JP5509148B2

JP5509148B2 - 自動補償静圧ジャーナル軸受

Info

Publication number: JP5509148B2
Application number: JP2011101795A
Authority: JP
Inventors: 華志黄; 伯駿楊
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: TWI407023B; TW201224311A; CN102486208A; JP2012117659A; DE102011050021A1; CN102486208B; US8485729B2; DE102011050021B4; US20120141055A1

Description

本発明は一種の自動補償静圧ジャーナル軸受（SELF-COMPENSATING HYDROSTATIC JOURNAL BEARING）に係り、特に加工コストが低く且つ液圧自動補償構造を有する静圧ジャーナル軸受に関する。

超高精密定位と微細加工システムの需要に対応するため、摩擦力が非常に小さい液体静圧軸受システムが高精密工具機械に不可欠のキーアセンブリとなっている。

液体静圧軸受はガス静圧軸受に較べ、より優れた剛性、ダンパー性能及び切削加工時の振動抑制能力を有し、さらにナノレベルの精密運動定位精度を有し、超精密切削工具機械の軸受設計に優れた解決策を提供できる。ゆえに、世界のハイレベル精密工具機械のガイドレールの軸受システムはほぼ液体静圧軸受システムを採用している。

既存の完全な定圧給油工具機械の液体静圧軸受システムは、液体静圧軸受チェンバ一本体、外部油供給システム及びスロットルの三つの部分を包含する。液体静圧ジャーナル軸受は、径方向負荷の支持を提供するため、静圧ラジアル軸受とも称される。

現在工具機械に使用されている液体静圧ジャーナル軸受は、大まかに「対向流量補償無しの従来タイプ」と「流量対向流量補償タイプ」の二種類に分けられる。

１．対向流量補償無しの従来タイプ
軸受油チェンバ一本体にスロットルが組み合わされて構成され、並びに管線により対向（１８０度）する油チェンバ一に接続されて流量と圧力の補償が行われることはない。このタイプは最も伝統的な液体静圧ジャーナル軸受の設計とされ、たとえば特許文献１に記載のものがあり、それは、機械台の主軸座内に着脱可能で両端が開放された円筒が取り付けられ、円筒内に軸受が取り付けられて主軸が通され、該軸受内部に若干の圧力蓄積溝が設けられ、且つ各圧力蓄積溝内に圧力センサ一とノズルが設けられ、各ノズルはそれぞれ流路で圧力差平衡増圧器に接続され、各圧力センサ一はまた各圧力差平衡増圧器と接続され、これにより、主軸が精密運転を維持させられる。

このタイプの設計は、対向流量に対する補償メカニズムがなく、且つ固定スロットルの設計が組み合わされ、このためその軸受の径方向積載力と剛性値は低くなりがちで、比較的低い負荷条件下での応用にのみ適合し、並びに、中、高負荷条件下での使用には適合しない。

２．流量対向流量補償タイプ
軸受油チェンバ一本体にスロットルが組み合わされるほか、管線で対向する（１８０度）油チェンバ一に連結されて、流量と圧力補償を行ない、これにより、軸受の径方向積載力と剛性値を高められる。このタイプの設計はさらに２種類に分けられ、その一つは、油チェンバ一が主軸の中心軸に設計され、たとえば特許文献２が該当し、この種類の設計はその油チェンバ一が中心軸サイズ等の因子の制限を受けやすく、このため油チェンバ一の形状及びサイズは設計の自由度があまりない。

もう一種類は、油チェンバ一が主軸のスリーブに設計され、たとえば特許文献３が該当し、この種類の設計は、そのスリーブサイズを外向きに拡張しやすく、油チェンバ一の形状及びサイズの設計自由度が高く、ゆえに大部分の対向流量補償型液体静圧ジャーナル軸受はこのタイプに属する。

