JPS621211B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 （産業上の利用分野） この発明は、自由度の多い流体継手、特に風洞
実験において高圧空気配管の剛性に伴う力を小に
し、配管系の装着を容易にし、空気力の測定精度
向上をはかりうる偏心ジヤーナル空気継手として
利用するに適する流体継手にかんする。

（従来技術） 風洞内で航空機の動力付模型試験を行なう場
合、ジエツトエンジンを模擬するために高圧空気
の噴射を用いることが多い。模型に働く力、回転
モーメントは天秤で測定される。しかし、この際
天秤が計測するのは空気力と高圧空気供給用配管
の剛性に伴う力との合力となる。この配管の剛性
に伴う力（以下配管干渉力と呼ぶ）は、しばしば
空気力の数倍にも達する。したがつて空気力の測
定精度を上げるためには、天秤の計測する合力に
対して配管干渉力を小さくし、相対的に空気力の
割合を高めることが重要である。

このような配管干渉力を小さくする方法とし
て、第１図に示すように、航空機模型１に高圧空
気を供給するため、柔軟な小口径パイプ２を複数
配管することによつて天秤３にかかる配管干渉力
を小にしようとするものがある（例えばAIAA
Aero−dynamic Testing Conferenceワシントン
D.C.1964年３月におけるJ.Williams，S.F.J.
Butlerのレポート）。この方法においては、供給
空気圧に比例してパイプ２の剛性が増して配管干
渉力が増大し、供給空気圧が高い場合に配管干渉
力を小さくすることが不可能であり、配管干渉力
の再現性が悪く、その上配管系を小型にまとめる
ことが不可能であるという欠点をもつている。

また、空気ベアリングの原理を利用した空気継
手を用いて、配管干渉力のいくつかの成分を極力
小さくしようとする方法もある（例えばTRANS
−ACTIONS OF THE ASME1957年１月第11頁
〜第21頁）。

第２図のジヤーナル式空気継手は、１つの並進
運動と１つの回転運動の合計２つの自由度を持た
せたものであり、空気供給パイプ４の周りの回転
運動と、継手部５の環状内溝６の幅に見合つた左
右動が、バイプ４と継手部５の間隙７を流れる高
圧空気流のベアリング作用の下に行われる。

第３図のスラスト式空気継手は２つの並進運動
と１つの回転運動の合計３つの自由度を持たせた
もので、パイプ４の周りの回転運動と、継手部５
の内周とパイプ４の延長部８の外径の差だけの継
手部５の並進運動が許される。

第４図のボール式空気継手は、３つの回転自由
度をもつ。すなわち、継手部はボール状であり、
継手は出口パイプ９の軸の周りの回転と共に、ボ
ールの外殻１０の開口１１によつて許容される範
囲でパイプ４の軸と直角の軸を持つ回転が可能で
ある。

第２図のジヤーナル式に比べ、第３図のスラス
ト式は、継手の接触面が平坦なため、一様な空気
層を作ることが困難であり、両方式とも出口パイ
プは入り口パイプに対して直角の方向を向くこと
となる。。第４図のボール式は球面を高精度に仕
上げることが工作上困難となる。比較的製作が容
易なのは、第２図のジヤーナル式であるが、運動
の自由度が少なく、減少させうる配管干渉力成分
が少ないという欠点をもつている。

（この発明が解決しようとする問題点） 風洞実験において配管干渉力を少なくするため
に空気継手を用いる場合、模型と空気供給配管の
間に空気継手を装着しなければならないが、模型
と空気供給用配管の相対位置は天秤によつて固定
拘束されているので、空気ベアリング部分の狭い
間隙を保持したままで、空気継手を模型と空気供
給用配管の間に装着することは、従来の自由度の
少ない空気継手では容易なことではない。

