JP5286955B2 - フォイル軸受 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の外周に配置された薄膜状のフォイルと、このフォイルの外周に配置された外輪とを備え、回転する回転軸とフォイルの間に流体潤滑膜を形成することによって回転軸を回転自在に支持するフォイル軸受に関する。

フォイル軸受は周囲ガス（例えば空気）を作動流体とすることにより、オイルを供給することがなく、しかも、高速回転する回転軸を支持することができるため、ターボ圧縮機、ターボチャージャ、マイクロガスタービン等に使用されている。

従来のフォイル軸受は、例えば、特許文献１の未公開特許に開示されている。また、本発明と関連する技術は、特許文献２に開示されている。
さらに、フォイル軸受は、高速回転する回転軸のスラスト方向を支持するスラスト軸受にも適用されている（例えば、非特許文献１）。

特許文献１において、図１０に示すように、回転軸５１と、この回転軸５１の外周に多重に巻き付けされたフォイル５２と、このフォイル５２の外周に設けられた外輪５３とを備えている。この外輪５３の両端には、フォイル５２が軸方向にはみ出さないように一対のストッパ５４が設けられている。

回転軸５１が回転すると、回転軸５１とフォイル５２との間に流体潤滑膜が形成されることによって、フォイル軸受５０は回転軸５１を回転自在に支持する。

フォイル５２は、内周側５２ａのトップフォイルと、外周側５２ｂのバックフォイルからなっており、該バックフォイルとしては、従来、図１１に示すように薄板を波板形状に成形したバンプフォイルが用いられてきた。
また、トップフォイル５２ａとバンプフォイル５２ｂとは、脱落防止のため一端が外輪５３に固定され、他端は自由端となっている。

回転軸５１が回転すると、トップフォイル５２ａと回転軸５１との間に流体潤滑膜が形成され、回転軸５１に作用する荷重は流体潤滑膜を介してトップフォイル５２ａを押し込んで変形させようとするが、トップフォイルはバンプフォイルで弾性的に支持されているため、その変形量は適度に制限されている。また、トップフォイルが変形する際、バンプフォイル(波板)は個々の波のピッチを広げるように変形するのでトップフォイルとバンプフォイルの間にはすべりを生ずるが、回転軸に振動が発生した際には、このすべりによる摩擦で振動エネルギーが散逸されるため、回転軸の振動（軸振動）を抑制する効果が得られる。このようなバンプフォイルの機能を代替する手段として特許文献２では複数のスプリングフォイルを使用し、軸振動の安定化を図っている。

ＴＨＥＲＭＡＬ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＰＨＥＮＯＭＥＮＡ ＩＮ ＦＯＩＬ ＧＡＳ ＴＨＲＵＳＴ ＢＥＡＲＩＮＧＳ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＧＴ２００６， ＡＳＭＥ Ｔｕｒｂｏ Ｅｘｐｏ ２００６： Ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ Ｌａｎｄ， Ｓｅａ ａｎｄ Ａｉｒ， Ｍａｙ ８−１１， ２００６， Ｂａｒｃｅｌｏｎａ， Ｓｐａｉｎ

特願２００７−２０９９７６号、「フォイル軸受装置」、未公開 特開２００４−２７０９０４号、「フォイル式流体軸受」

上述したフォイル軸受５０では、図９に示すように、バンプフォイルがトップフォイルから押し込まれたとき、波板形状のバンプフォイルの一端（図で左端）は外輪に固定されているため、各々の波はピッチを広げながら自由端方向（図で右方向）へスライドしていくが、そのスライドは固定端に近いほど拘束を受けるため、波の変形剛性、すなわち、トップフォイルの支持剛性は予測困難になる上、所望の支持剛性が得られないという問題点があった。また、上記スライドに応じてトップフォイルとの間に生じるすべりも不均一となり（固定端に近いほど小さく、固定端から離れるほど大きくなる）、振動減衰効果の予測も難しいという問題点もあった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、回転軸を流体潤滑膜で支持することができ、かつ回転軸を同一又は任意の剛性分布及び減衰特性で弾性的に支持することができるフォイル軸受を提供することにある。

