JP2013525717A - 軽量ハイブリッド軸受アセンブリ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

軽量ハイブリッド軸受アセンブリ（１１０；２１０；３１０）及びその製造方法が開示される。軸受アセンブリは、内輪（１２４；２２４；３２４）及び該内輪から径方向に間隔をあけて設けられた外輪（１２６；２２６；３２６）を有する。前記内輪と前記外輪の一方又は両方が、凸状軸受面（１５０、１４８、２５０、２４８、３５０）を有する。前記内輪と前記外輪との間には、複数のセラミックのローラー部品（１２８；２２８；３２８）が収容される。前記セラミックのローラー部品は、一又は複数の前記凸状軸受面と係合する凹状軸受面（１４６、２４６、３４６）を有する。特に、このような構成は、前記内輪及び前記外輪の互いに対する軸方向非整列に対して適応する。
【選択図】図２

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年５月５日に出願された「軽量ハイブリッド軸受アセンブリ及びその製造方法」と称される米国仮出願第６１／３３１，５６２号の利益を主張し、当該仮出願の内容は参照することにより本明細書に盛り込まれる。

（連邦政府による資金提供を受けた研究又は開発の記載）
該当なし

本発明は、軸受アセンブリに関する。特に、本発明は、航空宇宙応用のための軸受アセンブリに関する。

従来、軸受アセンブリは、内輪及び該内輪に対して回転可能な外輪を有する。回転に対する摩擦抵抗を最小化するために、内輪と外輪の間に多数の回転部品が配置される。

そのような軸受アセンブリにおける回転部品は、内輪と外輪の互いに対する制御された回転並びに内輪と外輪に接続された任意の接続部品に適応する。例えば、内輪は大抵の場合シャフト上に搭載又は収容され、外輪は大抵の場合ハウジング内に搭載又は収容される。軸受アセンブリは、シャフトとハウジングが互いに対して動く際、滑らかな回転を促進するとともに回転に対する摩擦抵抗を低減する軸受面を提供する。

そのような軸受アセンブリは、ますます要求が高まる応用要件下で確実に実施できなければならない。鋼鉄部品を利用する典型的な軸受アセンブリは、強度は高いものの、多くの応用に対して理想的とはいえない。したがって改善された軸受アセンブリが必要とされる。

航空宇宙応用のための改善された軸受アセンブリを提供するために、軸受を非整列状態で動作させる構造を有する軽量ハイブリッド軸受アセンブリを設計した。

本発明の一側面によれば、軽量ハイブリッド軸受アセンブリは、内輪及び該内輪から径方向に間隔をあけて設けられた外輪を有する。前記内輪と前記外輪のうちの一方又は両方は、凸状軸受面を有する。複数のセラミックのローラー部品は、前記内輪と前記外輪の間に配置される。セラミックの部品は、前記凸状軸受面と係合する凹状軸受面を有する。

軽量ハイブリッド軸受アセンブリは、内輪の軸が外輪の軸と平行でない非整列状態で動作可能となるよう構成されてもよい。非整列の範囲内であっても軸受面は互いに接触し続ける。

一形態において、内輪は外向き凸状軸受面を有してもよく、外輪は一以上の内向き凸状軸受面を有してもよい。この形態では、複数のローラー部品の凹状軸受面が、外輪の（複数の）内向き凸状軸受面と内輪の外向き凸状軸受面とに係合してもよい。

複数のセラミックのローラー部品は、砂時計状の形状であってもよく、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体（ＴＺＰ）、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体Ｈ（Ｙ−ＴＺＰ（Ｈ））、窒化ケイ素及び炭化ケイ素のうちの少なくとも一つ、しかしこれらに限定されない、から作成されてもよい。複数のセラミックのローラー部品は、押し付けにより前記凹状軸受面が形成された焼結セラミック円筒から形成されてもよい。セラミックのローラー部品は多孔質でもよい。

内輪及び外輪は、チタニウム、チタニウム合金、セラミック又は合金鋼を含んでもよい。

また、セラミックのローラー軸受はさまざまな形状でもよい。セラミックのローラー部品は、複列環状構成でもよく若しくは一列環状構成でもよく、及び／又は構造やハウジングを含むアセンブリの一部として組立てられてもよい。

一形態において、複数のセラミックのローラー部品は、凹状軸受面の両側に設けられた一対の径方向外向き円筒状軸受面を有してもよい。一対の径方向外向き円筒状軸受面は、外輪上に設けられた一対の径方向内向き円筒状軸受面と係合してもよい。

