JP2014524558A - 軸受装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのラジアル空気軸受（１）を有し、および／またはアキシアル空気軸受（１５’）を有する軸受装置（２８）であって、ラジアル空気軸受（１）は内側の環状の軸受プレート（７）、および外側で軸受プレート（７）を囲むばね板（１０）を有し、前記軸受プレートおよびばね板は一体形成の構成要素として形成される、軸受装置（２８）に関する。

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載の軸受装置に関するものである。

少なくとも１つのラジアル空気軸受および／または１つのアキシアル空気軸受を有する前記タイプの軸受装置は、非常に高い回転速度を有する回転部分で、特に使用される。

公知の軸受装置の一つでは、この目的のために、例えばシャフトのまわりに配置できる内側に溝の付いた軸受プレートを有するラジアル空気軸受を有する。

軸受プレートの外側に、前記軸受プレートを囲む別個のばね板が設けられ、静止状態においては、軸受プレートがシャフトの外面に押し付けられる。

シャフトが回転し始めると、空気クッションがシャフトの外面と軸受プレートの内面との間で増大し始め、その結果、軸受プレートはばね板の圧力と反対の方向にシャフトから持ち上げられ、シャフトは空気クッションによって実質的に摩耗のない方法で取り付けられる。ここで、軸受プレートおよびばね板は、例えば外側軸受スリーブに配置してもよく、または、例えばターボ過給機の場合など、追加の軸受スリーブを備えていない軸受筐体には直接配置してもよい。

本発明の目的は、より単純な構造で、より組み立てやすい、請求項１の前提部に記載のタイプの軸受装置を提供することである。

前記目的は、請求項１の特徴によって達成される。

したがって、本発明の原理により、ラジアル空気軸受の軸受プレートおよびばね板が一体形成の構成要素として形成されるようになる。この目的のために、例えば細長いプレート片を曲げることが可能であり、そして、外側にあるそのプレート片部分は、ばね板を形成するために波形構造とする。

従属請求項２〜６は、本発明の有利な改良形態に関するものである。

請求項８および１０は、独立した市場向きの物体として、それぞれラジアル空気軸受およびアキシアル空気軸受を定義する。

本発明のさらなる詳細、特徴、および利点は、図面に基づく例示的な実施形態の以下の説明から明らかになる。

本発明によるラジアル空気軸受の、概略的にわずかに単純化した部分図であり、本例においては、３つのプレート部分に分かれている。 図１のプレート部分の１つの斜視図である。 本発明によるアキシアル空気軸受の斜視図である。 本発明による軸受装置の潜在的用途である。 アキシアル空気軸受のさらなる実施形態の図である。

図１は、本発明によるラジアル空気軸受１の部分図であり、本例においては、前記ラジアル空気軸受は３つのプレート部分２、３、および４から構成され、図１に示す空気軸受１の組立状態では、３つのプレート部分が軸受リングを形成し、本例においては、軸受リングはシャフト５のまわりに配置され、軸受ブシュまたは軸受筐体６内で案内される。

プレート部分２、３、および４は、それぞれ同一の構造であるため、以下では、すべてのプレート部分２〜４の代表としてプレート部分２のみ参照する。図１に示すように、プレート部分２は、シャフト５の直径に対応した曲げ形状である内部軸受プレート７を有するため、図１に示す組立状態において、シャフト５が回転していないとき、前記内部軸受プレートは、シャフト５の外周８に載置することができる。軸受プレート７は、屈曲した接続部９によって外側のばね板１０に接続するため、軸受プレート７およびばね板１０は一体形成の構成要素を形成する。前記設計は、図２の詳細図からも分かる。

図１および図２をあわせて見ると、プレート部分２には、それぞれ、その端部領域に１つの保持突起１１および１２がそれぞれ設けられており、それらは外側に突出し、したがってシャフト５から離れる方向を向いていることが分かる。ここで、保持突起１１はばね板１０を曲げたプレート片である一方、保持突起１２は、接続部９の領域でばね板の一部を打ち抜き、打ち抜き後に前記部分を同様に外側に曲げることによって形成される。

