KR20140028138A - 래디얼 호일 베어링 - Google Patents

Abstract

회전축(1)을 지지하는 래디얼 호일 베어링(3)은, 회전축(1)에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 호일(10)과, 톱 호일(10)의 직경 방향 외측에 배치되는 백 호일(11)과, 톱 호일(10) 및 백 호일(11)을 수용하는 원통형의 베어링 하우징(12)을 구비한다. 백 호일(11)은, 적어도 1개의 백 호일편(11a)을 이용하여 원통형으로 형성되어 있다. 백 호일편(11a)은, 톱 호일(10)의 둘레방향을 따라 교대로 형성된 산부(11c)와 골부(11b)를 가지며, 또한 그 둘레방향에서의 양단부의 중간부에서 베어링 하우징(12)에 고정되어 있다.

Description

래디얼 호일 베어링{RADIAL FOIL BEARING}

본 발명은, 래디얼 호일 베어링에 관한 것이다. 본원은, 2011년 8월 12일에 일본에 출원된 일본특허출원 2011-176757호에 기초하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 고속 회전체용의 베어링으로서 회전축을 둘러싸도록 장착되어 사용되는 래디얼 베어링이 알려져 있다. 이러한 래디얼 베어링으로서는, 베어링면을 형성하는 박판형의 톱 호일과, 이 톱 호일을 탄성적으로 지지하는 백 호일과, 상기 톱 호일 및 상기 백 호일을 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비한 래디얼 호일 베어링이 잘 알려져 있다. 래디얼 호일 베어링의 백 호일로서는, 박판을 파판(波板)형으로 성형하여 산(山)부와 골(谷)부를 교대로 형성한 범프 호일이 주로 이용되고 있다.

이러한 래디얼 호일 베어링에서는 통상적으로, 톱 호일이나 백 호일의 베어링 하우징으로부터의 탈락을 방지하기 위해, 그 일단부(고정단부)가 스폿 용접에 의해 베어링 하우징에 직접 혹은 스페이서를 개재하여 간접적으로 고정되어 있다. 또 용접 대신에 기계적으로 고정시키기 위해 톱 호일이나 백 호일(범프 호일)의 일단부를 굽힘가공에 의해 절곡시키고, 이 절곡부를 베어링 하우징에 형성한 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤시킨 구조도 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2 참조). 이와 같이 일단부가 스폿 용접이나 걸어맞춤에 의해 고정됨으로써 이 일단부가 고정단(고정점)이 되고 타단부가 자유단이 된다.

이러한 래디얼 호일 베어링에서는, 이 베어링이 지지하는 회전축이 회전하면 톱 호일과 회전축 사이에 유체 윤활막이 형성된다. 이 때 회전축에 작용하는 하중이 유체 윤활막을 통해 가해짐으로써 톱 호일이 밀어넣어져 톱 호일로부터의 하중을 받은 범프 호일(백 호일)에서 각각의 산(山)부 폭을 넓힐 수 있다. 이로써 범프 호일의 산부 높이가 감소하여 톱 호일의 휨을 허용한다. 즉, 범프 호일의 산부 높이가 감소됨으로써 톱 호일의 휜 부분을 수용 가능한 영역이 형성된다. 따라서 래디얼 호일 베어링은 그 베어링면의 형상을 가변으로 하여 하중에 따라 적절한 유체 윤활막을 형성한다.

또 범프 호일은, 전술한 바와 같이 하중을 받아 변형될 때 각각의 산부 폭이 넓어진다. 그 때 범프 호일과 톱 호일이나 베어링 하우징과의 사이에 미끄러짐이 생긴다. 따라서 회전축에 진동(축진동)이 발생했을 때에는 이 미끄러짐에 의한 마찰에 의해 진동 에너지를 산일(散逸)시켜 진동 억제 효과가 발휘된다.

특허문헌 1: 일본공개특허 2011-033176호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2011-017385호 공보

범프 호일이 하중을 받아 베어링 하우징측으로 밀어넣어지면, 각각의 산부는 상기 고정단을 시작점으로 하여 상기 자유단측으로 산부의 폭을 넓히면서 슬라이딩된다(변형된다). 그 때 고정단에 가까운 산부는, 이 산부보다 자유단측에 위치하는 다른 산부에 의해 그 변형이 제한되므로 미끄러짐(변형)이 일어나기 어렵게 되어 있다. 한편, 자유단에 가까운 산부에서는, 자유단에 가까울수록 변형이 제한되지 않게 됨에 따라 미끄러짐량(변형량)이 커지게 된다.

범프 호일의 산부가 베어링 하우징의 둘레방향으로 변형되기 어려운 경우, 베어링 하우징의 직경 방향으로의 하중(회전축에 작용하는 하중)에 대한 산부의 탄성이 높아진다. 반면 범프 호일의 산부가 베어링 하우징의 둘레방향으로 변형되기 쉬운 경우, 베어링 하우징의 직경 방향에서의 하중에 대한 산부의 탄성이 낮아진다. 그 결과, 범프 호일의 고정단측에서는 스프링 정수가 높고, 자유단측에서는 스프링 정수가 낮아진다. 따라서 범프 호일을 베어링 전둘레에 둘러 배치하면, 범프 호일의 고정단측에서는 톱 호일의 지지 강성이 높아지고 범프 호일의 자유단측에서는 톱 호일의 지지 강성이 낮아진다.

