JP2020026007A - 動圧スラスト軸受成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動圧スラスト軸受の楔油膜生成部位形状を加工機械による安定的かつ短時間の 加工手段を構築できるようにする。【解決手段】この楔油膜生成部位形状の成形装置は、汎用旋盤のような主軸回転機構と送りテ−ブルを有する機械装置に取り付けて使用し、回転運動と揺動運動を同期伝達を可能とした本装置にて目的の成形を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、動圧スラスト軸受成形装置に関し、特に、汎用工作機械に装着して動圧スラスト楔油膜多面滑り軸受を作成する成形装置、及びその動作原理及び取扱い手法に関する。

従来、動圧軸受は円筒研削盤等に組み込まれて使用されている。かかる動圧軸受のうち、動圧ラジアル軸受については、多くの方法で製作されてはいるが、製作方法もある程度確立している。一方、動圧スラスト軸受は、リング状の鋼材の片面にホワイトメタルや銅合金などを溶着させ、その表面に多数の微小な傾斜を形成された部品であり、その傾斜角度・寸法等の均一性が要求され、その均一性の確保の為に、数々の製作方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。即ち、動圧スラスト軸受については、その製作方法が人力による場合が多く、例えば、変形させてラップ加工する方法やキサゲ加工する方法が提唱されている。また、人力によらず機械加工で行なう場合でも、微小角度に軸受を傾斜させ各面ごとに加工する方法、及びボ−ルエンドミル等により形状成形を行なう方法等が提案されている。また、製品化されたものとしては、楔油膜により圧力を発生させる部位を、パットとして作成し、傾斜を付けて多数のパットを組付ける方法を採用する従来例もある。

実開昭５８−６９１１８号公報

しかしながら、人力により、変形させてラップ加工し、或いはキサゲ加工する方法では、その作業者の技量により出来・不出来に差が生じることがある。また、機械加工で行なう場合に、微小角度に軸受を傾斜させ各面ごとに加工し、或いはボ−ルエンドミル等により形状成形を行なう方法では、加工時間が長くなり、精度の確保や生産性の向上が困難になるという問題がある。更に、上述した製品化されたものとして楔油膜により圧力を発生させる部位をパットとして作成し、傾斜を付けて多数のパットを組付ける方法では、部品点数が多くなり、製作に多くの時間が必要になってしまう。

このように、動圧スラスト軸受は、その傾斜角度・寸法等の均一性の確保の為、数々の製作方法が試みられているが、安定した製作方法として確立されたものは見出せないのが現状である。

例えば、変形させてラップ加工で成形する場合には、凹凸に形成された治具を作成し、その治具に軸受を固着して、高くなる部分をこすることにより除去する。固着する場合、治具自体も変形を起こすのでその変形量も加味して治具の作成が必要となる。また、ラップする場合は、取付け面との平行度の確保が難しく、作業者の技量により精度のばらつきが生じ易い。

また、キサゲ加工の場合は、多数の微小な傾斜部位をキサゲと呼ばれる工具を用いて成形することになり、その均一性の確保は作業者の技量によるところが大である。更に、手動にて成形するので多大な製作時間が必要である。

一方、微小角度で軸受を傾斜させ各面ごとに加工する場合は、傾斜と旋回機能のある機構を有するテーブルまたは加工機械が必要となり、内周部と外周部の傾斜角度の違いを創生する必要が生じる。また、各面ごとに加工する為、加工熱の影響等により精度の不安定な状態になる。

更に、ボ−ルエンドミル等により形状成形を行なう場合は、微小面切削となるのでカッタパスが長く、加工時間も非常に長くなる。

尚、タ−ビンやポンプ等の産業機械で使用されているティルティングパットを組付けて製作するスラスト軸受の場合は、部品製作に多大な工数を必要とし、組付け誤差の影響で楔部位の高さ精度・傾斜誤差を生じ易いので、精度の管理が容易ではない。またパットにより楔を生成するために、ピボット機構を使用しているが、その動作の為に磨耗やフレッティングが生じ易い。

