JPH10500469A - 流体薄膜ベアリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は流体力学的薄膜ベアリングに関する。複数の円周上に隔置されたベアリング要素（２０）が設けられていてベアリングの回転部分を支持する区域を形成する。幾つかのベアリング要素（２０）は作動中に、流体薄膜の潤滑状態を変更するように調整可能である。ベアリング要素（２０）は十分に高い剛性を有しており、各要素のベアリング面全体の位置が、作動中に発生する流体薄膜の圧力とは本質的に独立している。ベアリング潤滑状態の完全な制御を可能とし、かつ速度および荷重を広範囲にわたり最適に調整できる。

Description

【発明の詳細な説明】 流体薄膜ベアリング 発明が属する技術分野 本発明は流体薄膜ベアリング、より特定すれば流体力学的ベアリングに関する 。発明の背景 流体力学的ベアリングの最も基本的な形態においては、ジャーナル部が間に小 さな半径方向間隙を有するハウジングに対して回転可能に装着されている。ジャ ーナル部及びハウジングの軸線は僅かな距離だけずれており、従って、作動時に 比較的低圧の潤滑油が適当な開口部を介してハウジング内に導入されたとき、ジ ャーナル部が潤滑油に摩擦抵抗力を発生させ、摩擦面の間の空間の楔形部分に潤 滑油を引込んで、収束性の薄膜を形成する。相対的に運動する両面の作用は収束 性の薄膜に比較的高い圧力区域を発生させ、この高い圧力区域は両方の摩擦面の 分離状態を維持する。 十分な膜厚の潤滑油の薄膜が生じるかどうかは多数の異なった状態に依存する 。かかるベアリングの作動中には、作動速度及び作動荷重のような要因は潤滑状 態に影響し、それ故ベアリングの性能に影響する。ベアリングの寿命に亙り、摩 耗もまたベアリングの性能に影響する。 流体力学的ベアリングに対する最近の取組みは分割（セグメンタル）ベアリン グの形態を含んでいる。このベアリングの表面は複数の円周方向に間隔を置いて 配置されたパッドで形成されている。各パッドはハウジングに支持されており限 定された枢動運動を行い、そして作動中にパッドが傾斜するため、流体薄膜圧力 によりベアリングに作用するモーメントが均衡する。 傾斜パッドベアリングとして公知のこの形式のベアリング構造の例が、米国特 許出願明細書第４７１４３５７号、４４９００５４号、及び４６３６０９５号に 開示されている。 傾斜パッドベアリングは異なった分野の多様のものが出願されているが、これ らは高い回転速度の場合及び横向きの荷重を受けた場合に特に欠点を表す。高速 度で、かつ特に無負荷又は低負荷状態のとき、回転軸の振動が顕著となる。更に 、横向きの荷重の下で回転軸の偏心率（ハウジングの軸線からの回転軸の軸線の 距離）がかなり変動する。これらの事柄は、分割ベアリングが振動と傾斜パッド の枢動による横方向モーメントを伴うという事実に基づく。無負荷時の設定値（ しばしば予負荷として知られている）を変化させるようにシムを設けることとは 別に、ベアリングの作動状態に介入して制御することができない。このことはベ アリングを除去して廃棄することにもなる。更に、流体薄膜において流体力学的 潤滑油圧力が低いから、始動時及び減速時のような低速での負荷容量が極めて低 くなる。 別の流体薄膜ベアリングの構成がドイツ特許第１０１０５４７号に開示されて おり、この特許では、回転軸を取り囲んで、円周上に間隔をおいて配列された一 連のベアリング要素が装着されており、このベアリング要素は連結された一連の 圧力室と当接して半径方向変位を制限する。回転軸の振動のような相対的な変位 は、各要素がそれ自身の均衡位置を見いだすことが可能であるという事により効 果的に減衰される。この均衡位置は関連する圧力室により生じる力と流体薄膜圧 力から生じる反対方向の力の間のバランスにより決定される。このような構成は 流体薄膜の状態を正確に制御する手段を与えない。瞬間の流体薄膜圧力がベアリ ング要素の瞬間位置を決定するように作用するといわれている。 他のベアリング及びその製造方法がドイツ特許第１２５１１６０号に開示され ている。この特許では、複数のベアリング面が回転軸を支持する。ベアリング面 は、ベアリングを組立中に、半径方向に移動することが可能であり、次に、ベア リング面はベアリング面の位置を設定するべく支持リングに固定される。このベ アリングにはいかなる形式の調整も不可能であるか又はその示唆もされていない 。 上記に代わる形態の流体力学的摺動ベアリング及び、特に空気のようなガスに より適切に潤滑するベアリングがフォイルベアリングとして知られている。フォ イルベアリングは、複数の可撓性ベアリングフォイルが回転軸を包むように回転 軸に予荷重を与えて装着されていて、収束性の区域を発生させて高圧の支持ガス 薄膜を与える。この高圧の支持ガス薄膜は回転軸の面をフォイルにより設けられ た面から分離する。 そのようなベアリングは米国特許第４４４５７９２号に開示されており、そこ において、全フォイルの共通の予荷重が、ベアリングパラメータに応答して自動 的に若しくは他の方法でベアリング剛性を変化させるように、単一の操作又は連 続操作で調整される。