本発明の別の側面によれば、上記の種類の軽量ハイブリッド軸受アセンブリの製造方法が開示される。該製造方法は、セラミック粉末を円筒状形状のプレフォームにプレス成形し、前記円筒状形状のプレフォームを焼結し、その後任意的に熱間静水圧処理を施し、その後、押し付けにより前記円筒状形状のプレフォームに凹状軸受面をすることによってセラミックのローラー部品を形成することを含む。セラミックのローラー部品が形成された後、複数のセラミックのローラー部品を内輪と外輪の間に配置し、ここで前記内輪と前記外輪のうちの少なくとも一つが凸状軸受面を有する。この凸状軸受面はセラミックのローラー部品の凹状軸受面と係合する。

再度述べると、セラミックのローラー部品は、砂時計状の形状であってもよく、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体（ＴＺＰ）、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体Ｈ（Ｙ−ＴＺＰ（Ｈ））、窒化ケイ素及び炭化ケイ素のうちの一以上から作成されてもよい。内輪及び外輪は、チタニウム、チタニウム合金、セラミック又は合金鋼を含んでもよい。

上記製造方法を用いて製造された複数のセラミックのローラー部品は、凹状軸受面の両側に設けられた一対の径方向外向き円筒状軸受面を含んでもよい。一対の径方向外向き円筒状軸受面は、外輪上に設けられた一対の径方向内向き円筒状軸受面と係合してもよい。

したがって、軽量ハイブリッド軸受アセンブリ及び前記軸受アセンブリを製造する関連方法が開示される。この軽量ハイブリッド軸受アセンブリは、従来の鋼鉄系軸受アセンブリと比べて低重量の部品を提供する。さらに、セラミックのローラー部品が凹状面を有することから、内輪が所定範囲内の角度で外輪に対して非整列となっても動作可能となる。軸受アセンブリが非整列な角度の範囲にわたって動作可能であるため、軸受アセンブリ及び連結された部品は故障し難くなる。

本発明の上記及び他の利点は、本明細書の発明の詳細な説明及び本明細書に添付された図面の記載から明らかとなる。本明細書の以下の記載は、単に本発明の一部の好ましい実施形態の記載である。本発明の全範囲の評価には特許請求の範囲を参照すべきであり、特許請求の範囲に含まれるものは好ましい実施形態のみではない。

軽量ハウジング内に設置された軽量複列環状軸受アセンブリの正面図である。 図１の軸受アセンブリの一部断面を示す側面図である。 軽量複列環状軸受アセンブリの別の実施形態の正面図である。 図３の軸受アセンブリの一部断面を示す側面図である。 フランジ付きハウジング内に設けられた軽量一列環状軸受アセンブリを示す図である。 図５の軸受アセンブリの一部断面を示す側面図である。 複数のセラミックのローラー部品を有する軸受アセンブリの製造工程を示すブロック図である。

本開示のさまざまな側面について、本明細書に添付された図面を参照して説明する。図中、類似の又は対応する構成要素には類似の参照符号を付している。しかしながら、当然のことながら、図面及び図面に関連する発明の詳細な説明は、特許請求の範囲に記載された技術的事項を開示された特定の形態に限定するものではない。むしろ、本発明は、特許請求の範囲の範囲及び精神内の全ての修正、同様の形態及び代替的形態をカバーすることを意図している。

まず図１及び図２を参照すると、軽量ハイブリッド軸受アセンブリ１１０が軸受ハウジング１１２内に挿入された状態で示されている。軸受ハウジング１１２は、本体部１１４を有し、該本体部１１４は該本体部１１４に連結されたヘッド部１１６を有する。本体部１１４は全体的に円筒状の形状であり、ねじ山１１８を有し、該ねじ山１１８は軸受ハウジング１１２をより大きなアセンブリ（図示せず）のねじ穴内に取り付けるために用いられる。本体部１１４がヘッド部１１６に接触する場所には、本体部１１４のねじ穴への挿入深さを制限することができるフランジ状カラー１２０が設けられている。

ヘッド部１１６は、本体部１１４の延長方向に垂直な方向に、軸受アセンブリ１１０が挿入される円形の開口又はアイ１２２を有する。好ましくは、軸受アセンブリ１１０の直径は軸受アセンブリ１１０が収容されるアイ１２２の直径よりもわずかに小さく、これにより軸受アセンブリ１１０が軸受ハウジング１１２内の位置に加締められてもよい。あるいは、軸受アセンブリ１１０は、軸受ハウジング１１２のアイ１２２内にゆるく圧入されてもよい。しかしながら、当業者にとって当然のことながら、軸受アセンブリ１１０へのわずかな変形でさえも場合によっては軸受アセンブリ１１０の動作又は寿命に悪影響を及ぼす可能性があるので、加締めが通常は好ましい。

