JP2003262222A

JP2003262222A - フォイル軸受

Info

Publication number: JP2003262222A
Application number: JP2002063001A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Nishijima; 秀彦西島; Yoshio Fujikawa; 芳夫藤川
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】単純な構成で、負荷容量および減衰が大き
く、また軸受フォイルを支持する弾性体のばね定数を、
広範囲にかつ容易に設定できるフォイル軸受を提供す
る。【解決手段】金属細線を網状に編成して円筒状に成形
した弾性体２と、この弾性体２に支持されて弾性軸受面
Ｓを形成する薄板の軸受フォイル３とを備える。弾性体
２は、軸受ハウジング１の円筒状の内径面に圧入等によ
って取付ける。このように構成した軸受組立体に、回転
軸４を挿入して回転させる。弾性体２は、円筒状に成形
する代わりに、矩形シート状に成形し、丸めて軸受ハウ
ジング１の内径面に装着しても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、各種の機器に用
いられる流体軸受であるフォイル軸受、特に、ターボコ
ンプレッサ、膨張タービン、ガスタービン等のターボ機
械や、回転霧化式静電塗装機等の高速回転を必要とする
機器の回転軸支持に好適なフォイル軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、高速回転が必要とされている機器
の軸受装置として、図１３のようなフォイル軸受が知ら
れている（例えば、特開平１０−３３１８４６号）。同
図は、ジャーナル軸受の例であり、回転軸５４のまわり
に軸受隙間を隔てて配置した軸受フォイル５３が、軸受
ハウジング５１に対して多重に配置したバンプフォイル
６０，６２を介して弾性的に支持されるようになってい
る。回転軸５４が矢印５０の方向に回転すると、回転軸
５４と軸受フォイル５３間のくさび形の隙間に空気が引
込まれ、圧力が発生し、負荷能力が発生する。そして回
転軸５４に荷重が作用した場合、軸受隙間の圧力分布の
変動に応じてバンプフォイル６０，６２および軸受フォ
イル５３が変形することで軸受すき間（気体膜）の形状
が適正化され、安定作動するようになっている。また軸
受フォイル５３とバンプフォイル６０，６２、このバン
プフォイル６０，６２と軸受ハウジング５１の間等に作
用する摩擦力により、減衰能力が生じる。

【０００３】バンプフォイル６０，６２は、図のように
金属薄板を軸方向に凹凸の頂点が連続する波型に成形さ
れるので、中心軸に直角な面内では撓みやすいが、中心
軸に平行な面内では撓みにくい。このため、軸受フォイ
ル５３の変形は、円周方向には軸受隙間の圧力分布に対
応して最適の形状を取ることができるが、軸方向にはほ
ぼ一定の変形量となり、必ずしも最適隙間形状を実現で
きない。この点を改善するために、図１３の例では、バ
ンプフォイル６０，６２を軸方向に分割する形式が提案
されている。また、形状の異なるバンプフォイル６０，
６２を重ねて配置することにより、ばね特性に非線形性
を持たせて負荷容量の増大を図るとともに、バンプフォ
イル６０，６２同士の摩擦を利用して減衰特性を改善す
る形式も提案されている。これらの形式は、いずれもバ
ンプフォイル６０，６２の構成が複雑になり、製作が困
難でコストの増加を招く。スラスト型のフォイル軸受に
おいても、図１３の例と同様な工夫を施したものが提案
されており（特開平１０−３３１８４７号）、上記と同
様の作用により軸方向の負荷を支持する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記各例のようなバン
プフォイルを用いたフォイル軸受は、バンプフォイル６
０，６２の形状を工夫して、軸受フォイル５３の支持剛
性の分布を最適化することにより、高い負荷容量を得る
ことができる。しかし、構造が複雑となり、小型化が困
難で、高精度のプレス加工が必要なために高価となる。
また、回転体の不釣合などの加振力が大きい場合に十分
な減衰能力が得られない。

