JPS61165012A - ハウジングに回転シヤフトを支持する軸受装置 - 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】 産業上の利用分野 契約第ＤＥ−ＡＴＯ３−８４ＳＦ１１９６３号に従いア
メリカ合衆国政府は本発明の権利を有している。

本発明は一般に軸受装置に係り、更に詳細にいえば、シ
ャフトを通常の状態では一次軸受により支持し一次軸受
が正常に機能しない場合には補助すなわち二次軸受で支
持する軸受装置に係るものである。

特定の用途に限定されるものではないが、本発明をモー
タで駆動されるタービンに関連して説明する。そのよう
な用途では、一次軸受が正常に機能しないことを検出し
負荷を補助軸受に移すことは費用および安全の見地から
轟然である。

一次軸受が正常に機能しない場合に負荷を支持するため
補助すなわち二次軸受が設けである軸受組立て体が米国
特許第３．７０８．２１５号、第３，４５４．３０９号
および第４４２５．０１０号に記載されている。

問題点を解決するための手段 作用 本発明一般的な目的は１つまたはそれ以上の数の一次軸
受が正常に機能しない場合に補助すなわち二次軸受が回
転シャフトを支持するようにした改良された軸受を提供
することである。

本発明の更に１つの特定の目的は一次軸受が正常に機能
しなくなるとそれに応答して回転シャフトを強制的に軸
線方向に変位させて二次すなわち補助軸受がシャフトを
支持できるようにする軸受装置を提供することである。

本発明の更に他の１つの目的は各軸受の転動要素がレー
スの１つにのみ接触する第１の位置と両方のレースに接
触する第２の位置との間を可動な転動要素を含んでいる
軸受装置を提供することである。

本発明のその他の目的と利点とは以下に述べる。

実施例 図面を珍魚すると、本発明はハウジング１３に回転シャ
フト１２を支持する軸受装置１０として具体化するのが
好ましい。図示した軸受装置１０は通常の状態ではシャ
フト１２を支持する１対の一次軸受１４゜１６と一次軸
受１４　、１６の一方か両方が正常に機能しない場合に
シャフト１２を支持する１対の補助軸受１８　、２０と
を備えている。軸受装置１０は、一次軸受１４　、１６
が適当に機能している時にはシャフト１２が補助軸受１
８　、２０に支持されない位置に保持されるような、構
造にしてある。一次軸受１４　、１６が正常に機能しな
い場合、シャフト１２は補助軸受１８　、２０がシャフ
ト１２を軸線方向にも半径方向にも支持する位置に軸線
方向に移動する。

各補助軸受１８　、２０はそれぞれ外レース２２　、２
４と、内レース２６　、２８と、それぞれのレース間に
配置した複数の転動要素３０　、３２と転動要素を抑制
する保持リング３４　、３６とを備えている。

本発明の１つの特徴によれば、軸受装置１０は正常に作
用中は各軸受の転動要素３０　、３２がそのレースの１
つにのみ接触し一次軸受１４　、１６が正常に機能しな
い場合にシャフト１２が軸線方向に移動して各軸受の外
レースを関係した転動要素３０　、３２に接触させる、
ような構造にしてある。

本発明の第２の特徴によれば、シャフト１２に軸線方向
の力をかけてシャフトをそれが一次軸受が正常に機能し
ないことに応答して補助軸受１８　、２０に支持される
位置に変位させる手段が設けである。

図示した具体例を更に詳細に説明すると、ハウジング１
３は軸受を支持するほぼ円筒形の周壁３８とその両端の
第１および第２の端部壁４０　、４２とを備えている。

一次軸受１４　、１６はハウジング１３の周壁３８の内
部に支持されている。図示した一次軸受１４゜１６はシ
ャフト１２を支持するため磁界を使用する非接触軸受で
ある。そのような軸受はバージニア州うドフホートゝの
マグネナック・ベアリング・インコーホレイテッドが販
売している。磁界以外の流体フィルムを使用する形式の
一次軸受も使用できる。

