JP2018059554A - Foil bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォイル軸受に関する。 The present invention relates to a foil bearing.
フォイル軸受は、可撓性を有する薄板(フォイル)で軸受面を構成するものであり、フォイルが撓むことにより、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じて軸受隙間が適切な幅に自動調整されるという特徴を有する。 A foil bearing has a flexible thin plate (foil) that forms the bearing surface. When the foil is bent, the bearing clearance is appropriate depending on the operating conditions such as the rotational speed, load, and ambient temperature of the shaft. It is characterized by being automatically adjusted to a wide width.
フォイル軸受としては、例えば、(1)軸受面を有するトップフォイルと、これを背後から弾性支持するバックフォイル(バンプフォイル)とを有するバンプ型のフォイル軸受(例えば、特許文献1参照)、(2)バックフォイルを設けず、複数のトップフォイル(リーフフォイル)を一部が互いに重なり合うように設置し、その重なり部分でトップフォイルにバネ性を与えるリーフ型のフォイル軸受(例えば、特許文献2参照)、(3)複数枚のフォイルを周方向に並べて配し、各フォイルの周方向両端をフォイルホルダに保持させた多円弧型のフォイル軸受(例えば、特許文献3参照)などが知られている。 As the foil bearing, for example, (1) a bump type foil bearing having a top foil having a bearing surface and a back foil (bump foil) that elastically supports this from the back (for example, see Patent Document 1), (2 ) A leaf type foil bearing that does not have a back foil and is provided so that a plurality of top foils (leaf foils) partially overlap each other, and gives spring properties to the top foil at the overlapping portions (see, for example, Patent Document 2) (3) A multi-arc foil bearing (for example, see Patent Document 3) in which a plurality of foils are arranged side by side in the circumferential direction and both ends of each foil in the circumferential direction are held by a foil holder is known.
上記のようなフォイル軸受において、軸の起動・停止時などの低速回転時には、軸受隙間の流体圧力が低いため、フォイルと軸とが接触、摺動を繰り返す。通常、フォイル及び軸は何れも金属で形成されるため、フォイルと軸との摺動面に凝着が生じ、摩擦トルクの増大、ひいては軸受面の焼き付きや破損に至るおそれがある。このような不具合を防止するために、フォイルあるいは軸の表面に、DLC膜、チタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成することがある(上記特許文献3参照)。 In the foil bearing as described above, when the shaft rotates at a low speed such as when the shaft is started or stopped, the fluid pressure in the bearing gap is low, so that the foil and the shaft repeatedly contact and slide. In general, since the foil and the shaft are both made of metal, adhesion occurs on the sliding surface between the foil and the shaft, which may increase frictional torque and eventually cause seizure or damage to the bearing surface. In order to prevent such a problem, a low friction coating such as a DLC film, a titanium aluminum nitride film, or a molybdenum disulfide film may be formed on the surface of the foil or the shaft (see Patent Document 3). .
しかし、上記のような低摩擦化被膜を施した場合でも、軸との局所的な接触により低摩擦化被膜が早々に損耗し、この部分から摩耗や焼き付き、破損が生じるおそれがある。 However, even when the low friction coating as described above is applied, the low friction coating is quickly worn out due to local contact with the shaft, and wear, seizure, and damage may occur from this portion.
具体的には、例えば、リーフ型のフォイル軸受では、図26に示すように、各フォイル21’の下流側領域が、これと隣接するフォイル21’の上流側領域の上に重ねて配され、これにより、周方向の複数箇所にフォイル21’の重合部W’が形成される。このフォイル軸受において、軸受隙間の流体圧力が高まると、各フォイル21’がフォイルホルダ10’に押し付けられる。このとき、各フォイル21’のうち、他のフォイル21’で支持された重合部W’では、他の周方向領域と比べて、フォイルホルダ10’側に変位しにくい(すなわち、剛性が高い)。このため、軸の起動・停止時には、図27に示すように、重合部Wにおいて軸受面X’が優先的に軸と接触するため、この部分に摩耗等が生じやすい。特に、図示のように、金属製のフォイル21’の重合部W’が、金属製の軸2’と金属製のフォイルホルダ21’で挟まれると、軸受面X’と軸2’との接触部の面圧が高くなり、摩耗等が生じやすい。
Specifically, for example, in a leaf-type foil bearing, as shown in FIG. 26, the downstream region of each
また、フォイル軸受の内周に挿入された軸に振動やコニカル運動が生じ、軸がフォイル軸受の中心軸に対して傾くと、フォイル軸受の軸受面の軸方向端部(エッジ部)に軸が局所的に高面圧で接触する。このため、フォイルの軸受面のうち、軸方向端部付近の領域は摩耗等が生じやすい。 In addition, when vibration or conical motion occurs in the shaft inserted in the inner periphery of the foil bearing and the shaft is inclined with respect to the central axis of the foil bearing, the shaft is moved to the axial end (edge portion) of the bearing surface of the foil bearing. Contact with high surface pressure locally. For this reason, in the bearing surface of the foil, the region near the end portion in the axial direction is likely to be worn.