【０００５】この発明の目的は、単純な構成で、負荷容
量および減衰が大きく、また軸受フォイルを支持する弾
性体のばね定数を、広範囲にかつ容易に設定できるフォ
イル軸受を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明のフォイル軸受
は、素線を網状に編成した弾性体と、この弾性体に支持
されて弾性軸受面を形成する薄板の軸受フォイルとを備
えたものである。上記素線は、例えば金属細線とする。
上記軸受フォイルは、例えば金属薄板からなるものとす
る。上記弾性体は、編成後に所定形状に成形したものが
好ましい。このフォイル軸受は、ラジアル型の軸受、つ
まりジャーナル軸受であっても、スラスト型の軸受であ
っても良い。上記の網状の編成は、素線が絡み合ってい
て自然に分離しないようになっている構成を言い、織物
のように編まれたものでなくても良い。この構成による
と、金属細線等の素線を網状に編成した弾性体と金属薄
板等の薄板の軸受フォイルとによってフォイル軸受を形
成するので、弾性体を構成する素線同士の摩擦によって
良好な減衰特性が得られる。また、軸受荷重に応じて周
方向だけでなく軸方向にも軸受フォイルの変形量が変化
し、軸受隙間分布が柔軟に変化できて、大きな負荷容量
を発生する。このため、単純な構成であるにもかかわら
ず、従来よりも不釣合の大きい回転軸を安定して高速回
転させることができる。弾性体は、形状や、素線配置の
平均密度、素線の線径によって、ばね剛性が任意に変更
でき、軸受の高速安定性、負荷能力等の軸受特性を決定
する際のばね剛性の自由度が大きい。弾性体は、一体金
型成形ができるため、量産性に富み、低コスト化が達成
できる。構造が簡単なので、全体の小型化が可能であ
る。

【０００７】この発明において、上記弾性体と軸受フォ
イルの一部を互いに固定し、弾性体を弾性変形させた状
態で軸受ハウジングに組み込み、弾性体および軸受フォ
イルを弾性体の弾性復元力によって軸受ハウジングに固
定しても良い。弾性体と軸受フォイルとの固定は、例え
ば溶接または塑性加工により行う。固定箇所は、例えば
軸受フォイルが帯状のものである場合、軸受フォイルの
一端としてもよい。上記弾性体は、円筒状に成形し、軸
受ハウジングの内径面に圧入により取付けても良く、ま
た上記弾性体を平面的な帯状に成形し、弾性体と軸受フ
ォイルとを重ねて円筒状に丸めた状態で軸受ハウジング
の内径面に配置しても良い。このように、弾性体と軸受
フォイルの一部を互いに固定して、弾性体の復元力によ
り軸受ハウジングに固定できるため、組込みが容易にな
る。また、上記のように丸めた弾性体の復元力や、圧入
した弾性体の復元力で軸受ハウジングに取付けるように
した場合、過大な負荷などにより回転軸が回転中に軸受
フォイルと接触し、軸受フォイルおよび弾性体に過大な
トルクが加わったときに、軸受ハウジングに対して軸受
フォイルおよび弾性体が滑り、回転軸と共に回転するこ
とができる。そのため、回転軸と軸受フォイルの焼付き
等の損傷を軽減することができる。

【０００８】上記弾性体は、この弾性体を支持する軸受
ハウジングに接する面および上記軸受フォイルに接する
面のうち、少なくとも一方の面が凹凸面に形成されたも
のであっても良い。上記凹凸面は、例えば断面が波型の
面とする。両面とも波型の凹凸面とした場合は、素線の
網状編成体からなる弾性体が波板状に形成されたものと
なる。このように波型に成形することにより、軸受フォ
イルの支持剛性をさらに広範囲に設定できる。

【０００９】上記弾性体を円筒状として軸受ハウジング
の内径面に嵌合させ、上記軸受ハウジングの内径面にキ
ー溝を設け、弾性体と軸受ハウジングとをキーで固定し
ても良い。起動トルクが大きい場合、キー溝を設けた軸
受ハウジングで軸受フォイルと弾性体をキーにより固定
することで、回転軸との共回りを防止することができ
る。

