KR101531920B1 - 래디얼 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

톱 포일(10)과, 백 포일(11)과, 이들을 수용하는 베어링 하우징(12)을 구비하고, 회전축(1)을 지지하는 래디얼 포일 베어링(3)에 관한 것이다. 베어링 하우징(12)의 양 측면에는, 그 외주연부터 내주연까지 연장되는 걸어맞춤 홈(15)이 형성되어 있다. 백 포일(11)의 양측 주연부에는 노치(16)가 형성되어 있다. 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(15) 및 백 포일(11)의 노치(16)에는, 이들 걸어맞춤 홈(15) 및 노치(16)에 걸어맞춤되는 한 쌍의 걸어맞춤 다리(31)와, 걸어맞춤 다리(31)의 일단측에 배치되어 걸어맞춤 다리(31, 31) 간을 접속하는 접속부(32)를 갖는 걸어멈춤 부재(30)가 걸어멈춤되어 있다.

Description

래디얼 포일 베어링{Radial foil bearing}

본 발명은 래디얼 포일 베어링에 관한 것이다. 본원은 2011년 8월 1일에 출원된 일본특허출원 2011-168575호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 고속 회전체용 베어링으로서 회전축에 외부 삽입되어 이용되는 래디얼 베어링이 알려져 있다. 이러한 래디얼 베어링으로서는, 베어링면을 형성하는 박판형의 톱 포일과, 이 톱 포일을 탄성적으로 지지하는 백 포일과, 상기 톱 포일 및 상기 백 포일을 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비한 래디얼 포일 베어링이 잘 알려져 있다. 래디얼 포일 베어링의 백 포일로서는, 박판을 파판(波板)형으로 성형한 범프 포일이 주로 이용되고 있다.

이러한 래디얼 포일 베어링에서는, 톱 포일이나 백 포일이 베어링 하우징으로부터 탈락하는 것을 방지하기 위해, 그 일단부(고정단부)가 스폿 용접에 의해 베어링 하우징에 직접적으로 혹은 스페이서를 개재하여 간접적으로 고정되어 있다.

또한, 상기한 용접에 의한 고정 대신에 기계적으로 고정하는 구조로서, 톱 포일이나 백 포일(범프 포일)의 단부를 굽힘 가공에 의해 절곡하고, 이 절곡부를 베어링 하우징에 형성한 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤시킨 구조도 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1~3 참조).

특허문헌 1: 일본공개특허 2011-033176호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2011-017385호 공보 특허문헌 3: 일본공개특허 2002-061645호 공보

그러나, 베어링 하우징에의 백 포일(범프 포일)의 고정을 용접에 의해 행하면, 입열(入熱)에 의해 백 포일이나 베어링 하우징이 변형되고, 이 영향을 받아 톱 포일에 왜곡이 생긴다. 또한, 특허문헌 1~3에 개시된 구조를 이용해도, 톱 포일이나 백 포일을 굽힘 가공에 의해 형성하고 있기 때문에 톱 포일에 왜곡이 생긴다. 즉, 톱 포일 및 백 포일의 굽힘 가공에 의해 각각에 왜곡이 생기는데, 백 포일은 톱 포일을 지지하고 있다. 이 때문에, 백 포일의 왜곡이 톱 포일에 영향을 주어 톱 포일의 왜곡이 보다 커진다.

또한, 회전축의 회전에 따라 상기 회전축과 톱 포일 사이에 형성되는 포일 베어링의 유체 윤활막의 막두께는 10㎛ 전후로 매우 얇다. 이 때문에, 톱 포일에 생긴 약간의 왜곡이 베어링의 부하 능력이나 동특성(動特性; 강성과 감쇠)에 악영향을 준다. 그 결과, 설계대로의 성능을 갖는 베어링을 얻을 수 없게 된다.

또한, 래디얼 포일 베어링의 베어링 성능을 향상시키기 위해서는 백 포일을 그 둘레방향으로 복수 분할하는 것이 유효하다. 그러나, 그 경우에는 베어링 하우징에 대한 백 포일의 고정점이 많아진다. 이 때문에, 종래의 용접에 의한 고정에서는 용접 개소가 늘어남으로써 공정수가 늘어나 제조 비용이 증대한다. 또한, 용접 개소가 늘어나면, 용접한 모든 개소를 양호하게 용접할 수 없으면 제품으로서 출하할 수 없다. 이 때문에, 품질 유지가 어려워지고 제조시의 양품율의 저하에 의해 제조 비용이 증대한다.

본 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 톱 포일에 생기는 왜곡을 줄여 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해 설계대로의 양호한 성능을 가지고 제조 비용을 억제한 래디얼 포일 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 태양의 래디얼 포일 베어링은, 회전축에 외부 삽입되어 상기 회전축을 지지한다. 래디얼 포일 베어링은, 상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 포일과, 상기 톱 포일의 직경 방향 외측에 배치되는 백 포일과, 상기 톱 포일 및 상기 백 포일을 내부 삽입한 상태로 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비하고 있다. 상기 베어링 하우징의 양 측면에는, 상기 베어링 하우징의 외주연(外周緣)부터 내주연(內周緣)까지 연장되는 걸어맞춤 홈이 형성되어 있다. 상기 백 포일의 양측 주연부에는 노치가 형성되어 있다. 또한, 상기 베어링 하우징의 상기 걸어맞춤 홈 및 상기 백 포일의 상기 노치에는, 상기 걸어맞춤 홈 및 상기 노치에 걸어맞춤되는 한 쌍의 걸어맞춤 다리와, 상기 걸어맞춤 다리의 일단측에 배치되어 상기 걸어맞춤 다리 간을 접속하는 접속부를 갖는 걸어멈춤 부재가 걸어멈춤되어 있다.

