(57)【要約】      （修正有）【課題】スラストベアリング装置を改善し、特に、比較的低いコストで、スラストベアリング装置の支持面及び座面の摩耗を低減させるように発展させる。【解決手段】高回転数用のスラストベアリング装置１０は、位置が固定された支持面１４、および、軸受け対象のシャフト１２に設けられた、支持面１４において軸方向支持のための一つの座面１８を持つスラストベアリング・カラー１６を備える。本発明においては回転対称のスラストベアリング・カラー１６が座面１８に関して軸方向に呈する質量配分は、高回転数において、高回転数により生じた、スラストベアリング・カラー１６の座面１８が支持面から離れる変形を妨げるように作用する、スラストベアリング・カラー１６内に生じ、座面１８の方向に作用する曲げモーメントを生じさせるような質量配分である。【選択図】図１
2009074690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラストベアリング装置、特に高回転数用のスラストベアリング装置であって、位置が固定された支持面（１４）、および軸受け対象のシャフト（１２）に設けられ、支持面（１４）において軸方向支持のための一つの座面（１８、６４、９６）を持つスラストベアリング・カラー（１６、５２、８４）を備えるスラストベアリング装置において、
回転対称のスラストベアリング・カラー（１６、５２、８４）が座面（１８、６４、９６）に関して軸方向に呈する質量配分が、高回転数において、高回転数により生じた、スラストベアリング・カラー（１６、５２、８４）の座面（１８、６４、９６）が支持面（１４）から離れる変形を妨げるように作用する、スラストベアリング・カラー（１６、５２、８４）内に生じ、座面（１８、６４、９６）の方向に作用する曲げモーメントを生じさせるような質量配分であることを特徴とする、スラストベアリング装置。
【請求項２】
スラストベアリング・カラー（１６、５２、８４）の、回転軸Ｒまでの半径方向の距離が最も大きい一つの部分（３６、６０、９４）が、この部分に隣接し半径方向においてより内側に位置するスラストベアリング・カラー（１６、５２、８４）の一つの部分（３８、６８、１００）と比較したとき、半径方向の距離が最も大きい部分（３６、６０、９４）の重心（４０、６２、９２）が、この部分に隣接する部分（３８、６８、１００）の重心（４２、６６、９８）より、軸方向において座面（１８、６４、９６）からより遠くに位置するような質量配分を呈することを特徴とする、請求項１に記載のスラストベアリング装置。
【請求項３】
スラストベアリング・カラー（１６）の、より内側に位置する部分（３８）の、座面（１８）の反対側の背面（２０）に、シャフト（１２）の回転軸（Ｒ）に対して同心円状に少なくとも１つの、周回する環状溝（２４）が設けられていることを特徴とする、請求項２に記載のスラストベアリング装置。
【請求項４】
背面（２０）の環状溝（２４）への移行が角の丸みにより構成されていることを特徴とする、請求項３に記載のスラストベアリング装置。
【請求項５】
環状溝（２４）の溝縁（２６、３４）の、その溝底（３０）への移行が、角の丸み（２８、３２）により構成されていることを特徴とする、請求項３または請求項４のいずれか一項に記載のスラストベアリング装置。
【請求項６】
半径方向においてより外側に位置する溝縁（３４）が、回転軸（Ｒ）に対して４０〜７５°の範囲の角度で傾斜して溝底（３０）に移行することを特徴とする、請求項３、請求項４、請求項５のいずれか一項に記載のスラストベアリング装置。
【請求項７】
スラストベアリング・カラー（５２、８４）の、回転軸（Ｒ）までの半径方向の距離が最大である部分（６０、９４）に、追加的な質量（５６、９０）が設けられていることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のスラストベアリング装置。
【請求項８】
追加的な質量が、スラストベアリング・カラー（５２）の、支持面の反対側にある背面（５４）より軸方向に張り出したフランジ（５６）により形成されていることを特徴とする、請求項７に記載のスラストベアリング装置。
【請求項９】