本発明によれば、円筒形の回転軸を支持するフォイル軸受であって、固定支持面で支持され前記回転軸を一定の間隔を隔てて囲む中空円筒形の外輪と、前記回転軸の外面を囲み周方向一端が外輪内面に固定された薄膜状のトップフォイルと、該トップフォイルと外輪内面の間に挟持されトップフォイルを弾性的に支持する薄膜からなるバックフォイルとを備え、該バックフォイルは、外輪内面に接触し周方向に移動しない支持部と、該支持部に支持されバックフォイルからの面圧により半径方向に弾性的に撓む弾性部とを有する、ことを特徴とするフォイル軸受が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記バックフォイルは、支持部と弾性部が一体の薄板からなり、該弾性部は支持部から内方に折り曲げられ内方端で折り返えされ支持部に戻る複数のヒダからなる。

また、別の実施形態によれば、前記バックフォイルは、支持部と弾性部が一体の薄板からなり、該弾性部は支持部から内方に折り曲げられ内方端で折り返えされ支持部に戻る複数のヒダからなり、前記内方端は、ヒダの連結を保ちつつ切り離なされている。
前記複数のヒダの高さ及び／又は角度は、同一又は周方向位置により異なる。

また、別の実施形態によれば、前記バックフォイルは、二重以上に組み合わされた２枚以上のフォイル板からなり、
各フォイル板は、一体の薄板からなり、その一部が内方又は外方に折り曲げられ途中で折り返えされた複数のヒダからなる。

また、本発明によれば、円筒形の回転軸を支持する軸受と、該軸受の外周面と固定支持面の間に挟持され軸受の外周面を弾性的に支持する薄膜からなるバックフォイルとを備える、ことを特徴とするフォイル軸受が提供される。

さらに、本発明によれば、回転軸に直交するスラスト面を支持するフォイル軸受であって、
前記スラスト面に対向する支持面を有する固定支持板と、
周方向一端が固定支持板に固定された薄膜状のトップフォイルと、
該トップフォイルと固定支持板の間に挟持されトップフォイルを弾性的に支持する薄膜からなるバックフォイルとを備え、
該バックフォイルは、固定支持板に接触し周方向に移動しない支持部と、該支持部に支持されバックフォイルからの面圧によりスラスト方向に弾性的に撓む弾性部とを有する、ことを特徴とするフォイル軸受が提供される。

上記発明の構成によれば、薄膜状のトップフォイルが、回転軸の外面を囲み周方向一端が外輪内面に固定されているので、軸が回転するとトップフォイルとの間に流体潤滑膜が形成され、回転軸を流体潤滑膜で支持することができる。
また、バックフォイルが、支持部と弾性部からなり、支持部は外輪内面に接触し周方向に移動せず、弾性部は支持部に支持されバックフォイルからの面圧により半径方向に弾性的に撓むので、弾性部を周方向で均一に形成することにより周方向全体で同一の剛性分布及び減衰特性で弾性的に支持することができ、或いは弾性部を周方向に任意の剛性分布及び減衰特性にすることで任意の分布で弾性的に支持することができる。

また、該バックフォイルをスラストフォイル軸受に適用することも可能である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるフォイル軸受の第１実施形態図である。

図１において、本発明のフォイル軸受１Ａは、中空円筒形の外輪４、薄膜状のトップフォイル３ａ、及び薄膜からなるバックフォイル３ｂを備え、回転軸２を支持する。
中空円筒形の外輪４は、固定支持面（図示せず）で支持され、回転軸２を一定の間隔を隔てて囲む。
薄膜状のトップフォイル３ａは、回転軸の外周面２ａを囲み周方向一端が外輪内面に固定されている。
薄膜からなるバックフォイル３ｂは、トップフォイル３ａと外輪内面の間に挟持され、トップフォイル３ａを弾性的に支持する。

すなわち図１に示すように、フォイル軸受１Ａは、図示しない駆動手段によって高速で回転される回転軸２と、この回転軸の外周に配置されたフォイル３（トップフォイル３ａとバックフォイル３ｂ）と、このフォイル外周に設けられた外輪４を備えている。

バックフォイル３ｂは、金属の薄膜であり、外輪内面に接触し周方向に移動しない支持部と、支持部に支持されトップフォイル３ａからの面圧により半径方向に弾性的に撓む弾性部とを有する。