以上の事情から、本発明は、フォイル軸受において、軸とフォイルとの局所的な接触によるフォイルの損傷を防止することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to prevent foil damage in a foil bearing due to local contact between a shaft and the foil.
前記課題を解決するためになされた本発明は、支持すべき軸と対向する軸受面を有するフォイルユニットを備え、前記軸受面と前記軸との間の軸受隙間に生じる流体圧力により前記軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、前記フォイルユニットが、金属製のフォイルと、前記フォイルよりも弾性率の低い材料からなる軟質層とを有することを特徴とする。 The present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, includes a foil unit having a bearing surface facing a shaft to be supported, and the shaft is relatively moved by a fluid pressure generated in a bearing gap between the bearing surface and the shaft. In the foil bearing that is rotatably supported, the foil unit includes a metal foil and a soft layer made of a material having a lower elastic modulus than the foil.
このように、本発明のフォイル軸受は、軸受面を有するフォイルユニットが、金属製のフォイルよりも柔らかい(弾性率の低い)軟質層を含む。このフォイルユニットの軸受面に軸が接触したとき、軟質層が変形することにより、軸受面が軸に倣って変形する(図10参照)。これにより、軸受面と軸との接触面積が大きくなり、接触部の面圧が低減され、軸受面の損傷を防止できる。 Thus, in the foil bearing of the present invention, the foil unit having the bearing surface includes a soft layer that is softer (lower elastic modulus) than the metal foil. When the shaft comes into contact with the bearing surface of the foil unit, the soft layer is deformed, so that the bearing surface is deformed following the shaft (see FIG. 10). As a result, the contact area between the bearing surface and the shaft is increased, the contact surface pressure is reduced, and damage to the bearing surface can be prevented.
軸に振動やコニカル運動が生じると、フォイルユニットのうち、軸の回転方向と直交する方向の端部(ラジアルフォイル軸受では軸方向両端、スラストフォイル軸受では外径端)が軸と接触しやすい。従って、フォイルユニットのうち、上記端部を含む領域に軟質層を設けることが好ましい。 When vibration or conical motion occurs on the shaft, end portions in the direction perpendicular to the rotational direction of the shaft (both ends in the axial direction for radial foil bearings and outer diameter ends for thrust foil bearings) in the foil unit are likely to come into contact with the shaft. Therefore, it is preferable to provide a soft layer in a region including the end portion in the foil unit.
前記フォイルユニットが、前記軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の背後に配されたバックフォイル部とを備え、前記トップフォイル部と前記バックフォイル部とが厚さ方向で重ねられた重合部が周方向で離隔した複数箇所に設けられる場合、重合部において軸受面の剛性が特に高くなる。従って、この重合部に軟質層を設けて、軸受面と軸との接触面圧を低減することが特に有効となる。 The foil unit includes a top foil portion having the bearing surface and a back foil portion disposed behind the top foil portion, and the top foil portion and the back foil portion are stacked in a thickness direction. When the overlapping portions are provided at a plurality of locations separated in the circumferential direction, the rigidity of the bearing surface is particularly high in the overlapping portion. Therefore, it is particularly effective to reduce the contact surface pressure between the bearing surface and the shaft by providing a soft layer in the overlapping portion.
軟質層は、例えば、前記フォイルよりも弾性率の低い材料からなる軟質シートで構成することができる。 A soft layer can be comprised with the soft sheet | seat which consists of a material whose elastic modulus is lower than the said foil, for example.
あるいは、前記軟質層を前記フォイルと一体化して複合フォイルを構成してもよい。この場合、フォイルと軟質層との位置ズレが回避されると共に、意図した部分に選択的に軟質層を配置することが可能となる。 Alternatively, the soft layer may be integrated with the foil to form a composite foil. In this case, the positional deviation between the foil and the soft layer is avoided, and the soft layer can be selectively disposed at the intended portion.
例えば、厚さが均一なフォイルの一部領域に軟質層を固着して複合フォイルを形成すると、軟質層を設けた領域だけ複合フォイルが厚くなるため、フォイル軸受の設計、特に、フォイルを積層した際の厚さの管理が困難となるおそれがある。そこで、フォイルに薄肉部を設け、この薄肉部に軟質層を設けることで、複合フォイルの肉厚を均一にすれば、上記の不具合を回避できる。 For example, if a composite foil is formed by adhering a soft layer to a partial region of a foil having a uniform thickness, the composite foil becomes thick only in the region where the soft layer is provided. It may be difficult to manage the thickness. Therefore, if the thickness of the composite foil is made uniform by providing a thin portion on the foil and providing a soft layer on the thin portion, the above-mentioned problems can be avoided.
軟質層は、例えば、樹脂、ゴム、または黒鉛を主成分とする材料で形成することができる。 The soft layer can be formed of a material mainly composed of resin, rubber, or graphite, for example.
