, 압축 공기의 사용량을 억제할 수 있는 베어링 장치의 냉각 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 베어링 장치의 냉각 구조는, 롤링 베어링의 내외에 대향하는 고정측 궤도륜(raceway ring) 및 회전측 궤도륜에 각각 이웃하여 고정측 스페이서 및 회전측 스페이서가 설치되고, 상기 고정측 궤도륜 및 상기 고정측 스페이서가, 고정 부재 및 회전 부재 중 고정 부재에 설치되고, 상기 회전측 궤도륜 및 상기 회전측 스페이서가, 상기 고정 부재 및 상기 회전 부재 중 회전 부재에 설치되는 베어링 장치의 냉각 구조로서,
상기 고정측 스페이서에 있어서의 상기 회전측 스페이서에 대향하는 주위면(circumferential surface)에 환형의 고정측 오목부가 형성되고, 또한 상기 회전측 스페이서에 있어서의 상기 고정측 스페이서에 대향하는 주위면에 있어서 상기 고정측 오목부에 대향하는 축 방향 위치에 환형의 회전측 오목부가 설치되고, 상기 고정측 오목부의 바닥면에 개구되는 출구로부터 상기 회전측 오목부의 바닥면을 향하여 압축 공기를 토출하는 노즐 구멍이, 상기 회전측 스페이서의 회전 방향의 전방으로 경사지게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
예를 들면, 상기 고정측 궤도륜은 외륜이고, 상기 회전측 궤도륜은 내륜이다. 그 경우, 상기 고정 부재 및 회전 부재는 예를 들면, 각각 하우징 및 축이다.
상기 구성에 의하면, 고정측 스페이서에 형성된 노즐 구멍으로부터, 냉각용 압축 공기가, 회전측 스페이서에 형성된 회전측 오목부의 바닥면을 향하여 토출된다. 압축 공기가 좁은 노즐 구멍으로부터 주로 고정측 오목부 및 회전측 오목부로 이루어지는 넓은 공간에 토출되는 것에 의해, 압축 공기가 단열 팽창한다. 이 단열 팽창에 의해, 압축 공기의 유속이 증가하고, 또한 온도가 하강한다. 그러므로, 회전측 스페이서가 효율적으로 냉각된다. 종래와 같이 고정측 스페이서에 오목부를 형성할 뿐만 아니라, 회전측 스페이서에도 오목부를 형성한 것에 의해, 종래의 구성에 비하여, 압축 공기가 토출되는 공간이 넓어지고 있다. 이에 의해, 압축 공기의 단열 팽창이 촉진되어, 압축 공기의 유속이 더 증가하고, 또한 온도가 저하되므로, 냉각 효과가 한층 더 향상된다.
또한, 고정측 스페이서에 형성된 노즐 구멍은 회전측 스페이서의 회전 방향의 전방으로 경사져 있으므로, 노즐 구멍으로부터 토출된 압축 공기는, 회전측 스페이서의 주위면을 따라 선회하면서 축 방향으로 흘러 베어링 외부로 배출된다. 압축 공기가 선회하기 때문에, 축 방향으로 곧바로 흐르는 경우와 비교하여, 압축 공기가 회전측 스페이서의 주위면과 접하고 있는 시간이 길어, 회전측 스페이서를 한층 더 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
이와 같이, 회전측 스페이서가 효율적으로 냉각됨으로써, 이 회전측 스페이서를 통하여 롤링 베어링의 회전측 궤도륜 및 회전축을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 그러므로, 압축 공기의 사용량을 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 회전측 오목부의 축 방향 길이가, 상기 노즐 구멍의 구멍 직경 2배 이상인 것이 바람직하다.
회전측 오목부의 축 방향 길이가 노즐 구멍의 구멍 직경 2배보다 작으면, 압축 공기가 회전측 오목부에 원활하게 유입되지 않고, 노즐 구멍으로부터 토출되는 압축 공기를 충분히 단열 팽창시킬 수 없다.
본 발명에 있어서, 상기 회전측 오목부의 직경 방향 깊이가, 상기 회전측 스페이서의 직경 방향의 두께의 10% 내지 50%의 범위 내인 것이 바람직하다.