図１は、前記保持突起１１および１２が、プレート片２の位置を固定するために凹部１３および１４にそれぞれ係合することを示す。前記凹部１３および１４は、軸受ブシュ、または周囲の軸受筐体６に配置される。

また、図１および図２に示すように、ばね板１０には、シャフト５が静止状態のときに軸受プレート７がシャフト５の外周８に押しつけられるばね作用を生成可能とする波形が設けられている。

図１に示す特に好ましい実施形態においては、軸受プレート７の湾曲部に対応する湾曲部を有する中間層１５も設けられており、この中間層１５は、ばね板１０の波形が軸受プレート７に押し付けられるのを防ぐために、軸受プレート７とばね板１０との間に配置される。さらにまた、中間層１５は、摩擦を生成することによって、軸受の減衰に役立つ。

すでに導入部で説明されたように、ラジアル空気軸受１が単一の（そして軸封部に類似の開環形態の）プレート構成（ばね板１０、軸受プレート７、および必要な場合、中間層１５）によって構成されるか、図１の特に好ましい実施形態で設けられ示されているように、ラジアル空気軸受１が少なくとも２つ、好ましくは３つのプレート部分２、３、および４に分けられるかのいずれかであることが、本発明により規定される。

導入部で説明されたように、軸受プレート７は、シャフト５が静止位置にあるとき、シャフト５の外周８上に載置される。

シャフト５が回転し始めると、空気クッションは軸受プレート７とシャフト５の外周８との間で増大されるため、軸受プレート７はばね板１０の圧力と反対の方向にシャフト５の外周８から上昇し、結果として、シャフト５は、外周８と軸受プレート７との間で増大した空気クッションによって支持される。

アキシアル空気軸受は同様の作動形態を有し、本発明による前記アキシアル空気軸受の好ましい実施形態は図３に示され、参照記号１５’で表されている。

アキシアル空気軸受１５’は、円環板の形態で、複数の突出部１７、１８が設けられている親板または軸受プレート１６を有しており、図３では、複数の突出部のうち突出部１７、１８のみ見ることができる。この目的のために、軸受プレート１６は内部環状領域１６Ａおよび、その外側で内部環状領域１６Ａを同心状に囲む外部環状領域１６Ｂを有する。突出部１７および１８を形成するために内部環状領域１６Ａは切削されるので、突出部１７および１８は、切削された内部環状領域１６Ａに対して浮き出したウェブとして突出する。

軸受プレート１６の上に、ばね板１９が載置され、本例においては、ばね板１９は複数のばね板部から構成され、それらのばね板部は図３で見ることができ、参照記号１９’で表される。ばね板部１９’は、ウェブ２０によって順に内輪２１に接続される。

また、図に示すように、アキシアル空気軸受１５’は、本例においては、外周の上に配置される３つの回転防止手段を有し、そのうちの１つが、すべての回転防止手段の代表として、参照記号２２で表されている。前記回転防止手段２２は、片側が開き、それぞれがピン（詳細には図示されていない）を係合することができる凹部２３の形態である。

軸受プレート１６およびばね板１９は、取り付けられるシャフトが組立状態で延在する中心凹部２４を、それぞれ自明に有する。

図４に示す特に好ましい実施形態においては、外輪２５Ａから内向きに突出している舌部を有するサポートプレート２５が、ばね板１９の上に配置され、その舌部２５Ｂ〜２５Ｄは図３で見ることができ、サポートプレート２５は、ばね作用を増大するため、および発生している負荷をできるだけ均一にカバープレート３８に伝えるために、ばね板１９に部分的に重なる。その結果として、ばね板１９は、ばね板部１９’、突出部１７および１８、およびサポートプレート２５とともに、カバープレート３８が配置される環状のばね構成を形成する。上記の構成要素１７、１８、１９、１９’、および２５によって形成される前記ばね構成が、特に好ましい実施形態を構成するとしても、ばね構成を、例えば波形円板のような他の形態で設計することも可能である。カバープレート３８を前記円板上に取り付けることも可能である。