この米国特許の明細書に記載のベアリングは作動中でも有 用な調整がなされるが、流体薄膜内の正確な潤滑状態に対して提供される制御は 極めて限られている。これは、可撓性のフォイルが機械的に変形しやすいこと、 即ち、予荷重が変化したときでも、フォイルの曲げ剛性が低く、従ってフォイル の形状がフォイルにかかる力のバランスにより決定されることによる。フォイル の形状は、それ故、予荷重、フォイルの当初の幾何学的形状及び材料の特性には 依存せずに、流体薄膜圧力分布に依存する。かかるベアリングのそれぞれのフォ イルの半径方向可撓性による流体薄膜厚さの変化は同じ大きさであるか又は流体 薄膜それ自身の厚さより大きい場合もある。 米国特許第４８１５８６４号には、引張フォイルベアリングが開示されており 、その特許には、３つのフォイルの各々の引張力が面間の流体薄膜の形状を独立 して調整できる。この方法では、回転軸の回転中心を維持し又は望みどおりに移 動するように選択的な調整が可能である。このフォイルもまた変形しやすい。流 体薄膜の形状は、他の要因の中でもフォイルの可撓性により決定される。この形 状は選択的に制御することはできないが、ベアリングそれ自身の状態、特にオイ ルフォイルの圧力に依存する。この理由は、米国特許第４４４５７９２号のベア リングと同様に、調整は作動中の流体薄膜に作用する力（即ち、予荷重又はフォ イル引張力）の調整によるという事実に基づいている。発明の概要 多数の出願において、現存する流体力学的ベアリングは十分広い速度及び荷重 状態の範囲に亙りベアリングの特性を制御しないということが見いだされる。従 って、本発明は、潤滑状態がより十分な方法で制御できるベアリングを提供する ことである。 本発明によれば、作動中に潤滑流体の薄膜上にベアリングの回転部分を支持す る手段を有する流体力学的ベアリングを提供することであり、この手段は複数の 円周上に間隔を置いたベアリング要素を備え、このベアリング要素は、回転部分 を支持する区域を形成するそれぞれのベアリング面と、作動中に流体薄膜の潤滑 状態を変化させるように調整可能な少なくとも幾つかのベアリング要素とを有す る。この場合、調整可能なベアリング要素は十分に高い剛性を有しており、従っ て、ベアリング要素の全ベアリング面の位置が作動中に増大する流体薄膜の圧力 とは本質的に独立している。 本発明のベアリング要素を設けることにより、作動中の調整が可能であり、潤 滑状態は所望通りに制御できる。本発明の要旨は、公知の調整可能なベアリング とは異なり、要素のベアリング面の位置が本質的にベアリング面の幾何学的形状 によってかつ選定される調整の程度によってのみ決定されるようにベアリング要 素が構成され、また該ベアリング要素は本質的に剛性がある、という事である。 換言すれば、各調整可能な要素は選択的な調整以外によっては動作し得ない。こ の調整はベアリングの作動中にすることができる。一つの要素のベアリング面に 入力されるそのような位置により、潤滑状態の完全な制御が以前では達成されな い精度になることを可能にする。調整は連続的に変えることができ、調整の増分 に対する下限はないことを意味する。フォイルベアリングとは異なり、調整は力 を調整するよりも位置を調整することにより行われる。 ベアリング内の状態に関する総合的な制御に対しては、調整可能な要素が相互 に独立して調整できる。本発明の好ましい形態では、各調整可能なベアリング要 素は第１の調整方向に垂直な軸線の周りに効果的にヒンジ付けされている。これ は実際に機械的なヒンジにより達成されるが、調整可能なベアリング要素はベア リングの一部に一体に形成されていて、ベアリングに対して要素の位置が調整で き、ベアリングと要素がヒンジを形成する薄い部分により連結されていることが 望ましい。更に、調整は、ヒンジの位置が作動中に調整できるように配置するこ とによりなされる。 調整可能なベアリング要素の調整手段はベアリング要素に作用する支持を備え 、この支持の調整方向の長さは選択的に変更できることが望ましい。 適当な場合、各支持が２つ又はそれ以上の支持要素を備え、この支持要素が相 互に独立して調整されていてベアリング要素のベアリング面の全ての位置に亙り 更に高い程度の制御を与える。これらの支持要素は長手方向に、円周方向にかつ 半径方向に相互に間隔をおいて配置されている。テーパ部分を有するネジ付きの 軸が支持を与えるべく使用されてもよく、このテーパ部分はベアリング要素と係 合する。この場合、ネジ付きの軸はベアリングにネジで装着されており、軸の回 転によりテーパ部分が前進することにより、支持寸法を変更する。 その代わりに、支持がベアリング要素と係合する可動の楔形部材で与えられて もよい。 本発明の一つの形態として、ベアリングの回転部分は固定された外側のケース 内で作動するように装着された軸のジャーナルとなっている。調整可能なベアリ ング要素は該ケースに装着されかつケースに対して調整可能である。本発明の別 の形態では配置が逆となっており、ベアリングの回転部分は内側のステータの周 りで作動するように装着されている。本発明の更に別の形態では、回転部分は軸 のジャーナルであるか又は外側のロータであり、調整可能なベアリング要素は該 回転部分に装着されかつ回転部分に対して調整可能である。 