(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸と、この軸の外周面に対向する内周面を有するハウジングとの間に、それぞれ径の異なる複数の円筒状フォイルを互いに径方向にすきまを持たせて配置し、各フォイル間、最内層のフォイルと軸の外周面間、および最外層のフォイルとハウジングの内周面間に潤滑油を保持させて油膜を形成することで、前記軸が最内層のフォイルに非接触で支持され、各フォイル同士が非接触で支持され、最外層のフォイルがハウジングに非接触で支持され、前記フォイルの肉厚は０．５mm以下であり、前記フォイルの回転により前記潤滑油を各フォイル間の隙間のフォイル幅方向の中央側へ流れ込む作用を生じさせる手段を設けたことを特徴とする多層フォイル軸受組立体。
【請求項２】
請求項１において、前記潤滑油を各フォイル間の隙間のフォイル幅方向の中央側へ流れ込む作用を生じさせる手段が、前記フォイルの表面に設けられた動圧溝であり、この動圧溝は、前記フォイルの幅方向中央に対し対称形状である多層フォイル軸受組立体。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、エンジンのクランクシャフトまたはターボ機械の主軸の支持に用いられるものとした多層フォイル軸受組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンのクランクシャフトやターボ機械の主軸等の支持に用いられる多層フォイル軸受組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車エンジンのクランクシャフトを支持する軸受には、メタル軸受が使われている。転がり軸受の使用も考えられるが、転がり軸受は、転動体と軌道輪とが点接触や線接触であるため、油膜のスクイズ効果による減衰があまり期待できない。対して、メタル軸受は、油膜の減衰が大きく、転がり軸受に比べて静粛な運転が可能である。
【０００３】
また、ガスタービン等のターボ機械の主軸を支持する軸受にも、メタル軸受等の滑り軸受が多く使用されている。しかし、ターボ機械主軸は高速回転するため、滑り軸受であるとトルク損失が大きいことから、転がり軸受や空気フォイル軸受（例えば特許文献１）の採用が検討されている。
【０００４】
高速回転する軸用の滑り軸受として、以前より、軸やハウジングに対してブッシュを流体を介して浮動状態に保持するフローティングブッシュ型の研究がなされているが、実用化には至っていない。その理由は、非特許文献１に計算結果が示されているように、フローティングブッシュ型軸受では、期待するほどの効果が得られないからである。
【特許文献１】特開２００３−２６２２２２号公報
【非特許文献１】曽田範宗著「軸受」株式会社岩波書店、１９７０年７月１０日、ｐ２６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
クランクシャフト用の軸受がメタル軸受である場合には、次の問題がある。すなわち、メタル軸受は、エンジン起動時には油膜が形成されていないため、アイドリングストップが多用されると摩耗が発生しやすく、かつ高速回転時における油膜の粘性抵抗によるトルク損失が大きいという問題である。自動車の燃費向上を図るには、このトルク損失を抑える必要がある。トルク損失を抑えるだけであれば転がり軸受にすれば良いが、転がり軸受には前記難点がある。そこで、メタル軸受に代るトルク損失の少ない滑り軸受の開発が望まれている。幸い、クランクシャフト用軸受の場合、クランクシャフトの両端に組み込むのにハウジング等を２分割にする必要がないため、メタル軸受以外の滑り軸受を導入しやすい。
【０００６】
また、ターボ機械主軸用の軸受が転がり軸受や空気フォイル軸受である場合には、次の問題がある。すなわち、転がり軸受には、静粛性や転がり疲労寿命の問題があり、空気フォイル軸受には、起動停止時の摩耗の問題がある。
【０００７】