外輪４は、円筒状であり、その内周面にトップフォイル３ａとバックフォイル３ｂの一端が固定され、その内周面とバックフォイル３ｂの外周側が当接されている。外輪４は、回転軸２に対して固定側である例えばハウジング（図示せず）に、例えば、すきまばめされ、且つ、図示しないピン等によって回転しないように支持されている。

図２は、バックフォイル３ｂの第１実施形態を示す図である。
この図において、バックフォイル３ｂは、支持部と弾性部が一体の薄板からなる。また、弾性部は支持部から内方（図で上方）に斜めに折り曲げられ、内方端（頂点）で折り返えされ支持部に戻る複数のヒダからなる。

図３は、本発明のバックフォイルのヒダ１個分の支持剛性解析図であり、図４は本発明のバックフォイルのヒダのすべり量解析図である。
図３に示すように、ヒダを梁とみなせば、ヒダ１個分の支持剛性ｋは、数１の式（１）のように表される。
またヒダのすべり量ｓは図４に示すように幾何計算から数１の式（２）のように得ることができる。

ここで、ｔ：バックフォイルの板厚、ｂ：バックフォイルの幅（軸受長さ方向の長さ）、Ｅ：バックフォイル材料の縦弾性係数、ｌ：ヒダの長さ、δ：トップフォイルによる押し込み量（軸受径方向変位量）、θ：ヒダと軸受径方向が成す角度である。

図５は、本発明のバックフォイルの成形方法を示す図である。
この図は、ヒダ状のバックフォイル３ｂの成形方法例を示したものであり、薄膜からヒダを成形し、さらにヒダを折り曲げる成形方法を示しており、一枚の薄膜から成形できるため製造コストを抑制できる。
すなわちこの図に示すように、１枚の薄板を中間成形において、複数のヒダを形成し、最終成形で各ヒダを傾斜させることで、容易にバックフォイルを成形することができる。
なお複数のヒダの高さ及び／又は角度は、同一であっても、或いは周方向位置により異なってもよい。

上述した構成において、回転軸２が回転すると、フォイル３との間に流体潤滑膜が形成されることによって、フォイル軸受１Ａは回転軸２を回転自在に支持する。
ヒダ状のバックフォイル３ｂの隣り合ったヒダの変形(折曲げ変形)はバンプフォイルが変形する際に見られるようなピッチ寸法の変化を伴わず、ヒダ同士が互いに独立に変形できるため、トップフォイルを周方向全体で同一の剛性分布で弾性的に支持することも、或いは弾性部を周方向に任意の剛性分布にすることで任意の分布で弾性的に支持することもできる。また、ヒダの変形に伴い、トップフォイルとの間にはすべりが生じるが、そのすべり量は前述のように定量化できるため、すべり摩擦による振動減衰効果も予測し易くなる。

軸受全周上の任意の場所のヒダの長さ等を変化させることにより所望の支持剛性やすべり量に設定することが可能となり、軸受荷重方向の支持剛性を強くすればより高荷重に耐える軸受にすることが可能であり、同部位においてトップフォイルとのすべりが大きくなるようにすれば振動を抑制できる。

図６は、本発明によるフォイル軸受の第２実施形態図である。
この例において、バックフォイルは、支持部と弾性部が一体の薄板からなり、弾性部は支持部から内方に折り曲げられ内方端で折り返えされ支持部に戻る複数のヒダからなり、内方端は、ヒダの連結を保ちつつ切り離なされている。
この図に示すように、ヒダの連結を保ちつつヒダ頂部を切り離せばヒダの合わせ面におけるすべりも生じるため、より高い振動減衰効果が期待できる。

図７は、本発明によるフォイル軸受の第３実施形態図である。
この例において、バックフォイルは、二重以上に組み合わされた２枚以上のフォイル板からなる。各フォイル板は、一体の薄板からなり、その一部が内方又は外方に折り曲げられ途中で折り返えされた複数のヒダからなる。
このように、ヒダ状のバックフォイルを複数組み合わせることにより、振動減衰効果を高める効果が期待できる。