この発明は偏心軸の組合せによつて、上記のよ
うな欠点を伴わない自由度の多い流体継手を得よ
うとするものである。

発明の構成 （問題点を解決するための手段） この発明においては流体継手の構成を、軸受基
盤、外側浮軸、内側浮軸および軸筒からなるもの
とし、上記外側浮軸および内側浮軸はそれぞれ円
筒外壁に対して偏心した円筒内壁を有し、上記軸
筒は内側浮軸の円筒内壁内に、内側浮軸は外側浮
軸の円筒内壁内に、さらに外側浮軸は軸受基盤の
円筒内壁内にそれぞれ回転自在に挿入保持される
ようにすると共に、上記軸受基盤と外側浮軸、外
側浮軸と内側浮軸、内側浮軸と軸筒とのそれぞれ
の相接する円筒内外壁の少なくとも一方に環状溝
を設け、外側浮軸、内側浮軸および軸筒の各軸の
該環状溝に対応位置には適当数の通孔が設けら
れ、これによつてその内外壁が連通されて軸受基
盤から軸筒までの流体通路を形成する。そして、
上記軸受基盤には上記軸受基盤と外側浮軸との相
接する円筒壁の環状溝部に連通する流体吸入口で
ある連通孔を有し、上記軸筒の円筒内から外部に
流体が供給される。

（作用） この発明の流体継手はXYZの三次元の並進運動
と軸筒を軸とする回転運動の４つの自由度を持
つ。すなわち、軸受基盤Ａ、外側浮軸Ｂ、内側浮
軸Ｃおよび軸筒Ｄで構成されるが、軸受基盤Ａ
は、第９図に示すように、継手本体２１の中心軸
Ｐを中心軸とする同心円筒構造をもつ。外側浮軸
Ｂは、第９図に示すように、継手本体２１の中心
軸Ｐを軸とする外側円筒面と、この軸Ｐからl₃だ
け離れたＱを中心軸とする内側円筒面とを持ち、
軸受基盤Ａの円筒内壁に沿つて挿入されている。

内側浮軸Ｃは第９図に示す軸Ｑを中心軸とする
外側円筒面と軸Ｑからl₂だけ離れた軸Ｏを中心軸
とする内側円筒面とを持ち、外側浮軸の円筒内壁
に沿つて挿入される。

軸筒Ｄは軸Ｏを中心軸とする同心円筒構造であ
り、内側浮軸Ｃの円筒内壁に沿つて挿入される。

このような偏心円筒の回転運動の重ね合せによ
つて円筒軸に直角な平面内で２自由度の並進運動
が、次のようにして実現出来る。すなわち第９図
において、例えば軸筒Ｄの中心軸ＯにＸ方向に力
F₁が作用した場合、内側浮軸Ｃには軸Ｑを中心
とする時計回りの回転モーメントF₁l₂cosθ_２が
働き、内側浮軸Ｃは黒矢印のように時計回りに回
転する。同時に外側浮軸Ｂには、軸Ｐを中心とす
る時計回りの回転モーメントF₁l₁cosθ_１が働
き、外側浮軸Ｂは軸Ｐを中心軸として黒矢印のよ
うに時計回りに回転する。この２つの浮軸の回転
運動の合成によつて、軸筒の中心軸ＯはＹ軸方向
の運動が相殺されＸ軸方向に移動する。

別の場合として、軸筒中心軸ＯにＹ方向に力
F₂が作用した場合、内側浮軸Ｃは軸Ｑを中心と
する時計回りの回転モーメントF₂l₂sinθ_２が働
き、内側浮軸Ｃは軸Ｑを中心として時計回りに白
矢印のように回転する。同時に外側浮軸Ｂには軸
Ｐを中心とする反時計回りの回転モーメント
F₂l₁sinθ_１が働き、外側浮軸Ｂは軸Ｐを中心軸
として白矢印のように反時計回りに回転する。こ
の２つの浮軸の回転運動の合成によつて、軸筒の
中心軸ＯはＸ軸方向の運動が相殺されＹ軸方向に
移動する。

内側と外側の浮軸の回転運動の合成によつて、
軸筒Ｄの中心軸Ｏがそれに垂直な平面内、つまり
第９図の紙面内で移動できる範囲はＰ点を中心と
する半径Ｒ＝l₃＋l₂の円内（図の２点鎖線円内）
となり、従来の継手に対して可動範囲を非常に広
くとることが出来る。この他に、軸筒Ｄの軸方向
の並進運動と、軸筒Ｄの軸の回りの回転運動と、
合計４つの自由度を持つことが出来る。

