JPS6272919A - 流体力学的流体膜軸受 - 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】 技術分野 本発明は、流体力学的流体膜軸受に係り、更に詳細には
軸受内に潤滑流体膜を形成し維持するために複数個の簿
いフォイル要素を使用する流体力学的流体膜軸受に係る
。

背景技術 航空機の冷房及び換気や他の用途に使用される現代の空
気循環装置に採用されるターボコンプレッサに使用され
る軸受の如き高速軸受を改善する近年の開発努力により
、米国特許第４．４１５゜２８０号及び同第４．４１５
，２８１号に開示された軸受の如き流体力学的流体膜軸
受が開発された。一般にこれらの米国特許に開示された
流体力学的流体膜軸受は、回転軸の如き回転部材及び回
転部材に近接してこれより外方に隔置された平滑なフォ
イルａＳの如き環状要素がそれらの間に加圧された流体
膜層を形成し維持するという原理に基いて作動する。流
体ＩＥＮａ’と呼ばれることがあるかかる流体膜層は回
転部材を潤滑された状態にて支持する。フォイル要素の
加圧に起因するフォイル要素の撓みを受入れて流体膜層
のジオメトリ−を最適な状態に維持すべく、フォイル要
素と静止部材くカートリッジ、リテーナ、又はベースと
も呼ばれることもある）との間にばね（弾性裏当て部材
）が配置され、これにより軸受に作用する荷重及び旋回
の如き不安定に抗して回転部材及びフォイル要素を支持
する。

上述の米国特許の軸受はクーロン減衰（摩擦減衰）及び
製造性に優れ、またフォイル要素が抜出し難いなどの利
点を有しているが、周縁方向に延在する環状のフォイル
要素ではなく、回転部材とリテーナとの間の間隙の周り
に周縁方向に配設された複数個の互いに独立したフォイ
ル要素が望ましいことがある。理論的には、複数個の各
フォイル要素は、単一の実質的に環状のフォイル要素よ
りも軸受の偏心、ＭＷの変化、及び作動特性の他の変化
に対しより迅速に反作用することができ、これにより潤
滑流体膜のジオメ［・リ−を調節してかかる作動特性の
変化を補償することができる。

かかる軸受が組込まれた装置の大きさが大きくなればな
るほど、フォイル要素が作動条件の変化に反作用する速
度がより重要になる。従って大型の装置については、比
較的短いフォイル要素が環状に配設された流体力学的流
体膜軸受が必要とされる。

回転部材と静止リテーナとの間の間隙に多数の短いフォ
イル要素を装着する種々の構造が従来より提案されてい
るが、一般にかかる従来の構造に於ては前述の二つの米
国特許に於ける如き優れたクーロン減衰を得ることがで
きない。従来の種々の構造の中には、米国特許第４．１
７８．０４６号に開示されている如く、互いにオーバー
ラツプして延在するフォイル要素を使用するものがあり
、かかる構造の場合には各フォイル要素は隣接するフォ
イル要素の一部を半径方向に支持する。かかる軸受は成
る条件下に於ては十分に作動するが、特定の作動条件下
に於ては、フォイル殻索が互いにオーバーラツプして配
列されている場合には、隣接するフォイル要素は潤滑流
体膜の形成及び維持に関し互いに他の作動に影響を及ぼ
し、これに付随して軸受の作ｖＪの安定性が損われるこ
とが多い。更にかくしてフォイル要素が互いにオーバー
ラツプされた構造に於ては、多数のフォイル要素及びフ
ォイル要素上の減摩被覆層により、軸受の通風冷却が阻
害され、これにより軸受の寿命及び信頼性に悪影響が及
ぼされる。

互いにオーバーラツプするフォイル要素に於りる上述の
如き欠点を回避するための一つのｈ法は、互いにオーバ
ーラツプすることなく少数個のフォイル要素を配置する
ことであり、各フォイル要素はその一端に於てリテーナ
に固定され、その他端に於てスペーサ等により半径方向
に支持される。