以上のように、フォイルユニットに軟質層を設けることで、軸と軸受面との接触面圧が緩和されるため、フォイルの損傷を防止することができる。 As described above, by providing the soft layer in the foil unit, the contact surface pressure between the shaft and the bearing surface is relieved, so that damage to the foil can be prevented.
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受1を示す。フォイル軸受1は、内周に挿入された軸2をラジアル方向に支持するものである。フォイル軸受1は、筒状のフォイルホルダ10と、フォイルホルダ10の内周面10aに取り付けられたフォイルユニット20とを備える。フォイルユニット20には、軸2の外周面2aと半径方向で対向する軸受面Xが設けられる。尚、以下では、軸2の回転方向先行側(図1の矢印R参照)、すなわち、軸2の回転時における、フォイルユニット20に対する流体の流れ方向下流側を「下流側」と言い、その反対側を「上流側」と言う。
FIG. 1 shows a
フォイルホルダ10は、焼結金属や溶製材(例えば鋼材)等の金属で円筒状に形成される。フォイルホルダ10の内周面10aのうち、周方向に離隔した複数箇所には、フォイルユニット20の取り付け部となる軸方向溝10bが形成されている。尚、耐熱性や強度等に問題が無ければ、フォイルホルダ10を樹脂で形成してもよい。
The
フォイルユニット20は、金属製のフォイル21と、軟質層としての軟質シート22とを備える。本実施形態では、フォイルホルダ10の内周面10aに、複数のフォイル21と、フォイル21と同数の軟質シート22とが周方向に並べて配置される。軟質シート22は、各フォイル21の背後(外径側)に配される。図示例では、フォイルホルダ10の内周面10aの三カ所にフォイル21および軟質シート22が配置される。
The
フォイル21は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金で形成される。フォイル21は、厚さ20μm〜200μm程度の金属製の帯状フォイルを、プレス加工等により所定形状に加工することで形成される。鋼材料や銅合金の代表例としては、炭素鋼や黄銅を挙げることができる。しかし、一般的な炭素鋼では、雰囲気に潤滑油が存在せず油による防錆効果が期待できないため、錆による腐食が発生し易くなる。また、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある(黄銅中のZnの含有量が多いほどこの傾向が強まる)。そのため、帯状フォイルとしては、ステンレス鋼もしくは青銅製のものを使用するのが好ましい。
The
図2に示すように、フォイル21は、軸受面Xを有するトップフォイル部Tfと、トップフォイル部Tfから下流側(図2では左側)に延びた凸部21aと、トップフォイル部Tfから上流側(図2では右側)に延びたバックフォイル部Bfとを有する。
As shown in FIG. 2, the
凸部21aは、トップフォイル部Tfの表面に沿い、かつ軸2の回転方向Rと直交する方向(本実施形態では軸方向、図2では上下方向。以下、回転直交方向Nと言う。)に離隔した複数箇所に設けられる。本実施形態では、回転直交方向Nに離隔した三カ所に凸部21aを形成した場合を例示している。トップフォイル部Tfの下流側端部のうち、各凸部21aの近傍には、フォイル縁部から上流側に延びる微小な切り込み21bが設けられている。
The
バックフォイル部Bfの上流側端部には、回転直交方向Nに離隔し、下流側に向けて凹んだ二つの切り欠き部21cが形成される。各切り欠き部21cの回転直交方向Nにおける幅寸法は、下流側に向けて徐々に縮小している。本実施形態では、切り欠き部21c全体を円弧状に形成した場合を例示しているが、各切り欠き部21cは、頂部を尖端状とした略V字状に形成することもできる。各切り欠き部21cの回転直交方向Nの両側には、それぞれ上流側に突出する突出部21dが形成されている。
At the upstream end of the backfoil portion Bf, two
トップフォイル部Tfとバックフォイル部Bfの境界部で、かつ回転直交方向Nに離隔した複数箇所(凸部21aと同数)には、隣接するフォイル21の凸部21aが差し込まれる、スリット状の差込口21eが設けられる。このうち、両端の差込口21eは、回転直交方向Nに沿って直線状に延びて、フォイル21の両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口21eは、回転直交方向Nに沿って延びる直線状の切り欠き部分と、該切り欠き部分から上流側に延び、その先端を円弧状とした幅広の切り欠き部分とからなる。
A slit-like difference in which the
軟質シート22は、フォイル21とは別体に設けられた可撓性を有する薄板であり、金属製のフォイル21よりも弾性率(特に、厚さ方向の圧縮力に対する弾性率)の低い材料で形成される。軟質シート22の材料としては、例えば、フッ素樹脂、ポリカーボネート(PC)、ポリアセタール(POM)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの樹脂材料、シリコンゴムなどのゴム材料、黒鉛や炭素繊維等の炭素を主成分とした材料などが挙げられる。炭素を主成分とした材料としては、例えば、黒鉛のみからなるもの、炭素繊維のみからなるもの、炭素繊維と黒鉛とを組み合わせたもの、炭素繊維及び/又は黒鉛とバインダー(例えば、有機又は無機材料)とからなる複合材料などが使用できる。これらの材料は、柔軟性及び可撓性を有しているため、トップフォイル部Tfが持つ弾性を阻害しない。