上記特許文献２は軸のスリーブに複数の圧力供給凹溝が設けられ、軸の外表面に該圧力供給凹溝に対応する複数の収集凹溝が設けられ、各収集凹溝は等間隔に設置され並びに軸の周囲に沿って延伸され、並びに対向する収集凹溝の間に設けられた軸孔は、互いに連通する。流体が軸方向に該圧力供給溝軸を通って流れて収集凹溝に流入する時、該軸の表面と該軸孔の径方向間隙は比例し、流体は収集凹溝の対面チェンバ一に流入できる。このため、軸の偏りに比例する回復力動作を提供する。この特許技術は自動補償の効果を提供できるものの、その構造は比較的複雑であり、並びにスリーブと軸に対してそれぞれ対応する加工が必要であり、製造コストが高くなる。さらに、その主軸に対する支持剛性は回転速度に伴い漸増し、中、低速域には比較的不適用である。

特許文献３は対辺長軸方向の環形油チェンバ一分布を利用し、特定角度の連接溝が二つずつ対向し連通し、並びに主軸と主軸スリーブ間の流体圧力薄膜の支持を提供し、軸心が負荷を受けて変位する時、不対称の流場分布を発生して軸心の偏りを平衡し、自己補償の効果を達成する。この特許技術はまた自動補償の効果を達成できるが、連接溝は特定角度で対向する環形油チェンバ一に接続され、この設計は単一方向性回転の主軸の使用のみに適合し、その運用層が比較的狭い。

従って、信頼度が高く且つ加工コストが低い自動補償静圧ジャーナル軸受の構造設計を探し出すことが、現在解決が待たれる問題となっている。

台湾特許公告第Ｍ３２０６１７号明細書米国特許公告第５，７００，０９２号明細書米国特許公告第５，２８１，０３２号明細書

これを鑑み、本発明の目的は、上述の問題を解決し、一種の加工コストが低く且つ液圧自動補償構造を具えた静圧ジャーナル軸受を提供することにある。

請求項１の発明は、自動補償静圧ジャーナル軸受において、
座体であって、軸の取り付けに供される孔を具え、該座体は該孔が貫通することで円周面が形成され、該軸の表面と該円周面の間に液体流通に供される間隙を具えた、上記座体と、
少なくとも二つの注油孔であって、該座体の周囲より内向きに延伸された、上記注油孔と、
少なくとも二つの第１チェンバ一であって、各第１チェンバ一は互いに対向するように該円周面に設置され、各該注油孔がそのうち一つの第１チェンバ一に連通する、上記第１チェンバ一と、
少なくとも二つの第２チェンバ一であって、各該第２チェンバ一は互いに対向するように該円周面に設置され、並びに各該第２チェンバ一はそのうち一つの第１チェンバ一の隣に位置する、上記第２チェンバ一と、
少なくとも二つのチャンネルであって、各該チャンネルはそれぞれ第１端と第２端を具え、各該第１端は該円周面を貫通し且つそのうち一つの第１チェンバ一の隣に位置し、各該第２端はそれぞれ各該第１端が対向する該第２チェンバ一に連通する、上記チャンネルと、
を包含し、
各該注油孔と各該第１チェンバ一の間に、毛細孔スロットルとされる流量調節弁がそれぞれ設けられたことを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該流量調節弁は該座体中に取り付けられるか該座体に加工されることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受としている。
請求項３の発明は、請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第１チェンバ一は別の該第１チェンバ一に１８０度の位置で対向するように設置されることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受としている。
請求項４の発明は、請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第２チェンバ一は別の該第２チェンバ一に１８０度の位置で対向するように設置されることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受としている。
請求項５の発明は、請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該チャンネルの第１端は別の該チャンネルの第１端に１８０度の位置で対向するように設置されることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受としている。
請求項６の発明は、請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第１チェンバ一は対応する該チャンネルの第１端の周囲に設けられ、各該第２チェンバ一は各該第１チェンバ一の周囲に設けられることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受としている。
請求項７の発明は、請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第１チェンバ一は矩形或いは円形溝状形態を呈して各該チャンネルの第１端の周囲に設けられることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受としている。
請求項８の発明は、請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第２チェンバ一は矩形或いは円形溝状形態を呈して各該第１チェンバ一の周囲に設けられることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受としている。

本発明は各第１チェンバ一、各第２チェンバ一及び各チャンネルが対向し導通する設計とされたことにより、自動補償の作用を発生でき、且つ本発明の構造は直接座体に加工でき、その加工は容易で製造コストを減らせる。さらに、各第１チェンバ一、各第２チェンバ一及び各チャンネルは二つずつが一組とされて１８０度の対向設置され、これにより、軸の回転の方向性に対する制限がなく、ゆえに、本発明は広く運用され得る。