しかしかかる構造に於ては、軸受の複雑さが増大するだ
けでなく、流体膜のジオメトリ−を最適化することがで
きない。

上述のフォイル要素装着構造の幾つかに於ては、フォイ
ル要素の端部はリテーナに設けられた嵌合溝内に受入れ
られる断面正方形又は長方形のキーに取付けられる。し
かしかかる構造に於ては、軸受の加圧により生じるフォ
イル要素に対する高い曲げし−メントがキーを満より少
なくとも部分的に扱出さゼるという重大な危険性が生じ
、かかる現東は流体膜のジオメトリ−を最適に維持する
ことに悪影響を及ぼす。フォイル要素のブレミード（最
適条件下に於て回転部材に対しフォイル要素が及ぼすば
ね力）を増大することにより、フォイル要素に発生する
高い曲げモーメントをある程度補償することができるが
、かくしてプレロードを増大すると、軸受の作動に伴う
ウィンデージ１（１（ｗｉｎｄａａｅ　１ｏｓｓ）が増
大し、軸受容量が減少し、軸受内の静摩擦に打勝つに必
要な始動トルクが増大する。

嵌合溝よりキーが仮出すという問題を解決する他の一つ
の方法は、フォイル要素の端部を溶接、ろう付は又はこ
れらと同様の方法にでリテーナに直接取付けることであ
る。しかしかかる方法はフォイル要素を変形させ、その
結果軸受の荷重担持容量が低下し、フォイル要素が軸受
内に組込まれた後にに（プるフォイル要素の形状に対す
る調節が不可能ではないにしても困難なものになるとい
う虞れがある。

発明の開示 本発明の主要な目的は、回転軸受部材と静止軸受部材と
の間の間隙内に周縁方向に配設された複数個のフォイル
要素を有する改良された流体力学的流体膜軸受を提供す
ることである。

本発明の他の一つの目的は、安定性及び通風冷却効率に
優れた流体力学的流体膜軸受を提供することである。

本発明の更に他の−の目的は、フォイル要素が静止軸受
部材に効果的に取付けられた流体力学的流体膜軸受を提
供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、荷重担持容量が増大さ
れた流体力学的流体膜軸受を提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、必要とされる始動トル
クが小さく且つ作動中に於けるウィンデージ損が小さい
流体力学的流体膜軸受を提供づ゛ることである。

本発明の更に他の一つの目的は、製造性に優れた流体力
学的流体膜軸受を提供することである。

上述の如き目的は、流体力学的流体膜軸受の回転部材と
静止部材とにより郭定された間隙の周りに周縁方向に配
設された複数個の平滑なフォイル要素を含み、各フォイ
ル要素は静止部材に設けられた嵌合溝内に受入れられた
断面鳩尾状のキーに取付けられた流体力学的流体膜軸受
によって達成される。フォイル要素の他端はもし必要な
らば弾性裏当て部材又はリテーナの内面により支持され
、これによりフォイル要素は鳩尾状のキーより実質的に
片持ち支持される。かくしてフォイル要素を保持するこ
とにより、軸受の正常な加圧の結果性じるフォイル要素
内の曲げ応力に起因してフォイル要素がリテーナより抜
出そうとすることが効果的に阻止される。更にかくして
フォイル要素を軸受内に保持することにより、必要とさ
れるフォイル要素のプレロードを低減することかぐき、
これにより軸受の容量が増大し、静ｆｇ、ＩＯに打勝つ
に必要な始動トルクが低減され、軸受の高速作動に伴う
・フィンデージ（ｌが低減され、互いにオーバーラツプ
して延在するフォイル要素は使用されないので、軸受の
冷却効率が向上される。好ましい実施例に於ては、各フ
ォイル要素は鳩尾状のキー及び溝構造によってリテーナ
に装着された対応する弾性裏当て部材にオーバーラツプ
した関係にて配置され、各裏当て部材のキー及び溝は該
要害で部材にオーバーラツプして延在するフォイル要素
のキー及び溝に隣接し、クーロン減衰を向上させるべく
裏当て部材及びフォイル要素はこれらの固定された端部
より互いに反対の周縁方向へ延在している。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 第１図に於て、ジ１１−ナルとして構成された本発明の
流体力学的流体膜軸受１０は、シェル又はカートリッジ
としても知られている静止リテーナ１５を含んでおり、
リテーナは航空機のキャビンを冷房し加圧するための空
気循環’ＪＡＦＩに採用される電気モータやターボ＝１
ンプレソリの如き装置のＩζめの高速ロータに接続され
るよう構成された回転軸、即らジャーナル２０を囲繞し
ている。リテーナ１５及びジャーナル２０はそれらの間
に環状の間隙２５を郭定しており、該間隙はその間隙の
周りに互いにオーバーラツプすることな（周縁方向に配
設された複数個の平滑なフォイル要素３０を受入れてい
る。各フォイル要素は図の祇面に垂直な方向に軸受の実
質的に全長に亙り延在してＪ３す、各フォイル要素一端
は断面鳩尾状のキー３５と該キーを受入れる長手方向の
嵌合溝４０との間に受入れられている。フォイル要素は
溶接、ろう付け、接着剤による接合等の必要もなく、キ
ー３５の傾斜した側面とこれに対応する溝４ｏの傾斜面
との間に挿入されている。