図８は、本発明によるフォイル軸受の第４実施形態図である。
この例では、本発明のフォイル軸受と既存の軸受ハウジングとの間に例えば第１実施形態のフォイルを取り付けた状態を示すものであり、より高い振動減衰効果が期待できる。
なお、この構成は第１実施形態のフォイル軸受だけでなく、従来型軸受にも適用可能である。すなわち、回転軸を支持する軸受は、この例では本発明のフォイル軸受であるが、従来の一般的な軸受であってもよい。また、フォイル軸受は、第１実施形態のフォイルに限定されず、薄膜からなるバックフォイルであれば、ヒダ形状でも、従来タイプのバンプフォイルでもよい。
この構成により、既に従来型軸受を搭載済みの場合でもハウジングを追加工するだけで設置が可能である。

また、本発明のフォイル軸受はラジアル軸受に限定されず、スラスト軸受にも適用することができる。この場合、本発明のフォイル軸受は、回転軸に直交するスラスト面を支持するスラストフォイル軸受であり、固定支持板がスラスト面に対向する支持面を有し、薄膜状のトップフォイルの周方向一端が固定支持板に固定される。
その他の構成は、第１実施形態のフォイル軸受と同様である。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明によるフォイル軸受の第１実施形態図である。 バックフォイル３ｂの第１実施形態を示す図である。 本発明のバックフォイルのヒダ１個分の支持剛性解析図である。 本発明のバックフォイルのヒダのすべり量解析図である。 本発明のバックフォイルの成形方法を示す図である。 本発明によるフォイル軸受の第２実施形態図である。 本発明によるフォイル軸受の第３実施形態図である。 本発明によるフォイル軸受の第４実施形態図である。 従来のバックフォイルの模式図である。 未公開特許のフォイル軸受の断面図である。 図１０のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１Ａ フォイル軸受
２ 回転軸外周面
３ フォイル
３ａ フォイルの内周側（トップフォイル）
３ｂ フォイルの外周側（バックフォイル）
４ 軸受外輪

Claims (7)

1. 円筒形の回転軸を支持するフォイル軸受であって、
   固定支持面で支持され前記回転軸を一定の間隔を隔てて囲む中空円筒形の外輪と、
   前記回転軸の外面を囲み周方向一端が外輪内面に固定された薄膜状のトップフォイルと、
   該トップフォイルと外輪内面の間に挟持されトップフォイルを弾性的に支持する薄膜からなるバックフォイルとを備え、
   該バックフォイルは、外輪内面に接触し周方向に移動しない支持部と、該支持部に支持されトップフォイルからの面圧により半径方向に弾性的に撓む弾性部とを有する、ことを特徴とするフォイル軸受。
2. 前記バックフォイルは、支持部と弾性部が一体の薄板からなり、該弾性部は支持部から内方に折り曲げられ内方端で折り返えされ支持部に戻る複数のヒダからなる、ことを特徴とする請求項１記載のフォイル軸受。
3. 前記バックフォイルは、支持部と弾性部が一体の薄板からなり、該弾性部は支持部から内方に折り曲げられ内方端で折り返えされ支持部に戻る複数のヒダからなり、
   前記内方端は、ヒダの連結を保ちつつ切り離なされている、ことを特徴とする請求項１に記載のフォイル軸受。
4. 前記複数のヒダの高さ及び／又は角度は、同一又は周方向位置により異なる、ことを特徴とする請求項２又は３に記載のフォイル軸受。
5. 前記バックフォイルは、二重以上に組み合わされた２枚以上のフォイル板からなり、
   各フォイル板は、一体の薄板からなり、その一部が内方又は外方に折り曲げられ途中で折り返えされた複数のヒダからなる、ことを特徴とする請求項１記載のフォイル軸受。
6. 円筒形の回転軸を支持する軸受と、該軸受の外周面と固定支持面の間に挟持され軸受の外周面を弾性的に支持する薄膜からなるバックフォイルとを備える、ことを特徴とするフォイル軸受。
7. 回転軸に直交するスラスト面を支持するフォイル軸受であって、
   前記スラスト面に対向する支持面を有する固定支持板と、
   周方向一端が固定支持板に固定された薄膜状のトップフォイルと、
   該トップフォイルと固定支持板の間に挟持されトップフォイルを弾性的に支持する薄膜からなるバックフォイルとを備え、
   該バックフォイルは、固定支持板に接触し周方向に移動しない支持部と、該支持部に支持されバックフォイルからの面圧によりスラスト方向に弾性的に撓む弾性部とを有する、ことを特徴とするフォイル軸受。

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