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技術 転がり軸受と軸との組立体および転がり軸受

出願人 NTN株式会社
発明者 鳥澤秀斗
出願日 2002年7月3日 (18年7ヶ月経過) 出願番号 2002-194138
公開日 2004年2月5日 (17年0ヶ月経過) 公開番号 2004-036741
状態 特許登録済
技術分野 軸受の取付、その他 ころがり軸受け 軸受の取付、その他 ころがり軸受
主要キーワード テーパ比 実験検証 嵌合い 狙い角度 テーパ形 相互差 軸受内径面 狙い値
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2004年2月5日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

嵌合い後における複列軌道面間のラジアル隙間相互差が小さく、軸受の異常発熱および早期剥離を防止することのできるものとする。

解決手段

内輪2の内径面2cをテーパ面とした複列の転がり軸受1と、内輪内径面2cに嵌合するテーパ部分6aを有する軸6とよりなる。軸6のテーパ部分6aと内輪内径面2cとのテーパ角度の差Δαを、軸受幅が37mmより大きい場合は、−9秒〜+3秒の範囲とし、軸受幅が37mmより小さい場合は、−15秒〜+9秒の範囲とする。

概要

背景

軸受高速性および高精度を要求される工作機械主軸等において、内輪内径面テーパ面とした転がり軸受を使用したものがある。この様な用途では、軸受のラジアル隙間が過大の場合に、主軸精度の悪化の問題を、ラジアル隙間が過小の場合には軸受の異常発熱および早期剥離等の問題を発生することがあり、軸受のラジアル隙間調整が重要となっている。このため上記テーパ面の作用により、軸に嵌め合った内輪膨張させ、その膨張量を軸方向の圧入の深さで調整することによって、ラジアル隙間を調整可能としている。

概要

嵌合い後における複列軌道面間のラジアル隙間の相互差が小さく、軸受の異常発熱および早期剥離を防止することのできるものとする。内輪2の内径面2cをテーパ面とした複列の転がり軸受1と、内輪内径面2cに嵌合するテーパ部分6aを有する軸6とよりなる。軸6のテーパ部分6aと内輪内径面2cとのテーパ角度の差Δαを、軸受幅が37mmより大きい場合は、−9秒〜+3秒の範囲とし、軸受幅が37mmより小さい場合は、−15秒〜+9秒の範囲とする。   

目的

この発明の目的は、嵌め合い後における複列の軌道面間のラジアル隙間の相互差が小さく、軸受の異常発熱および早期剥離を防止することのできる転がり軸受と軸との組立体を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

内輪内径面をテーパ面とした複列転がり軸受と、上記内輪の内径面に締まり嵌め状態に嵌合するテーパ部分を有する軸とよりなり、上記軸のテーパ部分と内輪の内径面とのテーパ角度の差(軸のテーパ角度−内輪内径面のテーパ角度)を、軸受幅が37mmより大きい場合は、−9秒〜+3秒の範囲とし、軸受幅が37mm以下の場合は、−15秒〜+9秒の範囲、としたことを特徴とする転がり軸受と軸との組立体

請求項2

内輪の内径面をテーパ面とした複列の転がり軸受と、上記内輪の内径面に締まり嵌め状態に嵌合するテーパ部を有する軸とよりなり、上記内輪の内径面を所望の基準テーパ角度を狙って製作し、かつ軸の上記テーパ部分のテーパ角度を上記基準テーパ角度に対して−3秒を狙って製作したときに、上記軸のテーパ部分および内輪内径面の狙い角度に対するテーパ角度の許容差を、軸受幅が37mmより大きい場合は、軸、内輪共に、−3秒〜+3秒の範囲とし、軸受幅が37mm以下の場合は、軸、内輪共に、−6秒〜+6秒の範囲、としたことを特徴とする転がり軸受と軸との組立体。

請求項3

内輪の内径面をテーパ面とした複列の転がり軸受において、内輪の軌道面、外輪の軌道面、およびこれら内外輪の軌道面間に介在した転動体によって定まる各列のラジアル隙間相互差を持たせたことを特徴とする転がり軸受。

