JP2020193698A - 主軸装置、及びモータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組合せ軸受の軸受間において発生する荷重分配の不均一を是正し、各軸受で発生する面圧及び発熱を略同じにして、局所的な温度上昇による焼付き現象への耐性の向上を図った主軸装置、及びモータ装置を提供する。【解決手段】軸受部は、主軸１５のラジアル荷重Ｐが負荷される荷重点１７側に配置されて、２列以上の軸受で構成されるメイン軸受部１１と、メイン軸受部１１から主軸１５の他方の軸端部に向けて軸方向に離間して配置されて、１列以上の軸受で構成されるサポート軸受部１３とを有する。荷重点側軸受１１Ａの内部すきまΔｒ１は、反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃ・・の各内部すきまより大きい。且つ、反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃ・・の各軸受は、反荷重点側に隣接する軸受が存在する場合に、その隣接する軸受以上の内部すきまを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、主軸装置、及びこれを備えたモータ装置に関する。

近年の工作機械（例えば、旋盤、マシニングセンタ）においては、ワークの加工効率を向上させるため、さらなる主軸の高速駆動が要求される。主軸の回転は、モータの駆動力がベルトを介して伝達されて得られるが、主軸が高速駆動される場合には、ベルトが遠心力によって広がってしまう。そこで、主軸の高速回転時における駆動力を確実に確保するため、予め非回転時のベルトに高い張力を与えておく必要がある。これによれば、モータが許容される最大回転数未満の高速回転で使用される場合、モータに負荷されるラジアル荷重が、従来と比較して大幅に増加してしまうことで軸受の発熱も増加し、運転状況が更に過酷になる事が予想される。このような事情から、モータの主軸を支持する軸受に対する耐ラジアル荷重性の向上の需要がますます高まっている。一般に、主軸を支持する軸受は、主軸の軸方向の両端に単列で配置された、例えば一対の軸受で構成される。

図４に示す主軸１は、主軸１の軸方向両端部の段付き部に係合するように深溝玉軸受等の軸受３Ａ，３Ｂによって支持される。主軸１の基端側に設けられた軸受３Ｂの外輪はバネ４等により予圧される。

主軸１の一方の軸端近傍の荷重点２にラジアル荷重Ｐが負荷された場合、主軸１を支持する軸受３Ａ，３Ｂには、主応力であるラジアル荷重と、アキシアル荷重が負荷される。特に荷重点２側の軸受３Ａにおいては、Ｐｒ（動等価ラジアル荷重）／Ｃｒ（基本動ラジアル定格荷重）が０．１以上となる。さらに、主軸１には、荷重点２でたわみ量が最大となるたわみが生じる。特に、軸方向荷重点側の軸受３Ａには、たわみによる大きなモーメント荷重Ｍがラジアル荷重と同時に負荷されるため、運転時の軸受３Ａには、内輪５及び外輪７の各軌道面と転動体９との接触により摩擦熱が発生し、軸受温度が上昇する。

このような軸受負荷容量の増大と、軸受の高剛性化、回転性能の安定化等を目的として、軸受の長寿命化を図った各種の主軸装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。特許文献1の複列転がり軸受では、オーバーハングした部材を支持すると共に、２列の転動体を持つアンギュラコンタクトラジアル軸受において、一方の列と他方の列とで転動体仕様を変更し、荷重支持点側の転動体の径を大径にすることで負荷能力を高めようとしている。また、特許文献２の多列玉軸受では、多列配置される玉軸受を、軸方向位置に応じたそれぞれ異なった軸受内部仕様とすることで、軸受間での温度差を小さくして、安定した回転性能を得ようとしている。

