WO2022054658A1 - 軸受装置の冷却構造 - Google Patents

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WO2022054658A1
WO2022054658A1 PCT/JP2021/032089 JP2021032089W WO2022054658A1 WO 2022054658 A1 WO2022054658 A1 WO 2022054658A1 JP 2021032089 W JP2021032089 W JP 2021032089W WO 2022054658 A1 WO2022054658 A1 WO 2022054658A1
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WO
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exhaust
flow rate
ring spacer
bearing device
inner ring
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PCT/JP2021/032089
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Inventor
誠 田中
一樹 園田
Original Assignee
Ntn株式会社
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    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/12—Arrangements for cooling or lubricating parts of the machine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/02—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows
    • F16C19/14—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for both radial and axial load
    • F16C19/16—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for both radial and axial load with a single row of balls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C35/00—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers
    • F16C35/08—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers for spindles
    • F16C35/12—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers for spindles with ball or roller bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C37/00—Cooling of bearings

Definitions

  • the present invention relates to a cooling structure of a bearing device, for example, a cooling structure of a bearing device incorporated in a spindle device of a machine tool.
  • the cooling effect of the spindle device by the compressed air can be obtained, and the situation where the grease is blown off and removed by the flow of the compressed air from the seat space to the bearing space can be prevented.
  • the intake / exhaust balance in the device differs depending on the stationary state and the rotation speed, so that the optimum number of exhaust ports and exhaust passages differs depending on the rotation speed condition.
  • the intake / exhaust balance is poor, a flow from the bearing space to the spacer space may occur contrary to the above flow. Therefore, it is necessary to take measures to obtain the optimum intake / exhaust balance.
  • An object of the present invention is to provide a cooling structure for a bearing device that can optimize the balance between intake and exhaust according to an operating state such as a rotation speed, suppress a temperature rise to a small value, and efficiently cool the bearing device. Is.
  • an outer ring spacer and an inner ring spacer are interposed between the outer rings and the inner rings of a plurality of rolling bearings arranged in the axial direction, respectively, and the outer ring and the outer ring spacer are installed in the housing.
  • a bearing device in which an inner ring and an inner ring spacer are fitted to a spindle, and the rolling bearing is lubricated by grease enclosed in a bearing space between the outer ring and the inner ring.
  • a supply port for supplying compressed air for cooling toward the outer peripheral surface of the inner ring spacer is provided on the inner peripheral surface of the outer ring spacer, and projects toward the outer diameter side at both ends in the axial direction of the inner ring spacer.
  • An obstacle wall is provided to prevent the compressed air supplied from the supply port from flowing into the bearing space.
  • An exhaust flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust path is provided in the exhaust path for exhausting air from the space between the outer ring spacer and the inner ring spacer through the inside of the housing. ..
  • the exhaust path includes an exhaust path portion provided in the housing and an external exhaust path portion connected to the exhaust path portion in the housing, or is composed of only an exhaust path portion in the housing.
  • the exhaust flow rate adjusting means may be provided in the exhaust path portion in the housing or in the external exhaust path portion.
  • compressed air for cooling is supplied from the supply port provided in the outer ring spacer toward the outer peripheral surface of the inner ring spacer, so that the compressed air colliding with the inner ring spacer is supplied to the bearing device and this bearing. Removes heat from the spindle supported by the device. As a result, the bearing device and the spindle are efficiently cooled. Obstacle walls are provided at both ends of the inner ring spacer in the axial direction to prevent compressed air from flowing into the bearing space, preventing the grease enclosed in the bearing space from being removed by the compressed air. Grease. Therefore, a good lubrication state can be maintained.
  • the exhaust flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust path can be changed, the flow rate of the exhaust gas can be changed according to the operating state such as the rotation speed of the bearing device, and the balance between intake and exhaust is optimized. As a result, the temperature rise can be suppressed to a small level.
  • the configuration provided with the exhaust flow rate adjusting means provides the following effects depending on the operating state.
  • the rotation speed is low, the compressed air enters the exhaust path by adjusting the exhaust space and exhaust capacity to a sufficiently large size by the exhaust flow rate adjusting means provided in the housing or the exhaust port of the outer ring holder according to the rotation speed. It can be sufficiently exhausted and suppressed from flowing into the bearing space.
  • the rotation speed is high, the exhaust space and exhaust capacity are adjusted to be small, or the flow rate flowing through the exhaust path is adjusted by the exhaust flow rate adjusting means provided in the housing or the exhaust port of the outer ring retainer according to the rotation speed. Therefore, the balance of intake and exhaust of the spindle device can be optimized.
  • the rotation speed is relatively high, the suction force from the bearing side to the seat side works, and when the rotation speed is relatively low, the opposite is true, and the pressure on the seat side becomes high.
  • the exhaust flow rate adjusting means may be a flow rate adjusting valve. If it is a flow rate control valve, the exhaust flow rate according to the operating state can be controlled by a control means or the like.
  • a control means for controlling the exhaust flow rate adjusting means may be provided according to one or both of the rotational speed of the spindle supported by the bearing device and the flow rate of the exhaust gas in the exhaust path.
  • a flow rate limiting mechanism that limits the flow rate of the exhaust gas when the flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust path exceeds a certain amount may be provided. In this way, if the exhaust gas flow rate is restricted when the exhaust gas flow rate exceeds a certain amount, the exhaust gas flow rate adjusting means can be simply configured.
