JP5026200B2 - Multi-layer foil bearing assembly - Google Patents
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Description
この発明は、エンジンのクランクシャフトやターボ機械の主軸等の支持に用いられる多層フォイル軸受組立体に関する。 The present invention relates to a multilayer foil bearing assembly used for supporting a crankshaft of an engine, a main shaft of a turbo machine, or the like.
一般に、自動車エンジンのクランクシャフトを支持する軸受には、メタル軸受が使われている。転がり軸受の使用も考えられるが、転がり軸受は、転動体と軌道輪とが点接触や線接触であるため、油膜のスクイズ効果による減衰があまり期待できない。対して、メタル軸受は、油膜の減衰が大きく、転がり軸受に比べて静粛な運転が可能である。 Generally, a metal bearing is used as a bearing for supporting a crankshaft of an automobile engine. Although the use of a rolling bearing is conceivable, the rolling bearing is not expected to be attenuated due to the squeeze effect of the oil film because the rolling element and the race are in point contact or line contact. On the other hand, the metal bearing has a large oil film attenuation and can be operated quieter than the rolling bearing.
また、ガスタービン等のターボ機械の主軸を支持する軸受にも、メタル軸受等の滑り軸受が多く使用されている。しかし、ターボ機械主軸は高速回転するため、滑り軸受であるとトルク損失が大きいことから、転がり軸受や空気フォイル軸受(例えば特許文献1)の採用が検討されている。 In addition, sliding bearings such as metal bearings are often used as bearings for supporting the main shaft of a turbomachine such as a gas turbine. However, since the turbomachine main shaft rotates at a high speed and the torque loss is large when it is a sliding bearing, the use of a rolling bearing or an air foil bearing (for example, Patent Document 1) has been studied.
高速回転する軸用の滑り軸受として、以前より、軸やハウジングに対してブッシュを流体を介して浮動状態に保持するフローティングブッシュ型の研究がなされているが、実用化には至っていない。その理由は、非特許文献1に計算結果が示されているように、フローティングブッシュ型軸受では、期待するほどの効果が得られないからである。
クランクシャフト用の軸受がメタル軸受である場合には、次の問題がある。すなわち、メタル軸受は、エンジン起動時には油膜が形成されていないため、アイドリングストップが多用されると摩耗が発生しやすく、かつ高速回転時における油膜の粘性抵抗によるトルク損失が大きいという問題である。自動車の燃費向上を図るには、このトルク損失を抑える必要がある。トルク損失を抑えるだけであれば転がり軸受にすれば良いが、転がり軸受には前記難点がある。そこで、メタル軸受に代るトルク損失の少ない滑り軸受の開発が望まれている。幸い、クランクシャフト用軸受の場合、クランクシャフトの両端に組み込むのにハウジング等を2分割にする必要がないため、メタル軸受以外の滑り軸受を導入しやすい。 When the crankshaft bearing is a metal bearing, there are the following problems. In other words, since the oil film is not formed when the engine is started, the metal bearing is prone to wear when the idling stop is frequently used, and the torque loss due to the viscous resistance of the oil film during high speed rotation is large. In order to improve the fuel efficiency of automobiles, it is necessary to suppress this torque loss. If only the torque loss is suppressed, a rolling bearing may be used, but the rolling bearing has the above-mentioned drawbacks. Therefore, development of a sliding bearing with less torque loss in place of a metal bearing is desired. Fortunately, in the case of a crankshaft bearing, it is not necessary to divide the housing into two parts for incorporation at both ends of the crankshaft, so it is easy to introduce a sliding bearing other than a metal bearing.
また、ターボ機械主軸用の軸受が転がり軸受や空気フォイル軸受である場合には、次の問題がある。すなわち、転がり軸受には、静粛性や転がり疲労寿命の問題があり、空気フォイル軸受には、起動停止時の摩耗の問題がある。 Further, when the bearing for the turbomachine main shaft is a rolling bearing or an air foil bearing, there are the following problems. That is, the rolling bearing has a problem of quietness and rolling fatigue life, and the air foil bearing has a problem of wear when starting and stopping.