회전측 오목부의 직경 방향 깊이가 회전측 스페이서의 직경 방향의 두께의 10% 미만이면, 회전측 오목부의 용적이 작아, 압축 공기의 부피를 충분히 증가시킬 수 없다. 또한, 50%를 초과하면, 회전측 스페이서의 직경 방향의 두께가 지나치게 얇아져, 베어링을 축에 조립할 때나, 운전 중에 작용하는 축 하중(axial load)에 의해 회전측 스페이서의 손상이 생길 우려가 있다.
본 발명에 있어서, 상기 회전측 오목부의 바닥면에 크로스 홈형(cross groove) 또는 스트라이프 홈형(striped groove)의 오목부가 형성되어 있어도 된다. 또한, 상기 회전측 오목부의 바닥면에 복수의 원주 홈이 형성되어 있어도 된다.
이들의 경우, 회전측 오목부의 바닥면이 요철면으로 되어 바닥면의 표면적이 커지므로, 회전측 스페이서와 압축 공기의 열교환이 효율적으로 행해지고, 냉각 효과가 더욱 높아진다.
본 발명에 있어서, 상기 고정측 스페이서가, 상기 노즐 구멍이 형성된 고정측 스페이서 본체와, 상기 롤링 베어링에 윤활유를 공급하는 윤활유 구멍이 형성된 윤활유 구멍 형성 부재를 가지는 경우, 상기 고정측 스페이서 본체의 주위면이 상기 고정측 오목부의 상기 바닥면이고, 또한 상기 윤활유 구멍 형성 부재의 측면이 상기 고정측 오목부의 측벽면이면 된다.
이와 같이 고정측 스페이서 본체의 주위면과 윤활유 구멍 형성 부재의 측면으로 고정측 오목부를 구성하면, 고정측 스페이서 본체와 윤활유 구멍 형성 부재를 조합하는 것만으로 고정측 오목부가 형성되므로, 고정측 오목부의 가공이 불필요하다.
청구의 범위 및/또는 명세서 및/또는 도면에 개시된 적어도 2개의 구성의 어떤 조합도 본 발명에 포함된다. 특히, 청구의 범위의 각 청구항의 2개 이상의 어떤 조합도 본 발명에 포함된다.
본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 호적한 실시형태의 설명으로부터 보다 명료하게 이해될 것이다. 그러나, 실시형태 및 도면은 단순한 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위해 이용되어서는 안 된다. 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에 있어서, 복수의 도면에 있어서의 동일한 부품번호는, 동일 부분을 나타낸다.
[도 1] 본 발명의 제1 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조를 구비한 공작 기계 주축 장치의 단면도이다.
[도 2] 본 발명의 제1 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 확대 단면도이다.
[도 3] 도 1의 III-III 단면도이다.
[도 4a] 압축 공기가 토출되는 공간의 넓이를 비교하기 위한 설명도이다.
[도 4b] 압축 공기가 토출되는 공간의 넓이를 비교하기 위한 다른 설명도이다.
[도 5] 본 발명의 제2 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 단면도이다.
[도 6] 본 발명의 제3 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 단면도이다.
[도 7] 본 발명의 제4 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 단면도이다.
[도 8] 본 발명의 제5 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 단면도이다.
[도 9] 비교예로서의 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 단면도이다.
[도 10] 다른 비교예로서의 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 단면도이다.
[도 11] 또 다른 비교예로서의 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 단면도이다.
[도 12] 종래의 베어링 장치의 냉각 구조의 주요부의 단면도이다.
본 발명의 제1 실시형태에 관한 베어링 장치의 냉각 구조를 도 1 내지 도 4와 함께 설명한다.
도 1은, 상기 베어링 장치의 냉각 구조를 구비한 공작 기계 주축 장치의 단면도이다. 본 예에서는, 공작 기계의 주축 장치에 적용되고 있지만, 공작 기계의 주축 장치에만 한정되는 것은 아니다.
베어링 장치(J)는 축 방향으로 늘어서는 2개의 롤링 베어링(1, 1)을 포함하고, 각 롤링 베어링(1, 1)의 외륜(2, 2) 사이 및 내륜(3, 3) 사이에, 외륜 스페이서(4) 및 내륜 스페이서(5)가 각각 개재하고 있다. 외륜(2) 및 외륜 스페이서(4)가 하우징(6)에 설치되고, 내륜(3) 및 내륜 스페이서(5)가 주축(7)에 끼워맞추어져 있다. 롤링 베어링(1)은 앵귤러 볼 베어링이고, 외륜(2) 및 내륜(3)의 각 궤도면 사이에 복수의 전동체(8)가 개재하고 있다. 각 전동체(8)는, 유지기(9)에 의해 원주 방향에 있어서 등간격(等間隔)으로 유지된다. 2개의 롤링 베어링(1, 1)은 배면 조합으로 배치되어 있고, 외륜 스페이서(4)와 내륜 스페이서(5)의 폭 치수 차이에 의해, 각 롤링 베어링(1, 1)의 초기 예압(preload)을 설정하여 사용된다.