범프 호일에 지지 강성이 낮은 부분이 있으면, 베어링 전둘레에 걸쳐 발생하는 막압이 낮아져 국소적으로 막두께가 얇은 부분이 생길 가능성이 있다. 따라서 베어링 부하 능력이 저하되거나 베어링 강성(유체 윤활막을 포함한 베어링으로서의 축지지 강성)에 편향이 생기는 경우가 있다. 또 범프 호일에 지지 강성이 높은 부분이 있으면 미끄러짐량이 줄어들어 감쇠 효과(미끄러짐에 의한 마찰에 의해 진동 에너지를 산일시킴에 따른 진동 억제 효과)가 줄어들고, 베어링 전체의 감쇠 능력(진동 억제 능력)이 저하될 가능성이 있다.

따라서 범프 호일의 지지 강성과 미끄러짐 특성을 베어링 전둘레에 걸쳐 균등화하기 위해 범프 호일을 둘레방향으로 분할하여 상기 특성에 있어서의 고정단측과 자유단측 간의 차를 줄이는 것을 생각할 수 있다. 그러나 분할수를 늘리면 범프 호일(백 호일)의 매수가 증가하여 고정점도 많아지기 때문에 제작면이나 비용면에서 바람직하지 않다. 특히 범프 호일의 고정을 용접에 의해 행할 경우에는, 용접하는 모든 부분을 양호하게 용접할 수 없다면 제품으로서 출하할 수 없기 때문에, 품질 유지가 어려워지고 양품율이 저하되어 비용 상승이 될 가능성이 있다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 백 호일의 고정단측과 자유단측 사이에 발생하는 지지 강성의 차이를 줄여, 보다 큰 베어링 부하 능력과 높은 베어링 강성 및 감쇠 능력을 구비한 래디얼 호일 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 형태에 의하면, 회전축을 둘러싸며 이 회전축을 지지하는 래디얼 호일 베어링은, 상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 호일과, 상기 톱 호일의 직경 방향 외측에 배치되는 백 호일과, 상기 톱 호일 및 상기 백 호일을 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비한다. 상기 백 호일은 적어도 1개의 백 호일편(片)을 이용하여 원통형으로 형성되어 있다. 또 상기 백 호일편은, 상기 톱 호일의 둘레방향을 따라 교대로 형성된 산부와 골부를 가지며, 또한 그 둘레방향에 있어서의 양단부의 중간부에서 상기 베어링 하우징에 고정되어 있다.

이 래디얼 호일 베어링에서는, 백 호일이 적어도 1개의 백 호일편을 이용하여 원통형으로 형성되어 있다. 또 이 백 호일편은, 톱 호일의 둘레방향을 따라 교대로 형성된 산부와 골부를 가지며, 또한 그 둘레방향에 있어서의 중앙부에서 베어링 하우징에 고정되어 있다. 따라서 종래와 같이 호일의 일단부를 베어링 하우징에 고정시킨 경우에 비해 고정단(고정부)과 자유단(백 호일의 단부) 사이의 거리가 대략 반이 된다. 따라서 자유단측에 위치하는 산부에 의한 제한이 줄어들어 고정단측에 위치하는 산부가 미끄러지기 쉬우므로(변형되기 쉬우므로) 자유단측과 고정단측 사이의 지지 강성의 차이가 충분히 작아진다.

또 본 발명의 제2 형태에 의하면, 상기 제1 형태에 있어서, 상기 백 호일이, 상기 톱 호일의 둘레방향으로 나열되어 배치된 복수의 백 호일편을 이용하여 원통형으로 형성되어 있다.

이 경우, 백 호일이 톱 호일의 둘레방향으로 나열되어 배치된 복수의 백 호일편으로 이루어지므로, 백 호일이 톱 호일 전둘레에 걸쳐 단일의 백 호일편으로 형성되어 있는 경우와 달리, 각 백 호일편이 톱 호일의 전둘레를 분할하도록 배치되어 있다. 따라서 백 호일편에서의 고정단과 자유단 사이의 거리가 짧아진다. 따라서 자유단측과 고정단측 사이의 지지 강성의 차이가 작아진다.

또 각 백 호일편은, 톱 호일의 둘레방향에 있어서의 중앙부에서 베어링 하우징에 고정되어 있다. 따라서 백 호일편의 일단부를 베어링 하우징에 고정시킨 경우에 비해 고정단(고정부)과 자유단(백 호일의 단부) 사이의 거리가 대략 반이 된다. 따라서 자유단측에 위치한 산부에 의한 제한이 줄어들어 고정단측에 위치한 산부가 미끄러지기 쉬우므로(변형되기 쉬우므로) 자유단측과 고정단측 사이의 지지 강성의 차이가 충분히 작아진다.

또 본 발명의 제3 형태에 의하면, 상기 제 1 또는 제2 형태에서 상기 백 호일편이 상기 베어링 하우징에 스폿 용접에 의해 고정되어 있다.

범프 호일의 고정을 스폿 용접에 의해 행할 경우, 용접 부분을 모두 양호하게 용접할 수 없다면 제품으로서 출하할 수 없기 때문에 품질 유지가 어려워져 우량품율이 저하될 가능성이 있다.

예를 들면, 종래형에서의 백 호일의 둘레방향 분할수를 M개로 했을 때, M개의 백 호일편에 대한 고정점의 수가 M개가 된다. 이에 반해 본 발명에서는, 백 호일편을 둘레방향의 중앙부에서 스폿 용접에 의해 고정한다. 따라서 백 호일의 둘레방향 분할수를 M/2개로 하고 백 호일편의 길이를 2배로 늘림으로써 실질적인 둘레방향 분할수를 M개로 할 수 있다. 즉, 백 호일편의 수가 반(M/2개)이 되어 고정점의 수가 반감한다. 따라서 종래와 동일한 구성으로 백 호일을 그 둘레방향으로 분할하는 경우에 비해 고정점의 수(용접점의 수)를 반으로 할 수 있기 때문에 제작 공수를 줄여 비용 절감을 꾀함과 동시에 품질의 안정화를 꾀할 수 있다.

