JP4472910B2 - ハイブリッド軸受 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の技術分野）
本発明の開示は一般的に軸受に関し、より詳しくは、回転軸を支承するためにおのおの静的な潤滑油パッドと潤滑油の薄膜とを用いる静水圧的でもあり流体力学的でもある軸受に関する。さらに詳細には、本発明の開示は、静水圧的な構成要素と流体力学的な構成要素とを両方を持っているハイブリッド軸受に関していて、上記静水圧要素は、軸受が、軸受よって支承される回転軸の曲げに実質上影響を受けないように配列されている。
【０００２】
（関連技術の記述）
ハイブリッド軸受は工作機械スピンドルから高速ターボ機械装置に及ぶたくさんの応用で広く使われており、そのような軸受によって支承された軸は高速で回転する。ハイブリッド軸受は、例えば米国特許5,871,285号で図示され、記述されている。
【０００３】
たくさんの軸受の応用では、（軸に対する任意の重力効果に加えて）横荷重が軸受によって支承される回転軸にかかり、それによって、軸の曲げや反りが生ずる。可変容量型ベーンポンプの回転軸は、例えば、曲げを受ける。知られているように、ベーンポンプは、一般的に、複数の半径方向に延びるベーンスロットを持っているロータと、このロータのベーンスロット内に収容されて半径方向に摺動する複数のベーン要素と、同軸をなしてロータを取り囲む内面を有して、ロータの回転中にベーン要素の先端が上記内面に接触するカムとを備えている。カムは、ロータに対する偏心量を変化できるようにロータに対して旋回可能に設けられて、ベーンポンプの排出量を変化させることができる。ハイブリッド軸受を利用した可変容量型ベーンポンプは、例えば、米国特許5,545,014号に示されている。
【０００４】
単動ベーンポンプ（１つの入口と１つの出口）では、キャビティは、カムとロータの間に形成され、相対する低圧側と高圧側を備える。ポンプは、またロータとカムを備え、低圧側に連通する入口と高圧側に連通する出口とを有するハウジングも備えている。回転可能な軸は同軸をなしてロータを支承し、軸受は、同軸をなして上記回転可能な軸を支承してハウジングに収容される。軸は、ベーンポンプの相対する低圧側と高圧側の間を回転するので、横荷重が回転軸に作用し、軸を曲げたり反らせたりする。
【０００５】
したがって、小さく軽く製造できるうえに、より高い回転軸荷重を達成するのに使うことができる改良された新しい軸受の必要性が生じ、このような軸受を一体化した機械は、優れた効率を提供する。より詳細には、載荷能力の高い軸受の必要性がある。さらにより詳細には、横荷重の増加に伴う軸の反りに起因する軸の不整合の影響を実質上受けない軸受の必要性がある。
【０００６】
（開示の概要）
本発明の開示は、横荷重を受ける回転軸を支承する軸受を提供し、この軸受は、（軸から軸受に伝えられる力の方向で定義される）荷重線に沿って軸を支承し、上記軸受は、（回転軸と軸受との間の最も近い点で定義される）運転線において回転軸に最も近くなる。上記軸受は、潤滑油ベイが形成された内周面を備えている。潤滑油ベイは、内部に収容される加圧された潤滑油が、軸に対して静水圧的な力を与えるような寸法と形状に形成される。加えて、潤滑油ベイは、それによって生成される静水圧的な力が、荷重線に実質上垂直な位置へ運転線を押しやり、あるいはシフトするように、荷重線から軸方向および周方向に偏らされていて、それによって軸受は軸の曲げと反りの影響を実質的に受けなくなる。
【０００７】
