JPH0424572B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、水中ポンプや水中モータ等に使用さ
れる動圧効果を利用したスラスト軸受に関する。

（従来の技術） 従来の動圧効果を利用したスラスト軸受は、回
転軸を支持する固定支持面に、正回転時に動圧効
果を生じさせる方向の一方向のみにスパイラル溝
を切り、該固定支持面と回転軸側の圧力部材との
相対回転する二面間に流体を介在させ、上記スパ
イラル溝に回転軸の回転に伴い例えば外側から内
側に向けて加圧された動圧を発生させて軸推力を
支持させていた。（例えば特公昭41−12121号公報
参照） また上記のような動圧型スラスト軸受の代りに
用いられるテイルテイング型スラスト軸受は、第
４図に示すように、回転軸１と一体に回転する上
部支持体２にデイスク３を固定し、該デイスク３
に対向して、固定軸４に対して球面５で支持され
回転しないようにピン６に係合された下部支持体
７の上部に、パツド８を回転しないように取り付
けて構成され、これらデイスク３とパツド８の両
対向面によつて軸推力を支持させていた。

（発明が解決しようとする問題点） 上記した従来のスパイラル溝付スラスト軸受を
水中ポンプや水中モータに取付けて駆動する際、
配線ミスのため羽根車軸を逆方向に回転させる場
合がある。このような場合、回転軸を支持する固
定支持面には正回転時に動圧効果を生じさせる方
向の一方向のみにスパイラル溝が切られているの
で、逆回転時には動圧効果が全く生ぜず、材料に
よつては焼付く可能性があるなどの欠点があつ
た。

また、テイルテイング型スラスト軸受を用いる
場合には、互いに摺動するデイスク３とパツド８
の両面に、使用中摩耗によりまた異物の侵入等に
よつて凹凸が生じると、該凹凸部に熱が発生し、
この熱による材料の凝着が行われるいゆる凝着摩
耗が生じ易く、また比較的負荷容量は少なく、大
きな負荷特性を発揮させるために粘性の大きい潤
滑液が必要であり、この潤滑液のシールや冷却方
法また潤滑液の劣化などに問題があり、また温
泉、地熱水などの高温液体には使用できない等の
欠点があつた。

本発明は、流体摩擦を利用して損失動力を少く
すると共に、正回転のときばかりでなく、逆回転
させた場合でも、スラスト荷重が受けられること
を可能とし、かつ軸受面の同一径における圧力分
布をなるべく均一化したスラスト軸受を得ること
を技術的課題としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記した従来技術の欠点を除去し、
技術的課題を解決するために、表面に、正転時に
動圧効果を生じさせる方向に形成されたスパイラ
ル溝を、また裏面には、逆回転時に動圧効果を生
じさせる方向に形成されたスパイラル溝をそれぞ
れ設けた硬質材料からなる中間板を、相対回転す
る２個の対向する受板の間に介在させ、上記スパ
イラル溝の途中の中間部に各スパイラル溝を横切
つて同心円状の環状溝を設け、各スパイラル溝を
該環状溝で連通させ、環状溝の外側と内側の各ス
パイラル溝の本数を必要に応じて異ならしめたこ
とを特徴としている。

（作用） 本発明は上記のように構成したことにより、回
転軸に荷重負荷をかけた状態で正方向に回転させ
ると、中間板の表面のスパイラル溝は、潤滑液を
周辺部より中心部へ向つて強制移動させるのに伴
い動圧を発生し、対向両面間に所要の厚さの液膜
が形成されて推力荷重を支える。この際、各スパ
イラル溝は、その中間部を環状溝によつて連通さ
せているので、軸受面の同一径における圧力分布
が均一化される。他方、裏面のスパイラル溝は、
回転軸の回転につれて中間板も共に回転しようと
するが、その溝の向きが表面の溝とは正面からみ
て逆方向に形成されているので動圧効果が生ぜ
ず、中心部より周辺部の溝内の液が排除されよう
として両面間に吸引力が働くので、該中間板は下
部受板に完全に密着される。従つて、中間板をハ
ウジング側の受板に接着剤等によつて接着する必
要がない。

