JPS6143570B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシヤフトを回転するためのスラスト及
びジヤーナル軸受に関し、より詳細には、自己活
動の即ち外部より加圧された空気軸受フイルム上
にシヤフトを支持するためのフオイル軸受に関す
る。

シヤフトを回転するためのハード（固体の金
属）スラスト及びジヤーナル軸受は当該技術で周
知で、自己活動の即ち外部から加圧された空気軸
受フイルムの生成のために適用されて来た。しか
しながら、このようなハード軸受は、異物粒子特
に非常い堅い異物が空気軸受フイルム円域に入り
込んだ時には、大きな損傷を受け応々にして破壊
してしまう。

シヤフトの周りの少なくとも部分通路を包み込
んだスリング形のフオイル・ジヤーナル軸受も自
己活動の軸受フイルムと共に使用され、これは損
傷なしに異物を耐容できるようになつているが、
回転シヤフトに対してある軸方向位置の正確な維
持が必要な応用にとつて好ましくないシヤフトそ
れ自体の一体的偏移を行ない易い。

本発明は従来技術のように凹状にする代りに回
転シヤフト方向に凸状にするように加圧即ち形成
され支持されたフオイルを使用する。加圧あるい
は支持材料は、異物の侵入に対して局部的に偏移
できるが比較的に堅くかつ全シヤフトの運動に対
し容易性を与えないように水の如き非圧縮性のも
のであつてもよい。

従つて、本発明の目的は、シヤフト又は他の移
動機素の運動に対し堅さを与えるが損傷異物の侵
入に対しては容易性を与える軸受を提供すること
にある。

第１図には回転シヤフト１３のためのスラスト
軸受１２の一部として本発明を組込んでいる装置
１１が示される。シヤフトは小径の延長部１４を
有し、その一端にはネジ１５で固着されてデイス
ク状装着素子１６が設けられ、その素子１６には
ネジ１８で固着されてスラスト軸受素子１７が設
けられている。素子１７は軸方向に面した軸受端
面１９を有し、これは中空円錐形のもので、第２
図で矢示２２されるように時計方向にシヤフトが
回転する際に自己活動空気軸受フイルムを発生す
る目的のために当業技術で周知の形のらせん状ポ
ンプ作用溝２１（第２図）を設けている。

通常、面１９のようならせん溝ポンプ作用スラ
スト軸受面は非回転軸受素子と軸方向に対面せし
められ、これにより非回転軸受素子と上記面との
間の小さな空隙部に自己活動空気軸受フイルムの
生成が援助される。

しかしながら、本発明に於て、対面軸受素子は
鋼鉄等から作られた薄いフオイル２３によつて画
定される。このフオイル２３は、その周辺が、シ
ヤフト１３と同軸に整合している円筒状の壁２４
とリング２６及びフオイル２３を通り壁２４に通
じたボルト２７のようなものにより壁２４に取付
けられたクランプ・リング２６との間で把持され
ている。壁２４は中空円筒状圧力室２８の側壁部
を形成し、壁２８の両端壁はフオイル２３とアク
セス用プラグネジ３１を含んだ端壁２９とによつ
て形成されている。室２８は側壁２４の口３３を
通して該室に連結された導管３２によつて加圧部
質が満たされている。

好ましい流体あるいは粉体材料であつてもよい
加圧物質はシヤフト１３の軸方向スラスト軸受負
荷に対してフオイル２３を固く支持させ、この負
荷に耐えることができるようにし、相対堅さを維
持してフオイル方向への全シヤフトの運動を停止
させるが、シヤフト及びフオイル間のちり、ほこ
り等の異物の侵入を損傷なしに吸収即ちシヤフト
の整合誤りを収容させるようにする。図示の構成
で、加圧材料として水が使用された。水は比較的
に非圧縮性であるが、軸受圧力が周囲域に於ける
よりも大になるような点で局部的に偏移可能とな
るように（第１７及び１８図に示すように）横方
向に容易に移動することができる。水のこのよう
な横方向の偏移はフオイルをより大きな表面に伸
長させ、その後でそれ自体及び水の充満状態を元
の状態に戻すように弾性的に復帰させる。この態
様で、軸受の回転及び固定部の損傷が回避され
る。