この発明の目的は、静粛な運転を行うことができ、トルク損失が少なく、起動停止時の摩耗がほとんどない、エンジンのクランクシャフトやターボ機械の主軸等の支持に適した多層フォイル軸受組立体を提供することである。 An object of the present invention is to provide a multilayer foil bearing assembly suitable for supporting an engine crankshaft, a main shaft of a turbo machine, etc., capable of performing a quiet operation, having little torque loss and little wear during starting and stopping. Is to provide.
この発明にかかる多層フォイル軸受組立体は、軸と、この軸の外周面に対向する内周面を有するハウジングとの間に、それぞれ径の異なる複数の円筒状フォイルを互いに径方向にすきまを持たせて配置し、各フォイル間、最内層のフォイルと軸の外周面間、および最外層のフォイルとハウジングの内周面間に潤滑油を保持させて油膜を形成することで、前記軸が最内層のフォイルに非接触で支持され、各フォイル同士が非接触で支持され、最外層のフォイルがハウジングに非接触で支持され、前記フォイルの肉厚は0.5mm以下であり、前記フォイルの回転により前記潤滑油を各フォイル間の隙間のフォイル幅方向の中央側へ流れ込む作用を生じさせる手段を設けたことを特徴とする。 In the multilayer foil bearing assembly according to the present invention, a plurality of cylindrical foils having different diameters are provided in the radial direction between a shaft and a housing having an inner peripheral surface facing the outer peripheral surface of the shaft. And the oil film is formed between the foils, between the innermost foil and the outer peripheral surface of the shaft, and between the outermost foil and the inner peripheral surface of the housing, thereby forming an oil film. is supported in a non-contact to the inner layer of the foil, each foil to each other is supported in a non-contact, the outermost layer of the foil is supported without contact to the housing, the wall thickness of the foil Ri der less 0.5 mm, the foil Means is provided for causing the lubricating oil to flow into the center in the foil width direction of the gap between the foils by rotation .
この構成によると、軸の回転時、各フォイル間、最内層のフォイルと軸の外周面間、および最外層のフォイルとハウジングの内周面間に形成された潤滑油からなる油膜を介して滑りが生じる。各油膜の条件が同じだとすれば、滑り速度はフォイルの層数に逆比例するため、多層であるほど各層での滑り速度が小さくなる。そのため、フォイルを多層に設けることにより、油膜の粘性抵抗を低くして、軸受トルクの損失を抑えられる。 According to this configuration, when the shaft rotates, it slips between the foils, through the oil film made of lubricating oil formed between the innermost foil and the outer peripheral surface of the shaft, and between the outermost foil and the inner peripheral surface of the housing. Occurs. If the conditions of each oil film are the same, the slipping speed is inversely proportional to the number of foil layers, so the more the number of layers, the smaller the slipping speed in each layer. Therefore, by providing the foil in multiple layers, the viscous resistance of the oil film can be lowered and the loss of bearing torque can be suppressed.
前記フォイルの肉厚は0.5mm以下であり、好ましくは0.02mmないし0.1mmであるのが良い。
前記フローティングブッシュ型の滑り軸受が期待するほどの効果が得られないのは、フローティングブッシュの肉厚が厚いためであり、フォイルを肉厚0.5mm以下の薄肉とすることで、性能向上が図れる。また、フォイルを薄肉にすることで、軸受部分の径を大きくすることなく、フォイルの多層化を図れる。
The thickness of the foil is below 0.5mm or less, and even better preferably be from 0.02 mm 0.1 mm.
The reason why the floating bush type sliding bearing is not as effective as expected is because the thickness of the floating bush is large, and the performance can be improved by making the foil as thin as 0.5 mm or less. . Further, by reducing the thickness of the foil, it is possible to increase the number of foil layers without increasing the diameter of the bearing portion.
前記潤滑油を各フォイル間の隙間のフォイル幅方向の中央側へ流れ込む作用を生じさせる手段が、前記フォイルの表面に設けられた動圧溝であり、この動圧溝は、前記フォイルの幅方向中央に対し対称形状であるのが良い。
フォイルの表面に前記動圧溝が設けられていると、軸受の運転時に潤滑油がフォイルの軸方向中央側に集まり、各フォイル間、最内層のフォイルと軸の外周面間、および最外層のフォイルとハウジングの内周面間に潤滑油を十分に保持させることができる。
The means for causing the lubricating oil to flow into the center side in the foil width direction of the gap between the foils is a dynamic pressure groove provided on the surface of the foil, and the dynamic pressure groove is a width direction of the foil. It should be symmetrical with respect to the center .