技術分野

0001

この発明は、工作機械主軸等に使用される、軸受内径面テーパ面とした転がり軸受と軸との組立体、および転がり軸受に関する。

0002

軸受高速性および高精度を要求される工作機械の主軸等において、内輪内径面をテーパ面とした転がり軸受を使用したものがある。この様な用途では、軸受のラジアル隙間が過大の場合に、主軸精度の悪化の問題を、ラジアル隙間が過小の場合には軸受の異常発熱および早期剥離等の問題を発生することがあり、軸受のラジアル隙間調整が重要となっている。このため上記テーパ面の作用により、軸に嵌め合った内輪膨張させ、その膨張量を軸方向の圧入の深さで調整することによって、ラジアル隙間を調整可能としている。

背景技術

0003

図4は、この種の従来の軸受の一例を示す。複列の軸受1は、内輪鍔付きの円筒ころ軸受であり、内輪2および外輪3に、軸方向に並ぶ2列の軌道面2a,2b,3a,3bを有している。外輪3の軌道面3a,3bは連続した円筒面に形成されている。各列の転動体4a,4bは、保持器(図示せず)により保持されている。内輪2の内径面2cはテーパ面とされ、軸6のテーパ部分6aの外周に嵌め合っている。軸受のラジアル内部隙間δは、上記のようにテーパ面を利用して軸6を圧入し、内輪2を膨張させることで、調整が可能である。

0004

内輪2の内径面2cはテーパ形状であるため、各軌道面2a,2bで内輪内径面から軌道面2a,2bまでの肉厚t1,t2が異なる。嵌め合いによる軌道面2a,2bの膨張量は、肉厚の大小によって変化するため、図5に強調して示すように、2列の軌道面2a,2b間でラジアル隙間の相互差δS が出る。この相互差δS は、各列間の膨張量差Sとなる。
この相互差δS が大きい場合、ラジアル隙間が小さい列の転動体4aに軸受荷重が集中するため、軸受の異常発熱および早期剥離が発生する恐れがある。また軸6と内輪2とのテーパ角度精度が悪く、軸6と内輪2とで極端に不均一な嵌め合いをする場合、上記発熱,早期剥離の不具合が発生する確率が高くなる。

発明が解決しようとする課題

0005

この発明の目的は、嵌め合い後における複列の軌道面間のラジアル隙間の相互差が小さく、軸受の異常発熱および早期剥離を防止することのできる転がり軸受と軸との組立体を提供することである。
この発明の他の目的は、嵌め合い後における複列の軌道面間のラジアル隙間の相互差が小さくでき、軸受の異常発熱および早期剥離を防止することのできる転がり軸受を提供することである。

0006

この発明における第1の発明の転がり軸受と軸との組立体は、内輪の内径面をテーパ面とした複列の転がり軸受と、上記内輪の内径面に締まり嵌め状態に嵌合するテーパ部分を有する軸とよりなり、上記軸のテーパ部分と内輪の内径面とのテーパ角度の差(軸のテーパ角度−内輪内径面のテーパ角度)を、
軸受幅が37mmより大きい場合は、−9秒〜+3秒の範囲とし、
軸受幅が37mm以下の場合は、−15秒〜+9秒の範囲、
としたことを特徴とする。
この構成によると、テーパ角度の差を上記の範囲に設定したため、軸と軸受とを嵌め合った後の2列の軌道面間で、ラジアル隙間の相互差が所定値よりも小さくなる。そのため、片方転動体列への軸受荷重の集中がなく、軸受の異常発熱や早期剥離が防止される。

0007

この発明における第2の発明の転がり軸受と軸との組立体は、内輪の内径面をテーパ面とした複列の転がり軸受と、上記内輪の内径面に締まり嵌め状態に嵌合するテーパ部を有する軸とよりなり、上記内輪の内径面を所望の基準テーパ角度を狙って製作し、かつ軸の上記テーパ部分のテーパ角度を上記基準テーパ角度に対して−3秒を狙って製作したときに、上記軸のテーパ部分および内輪内径面の狙い角度に対するテーパ角度の許容差を、
軸受幅が37mmより大きい場合は、軸、内輪共に、−3秒〜+3秒の範囲とし、
軸受幅が37mm以下の場合は、軸、内輪共に、−6秒〜+6秒の範囲、
としたことを特徴とする。
この構成の場合、軸のテーパ部分および内輪内径面の狙い角度に対する加工後のテーパ角度の許容差を上記の範囲としたため、軸と軸受とを嵌め合った後の2列の軌道面間で、ラジアル隙間の相互差が所定値よりも小さくなる。そのため、片方の転動体列への軸受荷重の集中がなく、軸受の異常発熱や早期剥離が防止される。