【００１０】上記弾性体は、一定方向に並ぶ複数個の分
割弾性体からなるものとし、各分割弾性体の素線の線径
および素線の配置密度の少なくとも一方を異ならせても
良い。分割弾性体の並び方向は、例えば回転方向、また
は回転方向と直交する方向とする。回転方向と直交する
方向は、回転中心の軸方向のことである。ラジアル型の
フォイル軸受であって、上記弾性体が円筒状である場
合、軸方向に並べられた複数個の分割弾性体からなるも
のとしても良い。スラスト型のフォイル軸受であって、
弾性体がリング状ないし円板状である場合、弾性体は円
周方向に複数個の分割弾性体が並ぶものとしても良い。
上記弾性体は、部分によって素線の配置密度が変化した
ものであっても良い。素線の配置密度が変化する方向
は、一定方向とする。例えば回転方向、または回転方向
と直交する方向（回転中心の軸方向）とする。上記弾性
体が円筒状である場合、素線の配置密度の変化は、回転
中心の軸方向としても良い。このように、弾性体の線
径、密度を調整することにより、軸受面内で軸受フォイ
ルの支持剛性を変化させることができるので、荷重が加
わった場合の軸受フォイルの変位を調整し、荷重条件に
応じて最適な軸受隙間分布を実現することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明の第１の実施形態を図１
および図２に基づいて説明する。この実施形態は、ラジ
アル型のフォイル軸受、つまりジャーナル軸受からなる
フォイル軸受に適用した例である。このフォイル軸受
は、素線を網状に編成したものをプレス成形した弾性体
２と、金属薄板の軸受フォイル３によりフォイル軸受が
形成されている。弾性体２は、上記プレス成形で円筒状
に成形されている。素線には金属細線を用いる。網状の
編成は、素線が絡み合っていて自然に分離しないように
なっていることを言い、立体的な編成であっても、平面
的な編成であっても良い。織物のように編まれていて
も、単に分離しないように絡み合って集められたもので
あっても良い。

【００１２】図２に示すように、軸受フォイル３を丸め
て、円筒状に成形された弾性体２の内径側に挿入し、結
合部３ａを曲げて弾性体と軸受フォイルを相互に固定す
る。結合部３ａはこの実施形態では軸受フォイル３と一
体の突片としたが、塑性変形の容易な別の部材でもよ
い。この一体化した弾性体２および軸受フォイル３を軸
受ハウジング１の内径面に設置することによって、軸受
フォイル３の表面が弾性軸受面Ｓとなったジャーナル軸
受を構成する。弾性体２の外径を、軸受ハウジング１の
内径よりやや大きく成形し、軸受ハウジング１に圧入す
ることにより、一体化した弾性体２および軸受フォイル
３を軸受ハウジング１に固定してもよい。弾性体２の内
径寸法は、軸受ハウジング１に固定した後で拡径させて
所望の寸法に仕上げてもよい。その場合、弾性体２は、
弾性を有するが、弾性限界を超えて拡径させることによ
り、塑性変形させる。

【００１３】上記のように構成した軸受組立体に、回転
軸４を挿入して回転させる。回転軸４と軸受フォイル３
の間に、軸受隙間５が形成されるように、回転軸４の外
径寸法は、組立時の軸受フォイル３の内径よりも所定の
寸法だけ小さくする。回転軸４が回転すると、回転軸４
と軸受フォイル３間のくさび形の隙間に空気が引込ま
れ、圧力が発生し、負荷能力が発生する。回転軸４に荷
重が作用した場合、弾性体２および軸受フォイル３が変
形することで、軸受隙間５（気体膜）の形状が適正化さ
れ、安定作動するようになる。弾性体２は、周方向およ
び軸方向に同様の変形特性を持つので、軸受隙間の周方
向分布だけでなく、軸方向分布も適正化され、単純な構
成で大きな負荷容量を発生することができる。回転軸４
が振れ回る場合は、軸受フォイル３と弾性体２の間、弾
性体２と軸受ハウジング１の間に加えて、弾性体２を構
成する金属細線同士の間にも摩擦力が発生する。このた
め大きな減衰能力が生じ、回転軸４を安定して支持する
ことができる。また、弾性体２の剛性は、素材となる金
属細線の線径の変更や、成形時の圧縮率すなわち成形後
の見掛けの密度の調整によって、最適な値に設定するこ
とができる。