シャフト１２はスラスト負荷を磁界を経て一次軸受に伝
達する１対の反対向きにした横方向表面４４゜４６を有
している。シャフトにかかる半径方向の負荷は横方向表
面４４　、４６の付近で環状の長さ方向表面４８　、５
０により支持されている。図示したシャフト１２はその
後端５１がハウジング内に配置され前端５２がハウジン
グ１３の前端壁４２に設けた開口５６を貫して延びてい
る。

本発明の軸受装置は種々の形式の装置に使用できる。図
示しだ軸受装置１０はモータにより駆動されろタービン
に使用する構造にしてある。従って、電動機５３用のロ
ータ５３αとステータ５３ｈとを一次軸受１４　、１６
間に配置できタービン５４をシャフト１２の前端５２に
装着できる。

補助軸受１８　、２０の外レース５８　、６０を支持す
るため、ハウジング１３の周壁３８にはその内部に１対
の環状溝６２　、６４が形成されていて、１つの溝はハ
ウジング１３の後端付近に他の溝は前端付近に位置決め
しである。内レース２６　、２８間の距離が寸法公差と
熱ひずみとの影響を受けることは理解できよう。

この目的のため、補助軸受（図示した例では、前方の補
助軸受２０）はその外レース２４が軸線方向に可動とな
るよう装着され他の補助軸受（この例では、後方の補助
軸受１８）の外レース２２が軸線方向に運動しないよう
固定して錠止めされることが好ましい。後方の溝６２は
後方の軸受の外レースの前後面がきつくはまる寸法にし
てあり、前方の溝６４は軸受２０の外レース６０の幅ま
たは軸線方向寸法より大きい幅または軸線方向寸法より
大きい幅または軸線方向寸法を有している。前方の軸受
の外レースは正常な状態では前方の溝６４の後方の横方
向表面６８に圧接するようばね６６により後方に偏倚さ
れている。

図示した具体例では、補助軸受１６　、１８は球状の転
動要素すなわちボール３０　、３２を有する環状の接触
軸受である。補助軸受１８　、２０の内レース２６　、
２８は正常な作用中ボール３０　、３２に対し間隔をあ
けた関係に配置される。内レース２６　、２８はシャフ
ト１２がいづれの方向にも過度に変位すると内レース２
６゜２８とそれらに関係したボール３０　、３２に接触
させるような構造にしてある。この目的のため、内レー
ス２６　、２８の環状軸受面２６α、２８ｂのそれぞれ
は図面で見た如き断面で関係したボール３０　、３２の
半径より僅かに大きい環状の曲率半径を形成する。内レ
ース２６　、２８はシャフト１２が図示した位置にちる
と内レース２６　、２８とそれに関係した転動要素３０
　、３２との間の間隙が一次軸受１４　、１６のそれぞ
れとシャフト１２の関係した支持面４４　、４６　、４
８　、５０との間の間隙より小さくなるようにした構造
にしてある。このようにすると１次軸受１４　、１６の
１つまたは両方が正常に機能しなくても一次軸受１４　
、１６とシャフト１２との間に接触が生じないようにす
る。

後方の補助軸受１８はシャフト１２にかかるスラスト負
荷の大部分を支えることが好ましい。この目的のため、
ばね６６は前方の補助軸受２０の外レース２４に後方の
補助軸受１８が支えるスラスト負荷より小さい程度の力
をかけ、従って、後方の軸受１８の接触角「α」は前方
の軸受２０の接触角ｒｂＪより犬である。ばね力の大き
さは前方の軸受２０に内レース２６　、２８を同心にす
るに十分な力を生じるよう選択する。

図中、内レース２６　、２８とそれらに関係した転動要
素３０　、３２との間の距離は例示の目的で誇大にして
ある。しかしながら、図面はボール３０　、３２と内レ
ース２６　、２８との間に半径方向の間隙を設は支え面
２６α、２８αの横方向の曲率半径すなわちボール３０
　、３２の運動方向を横切る平面に沿い切断した図示し
だ断面の曲率半径を関係したボール３０　、３２に相対
的に従来よりも小さくしである具体例を例示する意図で
ある。