以上のように、動圧スラスト軸受について、その傾斜角度・寸法等の均一性を確保することができ、加工時間も短縮できる製作方法は、未だ確立されていないのが実情である。本発明は、以上のような実情に鑑みなされたものであり、その目的は、動圧スラスト軸受について、その傾斜角度・寸法等の均一性を確保することができ、加工時間も短縮できる製作技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明者は、種々の検討を重ねた結果、端面旋削による加工に、前後運動を行なう機構を追加して目的の形状を成形する方法を見出し、その運動を生じさせる装置を案出した。即ち、まず、同装置のケ−シング外周を汎用旋盤の固定振止めで固着して、ドライブシャフトを旋盤のチャック機構で把持する。続いて、旋盤の主軸を回転させ、その回転をドライブシャフトに伝えて、同装置内のロ−タリ−ケ−ジ・カップリングプレ−ト・スライドシャフトを回転させて、先端に取付けた被削材のスラスト軸受を回転させる。また、ドライブシャフトとロ−タリ−ケ−ジの回転により、ケ−シングに固着された大歯車にかみ合う小歯車を回転させる。ここで、小歯車と大歯車は遊星歯車機構を構成しており、その歯数の比率は１／３になるように構成し、ドライブシャフトが１回転する間に小歯車が３回転するようにしている。また、小歯車には、偏芯カムが装着されており、このカムの動きに合わせてテ−パキ−が３ｍｍ動くようになっている。更に、テ−パキ−には１／１００の勾配が付いており、一連の動作によりスライドシャフトは３０μｍ揺動する。このスライドシャフトには回転力を伝え、揺動を拘束する薄いカップリングプレ−トが装着されており、回転運動と揺動運動を伝達している。

即ち、本発明の成形装置は、回転運動と同期した揺動運動を行なうので、刃物台は単に直線運動を行なえば被削物の楔油膜形状を生成することができる。

一方、テ−パキ−の勾配を変更することにより、スライドシャフトの揺動長さを変えることができ、被削物の楔油膜高低差を変化させることも可能である。

本発明によれば、動圧スラスト軸受の楔油膜生成部位形状を安価且つ容易に加工することができ、製品の精度が安定した製作技術を提供することができる。

本発明が適用される動圧スラスト軸受の一例を示す形状図であり、（Ａ）は、その平面図、（Ｂ）は、その正面図、（Ｃ）は、その底面図、（Ｄ）は、その（Ｃ）図におけるＰ−Ｐ矢視拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置（動圧スラスト軸受の楔油膜生成部位形状を生成させる成形装置）の構成を示す図であり、（Ａ）は、その断面図、（Ｂ）は、その左側面図、（Ｃ）は、その右側面図である。 本発明の実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置の全体構成を示す立体図である。 本発明の実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置のテーパキ−部の拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置のテーパキ−部の立体図である。 本発明の実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置の円筒カムの動作によるテ−パキ−の並進運動線図であり、（Ａ）は、その円筒カムとテ−パキ−の対応する動作の説明図、（Ｂ）は、それらの対応関係の一例を示す表、（Ｃ）は、その変位を表すグラフ、（Ｄ）は、その速度を表すグラフ、（Ｅ）は、その加速度を表すグラフである。 本発明の実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置の円筒カム形状を２山にした場合のカム動作によるテ−パキ−の並進運動線図であり、（Ａ）は、その円筒カムとテ−パキ−の対応する動作の説明図、（Ｂ）は、それらの対応関係の一例を示す表、（Ｃ）は、その変位を表すグラフ、（Ｄ）は、その速度を表すグラフ、（Ｅ）は、その加速度を表すグラフである。