特開２００４−２８６１１６号公報 特開２００５−２９９７６１号公報

しかしながら、荷重点が主軸の軸端近傍に設定された軸受においては、以下の問題が懸念される。
（１）荷重点を中心に主軸が弓なりにたわみ変形するため、荷重点側の軸受に大きな負荷が掛かる。軸受に大荷重が負荷された場合、内外輪軌道溝と転動体の間に過大な接触面圧が発生し、特に内輪軌道面内部に過大なせん断応力が生じる。また、材料内部の微小欠陥に応力が集中するため、微小欠陥周辺にき裂が生じやすくなる。さらに、荷重が負荷され続けることで、発生したき裂が進展し、やがてき裂先端が表面に至ることで、はく離が発生する。
（２）主軸を高速回転で使用する場合、その主軸を支持する組合せ軸受において、転動体と内外輪の軌道溝との間の摩擦により、転がり接触部の温度が上昇する。この温度上昇が大きい場合、油膜切れによる焼付きが発生する可能性がある。
（３）軸受内輪に大きなラジアル荷重が負荷されるため、軸受内輪はラジアル方向に圧縮されると共に、内径が広がる傾向になる。そのため、最初に与えたしめしろが減少する度合いが大きく、しめしろ不足に陥りやすい。加えて、内輪が回転側となるので、ラジアル荷重は、所謂、回転荷重となり、その結果、回転軸に対して内輪が円周方向にずれることで、クリープが生じる懸念がある。

上記の懸念を解決する方法としては、ラジアル荷重が負荷される軸受の列数を増加させる方法が挙げられる。しかしながら、単純な列数の増加では、荷重点側の軸受においてラジアル荷重に加えて、過大なモーメント荷重が発生することとなる。その結果、軸受の各列間の荷重負荷バランスが崩れてしまう。

本発明は、荷重点側の軸受のラジアルすきまを他の軸受のラジアルすきまよりも大きくして、組合せ軸受の軸受間において発生する荷重分配の不均一を是正し、各軸受で発生する面圧及び発熱を略同じにして、局所的な温度上昇による焼付き現象への耐性の向上を図った主軸装置、及びモータ装置を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） ハウジングに軸受部を介して回転自在に支持される回転軸を有し、前記回転軸の一方の軸端部にラジアル荷重が負荷される主軸装置であって、
前記軸受部は、
前記回転軸の前記ラジアル荷重が負荷される荷重点側に配置され、２列以上の軸受で構成されるメイン軸受部と、
前記メイン軸受部から前記回転軸の他方の軸端部に向けて軸方向に離間して配置され、１列以上の軸受で構成されるサポート軸受部と、
を有し、
前記メイン軸受部の前記ラジアル荷重の荷重点に最も近い軸受を荷重点側軸受、他の軸受を反荷重点側軸受とし、前記荷重点側軸受の内部すきまをΔｒ_１、前記反荷重点側軸受の各内部すきまを、前記反荷重点側軸受の前記荷重点側軸受からの配列順にΔｒ_１＋ｉ（ｉ=１〜ｎ：ｎは前記荷重点側軸受を除く前記メイン軸受部の全軸受個数）としたとき、
前記荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１は、前記反荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１＋ｉのいずれよりも大きく、且つ、前記反荷重点側軸受の各軸受は、反荷重点側に隣接する軸受が存在する場合に、当該隣接する軸受の内部すきまΔｒ_{（１＋ｉ）＋１}以上の内部すきまΔｒ_１＋ｉを有する主軸装置。
（２） （１）に記載の主軸装置を備えるモータ装置。

本発明の主軸装置及びこれを備えたモータ装置によれば、組合せ軸受の軸受間において発生する荷重分配の不均一を是正し、各軸受で発生する面圧及び発熱を略同じにして、局所的な温度上昇による焼付き現象への耐性の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る主軸装置の構成を示す断面図である。 実施例１、及び比較例の主軸装置の構成を示す断面図である。 実施例２、及び実施例３の主軸装置の構成を示す断面図である。 従来の主軸装置の構成を示す断面図である。

以下、本発明に係る主軸装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る主軸装置の転がり軸受の配置例を示す構成図である。