本発明の開示の１つの態様によれば、上記潤滑油ベイの底は凹部を有していて、軸受の静水圧的な力が軸の方向にいっそう正確に向けられるようになる。本発明の開示の他の態様によれば、軸受は、回転軸と軸受の内面の間に流体力学的な潤滑油の薄膜を与えるような潤滑油溝を内面に有する。本発明の開示の更なる態様によれば、軸受は、軸受の外面から潤滑油ベイ内の凹部に延びる供給ポートを有し、潤滑油ベイと凹部と潤滑油溝とに高圧の潤滑油を供給する。
【０００８】
本発明の開示の軸受のさらなる特徴は、本発明の開示に関係する技術分野の当業者にとって、以下に述べる詳細な記述と添付の図から、より容易に明白になるだろう。
【０００９】
（発明の実施の形態）
図１〜図５を参照すると、本発明の開示は、横荷重や半径方向荷重の下で回転する軸７０を支承するように形成された軸受１０を提供する。この軸受１０は、増大した横荷重による曲げに起因する軸の不整合に事実上影響されず、軸受の載荷能力は、大きな荷重を受けても低下することはない。ここで開示されている軸受１０は、横荷重が回転軸に加わるいかなる適用にも役に立つが、本発明の開示による軸受は、特に、軸が半径方向に対向する低圧域と高圧域との間を動く可変容量型ベーンポンプの軸を支承するのに役に立つ。
【００１０】
１． 可変容量型ベーンポンプ
可変容量型ベーンポンプ１２は、例えば図１と図２に示されるように燃料計量装置１４に一体化することができる。このような燃料計量装置１４は、加圧された燃料をガスタービンエンジンに供給するのに使われる。類似の燃料計量装置は、例えば米国特許5,545,014号に非常に詳細に図示されるとともに記述され、この米国特許の開示はそっくりそのまま参照として、この明細書に一体化されている。
【００１１】
一般に、燃料計量装置１４は、ベーンポンプ１２に供給される加圧燃料のための昇圧ポンプ１６と、４つの区画２０,２２,２４,２６とを有するハウジング１８を含み、上記４つの区画は一緒になって、昇圧ポンプ１６とベーンポンプ１２を取り囲むように配設されている。昇圧ポンプは、実質上、第１と第２のハウジング区画２０,２２の間に収容され、軸方向のインデューサ２８とインペラ３０とを備えている。軸方向のインデューサ２８に燃料を供給するポンプの入口３２は、第１のハウジング区画２０で境界が画定され、インペラ３０から送られた燃料を受け取るコレクタ域３４は、第１と第２のハウジング区画２０,２２によって境界が画定される。
【００１２】
ベーンポンプ１２は、実質上第２と第３のハウジング区画２２,２４の間に収容され、ロータのベーン溝に半径方向に支持された複数のベーン要素３８を有するロータ３６を備えている。ベーン要素３８の外側の先端は、同軸をなしてロータ３６を取り囲んでいるカム４０の内面に接触している。カム４０は、第２と第３のハウジング区画２２,２４の間に支持されたピン４２に枢支されて旋回し、（図示しない）エンジン制御装置によって制御されるピストン４４は、例えばカムの変位を調整し、したがってポンプの出力を調整する。
【００１３】
図１と図２の参照を続けると、カム４０とロータ３６の間に形成されたキャビティは、高圧域４６と低圧域４８を備えている。ロータ３６が回転すると、ベーン要素３８は低圧域４８から高圧域４６へ燃料を送る。ベーンポンプ１２は、周方向のスペーサー５０とロータとカムの間のキャビティをシールするのに役立つエンドプレート５２をさらに備える。第２のハウジング区画２２は、ベーンポンプ１２の低圧域４８へのベーン入口５４を画定している。ベーン入口５４は（図示しない）ディフューザによって昇圧ポンプ１６のコレクタ３４に接続されている。第３のハウジング区画２４によって画定されるベーン出口５６は、ベーンポンプ１２の高圧域４６に連通している。
【００１４】
燃料計量装置を駆動する動力は、第1駆動軸５８を介して、上記燃料計量装置を一体化した（図示しない）エンジンによって供給される。第１駆動軸５８は、第１の雄スプライン６０と、半径方向に延びるリム６２と、第２の雄スプライン６４とを備えている。第１駆動軸５８のリム６２は、ハウジング１８内に第１駆動軸５８を保持すべく軸シール６６と第４のハウジング区画２６に嵌合している。図示の如く、ハウジング１８は、例えば締結装置６８によって互いに固定される。