課題を解決するための手段

0008

この発明における第3の発明の転がり軸受は、内輪の内径面をテーパ面とした複列の転がり軸受において、内輪の軌道面、外輪の軌道面、およびこれら内外輪の軌道面間に介在した転動体によって定まる各列のラジアル隙間に相互差を持たせたことを特徴とする。
この構成の場合、軸受単体の状態で、各列のラジアル隙間に予め相互差を持たせているので、軸と軸受との嵌め合いの際、内輪内径面のテーパ面に基づく軌道面の各列間の膨張差を、予め設定した相互差で吸収させることができる。したがって、これにより嵌め合い後の各列のラジアル隙間の相互差を小さくすることができ、特定列への軸受荷重の集中がなく、軸受の異常発熱や早期剥離が防止される。なお、各例のラジアル隙間に相互差を与えるには、例えば各列で互いに転動体に外径の異なるものを用い、内輪および外輪の軌道面の径は両列で同じとしても良い。

0009

この発明の第1および第2の実施形態を図1と共に説明する。この転がり軸受と軸との組立体は、複列の転がり軸受1と軸6とよりなり、転がり軸受1の内輪2の内径面2cがテーパ面とされ、軸6が内輪2の内径面2cに嵌合するテーパ部分6aを有するものである。軸6は、例えば工作機械における主軸である。
転がり軸受1の内輪2および外輪3は、軸方向に並ぶ2列の軌道面2a,2b,3a,3bを有し、対向する軌道面間に、各列の転動体4a,4bが配置されている。各列の転動体4a,4bは、各列毎に設けられた保持器5に保持されている。この転がり軸受1は、円筒ころ軸受であって、転動体4はころからなる。内輪2は、両側および中央に鍔7,8を有し、外輪3は鍔無しのものとされて、2列の軌道面3a,3bは連続した円筒面に形成されている。
内輪2、外輪3、および転動体4a,4bの材質は、軸受鋼等の鋼製とされている。以上を基本構成とする。

0010

第1の実施形態は上記基本構成において、軸6のテーパ部分6aと内輪2の内径面2cとのテーパ角度の差(軸のテーパ角度−内輪内径面のテーパ角度)を、
軸受幅Bが37mmより大きい場合は、−9秒〜+3秒の範囲とし、
軸受幅Bが37mm以下の場合は、−15秒〜+9秒の範囲、
としたものである。

0011

第2の実施形態は上記基本構成において、内輪2の内径面2cを所望の基準テーパ角度を狙って製作し、かつ軸6のテーパ部分6aのテーパ角度を上記基準テーパ角度に対して−3秒を狙って製作する。この場合に、上記軸6のテーパ部分6aおよび内輪内径面2cの狙い角度に対するテーパ角度の許容差を、
軸受幅Bが37mmより大きい場合は、軸6、内輪2共に、−3秒〜+3秒の範囲とし、
軸受幅Bが37mm以下の場合は、軸6、内輪2共に、−6秒〜+6秒の範囲とする。
上記所望の基準テーパ角度は、例えば、通常に採用されているテーパ比である基準テーパ比1/12または1/30とする。

0012

これら第1の実施形態および第2の実施形態の構成によると、いずれも、2列の軌道面2a,2b間でラジアル隙間の相互差が小さくなり、転がり軸受1の異常発熱および早期剥離を防止することができる。以下にその理由を説明する。

0013

軸6に嵌め合った内輪2の、2列の軌道面2a,2bの膨張量差は、
(1) 軸6のテーパ角度と内輪内径面2cのテーパ角度との角度差、および
(2) 内輪2の締代
を基に計算され、以下の式で表されることがFEM有限要素法解析および実験検証を行った結果、判明した。
S=a×Δα+b×Y+c                  ……(1)
ただし、
S:内輪の2列の軌道面の膨張量差(μm)、
(=内輪内径面の大径側の軌道径膨張量−小径側の軌道径膨張量)、
Δα:軸テーパ角度と内輪内径面テーパ角度との角度差(秒)、
(=軸テーパ角度−軸受内径面テーパ角度)、
Y:内輪内径面小径側の軌道面の軸方向中心に与えられる内輪の締代(μm)
a,b,c:使用する軸と軸受の組合せ毎に設定される定数
定数a,b,cは、FEM解析または実験によって決定される数値である。

