JP2007247901A - 回転翼航空機に向けた、タンデムスタック型アンギュラコンタクトベアリング - Google Patents

Abstract

【課題】ヘリコプター特有の負荷および速度条件下での継続的な使用される軸受の信頼性が問題。
【解決手段】内リング３２、外リング３４、その間のボール２４を有するアンギュラコンタクトボールベアリング３０であり、スラッグボールセパレータ１０で互いの間に間隔を置いたボール２４を備える、アンギュラコンタクトボールベアリング３０のタンデムセット４０。外リング３４の表面が面取り処理を施されていない。スラッグボールセパレータ１０と接する直径が同等の２個のボール２４の間のボール・ツー・ボール分離が前記ボールの１個の直径の約３．２〜約６４％である。
【選択図】図６

Description

本発明は、ボールベアリング、特に回転翼航空機におけるボールベアリングに関する。

ボールベアリングにとって、ヘリコプターのような回転翼航空機は、特にその回転子システムにおいて、独特の環境である。例えば回転翼取り付け部におけるベアリングは、ヘリコプター特有の負荷および速度条件下での継続的な使用において信頼性を実現できるような特別な設計が必要である。他のタイプの機器におけるベアリングの使用状況は回転翼飛行機における使用とは一般的に異なるものであり、特にヘリコプターにおける使用は全く異なる。そのため、他のタイプの機器での使用に適したベアリングはヘリコプターの斜板や回転翼取り付け部などには適さないと当業者は考えている。

回転翼航空機のベアリングの従来例としてＳｉｋｏｒｓｋｙ社製ＣＨ５３Ａ／Ｄヘリコプターの尾部回転翼の取り付け部がある。Ｓｉｋｏｒｓｋｙ社製ＣＨ５３Ａ／Ｄヘリコプターの翼固定部は５つのボールベアリングのスタック構造を備えている。セット内の各ベアリングは、メートル式寸法で内径７０ミリメートル（ｍｍ）、外径（ＯＤ）１１０ｍｍ、幅１８ｍｍ、断面のサイズは２０ｍｍ［（１１０−７０ｍｍ）／２］であり、これは通常１／２インチのボールに合う、ベーシック１１４ボールベアリングサイズに対応している。開口型（開いた弓形）のモールドされたナイロンケージであるワンピースが、このベアリング内のボールの分離に使用されている。ケージの完全性もしくは強度を最小に抑え、ケージのモールディング処理を改善し、そしてケージのベアリングへの組み込みを容易にするために、ベアリングのリングとボールは２つの点で妥協が必要である。第一に、上で述べられているようにこのサイズで通常使用される１／２インチサイズのボールの代わりに、１５／３２インチサイズのボールを使用しなくてはならない。第二に、リングの外面は、ケージの組み込みに対応するために、強く面取りしなくてはならない。面取りは現在、最大値５３°に基づいたもので最大１１０°が形成されているが、このことが、使用時に大きなストラト荷重を受けることになる外リングの強度に与える悪影響に関する懸念を引き起こしている。

前述の内容から、本発明の目的は、尾部回転翼の取り付け部に向けた、従来より優れたベアリングを提供することである。

本発明は、ある面では、それぞれが内リング、外リング、およびその間にボールを備えたアンギュラコンタクトボールベアリングのタンデムセットに属する。ここでそれぞれのベアリングは、スラッグボールセパレータでそれぞれの間を隔てられたボールを含む。

本発明は、別の面では回転翼航空機の回転子ヘッド取り付け部（アセンブリ）に属し、ここで取り付け部は、中心部を持つ回転子のヘッド部、ヘッド部の中心部の周囲に等間隔を置いてヘッド部に取り付けられた複数のスピンドル部、およびそれぞれのスピンドル部に取り付けられたボールベアリングのスタックを備える。それぞれのベアリングは内リング、外リング、内リングと外リングの間の複数のボール、隣接するボールの間のスラッグボールセパレータを有し、ボールベアリング上には取り付けカラーがある。

