JP2012177457A - Foil bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軸部材と、軸部材を内周に収容した円筒状の外方部材との間に、可撓性を有する薄膜状のフォイルを介在させた、いわゆるフォイル軸受に関する。 The present invention relates to a so-called foil bearing in which a thin film-like foil having flexibility is interposed between a shaft member and a cylindrical outer member that accommodates the shaft member on the inner periphery.
従前、ガスタービンや過給機の主軸等、高温環境下で高速回転する軸を支持するための軸受として、油潤滑の転がり軸受の他、すべり軸受の一種である動圧軸受（流体動圧軸受）が使用されていた。特に、油循環用の補機を別途設けることが困難な場合、潤滑油のせん断抵抗が問題となる場合、油による汚染が問題となる場合等には、潤滑流体として空気を用いる空気動圧軸受が好適に使用されていた。 Conventionally, as a bearing for supporting a shaft that rotates at high speed in a high temperature environment, such as a main shaft of a gas turbine or a turbocharger, in addition to an oil-lubricated rolling bearing, a hydrodynamic bearing that is a type of a sliding bearing (fluid hydrodynamic bearing) ) Was used. Air dynamic pressure bearings that use air as the lubricating fluid, especially when it is difficult to separately provide auxiliary equipment for oil circulation, when shear resistance of lubricating oil becomes a problem, or when contamination by oil becomes a problem Was suitably used.
一般的な動圧軸受（空気動圧軸受）は、回転側と静止側の双方の軸受面が剛体で構成される。この種の動圧軸受において、回転側と静止側の軸受面間に形成されるラジアル軸受隙間の隙間幅管理が不十分であると、安定限界を超えた際にホワールと称される自励的な主軸の振れ回りが生じ易くなる。従って、一般的な動圧軸受において、所望の軸受性能を安定的に発揮させ、かつそれを維持するには、ラジアル軸受隙間の隙間幅を高精度に管理（常時適正範囲内に維持）する必要がある。しかしながら、上記したガスタービンや過給機の支持軸受には、例えば下記の特許文献１に開示されているように一般的に３００℃程度以上の耐熱性が要求される。このように高温となる環境下で動圧軸受を使用する場合には、熱膨張の影響でラジアル軸受隙間の隙間幅が変動し易く、所望の軸受性能を安定的に維持するのが困難である。 In general dynamic pressure bearings (air dynamic pressure bearings), both the rotating and stationary bearing surfaces are formed of a rigid body. In this type of hydrodynamic bearing, if the clearance width management of the radial bearing gap formed between the bearing surface on the rotating side and the stationary side is insufficient, self-excited, called a whirl when the stability limit is exceeded This makes it easy for the main spindle to swing. Therefore, in general dynamic pressure bearings, it is necessary to manage the gap width of the radial bearing gap with high accuracy (maintain within the proper range at all times) in order to stably exhibit and maintain the desired bearing performance. There is. However, the support bearings of the gas turbine and the supercharger generally require heat resistance of about 300 ° C. or more as disclosed in, for example, Patent Document 1 below. When the hydrodynamic bearing is used in such a high temperature environment, the clearance width of the radial bearing gap is likely to fluctuate due to the effect of thermal expansion, and it is difficult to stably maintain the desired bearing performance. .
そこで、フォイル軸受と称される軸受が提案され、また実用されるに至っている。フォイル軸受は、曲げに対して剛性の低い可撓性を有する薄膜（薄板）状のフォイルで軸受面を構成し、この軸受面のたわみを許容することで荷重を支持するものであり、例えば下記の特許文献２，３に開示されているものが公知である。詳述すると、同文献に開示されたフォイル軸受は、可撓性を有し、内周に挿入した軸部材との間に楔状のラジアル軸受隙間を形成するトップフォイルと、トップフォイルの外径側に配置され、トップフォイルを弾性的に支持する弾性支持部材としてのバックフォイルと、トップフォイルおよびバックフォイルを内周に収容した円筒状の外方部材とを備える。このようなフォイル軸受において、軸部材が回転（偏芯回転）すると、軸部材の外周面とトップフォイルの内径面との間に楔状のラジアル軸受隙間が形成され、このラジアル軸受隙間に形成される流体膜（空気膜）で軸部材がラジアル方向に相対回転自在に支持される。そして、軸部材の回転中には、ラジアル軸受隙間における圧力分布の変動に応じてトップフォイルおよびバックフォイルが変形することにより、ラジアル軸受隙間の隙間幅が常時適正範囲内に維持される。また、このトップファオイルおよびバックフォイルの変形に伴ってトップフォイルに作用する摩擦力が軸・軸受系の振動を抑制するため、フォイル軸受は安定性に優れるという特徴があり、一般的な空気動圧軸受と比較して高速での使用が可能である。