カバープレート３８は外輪３９を有し、この外輪３９は図３で示すように、組立状態で、接続部２５Ｅによって舌部に接続される外輪２５Ａを覆い、これは図３の図から詳細を見ることできる。

カバープレート３８の外輪３９は、接続ウェブによって内輪４１に接続され、図３で選択された図では、前記ウェブのうち１つのみ見ることができ、前記ウェブは参照番号４０によって表されている。

内輪４１には、図３に示すように、複数のらせんチャネルから構成されるらせん状配列４２が設けられている。図３に示すらせん状配列４２の前記らせんチャネルと、取り付けられるシャフトの、組立状態でカバープレート３８上に載置されるシャフト組立体との設計により、空気送出手段が提供され、この空気送出手段は、シャフトが回転するときに、取り付けられるシャフトのシャフト組立体が取り付けられることによる空気クッションを増大させるために、空気を外側へ、すなわちアキシアル軸受１５’の外縁の方向へ放射状に押し出す。図３に示すらせんチャネル構成は、軸受プレート１６とばね構成との間の空気圧を増大させるための装置の特に好ましい実施形態を構成し、その装置は、アキシアル空気軸受１５’によって取り付けられるシャフトが回転する際、空気を吸い込んで、軸受プレート１６とばね構成との間の空気クッションを増大し、その空気クッションは、上述の空気圧増大の結果として緩衝部を形成し、緩衝部は、シャフトの回転中、前記シャフトの取り付けに対して安定である。

これに代わるものとして、例えばアキシアル軸受１５’とは別に配置されるコンプレッサ、例えば、ばね構成と軸受プレート１６との間に外側から空気を供給して、それによって前記空気クッションを増大させるコンプレッサの形態の外部空気供給装置を設けることも可能である。そのような構成の一つの例は、図６に基づいて以下に詳細に説明されるコンプレッサホイール３６であり、それはアキシアル空気軸受への空気の外部供給を実現可能である。

図３で選択された図に関して、軸受プレート１６、ばね板１９、サポートプレート２５、およびカバープレート３８は、それぞれ閉リングであることに留意しなければならないが、個々の構成要素を説明できるように、図３では部分的にのみ示されている。

らせん状配列４２の構成および設計に関して、ここでは、図３の概略図が明示的に参照され、これが１つまたは別の使用状況で必要である場合、図３に示す前記の特に好ましい実施形態を修正することも、基本的に可能である。突出部１７、１８の代わりに、内輪２１上のばね板部１９’の領域で内向きに延在し、曲げることができるプレート片を設けることも可能であり、プレート片は屈曲状態でばね部１９’の下に載置することになる。この場合、そのような屈曲したウェブは、したがって、その他の構成要素１９、１９’、２５とともに、ばね構成を形成する。

使用例に基づいて以下でさらに詳細に説明されるように、アキシアル空気軸受１５’は、両方のアキシアル方向にシャフトを案内する完全な組立状態において、それぞれシャフト組立体の両側に配置される２つの軸受プレート／ばね板構成から自明に構成される。

本発明による空気軸受装置の潜在的用途の回路図を、図４に示す。この点について、図４に、電動機または発電機の形態とし得る電気機械２６を示す。電気機械２６のシャフト２７は本発明による空気軸受装置２８によって取り付けられ、それは２つのブロックで表されている。

例えば、構成が空気供給装置の場合、電気機械２６のシャフト２７はコンプレッサ３０に連結され、空気を供給するためにそのコンプレッサホイールを駆動する。

任意選択で、シャフト２７の他端はタービン３１に連結してもよく、タービンホイールは、例えばエンジンまたはその他の燃焼器の排気流れによって駆動させてもよい。

また、上述の基本原理は図５に記載の実施形態でも見ることができ、これは、特定の自動車において、電動機によって駆動される車両の航続距離を伸ばすことに役立つ、いわゆる「レンジエクステンダー」を示す。