各フォイル要素３０は弾性裏当て部材（波板ばね）４５
にオーバーラツプして延在しており、各裏当て部材の一
端はそれにオーバーラツプして延在する平滑なフォイル
要素が装着されたキー及び溝に隣接するキーと溝との間
に挿入されている。

かくして各フォイル要素及びこれにオーバーラツプして
延在する弾性裏当て部材は、クーロン減衰を向上させる
べく、これらの要素が装着された位Ｐｆ　Ｊ、すＵいに
反対の周縁り向に延在している。

軸受１０は間隙２５のジャーナル２０とフォイル要素３
０との間の部分に流体力学的圧力が発生するという基本
原理に導いて作動する。荷重が存在しない理論的な条件
下に於ては、ジャーナル２０の幾何学的中心とりチー太
１５の幾何学的中心とは実質的に互いに一致している。

しかし実際の作動条件下に於ては、ジャーナル２０の中
心をリテーナ１５の中心より変位させて一心させる成る
程度の荷重が常にジャーナルに作用し、これによりジャ
ーナルとフォイル要素との間には楔状の間隙が形成され
る。ジャーナルが回転すると、ジ１７−ナルの幾何学的
中心はリテーナの幾何学的中心の周りの軌道を描き、こ
れにより楔状の間隙はリテーナの中心の周りの軌道を描
く。当業者には理解され得る如く、軸受が空気中にて作
動しているものと仮定すれば、フォイル要素に対しジャ
ーナルの中心が偏心しており、またジャーナルが連続的
に回転することにより、ジャーナルとフォイル要素との
間に高空気圧の領域及び低空気圧の領域が形成され且維
持され、これにより高空気圧の領域より低空気圧の領域
へ空気が流れ、その結果ジャーナルとフォイル要素との
間に於て空気が圧搾される。かかる現象により軸受に作
用する半径方向の荷重を支持し且ジャーナルがフォイル
要素に接触することを阻止する潤滑空気膜が形成される
。

波板ばね４５は基本的には二つの機能を果たす。

波板ばねは空気によりフォイル要素が加圧されることに
より起因するフォイル要素の成る程度の撓みを受入れる
ことにより、上述の楔状の空気膜の形成を補助する弾性
変形可能な裏当て部材を与える。また波板ばねは全荷重
担持能力を与え、またジャーナルに作用する荷重及びジ
ャーナルの不安定に起因するジャーナルの変位を受入れ
る。当業者には理解され（りる如く、ジャーナル２０に
対する外乱はジャーナルとこれに隣接するフォイル要素
との間に於りる流体膜の圧縮、波板ばね４５の波状部の
圧縮、フォイル要素が裏当て部材を押圧する際に）４イ
ル要素と裏当て部材との間に生じるクーロン減衰（摩擦
接触）により減衰される。

クーロン減衰を向トさせるべく、フォイル要素及び裏当
て部材はこれらの要素がリテーナ１５に固定された端部
より互いに反対の周縁方向に延在している。かくしてジ
ャーナルとフォイル要素との間の流体膜が半径方向外方
へ加圧されることにより、波板ばねの波状部に対しフォ
イル要素が半径方向外方へ付勢され、これによりフォイ
ル要素が実質的に時泪旧り方向へ１７１１かれる。波板
ばね及びフォイル要素は互いに反対側の端部にてリテー
ナ１５に固定されているので、波板ばねがフォイル要素
により圧縮されると、波板ばねは反時計廻り方向へ延ば
される。フォイル要素及び波板ばねがかくして反対の周
縁方向へ運動することにより、これら二つの及素間の摩
擦接触が大きくなり、これによりそれらの間に於けるエ
ネルギーのン肖散が向上され、またジャーナルの半径方
向の変位が低減される。

θＴましい実施例に於ては、フォイル要素及び波板ばね
はｌ　ｎｃｏｎｅｌ　（Ｈ録商標）にて形成され、キー
は鋼にて形成される。勿論リテーナ、ジ１シーナル、フ
ォイル要素、波板ばねの寸法は軸受の用途及び軸受に作
用する荷重次第である。例えば空気循環空調システムの
ための９５．ＯＯＯｒｐｍのターボコンプレッサユニッ
トに軸受が使用される場合には、フォイル要素３０の厚
さは０．１ｍｍ（０゜００４インチ）０度であり、波板
ばねの／９１さは約０．１２５ｍｌｌ１（０，００５イ
ンチ）であり、軸受の直径は約３，２ｃｎ＋（１，２５
インチ）であり、その長さは４．５ｃｍ（１，７５イン
チ）である。