When the dynamic pressure groove is provided on the surface of the foil, the lubricating oil gathers in the axial center of the foil during the operation of the bearing, and between the foils, between the innermost foil and the outer peripheral surface of the shaft, and the outermost layer. Lubricating oil can be sufficiently retained between the foil and the inner peripheral surface of the housing.
前記フォイルは、前記ハウジングの内周面両端部と干渉させずに内周面中央部の内径側に装入できる程度に変形可能な弾性を有するのが好ましい。
フォイルを自らの弾性を利用してハウジングの内周面中央部の内径側に装入することができれば、軸受の組立が容易になる。
It is preferable that the foil has elasticity that can be deformed to such an extent that it can be inserted into the inner diameter side of the central portion of the inner peripheral surface without causing interference with both ends of the inner peripheral surface of the housing.
If the foil can be inserted into the inner diameter side of the central portion of the inner peripheral surface of the housing using its own elasticity, the assembly of the bearing becomes easy.
前記軸の前記ハウジング内周面中央部に対向する箇所は、軸の他の部分よりも径が大きくしても良い。
この場合は、軸の回転に伴うポンピング作用により、軸の外周面と、ハウジングの内周面中央部と、ハウジングの内周面段面部とに囲まれた空間内に潤滑油が送り込まれるため、前記空間内の潤滑油貯留量を十分に確保することができる。
The portion of the shaft that faces the central portion of the inner peripheral surface of the housing may have a larger diameter than other portions of the shaft.
In this case, because of the pumping action accompanying the rotation of the shaft, the lubricating oil is sent into the space surrounded by the outer peripheral surface of the shaft, the central portion of the inner peripheral surface of the housing, and the stepped surface portion of the inner peripheral surface of the housing. A sufficient amount of lubricating oil can be secured in the space.
また、前記ハウジングに、前記軸の外周面と、前記ハウジングの内周面中央部と、前記ハウジングの内周面段面部とに囲まれた空間内に潤滑油を供給する潤滑油供給孔を設けても良い。
この場合は、潤滑油供給孔から前記空間内に潤滑油を強制的に供給することで、前記空間内の潤滑油貯留量を十分に確保することができる。
The housing is provided with a lubricating oil supply hole for supplying lubricating oil into a space surrounded by the outer peripheral surface of the shaft, the central portion of the inner peripheral surface of the housing, and the stepped surface portion of the inner peripheral surface of the housing. May be.
In this case, a sufficient amount of lubricating oil can be secured in the space by forcibly supplying the lubricating oil into the space from the lubricating oil supply hole.
この発明のフォイル軸受は、上記作用が得られるため、エンジンのクランクシャフトまたはターボ機械の主軸の支持用に好適に使用することができる。 The foil bearing of the present invention can be suitably used for supporting a crankshaft of an engine or a main shaft of a turbomachine because the above-described action is obtained.