【００１４】一体化した軸受フォイル３と弾性体２を軸
受ハウジング１に圧入して固定した場合は、弾性体２と
軸受ハウジング１は摩擦力によって固定されているの
で、摩擦力より大きいトルクが作用すると相互に回転す
ることができる。したがって過負荷等のために回転軸４
が軸受フォイル３に接触し、回転軸から軸受フォイル２
を介して、弾性体２に一定以上のトルクが作用した場合
には、弾性体２は回転軸４と共に回転することになる。
このため、回転軸４と軸受フォイル３が相互に摺動する
ことによる軸受面の損傷を軽減することができる。

【００１５】図３，図４はこの発明の他の実施形態を示
す。この実施形態では、金属細線を金網状に編成したも
のを、平面的な帯状、つまり長方形シート状にプレス成
形した弾性体２を用いている。この長方形シート状の弾
性体２とテープ状の金属薄板の軸受フォイル３とにより
フォイル軸受が形成される。弾性体２と軸受フォイル３
とは一端で互いに固定する。この固定は、図４（Ａ）ま
たは同図（Ｂ）に示すように、弾性体２と軸受フォイル
３の一端を、固定具６を塑性変形させて締め付けること
によって行う。同図（Ｂ）は弾性体２と軸受フォイル３
とを同じ方向に延びるように重ねて一端を結合した例で
あり、同図（Ｂ）は弾性体２と軸受フォイル３とが逆方
向に延びるように配置して対向端部を結合した例であ
る。このように弾性体２と軸受フォイル３とを結合した
ものを、軸受ハウジング１（図３）の内部に、軸受フォ
イル３が回転軸４に対向するように重ね巻きする。重ね
巻きは、図４図（Ａ）のように弾性体２と軸受フォイル
３とを同じ方向に巻くようにしても、同図（Ｂ）のよう
に弾性体２と軸受フォイル３とを互いに逆方向に巻くよ
うにしても良い。このように巻いた弾性体２は、それ自
身の巻き戻し力となる復元力で軸受ハウジング１の円筒
面状の内径面に押し付け状態に固定される。回転軸４が
図３の矢印の方向に回転することにより、第１の実施例
と同様に作用する。

【００１６】図５はこの発明のさらに他の実施形態を示
す。この実施形態は、ジャーナル軸受とした例であっ
て、弾性体２の形状を、同図に示すように、軸受フォイ
ル３および軸受ハウジング１に接する面が波型に成形さ
れたものとしてある。したがって弾性体２は波板状とな
っている。ただし、弾性体２は、上記のように素線を編
成したものである。このように弾性体２を波型に成形す
ることにより、軸受フォイル３の支持剛性をさらに広範
囲に設定できる。弾性体２の両面を波型に成形した例を
示したが、軸受フォイル３に接する面または軸受ハウジ
ングに接する面のいずれか一方のみを波型にしてもよ
い。

【００１７】図６はこの発明のさらに他の実施形態を示
す。この実施形態は、第１の実施形態において、軸受ハ
ウジング１にキー溝７を設け、軸受フォイル３と弾性体
２をキー８で固定したものである。この実施形態もジャ
ーナル軸受の例である。このようにキー８を設けると、
起動時に回転軸４と軸受フォイル３の間に大きな摩擦力
が作用する場合に、軸受フォイル３が回転軸４と共回り
することを確実に防止できる。

