WO2018180388A1 - フォイル軸受 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a foil bearing.
- Foil bearings are attracting attention as bearings that support the shafts of turbomachines such as gas turbines and turbochargers.
- a bearing surface is constituted by a thin film (foil) having low rigidity with respect to bending, and the load is supported by allowing the bearing surface to bend.
- a fluid film for example, an air film
- the flexibility of the foil automatically forms an appropriate bearing gap according to the operating conditions such as the rotational speed, load and ambient temperature of the shaft. It can be used at high speed.
- Patent Document 1 the top foil is elastically supported by cutting and raising provided in the back foil
- Patent Document 2 the bearing foil is elastically supported by an elastic body knitted in a net shape
- Patent Document 3 a back foil provided with a support portion that contacts the inner surface of the outer ring and does not move in the circumferential direction, and an elastic portion that is elastically bent by the surface pressure from the top foil
- Patent Documents 4 and 5 show so-called multi-arc type foil bearings in which a plurality of foils are arranged side by side in the circumferential direction, and both circumferential ends of each foil are attached to an outer member.
- a wear-resistant coating on the sliding surface with the top foil shaft.
- a fluororesin fired film, a film made of graphite, molybdenum disulfide, or the like is formed on the surface of the top foil to improve the wear resistance of the top foil.
- the foil bearing can form an appropriate bearing gap with the shaft by elastically deforming the thin plate-like foil having flexibility during the rotational movement of the shaft.
- the shape of the coating cannot sufficiently follow the deformation of the foil, and the coating peels off from the foil and the wear resistance of the sliding surface is reduced. There is a risk of damage.
- an object of the present invention is to provide a foil bearing capable of preventing foil adhesion without impairing the wear resistance of the sliding surface of the foil due to peeling of the coating or the like.
- the present invention includes a foil having a film formed thereon and a foil holder that supports the foil, and the shaft is formed by a fluid film formed in a bearing gap between the film and the shaft.
- the coating film is formed on an uneven surface formed by a chemical conversion treatment.
- the adhesion between the uneven surface and the film can be improved by increasing the surface area of the contact surface with the film and the anchor effect. Therefore, peeling of the coating can be suppressed, and the effect of improving the wear resistance can be stably brought about on the sliding surface of the foil.
- the uneven surface by chemical conversion treatment, it is possible to form finer and more complicated unevenness, and to further improve the adhesion of the protective film.
- a film containing at least one of PTFE, MoS 2 and a carbon-based material can be formed.
- the film having such a structure is particularly likely to be peeled off from the foil, and it is important to improve the adhesion between the foil and the film by forming an uneven surface.
- the present invention provides a foil bearing that includes a foil that forms a bearing surface, and a foil holder that supports the foil, and that supports the shaft with a fluid film formed in a bearing gap between the bearing surface and the shaft.
- An uneven surface formed by chemical conversion treatment is provided on the bearing surface, and a concave portion of the uneven surface is filled with a filler.
- the wear resistance of the bearing surface can be improved without providing a wear-resistant film by filling the concave portion of the uneven surface formed in the foil with a filler.
- a solid lubricant can be used as a filler.
- an uneven surface can be formed on the foil.
- the uneven surface can be formed on a chemical conversion film obtained by chemical conversion treatment.
- the adhesion of the film to the foil can be improved by providing the film on the uneven surface formed by the chemical conversion treatment. Therefore, the wear resistance is not deteriorated due to peeling of the coating, and the effect of improving the wear resistance stably for a long time can be provided on the sliding surface of the foil.
- the foil bearing 10 includes a foil holder 11 having a cylindrical inner peripheral surface 11a, and three foils 12 attached to the inner peripheral surface 11a.
- the foil bearing 10 is a so-called multi-arc type foil bearing in which three foils 12 are arranged in the circumferential direction on the inner peripheral surface 11a.
- a shaft 13 is inserted into the foil bearing 10 inside the foil 12 on the inner peripheral surface 11a side.
- the foil bearing 10 and the shaft 13 constitute a foil bearing device 14.
- the foil bearing 10 supports the shaft 13 in a relatively rotatable manner with a fluid film formed between a bearing surface X (described later) of the foil 12 and the shaft 13.
- the foil holder 11 is formed of a metal (for example, a steel material) such as a sintered metal or a melted material.
- a metal for example, a steel material
- axial grooves 11b serving as holding portions are formed at a plurality of locations (three locations in the illustrated example) separated in the circumferential direction.
- the foil 12 is formed of a strip-like foil having a thickness of about 20 ⁇ m to 200 ⁇ m made of a metal having high spring properties and good workability, such as a steel material or a copper alloy.
- a metal having high spring properties and good workability such as a steel material or a copper alloy.
- steel materials and copper alloys include carbon steel and brass, but general carbon steel is susceptible to corrosion due to rust, and brass may cause cracks due to processing strain (in brass) This tendency increases as the Zn content increases.) Therefore, it is preferable to use a stainless steel or bronze foil as the belt-like foil.
- the foil 12 has a first region 12a and a second region 12b that are arranged side by side in the circumferential direction of the foil holder 11.
- the first region 12a has a top foil portion 12a1 having a bearing surface, and an insertion portion 12a2 protruding at one end side in the circumferential direction at the upper end, the center, and the lower end in the axial direction.
- a minute circumferential notch 12a3 is provided at a position close to the insertion portion 12a2.
