JP6839565B2

JP6839565B2 - スクイズフィルムダンパベアリング装置

Info

Publication number: JP6839565B2
Application number: JP2017033475A
Authority: JP
Inventors: 賀夫中山; 研二齋藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2037-02-24
Also published as: JP2018138807A; US10451108B2; US20180245631A1

Description

本発明は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周にスクイズフィルムを構成する環状空間を介して支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置に関する。

かかるスクイズフィルムダンパベアリング装置は、有効な振動減衰効果が得られるスクイズフィルムの油膜厚さに制約があり、大きな振動負荷の入力により回転軸が径方向に移動してスクイズフィルムの油膜厚さが過小になると、油膜切れが発生して有効な振動減衰効果が得られなくなる問題がある。また油膜切れを防止するためにスクイズフィルムの油膜厚さを予め大きく設定すると、有効な振動減衰効果が得られないだけでなく、振動により回転軸が湾曲して振れ回りしてしまう問題がある。

そこで、軸受メタルと軸受ケーシングとの間に一対の環状の同心化ばね（油膜切れ防止部材）を配置し、軸受メタルと軸受ケーシングとの間に形成されるスクイズフィルムの油膜厚さを一定に保持することで、スクイズフィルムの油膜切れを防止するものが、下記特許文献１により公知である。

特開平８−２６１２３１号公報

しかしながら、上記従来のものは、同心化ばね（油膜切れ防止部材）の内周および外周が回転軸の外周および軸受ケーシングの内周に常時当接しているため、摩擦抵抗が増加して耐久性が低下するだけでなく、摩擦抵抗によってスクイズフィルムによる制振効果が有効に発揮されない問題があり、しかも同心化ばねを設けた分だけ部品点数や組付工数が増加する問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、スクイズフィルムダンパベアリング装置のスクイズフィルムの油膜厚さを適切に維持して制振効果を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項２に記載された発明によれば、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周にスクイズフィルムを構成する環状空間を介して支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、前記ベアリング保持部材の内周に前記アウターレースの軸方向両端部の外周に向かって突出する一対の環状突起が設けられ、前記回転軸に作用する径方向荷重が所定値未満のときに、前記環状突起の先端面は前記アウターレースの外周に対して非接触状態に維持されるとともに、前記回転軸に作用する径方向荷重が所定値以上のときに、前記環状突起の先端面は前記アウターレースの外周に対して接触し、前記アウターレースの外周における前記環状突起の軸方向内側位置には前記ベアリング保持部材の内周に弾発的に当接して前記環状空間の軸方向両端を区画する一対のシールリングが装着され、前記環状突起は位相が１８０゜ずれた位置に一対の切欠きを備えることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記環状突起の径方向の突出高さは前記環状空間の径方向高さの２０％〜７０％であることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置が提案される。

なお、実施の形態の低圧系シャフト１５およびスリーブ４１は本発明の回転軸に対応し、実施の形態のボール４７は本発明の転動体に対応する。

請求項１に記載された発明によれば、スクイズフィルムダンパベアリング装置は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周にスクイズフィルムを構成する環状空間を介して支持されたアウターレースと、インナーレースおよびアウターレース間に配置された複数の転動体とを備えるので、回転軸の振動に伴ってベアリング保持部材の内周に対してアウターレースが変位すると、ベアリング保持部材の内周およびアウターレースの外周に挟まれた環状空間に構成されたスクイズフィルムがアウターレースの動きに抵抗することで回転軸の振動が制振される。

ベアリング保持部材の内周にアウターレースの軸方向両端部の外周に向かって突出する一対の環状突起が設けられ、回転軸に作用する径方向荷重が所定値未満のときに、環状突起の先端面はアウターレースの外周に対して非接触状態に維持されるとともに、回転軸に作用する径方向荷重が所定値以上のときに、環状突起の先端面はアウターレースの外周に対して接触するので、回転軸の径方向荷重が増加して油膜切れ等による有効な減衰効果が得られない状況下においても、環状突起により径方向変位を抑制することができる。また大荷重の入力時以外は環状突起はアウターレースの外周に当接しないので、アウターレースおよびベアリング保持部材間に作用する摩擦力が最小限に抑えられ、スクイズフィルムの制振機能に影響を及ぼすことがないだけでなく耐久性を高めることができ、しかも環状突起がベアリング保持部材と一体であるために部品点数や組立工数が削減される。

しかも、アウターレースの外周における環状突起の軸方向内側位置にはベアリング保持部材の内周に弾発的に当接して環状空間の軸方向両端を区画する一対のシールリングが装着され、環状突起は位相が１８０゜ずれた位置に一対の切欠きを備えるので、切欠きに工具を挿入してシールリングを縮径することで、シールリングと環状突起との干渉を回避してアウターレースをベアリング保持部材から容易に取り外すことができる。