The
軟質シート22は、矩形状をなし、フォイルホルダ10の内周面10aに沿って略円筒状に湾曲している。軟質シート22の軸方向寸法は、フォイル21のトップフォイル部Tfの軸方向寸法(すなわち、軸受面Xの軸方向寸法)と略同一とされる。例えば、軟質シート22の軸方向寸法を、トップフォイル部Tfの軸方向寸法と同一とする他、トップフォイル部Tfの軸方向寸法よりも僅かに小さくしたり、僅かに大きくしたりしてもよい。軟質シート22の周方向寸法は、トップフォイル部Tfの周方向寸法(すなわち、軸受面Xの周方向寸法)よりも小さい。
The
図3に示すように、一方のフォイル21の各凸部21aを、隣接するフォイル21の差込口21eにそれぞれ差し込むことにより、2枚のフォイル21を連結する事ができる。同図中では、組み合わせ後の二つのフォイル21のうち、一方のフォイル21にグレーの色を付している。
As shown in FIG. 3, the two foils 21 can be connected by inserting each
そして、図4に示すように、3枚のフォイル21を図3と同様の結合手法により筒状に連結した後、図5に示すように、各フォイル21の背後(外径側)に、軟質シート22を配置する。その後、図6に示すように、3枚のフォイル21及び軟質シート22の仮組体を略円筒状に丸め、各フォイル21のトップフォイル部Tfと他のフォイル21のバックフォイル部Bfとの間に軟質シート22を挟み込む。この状態で、図7に示すように、上記仮組体をフォイルホルダ10の内周に軸方向一方側から挿入する(矢印参照)。具体的には、上記仮組体をフォイルホルダ10の内周に挿入しながら、各フォイル21の凸部21aを、フォイルホルダ10の一方の端面に開口した軸方向溝10bに軸方向一方側から差込む。以上により、3枚のフォイル21及び軟質シート22からなるフォイルユニット20が、フォイルホルダ10の内周面10aに周方向に並べた状態で取り付けられる。
Then, as shown in FIG. 4, after three foils 21 are connected in a cylindrical shape by the same coupling method as in FIG. 3, as shown in FIG. The
図8に示すように、フォイルユニット20をフォイルホルダ10に取り付けた状態では、隣接する二つのフォイル21同士が交差した状態となる。この交差部分よりも上流側では、一方のフォイル21のトップフォイル部Tfが軸受面Xを構成し、その背後に他方のフォイル21のバックフォイル部Bfが配される。一方、交差部分よりも下流側では、他方のフォイル21のトップフォイル部Tfが軸受面Xを構成し、この他方のフォイル21の差込口21eを介して、一方のフォイル21の凸部21aが、他方のフォイル21の背後に回り込み、フォイルホルダ10の軸方向溝10bに挿入されている。バックフォイル部Bfの上流側の端部は自由端であり、当該端部の位置は、バックフォイル部Bfの弾性変形に応じて周方向に変動する。バックフォイル部Bfの下流側の端部は、前記交差部分で他のフォイル21(前記一方のフォイル21)と周方向で係合した状態にある。
As shown in FIG. 8, when the
フォイル軸受1には、トップフォイル部Tfとバックフォイル部Bfとが厚さ方向で重ねられた重合部W(図9参照)が周方向に離隔した複数箇所(本実施形態では三箇所)に設けられ、この重合部Wに軟質シート22が配される。軟質シート22は、軸受面Xと、軸受隙間Cの幅方向(本実施形態では半径方向)で重ねて配される。図示例では、軟質シート22が、重合部Wのトップフォイル部Tfとバックフォイル部Bfとの間に配される。軟質シート22の下流側端部は、バックフォイル部Bfの上(内径側)に配される。軟質シート22の上流側端部は、バックフォイル部Bfよりも上流側に配され、フォイルホルダ10の内周面10aに接している。
The
フォイル軸受1では、隣接するフォイル21同士が、周方向で係合して互いに突っ張り合った状態となっている。これにより、各フォイル21のトップフォイル部Tfが外径側に張り出し、フォイルホルダ10の内周面10aに沿った形状に湾曲する。各フォイル21の下流側への移動は、各フォイル21の凸部21aが軸方向溝10bに突き当たるために規制されるが、各フォイル21の上流側への移動は規制されない。このため、各フォイル21は、フォイルホルダ10の内周面10aに対して周方向で微小摺動(往復動)可能とされる。
In the
図9に誇張して示すように、フォイルホルダ10の軸方向溝10bに差し込まれたフォイル21の凸部21aが、フォイルホルダ10の内周面10aの接線方向に対して角度θだけ僅かに傾斜しているため、凸部21aの近傍では、トップフォイル部Tfが内径側に凸となるように湾曲しようとする。また、トップフォイル部Tfは、軟質シート22と共にバックフォイル部Bfに乗り上げることで、下流側に向けてフォイルホルダ10の内周面10aから離反する側(軸2の外周面2aに接近する側)に傾斜した状態となる。以上により、トップフォイル部Tfの軸受面Xと軸2の外周面2aの間に、下流側に行くにつれて狭まった楔空間が形成される。
As shown exaggeratedly in FIG. 9, the