본 발명의 래디얼 호일 베어링에 의하면, 적어도 1개의 백 호일편을 그 중앙부에서 고정시킴으로써 자유단측과 고정단측 사이의 지지 강성의 차이를 충분히 작게 할 수 있다. 따라서 래디얼 호일 베어링의, 보다 큰 베어링 부하 능력과 높은 베어링 강성 및 감쇠 능력을 얻을 수 있다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 래디얼 호일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 도시한 모식도이다.
도 2a는, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 래디얼 호일 베어링의 개략 구성을 도시한 측면도이다.
도 2b는, 도 2a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 도시한 측면도이다.
도 2c는, 도 2a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 도시한 평면도이다.
도 3a는, 종래의 래디얼 호일 베어링의 측면도이다.
도 3b는, 도 3a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 도시한 측면도이다.
도 3c는, 종래의 다른 래디얼 호일 베어링의 측면도이다.
도 4a는, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 래디얼 호일 베어링의 개략 구성을 도시한 측면도이다.
도 4b는, 래디얼 호일 베어링의 주요부를 도시한 사시도이다.
도 4c는, 도 4a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 도시한 측면도이다.
도 4d는, 도 4c의 A-A선 단면도이다.
도 4e는, 도 4c의 B-B선 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 래디얼 호일 베어링의 실시형태를 자세히 설명하기로 한다 아울러 이하의 도면에서는, 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하였다.

(제1 실시형태)

도 1은, 본 발명의 제1 실시형태의 래디얼 호일 베어링이 적용되는 터보 기계의 일례를 도시한 측면도이다. 도 1중 부호 1은 회전축, 부호 2는 회전축의 선단부에 마련된 임펠러, 부호 3은 본 발명에 관한 래디얼 호일 베어링이다. 아울러 도 1에서는 생략하고 래디얼 호일 베어링을 하나만 기재하였으나, 통상은 회전축(1)의 축방향으로 래디얼 호일 베어링이 2개 설치되어 회전축(1)의 지지 구조가 구성된다. 따라서 도시하지 않았으나 본 실시형태에서도 래디얼 호일 베어링(3)은 2개 마련되어 있다. 단, 본 발명의 래디얼 호일 베어링(3)은, 회전축에 대해 하나의 래디얼 호일 베어링만 설치되는 형태에도 적용 가능하다.

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

또 임펠러(2)는 정지측이 되는 하우징(6)내에 배치되어 있으며 임펠러(2)와 하우징(6) 사이에 팁 클리어런스(tip clearance; 7)가 형성되어 있다.

또 회전축(1)에는, 스러스트 칼라(4)보다 회전축(1)의 중앙측에 래디얼 호일 베어링(3)이 둘러싸도록 장착되어 있다.

도 2a∼도 2c는, 이러한 구성의 터보 기계에 적용된 래디얼 호일 베어링의 제1 실시형태를 도시한 도면이다. 본 실시형태의 래디얼 호일 베어링(3)은, 도 2a에 도시한 바와 같이 회전축(1)을 둘러싸며 회전축(1)을 지지하는 원통형으로 형성되어 있다. 래디얼 호일 베어링(3)은, 회전축(1)에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 호일(10)과, 톱 호일(10)의 직경 방향 외측에 배치되는 백 호일(11)과, 백 호일(11)의 직경 방향 외측에 배치되는 베어링 하우징(12)을 구비하여 구성되어 있다.

베어링 하우징(12)은 래디얼 호일 베어링(3)의 최외곽부를 구성하며 금속을 이용하여 원통형으로 형성되어 있다. 베어링 하우징(12)은 그 내부에 백 호일(11) 및 톱 호일(10)을 수용하고 있다.

백 호일(11)은, 호일(박판)로 형성되며 톱 호일(10)을 탄성적으로 지지한다. 이러한 백 호일(11)로서는, 예를 들면 범프 호일이나, 일본공개특허 2009-299748호 공보 등에 기재되어 있는 백 호일 등이 이용될 수 있다. 본 실시형태에서는, 백 호일(11)로서 범프 호일을 이용하였다. 단, 상기 백 호일을 본 발명의 백 호일로서 이용해도 좋다.

본 실시형태의 백 호일(11)(범프 호일)은, 도 2a에 도시한 바와 같이 톱 호일(10)의 둘레방향으로 나열되어 배치된 3개의 백 호일편(11a)을 이용하여 원통형으로 형성되어 있다. 이들 백 호일편(11a)은, 호일(박판)이 파판형으로 형성되고 또한 그 측면이 전체적으로 원호형이 되도록 구성되어 있다. 3개의 백 호일편(11a)은 모두 같은 형상·치수로 형성되어 있다. 따라서 이들 백 호일편(11a)은 베어링 하우징(12)의 내주면을 대략 3분할하도록 배치되어 있다.

또 후술하는 톱 호일(10)의 고정단(10a)을 끼우도록 위치한 1쌍의 백 호일편(11a)은 어느 정도 간극을 두고 배치되어 있다. 반면 그 이외의 위치에서는 서로 인접한 1쌍의 백 호일편(11a)에 있어서 서로의 단부가 근접하여 배치되어 있다. 이러한 구성에 의해 3개의 백 호일편(11a)은 전체적으로 대략 원통 형상으로 형성되어 베어링 하우징(12)의 내주면을 따라 배치되어 있다.