本発明では、ベアリングケージではなく、ベアリングのボール間にスラッグボールセパレータを備えたボールベアリングを提供することで、回転翼取り付けベアリングに改善をもたらす。その結果、従来のケージを備えたボールベアリングと同じ設計制約を満たすボールベアリングで、より大きなボールを使用でき、レースのいずれの面取りも不要にできる。加えて、得られるベアリングは動定格荷重および耐用年数において著しい改善を実現している。

本発明において有効なスラッグボールセパレータの１つの実施形態を図１および図２に示す。スラッグボールセパレータ１０は、中心軸Ａを中心としたほぼ環状の形態を有しており、２つの端部およびそれらを通る経路を備えている。スラッグボールセパレータ１０はさらに、外径ｄ０のほぼ円筒型の外部表面１２、軸端面１４および１６、円錐形の面取り表面１８および２０を有しており、面取り表面１８および２０は、端面１４および１６から、内径ｄｉのほぼ円筒型の内部表面２２に向かって収束している。面取り表面１８および２０の円錐角Ｃは約７５°から約１２０°の間、例えば約９０°に合わせられる。内部表面２２は面取り表面１８の狭端から面取り表面２０の狭端に向かって、距離Ｗｉの方向に延びている。

外部表面１２はその直径が端面間の距離の最大値となるように成形されている。例えば外部表面１２は、軸Ａと平行なその接線ｔ０に対し約３°の角度βを規定している。表面１２の軸Ａからの距離ｄ０は、接点からいずれかの端面に向かうにつれて小さくなる。ここで接点は、端面間の中間にあるのが望ましい。同様に、内部表面２２は、軸Ａと平行なその接線ｂ１に対し約３°の角度γを規定するよう成形されている。その結果、軸Ａから測定された内部表面２２の直径ｄｉは、接点からいずれかの端面に向かうにつれ大きくなる。接点は端面間の中間にあるのが望ましい。角度で規定され成形された表面により、スラッグボール１０の、それが形成されたモールドの中からの除去が容易になる。

スラッグボールセパレータ１０は端面１４から端面１６の間で測定された軸長Ｗｆを有する。ある特定の実施例においては、スラッグボールセパレータ１０は半径中心線ＣＬに関してほぼ対称になるよう設計される。

スラッグボールセパレータ１０は、ベアリンググレードＰＥＥＫ（ｐｏｌｙ ｅｔｈｅｒ ｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ）のような合成ポリマー材料、もしくは、例えば（ＴＥＦＬＯＮ［登録商標］のような）ＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、（Ｄｕｐｏｎｔ社のＶＥＳＰＥＬ［登録商標］のような）ポリイミドなどのような他の材料から形成できる。特定の実施形態においては、材料は、１９９９年７月１日に補正された米軍規格ＭＩＬ−Ｐ−４６１８３に準拠する。また、材料は、Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ（ＳＡＥ）Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＡＭＳ ３６５６Ｅ（１９６０年１月１５日発行、１９９３年７月１日改定）、もしくはＡＭＳ ３６６０Ｃ（１９６６年３月発行、１９９４年２月改定）に準拠していることが望ましい。

通常、スラッグボールセパレータ１０は、大きさが同等な、円錐形の面取り面１８および２０とかみ合う大きさの２つのボールの間で使用される。図３に示すように、各ボール２４の直径ｄ（ｓｐｈｅｒ）はスラッグボールセパレータ１０の外径ｄ０より大きい。図示された実施形態では、ｄ０の、ボール直径ｄ（ｓｐｈｅｒ）に対する比は、約０．８５：１である。加えて、スラッグボールセパレータ１０は、ボールの間隔を、ボールの直径の約３．２％から約６４％、必要であれば約３．２から約９．６％、特定の例においては約６％とするように構成されている。このように、ある特定の実施例においては、スラッグボールによって接触し引き離されているボール中心間の距離ｄ（ｃｓｃ）はボールの直径の約１．０６倍である。