이 경우, 한 쌍의 걸어맞춤 다리와 접속부를 갖는 걸어멈춤 부재를 이용하여 한 쌍의 걸어맞춤 다리를 각각 백 포일의 노치와 베어링 하우징의 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤시킨다. 이에 의해, 백 포일을 베어링 하우징에 고정하고 있다. 따라서, 백 포일에 대해 스폿 용접이나 굽힘 가공을 행하지 않고 백 포일을 베어링 하우징 내에 수용·고정할 수 있다. 그 결과, 백 포일의 스폿 용접이나 백 포일의 왜곡의 영향에 의해 톱 포일에 왜곡이 생기는 것을 막을 수 있다. 또한, 백 포일의 용접이 필요 없기 때문에, 용접 불량에 의한 조립 불량이나 조립의 불균일을 없앨 수 있다.

또한, 상기 래디얼 포일 베어링에 있어서, 상기 백 포일은 상기 베어링 하우징의 둘레방향을 따라 상기 베어링 하우징과 접하는 골(谷)부와 상기 톱 포일에 접하는 산(山)부를 교대로 형성한 파판(波板)형이며, 상기 백 포일의 노치는 상기 골부에 형성되어 있고, 상기 접속부는 상기 톱 포일과 상기 백 포일의 사이에 배치되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 백 포일은 그 산부에서 톱 포일에 접한다. 이 때문에, 백 포일의 골부에 형성된 노치에 걸어맞춤되는 걸어멈춤 부재는 그 접속부가 톱 포일에 간섭하지 않고 배치된다.

또한, 상기 래디얼 포일 베어링에 있어서, 상기 백 포일의 노치는 상기 백 포일의 둘레방향 중앙부에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

백 포일은 톱 포일을 탄성적으로 지지한다. 이 때문에, 백 포일은 톱 포일로부터 하중을 받았을 때에, 그 둘레방향으로 변형됨으로써 톱 포일의 휨을 허용하고 톱 포일을 지지한다. 그러나, 백 포일이 둘레방향으로 변형될 때, 베어링 하우징과의 사이의 마찰의 영향을 받기 때문에 자유단측에서는 변형되기 쉽지만, 고정단측에서는 변형되기 어렵다. 그 때문에, 자유단측과 고정단측에서는 지지 강성에 차이가 생겨 베어링 전체적으로 균일한 지지 강성을 얻을 수 없다.

백 포일의 노치를 백 포일의 둘레방향 중앙부에 형성하고, 걸어멈춤 부재에 의한 고정을 백 포일의 둘레방향 중앙부에서 행한 경우, 백 포일의 일단부를 걸어멈춤 부재로 고정한 경우에 비해 백 포일의 고정단(걸어멈춤 부재에 의한 고정부)과 자유단(백 포일의 단부) 간의 거리가 대략 절반이 되어 자유단측과 고정단측 간의 지지 강성의 차이가 작아진다.

또한, 상기 래디얼 포일 베어링에 있어서, 상기 백 포일은 상기 톱 포일의 둘레방향을 따라 배치된 복수의 백 포일편을 가지고 구성되며, 상기 백 포일편에는 각각 상기 노치가 형성되어 있음과 동시에, 상기 노치에는 상기 걸어멈춤 부재의 걸어맞춤 다리가 걸어맞춤되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 백 포일편에서의 고정단과 자유단 간의 거리가 짧아진다. 이 때문에, 전술한 바와 같이 자유단측과 고정단측 간의 지지 강성의 차이가 작아져 백 포일 전체에서의 지지 강성의 불균일이 보다 적어진다.

또한, 상기 래디얼 포일 베어링에 있어서, 상기 백 포일편의 노치는 상기 백 포일편의 둘레방향 중앙부에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 각 백 포일편의 자유단측과 고정단측 간의 지지 강성의 차이가 더 작아져 백 포일 전체에서의 지지 강성의 불균일이 보다 적어진다.

본 발명의 래디얼 포일 베어링에 따르면, 백 포일에 왜곡이 생기는 것을 방지하여 톱 포일의 왜곡이 적어진다. 그 결과, 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해 설계대로의 양호한 성능을 갖는 래디얼 포일 베어링을 얻을 수 있다. 또한, 용접을 필요 없게 하여 용접 불량에 의한 조립 불량이나 조립의 불균일을 없앴기 때문에, 제조시의 양품율의 향상에 의해 제조 비용을 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 도시한 모식도이다.
도 2a는 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 일 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로, 래디얼 포일 베어링의 측면도이다.
도 2b는 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 일 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로, 래디얼 포일 베어링의 주요부를 도시한 사시도이다.
도 2c는 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 일 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로, 도 2a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 도시한 측면도이다.
도 2d는 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 일 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로, 도 2c에서의 A-A선 화살표 방향으로 본 도면이다.
도 2e는 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 일 실시형태의 개략 구성을 도시한 도면으로, 도 2c에서의 B-B선 단면도이다.
도 3은 본 발명에 관한 걸어멈춤 부재의 변형예를 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명에 관한 래디얼 포일 베어링의 주요부를 도시한 사시도이다.
도 4b는 본 발명에 관한 걸어멈춤 부재의 장착 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링을 자세하게 설명한다. 또, 이하의 도면에서는 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하고 있다.