0014

工作機械の主軸として通常使用される内輪の締代Yの範囲において、2列の軌道面2a,2bの膨張量差Sが±1μm以下となる軸テーパ角度と内輪内径面テーパ角度との角度差Δαを、上記(1)式を用いて種々の型番の軸受について計算した結果、図2を得た。膨張量差Sを±1μm以下としたのは、これまでの経験から、軸受に異常発熱および早期剥離等の問題が生じないとわかる略最大の範囲として規定したものである。同図の縦軸には軸受幅Bをとっている。

0015

図2より、軸受幅Bが37mmより大きい軸受では、角度差Δαを約−9秒から+3秒(中央値−3秒)とし、軸受幅Bが37mm以下の軸受では、角度差Δαを約−15秒から+9秒(中央値−3秒)とすれば、2列の軌道面2a,2bの膨張量差Sが±1μm以下となることがわかる。厳密に言えば、型番毎に角度差Δαの範囲が異なりその中央値も異なることが図2よりわかるが、型番毎に狙い値(中央値)を変更するのは製作の都合上不便である。したがって、上記の様に角度差Δαの範囲を決定した。

0016

通常の軸受は、内輪内径面2cのテーパ面として基準テーパ比1/12または1/30が用いられ製作される。図2より角度差Δαは中央値−3秒とすれば良いことがわかっているため、軸のテーパ角度としては内輪内径面のテーパ基準角度−3秒で製作すれば良いことになる。
また、上記角度差Δαの範囲を軸受と軸のテーパ角度に許容差として振り当てると、軸受内径面のテーパ面を所望の基準角度を狙って製作し、軸のテーパ部分を、内輪内径面の基準角度−3秒を狙って製作したときに、軸受幅Bが37mmより大きい場合は、軸6、内輪2ともに±3秒となり、軸受幅Bが37mm以下の場合、軸6、内輪2ともに±6秒となる。このようにして軸6と内輪2のテーパ角度を製作すると、内輪2と軸6とが嵌め合った後、2列の軌道面2a,2b間でのラジアル隙間の相互差は±1μmとなる。そのため、転がり軸受1の異常発熱および早期剥離を防止することができる。

0017

つぎに、この発明の第3の実施形態を図3と共に説明する。この実施形態は、図1と共に説明した基本構成において、その転がり軸受1につき、計算によって内輪2の2列の軌道面2a,2bの膨張量差を見込み、その量を軸受単体時のラジアル隙間相互差(各列のラジアル隙間の差)として与えておくものである。
例えば、軸受組み込み時に内輪2のA列の軌道面2aのラジアル隙間よりもB列の方が1μm大きく膨張することが計算される場合、軸受単体時ではB列の軌道面2bのラジアル隙間をA列よりも1μm小さくしておく。B列のラジアル隙間を小さくするには、例えばB列の転動体4bにA列の転動体4aよりも大きなものを用いる。
この結果、転がり軸受1を軸6に組み込んだ時のラジアル隙間を各列の軌道面2a,2bで同一とすることができる。この方法は、内輪内径面のテーパ角度と同一角度に軸6のテーパ角度を現合加工する場合に特に有効である。軸6のテーパ角度を内輪内径面2cに現合加工する場合にこの方法を用いれば、角度差Δαにばらつきが無く、常に角度差Δα=0となるため、より正確に膨張量差Sを小さくすることができる。また、軸6と内輪内径面2cのテーパ角度を測定したうえで、軸受単体時のラジアル隙間相互差を計算によって決定し、採用しても良い。

0018

なお、上記各実施形態は円筒ころ軸受を例にして説明を行ったが、この発明は内輪内径面をテーパ面とした複列の転がり軸受と軸であれば、他の形式の軸受にも適用することができる。