図２に最も良く示すように、軸受アセンブリ１１０は、内輪１２４、内輪１２４から径方向に間隔をあけて設けられた外輪１２６及び内輪１２４と外輪１２６との間に収容又は配置された複数のローラー部品１２８を有する。内輪１２４は中央筒状シャフト１３０に取り付けられ、内輪１２４の各軸端には、該各軸端上に配置された一対のカラー１３２のうちの一つが設けられている。

一対のシールド１３４及び一対のゴム状シール１３５が内輪及び外輪に連結され、これによりローラー部品１２８を収納する内側チャンバ又は体積を外部環境から分離することを助ける。一対のシールド１３４は外輪１２６の軸端に連結され、全体的に環状形状である。上記シールド１３４は、各々、その外周１３６の周りで外輪１２６に対して固定される。同様に、一対のゴム状シール１３５は、各々、カラー１３２の一つに連結又は接続される。一対のゴム状シール１３５は、各々、一対のシールド１３４の一つに接触して、それらの間に密封接触面を形成する。この密封接触面は、破片及びその他の粒子状物質が複数のローラー部品１２８を収納する内輪１２４と外輪１２６との間の体積内に進入することを防止する機能を果たす。シールド１３４はゴム状シール１３５に接続されていないため、密封接触面はスライドして密封を維持しながら外輪１２６に対する内輪１２４の動きに適応する。シールドとシールの具体的な組合せが示されているが、当然ながら、シールドとシールの他の構成及び改善を本開示の種類の軸受に利用してもよい。

径方向潤滑路１４０は、軸受アセンブリ１１０の外輪１２６内に形成され、内輪１２４、外輪１２６、一対のシールド１３４及び一対のゴム状シール１３５によって画定された内側チャンバ又は体積と流体連通している。この径方向潤滑路１４０は軸受ハウジング１１２内に形成された別個の径方向に延びる潤滑路１４２と一直線になっており、これにより、プラグ１４４を径方向に延びる潤滑路１４２から取り外した際に潤滑油を内側チャンバ及び軸受面に供給することができる。

とりわけ、各ローラー部品１２８は凹状軸受面１４６を有するように形成され、これにより、ローラー部品１２８は砂時計状の形状であると表現してもよく、ローラー部品１２８の直径は中心部において両軸端よりも小さい。図１及び図２に示される特定の軸受アセンブリ１１０は複列環状構成であり、外輪１２６には、ローラー部品１２８の凹状軸受面１４６と係合する一対の径方向内向き凸状軸受面１４８が設けられている。それに対し、内輪１２４には、内輪１２４の軸長に延びる単一の凸状軸受面１５０が設けられている。各ローラー部品１２８の凹状軸受面１４６は内輪１２４状の凸状軸受面１５０にも係合する。この構造形状により、軸受アセンブリ１１０は、内輪１２４が外輪１２６に対して軸方向に非整列であるときに、外輪１２６内で内輪１２４が全体的に軸方向に回転するように、動作可能であり続ける。ローラー部品１２８が凹状軸受面１４６を有していることから、外輪１２６が任意の非整列である間にローラー部品１２８と共に動いているときに、ローラー部品１２８は外輪１２６の一対の凸状軸受面１４８内に実質的に収まることとなる。つまり、外輪１２６の回転軸が内輪１２４の回転軸に対して傾くと、軸受面同士は互いに軸受係合を維持しつつ、ローラー部品１２８の凹状軸受面１４６が内輪１２４の凸状軸受面１５０に沿って動く。内輪１２４の両側のカラー１３２は、軸方向非整列の範囲を制限する止め部を形成する。一形態において、外輪１２６の軸に対する内輪１２４の軸の軸方向非整列は、最大１０度でもよい。