スラッグボールセパレータを備えるボールベアリング３０の部分的な概略図を、図４に示す。ここでは内レース３２と外レース３４の間に位置しスラッグボールセパレータ１０によって互いに引き離されているボール２４が示されている。上述したように、スラッグボールセパレータ１０の使用で、より大きなボールが使用できることにより、同一の回転翼航空機において、ボールベアリング３０は従来技術であるケージを備えたボールベアリングに対して著しい改善をもたらす。例えば、ボールの間にスラッグボールセパレータを備えた、メートル式寸法で内径７０ｍｍ、ＯＤ（外径）１１０ｍｍ、幅１８ｍｍのベアリングでは直径１２．７ｍｍ（１／２インチ）のボールを使用することができる。ボールのためにナイロンセパレータケージを備えた比較用のベアリングで使用できるのは、直径１１．９ｍｍ（１５／３２インチ）のボールである。加えて、レース（リング）は従来技術のベアリングよりも頑健である。なぜならケージに対応するためのレースの面取りの必要がないからである。ケージを備えたベアリングとは対照的に、スラッグボールセパレータは、ベアリング３０の回転に伴うボール２４のリードラグ動作に対して最小の抵抗で、動作を開始し、継続する。これらの長所は、接触角度、ピッチ距離、およびベアリング内のボールの数といったベアリングの特徴に影響を与えることなく実現される。

ベアリング３０の外リング３４を図５Ａの断面図に示す。外リング３４は中心軸（図では省略）に対し環状の形態を有している。外リング３４は、ベアリング３０の外径を規定する環状の外面３４ａ、中心軸に対していずれも環状かつ垂直な前面３４ｂおよび後面３４ｃを有している。外リング３４の内面は内軌道３４ｄを規定している。外リング３４の内面はまた、環状のリードイン面３４ｅを有しており、これは中心軸にほぼ平行で、内軌道３４ｄと前面３４ｂの間にある。また、中心軸にほぼ平行で内軌道３４ｄと後面３４ｃの間に位置する環状のショルダー面３４ｆもある。ボールのためにケージを用いた比較用のベアリングとは異なり、内軌道３４ｄと前面３４ｂの間に面取り表面は存在しない。リードイン面３４ｅは中心軸に対し約１°から約３°の円錐形リードイン角度をなし、（そして、内軌道３４ｄに向かって収束しており、）そのため、内リング３２が外リング３４の中にある時にボールはベアリング軌道内にはめ込まれる。しかしこれは、ボールがベアリングに挿入された後のケージの挿入に対応するために必要な面取り表面ではない。

ベアリング３０の内リング３２を図５Ｂの断面図に示す。内リング３２は中心軸（図では省略）に対し環状の形態を有している。内リング３２は、ベアリング３０の外径を規定する環状の内面３２ａ、中心軸に対していずれも環状かつ垂直な前面３２ｂおよび後面３２ｃを有している。内リング３２の外面は外軌道３２ｄを規定している。内リング３２の外面はまた、外軌道３２ｄと前面３２ｂの間に環状のリードイン面３２ｅを有している。また、中心軸にほぼ平行で外軌道３２ｄと後面３２ｃの間に位置する環状のショルダー面３２ｆもある。

図５Ａおよび図５Ｂから、ベアリング３０が、リング上の軌道の非対称な配置により、ベアリングの中心軸に平行な方向の負荷をサポートできるアンギュラコンタクトベアリングであることは明らかである。

Ａｎｔｉ−Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＩｎｃのＳｔａｎｄａｒｄ ｎｕｍｂｅｒ９−１９９０で定められた公式によると、スラッグボールセパレータの使用により、ボールのためのナイロンケージを有するベアリングに対して動定格荷重が約１４．５％、ベアリングの耐用年数が約５０％向上する。

別の実施形態において、本発明は回転子取り付け部に利用されている。例えば、図６はＳｉｋｏｒｓｋｙ社のＣＨ５３Ａ／Ｄヘリコプターに向けた、回転翼航空機の尾部回転子ヘッド部において有効なベアリングスタックの断面図である。尾部回転子部の４枚の回転翼それぞれが、回転子のヘッドに取り付けられたそれぞれのスピンドルにおいてベアリングスタックと組み合わされている。ここで述べられるようにベアリングスタック４０は５つのマッチドボールベアリング３０ａ−３０ｅを備え、これら全てが、同一サイズのボール２４を使用しており、これらボール２４はスラッグボールセパレータ１０によって引き離され、内レース３２と外レース３４の間に存在している。ベアリングスタック４０は尾部回転子ヘッド部の従属部品であり、舵制御入力に応じて翼を回転させている。リングの製造材料仕様はＡＭＳ６４４０もしくはＡＭＳ６４４１であり、ボールの仕様はＡＭＳ６４４０もしくはＳＡＥ５１１００である。ある見積もりによると、ここで述べたようなＰＥＥＫもしくはＰＴＦＥスラッグボールセパレータの使用により、ベアリングにおいてナイロンケージを使用した場合に比べて、ベアリングの動定格荷重は約１４％向上し、耐用年数は約５０％向上する。