従って本発明の流体力学的流体膜軸受の構造によれば、
静止軸受部材と回転軸受部材との間の間隙の周りに周縁
方向に配設された多数のフォイル要素により、クーロン
減衰特性が向上され、従って安定性が向上される。溝に
１茨合する鳩尾状のキーによってフォイル要素及び裏当
て部材を装着することにより、軸受の構造的完全性が確
保される。

何故ならば、キー及びフォイル要素はフォイル要素の曲
げ荷重が最大となる面に形成された溝内に捕捉された状
態に留まるからである。フォイル要素及び裏当て部材を
強固に固定することにより軸受のプレロードが低減され
る。かくして軸受のプレロードが低減されることにより
、必要とされる始動トルクが低減され、また軸受の容量
が最適化され、しかも通常の軸受作動に伴い発生するウ
ィンデージ損が低減される。フォイル要素をキーに取付
けることにより、フォイル要素をリテーナ内へ挿入する
前にフォイル要素に対し容易に加工（その形状の調節）
を行うことがｒきる。勿論このことにより軸受の製造性
が向上される。フォイル要素を互いにオーバーラツプす
ることなく配列することにより軸受の冷却効率が向上さ
れる。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。例えば弾性裏当
て部材として単純な波板ばねが図示さだが、前述の米国
特許第４，４１５．２８１号に開示された裏当て部材と
同様の双一次のばね定数を有する裏当て部材が採用され
てもよい。荷重がほとんど作用しない条件下に於ては、
弾性裏当て部材は全く必要ではない。更に上述の実施例
に於ては本発明の軸受はジ１１−ナル軸受として構成さ
れているが、フォイル要素及び弾性裏当て部材を鳩尾状
のキーを用いて装着すること及びこれらが反対の周縁方
向に延在するよう配設することがスラスト軸受にも同様
に適用されてよい。かかる軸受の場合には、フォイル要
素及び裏当て部材は円弧状に形成され、また上述の実施
例に於てこれらの要素がリテーナ１５に固定される要領
と同一の要領にてスラストプレートに固定される。勿論
キーはスラストプレートの中心より半径方向に延在する
嵌合溝内に受入れられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流体力学的流体膜軸受を示す端部口で
ある。 第２図は第１図に示された軸受の要部を示す拡大部分端
面図である。 １０・・・流体力学的流体膜軸受、１５・・・リテーナ
。 ２０・・・ジャーナル、２５・・・間隙、３ｏ・・・フ
ォイル要素、３５・・・キー、４０・・・溝、４５・・
・裏当て部材（波板ばね） 特ｎ出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション 代　　理　　人　　　　弁　　理　　士　　　　明　　
石　　畠　　毅ＦＩＧ、／

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 静止リテーナと、前記リテーナと共働して前記リテーナ
   との間に間隙を郭定する回転部材と、前記間隙内に配置
   され前記間隙の周りに周縁方向に配設された複数個の平
   滑なフォイル要素とを有し、前記回転部材は前記回転部
   材と前記フォイル要素との間に相対回転運動により維持
   された加圧された流体膜層上に支持されており、各フォ
   イル要素は前記間隙内に配置された弾性裏当て部材にオ
   ーバーラップして延在しており、前記弾性裏当て部材は
   前記流体膜層により前記フォイル要素が加圧されること
   による前記フォイル要素の撓みを受入れ、また前記回転
   部材に対する荷重及び前記回転部材の不安定に起因する
   前記回転部材の変位を受入れるよう構成された流体力学
   的流体膜軸受にして、 前記リテーナには前記フォイル要素の周縁方向長さと少
   なくとも同程度の距離にて互いに隔置された断面鳩尾状
   の複数個の溝が設けられていることと、 それぞれ前記リテーナに設けられた前記溝内に受入れら
   れた複数個の鳩尾状のキーと、 を含み前記フォイル要素が前記軸受内に互いにオーバー
   ラップすることなく周縁方向に延在する状態にて配置さ
   れるよう、各フォイル要素の一端は対応する溝と該溝内
   に受入れられた前記キーとの間に捕捉されている流体力
   学的流体膜軸受。