また、前記例において、本発明による空気軸受装置２８を設けてもよい。図５に示すように、レンジエクステンダーには、図４で説明した構成要素に加えて、燃料を燃やすことができる燃焼器３２が設けられ、燃料は、タービンホイールを駆動するために、生成された燃焼ガスの形態でタービン３１に供給できる。この場合、電気機械２９は発電機の形態であり、車両（図５に図示せず）の電動機運転に使用できるバッテリーを充電するための発電に使用することができる。図５に示す実施形態において、発電機２９はさらにコンプレッサ３０に接続され、これは今度は、伝熱式熱交換器３３経由で燃焼器３２に圧縮燃焼用空気を供給する。

図６は、図４および図５の概略図の具現化についての、構造細部の１つの可能性を示す。

図６の図から、本発明による軸受装置２８には、この例においては、本発明による２つのラジアル空気軸受１および本発明による１つのアキシアル空気軸受１５’が設けられ、２つのディスクパックは、図３に基づいて先に説明したように、その手段によって両方のアキシアル方向にシャフト２７を取り付け可能とするために、シャフト組立体３４の両側に配置されることは明らかである。

図６に示す実施形態において、電気機械２６がコンプレッサ３０によってタービン３１から切り離され、このことが、タービン３１に必然的に広がっている高温が、電気機械２６に伝達することがないという利点を与えることは強調されるべきである。

図６の図に詳細に示すように、これによりタービン３１およびコンプレッサ３０の、タービンホイール３５およびコンプレッサホイール３６の「背中合わせ」の構成がもたらされる。

前記構成において、軸受装置１および１５’は、図６に示すように、電気機械２６の筐体に配置される。

少なくとも１つのラジアル空気軸受１および１つのアキシアル空気軸受１５を使用する、本発明による軸受装置２８のさらなる潜在的用途を、図７および図８に示す。

ここで、図７は従来の排気ターボ過給機３７を示し、これは２つのラジアル空気軸受および１つのアキシアル空気軸受を設けてもよく、そうでなければ、例えば２つのラジアル空気軸受を１つの従来のアキシアル軸受と結合させることが可能であるため、部分的に空気軸受のみ取り付ける。さらにまた、本発明により、原則として同様に１つのラジアル空気軸受および１つの従来のラジアル軸受のみを互いに結合させることが可能である。また、前記軸受の組合せは、従来のアキシアル軸受、またはアキシアル空気軸受のいずれかと順に結合してもよい。

図８は、コンプレッサを駆動するためにコンプレッサ３０と結合される電気機械２６を示し、図８の構成により充電器がもたらされる。

また、タービンによる発電機の形態での電気機械の組合せが可能である。例えば、前記構成は、タービンを駆動する排気のエネルギーを利用するために、自動車の排気管に配置してもよく、それは次に、電気エネルギーを生成するために、発電機を駆動する。前記構成は、従来の無過給発動機、または排気管の排気ターボ過給機の下流に設けてもよい。

図９〜図１１は、本発明によるアキシアル空気軸受のさらなる実施形態を示し、前記空気軸受は従来の筐体部品なしで示され、親板４３、および図１０で見ることができるばね板５５だけで表されている。前記部品は、アキシアル空気軸受の場合、筐体内に置かれ、そこでそれぞれ、２つの親板およびばね板は、取り付けられるシャフトに一体となって回転するように接続される中心ディスクの両側に配置される、関連する筐体部品に配置され、空気クッションは前記ディスクと親板との間で増大される。

図９〜図１１をあわせて見ると、前記図で示す特に好ましい実施形態において、親板４３が３つの噴射および供給圧力領域を有することが分かり、そして、その１つは参照記号４４で表され、すべての前記領域の代表として下記で説明される。

噴射および供給圧力領域４４は、環状の親板４３の面に対して凹設された２つの小領域４４Ａおよび４４Ｂを有する。小領域４４Ａおよび４４Ｂはそれぞれ、開口部４５および４６によって、中心凹部５６の方向に開いている。

小領域４４Ｂに隣接して、排気効果を生み、圧力を増大させる傾斜部５０が設けられる。ここで、傾斜部は湾曲形状で、９０°より大きく、好ましくは１１０°〜１６０°の角度範囲にある角度αで円周方向Ｕに対して傾斜するように形成される。傾斜部５０に隣接して、開口部５８によって片側が開いているように形成されるスロット５７が、さらに設けられる。したがって、傾斜部５０は小領域４４Ｂとスロット５７との間に配置される。

