JPS6239287B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は新規な軸受構造に係り、特に軸受面を
任意の剛性を分布形成できるばね要素でバツクア
ツプさせることにより高速回転体を安定に支持す
ることができる高性能の軸受構造に関する。

従来の技術 軸受には転動体を媒体とするころがり軸受と流
体を媒体とするすべり軸受とがある。これらは共
に回転ま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を保持する機能を
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
膨脹機、ターボチヤージヤー等の高速ターボ機械
あるいは冷凍機等に幅広く使用されて利得が大き
い。この流体軸受の性能を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れば良
いことが知られているが、物理的に自ずと限界が
あつた。

第１図は従来発表されている（米国特許第
3382014号明細書）フオイルガス軸受を示してい
る。これは、軸受ケース１の内周面に一端を係合
し他端を軸２の一部を囲繞すべく軸２の回転方向
に延出したフオイル３を複数個（図示例では８
個）設け、各フオイル３の先端が隣接するフオイ
ル３に接触Ｘするように構成したものである。し
かして、フオイルとフオイルの接触点Ｘにおける
クーロン摩擦により軸２の振動によるガス膜圧力
の変動を減衰させ、軸回転の安定を図つておりフ
オイル軸受としては比較的優れた性能と実績を有
している。

しかし、フオイルとフオイル間の接触によるク
ーロン摩擦減衰が主体的であるために、高速回転
時に不安定となる可能性が大きく、また、フオイ
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つた。このため高性能の
安定した軸受を製作するのが困難であつた。

発明が解決しようとする問題点 上記したようにフオイルとフオイル間の接触に
よるクーロン摩擦減衰が主体的である従来のフオ
イルガス軸受では、高速回転時に不安定となる可
能性が大きく、高性能の安定した軸受を製作する
のが困難であつた。

したがつて本発明は、従来技術の欠点を解消し
て、極めて簡単な構造でありながら、耐荷重に対
する剛性の定量化が可能で最適設計が行え、軸回
転の高速安定性を可及的に向上させることができ
る軸受構造を提供することにある。

問題点を解決するための手段 上記目的は、本発明によれば、次のようにして
達成される。即ち、１枚のフオイルを打ち抜き或
いはエツチングにより長手方向に適宜間隔を隔て
て多数の歯を一体形成した歯形フオイルに、該歯
形フオイルの歯が交互に表裏に現われるように板
状のばねフオイルを挿通して組み付けたフオイル
ばねユニツトを、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介在させて
該軸受部材をバツクアツプさせるように構成した
ものである。

作 用 フオイルばねユニツトの歯がばねフオイルを軸
受ケースの支承面及び軸受部材の裏面から浮かす
ためのスペーサとなつているため、軸受部材の軸
受面に部材厚方向の圧力が発生すると、その圧力
は板状のばねフオイルの表側に現われている歯を
介してばねフオイルに作用する。その結果、ばね
フオイルは弾性変形して軸受部材を部材厚方向に
変位させ、上記圧力を吸収する。

また、ばねフオイルと軸受部材あるいは支承面
との空隙に存在する流体の押出しによるスクイズ
ダンパ作用も生じて、圧力を吸収する。

実施例 以下、本発明に係る軸受構造の好適一実施例に
ついて添付図面に基づいて説明する。

第２図はジヤーナルフオイル軸受構造の一実施
例を示す断面図で、４組のフオイルの使用を例示
するものであり、フオイルの数は単一から複数個
まで適用できる。同図において、５は軸受ケー
ス、６はフオイル、７はスペーサ、８は軸であ
る。

上記軸受ケース５の支承面（内周面）９の周方
向に沿つて適宜の間隔を隔てて４個の係合溝１０
が軸方向に形成されている。この係合溝１０に係
合されるフオイル６は、一枚の厚さが均一な長方
形板ばねをそのほぼ中央幅方向に亘り湾曲させて
係合溝１０に係合するように係合部１１を形成
し、この形成した係合部１１の両側に延びるばね
フオイル１２と表面が軸受面１７となるトツプフ
オイル１３とを同一の弧状面となして、断面略盃
状に一体加工成形されたものである。なお、フオ
イル６はばね鋼に耐摩耗表面処理、例えばテフロ
ンコーテイングまたはセラミツクスをスパツタリ
ングしたもの等を使用する。