Thus, a bearing called a foil bearing has been proposed and put into practical use. The foil bearing is a thin film (thin plate) -like foil having a low rigidity with respect to bending, and the load is supported by allowing the bearing surface to bend. Those disclosed in
また、一般的な動圧軸受のラジアル軸受隙間は、軸径の１／１０００のオーダーで管理する必要があることから、例えば軸径が数ｍｍ程度の軸を支持する動圧軸受であっても、ラジアル軸受隙間の隙間幅を数μｍ程度に管理する必要がある。従って、製造時の公差、さらには熱膨張量まで考慮すると、一般的な動圧軸受において隙間幅管理を厳密に行うことは極めて困難であると言わざるを得ない。これに対してフォイル軸受の場合には、ラジアル軸受隙間を形成するトップフォイル自体が弾性変形するため、ラジアル軸受隙間の隙間幅を数十μｍ程度に管理すれば足りる。従って、製造や隙間管理を容易化することができる。 Further, since the radial bearing clearance of a general dynamic pressure bearing needs to be managed on the order of 1/1000 of the shaft diameter, for example, even a dynamic pressure bearing that supports a shaft having a shaft diameter of about several millimeters. Therefore, it is necessary to manage the gap width of the radial bearing gap to about several μm. Therefore, in consideration of manufacturing tolerances and even the amount of thermal expansion, it must be said that it is extremely difficult to strictly manage the gap width in a general dynamic pressure bearing. On the other hand, in the case of a foil bearing, since the top foil itself that forms the radial bearing gap is elastically deformed, it is sufficient to manage the gap width of the radial bearing gap to about several tens of μm. Therefore, manufacturing and gap management can be facilitated.
なお、特許文献２のフォイル軸受は、矩形状の金属薄板を筒状に丸めてなるバックフォイルに複数設けた切り上げ部により、トップフォイルが弾性的に支持される構造となっており、また、特許文献３のフォイル軸受は、矩形状の金属薄板を筒状に丸めてなるバックフォイルに複数設けた折り曲げ部により、トップフォイルが弾性的に支持される構造となっている。
The foil bearing of
しかしながら、特許文献２，３に記載のフォイル軸受では、バックフォイルとなる金属薄板に機械加工や塑性加工を施すことにより、トップフォイルを弾性的に支持する切り上げ部や折り曲げ部（以下、弾性支持部という）を形成していることから、所定形状のバックフォイルを製作するのに多くの手間を要するという問題がある。また、バックフォイルを外方部材の内周に組み付けるまでの間に弾性支持部が変形等すると、所望の軸受性能（支持能力）を発揮することができなくなるおそれがあることから、バックフォイルの取り扱いに格別の配慮を要する。以上のように、従来構成のフォイル軸受においてはバックフォイルの製造コストが嵩み、このことがフォイル軸受の製造コストを増大させているのが実情である。
However, in the foil bearings described in
また、フォイル軸受の構造上、フォイル軸受の軸受性能は、バックフォイルの弾性支持能力（剛性）を調整することで変更することができる。しかしながら、特許文献２，３に記載されたバックフォイルの剛性を調整するには、バックフォイルを構成する金属薄板の材質や厚み等を変更したり、弾性支持部の形状を変更したりする必要がある。そのため、バックフォイルの剛性を調整するのに多大な手間を要し、フォイル軸受の軸受性能を要求レベルに簡便に適合させることができないという問題もある。
Further, the bearing performance of the foil bearing can be changed by adjusting the elastic support capability (rigidity) of the back foil due to the structure of the foil bearing. However, in order to adjust the rigidity of the back foil described in
このような実情に鑑み、本発明の目的は、この種のフォイル軸受において、製造コストの低廉化、および軸受性能の調整作業の簡便化を同時に達成可能とすることにある。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to enable reduction in manufacturing cost and simplification of adjustment of bearing performance at the same time in this type of foil bearing.
上記の目的を達成するために創案された本発明に係るフォイル軸受は、可撓性を有し、内周に挿入した軸部材との間に楔状のラジアル軸受隙間を形成するトップフォイルと、トップフォイルの外径側に配置され、トップフォイルを弾性的に支持する弾性支持部材と、トップフォイルおよび弾性支持部材を内周に収容した円筒状の外方部材とを備え、弾性支持部材を、多孔質体で形成したことを特徴とする。なお、ここでいう「多孔質体」には、いわゆる独立気孔タイプおよび連続気孔タイプの双方が含まれる。 The foil bearing according to the present invention, which was created to achieve the above object, has a top foil that is flexible and forms a wedge-shaped radial bearing gap with a shaft member inserted in the inner periphery. An elastic support member that is disposed on the outer diameter side of the foil and elastically supports the top foil, and a cylindrical outer member that houses the top foil and the elastic support member on the inner periphery thereof. It is formed of a solid material. The “porous body” referred to here includes both so-called independent pore type and continuous pore type.
