JPS59197614A - 軸受構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な’ｆ’ＩＩｌ受構造に係、＋２．１１＃
に軸受面を任意の剛性を分布形成できるはね要素で・ぐ
ツクアップさせることに、Ｊ：り高速回転体を安定（（
支持することができる高性能の軸受構造に関する。

軸受には転動体全媒体とするころがｐ転受と流体全媒体
とするすベク軸受とがある。こ几らは共に回転￥１：た
は往復運動をする軸をささえて、その運動ならびに軸に
作用する荷重全保持する機能全もつものであり、流体軸
受もこの一種であるが、以下流体軸受構造を例にして本
発明を説明する。

一般に、流体軸受構造はターボ圧縮機、ターボ膨張機、
ターボチャーツヤ−等の高速ターボ機械あるいは冷凍機
等に１＠広く使用さｎて利得が大きい。この流体軸受の
性能全向上させるためには軸受と軸との隙間である軸受
隙間を小さくすｎば良いことが知ら几ているが、物理的
に自づと限界があった。

第１図は従来発表さ几ている（米国特許第３．３８２，
０１４号明細書）フォイルガス軸受を示している。こｎ
は、軸受ケース１の内周面に一端を係合し他端全軸２の
一部全囲繞すべく軸２の回転方向に延出したフォイル３
を複数個（図示例では８個）設け、各フォイル３の先端
が隣接するフオイル３’　接触Ｘするように構成したも
のである。しかして、フォイルとフォイルの接触点Ｘに
おけるクーロン７ヂ擦により軸２の振動６てよるガス膜
圧力の変動を減衰させ、軸回転の安定を図っておりフォ
イルｊｉｌｔ受としては比較的優几た性能と実績を有し
ている。

しかし、フォイルとフォイル間の接触によるクーロンｊ
メＪ祭減衰が主体的であるために、高速回転時（（不安
定となる可能性が太きぐ、寸た、フォーイル剛性が軸受
幅方向に一定であるので、軸受の両端で片当りする傾向
があった。このため高性能の安定（〜た軸受全製作する
のが困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなさ几、その目的とすると
ころは、耐荷重に対する剛性の別置化が可能で最適設計
が行なえ片当りを防止し、軸回転の高速安定性を可及的
に向上せしめ、広範な環境温度にも１ｉｉｌＪえガ゛ス
軸受のみに止まらず油軸受、ころが９軸受にも通用し得
る汎用性ある軸受構造を提供するにある。

上記目的は、本発明によ几ば、次のＬつにして達成さ几
る。即ち、軸受ケースの支承面と、表面が軸受面となる
軸受部材の裏面との間に核軸受部材全バックアップする
板状のばねフォイル金介在させ、該ばねフォイルを上記
軸受ケースの支承面及び軸受部材の裏面から浮かすため
のスＲ−サを上記はねフォイルの表裏に適宜の間隔をあ
けて交互［配設し、上記軸受部材の軸受面に発生する部
材厚方向の圧力を表；則のス被−サを介してばねフォイ
ルに作用させ、該ばねフォイルの弾性変形によって軸受
部材を部材厚方向に変位させるように構成して、軸回転
方向にスペーサ同士のピッチに対応（１、た波状の変形
を軸受部材にもたらすばね作用を分布形成し、軸荷重を
安定に保持するようにしたものである。

以下、本発明に係る軸受構造の好適一実施例について添
付歯面（Ｃ基づいて説明する。

第２図はツヤ−ナルフォイル軸受構造の一実施例を示す
断面図で、４組のフォイルの使用を例示するものであり
、フォイルの数は単一がら複数個まで適用できる。同図
において、５は軸受ケース、６はフォイル、１はス被−
サ、８は軸である。

上記軸受り“−７５の支承面（内周面）９の周方向に袷
って適宜の間隔を隔てて４個の係合溝１゜がｉｉｌ＋方
向に形成さｎ、ている。この係合溝ＩＤＶｔＣ係合さ′
ｎるフォイル６は、一枚の厚さが均一な長方形板ばね全
そのほぼ中央幅方向に亘り湾曲させて係合溝１０に係合
するように保合部１１全形成し、この形成した係合部１
１の両側ニ延びるばねフォイル１２と表面が軸受面１７
となるトップフォイル１３と全同一の弧状面となして、
断面略盃状（ｌζ一体加工成形さｆしたものである。な
お、フォイル６ははね鋼に耐摩耗表面処理、例えばテフ
ロンコーティングまたはセラミックスをスノやツクリン
グしたもの等を使用する。