【００１５】
スリーブ７０は、第１駆動軸５８上に同軸をなして収容され、第１駆動軸の第２の雄スプライン６４に噛合する第１の雌スプライン７２を備えている。図示の如く、ベーンポンプ１２のロータ３６はスリーブ７０の外面上に同軸をなして収容され、かつ固定される。第２駆動軸７４は、スリーブ７０によって共通スプラインから昇圧ポンプ１６を駆動する。通常、第１駆動軸５８の第１の雄スプライン６０は、ギアボックス等のエンジンの動力源に嵌合して駆動され、昇圧ポンプ１６とベーンポンプ１２が動かされる。
【００１６】
軸受７６は、第３のハウジング２４内に取り付けられており、スリーブ７０と第１駆動軸５８を収容し、支承している。加えて、本発明の開示によって構成された軸受１０は、第２のハウジング区画２２内に取り付けられ、スリーブ７０と第２駆動軸７４を収容し、支承している。軸５８,７４とスリーブ７０とは、ベーンポンプ１２の半径方向に対向する高圧側と低圧側との間を回転するので、横荷重やラジアル荷重が回転している軸とスリーブに作用する。しかし、本発明の開示による軸受は、横荷重が増加したときに軸のまげに起因する軸の不整合の影響を実質上受けず、その結果、軸受１０の載荷能力は、より大きな荷重が加わっても低下することはない。
【００１７】
２． ハイブリッド軸受
図３と図４を参照すると、本発明の開示による軸受１０は、軸受の十分な潤滑と載荷能力を保証するために流体力学的な反力と静水圧的な反力とを組み合わせた「流体膜型」のハイブリッド軸受である。静水圧的な反力は、軸受１０の周方向の内面８２に形成された潤滑油ベイ８０によって主に生成される一方、流体力学的な反力は、軸受１０の内面８２に形成された潤滑油分配溝８４によって主に生成される。
【００１８】
軸受１０の内面８２の静水圧的な潤滑油ベイ８０は、加圧された潤滑油が、その中に集まって回転軸７０に対して比較的に静止した状態を維持し、その結果、潤滑油が回転軸７０を支承する「加圧パッド」を形成する。潤滑油ベイ８０は、主に静水圧的な力を生成するが、軸７０の回転に伴なって軸と軸受１０の間を動く潤滑油の薄膜にいくぶん寄与することによって、いくらかの流体力学的な力を生成する。
【００１９】
図４を見れば最もよく判るように、潤滑油ベイ８０は（軸受１０に軸７０から伝えられる力の方向で定義される）荷重線「L」から軸方向に予め定められた距離「d1」だけ偏っている。特に、潤滑油ベイ８０は、軸受１０の外側８６（すなわち、ベーンポンプから離れた側）に向かって軸方向に偏っている。加えて、潤滑油ベイ８０は、予め定められた距離「d2」だけ荷重線「L」から周方向に偏っている。特に、潤滑油ベイ８０は、軸の回転方向の反対方向に荷重線「L」から周方向に偏っている。静水圧的な潤滑油ベイ８０は、一般に矩形で、軸受１０に対して直交方向に方向づけられている。
【００２０】
好ましくは、潤滑油ベイ８０の底は、このベイによって生成される静水圧的な力が最大になり、かつ正確に軸７０に向けられるような凹部８８を備える。図示の如く、凹部８８は荷重線「L」から軸方向に潤滑油ベイ８０と同等に偏っているが、周方向には潤滑油べイよりもさらに偏っている。特に、凹部８８は予め定められた距離「d3」だけ荷重線「L」から周方向に偏っている。
【００２１】
