JP6994967B2

JP6994967B2 - 軸受装置

Info

Publication number: JP6994967B2
Application number: JP2018016783A
Authority: JP
Inventors: 収田口
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2022-02-04
Anticipated expiration: 2038-02-01
Also published as: US10677288B2; JP2019132392A; US20190234459A1

Description

本発明は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周にスクイズフィルムダンパを介して支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体とを備える軸受装置に関する。

かかるスクイズフィルムダンパを備える軸受装置は、有効な振動減衰効果が得られるスクイズフィルムの油膜厚さに制約があり、大きな振動負荷の入力により回転軸が径方向に移動してスクイズフィルムの油膜厚さが過小になると、その油膜が剛体化して有効な振動減衰効果が得られなくなる問題がある。また油膜の剛体化を防止するためにスクイズフィルムの油膜厚さを予め大きく設定すると、有効な振動減衰効果が得られないだけでなく、振動により回転軸が振れ回りし易くなる問題がある。

そこで、軸受メタルと軸受ケーシングとの間に一対の環状の同心化ばねを配置し、同心化ばねで軸受メタルと軸受ケーシングとの間に形成されるスクイズフィルムの油膜厚さを一定に保持することで、スクイズフィルムの油膜厚さが過小になるのを防止するものが、下記特許文献１により公知である。

特開平８－２６１２３１号公報

しかしながら、上記従来のものでは、大きな振動負荷が入力したとき、回転軸の大きな振れ回りによる力が同心化ばねや剛体化した油膜を介してケーシングに伝わり、ベアリング保持部材やケーシングの破損に繋がる問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、スクイズフィルムダンパを備える軸受装置の制振効果を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周にスクイズフィルムダンパを介して支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体とを備える軸受装置であって、前記スクイズフィルムダンパは、前記アウターレースの外周および前記ベアリング保持部材の内周間にフローティング状態で配置された環状マス部材と、前記アウターレースの外周および前記環状マス部材の内周間に形成された第１スクイズフィルムダンパ部と、前記環状マス部材の外周および前記ベアリング保持部材の内周間に形成された第２スクイズフィルムダンパ部とを備え、前記環状マス部材の重心位置は、その中心に対して偏心していることを特徴とする軸受装置が提案される。

なお、実施の形態のスリーブ４１は本発明の回転軸に対応し、実施の形態のボール４７は本発明の転動体に対応する。

請求項１の構成によれば、軸受装置は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周にスクイズフィルムダンパを介して支持されたアウターレースと、インナーレースおよびアウターレース間に配置された複数の転動体とを備えるので、重量のアンバランスにより回転軸が振れ回りして発生した振動は、軸受装置のアウターレースからベアリング保持部材に伝達される過程でスクイズフィルムダンパにより制振される。

軸受装置のスクイズフィルムダンパは、アウターレースの外周およびベアリング保持部材の内周間にフローティング状態で配置された環状マス部材と、アウターレースの外周および環状マス部材の内周間に形成された第１スクイズフィルムダンパ部と、環状マス部材の外周およびベアリング保持部材の内周間に形成された第２スクイズフィルムダンパ部とを備えるので、フローティング支持された環状マス部材が、偏心して振れ回りする回転軸に対して逆位相で偏心することで、回転軸に作用する遠心力を環状マス部材に作用する慣性力で相殺して制振効果を発揮させることができる。

その結果、回転軸の振れ回りにより発生した振動を、第１スクイズフィルムダンパ部および第２スクイズフィルムダンパ部だけでなく、偏心回転する環状マス部材により制振して更に高い制振効果を得ることができる。

また、環状マス部材の重心位置は、その中心に対して偏心しているので、環状マス部材の質量を増加させることなく、環状マス部材の重心位置の偏心量を増加させて制振に必要な慣性力を発生させることができる。

ガスタービンエンジンの全体構造を示す図である。（参考形態）図１の２部拡大図である。（参考形態）本実施の形態の軸受装置をモデル化した図である。（参考形態）環状マス部材の振動伝達率を示すグラフである。（参考形態）環状マス部材の斜視図である。（実施の形態）