- the second region 12b is provided with a protruding portion 12b1 as an under-foil portion, which is three protruding portions whose axial width is gradually narrowed toward the other end in the circumferential direction.
- the protrusions 12b1 are provided at the upper end, the center, and the lower end in the axial direction, respectively, and a notch 12b2 formed in a substantially arc shape is provided between the protrusions 12b1.
- the cutout portion 12b2 may have a substantially V shape in which a straight line is bent at the center of each protruding portion 12b1.
- the top foil portion 12a1 is disposed on the shaft 13 side, and the inner peripheral surface thereof forms a bearing surface X.
- underfoil part 12b1 is arranged at the foil holder 11 side, and gives elasticity to top foil part 12a1 by overlapping with top foil part 12a1 of other foil 12 adjacent.
- the insertion ports 12 c 1, 12 c 2, and 12 c 1 into which the insertion portions 12 a 2 of the adjacent foil 12 are inserted are respectively the upper end, the center, Provided at the lower end.
- the insertion port 12c1 is a rectangular cutout portion and is provided to reach the axial end of the foil 12.
- the insertion port 12c2 has a rectangular cutout portion provided at the same position in the circumferential direction as the insertion port 12c1, and a rectangular cutout portion that protrudes toward the other end in the circumferential direction and has a circular arc at the tip. It consists of a notch part whose width is narrower than that.
- the connection part 12c3 which connects both is formed in the boundary of the 1st area
- the two foils 12 can be connected by inserting the insertion portions 12a2, 12a2, 12a2 of one foil 12 into the insertion ports 12c1, 12c2, 12c1 of the adjacent foils 12. it can.
- the foil 12 constitutes a foil overlap portion C that overlaps in the radial direction of the shaft 13 in a state where the foil 12 is assembled to a foil bearing 10 described later.
- the three foils 12 can be temporarily assembled by connecting the three foils 12 in a circumferential manner by the method.
- the foil bearing 10 is assembled by making this temporary assembly into a cylindrical shape and inserting it into the inner periphery of the foil holder 11 in the direction of arrow B2, as shown in FIG. Specifically, while inserting the temporary assembly of the three foils 12 into the inner periphery of the foil holder 11, the insertion portion 12 a 2 of each foil 12 is opened in the axial groove 11 b opened on one end surface of the foil holder 11. Insert from one end in the axial direction. Thus, the three foils 12 are attached to the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11 in a state of being arranged in the circumferential direction.
- the insertion portion 12 a 2 which is one end in the circumferential direction of each foil 12 is held in contact with the foil holder 11.
- the insertion part 12a2 of each foil 12 is distribute
- the insertion portion 12a2 provided at one end in the circumferential direction of each foil 12 has an axial groove on the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11 via the insertion port 12c1 (12c2) of the adjacent foil 12. 11b.
- each foil 12 is disposed between the top foil portion 12a1 of the adjacent foil 12 and the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11, and the top of the adjacent foil 12 is disposed.
- the foil part 12a1 is supported from behind, and the underfoil part 12b1 is configured.
- the adjacent foils 12 are engaged with each other in the circumferential direction so as to stick to each other.
- the top foil part 12a1 of each foil 12 protrudes to the outer diameter side, and is curved into a shape along the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11.
- a step along the notch portion 12b2 is formed in the top foil portion 12a1 riding on this.
- the fluid flowing along the top foil portion 12a1 flows along the above steps and is collected on the center side in the axial direction, so that the pressure improvement effect is enhanced (see the arrow in FIG. 3).
- the rigidity of this portion is lowered.
- the top foil part 12a1 can be easily deformed along the notch part 12b2 of the second region 12b arranged behind the top foil part 12a1.
- the rotation of the shaft 13 is slowed down and the fluid pressure between the foil bearing 10 and the shaft 13 is lowered, so that the shaft 13 is lowered by gravity, and the shaft 13 13 and the top foil part 12a1 contact (so-called touchdown) occurs.
- the shaft 13 and the top foil portion 12a1 are repeatedly contacted and slid, adhesion occurs on the sliding surface, which may increase frictional torque and eventually cause seizure and damage to the bearing surface. Therefore, the top foil portion 12a1 that slides with the shaft 13 (sliding surface of the foil 12 with the shaft 13) is required to have high wear resistance.
- a wear-resistant protective coating coating
- protective coatings provided on the surface of the top foil portion 12a1 include hard coatings using chromium plating, nickel plating, DLC, carbon-based materials such as graphite, molybdenum disulfide (MoS 2 ), tungsten disulfide ( A coating using a solid lubricant having excellent friction characteristics such as WS 2) and PTFE can be employed.
- the wear resistance of the top foil portion 12a1 can be improved and adhesion between the sliding surface and the shaft 13 can be prevented.
- the adhesion of the coating to the top foil portion 12a1 becomes a problem. That is, as described above, the flexible thin plate-like foil 12 is elastically deformed by the pressure of the fluid film generated in the bearing gap, and the foil bearing 10 allows the shaft 13 to be deformed by allowing the bearing surface to bend. Non-contact support. Therefore, when the adhesive force of the protective film to the top foil portion 12a1 is small during elastic deformation of the foil 12, the shape of the protective film cannot sufficiently follow the foil 12, and the protective film peels off from the foil 12. End up.
- a film using DLC or PTFE has a problem in adhesion to the foil, and such a peeling is likely to occur. Therefore, countermeasures are important.