軸2の回転中は、楔空間に生じた空気膜が高圧となるため、軸2が浮上力を受ける。そのため、図1に示すように、各フォイル21の軸受面Xと軸2の間に環状の軸受隙間C(ラジアル軸受隙間)が形成され、軸2がフォイル21に対して非接触の状態で回転自在に支持される。このとき、トップフォイル部Tfのうち、下流側端部付近に設けられた内径側に凸の湾曲部の弾性力や、バックフォイル部Bfに乗り上げた部分の弾性力、さらにはフォイルホルダ10の内周面10aに沿った湾曲形状から元の形状に戻ろうとするフォイル21の弾性復元力により、軸受面Xに半径方向のバネ性が付与される。本実施形態では、トップフォイル部Tfだけでなく、軟質シート22がバックフォイル部Bfに乗り上げて湾曲しているため、軸受隙間Cの空気膜の圧力により、トップフォイル部Tfと共に軟質シート22が弾性変形する。これらのトップフォイル部Tf及び軟質シート22の弾性力により、軸受面Xの半径方向のバネ性が付与される。この軸受面Xのバネ性により、軸受隙間Cの幅が運転条件等に応じた適正幅に自動調整されるため、軸2の回転が安定的に支持される。なお、図面では、理解の容易化のため軸受隙間Cの幅を誇張して描いている。
While the
軸2の回転中、軸受隙間Cの空気膜の圧力によりトップフォイル部Tfがバックフォイル部Bfに押し付けられることで、トップフォイル部Tfのうち、バックフォイル部Bfに乗り上げた部分には、軸受隙間Cの幅方向(本実施形態では半径方向)の段差が形成される。図3に示すように、各フォイル21のバックフォイル部Bfの上流側端部に切り欠き部21cを設けた場合には、この段差は、切り欠き部21cの形状に対応したヘリングボーン形状となる。トップフォイル部Tfに沿って流れる流体は、上記のヘリングボーン形状の段差に沿って流れるため(図3の矢印を参照)、軸受隙間Cのうち、回転直交方向Nの二カ所に流体の高圧力部が形成される。これにより、軸2の浮上効果を高めつつモーメント荷重を支持することが可能となる。本実施形態では、図2に示すように、トップフォイル部Tfに微小な切り込み21bを形成してトップフォイル部Tfの剛性を局部的に低下させているため、トップフォイル部Tfが切り欠き部21cに沿って変形する際にも、その変形がスムーズに行われる。
During rotation of the
軸2の起動直後や停止直前などの低速回転中は、軸受隙間Cの空気膜の圧力が不十分であるため、フォイル21の軸受面Xと軸2の外周面2aとが接触摺動する。このため、フォイル21の軸受面X及び軸2の外周面2aの何れか一方または双方に、DLC膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化タングステン膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成してもよい。
During low-speed rotation such as immediately after the
また、上記のフォイル軸受1は、フォイルユニット20が軟質シート22を含む。本実施形態では、軸受面Xのうち、軸受隙間Cの幅方向の剛性が高い領域、具体的には、トップフォイル部Tfとバックフォイル部Bfとの重合部Wに、軟質シート22を配している。図10に示すように、フォイル21の軸受面Xと軸2の外周面2aとが接触した際、軟質シート22が変形することにより、軸受面Xが軸2の外周面2aに倣った形状に変形する。これにより、軸受面Xと軸2の外周面2aとの接触面積が増えるため、両者の接触面圧が低減され、フォイル21の損傷や、上記の低摩擦化被膜の早期の剥離等を防止できる。
In the
また、軸2に振動やコニカル運動が生じた場合、軸受面Xの軸方向端部に軸2が接触する。本実施形態では、軟質シート22が、軸受面Xの少なくとも軸方向端部を含む領域(図示例では軸方向全域)に設けられているため、軸受面Xの軸方向端部に軸2が接触した場合でも、上記のように軟質シート22が変形することで、フォイル21の損傷を防止できる。
Further, when vibration or conical motion occurs on the
また、軟質シート22を、黒鉛を主成分とする材料で形成した場合、黒鉛は、フォイル21として一般的に使用されるステンレス鋼と比べて熱伝導率が高いため、軸2と軸受面Xとの接触部で発生した熱が、トップフォイル部Tfに密着した軟質シート22を介して拡散されやすくなるため、焼き付きを防止できる。
Further, when the
また、軸2の回転中は、フォイル21とフォイルホルダ10の内周面10aや軸方向溝10bとの間で微小摺動が生じる。この微小摺動による摩擦エネルギーにより、軸2の振動を減衰させることができる。このような微小摺動による摩擦力を調整するために、互いに摺動する面の何れか一方又は双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。
Further, during the rotation of the
尚、軟質シート22を、黒鉛を主成分とする材料で形成した場合、黒鉛は自己潤滑性能に優れるため、フォイル21同士、あるいはフォイル21とフォイルホルダ10との間の摩擦力が小さくなり、軸の振動減衰効果の低下が懸念される。この場合、軟質シート22あるいはこれと摺動する面の一方又は双方に、塑性加工(例えばプレス加工)等により微小な凹凸を形成したり、機械加工等により表面粗さを増大させたりすることで、摺動部の摩擦力を調整してもよい。
When the
以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については説明を省略する。 Hereinafter, although other embodiment of this invention is described, description is abbreviate | omitted about the point similar to said embodiment.