これらの軸受基盤Ａ、外側浮軸Ｂ、内側浮軸Ｃ
及び軸筒Ｄのそれぞれ対応する内外面には少なく
ともその一方の面に環状溝が設けられると共に、
外側浮軸Ｂ、内側浮軸Ｃ及び軸筒Ｄの内外の円筒
壁はその環状溝に対応する部分で適当な数のは通
孔によつて連通されているので、軸受基盤Ａの環
状内溝に導入された高圧空気は、各軸の相対的な
回転運動及び許容された範囲での軸方向の変位に
よつても、上記環状溝及び通孔を通つて軸筒Ｄの
内部へと流入することが出来る。

（実施例） 実施例について詳細に説明する。

第５図以下に示す実施例において、偏心ジヤー
ナル空気継手本体２１は上記のように軸受基盤
Ａ、外側浮軸Ｂ、内側浮軸Ｃおよび軸筒Ｄで構成
される。軸受基盤Ａは、第９図に示すように、継
手本体２１の中心軸Ｐを中心軸とする同心円筒構
造をなす。円筒下面には１ケないし数ケの高圧空
気吸入口２２を持つが、空気供給パイプと軸筒Ｄ
を直角に配置する必要がある場合は、円筒外壁面
２８に開口する吸入口を設けても差支えない。円
筒内壁中央部に環状内溝２３ａを設け、高圧空気
吸入口２２との間を連通孔２４によつて連通させ
て高圧空気路を形成する。環状内溝２３ａの上下
の円筒内壁部分は精密加工され、空気ベアリング
潤滑面２５ａ，２５a′を形成する。この潤滑面２
５ａ，２５a′の中央部に環状の小溝２６ａ，２６
a′を設け、多数の空気放出孔２７ａ，２７a′で円
筒外壁面２８と連通させ、潤滑用空気を放出させ
る。また環状内溝２３ａから軸受基盤Ａ上面に多
数の噴出孔２９ａを垂設し、外側浮軸Ｂ上部に設
けられた浮力用フランジ３０ｂの下面との間に空
気クツシヨン潤滑面３１ａを形成し、外側浮軸Ｂ
を軸受基盤Ａに対して浮上させる作用を持つ。

外側浮軸Ｂは、第９図で説明したように、継手
本体１の中心軸Ｐを軸とする外側円筒面と、この
軸Ｐからl₃だけ離れたＱを中心軸とする内側円筒
面とを持ち、上端に上述の浮力用フランジ３０ｂ
を設けた偏心円筒からなり、軸受基盤Ａの円筒内
壁に沿つて挿入されている。外側浮軸Ｂの円筒外
壁面の軸受基盤Ａの環状内溝２３ａに対応する位
置には環状外溝３２ｂを、円筒内壁面の対応位置
には環状内溝２３ｂが設けられ、両環状溝は放射
状通孔３３で結ばれ高圧空気通路を形成する。環
状外溝３２ｂの上下の円筒外壁面および環状内溝
２３ｂの上下の円筒内壁面は精密加工を施し、そ
れぞれ軸受基盤Ａ、内側浮軸Ｃとの間に空気ベア
リング潤滑面を形成する。環状外溝３２ｂから潤
滑空気供給用噴出孔３４ｂ，３４b′が潤滑面２５
ｂ，２５b′に開口し、潤滑面２５ａと２５ｂとの
間隙、２５a′と２５b′との間隙に潤滑用空気を供
給する。さらに、潤滑効率を上げるために、軸受
基盤Ａと外側浮軸Ｂの間隙上部に形成された空気
クツシヨン潤滑面３１ａを通過した空気を放出す
るための孔３５ｂを浮力用フランジ３０ｂ部分に
適当数設ける。

環状内溝２３ｂの上下の潤滑面のそれぞれ中央
部に環状の小溝２６ｂ，２６b′を設け、ここに外
界に通じる多数の空気放出孔２７ｂ，２７b′を設
ける点は軸受基盤における環状小溝２６ａ、空気
放出孔２７ａと同様であるが、放出孔２７ｂ，２
７b′は外側浮軸Ｂの上下面にそれぞれ開口する。
また環状内溝２３ｂから外側浮軸Ｂ上面に通ずる
多数の噴出孔２９ｂを設け、後述の内側浮上軸Ｃ
上部の浮力フランジ３０Ｃの下面との間に空気ク
ツシヨン潤滑面を形成して内側浮軸Ｃを外側浮軸
Ｂに対して浮上させる作用をする。肉抜き穴３６
ｂは外側浮軸Ｂの重量分布を釣り合わせ、重心が
軸Ｐ上にあるようにするために設けられる。