図示装置の上述した部分のより明瞭な理解は以
下の記載より得られるであろう。シヤフト１３は
フオイル・ジヤーナル軸受に径方向で（放射方向
に）支持され、これについては米国特許第
3506314号及び3520576号に開示されている。本装
置に於て、これらジヤーナル軸受はシヤフト１３
の全周を包囲するほぼ三角形状で第３図の如く装
着された２つのリボン状の薄い鋼鉄フオイル部材
４１を含む。各フオイル４１の２つの端部分は２
つのブロツク４２，４３間で把持される。ブロツ
ク４３はボルト４６により垂直装着板４４に取付
けられ、ブロツク４２はフオイル端部分の穴（図
示せず）を通る把持ボルト４７によりブロツク４
３に取付けられ、その通路穴は後述する初期伸張
過程の間で長さ方向にフオイルが移動することが
できるように幾分大きめとなつている。各リボン
状フオイル４１の胴体部分はクランプ４２，４３
と同じ角位置の２つの軸受ピン４８ａの間でネジ
止めされ、次いでシヤフト１３の周りで三角形に
曲げられ、第２の対の軸受ピン４８ｂの間で締め
つけられ、固定ピン４９ｂの周りでループにされ
る。その固定ピン４９ｂにはクランプ素子５１ｂ
によつてフオイルが取付けられる。クランプ素子
５１ｂはこのＹ形部の２つの腕にネジ止めされた
拡大ボルト５２ｂによつて固定される。軸受ピン
４８ｃ、固定ピン４９ｃ、クランプ素子５１ｃ及
び拡大ボルト５２ｃの同様の組立体が両ピン４８
ａ及び４８ｂから角度的に等間隔（120°）離れ
た三角形の第３の頂点に位置決めされている。最
初の組立及びフオイル４１の伸張時に、クランプ
４２，４３，５１ｂ，５１ｃはゆるめられ、シヤ
フト１３を適所に配してフオイル４１の端部に荷
重を与える。所望の張力が達成されると、クラン
プ・ボルト４７，５２ｂ及び５２ｃが締めつけら
れ、荷重が取り去られる。動作時に、回転シヤフ
ト１３はフオイル及びシヤフトの接線の３つの区
域にシヤフト及びフオイル間で自己活動空気軸受
フイルムを発生させる。これは主に上述した米国
特許第3506314号及び同第3520576号に記載されて
いる。

本発明のスラスト軸受１２とは無関係ではある
が、シヤフト１３の端部は同様のスラスト軸受に
支持されてもよいが、カバー５３によつて閉鎖さ
れた圧力室５２からなりかつ加圧空気のソース
（図示せず）に連結された供給導管５４を介して
圧縮空気で加圧された周知の外部加圧空気軸受形
のスラスト軸受５１により試験的に支持されて示
されている。室５１はシヤフト１３に取付けられ
たタービン・ロータ素子５８の端面５７方向に開
口する多数の軸方向に向いたオリフイス５６を有
している。試験動作の間、ピロー軸受１２上のシ
ヤフトのスラスト負荷は室５２に与えられる空気
のゲージ圧力を変えることによつて変化せしめら
れることができる。

シヤフト１３を回転する駆動力は矢印方向２２
（第２図）にシヤフトを駆動するタービン・ロー
タ５８の周囲バチツト凹所５９に対して接線方向
に周知の態様で１つあるいはそれ以上の加圧空気
のジエツトを向ける加圧空気ジエツト手段（図示
せず）から与えられる。

試験の際には、軸受装置に慣用のキヤパシタン
ス探知手段６１及び気圧変換器（トランスジユー
サー）６２を載せそれぞれ、軸１３の軸方向の任
意の二点の径方向の位置及びタービン・ロータ５
８の対向する任意の二点の軸方向の位置を監視さ
せる。

軸受装置には他に基底板６３、それに取付けた
ブロツク６４，６６、垂直枠ブロツク６７、水平
上部枠部材６８及びブロツク６７に取付けたエア
ジエツト支持／マニホルドブロツク６９が含まれ
る。プレート４４もブロツク６７に取付けてあ
る。圧力室２８は分割ブロツク締付部材７１に支
持され、部材７１はブロツク６６に取付けられ、
締付ボルト７２により圧力室２８の周囲を締付け
る。