この発明の目的は、静粛な運転を行うことができ、トルク損失が少なく、起動停止時の摩耗がほとんどない、エンジンのクランクシャフトやターボ機械の主軸等の支持に適した多層フォイル軸受組立体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明にかかる多層フォイル軸受組立体は、軸と、この軸の外周面に対向する内周面を有するハウジングとの間に、それぞれ径の異なる複数の円筒状フォイルを互いに径方向にすきまを持たせて配置し、各フォイル間、最内層のフォイルと軸の外周面間、および最外層のフォイルとハウジングの内周面間に潤滑油を保持させて油膜を形成することで、前記軸が最内層のフォイルに非接触で支持され、各フォイル同士が非接触で支持され、最外層のフォイルがハウジングに非接触で支持され、前記フォイルの肉厚は０．５mm以下であり、前記フォイルの回転により前記潤滑油を各フォイル間の隙間のフォイル幅方向の中央側へ流れ込む作用を生じさせる手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
この構成によると、軸の回転時、各フォイル間、最内層のフォイルと軸の外周面間、および最外層のフォイルとハウジングの内周面間に形成された潤滑油からなる油膜を介して滑りが生じる。各油膜の条件が同じだとすれば、滑り速度はフォイルの層数に逆比例するため、多層であるほど各層での滑り速度が小さくなる。そのため、フォイルを多層に設けることにより、油膜の粘性抵抗を低くして、軸受トルクの損失を抑えられる。
【００１０】
前記フォイルの肉厚は０．５mm以下であり、好ましくは０．０２mmないし０．１mmであるのが良い。
前記フローティングブッシュ型の滑り軸受が期待するほどの効果が得られないのは、フローティングブッシュの肉厚が厚いためであり、フォイルを肉厚０．５mm以下の薄肉とすることで、性能向上が図れる。また、フォイルを薄肉にすることで、軸受部分の径を大きくすることなく、フォイルの多層化を図れる。
【００１１】
前記潤滑油を各フォイル間の隙間のフォイル幅方向の中央側へ流れ込む作用を生じさせる手段が、前記フォイルの表面に設けられた動圧溝であり、この動圧溝は、前記フォイルの幅方向中央に対し対称形状であるのが良い。
フォイルの表面に前記動圧溝が設けられていると、軸受の運転時に潤滑油がフォイルの軸方向中央側に集まり、各フォイル間、最内層のフォイルと軸の外周面間、および最外層のフォイルとハウジングの内周面間に潤滑油を十分に保持させることができる。
【００１２】
前記フォイルは、前記ハウジングの内周面両端部と干渉させずに内周面中央部の内径側に装入できる程度に変形可能な弾性を有するのが好ましい。
フォイルを自らの弾性を利用してハウジングの内周面中央部の内径側に装入することができれば、軸受の組立が容易になる。
【００１３】
前記軸の前記ハウジング内周面中央部に対向する箇所は、軸の他の部分よりも径が大きくしても良い。
この場合は、軸の回転に伴うポンピング作用により、軸の外周面と、ハウジングの内周面中央部と、ハウジングの内周面段面部とに囲まれた空間内に潤滑油が送り込まれるため、前記空間内の潤滑油貯留量を十分に確保することができる。
【００１４】
また、前記ハウジングに、前記軸の外周面と、前記ハウジングの内周面中央部と、前記ハウジングの内周面段面部とに囲まれた空間内に潤滑油を供給する潤滑油供給孔を設けても良い。
この場合は、潤滑油供給孔から前記空間内に潤滑油を強制的に供給することで、前記空間内の潤滑油貯留量を十分に確保することができる。
【００１５】