上述のように加工成形されたフオイル６は、軸
８の回転方向ω側のトツプフオイル１３が隣接す
るフオイル６の反回転方向側のばねフオイル１２
よりも軸心側へ来るように各トツプフオイル１
３、ばねフオイル１２が互いに重合されるように
なつている。従つて軸心側から回転方向ωに沿つ
てフオイル６を見ると、上記各トツプフオイル１
３とばねフオイル１２との重合により継ぎ目は表
面には現われず、すべて裏面に隠されることとな
り、軸受ケース５の内周面９はフオイル６によつ
て完全に覆われることになる。

上記スペーサ７は、ばねフオイル１２の表裏
に、周方向に沿つて適宜の間隔をあけて交互に複
数個配設され、該ばねフオイル１２を軸受ケース
の支承面９とトツプフオイル１３の裏面とから浮
かしている。このスペーサ７は例えば、第３図及
び第４図に示す如く、歯形フオイル１４にばねフ
オイル１２を挿通することによつてばねフオイル
１２に対して組付けられる。すなわち、歯形フオ
イル１４は弾性薄板を素材とした長尺状のフオイ
ルに、打ち抜き或いはエツチングにより長孔１５
を開けて幅方向の歯を長さ方向に適宜の間隔をあ
けて多数設けたものであり、長孔１５間に形成さ
れるこの縦格子状の歯が各スペーサ７を構成す
る。しかして、その組付けは、スペーサ（又は
歯）７がばねフオイル１２の表裏に交互に現われ
るようにばねフオイル１２を各長孔１５に順次矢
印方向に挿通することによつて行なわれる。この
ようにして組立てられた歯形フオイル１４とばね
フオイル１２とから成るユニツトを、以下フオイ
ルばねユニツト１６という。かくして、第５図及
び第６図に示す如く、歯形フオイル１４の歯７は
ばねフオイル１２を浮かすスペーサとなる。長孔
１５に挿通した後のばねフオイル１２は、たと
え、ばねフオイル１２と歯形フオイル１４とを同
質材料にしても歯７がばねフオイル１２に線状に
当接するだけなので、図示する如くフラツト性を
維持できる。なお、第４図に示す歯７は、第３図
のものと異なり、その幅ｂが一様でなく基端より
中央に向かつて漸次幅広に形成してある。

以下に上記構成に基づく作用を説明する。

フオイル軸受を構成するフオイル素材（弾性箔
板）の曲げ剛性は軸受面９に発生する流体膜の剛
性に比して著しく低いのが特徴である。よつて、
単一のフオイルでは安定した流体膜を形成するの
が困難であり、フオイルの組合せにより、流体膜
の剛性に対応した適宜なフオ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
比して同等かそれ以下の同じオーダに設計するの
が望ましい。本発明によるフオイル軸受構造はこ
の条件を十分に満たす構造形式を有しており、次
に述べるように優れた性能を発揮する。

トツプフオイル１３の表面、すなわち軸受面１
７に軸受の流体圧力が発生した場合、フオイルば
ねユニツト１６は、第７図の無圧力の状態から第
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、トツプフオイル１３の面に歯
７のピツチｑに対応した波状の変形をもたらす。
すなわち、トツプフオイル１３の板厚方向成分の
圧力ｐが表側の歯７ａを介してばねフオイル１２
に作用する。裏側の歯７ｂは軸受ケース５の支承
面９により支承されているので動くことができな
い。したがつて、表側の歯７ａはその部分のばね
フオイル１２を軸受ケース側に押し付け、ばねフ
オイル１２に弾性変形を与えるとともに、その変
形に伴つて裏側の歯７ｂ間に向かつて変位する。
この変位により、トツプフオイル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膜圧力発生機構に優位に作用
する。

トツプフオイル１３とこれをバツクアツプする
フオイルばねユニツト１６とから成る板厚方向の
剛性は、通常の材料力学の手法により容易に定量
化でき、それは、 ＝１＋２ｎ／（１＋ｎ）ｎ×960×ＥＩ／^３ で近似できる。

ここで、：歯７の空間幅〔cm〕、EI：トツプ
フオイル１３又はばねフオイル１２の曲げ剛性
〔Kg・cm²〕、ｎ：定数（1.6〜2.0）、：単位幅、
１ピツチ当りのフオイルの平均剛性である。