親板４３の外周には、アキシアル空気軸受の筐体の回転防止ピン（図では詳細に示されていない）と相互作用する３つの回転防止手段４７、４８、および４９が、さらに設けられる。

前記回転防止手段４７および４９の近くに、図９〜図１０の参照記号５１によって、すべての空冷領域の代表として１つが表されている空冷領域が、それぞれ設けられる。前記空冷領域は、表面領域５９および６０より約０．５ｍｍ低く、表面領域５９は傾斜部５０と小領域４４Ｂとの間に位置し、図９から詳細に分かるように、表面領域６０は空冷領域５１に隣接する。

図１０は、ばねまたはばね領域５２〜５４を備えるばね板５５の装置をさらに示し、前記ばね板５５は、図１０で選択された図において、親板４３の下、すなわち図１０の図面の平面の下に配置される。

したがって、親板４３の背面は好ましくは平坦な形状であり、特にばねまたはばね領域５２〜５４が打ち抜かれた領域、特に小領域４４Ａおよび４４Ｂに突き出るほど大きい場合はそうである。

空気循環により熱を周囲の筐体に放散することが可能であるため、図９〜図１０に示す、本発明によるアキシアル空気軸受の構造は、軸受の冷却に寄与する空気循環を好ましくは生成する。

さらに、有利には、傾斜部５０の湾曲形状が安定して空気圧力を増大させ、その結果、アキシアル空気軸受を設けるシャフトを取り付けるための安定した空気クッションがもたらされる。

また、図６〜図１１に記載の構成においては、従来のラジアルまたはアキシアル軸受の有無にかかわらず、ラジアルおよびアキシアル空気軸受の上記の潜在的組合せを含む、本発明による軸受装置を設けてもよい。

図６〜図１１に記載の構成はそれぞれ、本発明による別個の物品を構成することが、さらに強調される必要がある。

本発明の上述の開示に加えて、図１〜図１１の本発明の概略図が本明細書により明示的に参照される。

１ ラジアル空気軸受
２、３、４ プレート部分
５ シャフト
６ 軸受ブシュまたは軸受筐体
７ 軸受プレート
８ シャフト５の外周
９ 接続部
１０ ばね板
１１、１２ 保持突起
１３、１４ 筐体または軸受ブシュの凹部
１５ 中間層
１５’ アキシアル空気軸受
１６ アキシアル軸受プレート
１６Ａ 内輪領域
１６Ｂ 外輪領域
１７ 突出部
１８ 突出部
１９ アキシアルばね板
１９’ ばね板部
２０ 接続ウェブ
２１ 内輪
２２ 回転防止手段
２３ 凹部
２４ 軸受プレート１６、ばね板１９、サポートプレート２５、およびカバープレート３８の凹部
２５ サポートプレート
２５Ａ 外輪
２５Ｂ〜２５Ｄ 舌部
２５Ｅ 接続領域
２６ 電気機械（電動機および／または発電機）
２７ シャフト
２８ 軸受装置
２９ 発電機
３０ コンプレッサ
３１ タービン
３２ 燃焼器
３３ 伝熱式熱交換器
３４ シャフト組立体
３５ タービンホイール
３６ コンプレッサホイール
３７ 排気ターボ過給機
３８ カバープレート
３９ 外輪
４０ ウェブ／接続ウェブ
４１ 内輪
４２ らせん状配列
４３ 親板
４４ 噴射および供給圧力領域
４５、４６ 入口開口部
４７、４８、４９ 回転防止手段
５０ 傾斜部
５１ 空冷領域
５２、５３、５４ ばね
５５ ばね板
５６ 中心凹部
５７ スロット
５８ 開口部
５９、６０ 親板４３の表面領域

Claims (20)