上述のよう−に加工成形さｎ、タフオイル６は、軸８の
回転力向の訓のトップフォイル１３が隣接するフォイル
６の反回転方向側のばねフォイル１２よすも軸心側へ来
るように各トップフォイル１３、ばねフォイル１２が互
に重合さｎるようになっている。従って軸心側から回転
方向ωに沿ってフォイル６を見ると、上記各トップフォ
イル１３とばねフォイル１２との重合による継ぎ目は表
面には現わ几ず、すべて裏面に隠さ几ることとなり、軸
受ケース５の内周面９はフォイル６によって完全に榎わ
几ることになる。

上記スに一すγは、ばねフォイル１２の表裏に、周方向
に沿って適宜の間隔をあけて交互に複数個配設さ几、該
ばねフォイル１２を軸受ケースの支承面９とトップフォ
イル１３の裏面とから浮かしている。このスペーサ７は
例えは、第３図及び第４図に示す如く、スリットフォイ
ル１４にばねフォイル１２を挿通することによってばね
フォイル１２に対して組・Ｎけらｎる。すなわち、スリ
ットフォイル１４は弾性薄板を素材とした長尺状の）゛
オイルに、幅方向のスリット１５を長さ方向に適宜の間
隔をあけて多数設けたものでるり、このスリット１５を
形成する縦格子状の刃が各スペーサ７を構成する。しか
して、その組付けは、スペーサγかばねフォイル１２の
表裏に交互に現わｎるようにはねフォイル１２全各スリ
ツト１５に順次矢印方向［挿通ずることによって行ｌゎ
ｎる。このようにして組立てらｎたスリットフォイル１
４とはねフォイル１２とから成る二二ソ）ｔ、以下フォ
イルばねユニット１６という。かぐして、第５図及び第
６図に示す如く、スリットフォイル１４の刃はばねフォ
イル１２を浮かすスに一す７トナル。、ＣＩ、１ソト１
５に挿通した後のｔ該スーフォイル１２ば、たとえばね
フォイル１２とスリットフォイル１４と全同質祠料にし
てもスぜ一ザ７かはねフォイル１２に線状に当接するだ
けなので、■示する如くフラット性を維持できろ。な卦
、第４図に示すスペーサ７は、第３図のものと兵なり、
その］陥すが一様でなく基端Ｌジ中天に向かって１ｉｆ
ｉｌｉ次１晶広に形成しである。

以下に上記構成に基づく作用を読明する。

フォイル軸受を構成するフォイル素材（弾性箔板）の曲
げ剛性は軸受面９に発生する流体膜の剛性にトヒして著
しく低いのが特１微である。よって、単一のフォイルで
は安定した流体膜を形成するのが困難てあり、フォイル
の組合せにより、流体膜の剛性に対応した適宜なフォイ
ル剛性を得る工夫が必要である。一般に、流体膜で発生
する剛性に比して同等がそ′ｒＬ以下の同じオーダに設
計するのが望ましい。本発明によるフォイル軸受構造は
この条件を十分に満たす構造形式を有しており、次に述
べるように優ｎ、た性能全発揮する。

トップフォイル１３の表面、ｆなゎち軸受面１７に＠受
の流体圧力が発生した場合、フォイルばねユニット１６
は、第７図の無圧力の状態力・ら第８図、第９図に示す
如く、板厚方向に変位し、ばね作用を呈する。このばね
作用は軸回転方向全面に分布して存在し、トップフォイ
ル１３の面にス被−サ７のピッチｑに対応した波状の変
形をもたらす。すなわち、トップフォイル１３の板厚方
向成分の圧力ｐが表側のスペーサ７ａを介してはネフォ
イル１２に作用する。裏側のスペーサ７ｂは軸受ケース
５の支承面９により支承さ几ているので動くことができ
ない。したがって、表側のス被−サ７ａはその部分のば
ねフォイル１２を軸受クース側に押し付け、ばねフォイ
ル１２に弾性変形全与えるとともに、その変形に伴なっ
て裏側のスぜ一すγｂ間に向かって変位する。この変位
にエフ、トラフ０フオイル１３も板厚方向に変位δし波
状の変形をするのである。この波状の変形は軸受の流体
Ｗ圧力発生ａｉ溝に優位に作用する。