また請求項２の構成によれば、環状突起の径方向の突出高さは環状空間の径方向高さの２０％〜７０％であるので、径方向荷重が所定値以上のとき、突出高さが小さすぎて有効な減衰効果が得られない状況下における径方向変位が過大になることを防止できるだけでなく、径方向荷重が所定値未満のときには、突出高さが大きすぎてスクイズフィルムの有効な油膜厚さが過小になるのを防止できる。

ガスタービンエンジンの全体構造を示す図。（参考形態）図１の２部拡大図。（参考形態）図２の３部拡大図。（参考形態）図３に対応する図。（実施の形態）図４の５−５線断面図。（実施の形態）

参考形態

以下、図１〜図３に基づいて本発明の参考形態を説明する。

図１に示すように、本発明が適用される航空機用のガスタービンエンジンは、アウターケーシング１１およびインナーケーシング１２を備えており、インナーケーシング１２の内部に前部第１ベアリング１３および後部第１ベアリング１４を介して低圧系シャフト１５の前部および後部がそれぞれ回転自在に支持される。低圧系シャフト１５の軸方向中間部の外周に筒状の高圧系シャフト１６が相対回転自在に嵌合し、高圧系シャフト１６の前部が前部第２ベアリング１７を介してインナーケーシング１２に回転自在に支持されるとともに、高圧系シャフト１６の後部が後部第２ベアリング１８を介して低圧系シャフト１５に相対回転自在に支持される。

低圧系シャフト１５の前端には、翼端がアウターケーシング１１の内面に臨むフロントファン１９が固定されており、フロントファン１９が吸入した空気の一部はアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に配置されたステータベーン２０を通過した後、その一部がアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に形成された環状のバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、他の一部がインナーケーシング１２の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ２２および遠心式の高圧コンプレッサ２３に供給される。

低圧コンプレッサ２２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２４と、外周にコンプレッサブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧コンプレッサホイール２５とを備える。高圧コンプレッサ２３は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２６と、外周にコンプレッサブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧コンプレッサホイール２７とを備える。

高圧コンプレッサホイール２７の外周に接続されたデフューザ２８の後方には逆流燃焼室２９が配置されており、逆流燃焼室２９の内部に燃料噴射ノズル３０から燃料が噴射される。逆流燃焼室２９の内部で燃料および空気が混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービン３１および低圧タービン３２に供給される。

高圧タービン３１は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３３と、外周にタービンブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧タービンホイール３４とを備える。低圧タービン３２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３５と、外周にタービンブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧タービンホイール３６とを備える。

従って、図示せぬスタータモータで高圧系シャフト１６を駆動すると、高圧コンプレッサホイール２７が吸い込んだ空気が逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービンホイール３４および低圧タービンホイール３６を駆動する。その結果、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６が回転してフロントファン１９、低圧コンプレッサホイール２５および高圧コンプレッサホイール２７が空気を圧縮して逆流燃焼室２９に供給することで、スタータモータを停止させてもガスタービンエンジンの運転が継続される。

ガスタービンエンジンの運転中に、フロントファン１９が吸い込んだ空気の一部はバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。またフロントファン１９が吸い込んだ空気の残部は逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６を駆動した後に後方に噴射されて推力を発生する。

次に、図２および図３に基づいて前記後部第１ベアリング１４の周辺の構造を説明する。

低圧タービンホイール３６を支持するためのスリーブ４１が低圧系シャフト１５の外周にスプライン嵌合４２しており、低圧系シャフト１５の軸端外周に第１ナット部材４３を螺合してスリーブ４１を図２の左側に押圧し、低圧系シャフト１５の外周に形成した段部１５ａにスリーブ４１の内周に形成した段部４１ａを押し付けることで、低圧系シャフト１５にスリーブ４１が締結される。

後部第１ベアリング１４は、スリーブ４１の外周に嵌合するインナーレース４５と、インナーケーシング１２に設けられたベアリング保持部材４４の内周に嵌合するアウターレース４６と、インナーレース４５およびアウターレース４６間に配置された複数のボール４７…と、ボール４７…を周方向に等間隔で保持するリテーナ４８とを備える。ベアリング保持部材４４とアウターレース４６とはボルト４９…でインナーケーシング１２に締結され、インナーレース４５はスリーブ４１の端部外周に螺合する第２ナット部材５０で図２の左側に付勢され、スリーブ４１の外周に形成した段部４１ｂに押し付けられて締結される。