流体力学的ベアリングは少なくとも３つの調整可能なベアリング要素を備えて いる。 ベアリング要素は半径方向に調整可能であってもよい。加えて、少なくとも一 つの調整可能なベアリング要素は、軸線方向スラスト容量を与えるように運動の 軸線成分に対して調整できる。この発明はまたスラストベアリングにも適用でき 、この場合、ベアリング要素は軸線方向に調整されベアリングの回転部の横断方 向平坦面を支持する。 ベアリングは回転機械の一部であり調整可能なベアリング要素が機械の作動状 態により自動的に決定されることが望ましい。この目的のため、各調整可能なベ アリング要素は荷重センサ及び／又は変位センサを備えることができる。図面の簡単な説明 本発明をより明確に理解するため、及び如何に実施されるか説明するべく、単 に例示として添付図面を参照する。 図１は本発明によるベアリングの断面図である。 図２ａ及び図２ｂは図１の実施例の変形例であって、横断方向及び長手方向の 断面図である。 図３ａ及び図３ｂはベアリング要素の整可能な支持の一つの形態を表した図で ある。 図４ａ及び図４ｂは本発明の他の実施例によるベアリングを示した図である。 図５はベアリング要素の調整可能な支持の構成を示した図である。 図６ａ及び図６ｂはベアリング要素の変形例を示す図である。 図７は本発明をスラストベアリングに適用した例を示す図である。発明の詳細な説明 図１は固定された外側ケース１０と回転可能な中央のジャーナル（図示されて いない）ベアリングは、外側ケース１０に装着されかつジャーナルを取囲んで円 周方向に間隔を置いた扇形のパッド２０の形状をした複数（図示では４個）のジ ャーナル支持要素を有している。各パッドは内側のベアリング面２２の孤状の部 分を具備している。各パッドはベアリング構成要素２４全体の一体部分を形成す る。このベアリング構成要素２４は更に外側ケース１０に堅固に固定されたベー ス部分２５に特徴を有する。パッド及びベース部分は薄い部分２３で接合されて おり、従って、各パッドはケース１０の中心軸線１１に平行な軸線の周りに、薄 い部分２３により外側ケース１０に効果的にヒンジ付けされている。 加えて、調整可能な支持２６が各パッド２０とベース部分２５の間に設けられ ている。ベアリング調整において薄い部分２３の撓みによりベアリング面２２を 変位させるように支持２６が配置されて、薄い部分２３により与えられる軸線の 周りにベアリング面を枢動させる限り、パッドの後側（ベアリング面２２から離 れる側）の調整可能な支持２６の正確な配置は厳密には重要ではない。試作品の 試験では、支持はパッドの後側の所定位置に配設されており、この位置は、パッ ドのベアリング面側の最大潤滑油薄膜圧力に対応していて、ヒンジから孤長の約 ２／３の距離に設けられた。 内側ベアリング面２２（図１）はパッドのベアリング部分２１に設けられてお り、かつこれらベアリング部分は一層のホワイトメタルをパッドの面に鋳込んで 形成され、内側面を所望の形状に機械加工してもよい。それ故、作動中は、パッ ド２０のベアリング面２２が回転ジャーナルの円筒状外面と共に、それぞれの潤 滑区域を形成し、その潤滑区域により、ジャーナルが流体圧力の下で支持されて 外側ケース１０に対して回転する。ジャーナルが回転中に、即ちベアリングが作 動中に、各調整可能な支持２６をベアリングを取除くことなく独立して制御可能 に調整することができる。支持２６を調整することにより、適正なベアリング面 ２２とジャーナルの間の収束性の流体薄膜が調整されて、潤滑状態を制御する。 パッドが極めて高い剛性を有し、支持が変形しないため、ベアリング面全体の位 置は流体薄膜の流体圧力とは本質的に無関係であり、フォイルのような可撓性の ベアリング要素とは異なり、ベアリングの作動中に従来達成できない程度の精度 まで制御できる。 例えば、一つ又はそれ以上のパッドを動かすことにより（共通の方向に調整さ れる２つの直径方向に対向するパッドのように）、回転しているジャーナルの中 心線をケースの中心線１１から所望の位置までずらせることができる。ジャーナ ルの偏心率に関する制御に代えて、又はそれに加えて、ベアリング全体の剛性が パッドの幾つか若しくはそれら全てにより内側方向に増大される。パッドの位置 の調整は手動により若しくは遠隔的に制御される。それに代えて、作動状態に関 する信号を提供する制御装置により自動的に制御されてもよい。例えば、調整可 能な支持２６の変位及び加速度又はそれらいずれか一方は、ジャーナルの中心線 の位置を表す信号に応答するマイクロプロッセサ制御の出力で決定されることが できる。この方法で回転軸線の所望の位置が全ての条件で、例えば精密機械工具 の軸に作用する横方向荷重の下で又は厳しい回転速度のとき発生するジャーナル の軸線の軌跡の変形の下で、維持できる。それに代えて、又はそれと共に、ベア リング全体の剛性をジャーナル速度を表す信号に応答してマイクロプロッセサ制 御ユニットで制御して、厳しい領域（例えば低速度領域若しくは共振領域）で剛 性を増加させ、若しくは計測された荷重を表す信号に応答して剛性を増加させる （これは、高速でかつ極めて低い又はゼロ荷重の状態で発生する可能性のある不 安定性を回避するためである）。 