本実施形態の主軸装置１００は、一方の軸端部（図１の左側軸端部）にラジアル荷重Ｐが負荷された回転軸である主軸１５が、メイン軸受部１１と、サポート軸受部１３とによって回転自在に支承される。メイン軸受部１１は、主軸１５のラジアル荷重Ｐが負荷される荷重点１７側に配置され、サポート軸受部１３は、メイン軸受部１１に対して荷重点１７と反対側に離間して配置される。

メイン軸受部１１は、複数の深溝玉軸受等の軸受１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，・・・（列数は２以上）が組み合わされて構成される。以後、メイン軸受部１１の複数の軸受のうち、ラジアル荷重Ｐの荷重点１７に最も近い軸受を荷重点側軸受１１Ａとし、他の軸受を反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃ，・・・として説明する。

サポート軸受部１３は、深溝玉軸受等の軸受で構成され、メイン軸受部１１から他方の軸端部（図１の右側軸端部）に向けて、軸方向に離間した反荷重点側に配置される。なお、サポート軸受部１３は、単列でも複列であってもよい。

メイン軸受部１１の各軸受１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，・・・は、内輪２１と、外輪２３と、内輪２１及び外輪２３の間に配置された複数の転動体２５と、複数の転動体２５を転動自在に保持する保持器２７と、をそれぞれ有する。また、サポート軸受部１３の軸受も同様に、内輪３１、外輪３３、複数の転動体３５、及び保持器３７を備える。

ここで、メイン軸受部１１において、荷重点側軸受１１Ａの内部すきま（ラジアルすきま）をΔｒ_１、反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃ，・・・の内部すきま（ラジアルすきま）を、荷重点側軸受１１Ａに近い側から順にΔｒ_１＋ｉ（ｉ=１〜ｎ：ｎは反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃ，・・・の全軸受個数）とする。このとき、荷重点側軸受１１Ａの内部すきまΔｒ_１は、反荷重点側軸受１１Ｂ，・・・の内部すきまΔｒ_１＋ｉのいずれよりも大きい。且つ、反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃ，・・・の各軸受は、その軸受の反荷重点側に隣接する軸受が存在する場合には、その隣接する軸受の内部すきまΔｒ_{（１＋ｉ）＋１}以上の内部すきまΔｒ_１＋ｉを有する。

つまり、荷重点側軸受１１Ａ及び反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃ，・・・の各軸受の内部すきまは、下記（１）式の関係を有する。
Δｒ_１＞Δｒ_２≧Δｒ_３≧_・・・≧Δｒ_1＋ｎ・・・（１）

また、荷重点側軸受１１Ａの内部すきまΔｒ_１と、反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃ，・・・の各内部すきまΔr_１＋ｉとの比ｆ（ｆ＝Δｒ_１／Δｒ_１＋ｉ）は、１＜ｆ＜２０であり、より好ましくは１．２＜ｆ＜１４である。比ｆが１以下又は２０以上になると、各軸受の荷重バランスが崩れ、局所的な温度上昇が生じる虞がある。

メイン軸受部１１は、大きな荷重が負荷された状態で運転されると、内輪２１と転動体２５、及び外輪２３と転動体２５の摩擦により、軸受温度が上昇する。本構成の主軸装置１００においては、この温度上昇を抑制するために、荷重点側軸受１１Ａ及び反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃ・・・の内部すきまが、上記の（１）式の関係を満たすように設定し、組み合わせた軸受間において発生する荷重分配の不均一を是正して、荷重分配を適正化している。これにより、各軸受で発生する面圧及び発熱を略同等にして、局所的な温度上昇による焼付きの発生を抑制する。よって、局所的な温度上昇による疲れ寿命、及び発熱低下による焼付き寿命の延長を図ることができる。

このように、本構成の主軸装置１００によれば、例えば、複列転がり軸受において、一方の列と、他方の列の転動体の玉径を異ならせる手法や、軌道溝の溝曲率を異ならせて軸受間での温度差を小さくする手法と比較して、ラジアルすきまのみの変更で対策することができる。よって、設計が容易になると共に、軸受部品の共通化が可能となる。