このように、トップフォイルを弾性的に支持する弾性支持部材を多孔質体で形成すれば、この多孔質体の多孔質組織を、トップフォイルを弾性的に支持する弾性支持部として機能させることができる。この場合、従来のバックフォイル（弾性支持部材）のように、適当な材質及び厚みの金属薄板に機械加工や塑性加工を施すことによって複雑形状の弾性支持部を形成せずとも、弾性支持部材の形成段階にて気孔率を調整するだけで弾性支持能力（剛性）を調整することができる。従って、弾性支持部材は、トップフォイルと接する内径面が平滑な円筒面状に形成された単純な円筒形態に形成すれば足りるので、この形状の単純化を通じて弾性支持部材の生産性を向上することができる。また、形状が単純化される分、弾性支持部材の取り扱い性が向上する。 Thus, if the elastic support member that elastically supports the top foil is formed of a porous body, the porous structure of the porous body can function as an elastic support portion that elastically supports the top foil. it can. In this case, unlike a conventional backfoil (elastic support member), a metal thin plate having an appropriate material and thickness may be machined or plastically processed to form an elastic support member having a complicated shape. The elastic support capability (rigidity) can be adjusted simply by adjusting the porosity at the formation stage. Therefore, it is sufficient that the elastic support member is formed in a simple cylindrical shape in which the inner diameter surface in contact with the top foil is formed in a smooth cylindrical surface shape. Therefore, the productivity of the elastic support member can be improved through simplification of this shape. Can do. Further, the handleability of the elastic support member is improved because the shape is simplified.
弾性支持部材を構成する多孔質体は、フォイル軸受の使用温度範囲内において、求められる弾性支持能力を発揮可能なもの（所望の態様でトップフォイルを弾性的に支持可能なもの）であれば、樹脂、金属又はセラミックスの何れの材料で形成されたものであっても良い。このうち、樹脂の多孔質体からなる弾性支持部材は、例えば、気孔形成材を配合した樹脂材料を用いて成形した略完成品形状の中間成形品から、これに含まれる気孔形成材を適当な溶媒で除去することにより、あるいは、適当な樹脂材料を発泡成形することにより得ることができる。 If the porous body constituting the elastic support member is capable of exhibiting the required elastic support ability within the operating temperature range of the foil bearing (that can elastically support the top foil in a desired manner), It may be formed of any material of resin, metal or ceramics. Among these, the elastic support member made of a resin porous body is suitable for, for example, appropriately forming the pore-forming material contained in an intermediate molded product having a substantially finished product shape formed by using a resin material containing the pore-forming material. It can be obtained by removing with a solvent or by foaming an appropriate resin material.
以上の構成において、弾性支持部材は、周方向で有端の円筒状に形成されたもの（板状の多孔質部材を丸めることで円筒形態としたもの）であっても良いし、周方向で無端の円筒状に形成されたもの（予め円筒状に形成されたもの）であっても良い。特に、弾性支持部材が、周方向で無端の円筒状に形成されたものであれば、機械的又は人為的作業によって板状の多孔質部材を円筒形態に丸める手間を省略することができる他、フォイル軸受相互間で軸受性能にバラツキが生じ難くなる。 In the configuration described above, the elastic support member may be formed in a cylindrical shape with ends in the circumferential direction (a cylindrical shape obtained by rolling a plate-like porous member), or in the circumferential direction. It may be formed in an endless cylindrical shape (formed in a cylindrical shape in advance). In particular, if the elastic support member is formed in an endless cylindrical shape in the circumferential direction, the trouble of rounding the plate-like porous member into a cylindrical shape by mechanical or artificial work can be omitted, Variations in bearing performance between foil bearings are less likely to occur.
弾性支持部材を外方部材に固定するための手段としては、圧入、接着、圧入接着（圧入と接着の併用）、あるいは溶着等を採用しても良いし、これに替えて、もしくはこれに加えて、外方部材と弾性支持部材の何れか一方に設けた凹部に、他方に設けた凸部を嵌合する、いわゆる凹凸嵌合を採用しても良い。外方部材と弾性支持部材を凹凸嵌合させる場合、何れか一方に設けた凹部に対し、他方に設けた凸部が軸方向および周方向の双方で係合するように凹部と凸部の形成態様を考慮するのが望ましい。使用中に外方部材と弾性支持部材が相対移動するのを確実に防止するためである。 As means for fixing the elastic support member to the outer member, press-fitting, bonding, press-fitting adhesion (combination of press-fitting and bonding), welding, or the like may be employed, or instead of or in addition to this. Thus, a so-called concave-convex fitting in which a convex portion provided on the other side is fitted into a concave portion provided on one of the outer member and the elastic support member may be employed. When the outer member and the elastic support member are concavo-convexly fitted, the concave portion and the convex portion are formed such that the convex portion provided on the other side is engaged with the concave portion provided on one side in both the axial direction and the circumferential direction. It is desirable to consider aspects. This is to reliably prevent the outer member and the elastic support member from moving relative to each other during use.