第４図及び５図について述べると、本発明を利
用したスラスト軸受の他の態様が試験装置８１の
一部として示されている。この構成において、回
転軸８２にはその中間あたりに軸に直角に円板状
スラスト軸受板８３が取付けられ軸と共に回転す
るようになつている。一対のプレート８４及び８
６上に固定又は静止軸受面が形成され回転する軸
受板８３を支えることにより軸８２／プレート８
３アセンブリの各軸方向の動きを制限している。

本構成において、一対のスチールフオイル８
７，８８によつて双方向性ピロー型スラスト軸受
が構成される。各フオイルは、フオイル８７につ
いて第５図で示したようなトロイダル型を概ね有
している。各トロイダルフオイルは内縁、外縁両
方で対応する静止軸受板８４，８６に固定され
る。板８４，８６と対応するフオイルの未固定部
との空隙は加圧部材８９で充填し、各フオイルを
回転板８３に近づける。加圧部材としては第１図
に示す装置における如く流体、例えば水でもよい
がここでは固体で微粒子状の物質が示されてい
る。この様な粒状物質を挿入した後でトロイダル
フオイル８７，８８の内縁及び外縁を各静止板８
４，８６に取付けてシールする。従つて加圧口は
必要ない。シーリングに必要な条件としては、フ
オイルと静止板との取付部分が十分連続しており
予想される作業条件の応力下でも充填部材が脱落
することがなければよろしい。フオイルを静止板
に固定するには任意の方法、例えば溶接、ろう付
け、張合わせ（セメンテイング）、とエポキシそ
の他の強力接着剤との併用が可能である。

第１図に示す装置の場合と同様に、第４図及び
第５図に示す装置に注入溝９１を設けることがで
きる。第５図においてはこの溝は軸受板８３の静
止板８６及びフオイル８８側の面に形成される。
同様な溝（図示せず）が軸受板８３の反対側の
面、即ち静止板８４及びフオイル８７に対向する
面に形成される。溝９１の形は周知のものが使え
る。例えばいわゆる「ヘリングボーン」又はＶ形
で、各「Ｖ」字形の頂点９２を第５図の矢印９３
で示す回転方向と逆方向を指すように配列する。
従つて、回転中、この溝の働きは、内縁、外縁部
両方から空気をすくいこれを溝領域の円周と中心
の中間点に集めこの空気により軸受板８３と隣接
するフオイルの間に自動加圧流体支持フイルムを
形成することである。所望ならば、軸受板８３の
溝形成部はフオイルに対して凹にして凸形に曲が
つたフオイルの形に合致させてもよい。しかし図
ではシヤフト８２の中心軸に直角な、概ね平坦な
形状として示されている。

装置８１の構成を更に詳細に説明する。軸受板
８３をシヤフト８２にはめるために、シヤフト８
２は小径部分９４を有し、肩部９６上に軸受板８
３が着座する。次にスリーブ９７を小径部９４に
かぶせ、軸受板８３にしつかり着座する。フオイ
ルジヤーナル軸受９８，９９は主クランプ１０１
及び副クランプ（図示せず）によつて固定され、
第１図のフオイルジヤーナル軸受と実質的に同一
の構成を有する。これらはシヤフト８２とそのス
リーブ９７の端部を軸支する。これらのフオイル
ジヤーナル軸受９８，９９及び静止スラスト軸受
板８４，８６は静止収納部材１０２，１０３，１
０４，１０５，１０６及び１０７によつて支持さ
れる。一対の可とう性シーリングワツシヤ１０８
はシヤフト８２とスリーブ９７上の環状溝にぴつ
たりはめられていて、収納部材１０２と係合す
る。従動ホイール１０９はシヤフト８２の一方の
端部に固定され、エアタービン・ロータ部材１１
１はシヤフト８２の他端に固定される。駆動ジエ
ツト（図示せず）を含む、圧縮空気供給手段が設
けられ、第１図の装置と同様にタービン・ロータ
のバケツト１１２を駆動する。