例えば、上記の実施形態では、フォイルユニット20が、フォイル21と軟質シート22とを交互に積層した3層構造を有しているが{図11(b)参照}、フォイルユニット20の積層構造はこれに限らず、2層、あるいは4層以上としてもよい。例えば、図11(a)に示すフォイルユニット20は、フォイル21と軟質シート22とを交互に積層した2層構造を成し、図11(c)に示すフォイルユニット20は、フォイル21と軟質シート22とを交互に積層した4層構造を成している。図11に示す何れのフォイルユニット20も、最も軸側の層がフォイル21であり、このフォイル21に軸受面Xが形成される。
For example, in the above embodiment, the
また、上記の実施形態では、フォイル21に軸受面Xを形成した場合を示したが、これに限らず、軟質シート22に軸受面Xを形成してもよい。特に、軟質シート22を黒鉛を主成分とする材料で形成すれば、黒鉛シートは自己潤滑性に優れるため、別途の低摩擦化被膜処理を施すことなく、軸2と軸受面Xとの摺動抵抗が低減され、軸の低速回転時のトルクが低減される。例えば、図12(a)〜(c)に示すフォイルユニット20は、フォイル21と軟質シート22とを交互に2層〜4層積層し、最も軸側の層を軟質シート22し、この軟質シート22に軸受面Xが形成されている。
Moreover, although the case where the bearing surface X was formed in the
また、上記の実施形態では、軟質層(軟質シート22)とフォイル21とを別体に設けているが、図13に示すように、軟質層とフォイル21とを、フォイル21の厚さ方向で重ねた状態で一体化して複合フォイル23を形成してもよい。例えば、図1に示すフォイル軸受1において、フォイル21の裏面(軸受面Xと反対側の面)に軟質シート22を接着等により貼り付けて、複合フォイル23を構成してもよい。
In the above embodiment, the soft layer (soft sheet 22) and the
このとき、フォイル21と軟質シート22とでは材料が異なるため、線膨張係数が異なる。この線膨張係数の違いに起因して、フォイル21と軟質シート22とを貼り合わせた複合フォイル23は、高温時に湾曲する。具体的に、例えば金属製のフォイル21は、黒鉛を主成分とする軟質シート22よりも線膨張係数が大きいため、高温時には、図14に示すように、フォイル21側が凸となるように湾曲する。この性質を利用して、例えば複合フォイル23のフォイル21に軸受面Xを形成すれば、高温時に軸受面Xが凸状となるため、楔空間が形成されやすくなり、軸受剛性が高められる。一方、複合フォイル23の軟質シート22に軸受面Xを形成すれば、高温時に軸受面Xが凹状となるため、楔空間が形成されにくくなり、軸受剛性が低下する。このように、複合フォイル23を用いることで、高温時の軸受剛性を制御することが可能となる。
At this time, since the materials of the
また、複合フォイル23を形成する場合、軟質層の形状や位置を工夫することで、軸受面Xの変形を制御することができる。例えば、図15に示す実施形態では、フォイル21のトップフォイル部Tfの裏面(軸受面Xと反対側の面)に、切り欠き部22aを有する軟質シート22を貼り付けている。この切り欠き部22aは、図2のバックフォイル部Bfに設けられた切り欠き部21cと同形状を成している。一方、フォイル21のバックフォイル部Bfは、切り欠き部を有さない矩形状を成す。
Moreover, when forming the
この複合フォイル23をフォイルホルダ10に取り付けると、図16に示すように、各複合フォイル23の軟質シート22が、他の複合フォイル23の矩形状のバックフォイル部Bfの上に重ねて配される。軸の回転に伴って軸受隙間Cの空気膜の圧力が高められると、トップフォイル部Tfが、切り欠き部22aを有する軟質シート22を介してバックフォイル部Bfに押し付けられる。これにより、トップフォイル部Tfのうち、軸方向に離隔した二箇所にヘリングボーン形状の段差が形成されるため、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。
When this
図17に示す複合フォイル23は、フォイル21のバックフォイル部Bfの表側の面(軸受面X側の面)に、切り欠き部22aを有する軟質シート22を貼り付けている。軸の回転に伴って軸受隙間Cの空気膜の圧力が高められると、図18に示すように、トップフォイル部Tfが軟質シート22に押し付けられる。これにより、トップフォイル部Tfのうち、軸方向に離隔した二箇所にヘリングボーン形状の段差が形成され、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the
図19に示す実施形態では、フォイル21の軸方向端部(図示例では軸方向両端)のみに軟質層Sを設けている。これにより、必要最小限の軟質層Sで、軸に振動やコニカル運動が生じた際のフォイル21の軸方向端部の損傷を防止することができる。特に、フォイル21のトップフォイル部Tfのうち、フォイルホルダ10の軸方向溝10bに差し込まれる凸部21aの上流側に隣接する領域Pは、内径向きに凸となるように湾曲して軸側に迫り出すため、軸と接触しやすい(図9参照)。従って、フォイル21の軸方向端部のうち、凸部21aの上流側に隣接し、内径側に凸の湾曲部の頂点を含む領域P、あるいは、この領域Pと厚さ方向で重ねられる領域Qに、軟質層Sを設けることが好ましい。図示例では、フォイル21の上記領域P及びQの双方に軟質層Sが設けられ、特に、フォイル21の軸方向両端の周方向全長に軟質層Sが設けられる。この他、トップフォイル部Tf又はバックフォイル部Bfの一方のみに軟質層Sを設けてもよい。
In the embodiment shown in FIG. 19, the soft layer S is provided only at the axial end portion (in the illustrated example, both axial ends) of the
上記のように、フォイル21の一部領域に軟質層Sを設ける場合、図20に示すように、フォイル21の一部に薄肉部21fを設け、この薄肉部21fに軟質層Sを設けることで、複合フォイル23全体の肉厚を均一にすることが好ましい。これにより、軟質層Sを設けた場合でも、フォイル21のみからなるフォイルユニット20と全体の厚さが変わらないため、厚さの管理が容易となる。