本発明に係るフォイル軸受は、トップフォイルおよび弾性支持部材の少なくとも一方の軸方向端部に設けた径方向の突出部を、外方部材の端面との間で（軸方向に）挟持固定する挟持部材をさらに有するものとすることができる。このようにすれば、外方部材に対し、トップフォイルおよび弾性支持部材の少なくとも一方を簡便に固定することが可能となるので、フォイル軸受の生産性向上を図ることができる。 The foil bearing according to the present invention is configured to clamp a radial protrusion provided at an axial end of at least one of the top foil and the elastic support member between the end surface of the outer member (in the axial direction). It can further have a member. In this way, it is possible to easily fix at least one of the top foil and the elastic support member to the outer member, so that the productivity of the foil bearing can be improved.
多孔質体からなるバックフォイルの内部気孔には、潤滑油を含浸させることもできる。 The internal pores of the back foil made of a porous material can be impregnated with lubricating oil.
フォイル軸受の構造上、トップフォイルとバックフォイル（弾性支持部材）は相対的に摺動移動させることが可能であり、この場合には、両者間で少なからず摩擦・摩耗が発生する。この摺動部での潤滑性を高めるため、一般的に固体潤滑材が用いられている。バックフォイルとして機能する弾性支持部材を多孔質体で形成した本発明においては、その内部気孔に潤滑油を含浸させることが可能であり、この場合には、バックフォイルの表面開孔から滲み出す潤滑油により、トップフォイルとバックフォイルの繰り返しの摺動接触による摩耗を抑制あるいは防止することができる。 Due to the structure of the foil bearing, the top foil and the back foil (elastic support member) can be slid relative to each other. In this case, friction and wear occur between the two. In order to improve the lubricity at the sliding portion, a solid lubricant is generally used. In the present invention in which the elastic support member functioning as a back foil is formed of a porous body, it is possible to impregnate the internal pores with a lubricating oil, and in this case, the lubrication that exudes from the surface opening of the back foil The oil can suppress or prevent wear due to repeated sliding contact between the top foil and the back foil.
以上に述べた本発明に係るフォイル軸受は、ガスタービンのロータの他、過給機（ターボチャージャやスーパーチャージャ）のロータ等の支持に好ましく用いることができる。 The foil bearing according to the present invention described above can be preferably used for supporting a rotor of a supercharger (turbocharger or supercharger) in addition to a rotor of a gas turbine.
以上より、本発明に係るフォイル軸受では、バックフォイルとして機能する弾性支持部材が、比較的低コストに製作可能で、取り扱い性に優れ、かつ剛性を容易に調整可能なものに置換される。これにより、この種のフォイル軸受において、製造コストの低廉化、および軸受性能の調整作業の簡便化を同時に達成することが可能となる。 As described above, in the foil bearing according to the present invention, the elastic support member functioning as the back foil is replaced with one that can be manufactured at a relatively low cost, has excellent handleability, and can easily adjust the rigidity. As a result, in this type of foil bearing, it is possible to simultaneously reduce the manufacturing cost and simplify the adjustment of the bearing performance.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１に、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受１の含軸断面図を概念的に示す。同図に示すフォイル軸受１は、例えば、ガスタービンのロータや過給機のロータ等、高温環境下で高速回転する軸部材２を支持するためのものであり、内周に挿入した軸部材２との間にラジアル軸受隙間を形成するトップフォイル４と、トップフォイル４の外径側に配置され、トップフォイル４を弾性的に支持する弾性支持部材５と、トップフォイル４および弾性支持部材５を内周に収容した円筒状の外方部材３とを主要な構成部材として備える。軸部材２の外周面は、凹凸のない平滑な円筒面に形成されている。
FIG. 1 conceptually shows an axial cross-sectional view of a foil bearing 1 according to an embodiment of the present invention. A foil bearing 1 shown in FIG. 1 is for supporting a
外方部材３は、ソリッド（非多孔質）の金属材料や樹脂材料により周方向で無端の円筒状に形成され、図示しない静止側部材の内周に固定されている。トップフォイル４は、略矩形状をなす金属薄板（薄膜）をその長手方向に沿って丸めることで略円筒状に形成されており、金属薄板としては、ラジアル軸受隙間における圧力分布の変動に応じて弾性変形可能な可撓性を有するものが使用される。トップフォイル４の周方向一端部は、弾性支持部材５の内径面に接着、溶着等の適宜の手段で固定されており、トップフォイル４の周方向他端部は、トップフォイル４の周方向一端部の内径面に摺動自在に接触している。トップフォイル４の周方向一端部を弾性支持部材５に固定した状態で、弾性支持部材５の内径面には、トップフォイル４の外径面が摺動可能に接触している。
The
弾性支持部材５は、多孔質体、ここでは樹脂の多孔質体（多孔質樹脂）で周方向に無端の円筒状に形成され、圧入、接着、圧入接着、溶着等の適宜の手段で外方部材３の内周に固定される。本実施形態では、弾性支持部材５を外方部材３の内周に軽圧入（外方部材３と弾性支持部材５の相対的な摺動移動が許容される程度の締め代で圧入）することにより、外方部材３の内周に弾性支持部材５が固定されている。弾性支持部材５の内径面および外径面は、双方共に、凹凸のない平滑な円筒面状に形成されている。このような弾性支持部材５は、例えば、気孔形成材を配合した樹脂材料を用いて略完成品形状の中間成形品を射出成形した後、この中間成形品に含まれる気孔形成材を適当な溶媒で除去することにより得られる。なお中間成形品は、射出成形の他、ベース樹脂の材質等に応じて、圧縮成形、押出し成形などの手法を用いて得ることもできる。
The