- a chemical reaction is caused by reacting a treatment agent on the surface (sliding surface) on the side where the bearing surface is formed among the surfaces of the top foil portion 12a1.
- the chemical conversion film 15 provided with the uneven surface 15a is formed on the surface of the top foil part 12a1.
- the above-described wear-resistant protective film (film) 16 is provided on the uneven surface 15a.
- the uneven surface 15a formed by the chemical conversion treatment has a shape in which fine unevenness is provided in a complicated manner on the surface. Then, the protective coating 16 is formed on the uneven surface 15a, so that the protective coating 16 enters the fine unevenness. Thereby, the adhesion degree with respect to the chemical conversion film 15 (top foil part 12a1) of the protective film 16 can be improved according to the increase in the area which the protective film 16 adheres, and an anchor effect.
- the protective coating 16 can be made difficult to peel from the top foil portion 12a1. Further, even if a part of the protective coating 16 is peeled off or worn due to repeated use of the foil bearing, the portion of the protective coating 16 that has entered the concave and convex surface 15a remains, and a certain wear resistance effect is obtained. Can be imparted to the sliding surface. Therefore, adhesion of the top foil part 12a1 and the shaft 13 can be prevented over a long period of time.
- an intermediate layer (chemical conversion film 15) is provided between the top foil portion 12a1 and the protective film 16, and the protective film 16 is in close contact with the intermediate layer.
- This is effective when DLC or PTFE having poor adhesion to the top foil portion 12a1 is used. Further, when DLC is used for the protective coating 16, peeling of the coating is difficult to propagate, and when the protective coating 16 is peeled off, a part of the protective coating 16 can easily remain.
- the chemical conversion film 15 can be formed by allowing phosphate or oxalate such as iron phosphate, zinc phosphate, or manganese phosphate to act on the surface of the foil 12. Further, a chromate treatment in which chromate is applied to the surface of the foil 12 to form the chemical conversion film 15 or a black dyeing treatment in which a high temperature and high concentration alkaline solution is applied to the surface of the foil 12 to form the chemical conversion film 15 is used. You can also These methods can be selected as appropriate according to the material used for the foil 12, the roughness of the target uneven surface, and the like.
- a chemical conversion film 15 having a maximum height roughness (Rz) of an uneven surface of 0.5 to 4.0 ⁇ m is formed on the surface of the top foil portion 12a1 by chemical conversion using zinc phosphate as a processing agent. Can do.
- the maximum height roughness of the uneven surface here is the maximum height roughness defined by JIS B0601-2001.
- the treatment can be performed at a low temperature.
- the deformation of the foil 12 due to heating can be suppressed.
- no external force is applied to the foil 12, so that deformation and distortion of the foil 12 do not occur.
- the uneven surface 15a having a uniform roughness can be formed without causing unevenness of the height of the uneven surface 15a.
- a method of removing the chemical conversion film after forming the surface on the bearing surface side of the top foil portion 12a1 into an uneven surface by chemical conversion treatment can be employed. Specifically, first, as shown in FIG. 8a, a chemical conversion treatment is performed on the surface of the top foil portion 12a1. By this chemical conversion treatment, as shown in FIG. 8 b, a chemical conversion coating 15 is formed on the surface of the top foil portion 12 a 1, and unevenness is formed at the interface between the chemical conversion coating 15 and the foil 12 by the action of the treatment agent. Thereafter, as shown in FIG.
- the chemical conversion film 15 is chemically removed from the top foil portion 12a1, thereby forming a top foil portion 12a1 having an uneven surface 12d on the surface thereof. Then, as shown in FIG. 8d, a protective coating 16 is applied to the uneven surface 12d of the top foil portion 12a1.
- the protective coating 16 can be formed so as to enter the uneven surface 12d of the top foil portion 12a1, and the adhesion of the protective coating 16 to the top foil portion 12a1 can be improved.
- This embodiment can be employed particularly when a material having good adhesion to the top foil portion 12a1 is used for the protective coating 16, and as in the above-described embodiment, an intermediate for bringing the protective coating 16 into close contact.
- the foil 12 having the protective coating 16 on the sliding surface can be formed without providing a layer (chemical conversion coating). Therefore, the thickness change of the foil 12 can be reduced as compared with the above-described configuration, and the influence on the flexibility due to the thickness change can be minimized. Note that even when the top foil portion 12a1 shown in FIG. 8c is formed with a concavo-convex surface, the concavo-convex surface can provide a certain effect of preventing adhesion to the shaft and prevent the top foil portion 12a1 from being seized. can do.
- the foil does not deform due to heating or external force in the course of processing, and an uneven surface can be formed with uniform roughness.
- Chemiblast registered trademark
- Nippon Parkerizing Co., Ltd. can be used as an example of the method for removing the chemical conversion film.
- chemiblast treatment an uneven surface is formed on the surface of the foil by the etching action of the treating agent, and then the chemical conversion film formed on the surface of the foil is removed.
- the surface roughness of the foil can be given a roughness having a maximum height roughness (Rz) of 0.2 to 5.0 ⁇ m as an example.
- FIG. 9 shows an enlarged view of the uneven surface of the foil 12 formed by the above-described chemiblasting process.
- a finer and sharper uneven surface can be formed, and the surface area can be increased. Accordingly, the adhesion of the protective coating 16 to the top foil portion 12a1 can be further increased.