内側浮軸Ｃは第９図で見たように軸Ｑを中心軸
とする外側円筒面と、軸Ｑからl₂だけ離れた軸Ｏ
を中心軸とする内側円筒面とを持ち、上部に浮力
用フランジ３０ｃを設けた偏心円筒であり、外側
浮軸の円筒内壁に沿つて挿入される。内外壁面に
それぞれ環状溝を設け、これらを放射状の通孔で
連通して高圧空気通路を形成すること、環状溝の
上下には内外それぞれに空気ベアリング潤滑面を
設けること等、その構造は外側浮軸Ｂと同じであ
る。ただし、軸筒Ｄは浮力用フランジを持たない
ので、空気噴出孔２９ｂに相当する構造を欠いて
いる。また、肉抜き穴３６Ｃは、重心が軸Ｑ上に
あるように設けられる。

軸筒Ｄは、上面に模型側配管結合用フランジ３
０ｄ、下面にストツパー板３８を設け、軸Ｏを中
心軸とする同心円筒構造をなし、内側浮軸Ｃの円
筒内壁に沿つて挿入される。軸筒の外壁面の内側
浮軸Ｃの環状内溝２３ｃに対応する位置に、環状
外溝３２ｄを設け、軸筒Ｄの内部４１との間を通
孔３９で結び、高圧空気通路を形成する。環状外
溝３２ｄの上下の円筒外壁は、内外側浮軸Ｂ，Ｃ
と同様、精密加工されて空気ベアリング潤滑面を
形成し、内側浮軸Ｃとの間隙には軸筒内部４１か
ら噴出孔３４ｄによつて潤滑用空気を供給する。
外側浮軸Ｂ、内側浮軸Ｃおよび軸筒Ｄが限界量以
上に上方に移動しないように、ストツパー板３８
を軸筒Ｄ下面に取付け、軸受基盤底面４２に当り
係止されるようにされている。

次に、この空気継手の作用を説明する。

この実施例の偏心ジヤーナル空気継手本体２１
は、第５図、第６図に示すように、中心軸Ｚが垂
直になるように風洞壁に設置され、軸受基盤Ａの
下面の高圧空気吸入口２２に別に設けた高圧空気
源からの配管４０が固着される。次に外側浮軸
Ｂ、内側浮軸Ｃ、最後に軸筒Ｄが各軸間の円筒壁
間間隙数十ミクロンを保持して挿入される。高圧
空気は、配管４０から高圧空気吸入口２２、連通
孔２４を経て環状内溝２３ａに流入する。ここ
に、流入した高圧空気は、各軸間に、通孔３３，
３７，３９で連通した内外の環状溝２３ａ，ｂ，
ｃ，３２ｂ，ｃ，ｄを配置したことにより、各軸
がどのような位置関係にあつても、常に安定した
高圧空気流として軸筒Ｄの内部４１に流入し、軸
筒上面から風洞内模型へと供給される。この際、
高圧空気通路内の少量の空気は、次に詳しく説明
するように、空気ベアリング潤滑面の潤滑用空気
として、また外側浮軸Ｂと内側浮軸Ｃとを浮上さ
せるための空気クツシヨン用空気として使用され
る。

空気ベアリング及び空気クツシヨンの構造と作
用は、第６図の一部を拡大した第８図に見られる
ように、軸受基盤Ａと外側浮軸Ｂのベアリング潤
滑面ａ、２５ｂは数十ミクロンの間隙を持つてお
り、この円筒壁間間隙には環状内溝２３ａと環状
外溝３２ｂとで形成される高圧空気室から直接
と、外側浮軸Ｂに設けられた噴出口３４ｂとから
小量の潤滑用高圧空気が供給され、この空気は一
部は軸受基盤Ａの環状小溝２６ａから放出口２７
ａを通り、他の一部は外側浮軸Ｂの浮力用フラン
ジ３０ｂに設けられた放出孔３５ｂから大気中に
放出され、この流れによつて数十ミクロンの円筒
形間隙には一様な高圧空気層が形成される。この
ような高圧空気層は軸受基盤Ａと外側浮軸Ｂとの
間と同様、外側浮軸Ｂと内側浮軸Ｃ、内側浮軸Ｃ
と軸筒Ｄ間の空気ベアリング潤滑面間に形成さ
れ、これら各軸相互の回転と並進運動が極めて低
い抵抗で行われる。