トップフォイル１３とこｎｆ・ぐツクアップするフォイ
ルばねユニット１６とから成る板厚方間の剛性は、通常
の材料力学の手法により容易Ｃζ厘量化でき、そ几は、 で近似できる。

ここで、ｔニス被−サ７の空間幅〔画〕、ＥＩ　：　）
ツブフォイル１３又はばねフォイル１２の曲げ岡１］性
〔１（９・Ｃｎ１〕、ｎ：定数（１６〜２０）、　Ｋ　
：単位幅、Ｉピンチ当９のフォイルの平均剛性である。

すなわち、軸受面１７全バツクアツプすゐフォイルアッ
センブリの板厚方向（径方向〕の剛性は、ばねフォイル
１２、トップフォイル１３の板厚ｔとス波−サ７の空間
中りの関数として決定さ几る。

フォイルの材質は冷間圧延したばね性金属等を使用する
ので板厚は一足であり、ス被−サ７を構成するスリット
フォイル１４の加工は、フォトエラ、チング又は精密プ
レス等で実施できるので、空間１廃ｔの精度を上げるこ
とは容易である。したがって、高精度で剛性を定量化し
たばね要素を構成することができる。因に、フォイルば
ねユニット１６の最大汲位量（δｍａｘ）は第９図に示
す如ぐほぼフォイルの板厚と同等である。また、トップ
フォイル１３及びフォイルはねユニット１６で形成さｎ
る空隙には流体（気体又は液体）が介在しているので、
従来のクーロンＭ擦減衰が主体的であったものと異なり
、ばね作用を呈すると同時に流体の押出しによるスクイ
ズダンｉ９としての作用も呈し、軸受の安定ｆヒに多大
な効果かめる。なお、トップフォイル１３とはねフォイ
ル１２との間のクーロン摩擦減衰作用も付加さ几るのは
勿論である。

このようにフォイルはねユニット１６は高精度の剛性を
得ることができるが、本発明ではさらにその剛′荘を軸
方向に制御できるという優ｎ、た特長金も有する。すな
わち、ツヤ−ナル軸受に適用した第３図、第４図を例に
して説明すると、ツヤ−ナル軸受の流体膜発生圧力の分
布は、軸受幅の中央部で商ぐ、両端で低くなる形態を示
すので、その圧力分布に対応したフォイル剛性を分布さ
せるのが望ましい。４〕゛にガス軸受のように現界潤イ
肯性がル］侍できない°噛受では、両端部（Ｃお・ける
片当りを防止する勉味で、１油受幅方向に適宜なフォイ
ル剛性の分布が必要である。本発明（は、第４図ｖＣ示
すｙ目く、スリットフォイル１４の刃、ツーナゎチスベ
ーザγの幅ｂｌ変化させて加工させることが容易である
ので、第５図、第６図に示すＡ、Ｂ断面の如く、同一ピ
ソチｑでもスに一す１陥すの差異ｂ　２　＞　ｂ　ｌ＆
てＪ：り、空間幅ｔに差をもたせ、ｔｌ’＞ｔ、、とす
ることができるので、軸受幅の両端＝ｌＳ　Ｖこおける
空間幅Ｌ１の力が、中央部における空間１’ｆＡ　−１
２よりもフォイル剛性を小でくすることができることに
なる。したがって、均等な流体ｊ摸を軸受面１７に形成
することができるため、片当り等を有効に防止できる。