- the present invention is not limited to the configuration in which the protective coating 16 is provided, and a configuration in which the uneven surface is filled with a lubricant (filler) can also be employed.
- a heat-resistant solid powder lubricant 17 is filled in the uneven surface 12d of the top foil portion 12a1 formed by the chemical conversion treatment described above.
- Examples of the heat-resistant solid lubricant 17 include molybdenum compounds (MoS 2 , MoO 3 , molybdate, etc.), tungsten disulfide (WS 2 ), graphite, boron nitride (BN), metals (Cu, Ag, etc.) Metal oxides (Fe 2 O 3 , SnO, ZnO, etc.) can be used.
- MoS 2 , MoO 3 , molybdate, etc. tungsten disulfide
- BN boron nitride
- metals Cu, Ag, etc.
- Metal oxides Fe 2 O 3 , SnO, ZnO, etc.
- the lubricant 17 By filling the uneven surface 12d with the lubricant 17 described above, it is possible to improve the wear resistance of the sliding surface of the top foil portion 12a1 without providing the protective coating 16, and to prevent adhesion between the foil and the shaft. it can. Further, since the lubricant 17 has heat resistance, excellent lubricity can be imparted to the sliding surface even under a high temperature atmosphere. In order to fill the lubricant 17 in the gaps between the uneven surfaces 12d, the particle size of the lubricant 17 needs to be smaller than the unevenness of the uneven surface 12d. Further, the particle size of the lubricant shown in FIG. 10 is an example, and by selecting the type of lubricant to be used, the method for forming the uneven surface, the method of surface treatment, and the like, the particle size of the lubricant, and The size of the uneven surface can be adjusted.
- the lubricant 17 is embedded in the uneven surface 12d of the top foil portion 12a1 as an example, but the uneven surface 15d of the chemical conversion film 15 as in the embodiment shown in FIG. Alternatively, the lubricant 17 may be embedded.
- the present invention is not limited thereto, and one end in the circumferential direction of each foil is attached to the inner peripheral surface 11a of the foil holder 11, and A so-called leaf-type radial bearing foil with the other end in the circumferential direction as a free end, or a so-called bump foil-type radial bearing foil with a corrugated back foil arranged on the outer diameter of a cylindrical top foil can be used. Good.
- the present invention can be applied to a thrust foil bearing.
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Abstract
保護被膜(16)が形成されたフォイル(12)と、フォイル(12)を支持するフォイルホルダ(11)とを備え、保護被膜(16)と軸(13)との間の軸受隙間に形成された流体膜で軸(13)を支持するフォイル軸受(10)において、フォイル(12)の摺動面側に、化成処理によって形成された凹凸面(15a)を有する化成被膜(15)と、凹凸面(15a)上に設けられた保護被膜(16)とを有するフォイル軸受(10)である。