図１に示すベアリングは、図２ａに示すように、ベース部分２５を不要にして ケース１０と各パッドを一体に形成することによりかなり簡単化することができ る。本図では、複数のベアリングパッド２０のほんの一つが図示されている。軸 線方向の油供給通路３０が設けられており、この通路３０は、ＶＧ３２鉱物油の ような適切な潤滑油を複数の供給口３１からジャーナルとベアリング面２２の間 に注入することができるように配置されている。複数の供給口３１は各収束する 流体薄膜ウエッジの前縁に沿って軸線方向に分離されている。油供給通路３０は 円周上の共通の油流路３２から供給される。一旦油が間隙から流出したとき、別 の開口部及び流路（図示しない）が潤滑油を共通の流路に戻すことを可能にする 。ベアリングは従って自己収容されること、即ち、ベアリングが自身で潤滑して 外部からの油の供給を要しないことに、注目するべきである。かかる潤滑油供給 構成は以前から公知のものでありこれらの構成は本発明の特徴部分ではない。 図２ｂは同じ構成を長手方向から見たものであり、２つの軸線方向に隔置され た調整可能な支持２６が各ベアリングパッド２０に設けられていることがわかる 。２つの支持を使用することによりもたらされる剛性は、厚さを減少させたパッ ドを使用することを可能にし、加えて、ベアリングパッドのベース部分２５を省 略したことによりスペースの節約が達成され、そしてこれら２つの支持は所定の 寸法のジャーナルを要するベアリング全体の直径をかなり減少させる。 周期的な半径方向運動を調整可能な支持２６を介してパッドに伝えることによ り、潤滑油は存在しているがジャーナルが回転していないとき、油の薄膜を間隙 に形成しかつ圧力を発生させることができる。このようにして発生した流体力学 的圧力は、ジャーナルが回転しないとき、ジャーナルとベアリング面２２とを分 離させる。 いかなる数のパッドも本発明を実施する場合に使用できるが、ジャーナル軸線 の十分な調整を行うには最低のパッド数は３である。調整可能な支持２６及びベ アリングパッド２０もしくはそのいずれかは、荷重センサ及びベアリングの作動 の監視を可能にする変位センサ若しくはそのうちのいずれかを設けて、適当な場 合には、自動ベアリング制御装置のための入力信号を提供するようにしてもよい 。 試作品のベアリングによる試験では、以下のような寸法と材料が使用されかつ 満足のいく態様で作動することが分かっている。 ジャーナル直径 ４７．６ｍｍ パッドの軸方向長さ ２５．４ｍｍ パッドのベアリング面で定められる角度 ４０度 （孤長 １８ｍｍ） 試験されたパッドの最大傾斜 ０．１４度 （後縁での０．０４５ｍｍ半径方向移動に相当） 油供給部の配置 ０．５ｍｍ直径の各々に対して５ジェット 材料： 本体− 軟鋼 ベアリング面−ホワイトメタル 調整可能な支持２６の別の形態も、使用される装置が所望の機能を果たす場合 、即ち、ベアリング面２２の非弾性的な変形の場合には、可能であある。そのよ うな装置の一つはパッドと係合するテーパ部分を有する軸であり、この軸は外側 ケース１０の適当な部分（図示しない）にネジ係合により装着されていてケース の外側から接することができる。従って、軸の回転によりテーパ部分を軸方向に 前進させたり後進させたりでき、それにより、パッドに作用する支持の半径方向 寸法を増大し又は減少し、かつ外側ケース１０に対してパッド２０を変位させる 。この装置は、作動中に（即ちベアリングジャーナルが回転中に）調整する手段 を設けるように構成される一方、一旦調整した後はパッドはその位置に堅固に固 定されるため、簡易かつ信頼性のある方法で所望の機能を果たす。 協働するウェッジを配置した構成の別の調整可能な支持が図３ａに図示されて いる。ベアリングパッド２０は楔の形をした支持要素２６に支持され、この支持 要素２６はそれ自身がベアリングケース１０に設けられた傾斜面２７に支持され ている。傾斜面２７及び支持要素２６の相補的な面は平坦でありかつ図示のとお り軸方向に対して角度θで配設されている。支持要素２６はまた平坦な支持面２ ８を有していてパッド２０の後面と係合する。ベアリングパッドの後側に長手方 向のトラックが形成されている機械加工された空洞部Ｒが支持要素２６を確実に 位置決めする手段を提供する。図３ｂには調整可能な支持の構成を示す断面が示 されている。調整は支持要素２６と接触するネジ２９によりなされる。ネジの回 転により、支持要素がケースに対して軸方向に移動する。それにより、支持面２ ８が半径方向に移動し、そしてパッドのベアリング面２２の位置が調整される。 本発明の他の実施例が図４ａに示されている。この図では、ベアリングの回転 部は外側のロータ（図示しない）であり、ベアリング要素は内側の固定されたス テータに設けられる。ステータは加工された金属の中実の円筒形状片で形成され ていてベアリングの構成要素である。図４ｂは同じベアリングをＢ−Ｂ面を通る 断面で示したものである。 ベアリングは、適当な機械加工で概ねＵ字形の溝４１の形状に材料を除去する ことにより、ステータ片から加工されたパッド４０の形をした複数の（図では４ 個）ベアリング要素を有する。