流体力学的な力は、延びた溝８４によって主に生成され、この溝は、静水圧的な潤滑油ベイ８０の幅と深さよりも、小さい幅と深さとを有している。しかしながら、延びた溝８４は静水圧的な力にもいくぶんか貢献する。図示の如く、流体力学的な潤滑油溝８４は延ばされていて、潤滑油ベイ８０を横切り、軸受１０に対して軸方向に方向づけられている。したがって、潤滑油溝８４は潤滑油ベイ８０に直交する。図示の如く、潤滑油溝８４は荷重線「L」と一直線に揃えられている。しかしながら、本発明の開示によって作られたハイブリッド軸受が、荷重線「L」から偏った潤滑油溝を持つことができるということを注意するべきである。
【００２２】
供給ポート９０は、潤滑油ベイ８０と凹部８８と潤滑油溝８４に高圧下で供給される潤滑油を供給すべく、軸受１０の外面９２から凹部８８と潤滑油ベイ８０にわたって延びている。図示しない燃料計量装置１４は、軸受１０の供給ポート９０をベーンポンプ１２の高圧側４６に接続する通路を備えている。加えて、図５で最も良く示されているように、供給ポート９０は凹部８８に開口を備え、この開口は軸受の外面９２の供給ポートの開口よりも小さくなっていて、上記開口を通る燃料の圧力が増すようになっている。図示しないが、軸受１０は、燃料潤滑油と、軸７０と軸受１０の間の非常に小さい隙間を通って流れる冷却とを受け取っている。
【００２３】
図４を参照すると、ハイブリッド軸受１０は、内側円周「c」と長さ「ｌ」を有する。本発明の開示によって作られたハイブリッド軸受１０の例として、この軸受は、約8.98インチの内側円周「c」と、約2.0インチの長さ「ｌ」を有し、潤滑油ベイ８０は予め定められた約0.4インチの距離「d1」だけ荷重線「L」から軸方向に偏るとともに、予め定められた約0.64インチの距離「d2」だけ潤滑油ベイ８０を荷重線「L」から周方向に偏りし、凹部８８は、予め定められた約1.0インチの距離「d3」だけ荷重線から周方向に偏っている。本発明の開示によるハイブリッド軸受１０のこれらの特定の長さは、単に例として与えられたもので、これに限定されるものではないことに留意すべきであり、本発明の開示によるハイブリッド軸受は、他の適切な寸法を備えることができる。
【００２４】
本発明の開示による軸受１０は、過酷な無限寿命運転に適するように設計されていて、延性に富む加鉛青銅合金や、これと同等の合金によって製造することができる。軸受の端面と内面は、またインジウムめっきを施され、乾燥膜潤滑剤で処理されるのが好ましい。
【００２５】
３． 運転
図５は、強化された安定性と増大された載荷能力を発揮するために、本発明に開示する軸受１０がどのように動作するかを示している。回転軸７０と軸受１０との間の相互作用は荷重線「L」と運転線「R」とを作り出す。ここで、荷重線「L」は、軸７０が軸受１０によって実質上支承される点を通って、軸７０の軸芯７１から半径方向に延びる線「L」として定義される（即ち、軸７０とこの軸に加わる荷重の合計の７５％〜８５％）。また、運転線「R」は、軸７０の軸芯７１から、軸の曲げによって軸７０の外面が軸受１０の内面８２に最も近くなる点まで半径方向に延びる線「R」として定義される（軸の曲げや反りがなければ、軸の外面は、軸受の内面から全ての点において等しい間隔で隔てられ、その結果、運動線は存在しえない）。軸７０が回転しないとき、運転線「R」と荷重線「L」は一点に向かう。しかし、軸７０が回転すると、回転している軸が軸受１０の内面８２に「走り上がる」とき運転線「R」は回転方向へ荷重線「L」から離れるように周方向に移動する。
【００２６】
周知の如く、軸の曲げや偏りは、主に運転線を含む平面で起こる。潤滑油ベイ８０が荷重線「L」からの軸方向および周方向へ偏っている結果、それによって生ずる潤滑油の静水圧的な圧力パッドが、運転線「R」を荷重線「L」からさらに押しやってシフトさせる役割を果たすことが判明した。そこで、本発明の開示による好ましい軸受１０は、荷重線「L」から軸方向と周方向の双方に偏らせられた潤滑油ベイ８０を備え、その結果生ずる潤滑油の圧力パッドが運転線「R」を荷重線「L」に対して事実上垂直に押しやるようになる。上記軸受１０の設計は、運転線「R」を荷重線「L」に対して事実上垂直にするので、軸の反りは荷重線を含む平面内で実質上生じない。本発明の開示による軸受１０の載荷能力は、それゆえ実質上軸７０の曲げや反りの影響を受けず、軸受１０の載荷能力は、軸７０の曲げや反りに応じて低下することはない。