一方、軸受基盤Ａの上面と外側浮軸Ｂ上端の浮
力用フランジ３０ｂの下面との間隙には、環状内
溝２３ａから垂設された噴出孔２９ａから高圧空
気が供給され、一部は外側浮軸Ｂのフランジ外縁
から、一部は外側浮軸Ｂのフランジ３０ｂに設け
られた放出孔３５ｂから大気中に放出され、この
間隙の潤滑面に一様な高圧空気層が形成される。
外側浮軸Ｂの自重は、この空気クツシヨン圧によ
つて支えられる。このような空気クツシヨン機能
は、外側浮軸Ｂの上面と内側浮軸Ｃ上端のフラン
ジ下面の潤滑面でも達成される。これによつて外
側浮軸Ｂ、内側浮軸Ｃは摩擦なく軸受基盤Ａに支
えられ、相互の位置を保つことが出来る。

この実施例においては、空気継手本体２１が垂
直に保持されているので、上部を空気クツシヨン
によつて支えればよいが、これを横置しあるいは
倒置しても使用できるようにする場合は、上下両
側に浮軸フランジを持つ構造とすればよい。

また、この実施例においては、軸受基盤Ａと外
側浮軸Ｂ、外側浮軸Ｂと内側浮軸Ｃ、内側浮軸Ｃ
と軸筒Ｄとのそれぞれの相接する円筒内外壁の両
方に環状溝が設けられているが、相接する円筒内
外壁の少なくとも一方に環状溝を設ければ高圧空
気の流体通路を形成することが出来る。さらに、
軸受基盤側から高圧流体を供給するだけでなく、
逆に軸筒側から軸受基盤側に供給してもよいこと
は言うまでもない。

（応用例） 以上説明したこの発明の実施例の偏心ジヤーナ
ル空気継手の使用例として、高圧空気使用の模擬
エンジンを搭載した航空機模型の風洞試験におい
て、模型に働く空気力を天秤で精度良く測定する
ために、高圧空気配管の途中にこの空気継手を設
置した場合を、第１０図に示す。

模擬エンジン４３を搭載した航空機の半載模型
４４の風洞試験において、風洞壁４５の外側に接
して設けられた基台４６にこの実施例の偏心ジヤ
ーナル空気継手本体２１を固定し、その下面の高
圧空気吸入口に高圧管４０を配管し高圧空気を供
給すると共に風Ｗを送る。模型に働く空気力を測
定するための天秤本体４７は、風洞壁４５と空気
継手本体２１の中間、軸筒Ｄの周囲に配設し、天
秤受感素子の一端を固定した内側固定環４９を軸
筒Ｄに固着し、他端の外側固定端部４８は基台４
６に載設する。軸筒Ｄは風洞壁４５の孔５０を貫
通し、そのフランジ面５１を模型４４の胴体に固
着された空気供給口５２に接続され、模型４４と
一体となつて動く。

主翼を垂直に設置した航空機の半載模型風洞試
験において、測定が要求される力の成分は、揚力
Ｙ、抵抗（推力）Ｘ、縦揺モーメントＭの３成分
である。このうち、揚力と抵抗（推力）成分は、
先にこの発明の継手の作用について説明したよう
に、実施例の空気継手本体２１の外側浮軸Ｂと内
側浮軸Ｃの円筒軸まわりの低摩擦回転運動の合成
により、また縦揺モーメントは軸筒Ｄの円筒軸ま
わりの低摩擦回転運動によつて天秤受感素子に作
用し、配管干渉力を非常に小さくして精度良く測
定できる。その上、軸筒Ｄの平面内の可動範囲が
広いために、天秤４７、空気継手本体２１、模型
４４および高圧配管の組込み作業は容易となる。