本発明の配置表示図である。本発明の断面構造表示図である。本発明の円周面展開の構造表示図である。本発明の使用状態表示図である。

上述の目的を達成するため、本発明の自動補償静圧ジャーナル軸受は、
軸の取り付けに供される孔の貫通により形成された円周面を具え、並びに該軸の表面と該円周面の間に液体流通に供される間隙がある座体と、
該座体の周囲より内向きに延伸された少なくとも二つの注油孔と、
少なくとも二つの第１チェンバ一であって、各第１チェンバ一は互いに対向するように該円周面に設置され、各該注油孔がそのうち一つの第１チェンバ一に連通する、上記第１チェンバ一と、
少なくとも二つの第２チェンバ一であって、各該第２チェンバ一は互いに対向するように該円周面に設置され、並びに各該第２チェンバ一はそのうち一つの第１チェンバ一の隣に位置する、上記第２チェンバ一と、
少なくとも二つのチャンネルであって、各該チャンネルはそれぞれ第１端と第２端を具え、各該第１端は該円周面を貫通し且つそのうち一つの第１チェンバ一の隣に位置し、各該第２端はそれぞれ各該第１端が対向する該第２チェンバ一に連通する、上記チャンネルと、
を包含する。

本発明の各該第１チェンバ一は該第２チェンバ一に隣り合うように設置され、且つ該第１チェンバ一は別の該第１チェンバ一と、該第２チェンバ一は別の該第２チェンバ一と、それぞれ対向するように設置され、各チャンネルの第１端は各該第１チェンバ一の隣に位置し、且つ各該チャンネルの第２端は各該第１端に対向する該第２チェンバ一に連通する。

これにより、軸受力が偏る時、軸の偏り方向とその対向の間隙を変更することにより、液圧液体に対向する各第１チェンバ一と第２チェンバ一の間で自動補償作用させ、軸を支持して座体中で順調に動作させる。

該第１チェンバ一、該第２チェンバ一と該チャンネルは直接該座体上に加工されるため、その加工が比較的容易で製造コストダウンを達成できる。

好ましい実施例において、各注油孔と各第１チェンバ一の間に流量調節弁が設けられ、並びに各流量調節弁は毛細孔スロットル、或いは孔口スロットル或いは小口スロットルのいずれかとされ得る。

好ましい実施例では、各該流量調節弁は該座体中に取り付けられるか加工される。

好ましい実施例では、各該第１チェンバ一は別の該第１チェンバ一に１８０度対向するように設置される。

好ましい実施例では、各該第２チェンバ一は別の該第２チェンバ一に１８０度対向するように設置される。

好ましい実施例では、各該チャンネルの第１端は別の該チャンネルの第１端に１８０度対向するように設置される。

好ましい実施例では、各該第１チェンバ一は矩形或いは円形溝状形態を呈して各チャンネルの第１端の周囲に設置される。

好ましい実施例では、各該第２チェンバ一は矩形或いは円形を呈して各該第１チェンバ一の周囲に設置される。

本発明の技術内容、構造特徴、達成する目的を詳細に説明するため、以下にさらに具体的な実施例を挙げ並びに図面を組み合わせて説明する。

図１から図４を参照されたい。図１は本発明の配置表示図、図２は本発明の断面構造表示図、図３は本発明の円周面展開の構造表示図、図４は本発明の使用状態表示図である。

本発明の自動補償静圧ジャーナル軸受１は、座体１０を具え、該座体１０に軸２が通される。該座体１０は該軸２を通す孔１００を具えている。該座体１０は該孔１００が形成されることにより、円周面１１が形成され、且つ該軸２の表面と該円周面１１の間には液体が流通する間隙Ｈがある。

該座体１０には少なくとも二つの注油孔１２ａ、１２ｂがある。各該注油孔１２ａ、１２ｂはもう一つの該注油孔１２ａ、１２ｂに対向するように設置され、各注油孔１２ａ、１２ｂはそれぞれ該座体１０の外周より内向きに延伸され、且つ該円周面１１に各注油孔１２ａ、１２ｂにそれぞれ対応するように第１チェンバ一１３ａ、１３ｂが設けられている。