また始動時、配線等のミスで逆方向に回転させ
たときは、中間板の表側のスパイラル溝内の潤滑
液が周辺部へ排除されることになつて、上部受板
と中間板間に吸引力が働き、中間板は回転軸と一
体になつて回転するようになる。従つて動圧効果
は、該中間板の裏面のスパイラル溝と下部受部と
の間に形成される。この際、裏面のスパイラル溝
にも環状溝を設けることにより、表面と同様に軸
受面の同一径における圧力分布が均一化される。

（実施例） 次に、本発明の実施例を図面と共に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す縦断面図
で、回転軸１と一体に回転する上部支持体２に、
上部受板１２が充填材を介して固定され、また固
定軸４に球面５で支持され回転しないようにピン
６に係合された下部支持体７に、下部受板１３が
充填材を介して固定され、これら両受板１２と１
３の間に、表裏両面にそれぞれ正面から見て逆方
向の向きのスパイラル溝をそれぞれ形成した硬質
材料からなる中間板１０が挿入され、これらが、
内部に潤滑液の充満する軸受室１４に収納されて
いる。なお、図中、１５は中間板１０が半径方向
に移動しないための支持体を示す。

上記中間板１０は、第２図にその正面図が示さ
れているように、その表面及び裏面には、環状溝
１７を設けてその外側及び内側にスパイラル溝１
１ａ及び１１ｂ（図で黒い部分）が各々正面から
見て互いに向きを逆にして設けられており、内側
のスパイラル溝１１ｂは外側のスパイラル溝１１
ａより溝数を多くされている。第２図に示された
ものは中間板１０の表面を示しており、裏面のス
パイラル溝は、図示は省略されているが正面から
みて第２図とは向きを逆にした同形状の溝に形成
されている。そして表面のスパイラル溝１１ａ及
び１１ｂの向きは、該スパイラル溝１１ａ，１１
ｂに接して正回転する上部受板１２によつて流体
が中間板１０の周辺部よりこれらの溝に沿つて中
心凹部１８（図の黒い部分で、凹部を形成してい
る。）へ誘導され、両板１０と１２の間で動圧効
果を生じるような方向に形成されている。

そしてこの実施例では、中間板１０を構成する
硬質材としてセラミツクス材、例えば炭化珪素
（SiC）、窒化珪素（Si₃N₄）が使用され、また両
受板１２，１３には、アルミナセラミツクス及び
超硬合金、高鉛青銅、普通鋳鉄がが使用される。
なお、このセラミツクス材は、耐食性に優れてい
る反面、加工性が悪いため、その表面に３〜
50μm（ミクロンメータ、1/1000mm）の極めて浅い
スパイラル状の溝加工を施すことは容易ではない
が、本発明では、所定形状のセラミツクス製の被
加工材の表面を、所定形状のスパイラル状の樹脂
マスクで遮蔽した上、微粉のアルミナ質研削材を
上記樹脂マスク上に噴射するシヨツトブラスト加
工法により、極めて短時間にスパイラル溝を形成
する。上記のスパイラル状の樹脂マスクは、ポリ
エステル系の液体感光性樹脂を紫外線で露光・硬
化させたもので、製作方法としては、先ず、スパ
イラル状溝のネガフイルムを作成し、これをガラ
ス板上に置き、この上に透明のカバーフイルムを
重ね、感光性の有する液体樹脂を注加する。ま
た、この樹脂の上に、さらに、ベース・フイルム
をロールでラミネートする。

次に、紫外線ランプで数秒間露光させ、ネガフ
イルムを通して、露光した部分の樹脂は硬化し、
フイルムと同一形状のスパイラル溝形状をした樹
脂マスクが出来る。

本軸受に使用した樹脂マスクは、２層のベース
フイルムと粘着性を有するスパイラル溝模様を有
する樹脂、及び保護用紙とからなつている。シヨ
ツト加工するときは保護用紙をとり、被加工材表
面に貼り付け、ベース・フイルムの一層をはがし
た後行う。そしてここで使用されたセラミツクス
板は、２mmの厚さの常圧焼結製SiC（炭化珪素）、
Si₃N₄（窒化珪素）で、両面に10μmのスパイラル
溝が前記シヨツトブラストを用いて加工されてい
る。