【００２７】
静水圧的および流体力学的な軸受１０の設計の技術分野の当業者に知られているように、潤滑油ベイ８０と凹部８８の深さは、潤滑油ベイ８０と凹部８８からの流体の流れに対する抵抗が運転中に潤滑油が静的な圧力パッドの形成を実質上維持することができるに十分な大きさになるように選ばれる。しかし、潤滑油溝８４は、潤滑油ベイ８０よりも狭くかつ浅く、その結果、潤滑油は、潤滑油溝８４からいっそう容易に流れ出して、軸７０と軸受１０の間に薄膜を生成する。
【００２８】
要約すると、軸受の円筒状の内面の溝から流れ出る加圧された流体の薄膜によって、軸を軸受と機械的に接触させないようにして、軸芯の回りの軸の円滑で正確な回転運動を提供する軸受が開示されたのである。上記軸受は、軸受の載荷能力への軸の曲げの影響が実質上なくなるように軸受の静水圧な構成要素を方向づけることによって、安定性の強化を達成するという革新的な方法を用いている。
【００２９】
以上の記述は、本発明の開示による軸受の単なる図解例であると解釈されるべきである。当業者は以上の開示からそれることなく、様々な変更や修正を案出することができる。したがって、以上の開示は、添付の請求項の範疇に入る全ての変更、修正、変形例を包含するように企図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明による回転軸を支承する軸受を一体化したポンプの一部破断側面図である。
【図２】 図２は、図１のポンプの２−２線に沿う断面図である。
【図３】 図３は、回転軸を支承する図１の軸受の部分等角投影図であり、明瞭化のため、上記回転軸は、誇張して表した運転隙間を軸と軸受の間に有していて、軸の一部は、軸受の内面が現われるように切り取られており、軸受に対して反時計回りに回転する軸が示されている。
【図４】 図４は、図３の軸受の内面の（展開された）平面図である。
【図５】 図５は、図３の軸受と軸の端面図である。

Claims (19)

1. 横荷重を受ける回転軸を支承する軸受であって、上記軸受は荷重線に沿って上記回転軸を支承し、上記軸受は運動線において上記回転軸に最も接近する軸受において、上記軸受は、
   周方向の内面と、
   上記内面に形成された潤滑油ベイとを備え、
   上記潤滑油ベイは、上記荷重線から軸方向および周方向に偏らせられ、その結果上記潤滑油ベイ内に生じる潤滑油の圧力パッドが、上記運転線を荷重線に対して実質上垂直な位置に押しやるような静水圧的な力を与えることを特徴とする軸受。
2. 請求項１に記載の軸受において、上記潤滑油ベイは、上記荷重線から上記回転軸に加わる荷重に対して、上記軸受の外側端に向かって、軸方向に偏らせられていることを特徴とする軸受。
3. 請求項１に記載の軸受において、上記潤滑油ベイは、上記荷重線から周方向に上記軸の回転方向と反対方向へ、偏らせられていることを特徴とする軸受。
4. 請求項１に記載の軸受において、上記潤滑油ベイは、延在するとともに、上記軸受に対して横方向に方向づけられることを特徴とする軸受。
5. 請求項１に記載の軸受において、上記潤滑油ベイの底は、凹部を備え、この潤滑油ベイで作られる静水圧な力が、上記凹部で最も強くなることを特徴とする軸受。
6. 請求項５に記載の軸受において、上記凹部は、荷重線から上記潤滑油ベイよりも大きく偏らせられていることを特徴とする軸受。