Description
本発明は、フォイル軸受に関する。
ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械の軸を支持する軸受として、フォイル軸受が着目されている。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(フォイル)で軸受面を構成し、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る。軸の回転時には、軸の外周面とフォイルの軸受面との間に流体膜(例えば空気膜)が形成され、軸が非接触支持される。この場合、フォイルの可撓性により軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じた適切な軸受隙間が自動的に形成されるため、安定性に優れ、一般的な空気動圧軸受と比べて高速での使用が可能となる。
上記のフォイル軸受としては、バックフォイルに設けた切り起こしでトップフォイルを弾性的に支持するもの(特許文献1)、素線を網状に編成した弾性体で軸受フォイルを弾性的に支持するもの(特許文献2)、および、バックフォイルに、外輪内面に接触し周方向に移動しない支持部とトップフォイルからの面圧により弾性的に撓む弾性部とを設けたもの(特許文献3)等が公知である。また、特許文献4及び5には、複数のフォイルを周方向に並べて配置し、各フォイルの周方向両端を外方部材に取り付けた、いわゆる多円弧型のフォイル軸受が示されている。
このようなフォイル軸受においては、例えば軸の起動停止時等に、軸とトップフォイルとが接触および摺動する。そして、トップフォイルと軸との接触や摺動を繰り返すことにより、摺動面に凝着が生じ、摩擦トルクの増大、ひいては軸受面の焼付き、破損に至ることがある。
上記の摺動面の凝着を防止するために、トップフォイルの軸との摺動面に耐摩耗性の被膜を設けることが一般的になされている。例えば、特許文献6では、トップフォイルの表面に、フッ素樹脂焼成膜や、黒鉛、二硫化モリブデンからなる膜等を形成し、トップフォイルの耐摩耗性を向上させている。
前述のように、フォイル軸受は、軸の回転運動時に可撓性を有する薄板状のフォイルが弾性変形することで、軸との間に適当な軸受隙間を形成することができる。この際、特許文献6のような構成のフォイル軸受では、フォイルの変形に対して、被膜の形状が十分に追従することができず、被膜がフォイルから剥離して摺動面の耐摩耗性が損なわれてしまう虞がある。
このような事情から、本発明では、被膜の剥離等によりフォイルの摺動面の耐摩耗性を損なうことなく、フォイルの凝着を防止できるフォイル軸受を提供することを目的としている。
上記の課題を解決するため、本発明は、被膜が形成されたフォイルと、フォイルを支持するフォイルホルダとを備え、前記被膜と軸との間の軸受隙間に形成された流体膜で前記軸を支持するフォイル軸受において、前記被膜が、化成処理で形成された凹凸面上に形成されていることを特徴とする。
本発明のフォイル軸受では、フォイルに形成した凹凸面に被膜を設けることで、被膜との接触面の表面積の増加、および、アンカー効果により、凹凸面と被膜の密着力を向上させることができる。従って、被膜の剥離を抑制することができ、フォイルの摺動面に、安定して耐摩耗性の向上効果をもたらすことができる。
また、仮に被膜が摩耗した場合や、フォイルから剥離した場合であっても、凹凸面の間に残存した被膜成分が、摺動面に一定の耐摩耗性効果をもたらすため、長期に渡って、フォイルの凝着やフォイル自身の摩耗を防止することができる。
さらに、化成処理により凹凸面を形成することで、より微細で入り組んだ形状の凹凸を形成することができ、保護被膜の密着力をより向上させることができる。また、ショットブラストやエメリー紙を用いた研磨等のように、物理的に凹凸面を形成する場合と比較して、より均一な大きさの凹凸面を形成することができるだけでなく、加工時にフォイルに外力を加える必要がなく、外力によってフォイルの変形を生じることもない。
上記のフォイル軸受として、PTFE,MoS2、炭素系材料の少なくともいずれか一つを含む被膜を形成することができる。このような構成の被膜は、特にフォイルからの剥離を生じやすく、凹凸面の形成によるフォイルと被膜の密着力の向上が重要になる。
また、本発明は、軸受面を形成するフォイルと、フォイルを支持するフォイルホルダとを備え、軸受面と軸との間の軸受隙間に形成された流体膜で前記軸を支持するフォイル軸受において、前記軸受面に、化成処理によって形成された凹凸面を設け、前記凹凸面の凹部に充填剤が充填されていることを特徴とする。
本発明のフォイル軸受では、フォイルに形成した凹凸面の凹部に充填剤を充填することで、耐摩耗性の被膜を設けることなく、軸受面の耐摩耗性を向上させることができる。
上記のフォイル軸受として、充填剤に固体潤滑剤を用いることができる。
上記のフォイル軸受として、凹凸面をフォイルに形成することができる。
上記のフォイル軸受として、凹凸面を化成処理で得られた化成被膜に形成することができる。
以上のように、本発明では、化成処理によって形成した凹凸面に被膜を設けることで被膜のフォイルに対する密着力を向上させることができる。従って、被膜の剥離等による耐摩耗性の低下を生じることがなく、フォイルの摺動面に、長期に渡って安定した耐摩耗性の向上効果をもたらすことができる。
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
図1に示す様に、フォイル軸受10は、円筒面状の内周面11aを有するフォイルホルダ11と、内周面11aに取り付けられた3枚のフォイル12とを有する。フォイル軸受10は、内周面11aに3枚のフォイル12が周方向に並べて配置された、いわゆる多円弧型のフォイル軸受である。フォイル軸受10には、その内周面11a側でフォイル12の内側に、軸13が挿入される。フォイル軸受10と軸13とでフォイル軸受装置14が構成される。フォイル軸受10は、フォイル12の後述する軸受面Xと軸13の間に形成した流体膜で軸13を相対回転自在に支持する。