アウターレース４６は、軸方向に延びる複数のスリット状の切欠き４６ｂ…と、複数の切欠き４６ｂ…間に挟まれて軸方向に延びる複数の棒状のバネ部４６ｃ…とを備えており、従ってボール４７…を保持するアウターレース４６の本体部はインナーケーシング１２に対して移動可能にフローティング支持される。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０のネジの方向は相互に逆方向に設定される。すなわち、第１ナット部材４３が右ネジである場合には第２ナット部材５０は左ネジであり、第１ナット部材４３が左ネジである場合には第２ナット部材５０は右ネジである。第１ナット部材４３の端部外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第１溝部４３ａ…が周方向に等間隔で形成されるとともに、第２ナット部材５０の外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第２溝部５０ａ…が周方向に等間隔で形成される。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０間に配置される環状の連結部材５１は、円周方向に１８０゜間隔で配置されて第１ナット部材４３の第１溝部４３ａ…に係合可能な２個の第１突起部５１ａ，５１ａと、円周方向に１２０゜間隔で配置されて第２ナット部材５０の第２溝部５０ａ…に係合可能な３個の第２突起部５１ｂ…とを備える。

連結部材５１を第２ナット部材５０に係止するリングスプリング５２は、平坦な弾性金属板を略２回転に亙って環状に巻いたもので、その外周部が第２ナット部材５０の端部内周に形成した段部５０ｂ…に係合可能である。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０はネジの方向が相互に逆になっているため、第１ナット部材４３が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第２ナット部材５０を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが阻止され、逆に第２ナット部材５０が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第１ナット部材４３を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが同時に阻止される。

低圧系シャフト１５の後部を支持する後部第１ベアリング１４はスクイズフィルムダンパベアリングを構成するもので、そのアウターレース４６の外周に形成された一対のシールリング溝４６ａ，４６ａにそれぞれシールリング５３，５３が嵌合する。シールリング５３，５３は自己の弾性で径方向外側に拡開してベアリング保持部材４４の内周に弾発的に当接し、アウターレース４６の外周、ベアリング保持部材４４の内周および一対のシールリング５３，５３間に所定の径方向隙間を有する環状空間５４が区画される。なお、図２および図３において、環状空間５４の径方向高さは誇張して大きく描かれている。

よって、ベアリング保持部材４４に対してアウターレース４６は前記隙間の範囲内で径方向に相対移動可能であり、その際にシールリング５３，５３はシールリング溝４６ａ，４６ａ内で弾性変形することで、ベアリング保持部材４４の内周に対して当接状態に維持される。そして図示せぬオイルポンプが汲み上げたオイルが、ベアリング保持部材４４の内部に形成された油路５７を介して環状空間５４に供給される。

さらにアウターレース４６は、一対のシールリング溝４６ａ，４６ａの軸方向両側に隣接する位置に、径方向外側に突出する一対の環状突起４６ｄ，４６ｄを備える。低圧系シャフト１５およびスリーブ４１が振動せずに正しく軸線上に位置するとき、図３に示すように、環状空間５４の径方向高さを１００％とすると、環状突起４６ｄ，４６ｄの環状空間５４内への突出高さは２０％〜７０％に設定される。低圧系シャフト１５およびスリーブ４１が振動すると、その径方向の振幅が小さいときには環状突起４６ｄ，４６ｄの先端面とベアリング保持部材４４の内周とは非接触状態に維持されるが、その径方向の振幅が大きいときには環状突起４６ｄ，４６ｄの先端面がベアリング保持部材４４の内周に接触する。

次に、上記構成を備えた本発明の参考形態の作用を説明する。

図示せぬオイルポンプからベアリング保持部材４４の油路５７を介して環状空間５４にオイルが供給されると、環状空間５４にオイルの薄膜よりなるスクイズフィルムが構成される。ガスタービンエンジンの運転中に低圧系シャフト１５が径方向に振動すると、その振動は低圧系シャフト１５に一体に固定されたスリーブ４１にインナーレース４５を支持された後部第１ベアリング１４のアウターレース４６に伝達される。

このとき、後部第１ベアリング１４のアウターレース４６はバネ部４６ｃ…が弾性変形することで径方向の振動が許容されるため、アウターレース４６の径方向の振動に応じて環状空間５４の径方向隙間の大きさが増減し、環状空間５４内のスクイズフィルムの粘性を有するオイルの流動および圧縮により発生する抵抗力でアウターレース４６が制振され、これにより低圧系シャフト１５の振動を抑制することができる。

スクイズフィルムが制振効果を発揮すると、振動エネルギーを吸収したオイルは発熱して温度上昇するが、温度上昇したオイルがシールリング５３，５３の合い口から逐次排出されて新たなオイルがオイルポンプから供給されることで、スクイズフィルムの制振機能が維持される。