追加的な質量が、より高密度の材料で作製された少なくとも１つの重量要素、望ましくはリング（９０）で形成されており、このリング（９０）が、背面（８６）の近くまたは背面（８６）において、回転軸（Ｒ）までの半径方向の距離が最も大きい部分（９４）内にセットされている、またはこの部分（９４）に取り付けられていることを特徴とする、請求項７または請求項８のいずれか一項に記載のスラストベアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は特に、高回転数用のスラストベアリング装置に関するものであり、該スラストベアリング装置は、１つの固定支持面及び、軸受するシャフトに設けられた１つのスラストベアリング・カラーを備えており、該スラストベアリング・カラーには、軸方向支持のために該支持面に座面が設けられている。
【背景技術】
【０００２】
上述のスラストベアリング装置はすでに以前から知られている。従来の技術において既知のスラストベアリング装置の例が図４に示されており、同図にはスラストベアリング装置の上半分ａの回転軸Ｒに沿った縦断面が図示されている。
【０００３】
スラストベアリング装置ａには、たとえばスラストベアリング装置ａのベアリング・ハウジング内に設けられた固定支持面ｂがある。シャフトｃには、軸方向軸受のためにスラストベアリング・カラーｄが設けられている。スラストベアリング・カラーｄには、シャフトｃの回転軸Ｒに対して直角に延びる座面ｅがあり、この座面ｅがあることによりシャフトｃが支持面ｂに対して軸方向にプレテンションをかけられた場合にスラストベアリング・カラーｄが支持面ｂに対して当接する。
【０００４】
図４に示したようにスラストベアリング装置ａを使用すると、シャフトｃの回転数が高い場合、特に毎分数千回転の場合に、スラストベアリング・カラーｄに変形が生じ、その際、スラストベアリング・カラーｄは、回転軸Ｒから遠ざかるにしたがって支持面ｂから遠ざかるように曲がることが示されており、図４にはわかりやすくするために寸法比を無視してスラストベアリング・カラーｄが点線で示されている。このとき、支持面ｂと座面ｅとの間の軸方向のプレテンションは、回転軸Ｒから半径方向に遠ざかるにつれて低下する。スラストベアリング装置ａのプレテンションが不均一であるために、支持面ｂおよび座面ｅの摩耗も不均一になる。さらに、軸受けのために十分な軸方向のプレテンションを確保するために、シャフトｃはそれに応じてさらに高いプレテンション力で軸方向にプレテンションをかける必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、上述した態様のスラストベアリング装置を改善し、特に、比較的低コストで、スラストベアリング装置の支持面及び座面の摩耗を低減させるように発展させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、本発明により、請求項１に記載の特徴をもつスラストベアリング装置により解決され、特に、回転対称のスラストベアリング・カラーが座面の半径方向に呈する質量配分により解決されるが、該質量配分により、高回転数の場合にスラストベアリング・カラー内に、座面の方向に作用する曲げモーメントが発生し、該曲げモーメントは、高回転数により生じた、スラストベアリング・カラーの座面が支持面から離れるという変形を妨げるよう作用する。
【０００７】
複数の実験で示されているように、スラストベアリング・カラー内で適切な質量配分を行うことにより、高回転数により生じた、スラストベアリング・カラーの座面が支持面から離れるという変形を妨げるように作用する、所定の曲げモーメントを生じさせることが可能である。この望ましくない変形の度合と同様、この曲げモーメントも回転数に依存する。スラストベアリング・カラー内の相応の質量配分は、たとえば有限要素法により非常に精確に決定でき、この質量配分により、ほぼすべての回転数において座面の望ましくない変形が回避またはいずれにせよ低減できるように曲げモーメントを設定することが可能である。したがってスラストベアリング・カラーは、質量配分に応じて、回転軸から出発してさまざまに異なる質量をもつ部分に理論的に分けられ、つまり、回転軸までの半径方向の距離が最も長い部分、および、この部分に隣接し、回転軸までの半径方向の距離がより短い部分に分けられる。異なる部分に異なる質量を割り当てることにより、個々の部分にそれぞれ割り当てられる重心が、質量に応じて軸方向においてずれることになる。この質量配分は望ましくは、回転軸までの半径方向距離が一番長い部分の重心の、座面までの軸方向の距離が、この部分に隣接し、回転軸までの半径方向距離がより短い部分の重心の場合より長くなるように、個々の部分の重心を軸方向に互いにずらすように行われる。