参考形態

以下、図１～図４に基づいて本発明の参考形態を説明する。

図１に示すように、本発明が適用される航空機用のガスタービンエンジンは、アウターケーシング１１およびインナーケーシング１２を備えており、インナーケーシング１２の内部に前部第１ベアリング１３および後部第１ベアリング１４を介して低圧系シャフト１５の前部および後部がそれぞれ回転自在に支持される。低圧系シャフト１５の軸方向中間部の外周に筒状の高圧系シャフト１６が相対回転自在に嵌合し、高圧系シャフト１６の前部が前部第２ベアリング１７を介してインナーケーシング１２に回転自在に支持されるとともに、高圧系シャフト１６の後部が後部第２ベアリング１８を介して低圧系シャフト１５に相対回転自在に支持される。

低圧系シャフト１５の前端には、翼端がアウターケーシング１１の内面に臨むフロントファン１９が固定されており、フロントファン１９が吸入した空気の一部はアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に配置されたステータベーン２０を通過した後、その一部がアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に形成された環状のバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、他の一部がインナーケーシング１２の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ２２および遠心式の高圧コンプレッサ２３に供給される。

低圧コンプレッサ２２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２４と、外周にコンプレッサブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧コンプレッサホイール２５とを備える。高圧コンプレッサ２３は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２６と、外周にコンプレッサブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧コンプレッサホイール２７とを備える。

高圧コンプレッサホイール２７の外周に接続されたデフューザ２８の後方には逆流燃焼室２９が配置されており、逆流燃焼室２９の内部に燃料噴射ノズル３０から燃料が噴射される。逆流燃焼室２９の内部で燃料および空気が混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービン３１および低圧タービン３２に供給される。

高圧タービン３１は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３３と、外周にタービンブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧タービンホイール３４とを備える。低圧タービン３２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３５と、外周にタービンブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧タービンホイール３６とを備える。

従って、図示せぬスタータモータで高圧系シャフト１６を駆動すると、高圧コンプレッサホイール２７が吸い込んだ空気が逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービンホイール３４および低圧タービンホイール３６を駆動する。その結果、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６が回転してフロントファン１９、低圧コンプレッサホイール２５および高圧コンプレッサホイール２７が空気を圧縮して逆流燃焼室２９に供給することで、スタータモータを停止させてもガスタービンエンジンの運転が継続される。

ガスタービンエンジンの運転中に、フロントファン１９が吸い込んだ空気の一部はバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。またフロントファン１９が吸い込んだ空気の残部は逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６を駆動した後に後方に噴射されて推力を発生する。

次に、図２に基づいて後部第１ベアリング１４の周辺の構造を説明する。

低圧タービンホイール３６を支持するためのスリーブ４１が低圧系シャフト１５の外周にスプライン嵌合４２しており、低圧系シャフト１５の軸端外周に第１ナット部材４３を螺合してスリーブ４１を図２の左側に押圧し、低圧系シャフト１５の外周に形成した段部１５ａにスリーブ４１の内周に形成した段部４１ａを押し付けることで、低圧系シャフト１５にスリーブ４１が締結される。