As described above, when the soft layer S is provided in a partial region of the
上記のようにフォイル21の軸方向端部に軟質層Sを設けた場合、フォイルユニット20の重合部は例えば図21(a)〜(d)に示すような構成とすることができる。図21(a)では、バックフォイル部Bfの表側の面(軸受面X側の面)の軸方向端部のみに軟質層Sを設けている。図21(b)では、トップフォイル部Tfの裏面(軸受面Xと反対側の面)の軸方向端部のみに軟質層Sを設けている。
When the soft layer S is provided at the axial direction end portion of the
図21(c)では、バックフォイル部Bfの表側の面の軸方向端部、及び、トップフォイル部Tfの裏面の軸方向端部に軟質層Sを設けている。この場合、図21(a)、(b)と比べて軟質層Sの厚さが2倍となるため、軟質層Sの変形量が増えて接触面圧の低減効果が高められる。 In FIG.21 (c), the soft layer S is provided in the axial direction edge part of the surface of the front side of the back foil part Bf, and the axial direction edge part of the back surface of the top foil part Tf. In this case, since the thickness of the soft layer S is doubled as compared with FIGS. 21A and 21B, the deformation amount of the soft layer S is increased and the effect of reducing the contact surface pressure is enhanced.
図21(d)では、トップフォイル部Tfの表側の面(軸受面X)の軸方向端部のみに軟質層Sを設けている。この場合、軟質層Sを摺動性の高い材料(例えば黒鉛を主成分とする材料)で形成することで、軸2が接触した際の摺動抵抗を低減することができる。
In FIG.21 (d), the soft layer S is provided only in the axial direction edge part of the surface (bearing surface X) of the front side of the top foil part Tf. In this case, the sliding resistance when the
上記の実施形態では、フォイル軸受1として、いわゆる多円弧型のラジアルフォイル軸受を例示したが、本発明を適用可能なフォイル軸受の形態はこれに限られない。例えば、図22に示すいわゆるリーフ型のフォイル軸受1にも本発明を適用することができる。このフォイル軸受1は、フォイルユニット20が、下流側の端部を自由端とし、上流側の端部を固定端とした複数のフォイル21(リーフ)を含む。各フォイル21のうち、下流側の領域がトップフォイル部Tfとして機能し、上流側の領域がバックフォイル部Bfとして機能する。このリーフ型のフォイル軸受1において、フォイルユニット20が軟質層を有することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図示例では、フォイル21のトップフォイル部Tfの背後(外径側)に軟質シート22を貼り付けて、複合フォイル23を構成している。尚、フォイル21と軟質シート22とを別体に設けてもよい。
In the above embodiment, a so-called multi-arc radial foil bearing has been exemplified as the
また、図23に示すいわゆるバンプ型のフォイル軸受1にも本発明を適用することもできる。このフォイル軸受1では、フォイルユニット20が、波形のフォイル21(バックフォイル部Bf)と、円筒状のフォイル21(トップフォイル部Tf)とを別体に有し、トップフォイル部Tfとフォイルホルダ10との間にバックフォイル部Bfが配される。このバンプ型のフォイル軸受1において、フォイルユニット20が軟質層を有することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図示例では、トップフォイル部Tfとバックフォイル部Bfとの間に、トップフォイル部Tfと略同形状の軟質シート22が配される。トップフォイル部Tfと軟質シート22とは、別体に設けてもよいし、互いに張り合わせて複合フォイル23(図13参照)を構成してもよい。また、上記の軟質シート22に代えて、あるいはこれに加えて、バックフォイル部Bfに、これと略同形状の軟質シート22を重ねて配してもよい。
The present invention can also be applied to the so-called bump
さらに、スラストフォイル軸受に本発明を適用することもできる。図24はスラストフォイル軸受3の一例として、リーフ型のスラストフォイル軸受を示している。図25に示すように、フォイルユニット20を構成する各フォイル21のうち、下流側の領域がトップフォイル部Tfとして機能し、上流側の領域がバックフォイル部Bfとして機能する。軸がR方向に回転すると、軸に設けられたスラストカラー2bとトップフォイル部Tfの軸受面Xとの間に軸受隙間C(スラスト軸受隙間)が形成され、この軸受隙間Cの空気膜の圧力で軸がスラスト方向に非接触支持される。このスラストフォイル軸受3において、フォイルユニット20が軟質層を有することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図示例では、トップフォイル部Tfとバックフォイル部Bfとの間に軟質シート22が配される。トップフォイル部Tfと軟質シート22とは、別体に設けてもよいし、互いに張り合わせて複合フォイル23(図13参照)を構成してもよい。