従って、パッド４０はステータ３９と一体に残さ れている。内側の回転ジャーナルを有する実施例に関して記載したものと同様な 態様で、調整可能な支持４６はパッド４０の位置を制御するように設けられてい る。これら調整可能な支持はテーパ状の支持部分を有する軸の形態をしておりか つ、ステータ３９にネジで係合し端部４７でステータの外側から調整できる長い ネジ部分を有する。軸を回転することにより、テーパ部分は軸方向に前進されて 支持部分での軸の直径を変更し、それによりパッド４０を半径方向に変位させる 。また、図示の長手方向の浅い溝４８が各パッドの前縁に加工されていて細長い 溝を形成しており、その細長い溝に、潤滑油が油供給通路４９及び開口部５０に より供給される。ステータ全体は、調整軸を除いて全てのベアリング構成要素を 含み、同様に潤滑油移送手段が一体的に形成されていることに注目するべきであ る。このような構成は多数の異なった構成要素を組立てたものより多くの利点を 有する。 本発明の形態を実施するにはだた一組のパッドしか要しないが、図４ａのステ ータは相互に軸方向に離隔した２組のパッド４０及び４０ａに特徴を有する。２ 組のパッドの間の中間に別のベアリング、即ち、円周上に隔置された４つの略矩 形の浅い空洞６１を備えた静的流体ベアリング部分６０が配設されている。静的 流体ベアリング部分６０は圧力の下で潤滑油の供給手段（図示されていない）と 共に公知の方法で作動する。従って、始動のとき、及び流体力学的薄膜がパッド ４０／４０ａとジャーナルの間に形成される速度に達するまで、ジャーナルが十 分に支持される。 ベアリングは内側の回転ジャーナルを有する実施例の場合と同様に作動する。 ２つの軸方向に離隔された組の半径方向に変位可能な８つのパッド４０／４０ａ の全ては、作動中に独立して調整でき、ロータの回転軸の軸方向角度の整合性並 びに偏心率は正確に制御される。 パッド断面形状は図４ｂに示されている。パッドの変位は金属の限定された可 撓性により達成される。但し、材料及び幾何学的形状は、パッドのベアリング面 の形状及び位置が流体薄膜の状態の変化には本質的に影響されないように、なさ れる。明らかに、どの材料も表面の圧力の影響により完全に変形しないものはな い。本質的に影響を受けないとは、パッドが十分に剛性であり、ベアリング面の いずれの部分におけるいかなる位置の変形も流体薄膜それ自身の厚さよりかなり 小さい、ということを意味する。この特性は本発明の全ての実施例に対して共通 のものである。それ故パッドは、フォイルベアリングのようなベアリングにおい てよくあるような潤滑状態への順応性はない。このように、パッドの機械的特性 は作動時の調整可能な支持４６の変形を許容することにより、ベアリング面とジ ャーナルの間の潤滑状態を制御する一方、これらの潤滑状態はパッドそれ自身を 変形するように作用することな不可能である。このことは要求される完全なかつ 正確な制御を可能とする。 加えて、パッドの断面形状は、作動時にベアリング面の形状に影響を及ぼすこ となく、作動中にパッドを横切る応力を平衡するように決定できる。 試作品の試験では、以下のような寸法と材料が使用された： ステータ直径 ７０ｍｍ パッドの軸方向長さ ２５．４ｍｍ パッドのベアリング面で定められる角度 ７２度 試験されたパッドの最大半径方向変位 ０．０３５ｍｍ 材質： ロータ ホワイトメタル被覆のベアリング面を有する軟鋼 ステータ 軟鋼 本発明によるベアリングについての及びコンピュータモデルにおける進展結果 では、極めて広範囲の作動状態に適応するには小さな変位（傾斜角度）しか必要 でない、ということが示されている。パッドは実際は機械的ヒンジにより一つの 縁部の周りで枢動するように配置されかつ装着される。このような場合、パッド の部材の変位は要求されないから、パッドは理論的に無限の剛性を有する部材と してもよい。そのような構成の欠点は複雑さが増すことであり、特に、パッドの 変位は弾性的でなく、また半径方向支持寸法が減少したとき、パッドを積極的に 回収する装置を備えることが必要である。 本発明のベアリングは慣用の流体薄膜ベアリングを越える次のような利点を有 する： １． 回転部材の中心線の位置が、回転を停止させることなくベアリングの作動 中でも調整できる（例えば、中心線の位置を維持すること）。これは安定した状 態で（例えば単一の機械で異なった用途に対して）有効であり、若しくは制御装 置による動作に応答する場合に有効である。 ２． 静的及び動的な特性（回転部材の中心の偏心率及び中心線の傾き、剛性、 減衰率）を、回転を停止させずにベアリングが作動中でも変更でき、更に望むな ら、自動制御により可能である。 ３． 摩耗の影響を補償することができるため、ベアリングの作動寿命の間中特 性を維持できる。 ４． ベアリングは、特に低速での又は高速無負荷での不安定性を回避する手段 を設けている（剛性と減衰率を調整することにより）。 ５． ケース／ステータに対する回転要素の位置は殆ど狭い制限内に維持できる ため、ベアリングシールは従来必要とされた交差を有する必要はない。 ６． 流体薄膜状態の制御は作動中に上昇する潤滑油温度を低減できる。