JP2019078284A

JP2019078284A - 板バネ式スラスト軸受

Info

Publication number: JP2019078284A
Application number: JP2017203514A
Authority: JP
Inventors: 松尾栄人; Eito Matsuo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2019-05-23

Abstract

【課題】スタート時の状態によって、接触している面積が大きく異なるために、接触面積が大きい場合、駆動力が大きくなり、摩擦による発熱による接触箇所の熱膨張などが生じて、更に接触が強くなり、回転が停止したり、軸受の焼き付きが起こる。【解決手段】スラスト軸受の接触面をバネで構成し、回転開始時には、バネの先端部の小さな面積が接触し、いつも同じ状態で回転開始ができる状況を作り出す。本考案では、円盤状のスラスト軸受のスラストカラーと接触する部分に、バネ構造を形成し、回転上昇に伴って、バネ面が空気力により、スラストカラー面から離れる構造を作り出すことにより、停止状態から高速回転まで安定したスラスト力を生成し、回転軸の軸方向位置制御を外部からの制御なしで行う。【選択図】図１

Description

回転機械回転軸の軸方向変位を制御するスラスト軸受に関する技術分野

回転機械のスラスト軸受として、ボール、スパイラルグルーブ、テーパランド、ステップランド、ティルティングパッド等のベアリングが使われており、それぞれに長短がある。これらの軸受のDN値(D：軸径(ｍｍ)、N:回転数(rpm))は、現在、150万以下であり、高速回転機械には、使うことが難しい。ボールベアリング、ティルティングパッド軸受は、軸径に対して外径が大きく、厚みが厚い(軸方向の長さ)、スパイラルグルーブ、テーパランド、ステップランド軸受は、内外周への流体の流れ流路を確保する必要がある。ティルティングパッド、テーパランド、ステップランド等が高速回転機械に採用されているが、密度や粘性が小さな空気やガスの場合は、回転開始時に隙間のない状態で回転開始すると、接触面積が大きい、当たり具合が悪い等のために、抵抗が大きいことがあり、回転開始時点の駆動動力が制御できにくい。

特開平9-229069 スラスト軸受装置

滑り軸受(4), 林洋次、ターボ機械第10巻第12号、1982年12月

スラスト軸受は、回転軸の軸方向位置制御を行う軸受である。この軸受の能力が小さいと、回転軸に設けられ、スラスト軸受と対面するスラストカラーとが接触し、回転が停止する。ボールベアリング以外、いわゆる滑り軸受は、軸受に設けられたテーパ面やステップ面とスラストカラーで形成される楔状の隙間に流体が導かれて、流体の圧力が上昇することにより、スラスト力が発生する。しかし、回転数が低い場合、前記のスラスト力は小さく、接触する。この時に、潤滑油が供給されると、油膜があるために接触は回避される。空気又はガス軸受(以下ガス軸受と記述する)は、粘性も密度も小さいために、低回転でのスラスト力が小さく、接触が避けられない。この対策として、接触が想定される場所に、テフロンなどの緩衝材を設置し、接触時の損傷を小さくする方策が施されている。しかし、スタート時の状態によって、接触している面積が大きく異なるために、接触面積が大きい場合、駆動力が大きくなり、摩擦による発熱による接触箇所の熱膨張などが生じて、更に接触が強くなり、回転が停止したり、軸受の焼き付きが起こる。

スラスト軸受の接触面または一部をバネで構成し、回転開始時には、バネの先端部の小さな面積が接触し、いつも同じ状態で回転開始ができる状況を作り出す。本考案では、円盤状のスラスト軸受のスラストカラーと接触する部分に、バネ構造を形成し、回転上昇に伴って、バネ面が空気力により、スラストカラー面から離れる構造を作り出すことにより、停止状態から高速回転まで安定したスラスト力を生成し、回転軸の軸方向位置制御を外部からの制御なしで行う。

スラスト軸受のスラストカラーとの接触面に板バネを設置して、回転初期には、このバネの先端部等の一部がスラストカラーに接触し、回転数上昇に伴って、空気力によって板バネが押されて、スラストカラーとの隙間が大きくなり、全回転域でスラスト軸受とスラストカラーの距離が適切に保たれ、安定した軸方向の軸位置制御が行われる。

円盤状スラスト板バネ立体図円盤状スラスト板バネ側面図円盤状スラスト板バネを組み込んだスラスト軸受立体図(押付前) 円盤状スラスト板バネを組み込んだスラスト軸受立体分解図(押付前) スラスト軸受に組み込み押付後の円盤状スラスト板バネの変形解析結果スラスト板