フォイルホルダ11は、例えば焼結金属や溶製材等の金属(例えば鋼材)で形成される。内周面11aのうち、周方向に離隔した複数箇所(図示例では3箇所)には、保持部としての軸方向溝11bが形成される。
フォイル12は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金からなる厚さ20μm~200μm程度の帯状フォイルで形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。鋼材料や銅合金の代表例として、炭素鋼や黄銅を挙げることができるが、一般的な炭素鋼では錆による腐食が発生し易く、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある(黄銅中のZnの含有量が多いほどこの傾向が強まる)。そのため、帯状フォイルとしては、ステンレス鋼もしくは青銅製のものを使用するのが好ましい。
図2に示す様に、フォイル12は、フォイルホルダ11の周方向に並べて配置される第一領域12aと、第二領域12bを有する。
第一領域12aは、軸受面を有するトップフォイル部12a1と、軸方向の上端、中央、下端に、それぞれ周方向一端側に突出した差込部12a2とを有する。差込部12a2に近接した位置には、周方向の微小な切り込み12a3が設けられる。
第二領域12bには、周方向他端側に向けて軸方向幅を徐々に狭めた三つの突出部分である、アンダ-フォイル部としての突出部12b1が設けられる。突出部12b1は、軸方向の上端、中央、下端にそれぞれ設けられ、それぞれの突出部12b1の間には、略円弧状に形成される切り欠き部12b2が設けられる。このほか、切り欠き部12b2を、直線をそれぞれの突出部12b1の中央で折り曲げた略V字形状としてもよい。
図1に示すように、フォイル軸受10において、トップフォイル部12a1は軸13の側に配置され、その内周面は軸受面Xを形成する。そして、アンダーフォイル部12b1は、フォイルホルダ11の側に配置され、隣接する他のフォイル12のトップフォイル部12a1と重なることで、トップフォイル部12a1に弾性を与える。
図2に示すように、第一領域12aと第二領域12bの境界には、隣接するフォイル12の差込部12a2が差し込まれる差込口12c1、12c2、12c1がそれぞれ軸方向の上端、中央、下端に設けられる。差込口12c1は、長方形状の切り欠き部分で、フォイル12の軸方向端部にまで亘って設けられる。差込口12c2は、差込口12c1と周方向の同一位置に設けられた長方形状の切り欠き部分と、周方向他端側へ突出した、その先端が円弧状で、長方形状の切り欠き部分よりもその幅が狭い切り欠き部分からなる。また、第一領域12aと第二領域12bの境界には、両者を連結する連結部12c3が形成される。
図3に示す様に、一方のフォイル12の差込部12a2、12a2、12a2を、隣接するフォイル12の差込口12c1、12c2、12c1に差し込むことにより、2枚のフォイル12を連結する事ができる。フォイル12は、後述するフォイル軸受10に組み付けされた状態で、軸13の半径方向に重複するフォイル重複部Cを構成する。
そして、図4に示す様に、3枚のフォイル12を当該方法により周状に連結する事で、3枚のフォイル12を仮組みする事ができる。この仮組体を、図5に示す様に、筒状にしてフォイルホルダ11の内周に矢印B2の方向へ挿入する事で、フォイル軸受10が組み立てられる。具体的には、3枚のフォイル12の仮組体をフォイルホルダ11の内周に挿入しながら、各フォイル12の差込部12a2を、フォイルホルダ11の一方の端面に開口した軸方向溝11bに軸方向一端側から差し込む。以上により、3枚のフォイル12が、フォイルホルダ11の内周面11aに周方向に並べた状態で取り付けられる。
図6に示す様に、3枚のフォイル12をフォイルホルダ11に組み付けた状態で、各フォイル12の周方向一端である差込部12a2は、フォイルホルダ11に接触した状態で保持される。図示例では、各フォイル12の差込部12a2が、それぞれ隣接するフォイル12の背後(外径側)に配されている。具体的には、各フォイル12の周方向一端に設けられた差込部12a2は、隣接するフォイル12の差込口12c1(12c2)を介して、フォイルホルダ11の内周面11aの軸方向溝11bに差し込まれる。一方、各フォイル12の周方向他端に設けられた突出部12b1は、隣接するフォイル12のトップフォイル部12a1とフォイルホルダ11の内周面11aとの間に配され、隣接するフォイル12のトップフォイル部12a1を背後から支持し、アンダーフォイル部12b1を構成する。尚、隣接するフォイル12同士は、周方向で係合して互いに突っ張り合っている。これにより、各フォイル12のトップフォイル部12a1が外径側に張り出し、フォイルホルダ11の内周面11aに沿った形状に湾曲する。
また、本実施形態では、図3に示すように、突出部12b1に切り欠き部12b2を設けることで、これに乗り上げるトップフォイル部12a1に、切り欠き部12b2に沿った段差が形成される。これにより、トップフォイル部12a1に沿って流れる流体が、上記の段差に沿って流れて軸方向中央側に集められるため、圧力向上効果が高められる(図3の矢印参照)。
このとき、トップフォイル部12a1の周方向一端部のうち、差込部12a2の近傍に、微小な切り込み12a3を設けることで、この部分の剛性が低下する。これにより、トップフォイル部12a1を、その背後に配された第二領域12bの切り欠き部12b2に沿って変形させやすくなる。
軸13が図1の矢印B1の方向に回転すると、フォイル軸受10の各フォイル12のトップフォイル部12a1の内径面(軸受面)と軸13の外周面との間のラジアル軸受隙間の流体膜の圧力が高められる。トップフォイル部12a1の周方向一端(回転方向先行側の端部)を含む領域は、隣接するフォイル12の突出部12b1に乗り上げているため、軸受面が、回転方向先行側へ向けて軸13の外周面に徐々に接近する。これにより、各フォイル12の軸受面と軸13の外周面との間に、回転方向先行側へ向けて徐々に狭くなったラジアル軸受隙間が形成され、ラジアル軸受隙間の幅狭側に流体が押し込まれる。これにより、ラジアル軸受隙間の流体膜の圧力が高められ、この圧力により軸13がラジアル方向に非接触支持される。
