JPH0143848B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、軸受装置に関し、詳しくは表面にス
パイラル溝を施してなるセラミツクス製回転板を
用いてスラスト荷重を受ける軸受装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来のスラスト軸受例えば第６図に示すように
水車などに利用されているスラスト軸受は主軸１
の中間に固定されたスラストカラー２の下面に、
環状に複数個のスラストパツド３６を配列し、こ
のスラストパツド３６の下部の球面座３７から高
圧の水を供給するものであり、主軸１の回転に先
立ち、導管３８及び通路３９を介して給水装置
（図示せず）から高圧の水をスラストカラー２の
側面３とスラストパツド３６との間の摺動部に供
給して水膜を形成し、その後主軸１を回転するも
のであり、スラスト荷重の大きさにもよるが主軸
１が回転している間は高圧水の供給ラインを閉じ
て摺動部に発生する動圧が導管３８から逃げない
ようにするか若しくは、高圧水を摺動部に供給し
つづけるか、いづれかの手段によつて摺動部即ち
スラストカラー２の側面３とスラストパツド３６
との間に常時水膜を形成しつつ運転（回転）を行
うものであつて、スラストカラー２とスラストパ
ツド３６との間は水膜によつて固定接触が実質的
に遮断されているので、極めて小さな摺動抵抗で
大きなスラスト荷重を支えることができるもので
ある。

なお、スラストパツド３６の表面４０は僅かの
起伏が形成されたホワイトメタルで覆われてお
り、また、スラストパツド３６の断面形状は、バ
ネ作用を奏するようにその厚さが変化している。

そして、大きなスラスト荷重を支える場合には
水では困難であるので、高粘性の潤滑油が用いら
れている。一般に、スラストパツドによる最大許
容荷重はスラストカラー２との相対速度によつて
決り、低速度領域では動圧効果が減じるのでもつ
ばら静圧軸受が利用される。

またスパイラルグルーブ軸受（例えば米国特許
第3918773号明細書に開示さたスパイラルグルー
ブ軸受）では第７図に示すように軸１の端面４１
を平滑な平面に仕上げて、一方この端面４１と対
向する軸受面４２にスパイラル溝４３を形成し、
端面４１と軸受面４２との間には磁性流体を介在
させている。また、この従来技術においては、ス
ラスト荷重ばかりでなく、ラジアル荷重をも受け
るために、軸１の端部の外周に軸受部材４４が延
在して環状にとりまいてラジアル軸受４５を形成
している。そして、このラジアル軸受４５も永久
磁石によつて構成されているため磁性流体は円周
部における潤滑機能がある。さらに、軸受面４２
の下方には導体のコイル４６が埋設されており、
このコイル４６が通電すれば軸受面３上に磁界が
形成されて磁性流体が、この磁界に引き寄せられ
てスラスト軸受における潤滑機能も生じることと
なる。

この従来例においては、軸１を回転するに際し
て、コイル４６に通電し、磁性流体をコイルによ
つて形成された軸受面４２上の磁界によつて吸引
し、軸１の端面４１と軸受面４２との間の固定接
触を吸引された磁性流体によつて断ち、しかる後
に軸１を回転するものであつて、回転の起動時か
ら実質的に固体接触がないので起動トルクが小さ
いばかりでなく、スパイラル溝に大きな局部荷重
が付与されないのでその寿命が長くなる利点があ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第６図の従来のスラスト軸受では高速回転領域
において動圧軸受となり低速回転領域においては
静圧軸受となるので広範囲の領域において大きな
荷重を受けることができるが、テイルテイングパ
ツド式のスラスト軸受によつて大きな荷重を受け
るには摺動面に高粘性の潤滑油を介在させなけれ
ばならず、これがため摺動部における動力損失も
大きく、同時に発熱も大きいので、多量の潤滑油
を必要とし、さらに冷却装置も大きなものとなつ
ていた。

また第７図に示した従来のスパイラルグルーブ
スラスト軸受は、主軸１の回転速度が低下すると
軸受面４２における動圧が低下して軸受面４２と
主軸１の端面４１との間の流体膜が切れて、摺動
面は固体接触をすることとなり、スパイラル溝４
３を形成した軸受面４２が損傷を受ける。この従
来例においては、コイル４６によつてある程度の
荷重に対しては磁性流体の流体膜を強制的に形成
できるが、大きな荷重に対しては困難である。そ
れで多少の固体接触状態のすべりがあつてもスパ
イラル溝４３が形成された軸受面４２が致命的な
損傷を受けなくて済むように軸受面４２を構成す
る部材として弾性変形に富む材料を用いたり或い
は展性に富む材料が用いられていた。その結果ス
パイラル溝４３によつて発生する動圧が大きくな
れば、その圧力及び圧力勾配によつて、スパイラ
ル溝４３が変形してそれ以上の動圧の発生が望め
なくなり、許容負荷の小さなスラスト軸受となら
ざるを得なく問題であつた。