1. 少なくとも１つのラジアル空気軸受（１）を有し、および／または、
   アキシアル空気軸受（１５’）を有する
   軸受装置（２８）において、
   前記ラジアル空気軸受（１）が内側の環状の軸受プレート（７）および外側で前記軸受プレート（７）を囲むばね板（１０）を有し、前記軸受プレートおよびばね板が一体形成の構成要素として形成される、
   ことを特徴とする、軸受装置（２８）。
2. 前記軸受プレート（７）および前記ばね板（１０）から構成される一体形成の構成要素が少なくとも１つの保持突起（１１、１２）を有する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記ばね板（１０）が波形形状である、
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の軸受装置。
4. 前記軸受プレート（７）および前記ばね板（１０）が、軸受リングを形成するために組み立てることができる少なくとも２つ、好ましくは３つのプレート部分（２、３、４）に分けられる、
   ことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の軸受装置。
5. 中間層（１５）が前記軸受プレート（７）と前記ばね板（１０）との間に設けられる、
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸受装置。
6. 前記アキシアル空気軸受（１５’）が、環状の軸受プレート（１６）、および前記軸受プレート（１６）と環状のばね構成（１７、１８、１９、１９’、２５）との間の空気圧を増大させるための装置（４２）が設けられたカバープレート（３８）が配置される前記環状のばね構成（１７、１８、１９、１９’、２５）を有する、
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸受装置。
7. 前記アキシアル空気軸受が、空気圧を増大させるための湾曲した傾斜部（５０）が配置される環状の親板（４３）を有する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の軸受装置。
8. 内側の環状の軸受プレート（７）を有し、かつ、
   外側に前記軸受プレート（７）を囲むばね板（１０）を有する
   ラジアル空気軸受（１）において、
   前記軸受プレート（７）および前記ばね板（１０）が一体で形成される、
   ことを特徴とする、ラジアル空気軸受（１）。
9. 請求項２〜５のいずれか一項によって特徴づけられる、請求項８に記載のラジアル空気軸受。
10. 環状の軸受プレート（１６）を有し、
    前記軸受プレート（１６）と環状のばね構成（１７、１８、１９、１９’、２５）との間の空気圧を増大させるための装置（４２）が設けられたカバープレート（３８）が配置される前記環状のばね構成（１７、１８、１９、１９'、２５）を有する、
    アキシアル空気軸受（１５’）。
11. 前記ばね構成（１７、１８、１９、１９'、２５）に、前記軸受プレート（１６）の上に配置され、ばね板（１９）のばね板部（１９’）を載置する複数の浮き出した突出部（１７、１８）が設けられる、
    ことを特徴とする、請求項１０に記載のアキシアル空気軸受。
12. 回転防止手段（２２）によって特徴づけられる、請求項１０または１１に記載のアキシアル空気軸受。
13. 前記回転防止手段（２２）が、間隔をおいて円周方向に配置された、複数の回転防止ピン受け入れ凹部（２３）を有する、
    ことを特徴とする、請求項１２に記載のアキシアル空気軸受。
14. 空気圧を増大させるための前記装置が、らせん状ダクト配列（４２）の形態である、
    ことを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のアキシアル空気軸受。
15. 空気圧を増大させるための前記装置が、前記ばね構成（１７、１８、１９、１９’、２５）と前記軸受プレート（１６）との間に外側から空気を供給する外部空気供給装置の形態である、
    ことを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のアキシアル空気軸受。
16. サポートプレート（２５）が前記ばね板（１９）と前記カバープレート（３８）との間に配置される、
    ことを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載のアキシアル空気軸受。
17. 空気圧を増大させるための湾曲した傾斜部（５０）が配置される環状の親板（４３）によって特徴づけられる、アキシアル空気軸受。
18. 前記湾曲した傾斜部（５０）が、９０°より大きく、好ましくは１１０°〜１６０°の角度（α）で前記サポートプレート（４３）の円周方向（Ｕ）に対して傾斜するように配置される、
    ことを特徴とする、請求項１７に記載のアキシアル空気軸受。
19. ばね板（５５）が前記親板（４３）の上に配置される、
    ことを特徴とする、請求項１７または１８に記載のアキシアル空気軸受。
20. 前記親板（４３）の上に配置される少なくとも１つの空冷領域（５１）によって特徴づけられる、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載のアキシアル空気軸受。

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