また、本構成の主軸装置１００は、図示は省略するが、主軸１５を回転駆動するモータ装置にすることができる。その場合、メイン軸受部１１の外輪に円環板状のフロントハウジングを固定し、サポート軸受部１３の外輪に有底円筒状のセンターハウジングの底部を固定する。そして、メイン軸受部１１とサポート軸受部１３との間の主軸１５にロータを設け、センターハウジングの内周面にステータを設ける。これにより、主軸１５を回転駆動するブラシレスモータが構成される。

このモータ装置によれば、局所的な温度上昇による焼付き現象への耐性を強化できる。

（実施例１、比較例１）
図２は、実施例１、及び比較例１の主軸装置の構成を示す断面図であり、メイン軸受部１１が、荷重点側軸受１１Ａ及び反荷重点側軸受１１Ｂの２列の軸受により構成されている。

実施例１の主軸装置１００Ａの荷重点側軸受１１Ａの内部すきまΔｒ_１は５０μｍ、反荷重点側軸受１１Ｂの内部すきまΔｒ₂は３０μｍとした（Δｒ_１＞Δｒ_２）。したがって、内部すきまΔｒ_１とΔｒ_２との比ｆ（Δｒ_１／Δｒ_２）は、１．６７となる。

主軸装置１００Ａの主軸１５にラジアル荷重Ｐを負荷して、主軸１５を回転させたとき、荷重点側軸受１１Ａの面圧Ｐ１と反荷重点側軸受１１Ｂの面圧Ｐ２との面圧比（Ｐ１／Ｐ２）は１．０であり、荷重点側軸受１１Ａの発熱Ｑ１と反荷重点側軸受１１Ｂの発熱Ｑ２との発熱比（Ｑ１／Ｑ２）は１．１であった。この結果を表１に纏めて示す。

また、荷重点側軸受１１Ａの内部すきまΔｒ_１及び反荷重点側軸受１１Ｂの内部すきまΔｒ_２を、共に５０μｍとした比較例１の結果を表２に示す。

実施例１の主軸装置１００Ａでは、荷重点側軸受１１Ａと反荷重点側軸受１１Ｂとの面圧比が、比較例１の１．１から１．０に低下して、面圧が軸方向に関して均等に改善された。また、発熱比も比較例１の１．４から１．１に低下して、荷重点側軸受１１Ａの発熱が改善された。

（実施例２、実施例３、比較例２）
図３は、実施例２、実施例３、比較例２の主軸装置の構成を示す断面図であり、メイン軸受部１１が、荷重点側軸受１１Ａ及び反荷重点側軸受１１Ｂ，１１Ｃの３列の軸受により構成されている。

実施例２の主軸装置１００Ｂの荷重点側軸受１１Ａの内部すきまΔｒ_１は７０μｍ、反荷重点側軸受１１Ｂの内部すきまΔｒ_２は５０μｍ、反荷重点側軸受１１Ｃの内部すきまΔｒ_３は３０μｍとした（Δｒ_１＞Δｒ_２＞Δｒ_３）。したがって、内部すきまΔｒ_１とΔｒ_２との比ｆ（Δｒ_１／Δｒ₂）は１．４であり、内部すきまΔｒ_１とΔｒ_３との比ｆ（Δｒ_１／Δｒ_３）は２．３３となる。

この主軸装置１００Ｂの主軸１５にラジアル荷重Ｐを負荷して、主軸１５を回転させたとき、荷重点側軸受１１Ａと反荷重点側軸受１１Ｃとの面圧比（Ｐ１／Ｐ３）は１．０であり、発熱比（Ｑ１／Ｑ３）は１．２であった。また、反荷重点側軸受１１Ｂと１１Ｃとの面圧比（Ｐ２／Ｐ３）は１．０であり、発熱比（Ｑ２／Ｑ３）は１．１であった。これらを纏めて表３に示す。