  • the flow rate limiting mechanism is a check damper, and the opening / closing blades that open and close the exhaust path are urged in the opening direction by the urging means, and when the flow rate exceeds a certain amount, the urging force of the urging means is resisted.
  • the opening / closing blade may be configured to close the flow path. In this configuration, no control means is required and the configuration is simplified.
  • an outer ring spacer 4 and an inner ring spacer 5 are interposed between the outer ring 2 and the inner ring 3 of a plurality of rolling bearings 1 arranged in the axial direction, respectively, and the outer ring 2 and the inner ring spacer 1 are interposed.
  • the outer ring spacer 4 is installed in the housing 6, the inner ring 3 and the inner ring spacer 5 are fitted to the spindle 7, and the rolling bearing 1 is lubricated by grease enclosed in the bearing space S1 between the outer ring 2 and the inner ring 3.
  • a supply port 10 for supplying compressed air for cooling toward the outer peripheral surface of the inner ring spacer 5 is provided on the inner peripheral surface of the outer ring spacer 4. Obstacle walls 33 are provided at both ends of the inner ring spacer in the axial direction so as to project toward the outer diameter side and prevent the compressed air supplied from the supply port 10 from flowing into the bearing space S1. In this configuration, the flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust path 50 can be changed to the exhaust path 50 for exhausting from the space S2 between the outer ring spacer 2 and the inner ring spacer 3 through the inside of the housing 6.
  • the exhaust flow rate adjusting means 51 is provided.
  • an outer ring spacer 4 and an inner ring spacer 5 are interposed between the outer rings 2 and 2 and the inner rings 3 and 3 of a plurality of rolling bearings 1 and 1 arranged in the axial direction, respectively.
  • Angular contact ball bearings are applied as each rolling bearing 1.
  • These angular contact ball bearings are installed in combination on the back surface, and counter bores are provided on the opposite side of the contact angle on the outer peripheral surface of the inner ring and the inner peripheral surface of the outer ring, respectively.
  • a plurality of rolling elements 8 are interposed between the raceway surfaces of the inner and outer rings 3 and 2, and these rolling elements 8 are held by the cage 9 in an evenly arranged circumference.
  • the rolling bearings 1 and 1 are grease-lubricated, and sealing members 31 and 32 for sealing the bearing space S1 between the outer ring 2 and the inner ring 3 are attached to both ends in the axial direction of the outer ring 2, respectively.
  • This bearing device J is used, for example, to support the spindle of a machine tool.
  • the outer ring 2 of each rolling bearing 1 is fixed in the housing 6, and the inner ring 3 is fitted to the outer peripheral surface of the spindle 7. ..
  • FIG. 3 a radial clearance ⁇ 1 is provided between the inner peripheral surface of the outer ring spacer 4 and the outer peripheral surface of the inner ring spacer 5, and the inner ring spacer 4 is provided on the inner peripheral surface of the outer ring spacer 4.
  • a supply port 10 for supplying compressed air for cooling toward the outer peripheral surface of 5 is provided.
  • the number of supply ports 10 is 3, and each supply port 10 is evenly distributed in the circumferential direction.
  • an annular introduction groove 11 for introducing compressed air A is provided on the outer peripheral surface of the outer ring spacer 4.
  • the introduction groove 11 is provided at an axial intermediate portion on the outer peripheral surface of the outer ring spacer 4, and communicates with each supply port 10 via a connection hole 11a.
  • Compressed air A is supplied to the introduction groove 11 from the compressed air supply device (not shown) provided outside the bearing device J through the compressed air introduction hole 46 provided in the housing 6.
  • both ends of the inner ring spacer 5 in the axial direction are obstacle walls 33 overhanging to the outer diameter side.
  • the obstacle wall 33 has a tapered shape in which the amount of protrusion toward the outer diameter side is larger toward the side closer to the rolling bearing 1 in the axial direction.
  • a notch 34 serving as a discharge port for compressed air A supplied from the supply port 10 is provided on the axial end surface of the outer ring spacer 4.
  • the notch 34 has a rectangular cross-sectional shape as shown in FIG. 4, for example.
  • the notch 34 communicates the spacer space S2 between the outer ring spacer 4 and the inner ring spacer 5 with the outside of the bearing device J. It becomes an opening shape.
  • the inner ring spacer 5 is divided into, for example, an axial intermediate portion. It consists of two inner ring seat divisions.
  • the outer diameter end of the obstacle wall 33 faces the inner peripheral surface of the outer ring spacer 4 via a slight radial gap ⁇ 2. Further, the end surface of the obstacle wall 33 faces the inner sealing member 31 in the axial direction via a slight axial clearance ⁇ 3.
  • the labyrinth seal portion 35 having the labyrinth seal effect is constructed by the seal member 31 and the obstacle wall 33.
  • the bearing space S1 and the spacer space S2 are separated by the labyrinth seal portion 35.
  • the compressed air A for cooling sent from the compressed air supply device provided outside the bearing device J during operation or the like is supplied from the supply port 10 of the outer ring spacer 4 to the outer peripheral surface of the inner ring spacer 5. Supplied towards. After colliding with the inner ring spacer 5, the compressed air A flows to both sides in the axial direction along the outer peripheral surface of the inner ring spacer 5, and further flows outward along the tapered outer diameter surface of the obstacle wall 33 of the inner ring spacer 5. Guided to the radial side, it is discharged from the notch 34 of the outer ring spacer 5.