かかる 要因及び他の要因により臨界的な高速で作動させることができる。 ベアリングの回転部分に調整可能なベリング要素を設けることも可能であり、 この回転部分は内側の軸又は外側のロータでもよい。明らかに、作動中にベアリ ングを調整する幾つかの手段を設ける必要があり、この手段は回転部分それ自身 の中に完全に収容されるか、もしくはベアリングを遠隔的に調整するべく回転部 分の中に収容された制御ユニッに信号を送る手段を備えるようにしてもよい。例 えば、整流手段がベアリング内に内蔵されるか、もしくは無線リンクが使用され てもよい。上述の実施例で記載された傾斜による変位に加えて、かかる変位は間 隙内に形成される楔形の流体薄膜の収束度を増加し又は減少させる好ましい効果 を有する。作動中に半径方向に直線的にベアリング要素を調整することができる ため、ベアリング面の間の角度を変更するのはなく、単にそれらの間の分離間隔 を変更する。このことは傾斜による変位に取って代わるものであるが、傾斜する ベアリング要素の効果的なヒンジの位置を半径方向に調整することにより、双方 の形態の変位を結合することが望ましい。流体薄膜の厚さと形態の双方をこの方 法で同時にかつ連続的に変化させて、ベアリング面の間隙空間内の潤滑状態をよ り広範囲に制御する。 別のベアリング要素の構成が図５に示されている。このベアリング要素は各ベ アリング要素５０について２つの調整可能な支持５６ａ及び５６ｂを特徴とする 。ベアリング要素は図示の通り横断方向断面がＳ字形であり、２つの有効なヒン ジ部分５３ａ及び５３ｂが設けられ、そして各ヒンジ部分における調整はそれぞ れの調整可能な支持を作動することによりなされる。支持５６ａ及び５６ｂを調 整することにより、ベアリング面５２の半径方向変位と傾斜角度は比較的広い区 域に亙り完全に制御できる。 上述のような調整形態に加えて、調整可能なベアリング要素若しくはパッドを 、それらが傾斜の軸線方向成分を有して動作できるように配置することができる 。換言すれば、パッドのベアリング面はパッドが支持されるベアリングの部分の 中心線に平行に保持されるのではない。流体薄膜力の軸方向成分がこのようにし て発生して結合されたジャーナル／スラストベアリングが提供される。軸方向ス ラスト容量は、例えばジャーナルにかかる長手方向力に抵抗するように、使用す ることができる。その代わりに、傾斜運動の軸方向成分で調整可能なパッドを使 用して、対向する組のベアリング要素又は図４ａに示されたベアリング要素のよ うな複数組のベアリング要素のために、軸方向に自己調芯するスラスト作用を与 えるようにすることができる。ベアリング要素の調整は半径方向であるが、パッ ドの傾斜は、パッドが支持されるベアリングの部分の中心線に対して横向きの軸 線の周りになされる。 この目的のため、ベアリングパッド６０は図６ａ及び図６ｂに示されている。 パッドは、独立して作動できる軸方向に隔置された２つの調整可能な支持６６に より支持される。パッドは、図示の通り、支持６６の個別調整により捩り変位に よる軸方向成分の調整が行われるような形状になっており、従って、ある程度の 軸方向ベアリング容量をもたらす。ベアリングパッドは、同様に、一旦所望の位 置に移動されるように設計されているが、その後の調整が選択されるまで、パッ ドはその位置に固定される。ジャーナルの部分が円錐台の形状であって、ベアリ ング要素がベアリング面とジャーナルの円錐部分の表面の間に流体薄膜を与える ように配設されている場合には、円錐ベアリングにも適用できる。 本発明はスラストベアリングの流体力学的潤滑にも適用でき、この場合、スラ ストベアリング面は、例えば、ジャーナル装着用カラーの上で作動する。スラス トベアリングは従来から固有の問題を抱えていた。その問題は、カラーの表面と 当接する流体薄膜の垂直面が生成されかつ維持される精度が流体薄膜の厚さと同 じ大きさであるということである。このことは、製作交差、温度および作動中に 発生する弾性変形によるものであり、かつ回転斜板動作（ｓｗａｓｈｐｌａｔｅ ｍｏｔｉｏｎ）として知られている問題を生じさせる。 流体薄膜スラストベアリングの公知形態の一つは、傾斜パッド配設を内蔵して いる。この場合、平坦な摺動面の一つは多数の部分に分割されており、速度と過 重に応じて流体力学的圧力分布に合致するために、各々の該分割された部分は対 向する面に対してある角度で一定の位置を取る。本発明によると、これら従来の 傾斜パッドベアリング要素は、軸方向に調整可能であって選択的な調整以外では 動かされ得ないように設計されかつ装着されたベアリング要素により置換でき、 この調整はベアリングの作動中になされ得る。ジャーナルベアリングの場合のよ うに、スラストベアリング要素の一つのベアリング面に対する位置の入力は、流 体薄膜状態に亙り、即ちベアリングの作動中終始、正確な制御を可能とする。そ れぞれのベアリング要素のベアリング面の位置は、回転斜板動作と呼ばれる現象 を回避するか最小限にするように調整される。従って、ベアリングの信頼性が増 大しかつ動力の消費が減少する。例えば、各ベアリング要素は荷重センサを備え ていてもよく、また、ベアリングには自動制御装置が設けられて、全ての要素間 の荷重の均等な配分を作動時間に亙り提供するようにしてもよい。