또 이와 같이 파판형으로 성형된 백 호일편(11a)은 도 2a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 도시한 측면도인 도 2b, 및 그 평면도인 도 2c에 도시한 바와 같이, 베어링 하우징(12)의 둘레방향을 따라 교대로 형성된, 베어링 하우징(12)과 접한 평탄한(베어링 하우징(12)의 내주면을 따른) 골부(11b)와, 톱 호일(10)에 접한 만곡된(직경 방향 안쪽을 향해 돌출되도록 만곡된) 산부(11c)를 가진다. 이로써 백 호일편(11a)은, 도 2b에 도시한 바와 같이 톱 호일(10)에 접한 산부(11c)에 의해 톱 호일(10)을 탄성적으로 지지하고 있다. 또 산부(11c)나 골부(11b)에 의해 래디얼 호일 베어링(3)의 중심 축방향으로 연장되는 유체의 통로가 형성되어 있다.

아울러 이 백 호일편(11a)은, 예를 들면 래디얼 호일 베어링(3)의 베어링 직경φ(내경)이 35mm인 경우, 그 두께가 100㎛정도, 산부(11c)의 폭(래디얼 호일 베어링(3)의 둘레방향에서의 폭)이 3mm정도, 산부(11c)의 높이가 0.6mm정도가 되도록 형성되어 있다. 또 후술하는 톱 호일(10)의 두께도 100㎛정도이다.

이들 백 호일편(11a)은 그 둘레방향, 즉 톱 호일(10)의 둘레방향에 있어서의 중앙부에서 스폿 용접에 의해 베어링 하우징(12)에 고정되어 있다. 스폿 용접은, 백 호일편(11a)의 중앙부에 위치한 골부(11b)(산부(11c),(11c) 사이에 형성된 평탄부)에서 이루어진다. 스폿 용접을 하는 곳으로서는, 도 2c에 도시한 바와 같이 1개의 백 호일편(11a)에서의 그 중앙부의 골부(11b)의 2곳, 즉 백 호일편(11a)의 축방향(래디얼 호일 베어링(3)의 중심 축방향)에서의 양측 가장자리부가 각각 스폿 용접된다. 이로써 골부(11b)에는, 2곳의 스폿 용접에 의해 도 2b에 도시한 바와 같이 외관상 1개의 용접점, 즉 고정점(8)이 형성된다. 또 백 호일편(11a)의 중앙부에 고정점(8)이 형성됨으로써 백 호일편(11a)의 양단은 모두 자유단(9)으로 되어 있다.

즉, 1개의 백 호일편(11a)에, 고정단으로서 기능하는 고정점(8)과 일방의 자유단(9) 사이에 위치한 백 호일부(11d)와, 고정점(8)과 타방의 자유단(9) 사이에 위치한 백 호일부(11d)가 형성된다.

이와 같이 1개의 백 호일편(11a)에 2개의 백 호일부(11d)가 형성된다. 따라서 본 실시형태에서의 1개의 백 호일편(11a)은, 후술하는 바와 같이 종래의 백 호일편을 2개 구비한 구조와 동등하게 기능한다.

도 2a에 도시한 바와 같이 톱 호일(10)은, 3개의 백 호일편(11a)으로 이루어진 백 호일(11)의 내면을 따라 원통형으로 감겨져 있다. 톱 호일(10)에서는, 일단부가 스폿 용접에 의해 베어링 하우징(12)에 고정되어 고정단(10a)이 되고, 타단부가 자유단이 된다.

다음으로, 이러한 구성으로 이루어진 래디얼 호일 베어링(3)의 작용에 대해 설명하기로 한다.

회전축(1)이 정지한 상태에서는, 톱 호일(10)은 백 호일(11)(3개의 백 호일편(11a))에 의해 회전축(1)측에 가압됨으로써 회전축(1)에 밀착되어 있다.

회전축(1)을 도 2a중의 화살표(P)방향으로 회전시키면, 처음에는 저속으로 회전하고 그 후 서서히 가속하여 고속으로 회전한다. 그 때 도 2a중의 화살표(Q)로 나타낸 것처럼, 톱 호일(10)의 고정단(10a)와 백 호일편(11a)의 일단 사이로부터 주위 유체가 끌어들여지고, 주위 유체는 톱 호일(10)과 회전축(1) 사이에 유입된다. 이로써 톱 호일(10)과 회전축(1) 사이에 유체 윤활막이 형성된다.

이 유체 윤활막의 막압은 톱 호일(10)에 작용하고, 톱 호일(10)에 접한 백 호일편(11a) 개개의 산부(11c)는 직경 방향 외측을 향해 압압된다. 백 호일편(11a)이 톱 호일(10)로부터 압압됨으로써 그 산부(11c)가 눌려 벌어진다. 따라서 백 호일편(11a)은 베어링 하우징(12)상을 그 둘레방향으로 움직인다.

즉, 유체 윤활막을 통해 톱 호일(10)로부터의 하중을 받은 백 호일편(11a)에서는, 도 2b중에 화살표로 도시한 것처럼 개개의 산부(11c)의 폭이 넓어진다. 이로써 백 호일편(11a)에서의 산부(11c)의 높이가 감소되어 톱 호일(10)의 휨을 허용한다. 즉, 산부(11c)의 높이가 감소됨으로써 톱 호일(10)의 휜 부분을 수용 가능한 영역이 베어링 하우징(12)내에 형성된다. 따라서 래디얼 호일 베어링(3)은 그 베어링면의 형상을 가변으로 하여 하중에 대응하여 적절한 유체 윤활막을 형성한다.

또 백 호일편(11a)은, 전술한 바와 같이 하중을 받아 변형될 때 개개의 산부(11c)의 폭이 넓어진다. 그 때 백 호일편(11a)과 톱 호일(10)이나 베어링 하우징(12) 사이에 미끄러짐이 발생한다. 따라서 회전축(1)에 진동(축진동)이 발생했을 때에는, 이 미끄러짐에 의한 마찰에 의해 진동 에너지를 산일시켜 진동 억제 효과가 발휘된다.