【００１８】図７はこの発明のさらに他の実施形態を示
す。この実施形態は、第１の実施形態において、弾性体
２を軸方向に並ぶ複数個の分割弾性体２Ａ〜２Ｃに分割
したものである。各分割弾性体２Ａ〜２Ｃは、素線の線
径、配置密度の異なるものとしてある。図８はこの発明
のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、第１の
実施形態において、弾性体２の素線の配置密度を軸方向
に変化させたものである。配置密度の軸方向の変化は、
次第に変わるようにしても良く、また軸方向に分けられ
る複数の区画毎に変化するようにしても良い。同図にお
いて弾性体２に付したハッチングの違いは、配置密度の
違いを表す。これら図７，図８の実施例のように、弾性
体２の素線の線径、配置密度を調整することにより、軸
受面内で軸受フォイル３の支持剛性を変化させることが
できる。このため、荷重が加わった場合の軸受フォイル
３の変位を調整し、荷重条件に応じてより最適な軸受隙
間分布を実現することができる。

【００１９】図９〜図１１は、この発明をスラスト軸受
に適用した実施形態を示す。円環状の弾性体２には、軸
方向に向く面において、円周方向の複数箇所に凸部２ａ
が設けられている。弾性体２は、各凸部２ａが嵌まる複
数の穴１５を設けたハウジング正面側部材１ａと、ハウ
ジング底側部材１ｂとの間に挟む形で固定される。ハウ
ジング正面側部材１ａとハウジング底側部材１ｂとは、
ビス等の接合具１６により互いに接合され、軸受ハウジ
ング１を構成する。ハウジング正面側部材１ａの穴１５
に対応して、軸受フォイル３が溶接やろう付け、接着、
かしめ等の方法で固定され、回転軸４（図１１）に設け
たスラスト板部４ａの軸受面４ａａに対向する。軸受フ
ォイル３は軸受板１ａの穴１５から突出した弾性体２の
凸部２ａによって弾性的に支持され、弾性軸受面Ｓを構
成する。弾性体２および軸受フォイル３は、外形形状を
除き、第１の実施形態で説明したものと同じ構成もので
ある。したがって、弾性体２は金属細線等の素線を網状
に編成したものである。弾性体２は、例えばプレス成形
により、上記円環状で凸部２ａを有する形状に成形され
る。この構成の場合、回転軸４と共にスラスト板部４ａ
が回転すると、ジャーナル軸受と同様の作用により、軸
方向の負荷を支持する。

【００２０】図１２はこの発明のさらに他の実施形態を
示す。この実施形態は、図１１に示すスラスト型のフォ
イル軸受において、弾性体２を円周方向に並ぶ複数個の
分割弾性体２₁〜２_Nに分割し、各分割弾性体２₁〜２
_Nの素線の線径または配置密度を異ならせたものであ
る。その他の構成は図１の実施形態と同じである。弾性
体２を複数個に分割する代わりに、弾性体２が、円周方
向の各部分によって素線の配置密度が変化したものとし
ても良い。

【００２１】上記各実施形態など、この発明において、
回転軸４、軸受フォイル３、および弾性体２の材質は、
耐熱鋼または、ステンレス等が望ましい。軸受フォイル
３および弾性体２の材質は、使用条件によって、りん青
銅等、その他のばね材料を使用できる。また、起動停止
時に、回転軸４と軸受フォイル３は接触しながら滑るの
で、摩耗防止のため、両者の摺動面に耐摩耗性の被膜、
または潤滑性の被膜を設けることが望ましい。耐摩耗性
の被膜としては、ニッケルめっき、クロムめっき、窒化
チタンや非晶質カーボン被膜等の蒸着被膜など、耐摩耗
性の良い被膜が望ましい。潤滑性の被膜としては、二硫
化モリブデンや、黒鉛、フッ素樹脂等の固体潤滑剤を分
散しためっきや、樹脂コーティング等の潤滑性の良い被
膜が望ましい。