この実施例によれば、回転軸１に荷重負荷をか
けた状態で第１図の矢印方向の正方向（第２図で
時計方向）に回転させると、中間板１０の表面の
スパイラル溝１１ａ及び１１ｂは、潤滑液を周辺
部より中心凹部１８へ向つて強制移動させるのに
伴い動圧を発生し、上部受板１２と中間板１０の
対向両面間に所要の厚さの液膜が形成されて推力
荷重を支える。この際、スパイラル溝１１ａと１
１ｂの接続部には環状溝１７が形成されているの
で、隣合つた各スパイラル溝は該環状溝１７の部
分で連通され、従つて該中間板表面における軸受
面の同一径において圧力分布がほぼ均一化され
る。また、内側スパイラル溝１１ｂが外形スパイ
ラル溝１１ａより溝数を多く、従つてまた溝幅を
狭く形成しているので、外側に比べて相対すべり
速度が減る内側のほぼ全域に亘つて有効に動圧型
効果を発揮し、軸推力に、より強力に対抗するこ
とができる。

他方、裏面のスパイラル溝は、回転軸１の回転
につれて中間板１０も共に回転しようとするが裏
面のスパイラル溝の向きが表面の溝１１ａ，１１
ｂとは正面からみて逆方向に形成されている（従
つて透過してみたときは同一の向きにみえる。）
ので動圧型効果が生ぜず、中心凹部より周辺部へ
溝内の液が排除されようとして下部受板１３と中
間板１０の両面間に吸引力が働くので、該中間板
１０は下部受板１３に完全に密着される。従つ
て、中間板１０をハウジング側の受板に接着する
必要がなくなるので、接着による熱膨脹差による
割れの心配もなく、高温用軸受としても使用する
ことができる。また回り止めと必要とせず、簡単
な構造となる。

また始動時、配線等のミスで逆方向に回転させ
たときには、中間板１０の表側のスパイラル溝１
１ａ及び１１ｂ内の潤滑液が周辺部へ排除される
ことになつて、上部受板１２と中間板１０間に吸
引力が働き、中間板１０は回転軸１と一体になつ
て回転するようになる。従つて、動圧効果は、該
中間板１０の裏面のスパイラル溝と下部受板１３
との間に形成されるので、逆回転時にも正回転時
と同一のスラスト荷重を受けることができ、また
裏面にも環状溝が設けられているので、正回転の
ときと同様に軸受面の同一径における圧力分布が
ほぼ均一化できる。

またこの実施例では、中間板１０を前記のよう
にセラミツクス材で構成しているので、スパイラ
ル溝が３〜50μmの深さの溝で十分な軸受能力を
発揮することから、素材のセラミツクスも経済的
な肉厚、例えばSiCでは１〜２mmの厚みでよく、
しかも前記のように、支持受板に対する吸引作用
によつて金属材料等への接着の必要がないので、
前記のようにコスト的にも安価に製造でき、また
接着に伴う熱膨脹差による割れの心配もないの
で、高温用としても都合がよい。また、潤滑液と
して水のような粘性の小さい液を使用できるの
で、従来のテイルテイング型スラスト軸受を用い
る場合のような潤滑液のシールや冷却方法に問題
がなく、その劣化が生ぜず、耐荷重が大で信頼性
に富み、前記同様高温用にも適している。

第３図は、中間板の裏面に形成されるスパイラ
ル溝の他の実施例を示す正面図であつて、スパイ
ラル溝１１の途中に形成される環状溝が省略され
ている。

通常、逆回転時には正転時に比べて負荷が少な
いので、中間板の裏面によつて形成される軸受面
の動圧力も表面より小さくてよく、従つて、中間
板の裏面に形成される軸受面の同一径における圧
力分布の均一化を特に必要としないようなときに
用いることができる。