  • the flow of the compressed air A in the seat space S2 and the discharge of the compressed air A from the seat space S2 become smooth. While the compressed air A passes through the spacer space S2, the heat of the bearing device J and the spindle 7 supported by the bearing device J is taken away. As a result, the bearing device J and the spindle 7 are efficiently cooled.
  • the compressed air A is prevented from flowing into the bearing space S1.
  • the bearing space S1 and the spacer space S2 are separated by the labyrinth seal portion 35, the inflow of the compressed air A into the bearing space S1 can be prevented even more effectively.
  • the internal pressure of the seat space S2 is lower than the internal pressure of the bearing space S1, and it is difficult for the compressed air A to flow into the bearing space S1.
  • the supply port 10 and the notch 34 are arranged so as to be offset from each other in the circumferential direction as shown in FIG.
  • the compressed air A supplied from the supply port 10 to the spacer space S2 flows to the notch 34 along the outer peripheral surface of the inner ring spacer 5.
  • the notch 34 may be arranged at the same circumferential position.
  • each supply port 10 is set to the inner ring 3 (FIG. 1) as shown in FIG. ) And the spindle 7 may be tilted forward in the rotation direction L1.
  • Each supply port 10 is a linear position, and is offset (offset amount OS) from a straight line L2 in an arbitrary radial direction in a cross section perpendicular to the axis of the outer ring spacer 4 in a direction orthogonal to the straight line L2. It is in.
  • each supply port 10 When the air discharge direction of each supply port 10 is inclined in this way, when the discharged compressed air A hits the outer peripheral surface of the inner ring spacer 5, the pressing force of the compressed air A can be applied to the inner ring spacer 5. It can be expected to drive the spindle 7.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of a spindle device of a machine tool in which a bearing device J having the above configuration is incorporated.
  • the outer rings 2 and 2 and the outer ring spacer 4 of the rolling bearings 1 and 1 are fitted to the inner peripheral surface of the housing 6, and the inner rings 3 and 3 and the inner ring spacer 5 of the rolling bearings 1 and 1 are machine tools. It is fitted to the outer peripheral surface of the main shaft 7 of the above.
  • the outer ring 2 and the outer ring spacer 4 are clearance-fitted to the housing 6, and the inner ring 3 and the inner ring spacer 5 are tightly fitted to the shaft 7.
  • the outer ring 2 of the rolling bearing 1 on one side is positioned in the axial direction by the step portion 6a of the housing 6.
  • the inner ring 3 of the rolling bearing 1 is positioned in the axial direction by the positioning spacer 41.
  • the bearing device J is fixed to the housing 6 by pressing the outer ring retainer 42 and the outer ring retainer 43 against the outer ring 2 and the inner ring 3 of the rolling bearing 1 on the other side (left side in the drawing), respectively.
  • the housing 6 and the outer ring retainer 43 are provided with a compressed air introduction hole 46 for introducing the compressed air A for cooling sent from the compressed air supply device 45 into the bearing device J.
  • the compressed air introduction hole 46 communicates with the introduction groove 11 provided on the outer peripheral surface of the outer ring spacer 5.
  • an exhaust hole 47 is provided over the housing 6 and the outer ring retainer 43. The exhaust hole 47 communicates with the notch 34 of the outer ring spacer 5 via the connection hole 48.
  • the exhaust hole 47 and the connection hole 48 constitute an exhaust path portion 50a in the housing of the exhaust path 50.
  • the exhaust path portion 50a inside the housing is connected to the exhaust path portion 50b outside the housing composed of pipes or the like, and the tip of the exhaust path portion 50b outside the housing is open to the atmosphere.
  • the exhaust path 50 is composed of the exhaust path portion 50a inside the housing and the exhaust path portion 50b outside the housing.
  • the exhaust path portion 50b outside the housing does not necessarily have to be provided.
  • the exhaust flow rate adjusting means 51 is composed of a solenoid type flow rate adjusting valve, and is provided in the exhaust path portion 50b outside the housing in the exhaust path 50.
  • the solenoid-type flow rate control valve constituting the exhaust flow rate adjusting means 51 is of the type of 4 ports and 2 positions.
  • the exhaust flow rate adjusting means 51 including the flow rate adjusting valve is controlled by the control means 52 according to either one or both of the rotation speed of the main shaft 7 and the flow rate of the exhaust E flowing through the exhaust path 50.
  • the control is performed according to a predetermined control rule according to both the rotation speed of the spindle 7 and the flow rate of the exhaust E flowing through the exhaust path 50.
  • the control rules defined above shall be defined as appropriate based on tests, simulations, etc.
  • the rotation speed of the spindle 7 is obtained from a control device of the motor 54 that drives the spindle 7, for example, a machine tool control device 53 that controls a machine tool including the spindle 7.
  • the machine tool control device 53 is, for example, a computer-type numerical control device.
  • the flow rate of the exhaust E is obtained from the flow rate detection sensor 55 provided in the exhaust path 50.
  • the cooling structure of the bearing device J has a high cooling effect on the bearing device J and the spindle 7, so that the spindle device can be operated in a high speed region. Therefore, this bearing device J can be suitably used for supporting the spindle of the machine tool.
  • the exhaust flow rate adjusting means 51 for adjusting the flow rate of the exhaust E flowing through the exhaust path 50 can be changed, the flow rate of the exhaust can be changed according to the operating state such as the rotation speed of the bearing device J, and the intake and exhaust can be increased.
  • the balance can be optimized. This makes it possible to keep the temperature rise small.