上述した如く、ばねフォイル１２をス／　　ｆγに介し
てトップ０フォ・ｆル１３、軸受ケース５間に浮かせる
ことＶｃＬ夕、任意の剛性を軸の周方向に沿って分布し
て形成させることができ、軸受の流体膜圧力と適合し旬
るので、軸受性能を飛躍的に向上することができる。ま
た、ばねフォイル１２に対してのスペーサγの組付けは
、スリットフォイル１４のスリット１５にばねフォイル
１２に挿通するだけで行なうことができるので組立が極
めて容易であり、低コスト、量産性、品質安に性に富む
。また、スリットフォイル１４の簡便な加工により所望
のスペーサγが得らｎるので、軸受の設計、製作に必要
な剛性の大きさ、寸法精度全容易に満足することができ
る。更に、トップフォイル１３及びフォイルばねユニッ
ト１６から成る構成に工几ば、ばね作用に加えて、介在
する流体によるスクイズダンパ作用もあるので、高荷重
性、高速安定性に優ｎ１、かつ、両部用に、Ｊ：ｐ軸に
作用する変動外力が十分に減衰するので、遠心膨張・熱
変形、熱膨張にも対応でき、ゴミの侵入に対する許容度
が太きい。

次に１１本発明の他の実施例のいくつかを説明する。

第１０図乃至第１２図はティルティングバンド型のツヤ
−ナルフォイル軸受の実施例である。同図に示す如く、
１４はスペーサγを構成するスリットフォイル、１２は
ばねフォイル、１３ｉ１：）ツブフォイル、１８はフォ
イルパッド、５は軸受クー−スである。上記フォイル・
マッド１８はトップフォイル１３に周方向に沿って複数
個取り付けらｎ１各フオイルバンド１８は軸ｎ転方向の
一辺を浮かし反回転方向の他辺をトップフォイル１３に
固着して、軸受面に発生する流体圧力により該フォイル
パッド１８を傾動自在とし、釣り合い負”、’Ｆｊｆ容
凰をきわめて太きぐとｎるようにしである。

第１３図に示すものはティルティングツ＜？ソド型のス
ラスト軸受の例示であり、スラスト軸受の形式は、テイ
ルテイングバンド型以外にテーノＪ？ランド型、ステッ
プ型、スパイラルグループ型等がめろが、いず几もフォ
イル構造で容易に加工できる。

図中、１４及び１２はフォイルばねユニット１６を構成
するスリットフォイル及びばねフォイルであり、１：ｌ
ｊニドツブフォイル、１８ｉｄフオイルパツド、そして
５は軸受ケースである。このフォイルばねユニット１６
は、第１４図に示す如く円形のスリットフォイル１４と
ばねフォイル１２とで構成さ几る。スラスト軸受の場合
、内径側Ｒｉと外径側Ｒ８で軸受潤滑膜の摺動速度に差
異を生じ、外径側Ｒ６が内径側Ｒ１よりも高い圧力分布
を呈することになる。そこで、同図に示す如く、スリッ
トフォイル１４の刃（スに一す）７を適宜な半径Ｒｃで
周方向ＶＣＧって２本カットして１本残すというように
刃の長さに長短をもたせる。そして、この長短の刃が順
次ばねフォイル１２の表裏に現わ几るようにスリット１
５にばねフォイル１２を挿入することにより、内径側Ｒ
１〜Ｒ０のフォイル剛性を相対的に下げることができる
。第１５図及び第１６図にそ几ぞｎ外径側Ｃ及び内径０
ＩｌｌＤのフォイルばねユニット１６の断面を示す。な
お、内向型のスｉＰイラルグループ型スラスト軸受に適
用する場合は圧力上昇が内０４０に分布するので、刃を
カットする必要はない。また、既述Ｑツヤーナル軸受の
場合と同様に刃の幅す全適宜笈１ヒさせることは４−ｆ
［でめる。また、こ几は、ツヤ−ナル軸受、スラスト軸
受に共通して適用できることであるが、回転方向にスリ
ットフォイル１４の刃幅すならび゛にピッチｑｆ適宜変
比させて、フォイルばねユニット１６の剛性を変化させ
ることも任意であり、流体膜の女定した形成、賀何答量
の増大等に効果かある。