0019

【実施例】
(実施例1)
図1と共に説明した第1の実施形態において、転がり軸受1の各部の寸法を次の値とした。すなわち内輪2の内径D1=130mm、外径D2=200mm、軸受幅B=52mmとした。軸6は中空軸であり、内径di は78mmである。
この寸法の転がり軸受1の場合、上記(1)式は下記(2)式となることがFEM解析によって求められた。
S=0.1064×Δα+0.0092×Y+0.004   ……(2)
この時、軸6のテーパ部分6aのテーパ角度を、基準角度+9秒±3秒、内輪内径面2cのテーパ角度を基準角度+12秒±3秒で加工した。つまり、角度差Δα=−9〜+3となる。

0020

この実施例の軸受1の場合、工作機械の主軸として通常使用される内輪2の締代Yの範囲は、20〜70μmであり、角度差ΔαとYを(2)式に代入すると、S=−0.77〜+0.97μmとなる。したがって、軸6と内輪2との嵌め合いによる2列の軌道面2a,2bの膨張量差Sは1μm以下に抑えられる。そのため、軸受1に異常発熱および早期剥離が発生する可能性を低くすることができる。

発明を実施するための最良の形態

0021

(実施例2)
図3と共に説明した第3の実施形態において、実施例1と同じく、図1のように軸受内輪2の内径D1=130mm、外径D2=200mm、軸受幅B=52mmとした。軸6は中空軸であり、内径di は78mmである。
この場合に、軸6のテーパ部分6aのテーパ角度が基準角度+6秒、内輪内径面2cのテーパ角度が基準角度+14秒となっていることが分かった。つまり、角度差Δα=6−14=−8、である。
内輪2の締代Yの範囲は、20〜70μmであるため、(2)式により軸6と内輪2との嵌め合いによる2列の軌道面2a,2cの膨張量差Sを計算すると、S=−0.66〜−0.20μmとなり、中央値は約−0.4μmとなった。このとき、軸受単体時において、内輪内径面2cの小径側の軌道面2bに大径側軌道面2aよりも径が0.2μm大きい転動体4bを入れれば、軸6と内輪2との嵌め合いによる2列の軌道面2a,2bの膨張量差Sは、S=−0.26〜+0.20μmに抑えられる。そのため、転がり軸受1に異常発熱および早期剥離が発生する可能性を低くすることが可能になる。

図面の簡単な説明

0022

この発明における第1の発明の転がり軸受と軸との組立体は、内輪の内径面をテーパ面とした複列の転がり軸受と、上記内輪の内径面に嵌合するテーパ部分を有する軸とよりなるものにおいて、上記軸のテーパ部分と内輪の内径面とのテーパ角度の差を所定の範囲としたため、嵌め合い後における複列の軌道面間のラジアル隙間の相互差が小さく、軸受の異常発熱および早期剥離を防止することができる。
この発明における第2の発明の転がり軸受と軸との組立体は、内輪の内径面をテーパ面とした複列の転がり軸受と、上記内輪の内径面に嵌合するテーパ部を有する軸とよりなるものにおいて、内輪の内径面を所望の基準テーパ角度を狙って製作し、かつ軸の上記テーパ部分のテーパ角度を上記基準テーパ角度に対して−3秒を狙って製作したときに、上記軸のテーパ部分および内輪内径面の狙い角度に対するテーパ角度の許容差を所定の範囲としたため、嵌め合い後における複列の軌道面間のラジアル隙間の相互差が小さく、軸受の異常発熱および早期剥離を防止することができる。
この発明の転がり軸受は、内輪の内径面をテーパ面とした複列の転がり軸受において、内輪の軌道面、外輪の軌道面、およびこれら内外輪の軌道面間に介在した転動体によって定まる各列のラジアル隙間につき、軸受単体の状態で、内輪内径面の小径側の列のラジアル隙間と大径側の列のラジアル隙間に相互差を持たせたため、嵌め合い後における複列の軌道面間のラジアル隙間の相互差が小さく、軸受の異常発熱および早期剥離を防止することができる。

図1
この発明の第1の実施形態に係る転がり軸受と軸との組立体の断面図である。
図2
同組立体において、膨張量差が所定値以下となる軸受幅とテーパ角度差との関係を示す図である。
図3
この発明の第3の実施形態に係る転がり軸受と軸との組立体の断面図である。
図4
従来例の断面図である。
図5
同従来例の作用説明図である。
【符号の説明】
1…転がり軸受
2…内輪
2a,2b…軌道面
2c…内径面
3…外輪
4…転動体
6…軸
6a…テーパ部分

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