第６図から第１２図までは、本発明の他の幾つ
かの態様を示す。

第６−Ａ図において、複数のフオイル１２１
ａ，１２１ｂ及び１２１ｃが互いに層を接して重
ね合わされ、例えば締付リング１２２及びボルト
１２３によつて圧力室１２４の開口部を覆うよう
に取付ける。このような構造にすれば全体のフオ
イルアセンブリイの厚みが同一ならばより大きな
可とう性が得られる。そしてフオイル層の数が増
える程この可とう性は増す。

第６−Ａ図において、シヤフト１２６はフオイ
ル面に対して凹であり凸形のフオイルに合うよう
になつている。しかし第６−Ｂ図のシヤフト１３
６に示すように、このシヤフトはフオイル１３１
ａ，１３１ｂ及び１３１ｃに対して凸になつても
よい。上記フオイルも又、締付リング１３２及び
ボルト１３３を用いて圧力室１３４の開口部を覆
うように保持される。又、このシヤフトは完全に
平坦であつてもよい。

第７図において、４枚のフオイル１４１ａ，１
４１ｂ，１４１ｃ及び１４１ｄが重ね合わせられ
ているが、各フオイルの中心に合わせてスペーサ
ー１４２ａ，１４２ｂ及び１４２ｃをフオイル間
に配置し少くとも最外層のフオイル１４１ａがシ
ヤフト１４２の端部に対して凸になるように保持
する。各フオイル層は締付リング１４４及びボル
ト１４６によつて引つ張り、室１４３の開口部を
覆うようにする。この構成の利点は室１４３の内
部に加圧部材を充填しても良いし又、加圧せず空
のままにしておくこともいずれも自由であるとい
うことである。シヤフト１４２の端部は他の例と
同様に任意の形状をとれる。

第８図において、４枚のフオイル１５１ａ，１
５１ｂ，１５１ｃ及び１５１ｄが加圧室１５２の
開口部を覆うように締付けられている。各フオイ
ル層はスペーサー兼締付リング１５３ａ，１５３
ｂ，１５３ｃ及び１５３ｄによつて各々分離され
ている。加圧室１５２の内部及びフオイル間の空
隙には、例えば注入口１５０ａ，１５０ｂ，１５
０ｃ及び１５０ｄを通して加圧部材を充填するこ
とにより、最外層のフオイルが最内層のフオイル
に比べて凸になるようにする。本構成の利点は、
フオイル間空隙の加圧が容易で、かつ隣接するフ
オイル層にそれぞれ異なつた加圧部材を充填する
ことができるので緩衝効果の幅が広がるというこ
とである。

充填材として粒状物を用いる場合、不規則形状
及びサイズの粒子、例えばグリツトを用いるのが
望ましい。これを使えば比較的減衰した即ち緩慢
な緩衝作用が得られる。速やかな緩衝作用を得る
には粒状又は球状の粒子、例えば小形サフアイヤ
球又はいわゆる「マイクロバルーン」型ガラス粒
子を使えばよい。

第９図及びその拡大図である第１０図に示す如
く、この粒子１６１としては一定の寸法分布を有
するものを選び加圧室１６３のキヤビテイ１６２
をより完全に充填することができる。又は、球状
粒子は実質的に同一径のものを選び全固体体積を
なるべく一定にすることができる。後者の方法の
利点の詳細は後述する。

第１１図及び１２図に示す如く、室１７１の内
部を加圧せず完全に空にし、フオイル部材１７２
を室１７１の開口部を覆うようにし、スパイダ１
７４等によつてシヤフト１７３の端部に対して凸
に支持してもかまわない。スパイダ１７４は、実
質的に可とう性を有しており、第７図に示したフ
オイル１４１ｂ，１４１ｃ及び１４１ｄと同程度
にたわむことができる。又、スパイダ１７４は実
質的に硬質のものを使うことも可能である。この
場合、所望ならば、シヤフト１７３の端部の中心
に破線１７６で示すような穴をあけ、スパイダに
当たらないようにすることができる。