【００２２】

【発明の効果】この発明のフォイル軸受は、金属細線等
の素線を網状に編成した弾性体と、この弾性体に支持さ
れて弾性軸受面を形成する薄板の軸受フォイルとでなる
ため、単純な構成で、負荷容量および減衰が大きく、ま
た軸受フォイルを支持する弾性体のばね定数を広範囲に
かつ容易に設定することができる。このため、従来より
も不釣り合いの大きい回転軸を安定して高速回転させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態にかかるラジアル型
のフォイル軸受の横断面図である。

【図２】同軸受の組み立て過程の説明図である。

【図３】この発明の他の実施形態にかかるフォイル軸受
の横断面図である。

【図４】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ同軸受の弾性体と軸
受フォイルとの結合部の各例を示す部分斜視図である。

【図５】この発明のさらに他の実施形態にかかるフォイ
ル軸受の横断面図である。

【図６】この発明のさらに他の実施形態にかかるフォイ
ル軸受の横断面図である。

【図７】この発明のさらに他の実施形態にかかるフォイ
ル軸受の縦断面図である。

【図８】この発明のさらに他の実施形態にかかるフォイ
ル軸受の縦断面図である。

【図９】この発明のさらに他の実施形態にかかるスラス
ト型のフォイル軸受の部分破断平面図である。

【図１０】同軸受の分解斜視図である。

【図１１】同軸受の縦断面図である。

【図１２】この発明のさらに他の実施形態にかかるフォ
イル軸受の軸受フォイル省略状態の斜視図である。

【図１３】従来例の部分断面図である。

【符号の説明】

１：軸受ハウジング２：弾性体２Ａ〜２Ｃ…分割弾性体３：軸受フオイル４：回転軸５：軸受隙間６：固定具７：キー溝８：キーＳ：弾性軸受面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】素線を網状に編成した弾性体と、この弾
性体に支持されて弾性軸受面を形成する薄板の軸受フォ
イルとを備えたフォイル軸受。
【請求項２】上記素線が金属細線であり、上記軸受フ
ォイルが金属薄板からなる請求項１に記載のフォイル軸
受。
【請求項３】上記弾性体と軸受フォイルの一部を互い
に固定し、弾性体を弾性変形させた状態で軸受ハウジン
グに組み込み、弾性体および軸受フォイルを弾性体の弾
性復元力によって軸受ハウジングに固定した請求項１ま
たは請求項２に記載のフォイル軸受。
【請求項４】上記弾性体を円筒状に成形し、軸受ハウ
ジングの内径面に圧入により取付けた請求項１ないし請
求項３のいずれかに記載のラジアル型のフォイル軸受。
【請求項５】上記弾性体を平面的な帯状に成形し、弾
性体と軸受フォイルとを重ねて円筒状に丸めた状態で軸
受ハウジングの内径面に配置した請求項１ないし請求項
４のいずれかに記載のラジアル型のフォイル軸受。
【請求項６】上記弾性体は、この弾性体を支持する軸
受ハウジングに接する面および上記軸受フォイルに接す
る面のうち、少なくとも一方の面が波型の凹凸面に形成
されたものである請求項１ないし請求項３のいずれかに
記載のフォイル軸受。
【請求項７】上記弾性体を円筒状として軸受ハウジン
グの内径面に嵌合させ、上記軸受ハウジングの内径面に
キー溝を設け、弾性体と軸受ハウジングとをキーで固定
した請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のラジア
ル型のフォイル軸受。
【請求項８】上記弾性体が一定方向に並ぶ複数個の分
割弾性体からなるものとし、各分割弾性体の素線の線径
および素線の配置密度の少なくとも一方を異ならせた請
求項１ないし請求項７のいずれかに記載のフォイル軸
受。
【請求項９】上記弾性体が、部分によって素線の配置
密度が変化したものである請求項１ないし請求項７のい
ずれかに記載のフォイル軸受。
【請求項１０】スラスト型の軸受である請求項１また
は請求項２または請求項３または請求項６に記載のフォ
イル軸受。