実施例３の主軸装置１００Ｂの荷重点側軸受１１Ａの内部すきまΔｒ_１は５０μｍ、反荷重点側軸受１１Ｂの内部すきまΔｒ_２は３０μｍ、反荷重点側軸受１１Ｃの内部すきまΔｒ_３は３０μｍとした（Δｒ_１＞Δｒ_２＝Δｒ_３）。したがって、内部すきまΔｒ_１とΔｒ_２との比ｆ（Δｒ_１／Δｒ₂）、及び内部すきまΔｒ_１とΔｒ_３との比ｆ（Δｒ_１／Δｒ_３）は、いずれも１．６７となる。

荷重点側軸受１１Ａの反荷重点側軸受１１Ｃとの面圧比（Ｐ１／Ｐ３）は１．２であり、発熱比Ｑ１／Ｑ３は１．８であった。また、反荷重点側軸受１１Ｂと１１Ｃとの面圧比（Ｐ２／Ｐ３）は１．１であり、発熱比（Ｑ２／Ｑ３）は１．６であった。この結果を表４に纏めて示す。

比較例２の主軸装置１００Ｂの荷重点側軸受１１Ａの内部すきまΔｒ_１、反荷重点側軸受１１Ｂの内部すきまΔｒ_２、及び反荷重点側軸受１１Ｃの内部すきまΔｒ_３をそれぞれ３０μｍとした（Δｒ_１＝Δｒ_２＝Δｒ_３）。したがって、内部すきまΔｒ_１とΔｒ_２との比ｆ（Δｒ_１／Δｒ₂）、及び内部すきまΔｒ_１とΔｒ_３との比ｆ（Δｒ_１／Δｒ_３）は、いずれも１となる。

荷重点側軸受１１Ａの反荷重点側軸受１１Ｃとの面圧比（Ｐ１／Ｐ３）は１．４であり、発熱比Ｑ１／Ｑ３は２．３であった。また、反荷重点側軸受１１Ｂと１１Ｃとの面圧比（Ｐ２／Ｐ３）は１．１であり、発熱比（Ｑ２／Ｑ３）は１．６であった。この結果を表５に纏めて示す。

このように、最大となる荷重点側軸受１１Ａと反荷重点側軸受１１Ｂとの面圧比が、実施例２では比較例２の１．４から１．０に低下し、実施例３では１．２に低下して、面圧が軸方向に関して均等に改善された。また、発熱比も、最大となる荷重点側軸受１１Ａと反荷重点側軸受１１Ｂとの比較で、実施例２では比較例２の２．３から１．２に低下し、実施例３では１．８に低下して、荷重点側軸受１１Ａの発熱が改善された。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） ハウジングに軸受部を介して回転自在に支持される回転軸を有し、前記回転軸の一方の軸端部にラジアル荷重が負荷される主軸装置であって、
前記軸受部は、
前記回転軸の前記ラジアル荷重が負荷される荷重点側に配置され、２列以上の軸受で構成されるメイン軸受部と、
前記メイン軸受部から前記回転軸の他方の軸端部に向けて軸方向に離間して配置され、１列以上の軸受で構成されるサポート軸受部と、
を有し、
前記メイン軸受部の前記ラジアル荷重の荷重点に最も近い軸受を荷重点側軸受、他の軸受を反荷重点側軸受とし、前記荷重点側軸受の内部すきまをΔｒ_１、前記反荷重点側軸受の各内部すきまを、前記反荷重点側軸受の前記荷重点側軸受からの配列順にΔｒ_１＋ｉ（ｉ=１〜ｎ：ｎは前記荷重点側軸受を除く前記メイン軸受部の全軸受個数）としたとき、
前記荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１は、前記反荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１＋ｉのいずれよりも大きく、且つ、前記反荷重点側軸受の各軸受は、反荷重点側に隣接する軸受が存在する場合に、当該隣接する軸受の内部すきまΔｒ_{（１＋ｉ）＋１}以上の内部すきまΔｒ_１＋ｉを有する主軸装置。
この構成によれば、組合せ軸受の軸受間において発生する荷重分配の不均一を是正し、各軸受で発生する面圧及び発熱を略同じにして、局所的な温度上昇による焼付き現象への耐性の向上を図ることができる。