重心をずらして構成することにより、シャフトの高回転数の場合にスラストベアリング・カラー内に曲げモーメントが生じ、該曲げモーメントは座面の方向に作用し、かつ、従来の技術のスラストベアリング装置において発生することが知られている変形を妨げるように作用する。このように単純かつエレガントな方法により、高回転数及び最高回転数においても、従来の技術において発生する、スラストベアリング・カラーの曲がりを適切に妨げるよう作用させることができる。補足的に注意すべきことは、スラストベアリング・カラーはシャフトと一体化して構成するか、または、代替的に既知の方法で、たとえばシャフトの肩と締まりばめとにより、トルクプルーフかつ軸方向にスライドできないようにシャフトに固く結合することができる。
【０００８】
本発明の好適なさらなる発展形は、明細書、従属請求項、図から理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のスラストベアリング装置の特に好適な実施形態においては、高回転数において所望の曲げモーメントの形成を達成するために、回転軸までの半径方向の距離が最も長いスラストベアリング・カラーの部分には、この部分に隣接し、半径方向においてより内側に配置されたスラストベアリング・カラー部分と比較して、より大きな質量を与えるよう提案されている。このとき、回転軸までの半径方向の距離が最も長い部分に生じる重心の位置は、軸方向に見た場合に、隣接する部分の重心と比較して、座面からより遠くに位置するように設計されており、それにより、すでに述べたように、高回転数における所望の曲げモーメントが生じる。
【００１０】
スラストベアリング・カラーにおいて所望の質量配分を得るために、本発明のスラストベアリング装置の特に好適な実施形態においては、座面とは反対側の、半径方向においてより内側に配置されたスラストベアリング・カラー部分の背面に、シャフト回転軸に対して同心円状に、周回する環状溝が少なくとも１つ設けられている。この環状溝により、座面の方向に重心がずれるのと同時に該部分の質量が低減されるため、所望の質量配分が得られると同時に、必要な重心の移動が行われる。さらに、本実施形態の重要な長所は、前記溝の深さと幅、及び回転軸までの距離を適切に割り当てることにより、非常に適切に、所与の回転数に応じて曲げモーメントを与えることができ、また場合によっては後から修正することができるという点にある。許容される最高回転数が異なる複数のスラストベアリング装置を作動させる場合、これらは同じ基礎コンポーネントで構成することができ、その際、スラストベアリング・カラーの製造においては、前記の溝を適切に配置及び構成することにより、これら異なる許容最高回転数を考慮することができ、またそのために最適化した曲げモーメントを与えることができる。その際特に好適であるのは、軸受けするシャフトに後から固く結合されるスラストベアリング・カラーを別個の構成部品として実施することである。
【００１１】
スラストベアリング・カラー背面から環状溝への移行部は好適には角の丸みとして構成されているため、生じた曲げ応力、特に環状溝の領域に発生する曲げ応力が材料内に流れることができ、材料内でピーク応力が生じるのを回避できる。その際、環状溝の溝縁の、溝底への移行が角の丸みとして構成されていることも有利である。
【００１２】
さらに本実施形態においては、半径方向においてより外側に配置された溝縁を、回転軸に関して４０〜７５°の範囲の角度で傾斜させて溝底に移行するようにすることも利点であり、それにより、高回転数における応力の伝播にも同様に好ましい影響がある。さらに、スラストベアリング・カラーの曲げ挙動も、溝縁の経路と長さとにより、たとえば有限要素法を用いて定義して与えることができる。
【００１３】
溝を備える実施形態の補足として、または、代替的な実施形態の提案として、所望の曲げモーメントを生じさせるために、回転軸までの半径方向の距離が最大であるスラストベアリング・カラー部分に質量を追加することが挙げられる。
【００１４】
そのために、本実施形態の特に好適な発展形においては、支持面の反対側にあるスラストベアリング・カラー背面の上に軸方向にせり出した１つのフランジによる追加的な質量が構成されている。このときこのフランジの形状と長さは、好適には、ここでも、異なる許容最高回転数を考慮して、さまざまに異なる回転数における異なる曲げモーメントを与えられるように決めることができる。