도 1은 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 도시한 측면도이다. 도 1은, 회전축(1), 회전축의 선단부에 설치된 임펠러(2), 래디얼 포일 베어링(3), 스러스트 칼라(4), 스러스트 베어링(5) 및 하우징(6)을 나타내고 있다. 또, 도 1에서는 생략하여 래디얼 포일 베어링을 하나밖에 기재하지 않았지만, 통상은 회전축(1)의 축방향으로 래디얼 포일 베어링이 2개 설치됨으로써 회전축(1)의 지지 구조가 구성되어 있다. 따라서, 본 실시형태에서도 래디얼 포일 베어링(3)이 2개 설치되어 있다.

회전축(1)에는, 임펠러(2)가 형성된 측에 스러스트 칼라(4)가 고정되어 있다. 스러스트 칼라(4)의 양측에는 스러스트 칼라(4)에 대향하도록 스러스트 베어링(5)이 배치되어 있다.

또한, 임펠러(2)는 정지측이 되는 하우징(6) 내에 배치되어 있고, 하우징(6)과의 사이에 팁 클리어런스(7)(tip clearance)를 갖고 있다.

또한, 회전축(1)에는, 스러스트 칼라(4)보다 중앙측에 래디얼 포일 베어링(3)이 외부 삽입되어 있다.

도 2a 내지 도 2e는, 상기한 구성의 터보 기계에 적용되는 래디얼 포일 베어링의 일 실시형태를 도시한 도면이다. 본 실시형태의 래디얼 포일 베어링(3)은, 도 2a에 도시된 바와 같이 회전축(1)에 외부 삽입되어 회전축(1)을 지지하고 원통형이다. 래디얼 포일 베어링(3)은, 회전축(1)에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 포일(10)과, 톱 포일(10)의 직경 방향 외측에 배치되는 백 포일(11)과, 백 포일(11)의 직경 방향 외측에 배치되는 베어링 하우징(12)을 구비하여 구성되어 있다.

베어링 하우징(12)은, 래디얼 포일 베어링(3)의 최외곽부를 구성하며 금속으로 이루어지고 원통형이다. 베어링 하우징(12)은, 그 내부에 백 포일(11) 및 톱 포일(10)을 수용하고 있다. 베어링 하우징(12)의 내주면에는 베어링 하우징(12)의 축방향을 따라 홈(13)이 형성되어 있다.

즉, 베어링 하우징(12)의 내주면에는 베어링 하우징(12)의 축방향의 전체길이에 걸쳐 홈(13)이 형성되어 있다. 홈(13)은 그 깊이 방향이, 후술하는 톱 포일(10)의 일방측(10a)이 연장돌출되는 방향과 일치하도록 형성되어 있다. 또한, 홈(13)의 깊이는 2mm~5mm 정도이다.

또한, 베어링 하우징(12)의 외주면측에는 홈(13)에 연통하는 한 쌍의 구멍(14)이 형성되어 있다. 이들 구멍(14)은, 후술하는 바와 같이 홈(13) 내에 끼워넣어진 톱 포일(10)의 일방측(10a)을 홈(13) 내에 고정하기 위해 이용된다. 즉, 구멍(14)은 수나사의 삽입용 구멍이고, 그 내주면에 암나사부가 형성되어 있다.

또한, 베어링 하우징(12)의 양 측면에는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 베어링 하우징(12)의 외주연부터 내주연까지 연장되는 3개의 걸어맞춤 홈(15)이 형성되어 있다. 본 실시형태의 걸어맞춤 홈(15)은, 도 2a에 도시된 바와 같이 베어링 하우징(12)의 측면을 그 둘레방향으로 대략 3분할하는 위치에 각각 형성되어 있다. 이들 걸어맞춤 홈(15)에는 후술하는 걸어멈춤 부재(30)가 걸어멈춤되어 있다. 또, 본 실시형태에서는 3개의 걸어맞춤 홈(15) 중의 2개의 걸어맞춤 홈(15)의 사이에 홈(13)이 배치되어 있다.

백 포일(11)은 포일(박판)로 형성되어 톱 포일(10)을 탄성적으로 지지한다. 백 포일(11)로서는, 예를 들면 범프 포일이나, 일본공개특허 2006-57652호 공보나 일본공개특허 2004-270904호 공보 등에 기재되어 있는 스프링 포일, 또는 일본공개특허 2009-299748호 공보 등에 기재되어 있는 백 포일 등이 이용된다. 본 실시형태에서는, 백 포일(11)로서 범프 포일을 이용하고 있다. 단, 전술한 스프링 포일이나 백 포일을 백 포일로서 이용해도 된다.

백 포일(범프 포일)(11)은, 도 2a에 도시된 바와 같이 톱 포일(10)의 둘레방향을 따라 배치된 3개(복수)의 백 포일편(11a)에 의해 구성되어 있다. 백 포일편(11a)은 그 포일(박판)이 파판형으로 성형되고, 그 측면이 전체적으로 대략 원호형상이 되도록 성형되어 있다. 3개의 백 포일편(11a)은 모두 같은 형상·치수로 형성되어 있다. 따라서, 이들 백 포일편(11a)은 베어링 하우징(12)의 내주면을 대략 3분할하도록 배치되어 있다.