この発明の多層フォイル軸受組立体は、軸と、この軸の外周面に対向する内周面を有するハウジングとの間に、それぞれ径の異なる複数の円筒状フォイルを互いに径方向にすきまを持たせて配置し、各フォイル間、最内層のフォイルと軸の外周面間、および最外層のフォイルとハウジングの内周面間に潤滑油を保持させて油膜を形成することで、前記軸が最内層のフォイルに非接触で支持され、各フォイル同士が非接触で支持され、最外層のフォイルがハウジングに非接触で支持され、前記フォイルの肉厚は0.5mm以下であり、前記フォイルの回転により前記潤滑油を各フォイル間の隙間のフォイル幅方向の中央側へ流れ込む作用を生じさせる手段を設けたため、静粛な運転を行うことができ、トルク損失が少なく、起動停止時の摩耗がほとんどない。そのため、エンジンのクランクシャフトやターボ機械の主軸等の支持に適する。
In the multilayer foil bearing assembly according to the present invention, a plurality of cylindrical foils having different diameters are provided with a radial gap between a shaft and a housing having an inner peripheral surface facing the outer peripheral surface of the shaft. And forming an oil film between the foils, between the innermost foil and the outer peripheral surface of the shaft, and between the outermost foil and the inner peripheral surface of the housing, thereby forming an oil film, so that the shaft becomes the innermost layer. is supported in a non-contact manner of the foil, each foil to each other is supported in a non-contact, the outermost layer of the foil is supported without contact to the housing, the wall thickness of the foil Ri der below 0.5 mm, the rotation of the foil due to the provision of a means for creating an action flowing the lubricating oil toward the center of the foil width of the gap between the foil makes it possible to perform a quiet operation, small torque loss, start and stop time of wear ho No etc. does. Therefore, it is suitable for supporting the crankshaft of an engine, the main shaft of a turbo machine and the like.
この発明の第1の実施形態を図1ないし図5と共に説明する。図1はこの実施形態の多層フォイル軸受組立体の断面図を示す。この多層フォイル軸受組立体1は、ハウジング2に対して軸3を回転自在に支持するものであり、多層フォイル軸受部4として、それぞれ径の異なる複数の円筒状フォイル5〜9を有する。この実施形態ではフォイル数は5個である。各フォイル5〜9は、ハウジング2の内周と軸3の外周間に、互いに径方向にすきまを持たせて配置してある。各フォイル5〜9間、最内層のフォイル5と軸3の外周面3a間、および最外層のフォイル9とハウジング2の内周面2a間はそれぞれ油膜形成すきま10とされ、各油膜形成すきま10に潤滑油が保持されている。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the multilayer foil bearing assembly of this embodiment. This multilayer foil bearing assembly 1 supports the
フォイル5〜9は、肉厚0.5mmを超えない薄肉の金属板で、容易に変形し、かつ元の形状に復元可能な弾性を有するものとされている。フォイル5〜9の肉厚は、好ましくは0.02mm〜0.1mmである。フォイル5〜9の材質としては、降伏応力が高いことが要求され、例えば焼入れによる加工硬化で降伏応力を向上させた炭素鋼や、りん青銅等の降伏応力の高い材料が適している。また、耐摩耗性の樹脂コーティングを施したものや、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)を代表とする硬質皮膜を形成したものも好適に使用できる。さらに、各フォイル5〜9が同一の金属材料である必要はなく、異種金属のフォイルを交互に配置してもよい。
The