各注油孔１２ａ、１２ｂと各第１チェンバ一１３ａ、１３ｂの間には流量調節弁１４ａ、１４ｂが設けられ、各該流量調節弁１４ａ、１４ｂは、毛細孔スロットル或いは孔口スロットル、或いは小口スロットル或いは自己調節スロットル等の固定スロットルのいずれかとされ、並びに該座体１０中に加工される。

各第１チェンバ一１３ａ、１３ｂはそれぞれ矩形溝状形態を呈し、且つ二つずつが一組とされた第１チェンバ一１３ａ、１３ｂはそれぞれ１８０度対向するように設置される。

該円周面１１に、各該第１チェンバ一１３ａ、１３ｂに隣り合うように、第２チェンバ一１５ａ、１５ｂが設けられ、各第２チェンバ一１５ａ、１５ｂは、矩形溝状形態とされ且つ各第１チェンバ一１３ａ、１３ｂの周囲に設置されて、各第２チェンバ一１５ａ、１５ｂもまた１８０度対向するように設置される。

さらに、該座体１０に、各第２チェンバ一１５ａ、１５ｂに対応するように、チャンネル１６ａ、１６ｂが設けられ、各チャンネル１６ａ、１６ｂはそれぞれ第１端１６１ａ、１６１ｂと第２端１６２ａ、１６２ｂを具えている。

各第１端１６１ａ、１６１ｂはそれぞれ該円周面１１を貫通し且つ各第１チェンバ一１３ａ、１３ｂの隣に位置する。本実施例では、各第１チェンバ一１３ａ、１３ｂは各第１端１６１ａ、１６１ｂの周囲に設けられ、各第２端１６２ａ、１６２ｂは各第１端１６１ａ、１６１ｂに対向する第２チェンバ一１５ａ、１５ｂに連通する。

自動補償静圧ジャーナル軸受が必要とする液体圧力源を提供するため、別に液圧システム３が設けられ、該液圧システム３の圧力供給管３１は各注油孔１２ａ、１２ｂに連通し、且つ該液圧システム３の復流管３２は該座体１０と該軸２の接続部分に接続されて、該間隙Ｈ部分より復流する液体を受け取る。この液圧システム３の技術は周知の技術とほぼ同じであるため、詳しくは説明しない。

本発明の注油孔、第１チェンバ一、第２チェンバ一はいずれも二つが一組とされる。本実施例中では、描画と説明に便利であるよう、それぞれ二つを例として説明するが、実務上設置される数量は、円周面の面積（孔の直径）により決定され、２の倍数を以て設置される。

該チャンネルの数量は第２チェンバ一と同数、或いは第２チェンバ一の数量の倍数が設置される。

図４を参照されたい。図４は本発明の使用状態表示図である。図中に明かに作用関係が表示されている。ゆえに、間隙部分は誇大された方式で描かれている。

軸２が垂直方向の作用力Ｆを受ける時、該軸２は下向きに偏り得て、これにより、該軸２と該円周面１１の下側の間隙Ｈ２は該軸２と該円周面１１上側の間隙Ｈ１より小さくなる。間隙Ｈ１が大きくなることにより、該第１チェンバ一１３ａ中の液体は比較的容易に間隙Ｈ１を通過し、該チャンネル１６ａの第１端１６１ａより進入し、さらに第２端１６２ａより対向する第２チェンバ一１５ｂ中に流入する。ただし、間隙Ｈ２が小さくなっているため、第２チェンバ一１５ｂ中の液体は間隙Ｈ２をとおり第１チェンバ一１３ｂに進入するか或いは外向きに排出されて液圧システムの復流管（図示せず）に排出されにくい。

このとき、液体は該第２チェンバ一１５ｂ中に蓄積して反対方向の推力Ｆｒ２を発生し、該軸２を上向きに押し上げて、該作用力Ｆに対向する。

同様に、別の注油孔１２ｂより第１チェンバ一１３ｂに進入する液体は間隙Ｈ２が小さくなったために、間隙Ｈ２をとおり第２チェンバ一１５ｂ或いはチャンネル１６ｂの第１端１６１ｂに進入しにくい。このため、液体は第１チェンバ一１３ｂ中に蓄積して反対方向の推力Ｆｒ１を発生し、該軸２を上向きに押し上げて、該作用力Ｆに対向する。