  • the configuration provided with the exhaust flow rate adjusting means 51 provides the following effects depending on the operating state.
  • the rotation speed is low, the compressed air enters the exhaust path by adjusting the exhaust space and exhaust capacity to a sufficiently large size by the exhaust flow rate adjusting means provided in the housing or the exhaust port of the outer ring holder according to the rotation speed. It is possible to sufficiently suppress the exhaust from flowing into the bearing space S1.
  • the rotation speed is high, the exhaust space and the exhaust capacity are adjusted to be small, or the flow rate flowing through the exhaust path 50 is adjusted by the exhaust flow rate adjusting means provided in the housing or the exhaust port of the outer ring retainer according to the rotation speed. Therefore, the balance between the intake and exhaust of the spindle device J can be optimized.
  • the rotation speed is relatively high, a suction force acts from the bearing 1 side to the seat space S2 side, and when the rotation speed is relatively low, the opposite is true, and the pressure on the seat space S2 side becomes high.
  • the exhaust flow rate adjusting means 51 is a flow rate adjusting valve in this embodiment, the exhaust flow rate according to the operating state can be controlled by the control means 52. Since the control means 52 controls according to one or both of the rotation speed of the spindle 7 supported by the bearing device J and the exhaust flow rate of the exhaust path 50, the control means 52 automatically finely adjusts the intake / exhaust balance. It is possible to optimize the intake / exhaust balance easily and automatically.
  • the exhaust flow rate adjusting means 51 is controlled only by the spindle rotation speed or only the exhaust flow rate, the configuration is simple.
  • FIG. 6 shows a modified example of the exhaust flow rate adjusting means 51.
  • the embodiment provided with the exhaust flow rate adjusting means 51A of FIG. 6 is the same as the configuration shown in FIGS. 1 to 5 except for the exhaust flow rate adjusting means.
  • the exhaust flow rate adjusting means 51A of FIG. 6 is a flow rate limiting mechanism that limits the flow rate of the exhaust E when the flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust path 50 exceeds a certain amount. Specifically, a check damper is used as this flow rate limiting mechanism.
  • the check damper also known as a check valve, is a damper that prevents backflow.
  • the opening / closing blade 56 that opens and closes the exhaust path 50 is urged in the opening direction by the urging means 57, and the exhaust flow rate. When the amount exceeds a certain amount, the opening / closing blade 56 closes the exhaust path 50 against the urging force of the urging means 57.