ところで、軸13の起動時や停止時等には、軸13の回転が低速になってフォイル軸受10と軸13との間の流体圧が低くなることで、軸13が重力により降下し、軸13とトップフォイル部12a1との接触(いわゆるタッチダウン)が生じる。そして、軸13とトップフォイル部12a1が接触および摺動を繰り返すと、その摺動面に凝着が生じ、摩擦トルクの増大、ひいては軸受面の焼付き、破損に至ることがある。このため、軸13と摺動するトップフォイル部12a1(フォイル12の軸13との摺動面)には、高い耐摩耗性が要求される。
そこで、トップフォイル部12a1の表面に、耐摩耗性の保護被膜(被膜)を設けることにより、上記の凝着を防止することができる。トップフォイル部12a1の表面に設ける保護被膜の例として、クロムメッキやニッケルメッキ、DLC等を用いた硬質性の被膜や、グラファイト等の炭素系材料、二硫化モリブデン(MoS2)、二硫化タングステン(WS2)、PTFE等の摩擦特性に優れる固体潤滑剤を使用した被膜を採用することができる。
上記の保護被膜を設けることにより、トップフォイル部12a1の耐摩耗性を向上させ、軸13との間で、摺動面における凝着を防止できる。しかし一方で、このような保護被膜を設ける構成の場合、トップフォイル部12a1に対する被膜の密着力が問題となる。つまり、前述のように、可撓性を有する薄板状のフォイル12は、軸受隙間に生じる流体膜の圧力によって弾性変形し、その軸受面のたわみを許容することで、フォイル軸受10が軸13を非接触支持している。従って、フォイル12の弾性変形時に、保護被膜のトップフォイル部12a1に対する密着力が小さいと、フォイル12に対して保護被膜の形状が十分に追従することができず、保護被膜がフォイル12から剥離してしまう。特に、前述した保護被膜のうち、DLCやPTFEを用いた被膜は、フォイルに対する密着性に課題があり、このような剥離が生じやすいため、その対策が重要となる。
以上のことから、本実施形態では、保護被膜のトップフォイル部12a1に対する密着性を向上させるために、化成処理によって凹凸面を形成し、この凹凸面に保護被膜を密着させて設けている。
具体的には、図7aに示すように、トップフォイル部12a1の表面のうち、軸受面を形成する側の表面(摺動面)に、処理剤を反応させて化学反応を起こさせる。これにより、図7bに示すように、トップフォイル部12a1の表面に、凹凸面15aを備えた化成被膜15を形成する。そして、図7cに示すように、凹凸面15aに前述した耐摩耗性の保護被膜(被膜)16を設ける。
このように、化成処理によって形成した凹凸面15aは、その表面に微細な凹凸が複雑に設けられた形状をしている。そして、この凹凸面15aに保護被膜16を成膜することで、保護被膜16が微細な凹凸に入り込むようにして形成される。これにより、保護被膜16が密着する面積の増加、および、アンカー効果により、保護被膜16の化成被膜15(トップフォイル部12a1)に対する密着度を向上させることができる。
以上のようにして、保護被膜16をトップフォイル部12a1から剥離しにくくすることができる。また仮に、フォイル軸受の繰り返しの使用によって保護被膜16の一部が剥離した場合や摩耗した場合であっても、保護被膜16の凹凸面15aに入り込んだ部分が残存し、一定の耐摩耗性効果を摺動面に付与することができる。従って、長期に渡って、トップフォイル部12a1と軸13の凝着を防止することができる。
本実施形態のように、トップフォイル部12a1と保護被膜16の間に中間層(化成被膜15)を設け、この中間層に保護被膜16を密着させる構成は、特に、前述した保護被膜16として、トップフォイル部12a1に対する密着性が良好でないDLCやPTFEを使用する場合に有効である。また、保護被膜16にDLCを使用する場合、被膜の剥離が伝播しにくく、保護被膜16が剥離した際に、その一部を残存させやすい構成とすることができる。
本実施形態では、リン酸鉄、リン酸亜鉛、リン酸マンガンなどのリン酸塩やしゅう酸塩をフォイル12の表面に作用させて化成被膜15を形成することができる。また、クロム酸塩をフォイル12の表面に作用させて化成被膜15を形成するクロメート処理や、高温高濃度のアルカリ溶液をフォイル12の表面に作用させて化成被膜15を形成する黒染め処理を使用することもできる。これらの方法は、フォイル12に用いられる材質や目的とする凹凸面の粗さ等に応じて、適宜、最適な方法を選択することができる。一例として、リン酸亜鉛を処理剤として用いた化成処理により、凹凸面の最大高さ粗さ(Rz)が0.5~4.0μmの化成被膜15をトップフォイル部12a1の表面に形成することができる。なお、ここでいう凹凸面の最大高さ粗さは、JIS B0601-2001で定義される最大高さ粗さである。
フォイル12の表面に凹凸面を形成する方法として、上記のように、化成処理によってフォイル12の表面に化成被膜を形成する方法を採用することで、低温で処理を施すことができ、処理時の加熱によるフォイル12の変形を抑制することができる。また、物理的にフォイル12の表面に凹凸面を形成する場合のように、フォイル12に外力を加えることもないので、これによるフォイル12の変形や歪みも生じない。また、物理的な加工方法と比較して、凹凸面15aの高さのバラつきを生じることなく、均等な粗さの凹凸面15aを形成することができる。
さらに、上記の実施形態と異なる方法として、化成処理によりトップフォイル部12a1の軸受面側の表面を凹凸面に形成した後、化成被膜を取り除く方法を採用することができる。具体的には、まず、図8aに示すように、トップフォイル部12a1の表面に化成処理を施す。この化成処理により、図8bに示すように、トップフォイル部12a1の表面に化成被膜15が形成され、処理剤の作用によって、化成被膜15とフォイル12の間の界面に凹凸が形成される。その後、図8cに示すように、化学的に化成被膜15をトップフォイル部12a1から除去することで、その表面に凹凸面12dを有するトップフォイル部12a1を形成する。そして、図8dに示すように、トップフォイル部12a1の凹凸面12dに保護被膜16を被膜させる。