図2および図3に示すように、フォイル5〜9の表面には、多数の動圧溝13が平行に設けられている。動圧溝13は、左右一対の傾斜溝13L,13Rからなる。左右の傾斜13L,13Rは、それぞれフォイル5における回転方向に対して角度αを有する。図3はフォイル5の動圧溝13を例示している。この動圧溝13は、軸3の回転に伴い、左右一対の傾斜溝13L,13Rによって潤滑油が中央にポンプインされることによって、前記油膜形成すきま10に潤滑油を保持させ、油膜圧力を発生させる作用をする。動圧溝13の幅、深さ、角度α等の各種設計値は、動圧軸受の設計をもとに容易に計算できる。
As shown in FIGS. 2 and 3, a large number of
この実施形態では、動圧溝13が等間隔で配置され、かつ動圧溝13の幅と動圧溝13間の背部の幅とが同一とされているが、動圧溝13は不等間隔で配置しても良い。
また、軸3の回転方向が一方向である場合は、図3のように、動圧溝13は、一対の傾斜溝13L,13Rからなるのが最も性能が良い。しかしながら、逆に組込まれた場合は、その性能を発揮することができない。そのため、図4に示すように、それぞれが左右一対の傾斜溝13L,13Rからなる正回転用動圧溝形成部14Aおよび逆回転用動圧溝形成部14Bを、フォイル5〜9の表面における軸方向または幅方向に交互に並べて設けるのが好ましい。
In this embodiment, the
When the rotation direction of the
フォイル5〜9の製作には、深絞り加工等の塑性加工が適している。深絞り加工によれば、ミクロンオーダーの高精度の加工が可能である。前述したように、フォイル5〜9は肉厚0.5mm以下と薄いため、切削加工は適用できない。できたとしても高コストになる。塑性加工以外のフォイル製作方法としては、低溶融合金で作られた円筒状の型の表面にフォイル材料である金属で必要厚さのメッキを行い、後で型を溶融除去する方法も利用できる。前記円筒状の型の材料として、低溶融合金の代わりに油脂を用いてもよい。また、出来上がったフォイルをローリング圧延して、径を微調整することも可能である。前記動圧溝13は、例えば、上記各方法でフォイル5〜9の外形を製作した後、塑性加工により形成する。
For the production of the
この多層フォイル軸受組立体1の組立に際しては、ハウジング2に各フォイル5〜9を組み込んだ後、最内層のフォイル5の内周に軸3を挿通する。ハウジング2にフォイル5〜9を組み込むに当たり、図5に実線で示すように、フォイル5〜9の持つ弾性を利用してフォイル5〜9を変形させ、ハウジング2の鍔部2bをくぐらせて鍔部2bの軸方向内側に組み込む。つまり、各フォイル5〜9は、ハウジング2の内周面両端部2abと干渉させずに内周面中央部2aaの内径側に装入できる程度に変形可能な弾性を有するものとされている。同図に鎖線で示すように、組み込まれた後、フォイル5〜9は元の形状に自然に復元する。なお、図5では最外層のフォイル9を示している。
In assembling the multilayer foil bearing assembly 1, the
この構成の多層フォイル軸受組立体1によれば、各油膜形成すきま10に潤滑油が保持されて油膜を形成しているため、軸3が最内層のフォイル5に非接触で支持され、最内層のフォイル5はその外側のフォイル6に非接触で支持されるというように、複数層のフォイル5〜9を介して軸3がハウジング2に支持される。軸3の回転時に生じる軸3の滑り速度は、フォイル5〜9の層数に比例して低下する。トルク損失は滑り速度に比例する。したがって、フォイル5〜9を多層化することによって、油膜の粘性抵抗を低くして、低トルク化が実現できる。また、各油膜形成すきま10のすきま量が同一ならば、フォイル5〜9の層数に比例して増加する。このため、軸3の軸心周りに重量の不釣合いがあっても、振動が抑えられる。
According to the multilayer foil bearing assembly 1 of this configuration, since the lubricating oil is held in each oil
各フォイル5〜9の表面に動圧溝13L,13Rが設けられているため、軸3の回転時に、油膜形成すきま10に潤滑油を十分保持することができ、非接触支持を可能にする油膜圧力が発生させられる。また、軸外周面3aのフォイル収容空間11を構成する部分が他よりも大径の大径部3aaとなり、この大径部3aaと通常径部3abとの間の部分がテーパ部3acとなっているため、軸3が回転することにより、テーパ部3acのポンピング作用により、図1に矢印で示すように、潤滑油流入路12を通ってフォイル収容空間11に潤滑油が流入する。このため、フォイル収容空間11内に十分な量の潤滑油を確保することができる。
Since the
フォイル5〜9は薄肉であるため、フォイルを多層化しても、多層フォイル軸受部4の径方向寸法が大きくならない。このため、多層フォイル軸受組立体1の小型化が可能である。また、フォイル5〜9は、深絞り加工により低コストで製作することができる。このため、多層フォイル軸受組立体1の低廉化が可能である。
Since the
次に、図6に示す第2の実施形態について説明する。この第2の実施形態は、軸方向幅が広い多層フォイル軸受組立体1への対応例である。軸方向幅が広いと、各油膜形成すきま10の軸方向中央部で潤滑油が不足がちとなる。そこで、この多層フォイル軸受組立体1では、各フォイル5〜9の軸方向中央部に、内周側と外周側とを連通する連通孔15を設けてある。この実施形態では円周方向の互いに等間隔に位置する2箇所に連通孔15が設けられているが、連通孔15の個数は2個に限らない。さらに、ハウジング2の軸方向中央部に潤滑油供給孔16が設けられており、図示しない潤滑油供給装置から送られてくる潤滑油が、前記潤滑油供給孔16より、フォイル収容空間11内に供給される。潤滑油供給孔16の内径側端に連なるハウジング2の内周面には、潤滑油供給孔16から供給される潤滑油を、フォイル収容空間11内において周方向に導く円周溝17が形成されている。