弾性支持部材５（中間成形品）の成形に用いるベース樹脂としては、射出成形や押出し成形等の一般的な成形手法を採用することができ、かつ求められる耐熱性や機械的強度等を満足できれば熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂を問わず使用可能である。ベース樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の汎用プラスチック、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のエンジニアリングプラスチック、およびポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のスーパーエンジニアリングプラスチックから選定された一または複数種混合したものが使用可能である。但し、この種のフォイル軸受１が３００℃程度の高温環境下で用いられることを考慮すると、スーパーエンジニアリングプラスチックの中でも特に高い耐熱性（融点が３００℃以上）や機械的強度を具備するもの、具体的にはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）や熱硬化性ポリイミドをベース樹脂とするのが望ましい。ベース樹脂には、強化材、潤滑剤、導電化材、寸法安定材等の各種充填材を一又は複数種配合することもできる。 As a base resin used for molding the elastic support member 5 (intermediate molded product), a general molding technique such as injection molding or extrusion molding can be adopted, and the required heat resistance and mechanical strength can be satisfied. A thermoplastic resin or a thermosetting resin can be used. Examples of the base resin include general-purpose plastics such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP), engineering plastics such as polyacetal (POM), polybutylene terephthalate (PBT), and polyethylene terephthalate (PET), and polyphenylene sulfide (PPS), A mixture of one or more selected from super engineering plastics such as polyetheretherketone (PEEK) can be used. However, considering that this type of foil bearing 1 is used in a high temperature environment of about 300 ° C., super engineering plastics having particularly high heat resistance (melting point of 300 ° C. or higher) and mechanical strength, Specifically, it is desirable to use polyether ether ketone (PEEK) or thermosetting polyimide as a base resin. One or more kinds of various fillers such as a reinforcing material, a lubricant, a conductive material, and a dimension stabilizing material can be blended in the base resin.
そして、弾性支持部材５（中間成形品）の成形に用いる樹脂材料は、上記のベース樹脂に、ドライブレンド、溶融混錬等、樹脂の混合に一般に使用する混錬法で気孔形成材や充填材を混合させることによって生成される。気孔形成材としては、成形時の融解を防止するため、選定されるベース樹脂の成形温度よりも高い融点を有し、ベース樹脂に配合して中間成形品を成形した後、ベース樹脂を溶解しない溶媒を用いて除去可能なものを使用することができる。この中でも、特に、中間成形品からの除去作業を容易に行い得る水溶性で、また、防錆剤としても機能するアルカリ性化合物からなる気孔形成材を好ましく使用することができる。 The resin material used for molding the elastic support member 5 (intermediate molded product) is a pore forming material or filler by a kneading method generally used for mixing the resin with the base resin, such as dry blending or melt kneading. It is produced by mixing. As a pore-forming material, it has a melting point higher than the molding temperature of the selected base resin in order to prevent melting during molding, and does not dissolve the base resin after blending with the base resin and molding an intermediate molded product Those that can be removed using a solvent can be used. Among these, in particular, a pore-forming material composed of an alkaline compound that is water-soluble and can also be easily removed from the intermediate molded product and functions as a rust preventive can be preferably used.
使用可能な気孔形成材としては、安息香酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、セバシン酸ナトリウム、コハク酸ナトリウム、あるいはステアリン酸ナトリウム等に代表される有機アルカリ金属塩や、炭酸カリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸カリウム、タングステン酸ナトリウム、三リン酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム等に代表される無機アルカリ金属塩等を挙げることができる。この中でも、高融点で、ベース樹脂の選定自由度を高められ、かつ水溶性に優れる安息香酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、セバシン酸ナトリウムが特に好ましい。気孔形成材は一種のみ使用する他、二種以上混合して使用しても良い。 Examples of usable pore-forming materials include organic alkali metal salts such as sodium benzoate, sodium acetate, sodium sebacate, sodium succinate, or sodium stearate, potassium carbonate, sodium molybdate, potassium molybdate, Examples thereof include inorganic alkali metal salts represented by sodium tungstate, sodium triphosphate, sodium pyrophosphate and the like. Among these, sodium benzoate, sodium acetate, and sodium sebacate are particularly preferable because they have a high melting point, increase the degree of freedom in selecting a base resin, and are excellent in water solubility. The pore forming material may be used alone or in combination of two or more.