図示しだ補助軸受１８　、２０には内レース２６　、２
８がシャフトと一体に形成されている。他の具体例では
内レースがシャフト１２とは別個にしてそれに装着した
部片で良い。前にも述べたように、一次軸受１４　、１
６が正常に機能しない場合にシャフト１２を前方に移動
させる手段が設けである。このことは図示した具体例で
はシャフト１２の後端５１に作用する流体圧により行う
。

一次軸受１４　、１６の一方か両方が正常に機能しない
ことを検知するため、１対の変位センサー７０　、７２
が一次軸受１４　、１６に隣接してハウジング１３に装
着されている。一次軸受が正常に機能しないことはそれ
自体の誤作動かタービン５４が不均衡になることにより
軸受が過負荷になるかにより生じることがある。いづれ
もの原因よシ正常に機能しない場合もシャフトの振動を
増大する。例示にすぎないが、市販の変位センサー７０
　、７２はネバダ州ミンデンのベントリー・ネパダ・コ
ーポレイショ／が販売している。シャフトの振動の増大
に応答して変位センサー７０　、７２は高圧流体源７６
とハウジング１３の後部の入口ノズル７８との間の管路
７５に設け′た常閉のソレノイド弁７４にそれを開く電
気的信号を送る。入口ノズル６８はハウジング１３の後
端壁４０の前向き表面８８と７ヤフト１２の後部におけ
る後ろ向きの表面８０との間に形成した室８６に連通し
ている。

ソレノイド升７４が開かれると、高圧流体が高圧流体源
７６からルノイド弁７４とノズル８５とを通シ７ヤフト
１２に設けた軸線方向通路８４に流入し次いでそれから
後方にシャフト１２の背後の室８６に流れてシャフト１
２をそれが補助軸受１８　、２０により支持される前方
位置に移動させる。

流体がまた通路８４の前端における表面８２にも圧力を
かけこの圧力はシャフト１２を前方に変位させる追加の
圧力となる。シャフト１２にかかる圧力はたとえ前方の
一次軸受１６がまだ適当に機能していてそのような運動
に抵抗していてもシャフトを前方に移動させるに十分高
い。

図示した具体例では、高圧流体はシャツ１−１２を軸線
方向に移動させる圧力となるほかにまた補助軸受１８　
、２０用の潤滑剤としても機能する。この目的には、高
圧流体はオイルの如き液状潤滑剤とヘリウムの如き気体
との混合物から成るものが好ましく高圧流体が補助軸受
１８　、２０に流れるようにする手段が設けである。こ
の具体例では、それぞれの補助軸受１８　、２０の内レ
ース２６　、２８に流体を流すにはシャフト１２の軸孔
８４に連通している半径方向に延びた複数の通路９０　
、９２により行う。これら通路９０　、９２はそれぞれ
孔８４の個所に内端を有しその半径方向外端を内レース
２６　、２８の環状のわん曲面の個所に有していてこれ
ら内レースはそれぞれの転動要素３０　、３２に係合し
ている。

補助軸受特にその外レース２２　、２４を更に潤滑にす
るため、流体はシャフト１２の後部における室８６から
シャフトとハウジング１３の内部との間のスペースにシ
ャフト１２の後端５１のシャフトの外部に沿い流入する
。