第１チェンバ一１３ｂ中の液体がチャンネル１６ｂの第１端１６１ｂに進入しにくいため、該チャンネル１６ｂの第２端１６２ｂより対向する第２チェンバ一１５ａに進入する液体は少なくなり、該第２チェンバ一１５ａの圧力が下がり、該第１チェンバ一１３ａ中の液体が該第２チェンバ一１５ａ中に補充され、これにより、各第１チェンバ一１３ａ、１３ｂ及び各第２チェンバ一１５ａ、１５ｂが十分な動態剛性を発生して該軸２を支持し、これにより該軸２が座体１０中で順調に動作する。

当然、前述の各第１チェンバ一、各第２チェンバ一及び各チャンネルは直接座体に加工される方式のほか、各構造をモジュール化して、組立の方式を採用して該座体中に取り付けることもできる。

このほか、各第１チェンバ一と第２チェンバ一は円形溝状形態に設計してもよく、これらの構造形態の簡単な変化はいずれも前述の実施例と同じ作用効果を発生することができる。

以上述べたことは、本発明の実施例にすぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲に基づきなし得る同等の変化と修飾は、いずれも本発明の権利のカバーする範囲内に属するものとする。

１自動補償静圧ジャーナル軸受
１０座体
１００孔
１１円周面
１２ａ、１２ｂ注油孔
１３ａ、１３ｂ第１チェンバ一
１４ａ、１４ｂ流量調節弁
１５ａ、１５ｂ第２チェンバ一
１６ａ、１６ｂチャンネル
１６１ａ、１６１ｂ第１端
１６２ａ、１６２ｂ第２端
２軸
３液圧システム
３１圧力供給管
３２復流管
Ｆ作用力
Ｆｒ１、Ｆｒ２反対方向の推力
Ｈ、Ｈ１、Ｈ２間隙

Claims

自動補償静圧ジャーナル軸受において、
座体であって、軸の取り付けに供される孔を具え、該座体は該孔が貫通することで円周面が形成され、該軸の表面と該円周面の間に液体流通に供される間隙を具えた、上記座体と、
少なくとも二つの注油孔であって、該座体の周囲より内向きに延伸された、上記注油孔と、
少なくとも二つの第１チェンバ一であって、各第１チェンバ一は互いに対向するように該円周面に設置され、各該注油孔がそのうち一つの第１チェンバ一に連通する、上記第１チェンバ一と、
少なくとも二つの第２チェンバ一であって、各該第２チェンバ一は互いに対向するように該円周面に設置され、並びに各該第２チェンバ一はそのうち一つの第１チェンバ一の隣に位置する、上記第２チェンバ一と、
少なくとも二つのチャンネルであって、各該チャンネルはそれぞれ第１端と第２端を具え、各該第１端は該円周面を貫通し且つそのうち一つの第１チェンバ一の隣に位置し、各該第２端はそれぞれ各該第１端が対向する該第２チェンバ一に連通する、上記チャンネルと、
を包含し、
各該注油孔と各該第１チェンバ一の間に、毛細孔スロットルとされる流量調節弁がそれぞれ設けられたことを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受。
請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該流量調節弁は該座体中に取り付けられるか該座体に加工されることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受。
請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第１チェンバ一は別の該第１チェンバ一に１８０度の位置で対向するように設置されることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受。
請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第２チェンバ一は別の該第２チェンバ一に１８０度の位置で対向するように設置されることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受。
請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該チャンネルの第１端は別の該チャンネルの第１端に１８０度の位置で対向するように設置されることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受。
請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第１チェンバ一は対応する該チャンネルの第１端の周囲に設けられ、各該第２チェンバ一は各該第１チェンバ一の周囲に設けられることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受。
請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第１チェンバ一は矩形或いは円形溝状形態を呈して各該チャンネルの第１端の周囲に設けられることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受。
請求項１記載の自動補償静圧ジャーナル軸受において、各該第２チェンバ一は矩形或いは円形溝状形態を呈して各該第１チェンバ一の周囲に設けられることを特徴とする、自動補償静圧ジャーナル軸受。