본 실시형태에서는, 롤링 베어링(1)은 내륜 회전으로 사용된다. 따라서, 외륜(2), 내륜(3)이 각각 「고정측 궤도륜」, 「회전측 궤도륜」으로도 불리고, 외륜 스페이서(4), 내륜 스페이서(5)가 각각 「고정측 스페이서」, 「회전측 스페이서」라고도 불린다. 또한, 주축(7)이 「회전 부재」라고도 불리고, 하우징(6)이 「고정 부재」라고도 불린다. 나중에 나타내는 다른 실시형태에 대해도 동일하다.
외륜(2, 2) 및 외륜 스페이서(4)는, 예를 들면 하우징(6)에 대하여 헐거운 끼워맞춤(loose fit)으로 되고, 하우징(6)의 단부(stepped portion)(6a)와 단면 커버(end face cover)(40)에 의해 축 방향의 위치결정이 된다. 또한, 내륜(3, 3) 및 내륜 스페이서(5)는, 예를 들면 주축(7)에 대하여 억지 끼워맞춤(interference fit)으로 되고, 양측의 위치결정 스페이서(41, 42)에 의해 축 방향의 위치결정이 된다. 그리고, 도면 좌측의 위치결정 스페이서(42)는, 주축(7)에 나사장착시킨 너트(43)에 의해 고정된다.
냉각 구조에 대하여 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4)는, 고정측 스페이서 본체인 외륜 스페이서 본체(11)와, 이 외륜 스페이서 본체(11)와는 별도의 부재로 이루어지는 링형의 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)를 가진다. 외륜 스페이서 본체(11)는 단면 대략 T자 형상으로 형성되고, 이 외륜 스페이서 본체(11)의 축 방향 양측에 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)가 대칭 배치로 고정되어 있다. 도 2는 도 1의 부분 확대도이다. 다만, 도 1과 도 2에서 한 쪽의 롤링 베어링(1)의 절단면이 상이하다.
외륜 스페이서 본체(11)의 내경(內徑) 치수는 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)의 내경 치수보다 크다. 이에 의해, 외륜 스페이서(4)의 내주면에, 외륜 스페이서 본체(11)의 내주면과, 이 내주면에 계속되는 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)의 측면으로 구성되는 고정측 오목부(13)가 형성되어 있다. 외륜 스페이서 본체(11)의 내주면이 고정측 오목부(13)의 바닥면이고, 또한 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)의 측면이 고정측 오목부(13)의 측벽면이다. 이와 같이 외륜 스페이서 본체(11)의 내주면과 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)의 측면으로 고정측 오목부(13)를 구성하면, 외륜 스페이서 본체(11)와 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)를 조합하는 것만으로 고정측 오목부(13)가 형성되므로, 고정측 오목부(13)의 가공이 불필요하다.
상기 고정측 오목부(13)는 단면 대략 직사각형의 환형 홈이다. 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)의 측면 내경 단부(12a, 12a)는, 내경 측으로 감에 따라서 양자의 간격이 넓어지도록 비스듬하게 절결(切缺)되어 있다. 외륜 스페이서(4)의 고정측 오목부(13) 이외의 내주면, 즉 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)의 내주면과, 내륜 스페이서(5)의 외주면은, 미소한 직경 방향 틈(δa)을 통하여 대향하고 있다.
내륜 스페이서(5)의 외주면에는, 외륜 스페이서 본체(11)의 내주면과 대향하여 환형의 회전측 오목부(14)가 형성되어 있다. 이 회전측 오목부(14)는, 단면이 직사각형인 환형 홈이다. 회전측 오목부(14)의 축 방향 폭 Y는, 외륜 스페이서 본체(11)의 내주면과 같은 폭이다. 또한, 회전측 오목부(14)의 깊이 Z는, 내륜 스페이서(5)의 직경 방향의 두께 T의 10% 내지 50%의 범위 내로 되어 있다.