第１３図及び１４図に示す如く、本発明の原理
はジヤーナル軸受又はジヤーナル軸受とスラスト
軸受けの組合わせにも応用することができる。回
転軸１８１は、例えばジヤーナルブロツク１８２
の内周１８４の回りに装着されたフオイル部材１
８３によつて該ジヤーナルブロツクに回転自在に
支持される。フオイル１８３はトロイダル形を有
し縁部１８６でブロツク１８２に取付けられる。
フオイル及びブロツクによつて規定される内部空
間に加圧部材１８７を充填することによりフオイ
ルはその軸方向の中点において半径方向かつ内方
に膨張する。シヤフト１８１は一様な直円柱形で
もよいが、ここでは周囲に溝１８８を形成しフオ
イルが膨張するのに支障がないようにしている。
図では、フオイルの膨張度合及びフオイルと溝１
８８間の間隙はかなり誇張して示されているがこ
れは理解を容易にするためである。しかし、シヤ
フト１８１の最大直径d₁は図示の如くフオイルの
最小内径d₂より小さくすることができ、この場
合、軸受は単純なジヤーナル軸受となることがわ
かる。反対にシヤフトの直径d₁をフオイルの最小
径d₂より大きくすることもでき、この場合は軸受
はスラスト軸受とジヤーナル軸受を組合わせたも
のになることがわかる。

第１５図及び１６図は他のジヤーナル軸受構成
を示す。ここにおいて、軸受ブロツク１８２ａは
回転軸１８１ａを収容するジヤーナル開口部１８
４ａを有する。該回転軸１８１ａはその上にトロ
イダル形に構成したフオイル１８３ａを載置して
おり、該フオイルと回転軸の間には加圧部材１８
７ａが充填されている。このフオイルの形状に合
わせた溝が回転軸でなくブロツク１８２ａの外周
に形成されておりこれに該フオイルが対向する。

第１７及び１８図はシヤフトと軸受ブロツク間
のスラスト軸受周囲で異物粒子を把持した時何が
生じるかを略示する。フオイル１９１はカツプ上
の軸受ブロツク１９２上で伸張せしめられ加圧材
料１９３（この場合に水のような非圧縮性物質）
で満たされ、フオイルを点線１９４で示される通
常状態の表面に対して伸張しかつ弾性的にふくら
ませる。伸張した弾性膜はそれに作用する力を考
え可能な最小張力エネルギー状態に対応する形を
とろうとする。このような状態下で、このような
最小エネルギー状態はほぼ「最小表面面積」に少
なくとも対応する。従つて、例えば球は与えられ
た体積に対して可能な最小表面面積を表わす形で
ある。この結果、フオイル１９１の形は図示を簡
略化するため誇張した曲面を有する球表面の断片
を有するように示される。勿論、厳密に球ではな
い形が最小張力エネルギー状態即ちフオイルが取
る最小表面を表わすことができる。しかしなが
ら、任意の状態下では、伸張しかつ加圧せしめら
れたフオイルによつて取られるであろう特異な形
状及び特異な対応最小張力エネルギー状態もあ
る。フオイルが予め成形されていて解放時予定の
形態をとるようにしかつフオイルが充満材料によ
つて単に支持されるような場合には同じ結果が得
られる。いずれにしろ、点線１９４によつて表わ
されるのは最小張力エネルギー形態である。フオ
イル表面１９４と同じ正確な曲率半径の端空胴１
９７をこの実施例で有する回転シヤフト１９６が
一層の圧縮のために充分な力でフオイルに接近し
又はフオイル及びシヤフト間に存在する加圧空気
軸受フイルムを放出及び収縮させる場合、かつ充
満材料１９３が水のような非圧縮性のものである
場合、フオイルはカツプ１９２それ自体（例えば
鋼鉄）の如き軸受部材と同じ程堅い。水でもフオ
イルでも形態を何ら変化しない。接近するシヤフ
トによつて与えられる力は実質的にどこでも同一
であるからである。このため、非圧縮性材料でも
つて加圧されるフオイルは、第１及び３図のフオ
イル軸受４１のように当業技術で周知のフオイル
軸受の形を特徴づけるシヤフト運動に対するコン
プライアンスを左程犠牲にせず、通常の空気軸受
組立体を特徴づけた堅さの利益の全てを有するこ
とができる。しかしながら、この堅さの能力と結
合して、本発明のフオイル軸受は従来技術のフオ
イル軸受を特徴づけたものと同様の異物のための
許容性を有している。許容性のこの局部的な性質
はシヤフトとフオイルとの間での加圧空気フイル
ム区域で得た典型的な異物体１９９に関して第１
７及び１８図に示されている。シヤフト１９６の
質量によつて駆動される異物体１９９は周囲領域
のフオイル及び充満体１９３に作用する力以上の
力の局部的集中を表わす。この不平衡の力の集中
によりフオイルは局部的につぶされ、充満材料は
少なくとも局部的に偏移せしめられる。しかしな
がら、充満材料は非圧縮性であるため、全体積は
変化せず、ふくらんだ区域１９８を生じさせる。
フオイルの静止位置（線１９４）は、フオイルが
与えられた体積の充満材料１９３を含む間にとる
ことができる近似的に最小の可能な表面面積を表
わすため、フオイルの偏移し局部的にひつこんだ
位置あるいはでつぱつた位置はより大きな表面面
積及びフオイルの一層の伸張部を表わさなければ
ならない訳である。しかしながら、粒子１９９が
出た後に、フオイルは元の位置に弾性的に戻り、
材料１９３をその元の形に戻すようにする。