또한, 이들 백 포일편(11a)은 홈(13)을 사이에 두는 위치에서는 어느 정도의 간극을 두고 배치되며, 그 이외의 위치에서는 서로의 단부가 근접하여 배치되어 있다. 상기 구성에 따라, 3개의 백 포일편(11a)은 전체적으로 대략 원통형상이 되도록 베어링 하우징(12)의 내주면을 따라 배치되어 있다.

또한, 파판형으로 성형된 백 포일편(11a)에는, 도 2a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 도시한 도 2c에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징(12)의 둘레방향을 따라 베어링 하우징(12)과 접하는 평탄한 골부(11b)와 톱 포일(10)에 접하는 만곡한 산부(11c)가 교대로 형성되어 있다. 백 포일편(11a)은, 특히 톱 포일(10)에 접하는 산부(11c)에 의해 톱 포일(10)을 탄성적으로 지지하고 있다. 또한, 래디얼 포일 베어링(3)의 축방향으로 산부(11c)나 골부(11b)에 의한 유체의 통로가 형성되어 있다.

또한, 이들 백 포일편(11a)에는, 도 2c에서의 A-A선 화살표 방향으로 본 도면인 도 2d에 도시된 바와 같이, 각각의 둘레방향 중앙부(베어링 하우징(12)의 둘레방향에 따른 방향의 중앙부)의 양측 주연부에 노치(16)가 형성되어 있다. 노치(16)는, 도 2b에 도시된 바와 같이 백 포일편(11a)의 골부(11b)에 형성되어 있다. 노치(16)는, 산부(11c, 11c) 간에 형성된 평탄부로 이루어지는 골부(11b)가 그 측주연(側周緣)으로부터 베어링 하우징(12)의 축방향 중심부로 향하여 잘라내어짐으로써 형성되어 있다. 노치(16)는, 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(15)에 대응하는 위치, 즉 걸어맞춤 홈(15)과 겹치는 위치에 형성되어 있다. 또한, 노치(16)의 폭 및 깊이는 걸어맞춤 홈(15)의 폭 및 깊이와 같아지도록 형성되어 있다.

상기한 구성에 의해, 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(15)과 백 포일편(11a)의 노치(16)는 도 2b에 도시된 바와 같이 하나의 홈으로서 기능한다. 또, 노치(16)는 버(burr)가 발생하지 않고 스트레스를 주지 않고 왜곡도 생기지 않도록, 에칭 가공이나 방전 가공을 이용하여 포일에 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 에칭 가공이나 방전 가공으로 포일에 노치(16)를 형성한 후, 산부(11c)나 골부(11b)를 형성하기 위한 프레스 성형을 행하여 백 포일편(11a)을 형성하는 것이 바람직하다.

이들 걸어맞춤 홈(15)과 노치(16)에는 걸어멈춤 부재(30)가 걸어멈춤되어 있다. 걸어멈춤 부재(30)는, 도 2c에서의 B-B선 단면도인 도 2e 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 걸어맞춤 다리(31, 31)와, 이들 걸어맞춤 다리(31, 31)의 일단측에 배치되어 걸어맞춤 다리(31, 31) 간을 접속하는 접속부(32)를 가진다. 걸어멈춤 부재(30)는 "ㄷ"자 형상으로, 한쪽의 걸어맞춤 다리(31)가 래디얼 포일 베어링(3)의 한쪽 측면측의 걸어맞춤 홈(15)과 노치(16)에 걸어맞춤되고, 다른 쪽의 걸어맞춤 다리(31)가 래디얼 포일 베어링(3)의 다른 쪽 측면측의 걸어맞춤 홈(15)과 노치(16)에 걸어맞춤되어 있다. 걸어맞춤 다리(31)의 길이는, 도 2e에 도시된 바와 같이 베어링 하우징(12)의 두께와 백 포일편(11a)의 두께의 합과 대략 같다. 또한, 접속부(32)는, 도 2c에서 도 2e에 도시된 바와 같이 백 포일편(11a)의 골부(11b)와 톱 포일(10)의 사이에 배치되어 있다.

상기한 구성에 의해, 걸어멈춤 부재(30)는 걸어맞춤 다리(31)가 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(15)과 백 포일편(11a)의 노치(16)에 모두 걸어맞춤되어 있다. 이 때문에, 백 포일편(11a)을 베어링 하우징(12)에 고정하는 고정 수단으로서 기능하고 있다. 또한, 걸어멈춤 부재(30)는, 그 접속부(32)가 톱 포일(10)로 덮여 있음으로써 백 포일편(11a)으로부터 탈락하는 것이 방지되어 있다. 이에 의해, 걸어멈춤 부재(30)는 백 포일편(11a)을 베어링 하우징(12)에 확실히 고정하고 있다.

또, 걸어멈춤 부재(30)의 걸어맞춤 다리(31)나 접속부(32)의 형상은 도 2b에 도시된 바와 같이 사각기둥 형상이어도 되고, 원기둥 형상(환봉 형상)이어도 된다. 이들의 굵기는 0.2~0.5mm 정도이다. 예를 들면, 래디얼 포일 베어링(3)의 베어링 크기가 Ø35mm×(길이)35mm인 경우, 백 포일편(11a) 및 톱 포일(10)의 두께는 100㎛ 정도이다. 또한, 백 포일편(11a)의 산부(11c)의 높이(골부(11b)에 대한 높이)는 0.5mm 정도이다. 따라서, 걸어멈춤 부재(30)의 굵기를 0.5mm 미만(0.2~0.5mm 정도)으로 함으로써, 도 2b에 도시된 바와 같이 걸어멈춤 부재(30)의 접속부(32)가 톱 포일(10)에 접촉하지 않고 톱 포일(10)로부터 이격되어 배치되어 있다. 즉, 걸어멈춤 부재(30), 걸어맞춤 다리(31) 및 접속부(32)는 톱 포일(10)에 간섭하지 않는다.

