技術 転がり軸受と軸との組立体および転がり軸受

0001

この発明は、工作機械の主軸等に使用される、軸受内径面を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

軸受に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を膨張させ、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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