第４図は、スラスト軸受試験装置の概要図であ
つて、供試軸受２１Ａ，２１Ｂの一方の軸受２１
Ａは、可変速モータ（10〜5000rpm）２４よりプ
ーリ２５を経て駆動される回転軸２３の端に取り
付けられ、他方の軸受２１Ｂは、油圧シリンダ
（〜5000kgf）２８、ロードセル３０を経て推力
軸２７の端部に取付けられる。図中、２２は軸
受、２５はプーリ、２６はトルクメータ、２９は
油圧ポンプを示す。

本発明のスラスト軸受を、上記第４図のスラス
ト軸受試験装置で、部材２１Ａ，２１Ｂを両受板
としてその間に中間板を介在させてテストした。

なお、本発明における中間板の表面及び裏面に
設けられる環状溝の位置、その数、及び環状溝よ
り外側のスパイラル溝と内側のスパイラル溝の溝
数等は、使用条件により適宜設計変更が可能であ
ることは勿論である。

また、本発明の推力軸受における中間板の材質
は、前記実施例におけるセラミツクス材ばかりで
なく、タングステンカーバイドその他の硬質材料
を含むことは勿論である。また、この推力軸受
は、水中ポンプや水中モータばかりでなく、一般
の推力軸受としても使用できる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、表裏両
面に正面からみて互いに向きを逆にしたスパイラ
ル溝をそれぞれ形成して動圧効果を生じさせるよ
うにしたセラミツクス材等の硬質材料からなる中
間板を、２個の対向受板の間に介在させ、特に上
記スパイラル溝の途中の中間部に同心円状の環状
溝を設けて推力軸受を構成しているので、推力軸
受の正転時ばかりでなく逆回転時においても、動
圧型効果を利用してスラスト荷重を受けることが
でき、しかも軸受面の同一径における圧力分布を
ほぼ均一にすることができる。

また正逆何れの回転時においても、動圧効果を
生じない側には吸引力が生じるため、対向受板と
の間に強力な接着作用を生じる。従つて特に正回
転時、中間板を該中間板を支持する金属受板等へ
の接着剤等による接着の必要がなくなるので、接
着による熱膨脹差による割れの心配もなく、脆性
的な材料、特に炭化珪素セラミツクスを軸受材に
使用することが可能となり、軸受性能を向上さ
せ、かつコスト的に安価に製造できる効果がある
ばかりでなく、従来のパツド型推力軸受に比較し
て損失動力を1/5以下にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の推力軸受の一実施例を示す縦
断面図、第２図は本発明の推力軸受の一部を構成
する中間板の表面に形成されるスパイラル溝の一
実施例を示す正面図、第３図は中間板の裏面に形
成されるスパイラル溝の他の実施例を示す正面
図、第４図はスラスト軸受試験装置の概要図、第
５図は従来のテイルテイングパツド型軸受の縦断
面図である。 １…回転軸、１０…中間板、１１，１１ａ，１
１ｂ…スパイラル溝、１２，１３…受板、１７…
環状溝、１８…中心凹部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面に、正転時に動圧効果を生じさせる方向
   に形成されたスパイラル溝を、また裏面には、逆
   回転時に動圧効果を生じさせる方向に形成された
   スパイラル溝をそれぞれ設けた硬質材料からなる
   中間板を、一方が回転し他方が固定された対向す
   る２個の受板の間に介在させ、上記スパイラル溝
   の中間部に各スパイラル溝を横切つて同心円状の
   環状溝を設けたことを特徴とするスラスト軸受。 ２ 前記環状溝の外側と内側の各スパイラル溝の
   本数を異にした特許請求の範囲第１項記載のスラ
   スト軸受。 ３ 前記環状溝を、中間板の表面のスパイラル溝
   にのみ設けた特許請求の範囲第１項記載のスラス
   ト軸受。 ４ 硬質材料からなる中間板を、セラミツクス材
   で構成した特許請求の範囲第１項記載のスラスト
   軸受。