後部第１ベアリング１４は、スリーブ４１の外周に嵌合するインナーレース４５と、インナーケーシング１２に設けられたベアリング保持部材４４の内周に保持されるアウターレース４６と、インナーレース４５およびアウターレース４６間に配置された複数のボール４７…と、ボール４７…を周方向に等間隔で保持するリテーナ４８とを備える。インナーレース４５はスリーブ４１の端部外周に螺合する第２ナット部材５０で図２の左側に付勢され、スリーブ４１の外周に形成した段部４１ｂに押し付けられて締結される。ベアリング保持部材４４はボルト４９…でインナーケーシング１２に一体に締結される。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０のネジの方向は相互に逆方向に設定される。すなわち、第１ナット部材４３が右ネジである場合には第２ナット部材５０は左ネジであり、第１ナット部材４３が左ネジである場合には第２ナット部材５０は右ネジである。第１ナット部材４３の端部外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第１溝部４３ａ…が周方向に等間隔で形成されるとともに、第２ナット部材５０の外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第２溝部５０ａ…が周方向に等間隔で形成される。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０間に配置される環状の連結部材５１は、円周方向に１８０゜間隔で配置されて第１ナット部材４３の第１溝部４３ａ…に係合可能な２個の第１突起部５１ａ，５１ａと、円周方向に１２０゜間隔で配置されて第２ナット部材５０の第２溝部５０ａ…に係合可能な３個の第２突起部５１ｂ…とを備える。

連結部材５１を第２ナット部材５０に係止するリングスプリング５２は、平坦な弾性金属板を略２回転に亙って環状に巻いたもので、その外周部が第２ナット部材５０の端部内周に形成した段部５０ｂ…に係合可能である。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０はネジの方向が相互に逆になっているため、第１ナット部材４３が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第２ナット部材５０を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが阻止され、逆に第２ナット部材５０が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第１ナット部材４３を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが同時に阻止される。

低圧系シャフト１５の後部をスリーブ４１を介して支持する後部第１ベアリング１４にはスクイズフィルムダンパ５３が設けられており、スクイズフィルムダンパ５３はアウターレース４６の外周とベアリング保持部材４４の内周との間にフローティング状態で配置された環状マス部材５４を備える。環状マス部材５４は、環状のリング部５４ａと、リング部５４ａの軸方向一端部を径方向内向きに膨出させて厚肉にしたウエイト部５４ｂとを備えており、クリップ５５でベアリング保持部材４４の内部に軸方向移動不能に保持されるが、アウターレース４６の外周とベアリング保持部材４４の内周との間に形成される隙間の範囲で径方向に移動自在である。

スクイズフィルムダンパ５３は、径方向内側の第１スクイズフィルムダンパ部５６と、径方向外側の第２スクイズフィルムダンパ部５７とを備える。第１スクイズフィルムダンパ部５６は、アウターレース４６の外周および環状マス部材５４の内周間に区画されてアウターレース４６の外周に設けられた一対のシールリング５８，５８でシールされた環状の油室５９からなり、第２スクイズフィルムダンパ部５７は、環状マス部材５４の外周およびベアリング保持部材４４の内周間に区画されて環状マス部材５４の外周に設けられた一対のシールリング６０，６０でシールされた環状の油室６１からなる。そして図示せぬオイルポンプが汲み上げたオイルが、ベアリング保持部材４４を貫通する油孔４４ａを介して第２スクイズフィルムダンパ部５７の油室６１に供給され、そこから環状マス部材５４を貫通する油孔５４ｃを介して第１スクイズフィルムダンパ部５６の油室５９に供給される。

図３は、本発明の軸受装置に含まれる環状マス部材の効果を説明するために剛体軸でモデル化したもので、回転軸（スリーブ４１）は一端が静止部（インナーケーシング１２）に支持され、他端に質量Ｍを有する第１マス（フロントファン１９）が固定される。回転軸の外周には質量ｍを有する環状の第２マス（環状マス部材５４）が径方向に自由に移動可能にフローティング支持される。回転軸に対しても支持系に対してもフローティング支持された第２マスは、バネ定数が極めて小さい仮想的なスプリングで回転軸および支持系に接続されていると見なすことができる。支点と第１マスの重心との距離はＬ１であり、支点と第２マスの重心との距離はＬ２である。

さて、例えば回転軸に固定されたフロントファンが何らかの理由で折損したような場合、第１マスの重心が回転軸の軸線から距離ｅだけ偏心することになり、遠心力で回転軸が振れ回りして振動が発生する。この回転軸の振動は後部第１ベアリング１４からスクイズフィルムダンパ５３に伝達され、第１スクイズフィルムダンパ部５６および第２スクイズフィルムダンパ部５７により制振された後にベアリング保持部材４４を介してインナーケーシング１２に伝達される。