中間成形品から気孔形成材を除去するための溶媒としては、水の他、水と相溶するアルコール系、エステル系、あるいはケトン系の溶媒を用いることができる。これらの溶媒は、一種のみ使用する他、二種以上を混合して使用することもできる。但し、廃液処理が容易で、かつ安価であることから、気孔形成材の除去溶媒としては水が最も好ましい。 As a solvent for removing the pore-forming material from the intermediate molded product, alcohol-based, ester-based, or ketone-based solvents that are compatible with water can be used in addition to water. These solvents may be used alone or in combination of two or more. However, water is the most preferable solvent for removing the pore-forming material because waste liquid treatment is easy and inexpensive.
以上の構成からなるフォイル軸受１において、図１（ｂ）に示すように、軸部材２に対して図示しない駆動機構から回転駆動力が付与されることによって軸部材２が回転（偏芯回転）すると、軸部材２の外周面とトップフォイル４の内径面との間に楔状のラジアル軸受隙間Ｃが形成され、このラジアル軸受隙間Ｃに形成される流体膜（空気膜）によって軸部材２がラジアル方向に回転自在に非接触支持される。そして、軸部材２の回転中には、ラジアル軸受隙間Ｃにおける圧力分布の変動に応じて（楔状のラジアル軸受隙間Ｃの形成領域が周方向および軸方向で変化するのに応じて）トップフォイル４および弾性支持部材５が弾性変形することにより、ラジアル軸受隙間Ｃの隙間幅が常時適正範囲内に維持（自動調整）される。
In the foil bearing 1 having the above configuration, as shown in FIG. 1B, the
また、トップフォイル４が弾性支持部材５によって弾性的に支持されていること、トップフォイル４の径方向他端部がトップフォイル４の径方向一端部の内径面に対して摺動自在に接触しており、トップフォイル４の拡縮変形が可能であること、さらに弾性支持部材５が外方部材３の内周に軽圧入されており、弾性支持部材５が外方部材３に対して摺動移動可能であること、などの理由から、ラジアル軸受隙間Ｃの隙間幅の自己調整能力が強化されると共に、振動の減衰効果が得られるため、高温・高速回転といった過酷な運転条件でも軸部材２の回転が一層安定的に支持される。
Further, the
本発明に係るフォイル軸受１では、トップフォイル４を弾性的に支持する弾性支持部材５を多孔質体（本実施形態では樹脂の多孔質体）で形成した。このようにすれば、多孔質体の多孔質組織を、トップフォイル４を弾性的に支持する弾性支持部として機能させることができる。この場合、従来のバックフォイルのように、適当な材質及び厚みの金属薄板に機械加工や塑性加工を施すことによって複雑形状の弾性支持部を形成せずとも、弾性支持部材５の形成段階で気孔率を調整するだけで剛性を調整することができる。従って、弾性支持部材５は、トップフォイル４と接する内径面が平滑な円筒面状に形成された単純な円筒形態に形成すれば足りるので、この形状の単純化を通じて弾性支持部材５の生産性を向上することができる。また、形状が単純化される分、弾性支持部材５の取り扱い性が向上する。このように、本発明に係るフォイル軸受１では、弾性支持部材５が、低コストに製作可能で、取り扱い性に優れ、かつ剛性を容易に調整可能なものに置換される。これにより、フォイル軸受１の製造コストの低廉化、および軸受性能の調整作業の簡便化を同時に達成することが可能となる。
In the foil bearing 1 according to the present invention, the
また、弾性支持部材５を、予め周方向で無端の円筒状に形成したので、機械的又は人為的作業によって板状の多孔質部材を円筒形態に丸める手間を省略することができる他、固体間（フォイル軸受１相互間）で軸受性能にバラツキが生じ難くなる。
In addition, since the
以上では、気孔形成材を配合した樹脂材料を用いて中間成形品を成形し、この中間成形品に含まれる気孔形成材を適当な溶媒で除去することで樹脂の多孔質体からなる弾性支持部材５を得る場合について説明を行ったが、樹脂の多孔質体からなる弾性支持部材５は、空気や炭酸ガス等を混練した溶融状態の樹脂材料を用いて所定形状に射出成形する（樹脂材料を発泡成形する）ことによって得ることも可能である。また、弾性支持部材５は、所望の剛性を有し、必要とされる弾性支持能力を発揮することができるのであれば、樹脂以外の多孔質体、具体的には金属又はセラミックスの多孔質体で形成することもできる。後述するその他の実施形態についても同様である。
In the above, an elastic support member made of a porous resin body is formed by molding an intermediate molded product using a resin material containing a pore forming material and removing the pore forming material contained in the intermediate molded product with an appropriate solvent. The
弾性支持部材５を金属の多孔質体で形成する場合には、例えば、発泡剤を混練した金属材料を発泡成形することで得られる発泡金属の多孔質体とすることができる。この場合に使用する金属材料としては、融点が３００℃以上で、加工性に富み、かつ容易に入手することができる一般的なものが好ましく、純金属では銅やニッケル等を挙げることができ、合金ではステンレス鋼やニッケルクロム合金等を挙げることができる。