또 백 호일편(11a)의 둘레방향에서의 변형(이동)은, 백 호일편(11a)과 톱 호일(10)이나 베어링 하우징(12) 사이의 마찰의 영향을 받는다. 따라서 도 2b중의 화살표 크기로 도시한 것처럼, 그 양단부, 즉 각 자유단(9)측에서는 변형되기 쉽지만(움직이기 쉽지만), 고정점(8)측에서는 변형되기 어렵게 되어 있다. 따라서 자유단(9)측과 고정점(8)측에서는 백 호일편(11a)에 의한 지지 강성에 차이가 생긴다.

그러나 본 실시형태에서는, 스폿 용접에 의한 고정점(8)을 백 호일편(11a)의 둘레방향 중앙부에 마련하였기 때문에 도 3a, 도 3b에 도시한 백 호일편(11a)의 일단부를 스폿 용접에 의해 고정시킨 종래의 형태에 비해, 고정단(고정점(8))과 자유단(백 호일의 단부, 자유단(9)) 사이의 거리가 대략 반이 된다. 따라서 자유단(9)측에 위치한 산부(11c)에 의한 제한이 줄어들어 고정점(8)(고정단)측에 위치한 산부(11c)가 미끄러지기 쉬우므로(변형되기 쉬우므로), 자유단(9)측과 고정점(8)(고정단)측 사이의 지지 강성의 차이가 충분히 작아진다.

또 이와 같이 백 호일편(11a)의 중앙부에 고정점(8)을 형성함으로써 백 호일편(11a)의 양단부가 모두 자유단(9)으로 되어 있다. 따라서 1개의 백 호일편(11a)에 2개의 백 호일부(11d)가 형성되어 본 실시형태의 한 백 호일편(11a)은 종래의 백 호일편을 2개 구비한 구조와 동등하게 기능한다. 즉, 본 실시형태의 래디얼 호일 베어링(3)은, 백 호일편(11a)을 3개 가짐으로써 도 3c에 도시한, 종래의 백 호일편(40a)을 6개 구비한 래디얼 호일 베어링과 기능상 동등해진다.

도 3c에 도시한 종래형에서, 백 호일의 둘레방향 분할수를 6개로 했을 때, 6개의 백 호일편(40a)에 대한 고정점(8)의 수가 6개가 된다. 이에 반해 본 실시형태의 래디얼 호일 베어링(3)에서는, 백 호일편(11a)을 둘레방향의 중앙부에서 스폿 용접에 의해 고정시킨다. 따라서 백 호일(11)의 둘레방향 분할수를 3개로 하고 백 호일편(11a)의 길이를 2배로 늘림으로써 실질적인 둘레방향 분할수를 6개로 할 수 있다.

이상 설명한 것처럼, 본 실시형태의 래디얼 호일 베어링(3)에서는 백 호일(11)을, 톱 호일(10)의 둘레방향으로 나열되어 배치되는 3개의 백 호일편(11a)으로 구성하였다. 백 호일(11)이 톱 호일(10)의 전둘레에 걸쳐 단일 호일로 형성되어 있는 경우에 비해 각 백 호일편(11a)이 톱 호일(10)의 전둘레를 분할하도록 배치되어 있기 때문에, 백 호일편에서의 고정단과 자유단 사이의 거리가 짧아진다. 따라서 래디얼 호일 베어링(3)에서의 자유단측과 고정단측 사이의 지지 강성의 차이가 작아진다. 또 백 호일편(11a)을 그 중앙부에서 고정시킴으로써 자유단측과 고정단측 사이의 지지 강성의 차이가 더욱 작아진다. 따라서 이와 같이 자유단측과 고정단측 사이의 지지 강성의 차이를 충분히 작게 했기 때문에 래디얼 호일 베어링(3)의 보다 큰 베어링 부하 능력과 높은 베어링 강성 및 감쇠 능력을 얻을 수 있다.

아울러 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않으며, 첨부한 클레임의 범위에 의해서만 한정된다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성 부재의 제형상이나 조합 등은 일례이며, 본 발명의 주지를 벗어나지 않는 범위에서 구성의 부가, 생략, 치환 및 기타 변경이 가능하다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는 백 호일(11)을 3개의 백 호일편(11a)을 이용하여 구성했다. 그러나 백 호일(11)이 1매의 금속박(단일의 백 호일편)을 이용하여 대략 원통형으로 성형되어도 좋다. 이 경우에도, 백 호일(11)(단일의 백 호일편)을 그 중앙부에서 고정시킴으로써 자유단측과 고정단측 사이의 지지 강성의 차이를 작게 할 수 있다.

또 백 호일(11)을 복수의 백 호일편(11a)으로 구성할 경우, 그 수는 3개로 한정되지 않는다. 즉, 2 또는 4 이상의 백 호일편(11a)으로 백 호일(11)을 구성해도 좋다.

또한 상기 실시형태에서는, 백 호일(11)(백 호일편(11a))은 스폿 용접을 이용하여 베어링 하우징(12)에 고정되어 있다. 그러나 스폿 용접 이외의 고정 수단을 이용하여 백 호일(11)을 고정시켜도 좋다.

아울러 본 실시형태의 백 호일편(11a)은, 그 둘레방향 중앙부에서 베어링 하우징(12)에 고정되어 있다. 그러나 백 호일편의 고정점에서 자유단까지의 길이를 종래보다 단축한다는 본 발명의 주지로 보면, 반드시 백 호일편의 둘레방향 중앙부에 고정점이 마련되어 있을 필요는 없고, 백 호일편이, 그 둘레방향에서의 양단부의 중간부에서 베어링 하우징에 고정되어 있어도 좋다. 예를 들면, 고정점과 일방의 자유단 사이의 길이, 및 상기 고정점과 타방의 자유단 사이의 길이의 비가 1대2가 되는 고정점에서 백 호일편이 베어링 하우징에 고정되어 있어도 좋다.