本実施形態では、トップフォイル部12a1の凹凸面12dに入り込むようにして、保護被膜16を形成することができ、保護被膜16のトップフォイル部12a1に対する密着性を向上させることができる。本実施形態は、特に、トップフォイル部12a1に対する密着性の良好な材料を保護被膜16に使用する場合に採用することができ、前述した実施形態のように、保護被膜16を密着させるための中間層(化成被膜)を設けることなく、保護被膜16を摺動面に設けたフォイル12を形成することができる。従って、前述した構成と比較して、フォイル12の厚みの変化を小さくすることができ、厚みの変化によって可撓性に与える影響を最小限に留めることができる。なお、図8cで示すトップフォイル部12a1に凹凸面を形成しただけの状態でも、その凹凸面により軸との凝着を防止する一定の効果を得ることができ、トップフォイル部12a1の焼き付きを防止することができる。
また、前述した実施形態と同様、処理の過程でフォイルが加熱や外力による変形を生じることもなく、また、均一な粗さで凹凸面を形成することができる。
上記の化成被膜の除去方法の一例として、日本パーカライジング社のケミブラスト(登録商標)処理を用いることができる。ケミブラスト処理では、処理剤によるエッチング作用でフォイルの表面に凹凸面を形成した後、フォイル表面に形成された化成被膜を脱膜する。この方法により、フォイルの表面粗さは、一例として最大高さ粗さ(Rz)が0.2~5.0μmの粗さを付与することができる。
図9に、上記のケミブラスト処理により形成したフォイル12の凹凸面の拡大図を示す。本実施形態では、通常の化成処理と比較して、より微細で鋭い凹凸面を形成することができ、その表面積をより大きくすることができる。従って、保護被膜16のトップフォイル部12a1に対する密着性をより高めることができる。
また、本発明は、保護被膜16を設ける構成に限らず、凹凸面に潤滑剤(充填剤)を充填する構成を採用することもできる。具体的には、図10に示すように、前述した化成処理により形成されたトップフォイル部12a1の凹凸面12dに、耐熱性の固体粉末状の潤滑剤17を充填する。
耐熱性の固体潤滑剤17としては、例えば、モリブデン化合物(MoS2、MoO3、モリブデン酸塩等)、二硫化タングステン(WS2)、グラファイト、窒化ホウ素(BN)、金属(Cu,Ag等)、金属酸化物(Fe2O3、SnO、ZnO等)を使用することができる。
上記の潤滑剤17を凹凸面12dに充填することで、保護被膜16を設けることなく、トップフォイル部12a1の摺動面の耐摩耗性を向上させ、フォイルと軸の凝着を防止することができる。また、潤滑剤17が耐熱性を有することにより、高温雰囲気下でも、摺動面に優れた潤滑性を付与することができる。なお、潤滑剤17を凹凸面12dの隙間に充填するために、潤滑剤17の粒径は凹凸面12dの凹凸よりも小さく設ける必要がある。また、図10に示す潤滑剤の粒径は一例であり、用いる潤滑剤の種類や凹凸面の形成方法、および、表面処理の方法等を選択することで、適宜、潤滑剤の粒径、および、凹凸面の大きさを調整することができる。
また、以上の説明では、一例として、トップフォイル部12a1の凹凸面12dに潤滑剤17を埋め込む場合について説明したが、前述の図7で示した実施形態のように、化成被膜15の凹凸面15dに潤滑剤17を埋め込む構成であってもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
以上の実施形態では、ラジアルフォイル軸受10を多円弧軸受で構成した場合を示したが、これに限らず、各フォイルの周方向一端をフォイルホルダ11の内周面11aに取り付けると共に、各フォイルの周方向他端を自由端とした、いわゆるリーフ型のラジアル軸受フォイルや、円筒状のトップフォイルの外径に波型のバックフォイルを配した、いわゆるバンプフォイル型のラジアル軸受フォイルを使用してもよい。また、スラストフォイル軸受に本発明を適用できることはもちろんである。
また、以上の実施形態では、軸13を回転側部材とし、フォイルホルダ11を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸13を固定側部材とし、フォイルホルダ11を回転側部材とした場合にも図1の構成をそのまま適用することもできる。但し、この場合はフォイル12が回転側部材となるので、遠心力によるフォイル12全体の変形を考慮してフォイル12の設計を行う必要がある。
10 フォイル軸受
11 フォイルホルダ
11a 内周面
11b 軸方向溝(保持部)
12 フォイル
12a1 トップフォイル部
12a2 差込部
12b1 突出部(アンダーフォイル部)
12d 凹凸面
13 軸
15 化成被膜
15a 凹凸面
16 保護被膜(被膜)
17 潤滑剤
X 軸受面
11 フォイルホルダ
11a 内周面
11b 軸方向溝(保持部)
12 フォイル
12a1 トップフォイル部
12a2 差込部
12b1 突出部(アンダーフォイル部)
12d 凹凸面
13 軸
15 化成被膜
15a 凹凸面
16 保護被膜(被膜)
17 潤滑剤
X 軸受面
Claims (6)
- 被膜が形成されたフォイルと、フォイルを支持するフォイルホルダとを備え、
前記被膜と軸との間の軸受隙間に形成された流体膜で前記軸を支持するフォイル軸受において、
前記被膜が、化成処理で形成された凹凸面上に形成されていることを特徴とするフォイル軸受。 - 前記被膜が、PTFE,MoS2、炭素系材料の少なくともいずれか一つにより形成される請求項1記載のフォイル軸受。
- 軸受面を形成するフォイルと、フォイルを支持するフォイルホルダとを備え、
軸受面と軸との間の軸受隙間に形成された流体膜で前記軸を支持するフォイル軸受において、
前記軸受面に、化成処理によって形成された凹凸面を設け、前記凹凸面の凹部に充填剤が充填されていることを特徴とするフォイル軸受。 - 前記充填剤として固体潤滑剤を用いた請求項3記載のフォイル軸受。
- 前記凹凸面が、前記フォイルに形成されている請求項1から4いずれか1項に記載のフォイル軸受。
- 前記凹凸面が、前記化成処理で得られた化成被膜に形成されている請求項1から4いずれか1項に記載のフォイル軸受。
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