低圧系シャフト１５の振動の振幅が所定値を超えると、環状空間５４の径方向高さが減少してスクイズフィルムの膜厚が過小になり、油膜が切れて制振機能を発揮できなくなることに加え、油膜切れ後の残油膜厚み分の径方向変位が発生する問題がある。しかしながら、本参考形態によれば、低圧系シャフト１５の振動の振幅が所定値を超えると、後部第１ベアリング１４のアウターレース４６の環状突起４６ｄ，４６ｄの先端面がベアリング保持部材４４の内周に当接し、スクイズフィルムの油膜切れにより発生する径方向変位を抑制することができる。

またアウターレース４６の環状突起４６ｄ，４６ｄの先端面はベアリング保持部材４４の内周に常時当接するのではなく、大振幅の振動の入力時にのみ当接するので、アウターレース４６およびベアリング保持部材４４間の摩擦力の増加による寿命の短縮や、スクイズフィルムの制振機能への影響が最小限に抑えられる。しかも環状突起４６ｄ，４６ｄはアウターレース４６に一体に設けられているので、それを別部材で構成する場合に比べて組付け部品や組付工数を削減することができる。

実施の形態

次に、図４および図５に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

参考形態は、アウターレース４６の外周にベアリング保持部材４４に向かって突出する環状突起４６ｄ，４６ｄを設けているが、実施の形態は、ベアリング保持部材４４の内周にアウターレース４６の外周に向かって突出する環状突起４４ａ，４４ａを設けたものである。参考形態と同様に、環状空間５４の径方向高さを１００％とすると、環状突起４４ａ，４４ａの環状空間５４内への突出高さは２０％〜７０％に設定される。この実施の形態によっても、参考形態と同様の作用効果を達成することができる。

なお、アウターレース４６をベアリング保持部材４４から取り外す場合、参考形態ではアウターレース４６を軸方向に引き抜けば良いが、実施の形態ではシールリング５３，５３がベアリング保持部材４４の環状突起４４ａ，４４ａに引っかかるため、アウターレース４６を取り外せなくなる問題がある。

そこで、本実施の形態では、少なくとも一方の環状突起４４ａに、位相が１８０゜ずれた一対の切欠き４４ｂ，４４ｂが形成される。これにより、一対の切欠き４４ｂ，４４ｂに工具の一対の爪を挿入してシールリング５３の外周面に係合させ、シールリング５３を径方向内側に圧縮して環状突起４４ａの内周側を通過させることで、ベアリング保持部材４４からアウターレース４６を容易に取り外すことができる。

以上、本発明の実施の形態及び参考形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の適用対象は実施の形態のガスタービンエンジンの後部第１ベアリング１４に限定されず、ガスタービンエンジンの他のベアリングに適用することも可能であり、ガスタービンエンジン以外の任意の用途のベアリングに適用することも可能である。

また実施の形態の後部第１ベアリング１４はボールベアリングであるが、ローラベアリングやニードルベアリングのような他種のベアリングであっても良い。

また本発明の環状突起は必ずも周方向に連続して形成される必要はなく、環状突起が切欠きを挟んで周方向に離散的に配置された複数の突起群で構成されていても良い。

１５低圧系シャフト（回転軸）
４１スリーブ（回転軸）
４４ベアリング保持部材
４４ａ環状突起
４４ｂ切欠き
４５インナーレース
４６アウターレース
４７ボール（転動体）
５３シールリング
５４環状空間

Claims

回転軸（１５，４１）の外周に嵌合するインナーレース（４５）と、ベアリング保持部材（４４）の内周にスクイズフィルムを構成する環状空間（５４）を介して支持されたアウターレース（４６）と、前記インナーレース（４５）および前記アウターレース（４６）間に配置された複数の転動体（４７）とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、
前記ベアリング保持部材（４４）の内周に前記アウターレース（４６）の軸方向両端部の外周に向かって突出する一対の環状突起（４４ａ）が設けられ、前記回転軸（１５，４１）に作用する径方向荷重が所定値未満のときに、前記環状突起（４４ａ）の先端面は前記アウターレース（４６）の外周に対して非接触状態に維持されるとともに、前記回転軸（１５，４１）に作用する径方向荷重が所定値以上のときに、前記環状突起（４４ａ）の先端面は前記アウターレース（４６）の外周に対して接触し、
前記アウターレース（４６）の外周における前記環状突起（４４ａ）の軸方向内側位置には前記ベアリング保持部材（４４）の内周に弾発的に当接して前記環状空間（５４）の軸方向両端を区画する一対のシールリング（５３）が装着され、前記環状突起（４４ａ）は位相が１８０゜ずれた位置に一対の切欠き（４４ｂ）を備えることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置。
前記環状突起（４４ａ）の径方向の突出高さは前記環状空間（５４）の径方向高さの２０％〜７０％であることを特徴とする、請求項１に記載のスクイズフィルムダンパベアリング装置。