シャフト１２の後部における室８６とシャフト１２の内
部の孔８４とに比較的に高い圧力を保持する一方高圧流
体がノズル７８から補助軸受１８　、２０の外レース２
２　、２４に流れるようにすることが望ましいことは理
解できよう。この目的には曲折したシール９４゜９６　
、９８をノズル７８の外部とハウジング１３の後端付近
における界面とにおいてハウジングとシャフト１２との
間に使用する。曲折したシール９４　、９６　、９８は
高圧流体の流れを流体圧力がシャフト１２を所望の軸線
方向位置に保持する一方高圧流体の十分な流れが補助軸
受１８　、２０の外レース２２　、２４を潤滑にできる
に十分流れさせるに十分流れる程度に妨げる。各曲折シ
ールは環状表面上の軸線方向の流れを騒流にするだめこ
の表面に機械加工した一連の円周方向溝から成る。

発明の効果 図示した具体例の軸受装置の作用は次の如くに要約でき
よう。正常な作用中、シャフト１２が一次軸受１４　、
１６上を回転し軸受と同心に保持される。

シャフト１２はそれを前方に押すスラスト負荷で一次的
に負荷される。補助軸受１８　、２０の内レース２６゜
２８はこの具体例ではボールである関係した転動要素か
ら間隔をあける。ボール３０　、３２は保持リング３４
　、３６により固定して保持し一次軸受１４　、１６が
正常に機能中は静止している。従って、ボールはシャフ
ト１２の質量を増さずまたシャフト１２の回転を妨げる
摩擦損を生じない。ボール３０　、３２も補助軸受１８
　、２０の内レースも一次軸受が機能している間はあま
り摩耗しないでこの情況では潤滑剤は不用である。

一次軸受１８　、２０の１つか両方が正しく機能しない
と、シャフトの振動の増大を変位センサー７０　、７２
の一方か両方が検出しその結果ソレノイド升７４を開く
電気的信号を発生する。電気的信号はまたもしシャフト
１２が補助軸受１８　、２０にょシ支持されている間に
回転する時間を制限することが望ましい場合にはモータ
５３への電力の流れを中断する作用も行う。

シャフトの振動は内レース２６　、２８と転動要素３０
゜３２との間に間欠的接触を生じるに十分な大きさで良
い。前記した間隙によりシャフト１２はそれが前方に移
動する以前にでも一次軸受１４　、１６に接触するのを
防止される。ルノイド弁７４が開くト、高圧流体が高圧
流体源７６から管路７５とノズル７８とを通シンヤ７ト
１２の軸孔８４に流入する。この軸孔８４から流体の一
部分は通路９０　、９２を通９半径方向外方にそれぞれ
の補助軸受１８　、２０の内レース２６　、２８にまで
流れる。流体の別の一部分はノズル７８の外部の曲折シ
ール９４を過ぎ後方にシャフト１２の後部における室８
６に流入してシャフト１２を前方に駆動し次いでシャフ
ト１２の外面の後部における曲折／−ル９６を通シ前方
向に流れ、次に補助軸受１８　、２０を通シ流れ最後に
ハウジング１３の前端における曲折シール９８を通９ハ
ウジング１３を出る。

室８６内の圧力は前方の補助軸受２０の内レース２８が
それに関係した転動要素３２に接触するよう移動して転
動要素の回転を開始させるようシャフト１２を前方に駆
動する。シャフトの軸線に対し垂直な平面に角度「ｂ」
で交差する線に沿い接触が生じる。シャフト１２は前方
に運動を続けて外レース２４を前方に変位させばね６６
の圧縮度を増大する。次いで、後方の補助軸受１８の内
レース２６がそれに関係した転動要素３０に接触するよ
う移動し、後方の補助軸受１８は／ギフト１２にかかる
スラスト負荷の大部分を支える。後方の補助軸受の内レ
ース２６と回転要素３０との間の接触は横方向平面と接
触角「ｂ」を形成する線に沿い生じる。シャフト１２に
かかるスラスト負荷がタービン５４からの負荷とまた高
圧流体による空気力とを含むことが理解できよう。７ヤ
フト１２にかかる前向きのスラスト負荷に応答して前方
の補助軸受２０がかける力の量はばね６６により決まる
。ばね力は前方の軸受２０にかかる負荷がシャフト１２
を同心に保持するに十分となる程度に犬であれば足シる
。