以下、上述した本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、以下の実施形態における例示で本発明の範囲が限定されるものではない。図１は、本発明の実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置の被削物としての動圧スラスト軸受の形状図であり、（Ａ）は、その平面図、（Ｂ）は、その正面図、（Ｃ）は、その底面図、（Ｄ）は、その（Ｃ）図におけるＰ−Ｐ矢視拡大断面図である。まず、本発明装置の被削物としての動圧スラスト軸受は、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示すように、リング状の鋼材１０の片面（上面）にホワイトメタルや銅合金などを溶着させ、その表面に多数の微小な傾斜を形成したものである。例えば、人力によるラップ加工により完成された状態では、図１（Ａ）に示すリング状の鋼材１０の上面において、斜線部Ｌは、網掛け部Ｈより３０μｍ低くなるように形成されており、斜線部Ｌ、網掛け部Ｈは、夫々の中心線方向には同一の高さ（ラップによる）に形成されている。また、斜線部Ｌと網掛け部Ｈに挟まれた中間領域Ｓは、斜線部Ｌから網掛け部Ｈに至る傾斜面になるように形成されている。

以上のように、動圧スラスト軸受の製作では、リング状の鋼材１０の片面（上面）に多数の微小な傾斜を形成する場合に、その傾斜角度・寸法等の均一性を確保する必要がある。また、人力によらず機械加工により製作する場合には、加工時間も短縮できるのが望ましい。本発明の実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置は、動圧スラスト軸受の楔油膜生成部位形状を成形することに特化した装置であり、汎用旋盤のような主軸回転機構と送りテ−ブルを有する機械装置に取り付けて使用し、回転運動と揺動運動を同期伝達を可能とした本装置にて上述した楔油膜生成部位形状の成形を可能とするものである。また、前述した従来の人力加工や機械加工では、動圧スラスト軸受の楔油膜生成部位形状の加工に１日から２日の時間を要していたのに対し、本発明装置を用いた加工により、同程度の精度の楔油膜生成部位形状を１０分程で加工することが可能になった。そこで、かかる目的を達成するための製作技術として創作された本発明装置は、以下のように構成されている。図２は、本実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置（動圧スラスト軸受の楔油膜生成部位形状を生成させる成形装置）の構成を示す図であり、（Ａ）は、その断面図、（Ｂ）は、その左側面図、（Ｃ）は、その右側面図である。図３は、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示した成形装置の全体構成を示す立体図、図４は、図２（Ａ）に示したテーパキ−部の拡大断面図、図５は、そのテーパキ−部の立体図である。尚、本実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置１００が取付けられる汎用旋盤は図としては表さないが、本実施形態の成形装置１００の回転運動機構と切削送り機構は、このような図示しない汎用旋盤によるものである。また、図２（Ａ）（Ｃ）及び立体図（図３、図５参照）には、図示しない汎用旋盤の回転伝達用チャック２０２、振れ止め２０４及びバイト（切削工具）２０６を図示している。図２において、図示しない汎用旋盤の主軸の回転運動は、図２（Ａ）に示すチャック２０２に固着されたドライブシャフト１０２により本実施形態の成形装置１００に伝達される。成形装置１００のケ−シング１０１を汎用旋盤に設置された振れ止め２０４にて固着することにより、（本実施形態に係る動圧スラスト軸受）成形装置１００として固定する。尚、図２（Ａ）において参照符号Ｗで示すのが、動圧スラスト軸受に加工するワークである。

図２乃至図５に示すように、ドライブシャフト１０２により成形装置１００に伝達された汎用旋盤の主軸の回転運動は、ロ−タリケ−ジ１０３、カップリングプレ−ト１１６を介してスライドシャフト１０４に伝達される。

成形装置１００のケ−シング１０１に固定されているインタ−ナルギア１０５にかみ合っている偏芯カム付プラネットギア１０６は、ドライブシャフト１０２の回転により遊星回転運動を行い、その歯数比３／１の機構により３倍の回転運動を行なう。

偏芯カム付プラネットギア１０６は、テ−パキ−１０９を動かす為に必要な部品であるから、少なくとも１個設ければ良いが、本実施形態では、回転バランスを考慮して、図２（Ｂ）に示すように、３個の偏芯カム付プラネットギア１０６を設ける遊星回転運動を採用している。