걸어멈춤 부재(30)는, 예를 들면 두께가 0.5mm 미만인 스테인리스 등으로 이루어지는 금속박을 "ㄷ"자 형상으로 에칭 가공함으로써 형성할 수 있다. 또한, 걸어멈춤 부재(30)는 굵기가 0.5mm 미만인 와이어 형상의 금속봉을 절곡 가공함으로써도 형성할 수 있다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 톱 포일(10)은 3개의 백 포일편(11a)으로 이루어지는 백 포일(11)의 내면을 따라 원통형상으로 감기도록 구성되어 있다. 톱 포일(10)은, 일방측(10a)의 선단부가 베어링 하우징(12)에 형성된 홈(13)에 걸어맞춤하도록 배치되어 있다. 또한, 톱 포일(10)은 베어링 둘레방향을 장변으로 하고 베어링 길이방향을 단변으로 하는 직사각형상의 금속박이 장변의 길이방향(베어링 둘레방향)으로 원통형상으로 감김으로써 형성되어 있다.

단, 톱 포일(10)은 상기 금속박의 양단이 맞대어지도록 감기지 않고 일방측(10a)이 타당측의 외측에 겹치도록 감겨져 있다. 또한, 일방측(10a)은 그 이외의 부분에서 형성되는 원통부의 소정 위치에서의 접선 방향으로 연장돌출되도록 형성되어 있다.

또한, 베어링 하우징(12)에서의 홈(13)은 그 깊이 방향이 톱 포일(10)의 일방측(10a)이 연장돌출되는 방향에 일치하도록 형성되어 있다.

따라서, 톱 포일(10)은 그 일방측(10a)이 연장돌출된 방향이 홈(13)의 깊이 방향에 일치하도록 배치되어 그 일방측(10a)의 선단부가 홈(13)에 걸어맞춤되어 있다. 이에 의해, 톱 포일(10)은 그 일방측(10a)이 홈(13)에 걸어맞춤한 상태에서는 변형되지 않는다. 이 때문에, 톱 포일(10)에는 왜곡이 생기지 않는다.

또한, 본 실시형태에서는, 홈(13)에 걸어맞춤되어 있는 톱 포일(10)의 일방측(10a)은 수나사(17)에 의해 홈(13) 내에 고정되어 있다. 즉, 수나사(17)가 구멍(14)에 나사 결합하여 삽입됨으로써, 일방측(10a)이 홈(13)의 내벽면에 밀착됨으로써 고정되어 있다. 또, 홈(13)의 내벽면에의 밀착에 의한 일방측(10a)의 변형은 얼마 안 된다. 따라서, 이 변형에 의해 톱 포일(10)에 왜곡이 생기는 일은 거의 없다.

또한, 톱 포일(10)에는, 일방측(10a)과 이와 반대인 타방측에 이들 사이의 중앙부에 비해 두께가 얇은 얇은 두께부(18)가 형성되어 있다. 이들 얇은 두께부(18)는, 그 외주면(범프 포일(11)측의 면)이 톱 포일(10)의 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록 얇게 되어 형성되어 있다.

얇은 두께부(18)는, 예를 들면 에칭 가공에 의해 톱 포일(10)의 양단부를 십㎛ 단위로 콘트롤하여 원하는 두께(얇기)로 형성되어 있다. 구체적으로 베어링 직경 Ø35mm로 한 경우, 톱 포일(10)의 두께를 100㎛로 하면, 얇은 두께부(18)의 두께는 80㎛ 정도가 되도록 형성되어 있다. 또, 상기한 에칭 가공에서는 굽힘 가공 등에 비해 톱 포일(10)에 생기는 응력이 매우 작다. 따라서, 이 가공에 의해 톱 포일(10)에 왜곡이 생기는 일도 거의 없다.

또한, 얇은 두께부(18)의 둘레방향의 길이는, 예를 들면 홈(13)과 홈(13)의 양측에 위치하는 범프 포일(11)의 단부의 산 하나분까지 대응하는 길이이다.

톱 포일(10)의 양단부에 얇은 두께부(18)를 형성함으로써, 이들 양단부(얇은 두께부(18))는 탄성 변형되기 쉬워진다. 따라서, 이들 양단부(얇은 두께부(18))는 베어링 하우징(12)의 내주면을 구성하는 곡면을 따라 곡면이 된다. 이에 의해, 톱 포일(10)의 양단부에서도 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 발생하지 않는다.

즉, 종래와 같이 톱 포일의 일단부(고정단부)를 스폿 용접으로 베어링 하우징에 고정한 경우, 그 양단 부근(고정단측과 자유단측)이 베어링 하우징의 내주면을 구성하는 곡면을 따르기 어려워 평면에 가까운 상태가 된다. 이에 의해, 평면에 가까운 상기 부위에서는 회전축을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 발생한다. 그 결과, 시동 토크가 높아지거나 운전중 발열이 설정 이상으로 높아지는 등의 문제가 생긴다. 이에 대해, 본 실시형태의 톱 포일(10)에서는 그 양단부에 얇은 두께부(18)를 형성함으로써, 상기한 바와 같이 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 발생하지 않는다.