  • the opening / closing blade 56 is rotatably supported with the support shaft 58 as a fulcrum, and is urged in the opening direction by a torsion coil spring which is the urging means 57 provided around the support shaft 58.
  • the opening / closing blade 56 rotates in the closing direction against the urging force of the urging means 57, and at the completely closed position, engages with the stopper 59 protruding into the exhaust path 50. The above rotation is blocked.
  • the exhaust flow rate adjusting means 51A including the check damper is provided in the exhaust path portion 50a in the housing in the exhaust path 50.

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Abstract

グリース潤滑の軸受装置（Ｊ）において、外輪間座（４）の内周面に冷却用圧縮エアの供給口（１０）を設ける。内輪間座（５）の軸方向両端部に、外径側に張り出して供給口（１０）から供給された圧縮エアが軸受空間（Ｓ１）へ流入するのを阻止する障害壁（３３）を設ける。外輪間座（４）と内輪間座（５）の間の間座空間（Ｓ２）からハウジング（６）内を通って排気を行う排気経路（５０）に、この排気経路（５０）を流れる排気の流量を変更可能に調整する排気流量調節手段（５１）を設ける。

Description

軸受装置の冷却構造 関連出願
　本出願は、２０２０年９月１１日出願の特願２０２０－１５２６２５の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は軸受装置の冷却構造に関し、例えば工作機械の主軸装置に組み込まれる軸受装置の冷却構造に関する。
　工作機械の主軸装置では、加工精度を確保するために、装置の温度上昇を小さく抑える必要がある。しかしながら最近の工作機械では、加工能率を向上させるため高速化の傾向にあり、主軸を支持する軸受からの発熱も高速化と共に大きくなってきている。また、装置内部に駆動用モータを組み込んだいわゆるモータビルトインタイプが多くなってきており、装置の発熱要因ともなってきている。
　主軸装置の温度上昇を抑える構成として、冷却用の圧縮エアを軸受内に送り、軸と軸受の冷却を行う構成がある（例えば、特許文献１）。上記圧縮エアによる冷却構造は、冷却効果が高いので、主軸装置の温度上昇を効果的に抑えることが期待できる。しかし、圧縮エアによる冷却方法をグリース潤滑の軸受装置に適用すると、軸受内のグリースが圧縮エアによって吹き飛ばされて排除される事態が生じる可能性がある。
　このため、上記事態を回避する構成として、内輪間座の軸方向両端部に障害壁を設け、圧縮エアが軸受空間へ流入することを防ぎ、更に外輪間座の軸方向端面に切り欠きを設けることで、圧縮エアが切り欠きを通ってハウジング内に設けた排気経路からスムーズに排出される構造がある。この構造により、間座空間に圧縮エアのスムーズな流れが生じることにより、間座空間の内圧が軸受空間の内圧よりも低くなり、圧縮エアが軸受空間に流入することが抑えられる。（例えば、特許文献２）
特開２０００－１６１３７号公報 特開２０１４－６２６１９号公報
　上記の障害壁を設ける構造により、圧縮エアによる主軸装置の冷却効果を得ることができ、間座空間から軸受空間への圧縮エアの流れによってグリースが吹き飛ばされ排除される事態を防げる。しかし、高速回転中の主軸装置は、装置内の吸排気バランスが静止状態及び回転速度に応じて異なるため、回転速度条件毎に最適な排気口及び排気路の数は異なる。また、吸排気バランスが悪い場合には、上記の流れとは逆に軸受空間から間座空間への流れを生じることもある。このため、最適な吸排気バランスを得るための方策を講じることが必要となる。
　この発明の目的は、回転速度等の運転状態に応じて吸排気のバランスを最適化できて、温度上昇を小さく抑えることができ、軸受装置を効率良く冷却できる軸受装置の冷却構造を提供することである。
　この発明の軸受装置の冷却構造は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の外輪間および内輪間に外輪間座および内輪間座をそれぞれ介在させ、前記外輪および外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および内輪間座が主軸に嵌合され、前記転がり軸受が前記外輪と内輪間の軸受空間に封入されたグリースにより潤滑される軸受装置において、
　前記外輪間座の内周面に、前記内輪間座の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを供給する供給口を設け、前記内輪間座の軸方向両端部に、外径側に張り出して前記供給口から供給された圧縮エアが前記軸受空間へ流入するのを阻止する障害壁を設け、
　前記外輪間座と前記内輪間座の間間座空間から前記ハウジング内を通って排気を行う排気経路に、この排気経路を流れる排気の流量を変更可能に調整する排気流量調節手段を設けている。
　なお、前記排気経路は、前記ハウジング内に設けられた排気経路部と、このハウジング内の排気経路部に接続された外部の排気経路部とを含み、またはハウジング内の排気経路部のみで構成され、前記排気流量調節手段は、前記ハウジング内の排気経路部に設けても、また前記外部の排気経路部に設けてもよい。