示される実施形態において、ローラー部品１２８はセラミック材料から形成される。好ましくは、セラミック材料は、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体（ＴＺＰ）、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体Ｈ（Ｙ−ＴＺＰ（Ｈ））、窒化ケイ素及び炭化ケイ素のうちの一つでもよい。セラミックのローラー部品及び軸受アセンブリを製造する方法を示す図７をさらに参照すると、セラミックのローラー部品１２８は、ステップ７０２において、セラミック粉末を金型セット内で成形又は圧縮して円筒状形状のプレフォームを形成する。円筒状形状のプレフォームはその後、ステップ７０４において、プレフォームの密度を高めるため及びセラミック粉末の粒子状物質同士を結合させるために、焼結される。次に、多孔率の減少が望ましい場合、任意的にプレフォームを熱間静水圧処理する。その後、ステップ７０６において、焼結円筒状形状プレフォームがダイヤモンドからなる砥石車を用いて押し付けられて凹状軸受面１４６が形成され、これにより軸受アセンブリ１１０に用いられるようなセラミックのローラー部品が形成される。ステップ７０８における軸受アセンブリの組立において、複数のセラミックのローラー部品１２８が内輪１２４と外輪１２６との間に配置される。内輪１２４と外輪１２６の一方又は両方は、上記した様式でセラミックのローラー部品１２８の凹状軸受面１４６と係合する凸状軸受面１４８、１５０を有する。

内輪１２４及び外輪１２６は、軽量かつ高強度のチタニウム、チタニウム合金又は合金鋼などの金属材料から形成される。チタニウム合金ハウジングをセラミックのローラー部品と組み合わせることにより、標準的な鋼軸受アセンブリに比べて重量が大きく減少する。あるいは、内輪と外輪の一方又は両方をセラミック材料から作成してもよく又はセラミック材料でコーティングしてもよい。

図３及び図４を参照すると、部品を形成する材料を含む多くの点で軸受アセンブリ１１０に似た別の軸受アセンブリ２１０が示される。軸受アセンブリ１１０とは異なり、軸受アセンブリ２１０は軸受ハウジング内に配置されていない。アセンブリにおける特定の使用又は応用によりよく適合するために、軸受アセンブリ２１０の具体的な寸法及び形状は軸受アセンブリ１１０と異なってもよい。

図５及び図６を参照すると、フランジ付きハウジング３１２内に挿入された軸受アセンブリ３１０を有するさらに別の軸受構造が示されている。フランジ付きハウジング３１２は、四つ一組の取付貫通孔３５４を有する。

前述した軸受アセンブリとは異なり、軸受アセンブリ３１０は、軸方向に沿って凸に湾曲した外周面３５６が設けられた外輪３２６を有する。フランジ付きハウジング３１２は、上記湾曲に部分的に一致する凸状の内周面３５８を有する。フランジ付きハウジング３１２の背面を平坦面（図示せず）に取り付けることにより、軸受アセンブリ３１０の外輪３２６の外周面３５６が内周面３５８と接触し、これにより一方の湾曲が他方に接触することによって、軸受アセンブリ３１０を軸受ハウジング３１２及び平坦面に対して適切な位置に支える又はとらえる。

特に図６を参照すると、上記軸受アセンブリ３１０の別のユニークな側面が示されている。軸受アセンブリ３１０は、一列の環状に設けられたローラー部品３２８を有している。しかしながら、ローラー部品３２８と前述のローラー部品は、ローラー部品３２８が凹状軸受面３４６の両側に位置する一対の径方向外向き円筒状軸受面３６０を有する点で異なる。前述した実施形態に係るローラー部品は、製造工程の結果としてより小さな径方向外向き円筒状面を有していたが、そのような表面は内輪の表面上にも外輪の表面上にも実質的には押し付けられていない。一方、図６に示される実施形態では、一対の径方向外向き円筒状軸受面３６０は、外輪３２６の一対の軸方向に分離した径方向内向き円筒状軸受面３６２と係合する。さらに、外輪３２６の側面には、ローラー部品３２８が外輪３２６に対して軸方向に動くことを制限する止め部が設けられている。したがって、軸方向非整列が生じると、ローラー部品３２８は外輪３２６の溝内で動き、内輪３２４が単独でローラー部品３２８に対して傾く。

したがって、軽量ハイブリッド軸受アセンブリが開示される。この軽量ハイブリッド軸受アセンブリは、比較的重い従来の鋼系軸受アセンブリとは対照的に低重量の部品を提供する。さらに、セラミックのローラー部品は凹状面を有しており、これにより内輪が外輪に対して所定の角度の範囲内で非整列となっても動作可能となる。軸受アセンブリが軸方向の非整列の範囲にわたって動作可能であるので、軸受アセンブリ及び連結された部品が故障し難くなる。ローラー部品はユニークな方法でセラミックから凹状軸受面を有するよう製造される。上記の利点を有する当該種類の軸受アセンブリはこれまでに知られていない。