この発明のフォイル軸受は、上記作用が得られるため、エンジンのクランクシャフトまたはターボ機械の主軸の支持用に好適に使用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の多層フォイル軸受組立体は、軸と、この軸の外周面に対向する内周面を有するハウジングとの間に、それぞれ径の異なる複数の円筒状フォイルを互いに径方向にすきまを持たせて配置し、各フォイル間、最内層のフォイルと軸の外周面間、および最外層のフォイルとハウジングの内周面間に潤滑油を保持させて油膜を形成することで、前記軸が最内層のフォイルに非接触で支持され、各フォイル同士が非接触で支持され、最外層のフォイルがハウジングに非接触で支持され、前記フォイルの肉厚は０．５mm以下であり、前記フォイルの回転により前記潤滑油を各フォイル間の隙間のフォイル幅方向の中央側へ流れ込む作用を生じさせる手段を設けたため、静粛な運転を行うことができ、トルク損失が少なく、起動停止時の摩耗がほとんどない。そのため、エンジンのクランクシャフトやターボ機械の主軸等の支持に適する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。図１はこの実施形態の多層フォイル軸受組立体の断面図を示す。この多層フォイル軸受組立体１は、ハウジング２に対して軸３を回転自在に支持するものであり、多層フォイル軸受部４として、それぞれ径の異なる複数の円筒状フォイル５〜９を有する。この実施形態ではフォイル数は５個である。各フォイル５〜９は、ハウジング２の内周と軸３の外周間に、互いに径方向にすきまを持たせて配置してある。各フォイル５〜９間、最内層のフォイル５と軸３の外周面３ａ間、および最外層のフォイル９とハウジング２の内周面２ａ間はそれぞれ油膜形成すきま１０とされ、各油膜形成すきま１０に潤滑油が保持されている。
【００１８】
フォイル５〜９は、肉厚０．５mmを超えない薄肉の金属板で、容易に変形し、かつ元の形状に復元可能な弾性を有するものとされている。フォイル５〜９の肉厚は、好ましくは０．０２mm〜０．１mmである。フォイル５〜９の材質としては、降伏応力が高いことが要求され、例えば焼入れによる加工硬化で降伏応力を向上させた炭素鋼や、りん青銅等の降伏応力の高い材料が適している。また、耐摩耗性の樹脂コーティングを施したものや、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を代表とする硬質皮膜を形成したものも好適に使用できる。さらに、各フォイル５〜９が同一の金属材料である必要はなく、異種金属のフォイルを交互に配置してもよい。
【００１９】
図２および図３に示すように、フォイル５〜９の表面には、多数の動圧溝１３が平行に設けられている。動圧溝１３は、左右一対の傾斜溝１３Ｌ，１３Ｒからなる。左右の傾斜１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれフォイル５における回転方向に対して角度αを有する。図３はフォイル５の動圧溝１３を例示している。この動圧溝１３は、軸３の回転に伴い、左右一対の傾斜溝１３Ｌ，１３Ｒによって潤滑油が中央にポンプインされることによって、前記油膜形成すきま１０に潤滑油を保持させ、油膜圧力を発生させる作用をする。動圧溝１３の幅、深さ、角度α等の各種設計値は、動圧軸受の設計をもとに容易に計算できる。
【００２０】
この実施形態では、動圧溝１３が等間隔で配置され、かつ動圧溝１３の幅と動圧溝１３間の背部の幅とが同一とされているが、動圧溝１３は不等間隔で配置しても良い。
また、軸３の回転方向が一方向である場合は、図３のように、動圧溝１３は、一対の傾斜溝１３Ｌ，１３Ｒからなるのが最も性能が良い。しかしながら、逆に組込まれた場合は、その性能を発揮することができない。そのため、図４に示すように、それぞれが左右一対の傾斜溝１３Ｌ，１３Ｒからなる正回転用動圧溝形成部１４Ａおよび逆回転用動圧溝形成部１４Ｂを、フォイル５〜９の表面における軸方向または幅方向に交互に並べて設けるのが好ましい。
【００２１】
フォイル５〜９の製作には、深絞り加工等の塑性加工が適している。深絞り加工によれば、ミクロンオーダーの高精度の加工が可能である。前述したように、フォイル５〜９は肉厚０．５mm以下と薄いため、切削加工は適用できない。できたとしても高コストになる。塑性加工以外のフォイル製作方法としては、低溶融合金で作られた円筒状の型の表面にフォイル材料である金属で必要厚さのメッキを行い、後で型を溶融除去する方法も利用できる。前記円筒状の型の材料として、低溶融合金の代わりに油脂を用いてもよい。また、出来上がったフォイルをローリング圧延して、径を微調整することも可能である。前記動圧溝１３は、例えば、上記各方法でフォイル５〜９の外形を製作した後、塑性加工により形成する。