このとき、本参考形態のスクイズフィルムダンパ５３は、フローティング支持された環状マス部材５４、すなわち図２に示す第２マスにより更なる制振効果を発揮する。以下、第２マスにより発揮される制振効果について説明する。

図４のグラフは、一般的に回転軸から支持系への振動伝達系の振動伝達率を、種々の減衰比に対して示すものであり、縦軸の振動伝達率は、回転軸から入力される加振力のうちの支持系に伝達される荷重の比を示し、横軸の角振動数比は、振動全体系の固有角振動数ω₀ に対する回転軸から入力される角振動数ωの比を示している。

径方向に移動自在にフローティング支持された第２マスは所定の質量ｍを有しているが、バネ定数が極めて小さい仮想的なスプリングで回転軸および支持系に接続されているため、その固有角振動数ω₀ は極めて小さい値となる。よってガスタービンエンジンの通常の運転領域におけるあらゆる種類の回転軸振れ回り角振動数ωに対して、角振動数比（ω／ω₀ ）≫１となるため、振動伝達率が１未満になる。つまり、回転軸の振動位相と逆位相の第２マスの慣性力が回転軸の振動を打ち消すことにより、ベアリング保持部材４４やインナーケーシング１２に振動が伝達しなくなる。

図３の剛体軸モデルにおいて、回転軸にフローティング支持されて回転軸と逆位相で振動する第２マスは、その重心が回転軸の軸線から距離ｄだけ第１マスの変位方向と逆方向に偏心する。このようにして第１マスの変位方向と逆位相の第２マスが角速度Ωで振れ回ると、第１マスに作用する遠心力と第２マスに作用する慣性力とが打ち消し合い、回転軸の振動が抑制される。

すなわち、第１マスに作用する遠心力はＭｅΩ² で与えられ、第２マスに作用する慣性力はｍｄΩ² で与えられるため、
ＭｅΩ² Ｌ１＝ｍｄΩ² Ｌ２
が成立すれば、言い換えると、
ｍｄ＝（Ｌ１／Ｌ２）Ｍｅ
が成立するように第２マスの質量ｍ、偏心量ｄ、取付位置を設定すれば、回転軸のモーメントをゼロにして最大の制振力を発揮させることができる。

弾性軸の場合でも同様に環状マスの慣性力が軸振動と逆位相に制振力を発揮し、特に弾性モードの最大振幅部位となる軸方向位置に環状マス部材をフローティング支持により投入することで、より大きな制振効果が得られる。

このようにして、フロントファン１９にアンバランスが発生し、低圧系シャフト１５と一体のスリーブ４１が振れ回りして振動が発生したときにも、その振動はスクイズフィルムダンパ５３の環状マス部材５４の慣性力により制振されてベアリング保持部材４４に伝達され難くなり、振動によるインナーケーシング１２の損傷が未然に防止される。

上述のようにして環状マス部材５４が制振効果を発揮するのと同時に、後部第１ベアリング１４のアウターレース４６および環状マス部材５４間の第１スクイズフィルムダンパ部５６が本来の制振機能を発揮するとともに、環状マス部材５４およびベアリング保持部材４４間の第２スクイズフィルムダンパ部５７が本来の制振機能を発揮する。

すなわち、図示せぬオイルポンプからベアリング保持部材４４の油孔４４ａを介して第２スクイズフィルムダンパ部５７の油室６１にオイルが供給されると、そのオイルの一部は更に環状マス部材５４の油孔５４ｃを介して第１スクイズフィルムダンパ部５６の油室５９に供給され、両油室５９，６１にオイルの薄膜よりなるスクイズフィルムが構成される。ガスタービンエンジンの運転中に低圧系シャフト１５が径方向に振動すると、その振動は低圧系シャフト１５と一体のスリーブ４１にインナーレース４５を支持された後部第１ベアリング１４のアウターレース４６に伝達される。