この第2の実施形態では、第1の実施形態と異なり、軸3が全域にわたって等径とされている。また、ハウジング2の内周面2aにおける両端部2abと段面部2ac間に傾斜面部が設けられていない。他は、第1の実施形態と同じである。
Next, a second embodiment shown in FIG. 6 will be described. This 2nd Embodiment is an example corresponding to the multilayer foil bearing assembly 1 with a wide axial direction width | variety. When the axial width is wide, the lubricating oil tends to be insufficient at the axial central portion of each oil
In the second embodiment, unlike the first embodiment, the
上記第2の実施形態の構成とすると、潤滑油供給孔16から強制的にフォイル収容空間11内に潤滑油が供給され、その潤滑油が円周溝17を通って最外層のフォイル9の連通孔15から、最外層のフォイル9とその内側のフォイル8間の油膜形成すきま10の軸方向中央部に供給される。同様にして、順に内側の油膜形成すきま10の軸方向中央部に潤滑油が供給される。このため、各油膜形成すきま10における軸方向中央部での潤滑油不足を解消できる。
With the configuration of the second embodiment, the lubricating oil is forcibly supplied into the
この発明の多層フォイル軸受組立体1の使用例を示す。図7は、第1の実施形態の多層フォイル軸受組立体1を、エンジンのクランクシャフト20の両端を支持する軸受に適用した例を示す。クランクシャフト20は、回転中心軸21と、バランスウェイト22と、クランクピン23とで構成され、回転中心軸21の両端部が多層フォイル軸受組立体1により回転自在に支持されている。この場合、回転中心軸21が多層フォイル軸受組立体1における軸3にあたる。クランクピン23は、コンロッド24の一方の端部24aに軸受25により回転自在に支持されている。この軸受25にも多層フォイル軸受組立体1を適用してよい。
The usage example of the multilayer foil bearing assembly 1 of this invention is shown. FIG. 7 shows an example in which the multilayer foil bearing assembly 1 of the first embodiment is applied to a bearing that supports both ends of the
図8は、第2の実施形態の多層フォイル軸受組立体1を、ターボ機械の一種であるマイクロガスタービンの主軸31を支持する軸受に適用した例を示す。マイクロガスタービンは、空気圧縮機32により空気を圧縮し、この圧縮した空気を用いて燃焼器33により燃料を燃焼させ、それによって生じた高温・高圧の燃焼ガスでタービン34の動翼を回すことによって、発電機35で電力を得る。得られた電力はインバータ36を介して出力される。また、空気圧縮機32から燃焼器33へ送られる圧縮空気の熱、およびタービン34を出た燃焼ガスの熱が熱回収装置37により回収されて、水を温水にする。
FIG. 8 shows an example in which the multilayer foil bearing assembly 1 of the second embodiment is applied to a bearing that supports a
主軸31は、空気圧縮機32とタービン34の各タービン翼車を両端に取付けた軸であり、軸方向の複数箇所(この実施形態では2箇所)で、多層フォイル軸受組立体1によりハウジング38に回転自在に支持されている。この場合、主軸33が多層フォイル軸受組立体1における軸3にあたり、ハウジング38が多層フォイル軸受組立体1におけるハウジング2にあたる。
The
この発明の多層フォイル軸受組立体1は、上記したように、エンジンのクランクシャフト20の両端を支持する軸受部や、マイクロガスタービン等のターボ機械の主軸31を支持する軸受部に適するが、それ以外の軸受部にも適用することができる。
As described above, the multilayer foil bearing assembly 1 of the present invention is suitable for a bearing portion that supports both ends of the
1…多層フォイル軸受組立体
2…ハウジング
2a…ハウジング内周面
3…軸
3a…軸外周面
5〜9…フォイル
10…油膜形成すきま
13…動圧溝
20…クランクシャフト
21…回転中心軸
31…主軸
38…ハウジング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Multi-layer
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