偏芯量１．５ｍｍ（軸中心からの偏芯量が１．５ｍｍであり、両側では合計３ｍｍになる）を有する偏芯カム付プラネットギア１０６の回転によりテ−パキ−１０９を動かして、そのテ−パ量１／１００との関係で、スライドシャフト１０４を（図２（Ａ）に矢印で示す−Ｚ方向に）揺動させる。尚、ここでは、汎用旋盤の主軸（回転軸）に成形装置１００を取り付けて動作しているので、ここでは、汎用旋盤の主軸の軸方向をＺ方向としている。
例えば、テ−パキ−１０９の先端をロ−ラ等にすると磨耗を軽減することができるが、機構が複雑になり正確にカムの動きを伝えられないことがあるので、本実施形態の成形装置１００では、平端の接触方式を採用した。ここで、テ−パキ−１０９は、スプリング１０８の作用により偏芯カム付プラネットギア１０６に常時接触している。

スライドシャフト１０４の上述した揺動運動は、皿ばね様に形成されたカップリングプレ−ト１１６が皿ばねとして上記の−Ｚ方向に付勢されるバネ機能の作用により、前後運動を可能にしている。

スライドシャフト１０４の揺動運動を支える為にロ−タリケ−ジ１０３の内径に、図２（Ａ）に示すように、スライドブッシュ１１５を圧入している。ここで、スライドシャフト１０４とスライドブッシュ１１５の嵌合値は、きつ過ぎると発熱の原因となり、またゆるすぎると形状精度の安定が図れないので、最適な値にする必要がある。本実施形態の成形装置１００においては、嵌合スキマは５〜１０μｍとしている。

本実施形態の成形装置１００で今回提案しているスライドシャフト１０４の重量は５．７３ｋｇであり、その質量を支える荷重を取付荷重となるようにカップリングプレ−ト１１６の間座調整を行い取付けるようにしている。ここで、重量を力として換算すると、Ｐ＝重量ｘ９．８＝５．７３ｘ９．８＝５６．１５４Ｎとなる。

上述したように、カップリングプレ−ト１１６を皿ばねとして検討する為、「アルメン・ラスロの式」を用いることとした。但し、本式は非常に複雑であり、その簡略式にて計算を行なうようにした。
外径Ｄ＝１２４ｍｍ，内径ｄ＝５２ｍｍ，板厚ｔ＝２ｍｍ，縦弾性係数Ｅ＝２０６０００Ｎ／ｍｍ2，ポアソン比ν＝０．３，
自由高さＨｏ＝２．２ｍｍ取付時高さＨ１＝２．１１ｍｍとしてα＝Ｄ／ｄ＝１２４／５２＝２．３８５となり、
それぞれの係数を計算すると Ｃ１＝０．７５０２， Ｃ２＝１．３０３８， Ｃ３＝１．５２１５，取付時のタワミ長さδｍｉｎ＝Ｈｏ−Ｈ１＝２．２−２．１１＝０．０９ｍｍ となる。
この条件の時の単体荷重Ｐｍｉｎ＝５６．７５９Ｎと計算される。
従って、スライドシャフト１０４を吊るした場合の力（５６．１５４Ｎ）に対して、単体荷重Ｐｍｉｎ＝５６．７５９Ｎですので充分な保持力を持っていると検証される。

カップリングプレ−ト１１６はスライドシャフト１０４とストレ−トピン１１９を介してテ−パキ−１０９を押し付けており、その動きにより揺動運動を拘束（規制）している。

以上に述べたように本実施形態では、回転運動に対する揺動運動は遊星歯車の歯数比により、規則的な周期で運動を伝達することができる。

本実施形態の成形装置１００では、偏芯カム付プラネットギア１０６のカム線図の変更により楔部位までの傾斜角度及び傾向の変更が可能であり、油膜圧力の発生状況を変化させることができる。以下、この点について、図６及び図７を用いて説明する。