(제2 실시형태)

도 4a∼도 4e는, 본 발명의 제2 실시형태에서의 래디얼 호일 베어링을 도시한다. 도 4a∼도 4e는, 스폿 용접 이외의 고정 수단으로서 걸림고정 부재(30)를 이용하여 백 호일(11)(백 호일편(11a))의 고정을 행하는 래디얼 호일 베어링(20)을 도시한 도면이다.

래디얼 호일 베어링(20)은, 도 4a에 도시한 바와 같이 회전축(1)에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 호일(10)과, 톱 호일(10)의 직경 방향 외측에 배치되는 백 호일(11)과, 백 호일(11)의 직경 방향 외측에 배치되는 베어링 하우징(12)을 구비하여 구성되어 있다.

본 실시형태의 베어링 하우징(12)의 내주면에는, 베어링 하우징(12)의 축방향을 따라 홈(13)이 형성되어 있다.

즉, 홈(13)은 베어링 하우징(12)의 축방향의 전장에 걸쳐 형성되어 있다. 이 홈(13)은, 그 깊이방향이, 톱 호일(10)의 일방 단부가 연장되는 방향과 일치하도록 형성되어 있다. 또 그 깊이는 2mm∼5mm정도이다.

베어링 하우징(12)의 외주면에는 홈(13)에 연통되는 2개의 구멍(14)이 형성되어 있다. 이들 구멍(14)은, 후술하는 바와 같이 홈(13)내에 삽입된 톱 호일(10)의 일방 단부(10b)를 홈(13)내에 고정시키기 위해 이용되는 수나사가 삽입되는 구멍이다. 구멍(14)의 내주면에는 암나사가 형성되어 있다.

베어링 하우징(12)의 양측면(중심 축방향에서의 양측면)에는, 도 4a, 도 4b에 도시한 바와 같이, 베어링 하우징(12)의 외주연(外周緣)에서 내주연까지 연장되는 걸어맞춤 홈(15)이 각각 형성되어 있다. 본 실시형태의 걸어맞춤 홈(15)은, 도 4a에 도시한 바와 같이 베어링 하우징(12)의 측면을, 그 둘레방향으로 대략 3분할하는 위치에 각각 형성되어 있다. 이들 걸어맞춤 홈(15)에는 걸림고정 부재(30)가 걸림고정되어 있다. 아울러 본 실시형태에서는, 3개의 걸어맞춤 홈(15) 중 2개의 걸어맞춤 홈(15) 사이에 홈(13)이 배치되어 있다.

백 호일(11)은, 제1 실시형태와 마찬가지로 톱 호일(10)의 둘레방향으로 나열되어 배치된 3개의 백 호일편(11a)을 이용하여 구성되어 있다. 홈(13)을 사이에 두도록 위치한 1쌍의 백 호일편(11a)은 어느 정도의 간극을 두고 배치되어 있다. 반면 그 이외의 위치에서는 서로 인접한 1쌍의 백 호일편(11a)에서의 서로의 단부가 근접하여 배치되어 있다. 이러한 구성에 의해 3개의 백 호일편(11a)은 전체적으로 대략 원통형으로 형성되어 베어링 하우징(12)의 내주면을 따라 배치되어 있다.

이들 백 호일편(11a)은 도 4a의 주요부를 평탄화하여 모식적으로 도시한 도 4c에 도시한 바와 같이 베어링 하우징(12)의 둘레방향을 따라 교대로 형성된, 베어링 하우징(12)에 접하는 평탄한 골부(11b)와, 톱 호일(10)에 접하는 만곡된 산부(11c)를 가진다.

이들 백 호일편(11a)에는, 도 4c의 A-A선 단면도인 도 4d에 도시한 바와 같이 그 둘레방향 중앙부(베어링 하우징(12)의 둘레방향에 있어서의 중앙부)의 양 가장자리부(축방향에서의 양 가장자리부)에 노치(16)가 각각 형성되어 있다. 노치(16)는, 도 4b에 도시한 바와 같이 백 호일편(11a)의 골부(11b)에 형성되어 있다. 노치(16)는, 산부(11c),(11c) 사이에 형성된 평탄부인 골부(11b)를 베어링 하우징(12)의 축방향에서의 양 가장자리부로부터 축방향에서의 중심부를 향해 잘라 냄으로써 형성되어 있다. 노치(16)는 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(15)에 대응하는 위치, 즉 걸어맞춤 홈(15)과 겹치는 위치에 형성되어 있으며, 노치(16)의 폭(베어링 하우징(12)의 둘레방향에서의 폭), 깊이(베어링 하우징(12)의 축방향에서의 깊이)가 걸어맞춤 홈(15)의 폭, 깊이와 각각 동일하게 형성되어 있다.

이러한 구성에 기초하여 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(15)과 백 호일편(11a)의 노치(16)는, 도 4b에 도시한 바와 같이 하나의 홈으로서 기능한다. 아울러 노치(16)는 버(burr)의 발생, 및 스트레스를 부여함에 의한 변형의 발생을 방지하기 위해 호일에 대해 식각 가공이나 방전 가공을 행하여 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 식각 가공이나 방전 가공으로 호일에 노치(16)를 형성한 후에 산부(11c)나 골부(11b)를 형성하기 위한 프레스 성형을 행하여 백 호일편(11a)을 형성하는 것이 바람직하다.