When the
また、弾性支持部材５をセラミックスの多孔質体で形成する場合、セラミックス材料としては、特に高融点のアルミナ（酸化アルミニウム）、ジルコニア（二酸化ジルコニウム）等を好ましく使用することができ、セラミックスの多孔質体は、例えば、以下に示す方法を用いて得ることができる。
When the
まず、所望の気孔率を有し、後述する焼成段階において焼失する紙製もしくはスポンジ（発泡樹脂）製の多孔質基材を準備し、この基材に金属アルコキシドの溶液を含浸させる。ここで、金属アルコキシドの溶液は、目的とするセラミックスに対応する金属のアルコキシドに、アルコール、水および酸を加えることで生成される。この溶液において、加える水の量は、金属アルコキシドが部分加水分解する程度の少量に抑える。加える水の量をあまりに多くすると、金属アルコキシドが一気に加水分解・重合し、基材の微小な気孔内に入り込み難い粒径のゾル粒子となるからである。 First, a porous substrate made of paper or sponge (foamed resin) having a desired porosity and burnt down in a firing step described later is prepared, and this substrate is impregnated with a metal alkoxide solution. Here, the solution of a metal alkoxide is produced | generated by adding alcohol, water, and an acid to the alkoxide of the metal corresponding to the target ceramics. In this solution, the amount of water to be added is suppressed to such a small amount that the metal alkoxide is partially hydrolyzed. This is because if the amount of water to be added is too large, the metal alkoxide is hydrolyzed and polymerized at once, resulting in a sol particle having a particle size that is difficult to enter into the minute pores of the substrate.
金属アルコキシドの溶液を多孔質基材に含浸させる前には、（１）当該溶液の溶媒の沸点直下で還流し、（２）多孔質基材をアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属を含まない界面活性剤により洗浄し、（３）溶液が多孔質基材の微細な気孔内に入り込むように上記溶液を溶媒で希釈する。さらに、多孔質基材に金属アルコキシドの溶液を含浸させた後、これを焼成する前に、多孔質基材の分解温度以上に所定時間保ち、多孔質基材を炭化させる。これらの処理を行った後、金属アルコキシドの溶液を含浸させた多孔質基材を所定温度で焼成すると、多孔質基材は焼失する一方、金属アルコキシドは焼結されてセラミックスとなる。このようにして得られたセラミックスは、多孔質基材の気孔形状や気孔率が反映（転写）された多孔質構造を有する。 Before impregnating the porous substrate with the metal alkoxide solution, (1) refluxing just below the boiling point of the solvent of the solution, and (2) the porous substrate does not contain alkali metal or alkaline earth metal. (3) The solution is diluted with a solvent so that the solution enters the fine pores of the porous substrate. Further, after impregnating the porous base material with the metal alkoxide solution and before firing, the porous base material is carbonized by maintaining the temperature above the decomposition temperature of the porous base material for a predetermined time. After performing these treatments, when the porous base material impregnated with the metal alkoxide solution is fired at a predetermined temperature, the porous base material is burned out, while the metal alkoxide is sintered to become ceramics. The ceramic thus obtained has a porous structure in which the pore shape and porosity of the porous substrate are reflected (transferred).