その結果、後部第１ベアリング１４のアウターレース４６の径方向の振動に応じて第１スクイズフィルムダンパ部５６の油室５９の径方向隙間の大きさが増減し、油室５９内のスクイズフィルムの粘性を有するオイルの流動および圧縮により発生する抵抗力で軸が制振され、その反力を環状マス部材５１が反力で受ける。第１スクイズフィルムダンパ部５６の制振力および環状マス部材５４自体の慣性力では除去しきれなかった振動は、第２スクイズフィルムダンパ部５７により同様に制振され、ベアリング保持部材４４からインナーケーシング１２への伝達が阻止される。

第１スクイズフィルムダンパ部５６および第２スクイズフィルムダンパ部５７が制振効果を発揮すると、振動エネルギーを吸収したオイルは発熱して温度上昇するが、温度上昇したオイルは第１スクイズフィルムダンパ部５６のシールリング５８，５８の合い口から逐次排出され、かつ第２スクイズフィルムダンパ部５７のシールリング６０，６０の合い口から逐次排出され、新たなオイルがオイルポンプから供給されることで、スクイズフィルムダンパ５３の制振機能が維持される。

以上のように、本参考形態によれば、環状マス部材５４の制振効果と、第１、第２スクイズフィルムダンパ部５６，５７の制振効果との相乗効果で、極めて高い制振性能を得ることができる。

実施の形態

次に、図５に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

参考形態の環状マス部材５４の形状は回転体であり、その重心位置は環状マス部材５４の中心軸に一致している。それに対し、実施の形態の環状マス部材５４はウエイト部５４ｂの周方向一部を径方向に肉厚にすることで、その重心位置が中心軸から径方向にずれている。

実施の形態の環状マス部材５４は、振れ回りするスリーブ４１の偏心回転に対して、重心位置の位相が１８０°ずれた状態で偏心回転する。このとき、実施の形態の環状マス部材５４は、その重心位置の偏心量が参考形態の環状マス部材５４の重心位置の偏心量よりも大きくなるため、制振のための大きな慣性力を発生することができる。よって、制振に必要な遠心力の大きさが同じであれば、参考形態に比べて環状マス部材５４の体積を小さくして省スペース化を図ることができる。

以上、本発明の参考形態と実施の形態とを説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の適用対象は実施の形態のガスタービンエンジンの後部第１ベアリング１４に限定されず、ガスタービンエンジンの他のベアリングに適用することも可能であり、ガスタービンエンジン以外の任意の用途のベアリングに適用することも可能である。

また実施の形態の後部第１ベアリング１４はボールベアリングであるが、ローラベアリングやニードルベアリングのような他種のベアリングであっても良い。

４１スリーブ（回転軸）
４４ベアリング保持部材
４５インナーレース
４６アウターレース
４７ボール（転動体）
５３スクイズフィルムダンパ
５４環状マス部材
５６第１スクイズフィルムダンパ部
５７第２スクイズフィルムダンパ部

Claims

回転軸（４１）の外周に嵌合するインナーレース（４５）と、ベアリング保持部材（４４）の内周にスクイズフィルムダンパ（５３）を介して支持されたアウターレース（４６）と、前記インナーレース（４５）および前記アウターレース（４６）間に配置された複数の転動体（４７）とを備える軸受装置であって、
前記スクイズフィルムダンパ（５３）は、前記アウターレース（４６）の外周および前記ベアリング保持部材（４４）の内周間にフローティング状態で配置された環状マス部材（５４）と、前記アウターレース（４６）の外周および前記環状マス部材（５４）の内周間に形成された第１スクイズフィルムダンパ部（５６）と、前記環状マス部材（５４）の外周および前記ベアリング保持部材（４４）の内周間に形成された第２スクイズフィルムダンパ部（５７）とを備え、
前記環状マス部材（５４）の重心位置は、その中心に対して偏心していることを特徴とする軸受装置。