이들 걸어맞춤 홈(15)과 노치(16)에는 걸림고정 부재(30)가 걸림고정되어 있다. 걸림고정 부재(30)는, 도 4c의 B-B선 단면도인 도 4e, 및 도 4b에 도시한 바와 같이 1쌍의 걸어맞춤 다리(31),(31)와 이들 걸어맞춤 다리(31),(31)의 일단측에 배치되어 걸어맞춤 다리(31),(31) 사이를 접속하는 접속부(32)를 가진 "ㄷ"자형으로 형성되어 있다. 일방의 걸어맞춤 다리(31)가 래디얼 호일 베어링(3)의 일방 측면의 걸어맞춤 홈(15)과 노치(16)에 걸어맞춤되고, 타방의 걸어맞춤 다리(31)가 래디얼 호일 베어링(3)의 타방 측면의 걸어맞춤 홈(15)과 노치(16)에 걸어맞춤되어 있다. 걸어맞춤 다리(31)의 길이는, 도 4c, 도 4e에 도시한 바와 같이 베어링 하우징(12)의 두께(직경 방향에서의 두께)와 백 호일편(11a)의 두께의 합과 대략 동일하다. 또 접속부(32)는, 도 4c∼도 4e에 도시한 바와 같이 백 호일편(11a)의 골부(11b)와 톱 호일(10) 사이에 배치되어 있다.

이러한 구성에 의해 걸림고정 부재(30)은, 걸어맞춤 다리(31)가 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(15)과 백 호일편(11a)의 노치(16) 모두에 걸어맞춤되어 있기 때문에, 백 호일편(11a)을 베어링 하우징(12)에 고정시키는 고정 수단으로서 기능하고 있다. 또 접속부(32)가 톱 호일(10)로 덮여 있어, 베어링 하우징(12) 및 백 호일편(11a)으로부터의 걸림고정 부재(30)의 탈락이 방지되어 있다. 따라서 백 호일편(11a)은 베어링 하우징(12)에 확실하게 고정되어 있다.

걸림고정 부재(30)의 걸어맞춤 다리(31)나 접속부(32)는, 도 4b에 도시한 사각기둥형이어도 좋고 또 원기둥형(환봉형)이어도 좋다. 아울러 그 굵기는 0.2∼0.5mm정도이다. 예를 들면, 래디얼 호일 베어링(3)의 베어링 사이즈가 35mmφ×(축방향에서의 길이) 35mm인 경우, 백 호일편(11a), 톱 호일(10)의 두께는 모두 100㎛정도이며, 백 호일편(11a)의 산부(11c)의 높이(골부(11b)에 대한 높이)는 0.5mm정도이다. 따라서 걸림고정 부재(30)의 굵기를 0.5mm미만(0.2∼0.5mm정도)으로 함으로써 도 4c에 도시한 것처럼 걸림고정 부재(30)의 접속부(32)가 톱 호일(10)로부터 이간되어 배치되어 접속부(32)의 톱 호일(10)과의 접촉·간섭이 방지된다.

이러한 걸림고정 부재(30)는, 예를 들면 두께 0.5mm 미만의 스테인리스 등으로 이루어진 금속박을 "ㄷ"자형으로 식각 가공함으로써 형성할 수 있다. 또 굵기 0.5mm 미만의 철사형 금속봉을 절곡 가공함으로써 또한 형성할 수 있다.

도 4a에 도시한 바와 같이, 톱 호일(10)은 3개의 백 호일편(11a)으로 이루어진 백 호일(11)의 내면을 따라 원통형으로 감겨져 있다. 톱 호일(10)은, 그 일방 단부(10b)의 선단이 베어링 하우징(12)에 형성된 홈(13)에 걸어맞춤되도록 배치되어 있다.

이 톱 호일(10)은, 베어링의 둘레방향을 장변으로 하고 베어링의 중심 축방향을 단변으로 하는 직사각형의 금속박이 상기 중심축 둘레에 원통형으로 감겨져 형성되어 있다.

이 톱 호일(10)은, 상기 금속박의 양단이 서로 맞닿도록 감겨지는 것이 아니라 일방 단부(10b)가 타방 단부의 외측에 겹쳐지도록 감겨져 있다. 또 일방 단부(10b)는 그 밖의 부분에서 형성되는 원통부의 소정 위치에서의 접선 방향으로 연장되어 형성되어 있다.

아울러 베어링 하우징(12)에서의 홈(13)은, 그 깊이방향이, 톱 호일(10)의 일방 단부(10b)가 연장되는 방향과 일치하도록 형성되어 있다.

따라서 톱 호일(10)은, 그 일방 단부(10b)의 연장된 방향이 홈(13)의 깊이 방향과 일치하도록 배치되며, 그 일방 단부(10b)의 선단이 홈(13)에 걸어맞춤되어 있다. 일방 단부(10b)가 홈(13)에 걸어맞춤된 상태에서는 톱 호일(10)은 변형되지 않기 때문에, 톱 호일(10)에서의 변형의 발생이 방지된다.

본 실시형태에서는, 홈(13)에 걸어맞춤되어 있는 톱 호일(10)의 일방 단부(10b)는, 수나사(17)에 의해 홈(13)내에 고정되어 있다. 즉, 수나사(17)가 구멍(14)에 나사결합으로 삽입되고 일방 단부(10b)가 수나사(17)에 의해 가압되어 홈(13)의 내벽면에 밀착됨으로써 일방 단부(10b)가 홈(13)내에 고정되어 있다. 아울러 홈(13)의 내벽면에 밀착됨에 따른 일방 단부(10b)의 변형은 미미하다. 따라서 이 변형에 의해 톱 호일(10)에 변형이 생기는 경우는 대략 없다.

톱 호일(10)의 일방 단부(10b)와, 이와 반대의 타방 단부에는 이들 사이의 중앙부보다 얇은 두께의 얇은두께부(18)가 형성되어 있다. 이들 얇은두께부(18)는 그 외주면(백 호일(11)측의 면)이 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록 얇게 형성되어 있다.