상기 외륜 스페이서 본체(11)에는, 내륜 스페이서(5)의 회전측 오목부(14)의 바닥면을 향하여 냉각용 압축 공기(A)를 토출하는 노즐 구멍(15)이 형성되어 있다. 노즐 구멍(15)의 출구(15a)는, 외륜 스페이서(4)의 회전측 오목부(13)의 바닥면에 개구되어 있다. 이 예에서는, 복수 개(예를 들면, 3개)의 노즐 구멍(15)이 형성되어 있고, 원주 방향에 있어서 등간격으로 배치되어 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 각 노즐 구멍(15)은 내륜 스페이서(5)의 회전 방향의 전방으로 경사져 있다. 즉, 외륜 스페이서(4)의 축심(軸心)에 수직한 단면에 있어서의 임의의 반경 방향의 직선 L로부터, 이 직선 L과 직교하는 방향으로 오프셋한 위치에 있다. 노즐 구멍(15)을 오프셋시키는 이유는, 압축 공기(A)를 내륜 스페이서(5)의 회전 방향으로 선회류로서 작용시켜, 냉각 효과를 향상시키기 위해서이다. 그리고, 도 1, 도 2에서는, 외륜 스페이서(4)를 노즐 구멍(15)의 중심선을 통하는 단면으로 표시하고 있다.
외륜 스페이서 본체(11)의 외주면에는, 베어링 외부로부터 각 노즐 구멍(15)에 압축 공기(A)를 도입하기 위한 도입 홈(16)이 형성되어 있다. 이 도입 홈(16)은, 외륜 스페이서(4)의 외주면에 있어서의 축 방향 중간부에 형성되고, 각 노즐 구멍(15)과 연통하는 원호형으로 형성되어 있다. 도입 홈(16)은, 외륜 스페이서 본체(11)의 외주면에 있어서, 후술하는 윤활유 공급 경로(도시하지 않음)가 설치되는 원주 방향 위치를 제외한 원주 방향의 대부분을 나타내는 각도 범위 α에 걸쳐 형성되어 있다. 도 1과 같이, 하우징(6)에 압축 공기 도입 경로(45)가 설치되고, 이 압축 공기 도입 경로(45)에 도입 홈(16)이 연통하도록 구성되어 있다. 하우징(6)의 외부에는, 압축 공기 도입공(45)에 압축 공기(A)를 공급하는 에어 공급 장치(도시하지 않음)가 설치되어 있다.
윤활 구조에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 외륜 스페이서(4)는, 베어링 내에 윤활유를 공급하는 상기 윤활유 구멍 형성 부재(12, 12)를 가진다. 이 예에서는, 윤활유로서 에어 오일이 사용된다. 각 윤활유 구멍 형성 부재(12)는, 내주면이 내륜 스페이서(5)에 상기 직경 방향 틈(δa)을 통하여 대향하는 베이스부(12b)와, 이 베이스부(12b)로부터 축 방향 외측으로 돌출되어 내륜(3)의 외주면과의 사이에서 에어 오일 통과용 환형 틈(δb)을 통하여 대향하는 플랜지형의 선단부(30)로 이루어진다. 바꾸어 말하면, 윤활유 구멍 형성 부재(12)의 선단부(30)가, 내륜(3)의 외주면에 덮이도록 베어링 내에 진입하여 배치된다. 또한, 윤활유 구멍 형성 부재(12)의 선단부(30)는, 유지기(9)의 내주면보다 반경 방향의 내측에 배치되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 윤활유 구멍 형성 부재(12)에는, 이 윤활유 구멍 형성 부재(12)와 내륜(3)의 외주면 사이의 상기 환형 틈(δb)에 에어 오일을 공급하는 윤활유 구멍(31)이 형성되어 있다. 이 윤활유 구멍(31)은, 베어링 측을 향함에 따라서 내경 측에 이르도록 경사지고, 선단부(30)의 내주 측에 출구가 개구되어 있다. 윤활유 구멍(31)에는, 하우징(6) 및 외륜 스페이서 본체(11)에 설치된 윤활유 공급 경로(도시하지 않음)를 통하여 에어 오일이 공급된다. 내륜(3)의 외주면에 있어서의 윤활유 구멍(31)의 연장선상의 개소에는, 환형 오목부(3a)가 형성되어 있다.