本発明はこれら従来の欠点を除去しようとする
もので簡便な機構によつて大きなスラスト荷重を
受けることができると共に、主軸の回転速度の大
小にかかわらず所望の大きさのスラスト荷重を極
めて少ない損失で受けることができ、さらには起
動及び停止の容易を寿命の長い軸受を提供するこ
とを目的としたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、回転可能に支持された主軸に備えら
れた円板状のスラストカラーの側面と固定側部材
との間にスラスト軸受を備えてなる軸受装置にお
いて、該スラスト軸受に前記スラストカラーの側
面と対向した面にスパイラル溝を形成してなるセ
ラミツクス製の回転板を前記主軸とは独立して回
転可能に配備し、該回転板とスラストカラーとの
対向面間に流体を介在せしめて摺動できるように
構成した軸受装置であり、好ましい実施態様とし
ては前記回転円板を具備したスラスト軸受が該主
軸を中心として同心円上に等間隔で複数個配列さ
れていること、及び前記回転円板を具備したスラ
スト軸受がスラストカラーの両側面にそれぞれ備
えられていることが特徴となつている。

〔実施例〕

本発明の実施例について第１〜３図に示した軸
受装置で説明すると、回転可能な主軸１はその中
間に両方の側面３，３が各々主軸１の軸芯と直角
な平面となつているスラストカラー２が固定され
ていてスクリユーやプロペラなどの機器（図示せ
ず）によつて軸方向の力がかかるようになつてい
る。他方、床６にはボルト９によつて支持脚７，
７が固定されており、さらに、支持脚７には油圧
シリンダ５が固定され、油圧装置（図示せず）に
よつてピストン１０が主軸１と平行に移動できる
ようになつていて、該ピストン１０の先端に設け
た回転軸受がスラストカラー２の側面３に対向し
て固定されている。この回転軸受４はその先端面
１２に第３図に示すようなスパイラル溝が形成さ
れた回転板として回転円板１１を電動機１４の主
軸の先端に備え、先端面１２がスラストカラー２
の側面３と平行となるように対向配備されている
ものであり、電動機１４は制御装置（図示せず）
からコード１３を介して給電を受けて前記主軸１
とは独立して駆動される。

この軸受装置においては１枚のスラストカラー
２に対して両側面から各々２ケづつ合計４ケの回
転軸受４が備えるのがよくスラストカラー２に対
してほぼ対称となるように回転軸受４が配備され
ているように考慮されている。

この実施例においてはスラストカラー２の外径
と回転円板１１の外径の比は約５：１となつてい
るが、回転円板１１の回転速度は約3600rpmで、
スラストカラー２の回転速度100〜150rpmよりも
はるかに大きな回転速度となつている。

前記回転軸受４として構成される電動機１４は
ケーシング２２内に固定子１５を固定し、回転子
１６は回転軸１７に固定されラジアル軸受２３，
２３によつて回転及び軸方向への移動が自在に支
持されており、該回転軸１７の両端には、回転円
板１１と軸端板１８とが固定されている。この回
転円板１１と軸端板１８とは第３図のようにそれ
ぞれ複数本のスパイラル溝２４が形成された平面
となつており、前者はスラストカラー２の側面に
対向し後者はケーシング２２に設けられた軸受板
１９に対向しているが、後者の中央には凹部が形
成され、且つこの軸端板１８の凹部と対向する位
置の軸受板１９の中央にも凹部２０が形成され、
この２つの凹部２０によつて形成される空間に双
方の凹部に亘るステンレス製の小球２１が収容さ
れている。また軸受板１９とケーシング２２との
接続部は球面座２０₁となつており、回転軸１７
が半径方向へ移動しても軸端板１８と軸受板１９
との平行が維持されている。

そして前記回転円板１１の先端面１２は第３図
のように平滑な平面に複数本のスパイラル溝２４
を加工したものであり、やはりスパイラル状のラ
ンド２５はスパイラル溝２４を加工した際に平滑
な平面が残されたものであり、鏡面仕上げがなさ
れ、全面におけるうねりが1μｍ以下となつてい
る。また、スパイラル溝２４とそれに引き続く均
圧部２６もスパイラル溝２４と同じ溝深さに加工
されたものであつて、セラミツクス材の表面であ
る先端面１２を平滑な鏡面に仕上げた後にランド
２５の形状をした樹脂膜を添貼して、アルミナの
粒子を用いたシヨツトブラストによつてスパイラ
ル溝２４及び均圧部２６を一つの加工工程によつ
て同時に且つ、同様の深さに加工している。