또한, 톱 포일(10)의 양단부의 외주면을 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록 얇게 하여 얇은 두께부(18)를 형성하고 있다. 이 때문에, 얇은 두께부(18)와 그 외주면측을 지지하는 백 포일(11)의 사이 및 얇은 두께부(18)와 그 단부의 산 하나분의 사이에 간극이 형성된다. 이에 의해, 얇은 두께부(18)에서 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)의 발생을 확실히 방지할 수 있다.

다음에, 전술한 구성으로 이루어지는 래디얼 포일 베어링(3)의 작용에 대해 설명한다.

회전축(1)이 정지한 상태에서는, 톱 포일(10)은 백 포일(11)(3개의 백 포일편(11a))에 의해 회전축(1) 측에 바이어스됨으로써 회전축(1)에 밀착되어 있다.

또, 본 실시형태에서는 톱 포일(10)의 양단부가 얇은 두께부(18)가 되어 있다. 이 때문에, 이들 얇은 두께부(18)에서는 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)이 거의 발생하지 않는다.

그리고, 도 2a 중의 화살표(P)로 나타내는 바와 같이 회전축(1)을 화살표(P)의 방향으로 시동시키면, 처음에는 저속으로 회전을 시작하고, 그 후 서서히 가속하여 고속으로 회전한다. 그 결과, 도 2a 중의 화살표(Q)로 나타내는 바와 같이, 톱 포일(10)의 일방측(10a)과 백 포일편(11a)의 일단의 사이로부터 주위 유체가 끌어들여져 톱 포일(10)과 회전축(1)의 사이에 유입된다. 이에 의해, 톱 포일(10)과 회전축(1)의 사이에 유체 윤활막이 형성된다.

이 유체 윤활막의 막압은 톱 포일(10)에 작용하고, 톱 포일(10)에 접하는 백 포일편(11a)의 개개의 산부(11c)를 압압한다. 그 결과, 백 포일편(11a)이 톱 포일(10)에 압압됨으로써, 그 산부(11c)가 눌러 벌려진다. 이에 의해, 백 포일편(11a)은 베어링 하우징(12) 상을 그 둘레방향으로 움직인다.

즉, 백 포일편(11a)(백 포일(11))은 톱 포일(10)을 탄성적으로 지지하고 있다. 이 때문에, 백 포일편(11a)(백 포일(11))은 톱 포일(10)로부터 하중을 받았을 때에 그 둘레방향으로 변형됨으로써, 톱 포일(10)의 휨을 허용하여 톱 포일(10)을 지지한다.

그러나, 도 2c에 도시된 바와 같이, 백 포일편(11a)에는 그 측주연부에 마련된 노치(16)에 걸어멈춤 부재(30)의 걸어맞춤 다리(31)가 끼워넣어져 걸어맞춤되어 있고, 이것이 베어링 하우징(12)과의 사이에서의 회전방지부로서 기능하고 있다. 따라서, 백 포일편(11a)의 개개의 산부(11c)는, 걸어멈춤 부재(30)가 걸어멈춤되어 있는 노치(16)를 고정점(고정단)으로서 둘레방향으로 변형되는데(움직이는데), 백 포일편(11a) 자체는 그 중심이 정위치로부터 벗어나는 일은 없다.

또한, 백 포일편(11a)은 둘레방향으로 변형될(움직일) 때, 베어링 하우징(12)이나 톱 포일(10)과의 사이의 마찰의 영향을 받는다. 이 때문에, 백 포일편(11a)의 양단부(즉, 자유단측)는 변형되기 쉬운데(움직이기 쉬운데), 상기 고정점(고정단) 측에서는 변형되기 어렵다.

그 때문에, 자유단측과 고정단측에서는 백 포일편(11a)에 의한 지지 강성에 차이가 생긴다.

그러나, 본 실시형태에서는 노치(16)를 백 포일편(11a)의 둘레방향 중앙부에 형성하고, 걸어멈춤 부재(30)에 의한 고정점을 백 포일편(11a)의 둘레방향 중앙부로 하고 있다. 이 때문에, 고정단과 자유단 간의 거리가 짧고, 상기 자유단측과 상기 고정단측의 지지 강성의 차이가 작다. 또, 본 실시형태에서는 백 포일(11)을 3개의 백 포일편(11a)으로 분할하고 있다. 이 때문에, 백 포일(11)을 단일 포일로 형성한 경우에 비해 고정단과 자유단 간의 거리가 짧고, 자유단측과 고정단측 간의 지지 강성의 차이가 보다 작다.

또한, 회전축(1)이 고속으로 회전하고 있을 때, 걸어멈춤 부재(30)가 백 포일편(11a)의 축방향으로의 움직임도 구속하고 있다. 이 때문에, 예기치 못한 충격 등이 작용한 경우에서도 백 포일편(11a)이 베어링 하우징(12)으로부터 탈락하는 일은 없다. 또, 걸어멈춤 부재(30)는 걸어맞춤 홈(15), 노치(16)에 끼워넣기만 하는 간이한 구조로 되어 있다. 그러나, 톱 포일(10)이 이것의 접속부(32)를 덮어 빠짐방지부로서 기능하고 있기 때문에, 충격 등에 따라 탈락하는 일은 없다.