윤활유 구멍 형성 부재(12)로부터 토출된 에어 오일의 오일이 상기 환형 오목부(3a)에 고이고, 이 오일이 내륜(3)의 회전에 수반하는 원심력에 의해, 경사면인 내륜(3)의 외주면을 따라 베어링 중심 측으로 인도된다.
배기 구조에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 이 베어링 장치(J)에는, 냉각용 압축 공기 및 윤활용 에어 오일을 배기하는 배기 경로(46)가 설치되어 있다. 배기 경로(46)는, 외륜 스페이서 본체(11)에 있어서의 원주 방향의 일부에 형성된 배기 홈(47)과, 하우징(6)에 형성되어 상기 배기 홈(47)과 연통하는 직경 방향 배기공(48) 및 축 방향 배기공(49)을 가진다. 상기 외륜 스페이서 본체(11)의 배기 홈(47)은, 윤활유 공급 경로가 설치되는 위치에 대향하는 원주 방향 위치에 걸쳐 형성되어 있다.
상기 구성으로 이루어지는 베어링 장치의 냉각 구조의 작용에 대하여 설명한다.
외륜 스페이서(4)에 형성된 노즐 구멍(15)으로부터, 냉각용 압축 공기(A)가 내륜 스페이서(5)의 회전측 오목부(14)의 바닥면을 향하여 분사된다. 이 때, 압축 공기(A)가 좁은 노즐 구멍(15) 내로부터, 주로 고정측 오목부(13)와 회전측 오목부(14)로 이루어지는 넓은 공간(20)에 토출됨으로써, 압축 공기(A)가 단열 팽창한다. 정확하게는, 공간(20)은 고정측 오목부(13)와, 회전측 오목부(14)와, 이들 고정측 오목부(13) 및 회전측 오목부(14) 사이에 개재하는 상기 직경 방향 틈(δa) 폭의 공간을 맞춘 크기이다.
노즐 구멍(15) 내에서의 압축 공기(A)의 부피를 V1, 온도를 T1로 하고, 공간(20)에서의 압축 공기의 부피를 V2, 온도를 T2로 한 경우, 기체(氣體)의 상태 방정식, 열역학의 제1 법칙으로부터, V1<V2, T1>T2로 된다. 즉, 공간(20)에서는, 압축 공기(A)의 온도가 내려가고, 부피가 증가한다. 부피가 증가함으로써, 압축 공기(A)의 유속이 증대한다. 이와 같이, 저온으로 고속의 압축 공기(A)를 내륜 스페이서(5)에 분사함으로써, 내륜 스페이서(5)를 효율적으로 냉각한다.
도 12에 나타내는 종래의 베어링 장치의 냉각 구조에서는, 압축 공기(A)가 토출되는 공간(120)의 용적은, 대략 오목부(113)의 용적(도 4a)의 크기이다. 이에 대하여, 도 2의 베어링 장치의 냉각 구조에서는, 압축 공기(A)가 토출되는 공간(20)의 용적(도 4b)은, 대략 고정측 오목부(13)의 용적과 회전측 오목부(14)의 용적을 가산한 크기이다. 오목부(113)의 용적과 고정측 오목부(13)의 용적이 같은 경우, 도 2의 베어링 장치의 냉각 구조의 공간(20)은, 도 12의 베어링 장치의 냉각 구조의 공간(120)보다도 회전측 오목부(14)의 용적분만큼 크다. 그러므로, 도 2의 베어링 장치의 냉각 구조는, 노즐 구멍(15)으로부터 토출된 압축 공기(A)의 팽창율이 크고, 압축 공기(A)의 온도 저하 및 부피 증가가 한층 더 촉진되어, 냉각 효과가 높아진다.
본 실시형태에서는, 회전측 오목부(14)의 축 방향 폭 Y를 외륜 스페이서 본체(11)의 내주면과 같은 폭으로 하였으나, 회전측 오목부(14)의 축 방향 폭 Y가 외륜 스페이서 본체(11)의 내주면과 같은 폭이 아니어도 된다. 그러나, 그 경우라도, 회전측 오목부(14)의 축 방향 길이 Y는, 노즐 구멍(15)의 구멍 직경 D의 2배 이상인 것이 바람직하다. 만일 도 9에 나타낸 바와 같이, 회전측 오목부(14)의 축 방향 길이 Y가 노즐 구멍(15)의 구멍 직경 D의 2배보다 작으면, 압축 공기(A)가 회전측 오목부(14)에 잘 유입되지 않고, 노즐 구멍(15)으로부터 토출되는 압축 공기(A)를 충분히 단열 팽창시킬 수 없다.