【００２２】
この多層フォイル軸受組立体１の組立に際しては、ハウジング２に各フォイル５〜９を組み込んだ後、最内層のフォイル５の内周に軸３を挿通する。ハウジング２にフォイル５〜９を組み込むに当たり、図５に実線で示すように、フォイル５〜９の持つ弾性を利用してフォイル５〜９を変形させ、ハウジング２の鍔部２ｂをくぐらせて鍔部２ｂの軸方向内側に組み込む。つまり、各フォイル５〜９は、ハウジング２の内周面両端部２ａｂと干渉させずに内周面中央部２ａａの内径側に装入できる程度に変形可能な弾性を有するものとされている。同図に鎖線で示すように、組み込まれた後、フォイル５〜９は元の形状に自然に復元する。なお、図５では最外層のフォイル９を示している。
【００２３】
この構成の多層フォイル軸受組立体１によれば、各油膜形成すきま１０に潤滑油が保持されて油膜を形成しているため、軸３が最内層のフォイル５に非接触で支持され、最内層のフォイル５はその外側のフォイル６に非接触で支持されるというように、複数層のフォイル５〜９を介して軸３がハウジング２に支持される。軸３の回転時に生じる軸３の滑り速度は、フォイル５〜９の層数に比例して低下する。トルク損失は滑り速度に比例する。したがって、フォイル５〜９を多層化することによって、油膜の粘性抵抗を低くして、低トルク化が実現できる。また、各油膜形成すきま１０のすきま量が同一ならば、フォイル５〜９の層数に比例して増加する。このため、軸３の軸心周りに重量の不釣合いがあっても、振動が抑えられる。
【００２４】
各フォイル５〜９の表面に動圧溝１３Ｌ，１３Ｒが設けられているため、軸３の回転時に、油膜形成すきま１０に潤滑油を十分保持することができ、非接触支持を可能にする油膜圧力が発生させられる。また、軸外周面３ａのフォイル収容空間１１を構成する部分が他よりも大径の大径部３ａａとなり、この大径部３ａａと通常径部３ａｂとの間の部分がテーパ部３ａｃとなっているため、軸３が回転することにより、テーパ部３ａｃのポンピング作用により、図１に矢印で示すように、潤滑油流入路１２を通ってフォイル収容空間１１に潤滑油が流入する。このため、フォイル収容空間１１内に十分な量の潤滑油を確保することができる。
【００２５】
フォイル５〜９は薄肉であるため、フォイルを多層化しても、多層フォイル軸受部４の径方向寸法が大きくならない。このため、多層フォイル軸受組立体１の小型化が可能である。また、フォイル５〜９は、深絞り加工により低コストで製作することができる。このため、多層フォイル軸受組立体１の低廉化が可能である。
【００２６】
次に、図６に示す第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態は、軸方向幅が広い多層フォイル軸受組立体１への対応例である。軸方向幅が広いと、各油膜形成すきま１０の軸方向中央部で潤滑油が不足がちとなる。そこで、この多層フォイル軸受組立体１では、各フォイル５〜９の軸方向中央部に、内周側と外周側とを連通する連通孔１５を設けてある。この実施形態では円周方向の互いに等間隔に位置する２箇所に連通孔１５が設けられているが、連通孔１５の個数は２個に限らない。さらに、ハウジング２の軸方向中央部に潤滑油供給孔１６が設けられており、図示しない潤滑油供給装置から送られてくる潤滑油が、前記潤滑油供給孔１６より、フォイル収容空間１１内に供給される。潤滑油供給孔１６の内径側端に連なるハウジング２の内周面には、潤滑油供給孔１６から供給される潤滑油を、フォイル収容空間１１内において周方向に導く円周溝１７が形成されている。
この第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、軸３が全域にわたって等径とされている。また、ハウジング２の内周面２ａにおける両端部２ａｂと段面部２ａｃ間に傾斜面部が設けられていない。他は、第１の実施形態と同じである。