또한, 유체 윤활막이 형성될 때까지의 상태에서는 회전축(1)과 톱 포일(10) 간에 고체 마찰이 생기고, 이것이 시동시의 저항이 된다. 그러나, 상기한 바와 같이, 본 실시형태에서의 래디얼 포일 베어링(3)에 따르면, 톱 포일(10)의 양단부에서 프리로드가 발생하지 않고, 주위 유체가 유입되는 측의 톱 포일(10)이 얇은 두께부(18)가 되어 있어 유연하다. 이 때문에, 톱 포일(10)과 회전축(1)의 사이가 개구되기 쉽고, 회전축(1)이 시동하면 조기에 유체 윤활막이 형성되어, 회전축(1)은 톱 포일(10)에 대해 비접촉 상태로 회전한다.

래디얼 포일 베어링(3)에서는, 걸어멈춤 부재(30)를 이용하여 한 쌍의 걸어맞춤 다리(31)를 각각 백 포일편(11a)의 노치(16)와 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(15)에 걸어맞춤시키고 있다. 이에 의해, 백 포일편(11a)(백 포일(11))을 베어링 하우징(12)에 고정하고 있으므로, 백 포일편(11a)에 대해 스폿 용접이나 굽힘 가공을 행하지 않고 백 포일편(11a)을 베어링 하우징(12) 내에 수용·고정할 수 있다. 따라서, 백 포일(11)(백 포일편(11a))의 스폿 용접이나 백 포일(11)의 왜곡의 영향에 의해 톱 포일(10)에 왜곡이 생기는 것을 방지하여 톱 포일(10)의 왜곡을 충분히 줄일 수 있다. 이에 따라, 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해 설계대로의 양호한 성능을 갖는 래디얼 포일 베어링을 얻을 수 있다.

또한, 백 포일(11)에 대해서는 종래의 스폿 용접이나 왜곡을 발생시키는 굽힘 가공이 필요 없기 때문에, 제조의 난이도를 저하시켜 제조 비용을 저감할 수 있다. 즉, 용접 불량에 의한 조립 불량이나 조립의 불균일을 없앴기 때문에, 제조시의 양품율이 향상되어 제조 비용이 저감될 수 있다. 또한, 백 포일(11)에 특별한 굽힘 가공이 필요해지기 때문에, 백 포일(11)을 고정밀도로 프레스 성형하는 것이 가능해진다.

또, 백 포일(11)의 용접이 필요 없기 때문에, 제조시의 양품율이나 성능이 용접의 좋고 나쁨에 영향을 받지 않는다. 그 결과, 양품의 재현성이 높아져 양산성이 높아진다.

또, 래디얼 포일 베어링의 베어링 성능을 향상시키기 위해 백 포일(11)을 그 둘레방향으로 복수 분할하는 경우도, 용접에 의한 고정에 비해 적은 공정수로 베어링을 제조할 수 있다. 따라서, 제조 비용을 저감할 수 있다.

또한, 백 포일(11)을 톱 포일(10)의 둘레방향을 따라 배치된 3개(복수)의 백 포일편(11a)으로 구성하고, 이들 백 포일편(11a)에 각각 노치(16)를 형성하고 있다. 이에 의해, 백 포일편(11a)에서의 고정단과 자유단 간의 거리를 짧게 하고, 자유단측과 고정단측 간의 지지 강성의 차이를 작게 하고 있다. 이 때문에, 백 포일(11) 전체에서의 지지 강성의 불균일을 줄일 수 있다. 따라서, 백 포일(11) 전체에서 균일한 지지 강성과 미끄러짐 특성을 얻을 수 있다. 그 결과, 큰 베어링 부하 능력과 높은 베어링 강성 능력 및 감쇠 능력을 갖는 래디얼 포일 베어링을 얻을 수 있다.

또한, 백 포일편(11a)의 노치(16)를 백 포일편(11a)의 둘레방향 중앙부에 형성하고 있다. 이에 의해, 백 포일편(11a)에서의 고정단과 자유단 간의 거리를 보다 짧게 하고, 자유단측과 고정단측 간의 지지 강성의 차이를 더 작게 하고 있다. 따라서, 백 포일(11) 전체에서의 지지 강성의 불균일을 보다 줄일 수 있다. 그 결과, 보다 큰 베어링 부하 능력과 보다 높은 베어링 강성 능력 및 감쇠 능력을 갖는 래디얼 포일 베어링을 얻을 수 있다.

또, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는 백 포일(11)을 3개의 백 포일편(11a)에 의해 구성하였지만, 백 포일(11)에 대해서는 1장의 금속박을 대략 원통형으로 성형한 단일의 것으로 구성해도 된다. 또한, 복수의 백 포일편(11a)으로 구성하는 경우에는 2개 또는 4개 이상의 백 포일편(11a)으로 백 포일(11)을 구성하도록 해도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는 백 포일편(11a)의 둘레방향 중앙부에 노치(16)를 형성하고, 노치(16)에 걸어멈춤 부재(30)를 걸어멈춤시킴으로써, 노치(16)의 형성 개소를 백 포일편(11a)의 고정단(고정점)으로 하였지만, 노치(16)를 종래와 같이 백 포일편(11a)의 단부에 형성해도 된다. 마찬가지로 백 포일(11)을 단일의 것으로 구성한 경우에도, 노치(16)를 백 포일(11)의 단부에 형성해도 된다.

또한, 걸어멈춤 부재(30)에 대해서는, 걸어맞춤 다리(31)의 길이를 베어링 하우징(12)의 두께와 백 포일편(11a)의 두께의 합보다 충분히 길게 하고, 도 3에 도시된 바와 같이 걸어맞춤 다리(31)의 선단부를 베어링 하우징(12)의 외주면측으로 절곡하도록 해도 된다. 이에 의해, 백 포일편(11a)(백 포일(11))을 베어링 하우징(12)에 보다 강하게 고정할 수 있다.