회전측 오목부(14)의 직경 방향 깊이 Z를 회전측 스페이서(5)의 직경 방향의 두께 T의 10% 내지 50%의 범위 내로 한 것은, 이하의 이유에 따른다. 즉, 도 10에 나타낸 바와 같이, 직경 방향 깊이 Z가 두께 T의 10% 미만이면, 회전측 오목부(14)의 용적이 작고, 압축 공기(A)의 부피를 충분히 증가시킬 수 없다. 또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 50%를 초과하면, 회전측 오목부(14)가 형성된 부분의 두께 T-Z가 얇아지고, 롤링 베어링(1)을 주축(7)에 조립할 때나, 운전 중에 작용하는 축 하중에 의해 회전측 스페이서(5)의 손상이 생길 우려가 있다.
노즐 구멍(15)이 내륜 스페이서(5)의 회전 방향의 전방으로 경사져 있으므로, 노즐 구멍(15)으로부터 토출된 압축 공기(A)는, 내륜 스페이서(5)의 외주면을 따라 선회하면서 축 방향으로 흘러, 상기 배기 경로(46)를 통하여 베어링 외부로 배출된다. 압축 공기(A)가 선회하기 때문에, 축 방향으로 곧바로 흐르는 경우와 비교하여, 압축 공기(A)가 내륜 스페이서(5)의 외주면과 접하고 있는 시간이 길고, 내륜 스페이서(5)를 한층 더 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
이와 같이, 내륜 스페이서(5)가 효율적으로 냉각됨으로써, 이 내륜 스페이서(5)를 통하여 롤링 베어링(1)의 내륜(3) 및 주축(7)을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 이 냉각 구조는, 외륜 스페이서(4) 및 내륜 스페이서(5)에 환형의 고정측 오목부(13) 및 회전측 오목부(14)를 각각 형성하고, 또한 노즐 구멍(15)을 경사지게 한다는 구조적인 고안을 하는 것만으로 냉각 효율을 향상시킬 수 있으므로, 압축 공기(A)를 공급하는 에어 공급 장치의 출력을 크게 하지 않아도 되고, 소비 전력을 억제할 수 있다.
덧붙여, 고정측 오목부(13) 및 회전측 오목부(14)가 형성되어 있으면, 다음과 같은 효과도 있다. 즉, 외륜 스페이서(4)와 내륜 스페이서(5) 사이의 공간(20)에 토출된 압축 공기(A)는, 외륜 스페이서(4)와 내륜 스페이서(5) 사이의 직경 방향 틈(δa)을 통하여 베어링 외부로 배출된다. 그 때, 적어도 일부의 압축 공기(A)는 베어링 내에 유입된다. 공간(20)보다 직경 방향 틈(δa)이 좁아져 있으므로, 직경 방향 틈(δa)을 흐르는 압축 공기(A)의 주위 방향의 각 부(part)에서의 유속이 균일화되고, 베어링 내에 유입되는 압축 공기(A)의 유속이 균일해진다. 이에 의해, 압축 공기(A)와 회전 중의 전동체(8)의 충돌 음을 작게 할 수 있다.
도 2에 나타내는 베어링 장치(J)는, 내륜 스페이서(5)에 형성되는 회전측 오목부(14)가 단면이 직사각형으로 되어 있지만, 회전측 오목부(14)의 형상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 5에 나타내는 제2 실시형태와 같이, 회전측 오목부(14)의 코너부(21)가 경사면으로 되어 있어도 된다. 또한, 도 6에 나타내는 제3 실시형태와 같이, 회전측 오목부(14)의 바닥면이, 단면이 원호 형상이어도 된다.
또한, 도 7에 나타내는 제4 실시형태와 같이 회전측 오목부(14)의 바닥면에 널링(knurling) 가공 등에 의해 크로스 홈형 또는 스트라이프 홈형의 오목부(22)를 형성하거나, 또는, 도 8에 나타내는 제5 실시형태와 같이 회전측 오목부(14)의 바닥면에 복수의 원주 홈(23)을 형성하여, 회전측 오목부(14)의 바닥면을 요철면으로 함으로써 바닥면의 표면적을 크게 해도 된다. 이와 같이 회전측 오목부(14)의 바닥면 표면적을 크게 하는 것에 의해, 내륜 스페이서(5)와 압축 공기(A)의 열교환이 효율적으로 행해지게 되고, 냉각 효과가 더욱 높아진다.