Furthermore, the present invention can be applied to a thrust foil bearing. FIG. 24 shows a leaf type thrust foil bearing as an example of the thrust foil bearing 3. As shown in FIG. 25, among the
以上の説明では、軸2を回転側部材とし、フォイルホルダ10を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸2を固定側部材とし、フォイルホルダ10を回転側部材とする場合にも本発明を適用することができる。但し、この場合はフォイルユニット20が回転側部材となるので、遠心力によるフォイルユニット20全体の変形を考慮してフォイルユニット20の設計を行う必要がある。
In the above description, the case where the
また、本発明にかかるフォイル軸受は、例えば、ガスタービンや過給機をはじめとするターボ機械のロータを支持するフォイル軸受として使用することができる。この他、本発明にかかるフォイル軸受は、自動車等の車両用軸受、さらには産業機器用の軸受として広く使用することが可能である。また、本実施形態の各フォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受であるが、これに限らず、圧力発生流体としてその他のガスを使用することもでき、あるいは水や油などの液体を使用することも可能である。 Moreover, the foil bearing concerning this invention can be used as a foil bearing which supports the rotor of turbomachines including a gas turbine and a supercharger, for example. In addition, the foil bearing according to the present invention can be widely used as a bearing for vehicles such as automobiles, and further as a bearing for industrial equipment. Further, each foil bearing of the present embodiment is an air dynamic pressure bearing using air as a pressure generating fluid, but is not limited thereto, and other gases can be used as the pressure generating fluid, or water or oil It is also possible to use a liquid such as
1、3 フォイル軸受
2 軸
10 フォイルホルダ
20 フォイルユニット
21 フォイル
22 軟質シート(軟質層)
23 複合フォイル
Tf トップフォイル部
Bf バックフォイル部
X 軸受面
W 重合部
C 軸受隙間
1, 3
23 Composite foil Tf Top foil part Bf Back foil part X Bearing surface W Superposition part C Bearing clearance
Claims (8)
前記フォイルユニットが、金属製のフォイルと、前記フォイルよりも弾性率の低い材料からなる軟質層とを有するフォイル軸受。 In a foil bearing comprising a foil unit having a bearing surface facing a shaft to be supported, and supporting the shaft so as to be relatively rotatable by a fluid pressure generated in a bearing gap between the bearing surface and the shaft,
A foil bearing in which the foil unit includes a metal foil and a soft layer made of a material having a lower elastic modulus than the foil.
前記トップフォイル部と前記バックフォイル部とが厚さ方向で重ねられた重合部が、周方向で離隔した複数箇所に設けられ、
前記重合部に前記軟質層を設けた請求項1又は2に記載のフォイル軸受。 The foil unit includes a top foil portion having the bearing surface, and a back foil portion disposed behind the top foil portion,
The overlapping portions where the top foil portion and the back foil portion are overlapped in the thickness direction are provided at a plurality of locations separated in the circumferential direction,
The foil bearing of Claim 1 or 2 which provided the said soft layer in the said superposition | polymerization part.
金属製のフォイルと、前記フォイルよりも弾性率の低い材料からなる軟質層とを一体に有する複合フォイル。
A composite foil used for foil bearings,
A composite foil integrally having a metal foil and a soft layer made of a material having a lower elastic modulus than the foil.
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