なお、このスパイラル溝２４及び均圧部２６の
溝深さはランド２５の表面からおよそ３〜50μｍ
の範囲で均一な深さで梨地となつている。

なお前記軸受板１８の表面も第４図のように回
転円板１１の先端面１２と同じくセラミツクス材
でその平滑な平面に対して複数本のスパイラル溝
２４を形成したものであつて、スパイラル溝２４
の円周端は均圧部２６に連なり、またスパイラル
溝２４に隣設するランド２５もスパイラル状とな
つている。

ただ、軸端板１８においては、その回転中心に
相当する位置に半球状の凹部２７が形成されてお
り、この凹部２７はセラミツクスを焼成する前に
予め成形したものである。そして必要に応じ凹部
２７には小球（図示せず）が収容されて用いられ
るものである。

なお、第３図及び第４図に示したスパイラル面
は電動機１４によつてそれぞれ矢印の方向に回転
するので、各々対応する平面（スラストカラー２
の側面３と軸受板１９の表面）との間に介在する
流体の動圧が発生して、先端面１２と側面３及び
軸端板１８と軸受板１９とはそれぞれ実質的に互
いに接触することなく摺動する。そして、この摺
動面に発生する最大の許容動圧は、摺動面に介在
する流体の粘性、回転円板１１の回転速度、スパ
イラル溝１４が形成されている先端面１２及び軸
端板１８の外径スパイラル溝２４の周方向の長
さ、摺動面の平行度摺動面の材料等によつて決ま
るものであるが、前述のように本発明では摺動材
としてSiC、Si₃N₄、Al₂O₃等の硬質のセラミツク
スを用いているため大きな動圧が発生しても摺動
面の変形が極めて少なく、また動圧の発生に寄与
する回転円板の回転速度を独立して任意に設定で
きるので如何なる運転状況にも対応できる。

さらに、これらの実施例においては、主軸１の
軸芯を中心とする同心円上に、等間隔で回転円板
１１がスラストカラー２の側面３と対向配置され
ているので、スラスト荷重が各々のスラスト軸受
に均等に配分することが可能となる。

なお、前記油圧シリンダ５の油圧システムとし
ては第５図例のようにスラストカラー２の一方の
側に位置する２つのスラスト軸受である回転軸受
４，４を支持する油圧システムを用いる。即ちモ
ータ２９によつて駆動されるポンプ２８が油をタ
ンク３０から油圧ライン３１を介して油圧シリン
ダ５，５へ圧送できるようになつている。該油圧
ライン３１には逆止弁３２、アキユムレータ３
３、切換弁３５、減圧弁３４が接続されており、
運転の開始にあたつては、ソレノイド４７を作動
させ油圧シリンダ５，５を後退させて回転軸受４
の電動機１４を起動し、その後、その後ソレノイ
ド４８によつて油圧シリンダ５，５を前進させて
回転軸受４の先端面１２をスラストカラー２の側
面３に摺擦させる。このとき、両油圧シリンダ
５，５には等しい圧力の油が送られているのでピ
ストン１０の受圧面積が等しければ２つの回転軸
受４，４は等しい、大きさのスラスト荷重を受け
ることになる。いま主軸１が運転状態にあるとき
には、回転軸受４，４は回転しつつ切換弁３５は
遮断された状態となつており、左右の油圧ピスト
ンは連通されているので、左右のスラスト荷重は
バランスする。

また、この回転軸受４，４と反対側の回転軸受
４，４についても同様に作動させておけば主軸１
に対していづれの方向からスラスト荷重がかかつ
てもその荷重を受けることができる。

特にこの実施例のようにスラストカラー２の両
側面３，３の同じ位置においてスラスト荷重を受
けるように回転軸受４，４を配備していればスラ
ストカラー２の変形量は少なくなる。さらに本発
明においては、予備の回転軸受４からなるスラス
ト軸受をやはり主軸１の軸芯を中心とする同心円
上に配備し、後退した位置に待機させることも可
能であり、また、回転軸受４の重量が大きくなつ
た場合には必要に応じてその下方又は上方から、
支承してスラストカラー２の側面と回転円板１１
の先端面１２とが平行となるようにすることがで
きる。

なお、スラストカラー２の側面に対して簡単な
注水或いは注油装置によつて少量の水又は油を供
給すればその粘性に応じて大きなスラスト荷重を
受けることができ、単に空気だけあつても大きな
スラスト荷重を受けることができる。