以上はこの発明をジヤーナル空気継手として利
用した場合の実施例について説明したが、空気継
手に限らず、他の種類のガス、液体等にも利用可
能である。そして軸筒Ｄにかかる力が大きいとき
にはこの実施例のような流体ベアリングでなく、
例えばボールベアリング等、他の型式のベアリン
グも利用可能である。

発明の効果 この発明は、上記のように偏心軸を用いること
により高精度の工作が容易な円筒形状の組合せに
よつて４つの自由度を持つ流体継手を実現し、し
かも空気ベアリングの導入によつて配管干渉力を
従来のものに比べて２桁程度低減させることが出
来た。その上、流体継手本体２１に対する流体供
給管４０と軸筒Ｄとは三次元の並進運動が可能な
ので、流体移送の配管途中に組み込むことによ
り、配管のずれを吸収出来るという効果をも奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は公知の空気継手の説明
図、第５図はこの発明の偏心流体継手の１実施例
の１部を切欠いた斜視図、第６図は同じく垂直断
面図、第７図は同じく水平断面図、第８図は第６
図右上部の円輪郭内の拡大図、第９図はこの実施
例の偏心ジヤーナル空気継手の作動説明図、第１
０図は風洞試験への使用例の斜視図である。図中
の符号はそれぞれ以下のものを示す。 １：航空機模型、２：柔軟パイプ、３：天秤、
４：空気供給パイプ、５：継手部、６：環状溝、
９：出口パイプ、１０：ボール外殻、２１：偏心
ジヤーナル空気継手本体、２２：空気吸入口、２
３：環状内溝、２４：連通孔、２５：空気ベアリ
ング、２６：小溝、２７：空気放出孔、２８：外
壁面、２９：噴出孔、３０：浮力用フランジ、３
１：空気クツシヨン潤滑面、３２：環状外溝、３
３，３７，３９：通孔、３４：空気噴出孔、３
５：空気放出孔、３６：肉抜き穴、３８：ストツ
パー、４０：高圧空気配管、４１：軸筒、４２：
軸受基盤底面、４３：模擬エンジン、４４：半載
模型、４５：風洞壁、４６：基台、４７：天秤本
体、４８：外側固定端、４９：内側固定端、５
０：孔、５１：フランジ、５２：空気供給口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸受基盤、外側浮軸、内側浮軸および軸筒か
   らなり、上記外側浮軸および内側浮軸はそれぞれ
   円筒外壁に対して偏心した円筒内壁を有し、上記
   軸筒は内側浮軸の円筒内壁内に、内側浮軸は外側
   浮軸の円筒内壁内に、そして外側浮軸は軸受基盤
   の円筒内壁内に、それぞれ、回転自在に挿入保持
   されると共に、上記軸受基盤と外側浮軸、外側浮
   軸と内側浮軸、内側浮軸と軸筒とのそれぞれの相
   接する円筒内外壁の少なくとも一方に環状溝を設
   け、外側浮軸、内側浮軸および軸筒の各軸の上記
   環状溝に対応する位置は適当数の通孔によつてそ
   の内外壁が連通されて軸受基盤から軸筒までの流
   体通路を形成し、上記軸受基盤は上記軸受基盤と
   外側浮軸との相接する円筒壁の環状溝部に連通す
   る連通孔を有し、該連通孔と上記軸筒の円筒内と
   がそれぞれ流体供給源および被供給体に連結され
   ることを特徴とする偏心流体継手。 ２ 上記軸受基盤、外側浮軸、内側浮軸および軸
   筒の相接する円筒内外壁が、環状溝以外の部分で
   は微少な間隙を隔てて相対し、この間隙に高圧流
   体を導入して流体ベアリングを形成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項の偏心流体継手。 ３ 上記高圧流体は上記環状溝内を流れる高圧流
   体が導入されることを特徴とする特許請求の範囲
   第２項の偏心流体継手。 ４ 上記外側浮軸、内側浮軸および軸筒の上端に
   浮力用フランジを設け、これらフランジと軸受基
   盤、外側浮軸および内側浮軸の上面との間隙に高
   圧流体を導入し、この流体層によつて外側浮軸、
   内側浮軸および軸筒を支持するようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第２項の偏心流体継
   手。