【００１５】
代替的に、または、上記を補足するものとして提案されるのが、追加的質量を、密度の比較的高い材料製の、望ましくはリング状の、少なくとも１つの重量要素により設けることであり、このリングは、回転軸までの半径方向の距離が最大である部分のスラストベアリング・カラー背面付近に、または、スラストベアリング・カラー背面に接してセットするか、または、これに溶接または締まりばめにより結合する。
【００１６】
以下に、本発明を３つの実施例に基づいて、図を参照しながら詳述する。
【００１７】
図１には、シャフト１２を軸方向に軸受けするための、本発明のスラストベアリング装置１０の回転軸Ｒに沿った縦断面の上半分が図示されている。スラストベアリング装置１０には、ハウジング内に設けられた、固定した支持面１４があり、該支持面１４は回転軸Ｒに対して直角に延びる平面上にある。
【００１８】
シャフト１２の自由端には、半径方向に外側に突き出しているスラストベアリング・カラー１６が設けられている。スラストベアリング・カラー１６の横断面はほぼ長方形の基本形態をしており、１つのアンダーカットを形成しつつシャフト１２の外側面に移行している。スラストベアリング・カラー１６には、同様に回転軸Ｒに対して直角に延びる座面１８があり、この座面１８によりスラストベアリング・カラー１６は軸方向に軸受けするために支持面１４に対してプレテンションがかけられている。
【００１９】
スラストベアリング・カラー１６には、座面１８の反対側にあるスラストベアリング・カラー１６の背面２０上において、該スラストベアリング・カラー１６の外側面２２から隔てられて溝２４が設けられている。溝２４には、回転軸Ｒに平行に走る第１溝縁２６があり、該溝縁２６は角の丸み２８を形成しながら平坦な溝底３０に移行し、該溝底３０は、座面１８に対しておよそ３°の角度でわずかに傾斜している。溝底３０は、第２の角の丸み３２を形成しながら第２の溝縁３４に移行し、該第２の溝縁３４は、シャフト１２の回転軸Ｒに対しておよそ４５°の角度で傾斜している。
【００２０】
わかりやすくするために、スラストベアリング・カラー１６は、回転軸Ｒに対して最も大きな半径距離を持つ、想定上の部分３６と、この部分に隣接し、溝２４が設けられている想定上の部分３８とに分けられる（図中では点線で示される）。部分３８内に設けられた溝２４があるために、これら２つの部分３６と３８との間で軸方向における質量の配分が異なるため、これら２つの部分３６および３８の、それぞれの重心４０および４２の位置は互いに異なっている。このとき、回転軸Ｒまでの半径方向の距離が最大である部分３６の重心４０は、この部分３６に隣接する部分３８の重心４２より、軸方向において座面１８からより遠くに位置している。
【００２１】
シャフト１２が、高回転数、特に１分間に数千回という回転数で回転している場合、部分３６および３８のそれぞれの重心４０、４２がずらして配置されていることにより、部分３８において、部分３８に作用する求心力により、支持面１４の方向に作用する曲げモーメントが発生し、該曲げモーメントは、従来の技術（図４参照）において見られる、反対の方向に生じる変形を解消するように決定されており、および、座面１８は少なくとも、回転軸Ｒに対して直角に延びる平面とほぼ同一平面上に来る。
【００２２】
図２は、本発明のスラストベアリング装置５０の第２の実施例を図１と同様の縦断面図で示したものである。スラストベアリング装置５０の構造は、スラストベアリング装置１０の構造にほぼ対応する。唯一の違いは、スラストベアリング・カラー５２の実施状態である。スラストベアリング・カラー５２には、第１実施例のスラストベアリング・カラー１６に設けられた溝２４の代わりに、スラストベアリング・カラー５２の背面５４から張り出しているフランジ５６があり、該フランジ５６は、スラストベアリング・カラー５２の外側面５８内に面一に移行している。回転軸Ｒまでの半径方向の距離が最も大きい部分６０の構成部分であるフランジ５６があるために、部分６０の重心６２は、該部分６０に隣接する部分６８の重心６６より、軸方向においてスラストベアリング・カラー５２の座面６４からより遠くに位置する。ここでも、部分６２および６８の重心６０および６６の位置が、互いに相対的にずれているため、高回転数の場合に曲げモーメントが生じ、この曲げモーメントによりスラストベアリング・カラー５２が支持面７０の方向に向かって変形するために、座面６４は高回転数においても少なくともほぼ平面を示す。