이상의 각 실시형태에서는, 롤링 베어링(1)을 내륜 회전으로 사용하는 경우를 나타냈으나, 외륜 회전으로 사용하는 경우도, 본 발명을 적용할 수 있다. 그 경우, 예를 들면 내륜(3)의 내주에 끼워맞추는 축(도시하지 않음)이 고정 부재, 외륜(2)의 외주에 끼워맞추는 롤러(도시하지 않음)가 회전 부재이다.
이상과 같이, 도면을 참조하면서 바람직한 실시예를 설명하였으나, 당업자라면, 본건 명세서를 보고 자명한 범위 내에서 다양한 변경 및 수정을 용이하게 상정할 것이다. 따라서, 그러한 변경 및 수정은, 첨부한 청구의 범위로부터 정해지는 본 발명의 범위 내의 것으로 해석된다.
1 : 롤링 베어링
2 : 외륜(고정측 궤도륜)
3 : 내륜(회전측 궤도륜)
4 : 외륜 스페이서(고정측 스페이서)
5 : 내륜 스페이서(회전측 스페이서)
6 : 하우징(고정 부재)
7 : 주축(회전 부재)
11 : 외륜 스페이서 본체(고정측 스페이서 본체)
12 : 윤활유 구멍 형성 부재
31 : 윤활유 구멍
13 : 고정측 오목부
14 : 회전측 오목부
15 : 노즐 구멍
15a : 출구
22 : 홈형의 오목부
23 : 원주 홈
A : 압축 공기
J : 베어링 장치

Claims (6)

  1. 롤링 베어링의 내외에 대향하는 고정측 궤도륜(raceway ring) 및 회전측 궤도륜에 각각 이웃하여 고정측 스페이서 및 회전측 스페이서가 설치되고, 상기 고정측 궤도륜 및 상기 고정측 스페이서가, 고정 부재 및 회전 부재 중 상기 고정 부재에 설치되고, 상기 회전측 궤도륜 및 상기 회전측 스페이서가, 상기 고정 부재 및 상기 회전 부재 중 상기 회전 부재에 설치되는 베어링 장치의 냉각 구조로서,
    상기 고정측 스페이서에 있어서의 상기 회전측 스페이서에 대향하는 주위면(circumferential surface)에 환형의 고정측 오목부가 형성되고, 또한 상기 회전측 스페이서에 있어서의 상기 고정측 스페이서에 대향하는 주위면에 있어서 상기 고정측 오목부에 대향하는 축 방향 위치에 환형의 회전측 오목부가 형성되고, 상기 고정측 오목부의 바닥면에 개구되는 출구로부터 상기 회전측 오목부의 바닥면을 향하여 압축 공기를 토출하는 노즐 구멍이, 상기 회전측 스페이서의 회전 방향의 전방으로 경사져 형성되어 있는,
    베어링 장치의 냉각 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전측 오목부의 축 방향 길이가, 상기 노즐 구멍의 구멍 직경의 2배 이상인, 베어링 장치의 냉각 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전측 오목부의 직경 방향 깊이가, 상기 회전측 스페이서의 직경 방향의 두께의 10% 내지 50%의 범위 내인, 베어링 장치의 냉각 구조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전측 오목부의 바닥면에 크로스 홈형(cross groove) 또는 스트라이프 홈형(striped groove)의 오목부가 형성된, 베어링 장치의 냉각 구조.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전측 오목부의 바닥면에 복수의 원주 홈이 형성된, 베어링 장치의 냉각 구조.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정측 스페이서는, 상기 노즐 구멍이 형성된 고정측 스페이서 본체와, 상기 롤링 베어링에 윤활유를 공급하는 윤활유 구멍이 형성된 윤활유 구멍 형성 부재를 가지고, 상기 고정측 스페이서 본체의 주위면이 상기 고정측 오목부의 상기 바닥면이고, 또한 상기 윤활유 구멍 형성 부재의 측면이 상기 고정측 오목부의 측벽면인, 베어링 장치의 냉각 구조.
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