（２） 前記荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１と、前記反荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１＋ｉとの比ｆ（ｆ＝Δｒ_１／Δｒ_１＋ｉ）は、１＜ｆ＜２０である（１）に記載の主軸装置。
この構成によれば、各軸受の荷重バランスを改善して局所的な温度上昇を抑制できる。

（３） 複数の前記反荷重点側軸受を有する場合に、前記反荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１＋ｉは、反荷重点側ほど小さい（１）又は（２）に記載の主軸装置。
この構成によれば、各軸受の荷重バランスを改善して局所的な温度上昇を抑制できる。

（４） 前記反荷重点側軸受の接触面圧と前記荷重点側軸受の接触面圧とが同じである（１）〜（３）のいずれか一つに記載の主軸装置。
この構成によれば、各軸受の局所的な温度上昇を抑制できる。

（５） 前記荷重点側軸受及び前記反荷重点側軸受は深溝玉軸受である（１）〜（４）のいずれか一つに記載の主軸装置。
この構成によれば、深溝玉軸受で構成される主軸装置において、各軸受の荷重バランスを改善して局所的な温度上昇を抑制できる。

（６） （１）〜（５）のいずれか一つに記載の主軸装置を備えるモータ装置。
この構成によれば、局所的な温度上昇による焼付き現象への耐性が強化されたモータ装置を構成できる。

１１ メイン軸受部
１１Ａ 荷重点側軸受（軸受）
１１Ｂ，１１Ｃ 反荷重点側軸受（軸受）
１３ サポート軸受部
１５ 主軸（回転軸）
１７ 荷重点
１００，１００Ａ，１００Ｂ 主軸装置
Ｐ ラジアル荷重

Claims (6)

1. ハウジングに軸受部を介して回転自在に支持される回転軸を有し、前記回転軸の一方の軸端部にラジアル荷重が負荷される主軸装置であって、
   前記軸受部は、
   前記回転軸の前記ラジアル荷重が負荷される荷重点側に配置され、２列以上の軸受で構成されるメイン軸受部と、
   前記メイン軸受部から前記回転軸の他方の軸端部に向けて軸方向に離間して配置され、１列以上の軸受で構成されるサポート軸受部と、
   を有し、
   前記メイン軸受部の前記ラジアル荷重の荷重点に最も近い軸受を荷重点側軸受、他の軸受を反荷重点側軸受とし、前記荷重点側軸受の内部すきまをΔｒ_１、前記反荷重点側軸受の各内部すきまを、前記反荷重点側軸受の前記荷重点側軸受からの配列順にΔｒ_１＋ｉ（ｉ=１〜ｎ：ｎは前記荷重点側軸受を除く前記メイン軸受部の全軸受個数）としたとき、
   前記荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１は、前記反荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１＋ｉのいずれよりも大きく、且つ、前記反荷重点側軸受の各軸受は、反荷重点側に隣接する軸受が存在する場合に、当該隣接する軸受の内部すきまΔｒ_{（１＋ｉ）＋１}以上の内部すきまΔｒ_１＋ｉを有する主軸装置。
2. 前記荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１と、前記反荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１＋ｉとの比ｆ（ｆ＝Δｒ_１／Δｒ_１＋ｉ）は、１＜ｆ＜２０である請求項１に記載の主軸装置。
3. 複数の前記反荷重点側軸受を有する場合に、前記反荷重点側軸受の内部すきまΔｒ_１＋ｉは、反荷重点側ほど小さい請求項１又は２に記載の主軸装置。
4. 前記反荷重点側軸受の接触面圧と前記荷重点側軸受の接触面圧とが同じである請求項１〜３のいずれか一項に記載の主軸装置。
5. 前記荷重点側軸受及び前記反荷重点側軸受は深溝玉軸受である請求項１〜４のいずれか一項に記載の主軸装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の主軸装置を備えるモータ装置。

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