即ち、本実施形態の成形装置１００では、動圧スラスト軸受が一定方向回転仕様の場合は、図７に示すように、カム線図を２山として片側を急勾配にすることにより、楔の数を倍にした形状を創生することが可能となる。図６は、本発明の実施形態に係る動圧スラスト軸受成形装置の円筒カムの動作によるテ−パキ−の並進運動線図であり、（Ａ）は、その円筒カムとテ−パキ−の対応する動作の説明図、（Ｂ）は、それらの対応関係の一例を示す表、（Ｃ）は、その変位を表すグラフ、（Ｄ）は、その速度を表すグラフ、（Ｅ）は、その加速度を表すグラフである。図７は、その円筒カム形状を２山にした場合のカム動作によるテ−パキ−の並進運動線図であり、（Ａ）は、その円筒カムとテ−パキ−の対応する動作の説明図、（Ｂ）は、それらの対応関係の一例を示す表、（Ｃ）は、その変位を表すグラフ、（Ｄ）は、その速度を表すグラフ、（Ｅ）は、その加速度を表すグラフである。例えば、図６（Ａ）は、偏芯カム付プラネットギア１０６の回転に伴うテ−パキ−１０９の並進運動を表している。即ち、図６に示すように、円筒カム形状を１山にする場合は、動圧スラスト軸受が両方向（時計回りと反時計回りを反復・繰り返す場合）に回転（回動）する仕様の場合に適用可能である。一方、動圧スラスト軸受が一定方向のみに回転する仕様の場合は、図７に示すように、円筒カム形状を２山にする（カム線図を２山とする）ことで適用可能である。例えば、図７（Ａ）に示すように、カムの形状を変化させ２山にした場合、ドライブシャフト１０２の回転数＝１００ｒｐｍ、偏芯カムの回転数＝１００×３＝３００ｒｐｍとする。このように、動圧スラスト軸受が一定方向回転仕様の場合は、カム線図を２山として片側を急勾配にすることにより、楔の数を倍にした形状を創生することが可能となる。

上述した実施形態では、工作機械の主軸等に使用される小型の動圧スラスト軸受を本発明装置により成形する例について述べたが、本発明装置の機構を使用して、タ−ビンやポンプ等、船舶や発電機で使用される比較的大型の動圧スラスト軸受を成形することも可能である。

以上に説明した実施形態のように、図２に示す簡易な装置を用い、動圧スラスト楔油膜多面滑り軸受の成形することができる。例えば、従来の人力加工や機械加工では、動圧スラスト軸受の楔油膜生成部位形状の加工に１日から２日の時間を要していたのに対し、本発明装置を用いた加工により、同程度の精度の楔油膜生成部位形状を１０分程で加工することが可能である。

１０１ ケ−シング、 １０２ ドライブシャフト、 １０３ ロ−タリケ−ジ、
１０４ スライドシャフト、 １０５ インタ−ナルギア、
１０６ 偏芯カム付プラネットギア、 １０８ スプリング、 １０９ テ−パキ−、
１１０ 被削材であるスラスト軸受、 １１５ スライドブッシュ、
１１６ カップリングプレ−ト、 １１９ ストレ−トピン

Claims (4)

1. 動圧スラスト軸受の楔油膜生成部位形状を加工する成形装置であって、少なくとも遊星ギア機構と偏芯カムとを有し、回転とその回転と同期した動きを前記遊星ギア機構と前記偏芯カムにより創生することを特徴とする動圧スラスト軸受成形装置。
2. 請求項１に記載の動圧スラスト軸受成形装置において、前記偏芯カムの動きをテ−パキ−を介して前後運動に変換することを特徴とする動圧スラスト軸受成形装置。
3. 請求項１に記載の動圧スラスト軸受成形装置において、前記偏芯カムを２山仕様のカム線図の形状にすることにより、楔の数を倍にすることを特徴とする動圧スラスト軸受成形装置。
4. 動圧スラスト軸受の楔油膜生成部位形状を加工する成形装置であって、被削物である動圧スラスト軸受が前後運動を行なうことにより、刃物台が直線運動のみで楔油膜生成部位形状を加工することを特徴とする動圧スラスト軸受成形装置。

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