内レース２６　、２８がそれぞれ関係した転動要素３０
゜３２に接触するよう移動するに従い、転動要素は回転
し始めそれらの関係した内外レース間の円形通路を運動
する。転動要素が加速されるに従い内外レース２６　、
２８とそれらの関係した転動要素との間にちる程度摩擦
接触が生じる。そのような摩擦を極減するため、転動要
素３０　、３２は比較的に低い質量のものが望ましい。

以上の説明により、本発明が新規で改良した軸受装置を
提供するものであることは理解できょう。

本発明の１つの好ましい具体例を説明し図示したが、本
発明をこの具体例に限定する意図はない。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明の軸受装置の断面図である。 １０・・・軸受装置、　　　　１２・・・シャフト、１
３・・・ハウジング、　　　１４　、１６・・・一次軸
受、１８　、２０・・・補助軸受、　　２２　、２４・
・・外レース、２６　、２８・・・内レース、　　３０
　、３２・・・転動要素、３４　、３６・・・保持リン
グ、　６６・・・ば　ね、７０　、７２・・・センサー
、　　７４・・・升、７５・・・導　管、　　　　　７
６・・・高圧流体源、８６・・・室。 （外５名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）１対の一次軸受と１対の補助軸受とを備え、各補助
   軸受がハウジングに支持された外レース、シヤフト上の
   内レース、内外レース間に配置された複数の転動要素お
   よび転動要素を抑制する保持リングを備え、一次軸受が
   正常な作用中回転シヤフトを各補助軸受において転動要
   素が内外レースのうちの１つにのみ接触するよう所定の
   位置に支持する作用を行い、補助軸受がシヤフトが所定
   の位置から所定の方向に軸線方向に変位すると各補助軸
   受における転動要素が両方のレースに接触するような構
   造にしてあり、それにより一次軸受が正常に機用しない
   場合にシヤフトが軸線方向に変位してシヤフトが補助軸
   受により支持されるようにすることを特徴とするハウジ
   ングに回転シヤフトを支持する軸受装置。 ２）各保持リングが正常な作用中シヤフトが所定の位置
   にあると各補助軸受の転動要素がそれぞれ関係した内レ
   ースとの接触を離れるよう転動要素を外レースと接触状
   態に保持する特許請求の範囲第１項の軸受装置。 ３）更にまた一次軸受が正常に機能しなくなると、ハウ
   ジングに相対的にシヤフトを軸線方向に変位させる手段
   を備えている特許請求の範囲第１項の軸受装置。 ４）一次軸受が正常に機能しなくなるとハウジングに相
   対的にシヤフトを軸線方向に変位させる手段がハウジン
   グとシヤフトとの表面により形成した室と室に高圧流体
   を導入する手段とを備えている特許請求の範囲第３項の
   軸受装置。 ５）補助軸受の１つがそのレースの１つがばねにより負
   荷されている特許請求の範囲第１項の軸受装置。 ６）シヤフトが第１の軸線方向位置において回転する正
   常な状態ではシヤフトを支持する１対の一次軸受と、一
   次軸受が正常に機態しないとシヤフトを第２の軸線方向
   位置に支持する１対の補助軸受と、一次軸受が正常に機
   能しなくなるとシヤフトをシヤフトに軸線方向の力を選
   択的にかけることにより第１の軸線方向位置から第２の
   軸線方向位置に変位させる手段とを備えて成ることを特
   徴とするハウジングに軸線方向に負荷したシヤフトを支
   持する軸受装置。 ７）シヤフトを軸線方向に変位させる手段が室を形成す
   るシヤフトおよびハウジング上の手段と流体を高圧で室
   に導入する手段とを備えている特許請求の範囲第６項の
   軸受装置。 ８）流体が潤滑剤を含み、室が補助軸受に連通し流体が