　この構成によると、外輪間座に設けた供給口より、冷却用の圧縮エアが内輪間座の外周面に向けて供給されることで、内輪間座に衝突した圧縮エアが軸受装置およびこの軸受装置に支持された主軸の熱を奪う。それにより、軸受装置および主軸が効率良く冷却される。内輪間座の軸方向両端部に障害壁が設けられており、圧縮エアが軸受空間へ流入することが阻止されているため、軸受空間に封入されたグリースが圧縮エアで排除されることが防がれる。そのため、良好な潤滑状態を維持することができる。
　また、前記排気経路を流れる排気の流量を変更可能に調整する排気流量調節手段を設けたため、軸受装置の回転速度等の運転状態に応じて排気の流量を変更できて、吸排気のバランスを最適化することができ、これにより温度上昇を小さく抑えることができる。
　具体的には、排気流量調節手段を備える構成により、運転状態に応じて、以下の効果が得られる。
　回転速度が低い場合、その回転速度に応じて、ハウジングもしくは外輪押さえの排気口に設けられた排気流量調節手段により、十分に大きな排気空間、排気容量に調節することで、圧縮エアが排気経路に十分に排気され軸受空間に流入することを抑えることができる。
　回転速度が高い場合、その回転速度に応じて、ハウジングもしくは外輪押さえの排気口に設けられた排気流量調節手段により、排気空間、排気容量を小さく調節、あるいは、排気経路を流れる流量を調整することで、主軸装置の吸排気のバランスを最適化することができる。
　比較的回転速度が高いと軸受側から間座側への吸引力が働き、比較的回転速度が低いとその逆となり、間座側の圧力が高くなる。
　この発明において、前記排気流量調節手段が流量調節弁であってもよい。流量調節弁であると、運転状態に応じた排気流量を制御手段等で制御することができる。
　この発明において、前記軸受装置で支持される主軸の回転速度および前記排気経路の排気の流量のいずれか一方または両方に応じて前記排気流量調節手段を制御する制御手段を設けてもよい。主軸の回転速度や排気流量に応じて排気流量調節手段を制御することで、吸排気のバランスの最適化が容易に、また自動で行える。特に、前記流量調節弁を前記制御手段で制御するようにすると、細かな吸排気のバランスの調整を自動で行うことができる。
　この発明において、前記排気流量調節手段として、前記排気経路を流れる排気の流量が一定量を超えると排気の流量を制限する流量制限機構を設けてもよい。このように排気の流量が一定量を超えると排気の流量を制限する構成であると、排気流量調節手段が簡易な構成ですむ。
　例えば、前記流量制限機構がチャッキダンパーであって、前記排気経路を開閉する開閉羽根が付勢手段で開方向に付勢され、流量が一定量を超えると前記付勢手段の付勢力に抗して前記開閉羽根が前記流路を閉状態とする構成であってもよい。この構成の場合、制御手段が不要で構成が簡素化される。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の一実施形態に係る軸受装置の冷却構造を適用した主軸装置の断面図にブロック図を追加した説明図である。 図１の軸受装置の冷却構造の部分拡大断面図である。 図２の一部をさらに拡大した部分拡大断面図である。 同軸受装置の外輪間座の一部を展開して表した図である。 同軸受装置の内輪間座および外輪間座を軸方向と垂直な平面で切断した断面図である。 同軸受装置の冷却構造における排気流量調節手段の変形例の断面図である。
　この発明の一実施形態を図１～図４と共に説明する。概略を説明すると、この軸受装置Ｊの冷却構造は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受１の外輪２間および内輪３間に外輪間座４および内輪間座を５それぞれ介在させ、前記外輪２および外輪間座４がハウジング６に設置され、内輪３および内輪間座５が主軸７に嵌合され、前記転がり軸受１が外輪２と内輪３間の軸受空間Ｓ１に封入されたグリースにより潤滑され、前記外輪間座４の内周面に、内輪間座５の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを供給する供給口１０を設ける。前記内輪間座の軸方向両端部に、外径側に張り出して前記供給口１０から供給された圧縮エアが前記軸受空間Ｓ１へ流入するのを阻止する障害壁３３を設ける。この構成において、外輪間座２と内輪間座３の間の間座空間Ｓ２から前記ハウジング６内を通って排気を行う排気経路５０に、この排気経路５０を流れる排気の流量を変更可能に調整する排気流量調節手段５１を設ける。
　以下、各部を具体的に説明する。図１に示すように、この軸受装置Ｊは、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受１，１の外輪２，２間および内輪３，３間に、外輪間座４および内輪間座５をそれぞれ介在させている。各転がり軸受１としてアンギュラ玉軸受が適用されている。これらアンギュラ玉軸受が背面組合せで設置され、内輪外周面および外輪内周面における接触角の反偏り側にそれぞれカウンタボアが設けられている。内外輪３，２の軌道面間に複数の転動体８が介在され、これら転動体８が保持器９により円周等配に保持される。転がり軸受１，１はグリース潤滑であり、外輪２の軸方向両端に、外輪２と内輪３との間の軸受空間Ｓ１を密封するシール部材３１，３２がそれぞれ取り付けられている。
　この軸受装置Ｊは、例えば工作機械の主軸の支持に用いられるものであり、その場合、各転がり軸受１の外輪２はハウジング６内に固定され、内輪３は主軸７の外周面に嵌合する。
　上記軸受装置Ｊの冷却構造について説明する。図３において、前記外輪間座４の内周面と前記内輪間座５の外周面との間には径方向すきまδ１が設けられており、外輪間座４の内周面に、内輪間座５の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを供給する供給口１０が設けられている。この例では、図５に示すように、供給口１０の数は３個であり、各供給口１０は円周方向に等配とされている。
　図２および図５に示すように、外輪間座４の外周面には、圧縮エアＡを導入する環状の導入溝１１が設けられている。この導入溝１１は、外輪間座４の外周面における軸方向中間部に設けられ、接続孔１１ａを介して各供給口１０に連通している。軸受装置Ｊの外部に設けた圧縮エア供給装置（図示せず）より、ハウジング６に設けた圧縮エア導入孔４６を通って、導入溝１１に圧縮エアＡが供給される。