すなわち、軸受面１７をバツクアツプするフオ
イルアツセンブリの板厚方向（径方向）の剛性
は、ばねフオイル１２，トツプフオイル１３の板
厚ｔと歯７の空間幅の関数として決定される。
フオ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定であり、歯７を構成する歯
形フオイル１４の加工は、フオトエツチング又は
精密プレスによる打ち抜き等で実施できるので、
空間幅の精度を上げることは容易である。した
がつて、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、フオイルばねユニツ
ト１６の最大変位量（δmax）は第９図に示す如
くほぼフオイルの板厚と同等である。また、トツ
プフオイル１３及びフオイルばねユニツト１６で
形成される空隙には流体（気体又は液体）が介在
しているので、従来のクーロン摩擦減衰が主体的
であつたものと異なり、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パとしての作
用も呈し、軸受の安定化に多大な効果がある。な
お、トツプフオイル１３とばねフオイル１２との
間のクーロン摩擦減衰作用も付加されるのは勿論
である。

このようにフオイルばねユニツト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
その剛性を軸方向に制御できるという優れた特長
をも有する。すなわち、ジヤーナル軸受に適用し
た第３図，第４図を例にして説明すると、ジヤー
ナル軸受の流体膜発生圧力の分布は、軸受幅の中
央部で高く、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オイル剛性を分布させる
のが望ましい。特にガス軸受のように境界潤滑性
が期待できない軸受では、両端部における片当り
を防止する意味で、軸受幅方向に適宜なフオイル
剛性の分布が必要である。本発明は、第４図に示
す如く、歯形フオイル１４の歯７、すなわちスペ
ーサの幅ｂを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図に示す第４図のＡ，Ｂ
断面の如く、同一ピツチｑでも歯幅ｂの差異b₂＞
b₁により、空間幅に差をもたせ、_１＞_２と
することができるので、軸受幅の両端部における
空間幅_１の方が、中央部における空間幅_２よ
りもフオイル剛性を小さくすることができること
になる。したがつて、均等な流体膜を軸受面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、ばねフオイル１２を歯７を介し
てトツプフオイル１３，軸受ケース５間に浮かせ
ることにより、任意の剛性を軸の周方向に沿つて
分布して形成させることができ、軸受の流体膜圧
力と適合し得るので、軸受性能を飛躍的に向上す
ることができる。また、ばねフオイル１２に対し
ての歯７の組付けは、歯形フオイル１４の長孔１
５にばねフオイル１２を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、品質安定性に富む。また、歯形フオ
イル１４の簡便な加工により所望のスペーサが得
られるので、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することができる。
更に、トツプフオイル１３及びフオイルばねユニ
ツト１６から成る構成によれば、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、高速安定性に優れ、かつ、両
作用により軸に作用する変動外力が十分に減衰す
るので、遠心膨脹、熱変形、熱膨脹にも対応で
き、ゴミの侵入に対する許容度が大きい。

次に、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図はテイルテイングパツド
型のジヤーナルフオイル軸受の実施例である。同
図に示す如く、１４は歯７を構成する歯形フオイ
ル、１２はばねフオイル、１３はトツプフオイ
ル、１８はフオイルパツド、５は軸受ケースであ
る。上記フオイルパツド１８はトツプフオイル１
３に周方向に沿つて複数個取り付けられ、各フオ
イルパツド１８は軸回転方向の一辺を浮かし反回
転方向の他辺をトツプフオイル１３に固着して、
軸受面に発生する流体圧力により該フオイルパツ
ド１８を傾動自在とし、釣り合い負荷容量をきわ
めて大きくとれるようにしてある。