   室を潤滑にする特許請求の範囲第７項の軸受装置。 ９）各補助軸受が外レース、内レースおよび両レース間
   の複数のボール軸受を備え、ボール軸受がシヤフトが第
   １の位置にあるとボールが外レースのみに接触するよう
   な構造にしてある特許請求の範囲第６項の軸受装置。 １０）補助軸受の１つがその外レースがハウジング上の
   所定の位置に固定され他方の補助軸受がハウジングにそ
   れに相対的に半径方向に運動しないようにし軸線方向に
   可動として装着した可動の外レースを有している特許請
   求の範囲第９項の軸受装置。 １１）更にまた可動の外レースに軸線方向の力をかける
   偏倚手段を備えている特許請求の範囲第１０項の軸受装
   置。 １２）ハウジングと、回転シヤフトと、ハウジングに装
   着されハウジング内にシヤフトと自体との間に間隙を保
   持するよう自体と同心にシヤフトを回転可能に支持する
   １対の非接触一次軸受と、一次軸受が正常に機能しない
   場合にハウジング内にシヤフトを回転可能に支持しシヤ
   フトを一次軸受に同心に保持し且それぞれがハウジング
   に支持された外レース、シヤフトに設けた内レース、両
   レース間に配置した複数の転動要素および転動要素を外
   レースに接触した状態に保持する保持リングを備えてい
   る１対の補助軸受とを備えて成り、一次軸受が正常に機
   能している間にはシヤフトを各補助軸受において転動要
   素と内レースとの間に間隙が保持されるよう所定の位置
   に支持し、一次軸受と補助軸受とが一次軸受における間
   隙が補助軸受における間隙より大となるような構造にし
   てあり、更にまた一次軸受が正常に機能しない場合にシ
   ヤフトを所定の位置から第２の位置に移動させて補助軸
   受の内レースとそれに関係した転動要素との間を接触さ
   せて補助軸受によりシヤフトを同心に支持させるように
   した手段を備えていることを特徴とする軸受装置。 １３）シヤフトを移動させる手段が高圧流体源と、高圧
   流体を受領する圧力室を形成しシヤフトに設けた後ろ向
   き表面を含んでいる手段と、高圧流体源を圧力室に接続
   する導管と、シヤフトの過度の振動を検出しシヤフトが
   過度に振動すると電気的信号を発する１つまたはそれ以
   上の数のセンサーと、センサーから電気的信号を受ける
   と開くよう作動する電気的作動の弁とを備え、弁が導管
   を通り流体が流れるのを選択的に阻止したりまたは許容
   したりするよう作用し、それによりシヤフトの振動が増
   大すると、電気的信号が１つまたはそれ以上の数のセン
   サーから弁に送られて弁を開き高圧流体が室に入りシヤ
   フトを前方に駆動する特許請求の範囲第１２項の軸受装
   置。 １４）高圧流体源が高圧流体に液状潤滑剤を導入する手
   段を含み、ハウジングとシヤフトとが高圧流体と潤滑剤
   とを高圧室から一次または補助軸受に流れさせる手段を
   含んでいる特許請求の範囲第１３項の軸受装置。 １５）更にまたシヤフトに装着され自体にかかる空気力
   学的な力に応答してシヤフトを軸線方向に負荷するター
   ビンを含んでいる特許請求の範囲第１４項の軸受装置。 １６）シヤフトが第１の軸線方向位置において回転する
   正常な状態ではシヤフトを支持する１対の一次軸受と、
   一次軸受が正常に機能しないとシヤフトを第２の位置で
   支持する１対の補助軸受と、一次軸受が正常に機能しな
   いとシヤフトの変位を検出する変位検出センサー手段と
   、一次軸受が正常に機能しないとセンサー装置により作
   用的に制御されて一次軸受が正常に機能しないとシヤフ
   トを第１の軸線方向位置から第２の軸線方向位置に変位
   させるシヤフトに軸線方向の力を選択的にかける手段と
   を備えて成ることを特徴とする軸線方向に負荷したシヤ
   フトをハウジングに支持する軸受装置。