しかして実施例の軸受装置においては、スラス
ト軸受が主軸或いはスラストカラーの回転運動と
は別に任意の回転速度で回転してスラストカラー
との間に所望の動圧を発生することができるの
で、主軸の回転速度の如何にかかわらず所望のス
ラスト荷重を受けることができる。また、本発明
の軸受装置では、回転するスラスト軸受のスラス
トカラーの側面に摺擦する先端部が硬質のセラミ
ツクス部材の平面にスパイラル溝を形成してなる
回転円板によつて構成されているので、スパイラ
ル溝の変形が少なく大きな動圧を発生させること
ができるし、またスラスト軸受がスラストカラー
の側面に等間隔で分散して配置されれば主軸或い
はスラストカラーの芯振れ或いはゆらぎがあつて
も、別個のスラスト軸受でのその影響は小さく効
果的に用いられるものである。

〔発明の効果〕

本発明はスラスト軸受が独自に回転して摺動面
に流体の動圧を発生させることができるので主軸
の運転状態の如何にかかわらず、所望の大きさの
スラスト荷重を受けることができ、また、動圧が
硬質のセラミツクスの表面に形成されたスパイラ
ル溝によつて発生されるため、極めて大きな動圧
を発生することができるので小さな回転軸受によ
つて大きなスラスト荷重を受けることができる。
さらにスラストカラーの側面に回転軸受が分散配
置されれば主軸の傾きやスラストカラーのぶれが
大きくても個別の回転軸受の摺動面についてみれ
ば、その大きさは縮少されてスパイラルグルーブ
軸受としての機能は損なわれることがなく効果的
に用いられる。しかもスラストカラーと回転軸受
との間に介在されるべき流体の粘性は小さくても
スパイラルグルーブによつて大きな動圧を発生で
きるので、この摺動面における摺動抵抗は小さな
ものとなり、さらには、回転軸受内部のラジアル
軸受にかかるスラストカラーの回転力も小さなも
のとなるのでスパイラルグルーブによる大きな動
圧が得られることからテイルテイングパツド式ス
ラスト軸受で通常用いられるような高粘性の潤滑
油を用いることもなく、その使用量も極めて少な
くてすみ、大きな給油設備が不要となり、作業環
境の汚染も少なく廃油量も少なくなることから外
部環境に対する汚染も軽減されるし保守保安も簡
便化できる利益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の側面図、第２図はそ
の一部切欠平面図、第３図は第２図線における
拡大正面図、第４図は軸端板の正面図、第５図は
油圧システムのフローシート、第６図は従来例の
一部の側面図、第７図はさらに他の従来例の斜面
図である。 １……主軸、２……スラストカラー、３……側
面、４……回転軸受、５……油圧シリンダ、６…
…床、７……支持脚、８……ボルト、９……ボル
ト、１０……ピストン、１１……回転円板、１２
……先端面、１３……電線、１４……電動機、１
５……固定子、１６……回転子、１７……回転
軸、１８……軸端板、１９……軸受板、２０……
凹部、２０₁……球面座、２１……小球、２２…
…ケーシング、２３……ラジアル軸受、２４……
スパイラル溝、２５……ランド、２６……均圧
部、２７……凹部、２８……ポンプ、２９……モ
ータ、３０……タンク、３１……油圧ライン、３
２……逆止弁、３３……アキユムレータ、３４…
…減圧弁、３５……切換弁、３６……スラストパ
ツド、３７……球面座、３８……導管、３９……
通路、４０……表面、４１……端面、４２……軸
受面、４３……スパイラル溝、４４……軸受部
材、４５……ラジアル軸受、４６……コイル、４
７……ソレノイド、４８……ソレノイド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転可能に支持された主軸に備えられた円板
   状のスラストカラーの側面と固定側部材との間に
   スラスト軸受を備えてなる軸受装置において、 該スラスト軸受に前記スラストカラーの側面と
   対向した面にスパイラル溝を形成してなるセラミ
   ツクス製の回転板を前記主軸とは独立して回転可
   能に配備し、該回転板とスラストカラーとの対向
   面間に流体を介在せしめて摺動できるように構成
   したことを特徴とする軸受装置。 ２ 前記回転円板を具備したスラスト軸受が、該
   主軸を中心とした同心円上に等間隔に複数個配列
   されている特許請求の範囲第１項記載の軸受装
   置。 ３ 前記回転円板を具備したスラスト軸受が、該
   スラストカラーの両側面に備えられている特許請
   求の範囲第１項又は第２項記載の軸受装置。 ４ 前記スラストカラーの両側面に備えられた回
   転円板を具備するスラスト軸受が、該スラストカ
   ラーの回転面に関して略対称となるように配備さ
   れている特許請求の範囲第３項記載の軸受装置。 ５ 前記回転円板を具備するスラスト軸受が、該
   固定側部材に設けられた液圧装置によつて前記主
   軸の軸方向に移動可能に支持されている特許請求
   の範囲第１〜４項のいずれか一つの項記載の軸受
   装置。