　図２に示すように、内輪間座５の軸方向両端部は、外径側に張り出した障害壁３３となっている。この例では、障害壁３３は、軸方向の転がり軸受１に近い側ほど外径側への張り出し量が大きいテーパ形状である。また、外輪間座４の軸方向端面には、供給口１０から供給された圧縮エアＡの排出口となる切欠き３４が設けられている。切欠き３４は例えば図４のような矩形の断面形状である。外輪間座４に隣接して転がり軸受１の外輪２が配置されることで、切欠き３４が、外輪間座４と内輪間座５間の間座空間Ｓ２と軸受装置Ｊの外部とを連通する開口形状となる。なおこの構成において、外輪間座４を組立可能にするため（外輪間座４の内周と障害壁３３との干渉を防ぐため）、内輪間座５は、例えば、軸方向中間部が分割された二つの内輪間座分割体からなる。
　図２の部分拡大図である図３に示すように、前記障害壁３３の外径端は、外輪間座４の内周面と僅かな径方向すきまδ２を介して対向している。また、障害壁３３の端面は前記軸方向内側のシール部材３１と僅かな軸方向すきまδ３を介して対向している。これにより、シール部材３１と障害壁３３とでラビリンスシール効果を持つラビリンスシール部３５が構築される。このラビリンスシール部３５により軸受空間Ｓ１と間座空間Ｓ２とが隔てられている。
　この軸受装置Ｊは、運転時等に、軸受装置Ｊの外部に設けた圧縮エア供給装置から送られる冷却用の圧縮エアＡが、外輪間座４の供給口１０から内輪間座５の外周面に向けて供給される。この圧縮エアＡは、内輪間座５に衝突した後、内輪間座５の外周面に沿って軸方向両側へ流れ、さらに内輪間座５の障害壁３３のテーパ状外径面に沿って外径側へ導かれて、外輪間座５の切欠き３４から排出される。障害壁３３によって圧縮エアＡを外径側へ導くことにより、間座空間Ｓ２での圧縮エアＡの流れ、ならびに間座空間Ｓ２からの圧縮エアＡの排出がスムーズになる。圧縮エアＡが間座空間Ｓ２を通過する間に、軸受装置Ｊおよびこの軸受装置Ｊに支持された主軸７の熱を奪う。それにより、軸受装置Ｊおよび主軸７が効率良く冷却される。
　内輪間座５の軸方向両端に障害壁３３が設けられていることにより、圧縮エアＡが軸受空間Ｓ１へ流入することが阻止される。特にこの実施形態では、軸受空間Ｓ１と間座空間Ｓ２とがラビリンスシール部３５により隔てられているため、圧縮エアＡの軸受空間Ｓ１への流入をより一層効果的に阻止できる。さらに、間座空間Ｓ２において圧縮エアＡがスムーズに流れるため、間座空間Ｓ２の内圧が軸受空間Ｓ１の内圧よりも低くなっており、圧縮エアＡが軸受空間Ｓ１に流入し難い。これらのことから、圧縮エアＡが軸受空間Ｓ１に流入することを極力抑えることができ、軸受空間Ｓ１に封入されたグリースが圧縮エアＡで排除されることが防がれる。そのため、良好な潤滑状態を維持することができる。
　供給口１０および切欠き３４は、図４のように互いに円周方向位置をずらして配置されている。供給口１０および切欠き３４の周方向位置が互いにずれていると、供給口１０から間座空間Ｓ２に供給された圧縮エアＡが、内輪間座５の外周面に沿って切欠き３４まで流れるときに、軸方向外側への移動に加えて円周方向の移動を伴う。その結果、圧縮エアＡが内輪間座５と接する時間が長くなり、軸受装置Ｊおよび主軸７を冷却する効果が高まる。なお、切欠き３４が同じ円周方向位置に配置されていてもよい。
　また、軸受装置Ｊにより支持される軸が、工作機械の主軸７のように回転方向が一定している場合、図５のように、各供給口１０のエア吐出方向を、内輪３（図１）および主軸７の回転方向Ｌ１の前方へ傾斜させてもよい。各供給口１０は、それぞれ直線状であって、外輪間座４の軸心に垂直な断面における任意の半径方向の直線Ｌ２から、この直線Ｌ２と直交する方向にオフセット（オフセット量ＯＳ）した位置にある。このように、各供給口１０のエア吐出方向を傾斜させると、吐出された圧縮エアＡが内輪間座５の外周面に当たる際に、圧縮エアＡの押圧力を内輪間座５に与えることができ、主軸７を駆動する作用を期待することができる。
　図１は、前記構成の軸受装置Ｊが組込まれた工作機械の主軸装置の一部を示す断面図である。軸受装置Ｊは、転がり軸受１，１の外輪２，２および外輪間座４がハウジング６の内周面に嵌合し、転がり軸受１，１の内輪３，３および内輪間座５が工作機械の主軸７の外周面に嵌合している。例えば、外輪２および外輪間座４はハウジング６に対してすきま嵌めとされ、内輪３および内輪間座５は軸７に対して締まり嵌めとされる。片方（図の右側）の転がり軸受１の外輪２はハウジング６の段部６ａで軸方向の位置決めがされている。同転がり軸受１の内輪３は位置決め間座４１により軸方向の位置決めがされている。そして、もう片方（図の左側）の転がり軸受１の外輪２および内輪３に、外輪押さえ４２および外輪押さえ４３をそれぞれ押し当てることで、軸受装置Ｊがハウジング６に固定されている。
　ハウジング６および外輪押さえ４３には、圧縮エア供給装置４５から送られてくる冷却用の圧縮エアＡを軸受装置Ｊに導入する圧縮エア導入孔４６が設けられている。この圧縮エア導入孔４６は、外輪間座５の外周面に設けられた前記導入溝１１に連通している。また、ハウジング６および外輪押さえ４３に渡って排気孔４７が設けられている。この排気孔４７は、接続孔４８を介して外輪間座５の前記切欠き３４と連通している。
　前記排気孔４７および接続孔４８により、前記排気経路５０のハウジング内排気経路部５０ａが構成される。このハウジング内排気経路部５０ａは、配管等で構成されるハウジング外排気経路部５０ｂに接続され、ハウジング外排気経路部５０ｂの先端は大気中に開放されている。前記ハウジング内排気経路部５０ａとハウジング外排気経路部５０ｂとで前記排気経路５０が構成される。なお、ハウジング外排気経路部５０ｂは、必ずしも設けられていなくてもよい。
　前記排気流量調節手段５１は、この実施形態ではソレノイド型の流量調節弁で構成され、前記排気経路５０における前記ハウジング外排気経路部５０ｂに設けられている。前記排気流量調節手段５１を構成するソレノイド型の流量調節弁は、４ポート２位置の形式とされている。
　前記流量調節弁からなる排気流量調節手段５１は、制御手段５２により、主軸７の回転速度および排気経路５０を流れる排気Ｅの流量のいずれか一方または両方に応じて制御される。この実施形態では、前記主軸７の回転速度および排気経路５０を流れる排気Ｅの流量の両方に応じて、定められた制御規則に従い制御される。前記定められた制御規則は、試験またはシミュレーション等基づいて適宜の内容に定めておく。