얇은두께부(18)을 형성하려면, 예를 들면 식각 가공에 의해 톱 호일(10)의 양단부를 수십㎛의 범위에서 컨트롤하여 원하는 두께(얇기)로 형성한다. 구체적으로는, 베어링 직경φ이 35mm이고 톱 호일(10)의 두께가 100㎛인 경우, 얇은두께부(18)의 두께는 80㎛정도로 한다. 아울러 이러한 식각 가공에서는 굽힘가공 등에 비해 톱 호일(10)에 생기는 응력이 매우 작다. 따라서 톱 호일(10)에 변형이 생기는 경우도 대략 없다.

또 얇은두께부(18)의 둘레방향의 길이는, 예를 들면 홈(13)에서부터, 홈(13) 근처에 위치한 백 호일(11) 단부의 산부(11c) 하나분까지에 대응하는 길이이다.

이와 같이 톱 호일(10)의 양단부에 얇은두께부(18)를 형성함으로써, 이들 양단부(얇은두께부(18))는 쉽게 탄성 변형된다. 따라서 이들 양단부는 베어링 하우징(12)의 내주면을 구성하는 곡면을 따라 곡면이 된다. 이로써 톱 호일(10)은, 그 양단부에서도 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)을 대략 발생시키지 않는다.

또 톱 호일(10)의 양단부의 외주면을 상기 중앙부의 외주면보다 오목한 상태가 되도록 얇게 하여 얇은두께부(18)를 형성하였다. 따라서 톱 호일(10)의 외주면을 지지하는 백 호일(11)과 얇은두께부(18) 사이에서 백 호일(11) 단부의 산부(11c) 하나분의 범위에서 간극이 형성된다. 이로써 얇은두께부(18)에서는, 회전축(1)을 조여붙이는 힘(국소적인 프리로드)의 발생이 확실하게 방지된다.

이러한 래디얼 호일 베어링(20)에서도 백 호일(11)을 복수의 백 호일편(11a)으로 형성함에 따라 백 호일편(11a)에서의 고정단(걸림고정 부재(30)에 의한 걸림고정 위치)과 자유단(백 호일편(11a)의 양단부) 사이의 거리를 짧게 하여 지지 강성의 차이를 작게 할 수 있다. 또한 백 호일편(11a)을 그 중앙부에서 베어링 하우징(12)에 고정시킴으로써 자유단측과 고정단측 사이의 지지 강성의 차이를 충분히 작게 할 수 있다. 결과적으로 래디얼 호일 베어링(20)의 보다 큰 베어링 부하 능력과 높은 베어링 강성 및 감쇠 능력을 얻을 수 있다.

또 걸림고정 부재(30)를 이용하여 백 호일편(11a)의 노치(16)와 베어링 하우징(12)의 걸어맞춤 홈(15)에 걸어맞춤 다리(31)를 걸어맞춤시킴으로써 백 호일편(11a)(백 호일(11))을 베어링 하우징(12)에 고정시키고 있다. 따라서 백 호일편(11a)에 대해 스폿 용접이나 굽힘가공을 행하지 않고 백 호일편(11a)을 베어링 하우징(12)내에 수용·고정시킬 수 있다. 따라서 백 호일(11)(백 호일편(11a))의 스폿 용접이나 백 호일(11)의 변형의 영향에 의한, 톱 호일(10)에서의 변형의 발생을 방지하거나, 또는 톱 호일(10)의 변형을 충분히 작게 할 수 있다. 따라서 베어링의 부하 능력이나 동특성(動特性; 강성과 감쇠 성능)에 대해 설계대로의 양호한 성능을 발휘시킬 수 있다.

또 백 호일(11)에 대해서는, 종래의 스폿 용접이나 변형을 발생시킬 가능성이 있는 굽힘가공을 생략할 수 있기 때문에, 제작의 난이도를 낮춰 제조 비용을 줄일 수 있다. 또 백 호일(11)에 특별한 굽힘가공이 불필요해지므로 백 호일(11)을 고정밀도로 프레스 성형할 수 있게 된다.

아울러 백 호일(11)(백 호일편(11a))은 상기 스폿 용접이나 걸림고정 부재(30) 이외의 고정 수단을 이용하여 베어링 하우징(12)에 고정시켜도 좋다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명은, 회전축을 둘러싸며 지지하는 래디얼 호일 베어링에 폭넓게 이용할 수 있다.

1 회전축
3 래디얼 호일 베어링
8 고정점
9 자유단
10 톱 호일
11 백 호일
11a 백 호일편
11b 골부
11c 산부
12 베어링 하우징
15 걸어맞춤 홈
16 노치
20 래디얼 호일 베어링
30 걸림고정 부재
31 걸어맞춤 다리
32 접속부

Claims (3)

1. 회전축을 둘러싸며 이 회전축을 지지하는 래디얼 호일 베어링으로서,
   상기 회전축에 대향하여 배치되는 원통형의 톱 호일과, 상기 톱 호일의 직경 방향 외측에 배치되는 백 호일과, 상기 톱 호일 및 상기 백 호일을 수용하는 원통형의 베어링 하우징을 구비하고,
   상기 백 호일은 적어도 1개의 백 호일편을 이용하여 원통형으로 형성되고,
   상기 백 호일편은, 상기 톱 호일의 둘레방향을 따라 교대로 형성된 산부와 골부를 가지며, 또한 그 둘레방향에서의 양단부의 중간부에서 상기 베어링 하우징에 고정되어 있는 래디얼 호일 베어링.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 백 호일은 상기 톱 호일의 둘레방향으로 나열되어 배치된 복수의 백 호일편을 이용하여 원통형으로 형성되어 있는 래디얼 호일 베어링.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 백 호일편은 상기 베어링 하우징에 스폿 용접에 의해 고정되어 있는 래디얼 호일 베어링.

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