【００２３】
図３は、スラストベアリング装置８０の第３の実施例を示しており、図２に示したスラストベアリング装置５０とは、スラストベアリング・カラー８４の外側面８２の移行部にフランジ５６の代わりに、スラストベアリング・カラー８４の背面８６にリセス８８が設けられているという点が異なり、このリセス８８には、スラストベアリング・カラー８４が作製されているその他の材料より密度が高い材料から作製されたリング９０がセットされている。リング９０は、締まりばめによりリセス８８に保持されている。
【００２４】
リング９０により、回転軸Ｒまでの半径方向の距離が最大である部分９４の重心９２は、軸方向においては座面９６から離れ、また部分９４に隣接する部分１００の重心９８に対しては相対的にずれる。高回転数においては、このことによっても座面９６の方向への曲げモーメント発生につながり、それにより、その他の場合には生じるスラストベアリング・カラー８４の変形が解消され、座面９６は回転中に少なくともほぼ平面を示す。
【００２５】
図１から図３に示された実施例は、多くの可能な構成の中のわずか３例を示したにすぎない。そのため、これら基本的な３例は、たとえばスラストベアリング・カラーの背面から軸方向に張り出した、スラストベアリング・カラーの材料より密度の高い材料で作製したリングを使用するなど、互いに組み合わせることが可能である。また、図２および図３に示された実施例において、回転軸Ｒに対して同心円状に走る１つまたは複数の環状溝を背面に追加的に設けることも、本発明の枠内にある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のスラストベアリング装置の第１の実施例の回転軸に沿った縦断面の上半分の図であり、座面の反対側にあるスラストベアリング・カラー背面に溝が設けられている。
【図２】本発明のスラストベアリング装置の第２の実施例の回転軸に沿った縦断面の上半分の図であり、半径方向において最も外側に配置されたスラストベアリング・カラー部分の、座面の反対側の背面に、軸方向にせり出したフランジが設けられている。
【図３】本発明のスラストベアリング装置の第３の実施例の回転軸に沿った縦断面の上半分の図であり、座面の反対側のスラストベアリング・カラー背面において、その外周面の近くに、より高密度の材料で作製されたリングが配置されている。
【図４】従来の技術により知られているスラストベアリング装置の回転軸に沿った縦断面の上半分の図であり、高回転数におけるスラストベアリング・カラーの変形が図示されている。
【符号の説明】
【００２７】
ａ    スラストベアリング装置
ｂ    支持面
ｃ    シャフト
ｄ    スラストベアリング・カラー
ｅ    座面
１０    スラストベアリング装置
１２    シャフト
１４    支持面
Ｒ      回転軸
１６    スラストベアリング・カラー
１８    座面
２０    背面
２２    外側面
２４    溝
２６    第１の溝縁
２８    第１の角の丸み
３０    第２の溝底
３２    第２の角の丸み
３４    第２の溝縁
３６    回転軸までの半径方向の距離が最大である部分
３８    半径方向においてより内側に位置する部分
４０    重心
４２    重心
５０    スラストベアリング装置
５２    スラストベアリング・カラー
５４    背面
５６    フランジ
５８    外側面
６０    回転軸までの半径方向の距離が最大である部分
６２    重心
６４    座面
６６    重心
６８    半径方向においてより内側に位置する部分
７０    支持面
８０    スラストベアリング装置
８２    外側面
８４    スラストベアリング・カラー
８６    背面
８８    リセス
９０    リング
９２    重心
９４    回転軸までの半径方向の距離が最大である部分
９６    座面
９８    重心
１００    半径方向においてより内側に位置する部分
【図１】
2009074690.tif 000003
【図２】
2009074690.tif 000004
【図３】
2009074690.tif 000005
【図４】
2009074690.tif 000006