第１３図に示すものはテイルテイングパツド型
のスラスト軸受の例示であり、スラスト軸受の形
式は、テイルテイングパツド型以外にテーパラン
ド型、ステツプ型、スパイラルグループ型等があ
るが、いずれもフオイル構造で容易に加工でき
る。図中、１４及び１２はフオイルばねユニツト
１６を構成する歯形フオイル及びばねフオイルで
あり、１３はトツプフオイル、１８はフオイルパ
ツド、そして５は軸受ケースである。このフオイ
ルばねユニツト１６は、第１４図に示す如く環状
の歯形フオイル１４とばねフオイル１２とで構成
される。スラスト軸受の場合、内径側Riと外径
側Roで軸受潤滑膜の摺動速度に差異を生じ、外
径側Roが内径側Ri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、歯形フオ
イル１４の歯（スペーサ）７を適宜な半径Rcで
周方向に沿つて２本カツトして１本残すというよ
うに歯の長さに長短をもたせる。そして、この長
短の歯が順次ばねフオイル１２の表裏に現われる
ように長孔１５にばねフオイル１２を挿入するこ
とにより、内側径Ri〜Rcのフオイル剛性を相対
的に下げることができる。第１５図及び第１６図
にそれぞれ外径側Ｃ及び内径側Ｄのフオイルばね
ユニツト１６の断面を示す。なお、内向型のスパ
イラルグループ型スラスト軸受に適用する場合は
圧力上昇が内側に分布するので、歯をカツトする
必要はない。また、既述のジヤーナル軸受の場合
と同様に歯の幅ｂを適宜変化させることは任意で
ある。また、これは、ジヤーナル軸受、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
向に歯形フオイル１４の歯幅ｂならびにピツチｑ
を適宜変化させて、フオイルばねユニツト１６の
剛性を変化させることも任意であり、流体膜の安
定した形成、負荷容量の増大等に効果がある。

第１７図は円錐面軸受に適用したテイルテイン
グパツド型の例示であり、１９は押え板でトツプ
フオイル１３とフオイルばねユニツト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
受とジヤーナル軸受の機能を合せ持つ簡便な軸受
の形式である。

なお、上記３つの実施例の軸受はテイルテイン
グパツド型を例示して説明したが、トツプフオイ
ル１３の表面に直接スパイラルグループ等を加工
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オイル軸受構造
はあらゆる軸受の形式に適用できるし、支持剛性
を任意に選んで分布させることができる特長を有
する。また、フオイルばねユニツト１６を複数個
重ねて使用することも任意であり、全体に剛性を
下げ大きな変位量を得ることができる。

なお、本発明に係るフオイルばねユニツト１６
は、上記実施例の如きフオイル軸受のみに限定さ
れるものではなく、玉軸受、通常の平軸受のバツ
クアツプとして用いても、ばね作用及びスクイズ
ダンパ作用が期待でき高速安定化を達成すること
ができるものである。

発明の効果 以上、要するに本発明によれば次のような優れ
た効果を発揮する。

(1) 歯形フオイルにばねフオイルを挿通して組み
付けたフオイルばねユニツトを軸受部材と軸受
ケースとの間に介在させるという簡単な構造
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、しか
も組立てが容易である。

(2) 軸受の剛性はばねフオイル厚及び打ち抜きエ
ツチングで形成する歯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) ばねフオイルをフオイルから形成した歯で支
持するように構成したことにより、ばね作用、
スクイズダンパ作用が組合されるので高速安定
性に優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図従来のガス軸受構造例を示す横断面図、
第２図は本発明の流体軸受構造の適用例を示すジ
ヤーナル軸受構造の横断面図、第３図及び第４図
はその要部となるフオイルばねユニツトの組立て
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図はフオイルばねユニ
ツトのばね作用の説明図、第１０図乃至第１２図
はジヤーナルフオイル軸受への適用例を示すテイ
ルテイングパツド型の分解斜視図、第１３図はテ
イルテイングパツ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
オイルばねユニツトの組立て説明図、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パツド型の円錐面軸受へ
の適用例を示す分解斜視図である。 尚、図中５は軸受ケース、６はフオイル、７は
歯又はスペーサ、７ａは表側の歯、８は軸、９は
軸受ケースの支承面、１２はばねフオイル、１３
は軸受部材の例示であるトツプフオイル、１４は
歯形フオイル、１６はフオイルばねユニツト、１
７は軸受面である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ １枚のフオイルを打ち抜き或いはエツチング
   により長手方向に適宜間隔を隔てて多数の歯を一
   体形成した歯形フオイルに、該歯形フオイルの歯
   が交互に表裏に現われるように板状のばねフオイ
   ルを挿通して組み付けたフオイルばねユニツト
   を、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介在させて該軸受部材を
   バツクアツプさせるように構成したことを特徴と
   する軸受構造。