内側に孔が開いた円盤状のバネ板にエッチング等で複数の溝状の切除部500を形成、外周平板部200と内周平板部400のいずれかを固定して他方を軸方向に押し出して、両平面間の距離δで、形成されたスラスト板バネ1000を製作する。この時、外周平板部200と内周平板部400の2面は、ある距離離れている。このスラスト板バネ1000をスラスト板620、2枚で挟み見込んで、スラスト基板610上に配置し、外周平板部200と内周平板部400の両面が同一平面上に位置するように設定してスラスト軸受を形成する。この状態では、舌部320が上部に浮き出た状態となる。この舌部320の先端又は一部がスラストカラーと接する状態となって、一定の隙間がっ保たれている。

実施例1のスラスト軸受の構成例の押付前の立体図を図3に、立体分解図を図4に示す。本考案のスラスト軸受は、内側に孔が開いた円盤状のバネ板にエッチング等で複数の溝状の切除部500を形成、外周平板部200と内周平板部400のいずれかを固定して他方を軸方向に押し出して形成されたスラスト板バネ1000を製作する。この時、外周平板部200と内周平板部400の2面は、ある距離離れている。このスラスト板バネ1000をスラスト板620、2枚で挟み見込んで、スラスト基板610上に配置し、外周平板部200と内周平板部400の両面が同一平面上に位置するように設定してスラスト軸受を形成する。

スラスト板バネ1000は、図1及び図2に示すように、円盤状の板バネにエッチング等で溝状の切除部500を形成、外周平板部200と内周平板部400のいずれかを固定して他方を軸方向に押し出し、変形させたものである。

スラスト板バネ1000の製作は、先に溝状の切除部を製作した後に、外周平板部200と内周平板部400のいずれかを固定して、他方を押し出して、両面にある一定の距離を作る方法でも良い。

図1に示す外周円盤200と内周円盤400に段差を設けたスラスト板バネ1000を、スラスト基板６１０の上にスラスト板620で挟み込んで重ねて、スラスト板バネ1000を平板状に変形させる。この時に、スラスト板バネが変形する形状を解析した結果を図5に示す。図5の変形解析結果によれば、舌部320が浮き上がっている。

スラスト板620とスラスト板バネ1000の厚さを適切に設定すると、舌部320が変形してスラスト板孔622から上方に出てくる。この舌部320の動き量γは、スラスト板バネ1000の板厚、舌部の形状寸法、両平面間の距離δで決まる。

図3及び4に示すスラスト軸受は、ステップランド型軸受であり、そのステップ部にスラスト板バネの一部である舌部３２０が変形して上部に出ており、この舌部320がテーパランドを構成しており、スラスト能力の向上に寄与すると考えられる。

舌部320の変形形状や変形量γは、舌部320の形状、板厚、両平板間の距離δで決まる。この時のスラスト板バネ、スラスト板、スラスト基板の板厚は、スラスト板バネの板厚を基準として、他の板厚は0.2から10倍とすることが良い。舌部320は、切除部500の形状で決定されるが、舌部320の一部は、円錐部300とつながっている必要がある。

表面に位置するスラスト板620の厚さよりも舌部320の変形量を大きく設定すると、舌部320がスラストカラーに接触し、回転初期のスラスト軸受とスラストカラーの距離が適切に保たれる。

ガス軸受や空気軸受のスラスト軸受に採用され、冷凍空調装置、膨張タービン、ガスタービンなどの機能・性能・信頼性・耐久性向上に寄与する。

1000 スラスト板バネ
200 外周平板部
300 円錐部
310 固定部
320 舌部
400 内周平板部
500 切除部
610 スラスト基板
620 スラスト板
621 スラスト板ランド
622 スラスト孔

Claims

中心部に孔を有する円盤の外周部と内周部を平面上に保ち、二つの平面間に距離ができるように変形させ、円錐部に切除部を設けて複数の舌状部を形成、外周部と内周部の距離を無くすように変形させて形成されっることを特徴とするスラスト円板。
請求項1のスラスト板バネを、スラスト板バネとほぼ同じ内外径の円盤に舌部が通る孔を設けたスラスト板と重ね合わせたスラスト軸受。
請求項2において、スラスト板バネとスラスト板の板厚の比を0.2から10としたことを特徴とするスラスト軸受。