図７に示す、活用の実例的環境において、ベアリングスタック４０はＳｉｌｋｏｒｓｋｙ社のＣＨ５３Ａ／Ｄ航空機の尾部回転子ヘッド取り付け部５０の一部を備えている。取り付け部５０はヘッド部５２を備えており、ヘッド部５２は中心５２ａを有し、中心５２の周りに等間隔（例えば９０°）を置いて複数（例えば４つ）の翼取り付け部５４を備えている。翼取り付け部５４のそれぞれはスピンドル５６を有し、スピンドル５６の上にはベアリングスタック４０のようなベアリングスタックが取り付けられている。翼取り付け部５４のそれぞれはまた、ベアリングスタック、例えばベアリングスタック４０に固定される取り付けカラー５８を含む。取り付けカラー５８はこのように翼取り付け部において回転可能であり、その上に尾部回転翼を取り付けられるよう設計されている。尾部回転翼はこのようにスピンドル５６に対して回転可能である。

ナイロンケージの代わりにスラッグボールセパレータを有するボールベアリングは、回転翼航空機の斜板にも用いることができる。当業者に知られているように、一般的に斜板は、マストに取り付けられた固定板と、固定板と並列にマストに取り付けられた回転板を備える。回転板の回転を容易にするために、固定板と回転板の間にはスラスト軸受けがある。スラスト軸受けは内レースと外レースおよび、内レースと外レースの間に複数のボールを有する。従来技術においては、ボールはケージによって定位置に固定されていた。本発明に沿って、ベアリングはボール間にスラッグボールセパレータを備える。このように、図４のベアリング３０は図８において斜板部のスラスト軸受け部と見なされる。斜板部３５は固定内斜板部３６と固定外斜板部３８を備える。ベアリング３０の内レース３２は固定斜板部３６と接触しており、外レース３４は回転外斜板部３８と接触している。内レース３２と外レース３４の間に、ベアリング３０はスラッグ１０によって引き離された複数のボール２４を備える。Ａｎｔｉ−Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＩｎｃのＳｔａｎｄａｒｄ ｎｕｍｂｅｒ９−１９９０で定められた公式によると、スラッグボールセパレータの使用により、ボールのためのナイロンケージを有するベアリングに対して動定格荷重が約１４．５％、ベアリングの耐用年数が約５０％向上する。

別途規定されない限り、ここで開示された全ての範囲はその端部および内部において包括的かつ結合可能である。ここにおける「第一」、「第二」などの言葉はあらゆる順番、量、もしくは重要度を示すものではなく、ある要素を別の要素と区別するために使用されたものである。単数のように記述された箇所は量の制約を示すものではなく、言及された事象が少なくとも１つ存在することを表している。「約」を付加された全ての数値は、別途規定しない限り正確なその数値も含む。

本発明を、その特定の実施例を用いて説明してきたが、上述の開示を読み、理解することによって、本発明の精神および範囲、請求項の範囲の中で、開示された実施例に対する多数の変型や変更が可能であることを当業者は理解できるだろう。

スラッグボールセパレータの１つの実施形態の斜視図である。 図１のスラッグボールセパレータの断面図である。 図１のスラッグボールセパレータで分離された２つのボールの部分的断面図である。 ここで述べられる、回転翼システムでの使用に向けられたボールベアリングの、部分的に断面を示した概略図である。 図４のベアリングにおける外リングの、部分的断面図である。 図４のベアリングにおける内リングの、部分的断面図である。 尾部の回転子取り付けに向けた、ここで述べられるボールベアリングのスタックの、部分的断面図である。 本発明の例示的実施形態における、ここで述べられるベアリングスタックを備える、尾部回転子ヘッドの取り付け部の分解斜視図である。 図４のベアリングを備える斜板の、部分的断面および部分的切り欠きを示した概略図である。