当然のことながら、本発明の精神及び範囲内で、好ましい実施形態に対するさまざまな修正及び変形が可能である。したがって、本発明は記載された実施形態に限定されるべきではない。本発明の全範囲を確認するために、本明細書に添付された特許請求の範囲を参照すべきである。

Claims (21)

1. 内輪と、前記内輪から径方向に間隔をあけて設けられた外輪と、前記内輪と前記外輪との間に配置された複数のセラミックのローラー部品と、を有する軽量ハイブリッド軸受アセンブリであって、
   前記内輪と前記外輪とのうちの少なくとも一方に、凸状軸受面が設けられ、
   前記複数のセラミックのローラー部品に、前記凸状軸受面と係合する凹状軸受面が設けられている
   ことを特徴とする軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
2. 前記軽量ハイブリッド軸受アセンブリが、前記内輪の軸が前記外輪の軸と平行でない非整列状態で動作可能なように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
3. 前記内輪が外向き凸状軸受面を有し、
   前記外輪が内向き凸状軸受面を有し、
   前記複数のローラー部品の前記凹状軸受面が、前記外輪の前記内向き凸状軸受面と前記内輪の外向き凸状軸受面とに係合する
   ことを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
4. 前記複数のセラミックのローラー部品が砂時計状の形状であることを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
5. 前記複数のセラミックのローラー部品が、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体（ＴＺＰ）、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体Ｈ（Ｙ−ＴＺＰ（Ｈ））、窒化ケイ素及び炭化ケイ素のうちの少なくとも一つから製造されることを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
6. 前記内輪及び前記外輪がチタニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
7. 前記内輪及び前記外輪がチタニウム合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
8. 前記内輪及び前記外輪のうちの少なくとも一つがセラミック材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
9. 前記内輪及び前記外輪のうちの少なくとも一つが合金鋼を含むことを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
10. 前記複数のセラミックのローラー部品が複列環状構成であることを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
11. 前記複数のセラミックのローラー部品が一列環状構成であることを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
12. 前記複数のセラミックのローラー部品が、前記凹状軸受面が押し付けにより形成された焼結セラミックの円筒から形成されることを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
13. 前記複数のセラミックのローラー部品が多孔質であることを特徴とする請求項１２に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
14. 前記複数のセラミックのローラー部品が、前記凹状軸受面の両側に設けられた一対の径方向外向き円筒状軸受面を有し、
    前記一対の径方向外向き円筒状軸受面が、前記外輪上に設けられた一対の径方向内向き円筒状軸受面と係合するよう構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリ。
15. 軽量ハイブリッド軸受アセンブリの製造方法において、該製造方法が、
    セラミック粉末を円筒状形状のプレフォームにプレス成形する工程と、
    前記円筒状形状のプレフォームを焼結する工程と、
    押し付けにより前記円筒状形状のプレフォームに凹状軸受面を形成してセラミックのローラー部品を形成する工程と、
    前記セラミックのローラー部品を複数、内輪と外輪の間に配置する工程と、を有し、
    前記内輪及び前記外輪のうちの少なくとも一つに前記セラミックのローラー部品の前記凹状軸受面と係合する凸状軸受面を設ける
    ことを特徴とする軽量ハイブリッド軸受アセンブリの製造方法。
16. 前記複数のセラミックのローラー部品を砂時計状の形状に形成することを特徴とする請求項１５に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリの製造方法。
17. 前記複数のセラミックのローラー部品を、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体（ＴＺＰ）、イットリア正方晶ジルコニア多結晶体Ｈ（Ｙ−ＴＺＰ（Ｈ））、窒化ケイ素及び炭化ケイ素のうちの少なくとも一つから製造することを特徴とする請求項１５に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリの製造方法。
18. 前記内輪及び前記外輪が、チタニウムと合金鋼のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１５に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリの製造方法。
19. 前記内輪及び前記外輪が、セラミック材料を含むことを特徴とする請求項１５に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリの製造方法。
20. 前記複数のセラミックのローラー部品が、前記凹状軸受面の両側に設けられた一対の径方向外向き円筒状軸受面を有し、前記一対の径方向外向き円筒状軸受面が、前記外輪上に設けられた一対の径方向内向き円筒状軸受面と係合することを特徴とする請求項１５に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリの製造方法。
21. 前記焼結する工程の後に、前記プレフォームに熱間静水圧処理を施すことを特徴とする請求項１５に記載の軽量ハイブリッド軸受アセンブリの製造方法。

Images