加えて又はそ れに換えて、本発明の装置を、ジャーナルの軸方向位置の調整を可能としかつベ アリングの軸方向剛性と減衰率を増大するように使用してもよい。 図７はスラストベアリングに適用される本発明の実施例を図示している。この 図において、ベアリングパッド７０は軸８２の一体部分であるスラストカラー８ １の横方向平坦面８０に対して調整可能である。この図は、各組のそれぞれのパ ッドがカラー８１の両側に設けられた状態で、対向する対で配設されたベアリン グパッドを示している。パッドは調整可能な支持７６により調整される。この実 施例では、４組のベアリングパッドベアリングの周縁に等間隔で配列され、第２ の組のパッド７０が図示されている。各パッドは、平坦なベアリング面が設けら れていて、図６ａおよび図６ｂに図解的に示されたパッドと形状が近似している 。第３の調整可能な支持は各パッドについて設けることができ、有効なヒンジの 位置を調整できる。従って、第３の支持を別個に調整することにより、上述の回 転斜板動作に適応することができる。 調整可能な支持２６、４６、６６および７６は多くの形態を取ることができる 。既に述べた２つの形態（軸線方向に可動のテーパ軸および協働するウェッジの 構成）は可能性なほんの２例にすぎない。非弾力的な位置の入力を可能とする他 の形態も、半径方向もしくは軸線方向の支持の寸法を変更するべく回転可能なカ ム、電気的変動に応答して半径方向もしくは軸線方向の寸法を歪むことなく変更 するべく配設されたピエゾー電気要素、および磁気−歪み装置を備えている。 本発明は、当業者には明白であるように、多数の異なった適用例を有する。た とえば、構成要素の製造におけるより高い精度に対する要求が増えており、それ で、本発明はかかる製造に使用される機械工具の作動において正確な制御を可能 とする。特に、本発明のベアリングは、極めて正確な軸の位置制御（ヘリコプタ のトランスミション）が要求されることにより、従来からローラ要素ベアリング が使用されていたような事態にも使用することができる。このような顕著な利点 は、流体薄膜ベアリングがローラ要素ベアリングの最小限の油膜厚より更に大き な油膜厚を有し、従って異物による損傷に対するベアリング構成要素の脆弱性を 減少する、という事実による。最小限薄膜厚さはロール要素ベアリングに含まれ るものより１５倍であることが研究により分かっている。 本発明の限定されない他の適用例は印刷ローラ、搬送コンベヤ、タービン、コ ンプレッサ、ポンプ、航空機および舶用エンジン、減速装置及びその他の要素の ような設備を含む。本発明は、特に広い速度範囲を有する機械にも使用される。 食品工業、コンピュータ駆動装置、ガスタービンの分野で使用される機械のよ うな、潤滑油による汚染の回避が非常に重要な環境における、ガスベアリングに も有用に適用されることが分かっている。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年４月２４日 【補正内容】 原文第３ページ第８行ないし第３３行まで、 翻訳文第３ページ第１４行ないし第４ページ第７行までの記載を補正する。 米国特許第４８１５８６４号には、引張フォイルベアリングが開示されており 、その特許には、３つのフォイルの各々の引張力が面間の流体薄膜の形状を独立 して調整できる。この方法では、回転軸の回転中心を維持し又は望みどおりに移 動するように選択的な調整が可能である。このフォイルもまた変形しやすい。流 体薄膜の形状は、他の要因の中でもフォイルの可撓性により決定される。この形 状は選択的に制御することはできないが、ベアリングそれ自身の状態、特にオイ ルフォイルの圧力に依存する。この理由は、米国特許第４４４５７９２号のベア リングと同様に、調整は作動中の流体薄膜に作用する力（即ち、予荷重又はフォ イル引張力）の調整によるという事実に基づいている。 調整可能な分割ベアリングが米国特許出願第１７４０４２号に開示されている 。これは、調整によりおよび外側溝に配置された締結ネジにより曲げることがで きるタブで形成された分割式ベアリング面を有する平面ベアリングについて記載 している。このベアリングは摩擦ベアリングであり、調整は摩耗を補償する手段 により容易になされる。発明の概要 多数の出願において、現存する流体力学的ベアリングは十分広い速度及び荷重 状態の範囲に亙りベアリングの特性を制御しないということが見いだされる。従 って、本発明は、潤滑状態がより十分な方法で制御できるベアリングを提供する ことである。 本発明によれば、作動中に潤滑流体の薄膜上にベアリングの回転部分を支持す る手段を有する流体力学的ベアリングを提供することであり、この手段は複数の 円周上に間隔を置いたベアリング要素を備え、このベアリング要素は、回転部分 を支持する区域を形成するそれぞれのベアリング面と、作動中に流体薄膜の潤滑 状態を変化させるように調整可能な少なくとも幾つかのベアリング要素とを有す る。この場合、調整可能なベアリング要素は十分に高い剛性を有しており、従っ て、ベアリング要素の全ベアリング面の位置が作動中に増大する流体薄膜の圧力 とは本質的に独立している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーティン，ジェームズ・キース イギリス国バッキンガムシャー エムケイ 14・５エイエス，ミルトン・キーネス，グ レート・リンフォード，ザ・ホーフ １