또한, 걸어멈춤 부재(30)에 대해서는, 도 4a에 도시된 바와 같이 걸어맞춤 다리(31)의 길이를 베어링 하우징(12)의 두께와 백 포일편(11a)의 두께의 합보다 충분히 길게 하고, 베어링 하우징(12)의 두께와 백 포일편(11a)의 두께의 합에 상당하는 위치에 파인 부분(꺾을 부분)(33)을 형성해도 된다. 걸어멈춤 부재(30)에 의해 백 포일편(11a)(백 포일(11))을 베어링 하우징(12)에 고정하려면, 도 2a에서 도 2e에 도시된 실시형태와 마찬가지로 하여 걸어맞춤 다리(31)를 노치(16), 걸어맞춤 홈(15)에 걸어맞춤시키고, 접속부(32)를 백 포일편(11a)의 골부(11b) 위에 접촉시킨다. 그 후, 걸어맞춤 다리(31)를 파인 부분(33)의 위치에서 절곡하여 꺾고 선단측을 제거함으로써, 도 4b에 도시된 바와 같이 도 2e와 같은 상태로 걸어멈춤 부재(30)를 걸어멈춤시켜 고정한다.

단, 이 예에서는 걸어맞춤 다리(31)를 노치(16), 걸어맞춤 홈(15)에 걸어맞춤시킨 후, 걸어맞춤 다리(31)의 선단측을 하방으로 끌어당기고 그 상태로 소정 시간 보유지지한다. 백 포일편(11a)(백 포일(11))을 베어링 하우징(12) 측으로 간접적으로 잡아당김으로써, 백 포일편(11a)을 베어링 하우징(12)의 내주면을 따르게 할 수 있다. 이에 의해, 백 포일편(11a)의 형상을 베어링 하우징(12)의 내주면을 따른 대략 원호형상으로 할 수 있다.

또, 상기 실시형태에서는, 톱 포일(10)에 대해서도 이를 용접으로 고정하지 않고 그 일방측(10a)을 베어링 하우징(12)에 형성한 홈(13)에 걸어맞춤시킴으로써, 베어링 하우징(12) 내에 수용·고정하도록 하였지만, 톱 포일(10)의 고정에 대해서는 용접을 포함하여 임의로 행할 수 있다.

본 발명의 래디얼 포일 베어링에 따르면, 백 포일 및 톱 포일의 왜곡이 적고 베어링의 부하 능력이나 동특성(강성과 감쇠)에 대해 설계대로의 양호한 성능을 가지며 제조 비용이 낮은 래디얼 포일 베어링을 얻을 수 있다.

1…회전축, 3…래디얼 포일 베어링, 10…톱 포일, 11…백 포일(범프 포일), 11a…백 포일편, 11b…골부, 11c…산부, 12…베어링 하우징, 15…걸어맞춤 홈, 16…노치, 30…걸어멈춤 부재, 31…걸어맞춤 다리, 32…접속부

Claims (5)

1. 회전축에 외부 삽입되어 상기 회전축을 지지하는 래디얼 포일 베어링으로서,
   상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 포일과, 상기 톱 포일의 직경 방향 외측에 배치되는 백 포일과, 상기 톱 포일 및 상기 백 포일을 내부 삽입한 상태로 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비하며,
   상기 베어링 하우징의 양 측면에는 상기 베어링 하우징의 외주연(外周緣)부터 내주연(內周緣)까지 연장되는 걸어맞춤 홈이 형성되고,
   상기 백 포일의 양측 주연부에는 노치가 형성되며,
   상기 베어링 하우징에는, 한 쌍의 걸어맞춤 다리와, 상기 걸어맞춤 다리의 일단측에 배치되어 상기 걸어맞춤 다리 사이를 접속하는 접속부를 갖는 걸어멈춤 부재가 마련되며,
   상기 베어링 하우징의 상기 걸어맞춤 홈 및 상기 백 포일의 상기 노치에는, 상기 한 쌍의 걸어맞춤 다리가 걸어멈춤되고,
   상기 걸어맞춤 홈의 외부에 위치하는 상기 접속부와, 상기 베어링 하우징 사이에, 상기 백 포일이 배치되어 있는 래디얼 포일 베어링.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 백 포일은, 상기 베어링 하우징의 둘레방향을 따라 상기 베어링 하우징과 접하는 골(谷)부와 상기 톱 포일에 접하는 산(山)부를 교대로 형성한 파판(波板)형의 것이며,
   상기 백 포일의 노치는 상기 골부에 형성되어 있고,
   상기 접속부는 상기 톱 포일과 상기 백 포일의 사이에 배치되어 있는 래디얼 포일 베어링.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 백 포일의 노치는 상기 백 포일의 둘레방향 중앙부에 형성되어 있는 래디얼 포일 베어링.
4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 백 포일은 상기 톱 포일의 둘레방향을 따라 배치된 복수의 백 포일편을 가지고 구성되며,
   상기 백 포일편에는, 각각 상기 노치가 형성되어 있음과 동시에, 상기 노치에는 상기 걸어멈춤 부재의 걸어맞춤 다리가 걸어맞춤되어 있는 래디얼 포일 베어링.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 백 포일편의 노치는 상기 백 포일편의 둘레방향 중앙부에 형성되어 있는 래디얼 포일 베어링.

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