図１図及び第３図のフオイル４１の形と区別す
ることを助ける本発明のフオイル軸受の附随的で
特徴的な効果は、粒子１９９（第１８図）の運動
方向２０１を与えれば、フオイルは数多くの方向
に伸張的に移動するようにせしめられることであ
る。それら方向の少なくともあるもの（例えば方
向２０２）は粒子１９９の方向２０１と逆方向の
成分（例えば２０３）を有している。

以上の如く、回転シヤフト方向に外向きにふく
らむようにせしめられるようにフオイル部材は加
圧材料の胴体部上で伸張する。空気軸受はフオイ
ル及びシヤフト間で形成される。フオイルのため
の加圧材料は非圧縮性のものであつてもよいが、
可塑性の流れ（水の如き）にすることができる。
故に、フオイルは実質的な堅さを有し、フオイル
方向へのシヤフトの移動に対しては非容易性であ
るが、異物粒子の如きには極部的な容易性を与
え、このような粒子をフオイルとシヤフトとの間
の空気フイルム区域で得、粒子が去つた後にはそ
の元の形を弾性的に復帰させ、何ら損傷を与えな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を組入れた装置の部分断面の拡
大図、第２図は第１図２−２線の平面で取つた第
１図装置の一部の端面図、第３図は第１図３−３
線の平面で取つた断面図、第４図は本発明を組入
れた他の装置の部分断面の立面図、第５図は第４
図の５−５線の平面で取つた断面図、第６Ａ図は
本発明の他の実施例の断面図、第６Ｂ図は本発明
の他の実施例の断面図、第７図は本発明の他の実
施例の断面図、第８図は本発明の他の実施例の断
面図、第９図は本発明の他の実施例の断面図、第
１０図は第９図１０−１０部分の拡大図、第１１
図は本発明の実施例の断面図、第１２図は第１１
図１２−１２線に取つた装置の一部の平面図、第
１３図は本発明の実施例の断面図、第１４図は第
１３１４−１４線の面に取つた断面図、第１５図
は本発明の実施例の断面図、第１６図は第１５図
１６−１６線の平面に取つた断面図、第１７図は
本発明の動作を示す断面図、第１８図は第１７図
の１８−１８部分の拡大図である。 図で、２３はフオイル部材、１７はスラスト軸
受を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 相対運動を行なう２つの部材間で使用するた
   めの軸受構造体に於いて、一方の部材に向けて突
   出しかつ直交面で２つを越えない曲率半径を有す
   る少なくとも１つの凸状にわん曲したフオイル表
   面を与えるように他方の部材に装着した弾性的に
   伸縮可能なフオイル部材と、少なくとも部分的な
   上記２つの部材の衝突とこれら部材間に侵入した
   異物の衝撃とを緩衝するように上記フオイル部材
   を加圧するための手段とを含んでおり、上記加圧
   手段は可塑的で部分的に偏位可能なかつ実質的に
   非圧縮性の物質を含んでおり、上記フオイル部材
   は上記物質を収容してその物質が部分的に偏位し
   て上記フオイル部材を複数の異なつた方向に弾性
   的に伸縮できるようにしたことを特徴とする軸受
   構造体。