7. 請求項５に記載の軸受において、上記軸受の外面から潤滑油ベイの上記凹部へ延びる供給ポートを更に備えることを特徴とする軸受。
8. 請求項７に記載の軸受において、上記供給ポートは、上記軸受の内面と上記軸受の外面とに開口を持ち、上記内面の開口が上記外面の開口よりも小さいことを特徴とする軸受。
9. 請求項１に記載の軸受において、上記回転軸と上記軸受の内面との間に流体力学的な潤滑油の膜を生成する潤滑油溝を、上記軸受の内面に更に備えることを特徴とする軸受。
10. 請求項９に記載の軸受において、上記潤滑油溝は、上記潤滑油ベイを横切ることを特徴とする軸受。
11. 請求項９に記載の軸受において、上記潤滑油溝は、延在するとともに上記軸受に対して軸方向に方向づけられることを特徴とする軸受。
12. 請求項９に記載の軸受において、上記潤滑油溝は、上記荷重線と一直線に揃うことを特徴とする軸受。
13. 可変容量型ベーンポンプにおいて、この可変容量型ポンプは、
    a)半径方向に延びる複数のベーンスロットを有するロータと、
    b)上記ロータのベーンスロット内に摺動可能に収容され、半径方向に運動する複数のベーン要素と、
    c)上記ベーン要素の外側先端が、上記ロータの回転中にカム内面に接触するように同軸をなして上記ロータを取り囲むカム内面を有し、
    上記ベーンポンプの排出容量を変化させるべく、ロータに対する偏心量を変化させるように調整されることができ、
    低圧域と高圧域を備えて、カムと上記ロータの間に形成されたキャビティを有するカムと、
    d)上記ロータと上記カムとを収容し、上記低圧域に連通する入口と上記高圧域に連通する出口を備えたハウジングと、
    e)上記ロータを同軸をなして支承する回転可能な軸と、
    f)上記ハウジング内に収容され、荷重線に沿って上記回転可能な軸を同軸をなして支承し、運転線において回転する軸に最も接近する軸受とを備え、この軸受は、
    周方向の内面と、
    上記内面によって画定される潤滑油ベイとを有し、この潤滑油ベイは、上記荷重線から軸方向および周方向に偏らせられて、その結果潤滑油ベイ内に作られる潤滑油の圧力パッドが、上記運転線を上記荷重線と実質上直交する位置に押しやるような静水圧的な力を生じることを特徴とする可変容量型ベーンポンプ。
14. 請求項１３に記載の可変容量型ベーンポンプにおいて、上記軸受の潤滑油ベイは、上記荷重線から上記回転軸に加わる荷重に対して軸受の外側端に向けて、軸方向に偏らせられていることを特徴とする可変容量型ベーンポンプ。
15. 請求項１３に記載の可変容量型ベーンポンプにおいて、上記軸受の潤滑油ベイは、上記荷重線から周方向に、上記軸の回転方向と反対方向へ偏らせられていることを特徴とする可変容量型ベーンポンプ。
16. 請求項１３に記載の可変容量型ベーンポンプにおいて、上記軸受の潤滑油ベイの底は、凹部を備え、上記潤滑油ベイで作られる静水圧的な力が上記凹部で最も強くなることを特徴とする可変容量型ベーンポンプ。
17. 請求項１３に記載の可変容量型ベーンポンプにおいて、上記軸受は、軸受の外面から上記潤滑油ベイに延びる供給ポートを備え、この供給ポートが、上記ベーンポンプの高圧域に連通することを特徴とする可変容量型ベーンポンプ。
18. 請求項１３に記載の可変容量型ベーンポンプにおいて、上記軸受は、上記回転軸と上記軸受の内面との間に潤滑油の流体力学的な薄膜を生成すべく、上記軸受の内面で画定される潤滑油溝を更に含むことを特徴とする可変容量型ベーンポンプ。
19. 請求項１８に記載の可変容量型ベーンポンプにおいて、上記潤滑油溝は、上記荷重線と一直線に揃うことを特徴とする可変容量型ベーンポンプ。

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