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 作動中に、潤滑油の薄膜上のベアリングの回転部分を支持する手段を有す る流体力学的ベアリングであって、前記手段が、前記回転部分を支持する区域を 形成するそれぞれのベアリング面を有する複数の円周上に隔置されたベアリング 要素と、作動中に流体薄膜の潤滑状態を変化させるように幾つかの調整可能なベ アリング要素とを備え、前記ベアリング要素は、一つのベアリング要素のベアリ ング面全体の位置が作動中に生じる流体薄膜の圧力に本質的に独立であるように 十分に高い剛性を有していることを特徴とする流体力学的ベアリング。 ２． 前記幾つかの調整可能なベアリング要素が独立して調整できることを特徴 とする請求項１記載の流体力学的ベアリング。 ３． 前記各々の調整可能なベアリング要素が調整の主たる方向に対して垂直な 軸線の回りにヒンジ付けされることを特徴とする請求項１又は２記載の流体力学 的ベアリング。 ４． 前記調整可能なベアリング要素はベアリングの一部と一体に形成されてお り、前記ベアリングの一部に対して前記ベアリング要素の位置が調整でき、これ ら２つのものが、ヒンジ手段を形成する薄くされた部分により連結されているこ とを特徴とする請求項３記載の流体力学的ベアリング。 ５． 前記ヒンジの位置が作動中に調整可能であることを特徴とする請求項３又 は４記載の流体力学的ベアリング。 ６． 前記調整可能なベアリング要素用の調整手段がベアリング要素に作用する ように配置された支持を備え、前記支持の寸法が調整方向に選択的に変更できる ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の流体力学的ベアリング。 ７． 各支持が相互に独立して調整可能な２つ又はそれ以上の支持を備えている ことを特徴とする請求項６記載の流体力学的ベアリング。 ８． テーパ部分を有するネジ付きの軸を備え、前記テーパ部分がベアリング要 素と係合して前記支持を与え、前記ネジ付き軸がネジ係合した状態でベアリング に装着され、従って、ネジ付き軸の回転により、テーパ部分が前進して支持寸法 を変更することを特徴とする請求項６又は７記載の流体力学的ベアリング。 ９． 前記ベアリング要素と係合して前記支持を与える可動のウェッジの形状を した部材を備えていることを特徴とする請求項６又は７記載の流体力学的ベアリ ング。 １０． 前記回転部分が固定された外側ケース内で作動するように装着された軸 のジャーナルであり、前記調整可能なベアリング要素が前記ケースに装着されか つ前記ケースに対して調整可能であることを特徴とする請求項１ないし９のいず れかに記載の流体力学的ベアリング。 １１． 前記回転部分が内側のステータの周りで稼働するように装着された外側 のロータであり、前記調整可能なベアリング要素が前記内側のステータに装着さ れかつ前記内側のステータに対して調整可能であることを特徴とする請求項１な いし９のいずれかに記載の流体力学的ベアリング。 １２． 前記調整可能なベアリング要素が回転部分に装着されかつ回転部分に対 して調整可能であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の流体 力学的ベアリング。 １３． 少なくとも３つの調整可能なベアリング要素を備えていることを特徴と する請求項１ないし１２のいずれかに記載の流体力学的ベアリング。 １４． 前記調整可能なベアリング要素が半径方向に調整可能であることを特徴 とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の流体力学的ベアリング。 １５． 少なくとも一つの調整可能なベアリング要素が軸方向容量を与えるよう に動きの軸方向成分について調整可能であることを特徴とする請求項１４記載の 流体力学的ベアリング。 １６． ベアリングがスラストベアリングであり、前記ベアリング要素が、ベア リングの回転部分の横方向の平坦面を支持するように、軸方向に調整可能である ことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の流体力学的ベアリング 。 １７． ベアリングが回転機械の一部であり、かつ前記調整可能なベアリング要 素が回転機械の作動状態により自動的に決定されることを特徴とする請求項１な いし１３のいずれかに記載の流体力学的ベアリング。 １８． 各調整可能なベアリング要素が荷重センサおよび変位センサ、もしくは それらのいずれかを備えていることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか に記載の流体力学的ベアリング。 １９． 請求項１ないし１８のいずれかに記載の流体力学的ベアリングを内蔵し た回転機械。