第１７図は円錐面ＭＩ＋受に適用したテイルテイングパ
ッド型の例示であり、１９は押え板でトップ。

フォイル１３とフォイルはねユニット１６とを軸受ケー
ス５に取り付ける。この軸受はスラスト軸受とツヤ−ナ
ル軸受の機能を合せ持つ面便な軸受の形式てめる。

なお、上記３つの実施例の軸受はテイルテイングパノド
型全例示して説明したが、トップ０フオイル１　３　　
（２）　表’１ｆｉｊｖこ　Ａｍ　　ス　・や　イ　ラ
　ル　り゛　ル　−　フ゛　隼ｔ　を　ノノロエして適
用できることは当然である。

上述したように本発明に係るフォイル軸受構造はあらゆ
る軸受の形式に適用できるし、支持剛性全任意に選んで
分布させることができる特長を有する。−１８た、フォ
イルばねユニット１６を複数個重ねて使用することも任
意であり、全体に剛１１を下げ大きな変位量を得ること
ができる。

なお、本発明に係るフォイルばねユニット１６は、上記
実施例の如きフォイル軸受のみに限定さ′ｎるものでは
なく、玉軸受、通常の平軸受の・ぐツクアップとして用
いても、ばね作用及びスクイズダン・ぐ作用が期待でき
高速安定比全達成することができるものでるる。

以上、要するに本発明に１几ば次のような優へた効果を
発揮する。

（１）はねフォイルを軸受部材と軸受ケースとの間にス
硬−ザを介して浮かすという簡単な構造で、任意の剛性
を分布して形成させることができ、軸受の発生圧力と容
易に適合することができるので、軸受性能を飛躍的に向
上できる。

（２）　　軸受の剛性はばねフォイル厚及びス被−サ間
隔により決定できるので、軸受の設計・製作に必要な剛
性の大きさ、寸法精度を容易に満足できる。

（３）　　ばね作用、スクイズダンノＲ作用が１岨合ζ
几るので篩速安定性に優Ｉしている。

（４）　　ガス軸受、油軸受、玉軸受等あらゆる形式の
軸受に適用できる。特に境界潤滑性が期待できない気体
軸受に適用すｎ、ば、軸・ン幅方向に適旭：なフォイル
剛性の分布が可舵なので、片当Ｖ）全有効に防止できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のガス軸受構造例を示す横ｌわｉ面図、第
２図は本発明の流体軸受徊造の通用例を示すジャーナル
軸受構造の横断面図、第３図及び第１Ｉ図（はその要部
となるフォイルばねユニットの組立て説明図、第５図及
び第６図は第４図のＡ及びＢ矢視断面図、第７図乃至第
９図はフォイルばねユニットのばね作用の説明図、第１
Ｏ図乃至第１２１菌はテイルテイングパッド型のジャー
ナルフォイル軸受への適用例を示す分解斜視図、第１３
図はテイルテイングパッド型のスラスト軸受への適用例
を示す分解斜視図、第１４図はその要部となるフォイル
はねユニットの組立て説明図、第１５図及び第１６図は
第１４図のＣ及びＤ矢視断面図、第１７図はテイルテイ
ング・やラド型の円錐面軸受への適用例全示す分解斜視
商である。 尚、図中５は軸受ケース、６はフォイル、γはス被−ザ
、γａは表側のスペーサ、８は軸、９は’＜’Ｊｈ受ケ
ースの支承面、１２はばねフォイル、１３は軸受部材の
例示であるトップフォイル、１７は軸受面′Ｃある。 特　許　出　願　人　　石川島播磨重工業株式会社代理
人　弁理士　　絹　谷　信　雄 岳−３区 薫頗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 軸受ケースの支承面と表面が軸受面となる軸受部材の矢
   面との間に該軸受部材をバックアップする板状のばねフ
   ォイルを介在婆ぜ、該ばねフォイル全上記軸受ケースの
   支承面及びＩ軸受部材の裏面から浮かすためのスペーサ
   全上記はねフォイルの表裏に適宜の間隔ケあけて交互に
   配設し、」二記軸受部材の軸受面に発生する部材厚方向
   の圧力を表側のス被−サを介してばねフォイルに作用さ
   せ、該ばねフォイルの弾性変形によって軸受部材を部材
   厚方向に変位させるように構成したことを特徴とする軸
   受構造。