Claims (17)

1. それぞれが内リング、外リング、およびその間の複数のボールを有する、アンギュラコンタクトボールベアリングのタンデムセットであって、各ベアリングが、スラッグボールセパレータによって互いに間隔を置いた複数のボールを備えることを特徴とする、アンギュラコンタクトボールベアリングのタンデムセット。
2. 請求項１に記載のベアリングのセットにおいて、各ボールベアリングが内リング、外リングを備え、前記外リングの表面が面取り処理を施されていない、ベアリングのセット。
3. 請求項１に記載のベアリングのセットにおいて、スラッグボールセパレータと接する直径が同等の２個のボールの間のボール・ツー・ボール分離が前記ボールの１個の直径の約３．２〜約６４％である、ベアリングのセット。
4. 請求項１に記載のベアリングのセットにおいて、１つ以上のスラッグボールセパレータが両端に面取り表面を有し、前記面取り表面が約７５°から約１２０°の円錐角を有するよう加工された、ベアリングのセット。
5. 請求項１に記載のベアリングのセットにおいて、１つ以上のスラッグボールセパレータが、それを貫通し２つの端部を有する経路を規定する環状形状を有し、内部をさらに有し、前記内部は先細りの形状をしており、その両端において最大内径を規定し、その両端の間において最小内径を規定する、ベアリングのセット。
6. 請求項１に記載のベアリングのセットにおいて、スラッグボールセパレータと接する直径が同等の２個のボールの間のボール・ツー・ボール分離が前記ボールの１個の直径の約３．２〜約９．６％である、ベアリングのセット。
7. 請求項１に記載のベアリングのセットにおいて、スラッグボールセパレータが米軍規格ＭＩＬ−Ｐ−４６１８３に準拠した合成ポリマー材料を含む、ベアリングのセット。
8. 請求項１に記載のベアリングのセットにおいて、合成ポリマー材料がＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、またはポリイミドである、ベアリングのセット。
9. 請求項１に記載のベアリングのセットにおいて、各ベアリングが内径７０ｍｍおよび外径１１０ｍｍを有し、各ベアリングが２１個のボールのセットを含む、ベアリングのセット。
10. 請求項９に記載のベアリングのセットにおいて、前記セットが５つのボールベアリングを含む、ベアリングのセット。
11. 回転翼航空機の回転子ヘッドアセンブリにおける請求項１に記載のベアリングのセットであって、
    中心を有する回転子ヘッド部と、
    前記ヘッド部の前記中心の周囲に、等間隔を置いて、前記ヘッド部に取り付けられた複数のスピンドルを備え、
    各スピンドル上にはボールベアリングのスタックが存在し、
    前記ボールベアリング上には取り付けカラーが存在する、
    ベアリングのセット。
12. 請求項１１に記載のアセンブリであって、
    各ボールベアリングは内径７０ｍｍ、外径１１０ｍｍ、および幅１８ｍｍを有し、スラッグボールセパレータによって互いに間隔を置いた複数のボールを備え、前記各ボールは直径１／２インチを有する、アセンブリ。
13. 請求項１１に記載のアセンブリであって、各ベアリングが２１個のボールのセットを有する、アセンブリ。
14. 請求項１１に記載のアセンブリであって、各ベアリングは内リングおよび外リングを備え、前記外リングの表面が面取り加工を施されていない、アセンブリ。
15. 請求項１１に記載のアセンブリであって、ボールベアリングの前記スタック上に取り付けられた回転子をさらに有する、アセンブリ。
16. 請求項１１に記載のアセンブリであって、スラッグボールセパレータがＭＩＬ−Ｐ−４６１８３に準拠した合成ポリマー材料を含む、アセンブリ。
17. 請求項１６に記載のアセンブリにおいて、前記合成ポリマー材料がＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、またはポリイミドである、アセンブリ。

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