以上では、圧入、接着、圧入接着、溶着等の手段によって弾性支持部材５を外方部材３の内径面に固定する場合について説明を行ったが、外方部材３に対する弾性支持部材５の固定手段はこれに限られない。
The case where the
例えば、図２に示すように、外方部材３の内径面に凹部１２を設け、この凹部１２に対して弾性支持部材５の外径面に設けた凸部１１を嵌合させる凹凸嵌合構造によって両者を固定することもできる。この凹凸嵌合構造は、弾性支持部材５の外径面に設けた凹部１２に、外方部材３の内径面に設けた凸部１１を嵌合することによって構成することもできる（図示省略）。また、この凹凸嵌合構造は、外方部材３の内径面に弾性部材５を接着、圧入、圧入接着、溶着等で固定する場合にも追加的に採用することができる。なお、このような凹凸嵌合構造は、凸部１１と凹部１２が、周方向のみならず、軸方向でも係合するように形成することもできる。
For example, as shown in FIG. 2, a concave / convex fitting structure in which a
また、例えば図３（ａ）に示すように、外方部材３の軸方向外側に円筒状の挟持部材８をさらに設け、この挟持部材８と外方部材３とで、弾性支持部材５の軸方向端部（図示例では軸方向一端部としているが、軸方向両端部としてもよい）に設けた径方向の突出部１３を軸方向に挟持固定するようにしても良い。この場合、突出部１３は、全周に亘って設けても良いし、周方向一部領域に（扇状に）設けても良い。このような挟持構造を採用すれば、接着や溶着で弾性支持部材５を外方部材３に固定する場合に比べ、固定プロセスを簡便化しつつ、外方部材３の内周から弾性支持部材５が抜脱するのを効果的に防止することができる。この場合、突出部１３は、外方部材３と弾性支持部材５の相対的な摺動移動が許容される程度の力で挟持しても良いし、外方部材３と弾性支持部材５の相対的な摺動移動が許容されないように強固に挟持しても良い。振動の減衰効果を高めたい場合には、外方部材３と弾性支持部材５の相対的な摺動移動が許容される程度の力で突出部１３を挟持するのが望ましい。
Further, for example, as shown in FIG. 3A, a
挟持部材８は、トップフォイル４を外方部材３に固定するための部材としても活用することができる。すなわち、図３（ｂ）に示すようにトップフォイル４の軸方向端部（図示例では軸方向両端部）の周方向一又は複数箇所、あるいは全周に亘って径方向の突出部１３を設け、この突出部１３を挟持部材８と外方部材３とで軸方向に挟持固定することもできる。この場合、トップフォイル４の軸方向両端部に設けた突出部１３により、外方部材３内周からの弾性支持部材５の抜脱を防止することができる。そのため、外方部材３に対する弾性支持部材５の固定方法の選択自由度が増す、というメリットもある。また、図示は省略しているが、弾性支持部材５の軸方向端部、およびトップフォイル４の軸方向端部の双方に径方向の突出部１３を設け、これら突出部１３の双方を、挟持部材８と外方部材３とで軸方向に挟持固定するようにすることもできる。
The clamping
また、以上で説明したフォイル軸受１においては、周方向で無端の円筒状に形成された弾性支持部材５を用いているが、フォイル軸受１の生産性の低下が問題とならないのであれば、弾性支持部材５は、図４に示すように、板状に形成した多孔質部材を丸めることで円筒形態としたもの（周方向で有端の円筒状に形成されたもの）を用いることも可能である。この場合、弾性支持部材５の周方向一端部と周方向他端部とは、切れ目９が形成されるように周方向に離隔配置しても良い（図４を参照）し、相互に当接するように配置（図示省略）しても良い。
Moreover, in the foil bearing 1 demonstrated above, although the
また、以上で説明したフォイル軸受１において、多孔質体からなる弾性支持部材５の内部気孔には、潤滑油を含浸させることも可能である。このようにすれば、トップフォイル４と弾性支持部材５が摺動接触する際に、弾性支持部材５の表面開孔から滲み出す潤滑油によりトップフォイル４と弾性支持部材５間での摩耗を抑制あるいは防止することができる。
In the foil bearing 1 described above, the internal pores of the
また、以上で説明したフォイル軸受１は、軸部材２を回転側、外方部材３（さらに、トップフォイル４および弾性支持部材５）を静止側としたものであるが、本発明は、軸部材２を静止側、外方部材３を回転側としたフォイル軸受１にも好ましく適用することができる。
In the foil bearing 1 described above, the
１ フォイル軸受
２ 軸部材
３ ハウジング
４ トップフォイル
５ 弾性支持部材
８ 挟持部材
１１ 凸部
１２ 凹部
１３ 突出部
Ｃ ラジアル軸受隙間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
弾性支持部材を、多孔質体で形成したことを特徴とするフォイル軸受。 A top foil that is flexible and forms a wedge-shaped radial bearing gap with the shaft member inserted in the inner periphery, and an elastic support that is disposed on the outer diameter side of the top foil and elastically supports the top foil In a foil bearing that includes a member and a cylindrical outer member that houses a top foil and an elastic support member on the inner periphery, and supports relative rotation of the shaft member and the outer member with a fluid film generated in a radial bearing gap.
A foil bearing, wherein the elastic support member is formed of a porous body.
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|---|---|---|---|---|
| JP2019527316A (en) * | 2016-07-26 | 2019-09-26 | フロリダ タービン テクノロジーズ インコーポレイテッドＦｌｏｒｉｄａ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． | Turbocharger with oil-free hydrostatic bearing |
| KR102166622B1 (en) * | 2020-05-08 | 2020-10-16 | 주식회사 뉴로스 | Air foil journal bearing |
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2011
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