【００２７】
上記第２の実施形態の構成とすると、潤滑油供給孔１６から強制的にフォイル収容空間１１内に潤滑油が供給され、その潤滑油が円周溝１７を通って最外層のフォイル９の連通孔１５から、最外層のフォイル９とその内側のフォイル８間の油膜形成すきま１０の軸方向中央部に供給される。同様にして、順に内側の油膜形成すきま１０の軸方向中央部に潤滑油が供給される。このため、各油膜形成すきま１０における軸方向中央部での潤滑油不足を解消できる。
【００２８】
この発明の多層フォイル軸受組立体１の使用例を示す。図７は、第１の実施形態の多層フォイル軸受組立体１を、エンジンのクランクシャフト２０の両端を支持する軸受に適用した例を示す。クランクシャフト２０は、回転中心軸２１と、バランスウェイト２２と、クランクピン２３とで構成され、回転中心軸２１の両端部が多層フォイル軸受組立体１により回転自在に支持されている。この場合、回転中心軸２１が多層フォイル軸受組立体１における軸３にあたる。クランクピン２３は、コンロッド２４の一方の端部２４ａに軸受２５により回転自在に支持されている。この軸受２５にも多層フォイル軸受組立体１を適用してよい。
【００２９】
図８は、第２の実施形態の多層フォイル軸受組立体１を、ターボ機械の一種であるマイクロガスタービンの主軸３１を支持する軸受に適用した例を示す。マイクロガスタービンは、空気圧縮機３２により空気を圧縮し、この圧縮した空気を用いて燃焼器３３により燃料を燃焼させ、それによって生じた高温・高圧の燃焼ガスでタービン３４の動翼を回すことによって、発電機３５で電力を得る。得られた電力はインバータ３６を介して出力される。また、空気圧縮機３２から燃焼器３３へ送られる圧縮空気の熱、およびタービン３４を出た燃焼ガスの熱が熱回収装置３７により回収されて、水を温水にする。
【００３０】
主軸３１は、空気圧縮機３２とタービン３４の各タービン翼車を両端に取付けた軸であり、軸方向の複数箇所（この実施形態では２箇所）で、多層フォイル軸受組立体１によりハウジング３８に回転自在に支持されている。この場合、主軸３３が多層フォイル軸受組立体１における軸３にあたり、ハウジング３８が多層フォイル軸受組立体１におけるハウジング２にあたる。
【００３１】
この発明の多層フォイル軸受組立体１は、上記したように、エンジンのクランクシャフト２０の両端を支持する軸受部や、マイクロガスタービン等のターボ機械の主軸３１を支持する軸受部に適するが、それ以外の軸受部にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる多層フォイル軸受組立体の断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】フォイル表面の展開図である。
【図４】異なるフォイル表面の展開図である。
【図５】フォイルの組込方法を示す説明図である。
【図６】この発明の第２の実施形態にかかる多層フォイル軸受組立体の断面図である。
【図７】第１の実施形態の多層フォイル軸受組立体を組み込んだエンジンのクランクシャフトの一部断面図である。
【図８】第２の実施形態の多層フォイル軸受組立体を組み込んだターボ機械の断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…多層フォイル軸受組立体
２…ハウジング
２ａ…ハウジング内周面
３…軸
３ａ…軸外周面
５〜９…フォイル
１０…油膜形成すきま
１３…動圧溝
２０…クランクシャフト
２１…回転中心軸
３１…主軸
３８…ハウジング
【図１】
0005026200.tif 000002
【図２】
0005026200.tif 000003
【図３】
0005026200.tif 000004
【図４】
0005026200.tif 000005
【図５】
0005026200.tif 000006
【図６】
0005026200.tif 000007
【図７】
0005026200.tif 000008
【図８】
0005026200.tif 000009