　制御手段５２において主軸７の回転速度は、主軸７を駆動するモータ５４の制御装置、例えば前記主軸７を備える工作機械を制御する工作機械制御装置５３から得る。工作機械制御装置５３は、例えばコンピュータ式の数値制御装置である。前記排気Ｅの流量は、排気経路５０に設けられた流量検出センサ５５から得る。
　この軸受装置Ｊの冷却構造は、先に説明したように軸受装置Ｊおよび主軸７の冷却効果が高いので、主軸装置を高速な領域で運転させることが可能となる。このため、この軸受装置Ｊを、工作機械の主軸の支持に好適に用いることができる。
　特に、排気経路５０を流れる排気Ｅの流量を変更可能に調整する排気流量調節手段５１を設けたため、軸受装置Ｊの回転速度等の運転状態に応じて排気の流量を変更できて、吸排気のバランスを最適化することができる。これにより温度上昇を小さく抑えることができる。
　具体的には、排気流量調節手段５１を備える構成により、運転状態に応じて、以下の効果が得られる。回転速度が低い場合、その回転速度に応じて、ハウジングもしくは外輪押さえの排気口に設けられた排気流量調節手段により、十分に大きな排気空間、排気容量に調節することで、圧縮エアが排気経路に十分に排気され軸受空間Ｓ１に流入することを抑えることができる。回転速度が高い場合、その回転速度に応じて、ハウジングもしくは外輪押さえの排気口に設けられた排気流量調節手段により、排気空間、排気容量を小さく調節、あるいは、排気経路５０を流れる流量を調整することで、主軸装置Ｊの吸排気のバランスを最適化することができる。比較的回転速度が高いと軸受１側から間座空間Ｓ２側への吸引力が働き、比較的回転速度が低いとその逆となり、間座空間Ｓ２側の圧力が高くなる。
　排気流量調節手段５１は、この実施形態では流量調節弁としたため、運転状態に応じた排気流量を制御手段５２で制御することができる。制御手段５２は、この軸受装置Ｊで支持される主軸７の回転速度および排気経路５０の排気流量のいずれか一方または両方に応じて制御するため、細かな吸排気のバランスの調整を自動で行うことができ、吸排気のバランスの最適化が容易に、また自動で行える。主軸回転速度のみ、または排気流量のみで排気流量調節手段５１の制御を行うようにした場合は、構成が簡単で済む。
　図６は、前記排気流量調節手段５１の変形例を示す。図６の排気流量調節手段５１Ａを設けた実施形態は、排気流量調節手段の他は、図１～図５に示す構成と同様である。図６の排気流量調節手段５１Ａは、排気経路５０を流れる排気の流量が一定量を超えると排気Ｅの流量を制限する流量制限機構とされている。この流量制限機構として具体的にはチャッキダンパーが用いられている。
　チャッキダンパーは、別名逆流防止弁とも呼ばれており、逆流を防止するダンパーであるが、この例では排気経路５０を開閉する開閉羽根５６が付勢手段５７で開方向に付勢され、排気流量が一定量を超えると前記付勢手段５７の付勢力に抗して開閉羽根５６が排気経路５０を閉状態とする構成とされている。開閉羽根５６は、支軸５８を支点として回転自在に支持され、支軸５８の周りに設けられた前記付勢手段５７であるねじりコイルばねにより開方向に付勢されている。排気Ｅの流量が増えると、開閉羽根５６は、付勢手段５７の付勢力に抗して閉方向に回転し、完全閉位置で、排気経路５０内に突出したストッパ５９に係合し、それ以上の回転が阻止される。この実施形態では、チャッキダンパーからなる排気流量調節手段５１Ａは、排気経路５０におけるハウジング内排気経路部５０ａに設けられている。
　この実施形態の場合、排気流量が一定量を超えると、開閉羽根５６が付勢手段５７の付勢に抗して閉位置まで回転し、自動的に流量調整される。このため、電気的に制御する制御手段５２（図１）が不要で、構成が簡単になる。
　以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１…転がり軸受
２…外輪
３…内輪
４…外輪間座
５…内輪間座
６…ハウジング
７…主軸
１０…供給口
３３…障害壁
３４…切欠き
５０…排気経路
５１…排気流量調節手段
５１Ａ…排気流量調節手段
５１ａ…ハウジング内排気経路部
５１ｂ…ハウジング外排気経路部
５２…制御手段
５３…工作機械制御装置
５５…流量検出サンサ
５６…開閉羽根
５７…付勢手段
５９…ストッパ
Ａ…圧縮エア
Ｊ…軸受装置
Ｓ１…軸受空間
Ｓ２…間座空間
δ２…環状すきま

Claims (5)

  1. 　軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の外輪間および内輪間に外輪間座および内輪間座をそれぞれ介在させ、前記外輪および外輪間座がハウジングに設置され、前記内輪および内輪間座が主軸に嵌合され、前記転がり軸受が前記外輪と内輪間の軸受空間に封入されたグリースにより潤滑され、
    　前記外輪間座の内周面に、前記内輪間座の外周面に向けて冷却用の圧縮エアを供給する供給口を設け、前記内輪間座の軸方向両端部に、外径側に張り出して前記供給口から供給された圧縮エアが前記軸受空間へ流入するのを阻止する障害壁を設けた軸受装置の冷却構造において、
    　前記外輪間座と前記内輪間座の間の間座空間から前記ハウジング内を通って排気を行う排気経路に、前記排気経路を流れる排気の流量を変更可能に調整する排気流量調節手段を設けた、
    　軸受装置の冷却構造。
  2. 　請求項１に記載の軸受装置の冷却構造において、前記排気流量調節手段が流量調節弁である軸受装置の冷却構造。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の軸受装置の冷却構造において、前記軸受装置で支持される主軸の回転速度および前記排気経路の排気の流量のいずれか一方または両方に応じて前記排気流量調節手段を制御する制御手段を設けた軸受装置の冷却構造。
  4. 　請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軸受装置の冷却構造において、前記排気流量調節手段として、前記排気経路を流れる排気の流量が一定量を超えると排気の流量を制限する流量制限機構を設けた軸受装置の冷却構造。
  5. 　請求項４に記載の軸受装置の冷却構造において、前記流量制限機構がチャッキダンパーであって、排気経路を開閉する開閉羽根が付勢手段で開方向に付勢され、流量が一定量を超えると前記付勢手段の付勢力に抗して前記開閉羽根が前記流路を閉状態とする軸受装置の冷却構造。
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