(57)【要約】【課題】ワイヤーケージを有するベアリングを備えるスワッシュプレート組立部品の耐久性を改善する。【解決手段】ＡＨ−６４アパッチヘリコプターの主回転翼の改良されたスワッシュプレートであり、当該スワッシュプレートは、固定されたスワッシュプレートと回転するスワッシュプレートとそれらのスワッシュプレートの間に配置されたボールベアリングとを備え、当該ボールベアリングは、外側リングと内側リングと、それらの内側リングと外側リングとの間に配置された２組のボール群と、それらの内側リングと外側リングの間に配置された環状ワイヤーケージとを備える。改良点の一つとして、当該内側リング、当該外側リングおよび当該ボール群はＭ５０合金でできている。【選択図】図２
2009078797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定されたスワッシュプレートと、回転するスワッシュプレートと、前記固定されたスワッシュプレートと前記回転するスワッシュプレートとの間に配置されたボールベアリングとを備えるスワッシュプレート組立部品であって、
前記ボールベアリングは、外側リングと、２個の内側リングと、前記外側リングと前記内側リングの各々との間に１組ずつ配置されたボール群と、前記ボール群の各々のために設けられ前記内側リングの各々と前記外側リングとの間に１個ずつ配置された環状ワイヤーケージとを備え、
前記外側リングと前記ボール群はＭ５０合金でできている
スワッシュプレート組立部品。
【請求項２】
前記Ｍ５０合金はＣＥＶＭ合金である
請求項１に記載のスワッシュプレート組立部品。
【請求項３】
前記Ｍ５０合金はＶＩＭ−ＶＡＭ合金である
請求項１に記載のスワッシュプレート組立部品。
【請求項４】
前記外側リングの外径は約３３．６５センチメートルもしくは約１３．２５インチであり、内側リングの内径は約２９．８５センチメートルもしくは約１１．７５インチであり、前記ボール群に含まれるボールの直径は約１．１１センチメートルもしくは約７／１６インチである
請求項１に記載のスワッシュプレート組立部品。
【請求項５】
前記外側リングの外径は約３３．６５センチメートルもしくは約１３．２５インチであり、内側リングの内径は約２９．８５センチメートルもしくは約１１．７５インチであり、前記ボール群に含まれるボールの直径は約１．１１センチメートルもしくは約７／１６インチである
請求項１に記載のスワッシュプレート組立部品。
【請求項６】
前記ベアリングの軸端の各々の部分に、前記内側リングと前記外側リングとの間に配置されたシールを備える
請求項１に記載のスワッシュプレート組立部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールベアリングに関し、より詳しくは、回転翼航空機のスワッシュプレート組立部品に用いられるボールベアリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘリコプターなどの回転翼航空機においては、特にそれらの回転翼システムにおいて、独特の環境下でボールベアリングが使用される。例えば、ヘリコプターのスワッシュプレートおよび回転翼の羽の台座部において用いられるベアリングは、各々のヘリコプターによって異なる所定の負荷や速度に関する条件下において継続的に安心して使用されるように個別に設計される必要がある。従って、他のタイプの機械で用いられるベアリングは回転翼航空機のベアリング、特にヘリコプター用のベアリングとはあまり類似点がない。このようなわけで、この分野の通常の技能を有する者は、他の種類の機械に用いられるベアリングの構造は、ヘリコプターのスワッシュプレートや回転翼の羽の台座部などには適合しないと考えている。
【０００３】
ヘリコプターの主回転翼に用いられるベアリングは、一般的に、１つの外側リング、２つの内側リング、そして２組のボール群を備えており、それらはいずれもロックウェル硬度が少なくともＨＲＣ５８であるＣＥＶＭ−５２１００と呼ばれる合金により製造されている。ここで、「ＣＥＶＭ」は「消耗電極真空溶解」を意味する。この５２１００合金は名目比重で０．９８−１．１０％の炭素、０．２５−０．４５％のマンガン、０．０２５以下のリン、０．０２５以下の硫黄、０．１５−０．３０，０．３２％のシリコン、そして１．３０，１．３２−１．６０％のクロムを伴う鉄でできている。ボール群のボールは直径約１．１１センチメートル（ｃｍ）（約７／１６インチ（ｉｎ．））で、各列には通常、８３個のボールが含まれる。ベアリングは、各々のボール群の列に関し環状ワイヤーケージを備えている。ワイヤーケージは１７−７ＰＨ鉄合金でできており、１７−７ＰＨ鉄合金は名目比重で約１６．８％のクロム、約０．８％の炭素、約７．３％のニッケル、そして約１．２％のアルミニウムを伴う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したベアリングは、いくつかある問題の一つとして、ワイヤーケージが損傷を受けやすいという問題を有している。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、ヘリコプターの主回転翼の改善されたスワッシュプレート組立部品に関する。本発明にかかるスワッシュプレート組立部品は、固定されたスワッシュプレートと回転するスワッシュプレートと、それらの間に配置されたボールベアリングとを備える。当該ボールベアリングは、外側リングと、内側リングと、当該内側リングと当該外側リングとの間に配置された２組のボール群と、当該内側リングと当該外側リングとの間に配置されたワイヤーループケージを備える。内側リングと、外側リングと、ボール群はＭ５０合金でできている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明はヘリコプターの改良手段、より詳しくは回転翼スワッシュプレート組立部品の改良手段を提供する。本発明はスワッシュプレート組立部品に用いられるベアリングに関し、当該ベアリングは、例えばＣＥＶＭ−Ｍ５０やＶＩＭ−ＶＡＲ−Ｍ５０などのＭ５０として知られる合金でできた複数のリングとローラーボール群とを備えている。ここで、「ＶＩＭ−ＶＡＲ」は、本技術分野で知られているように、その材料が真空誘導溶解−真空アーク再溶解により製造されていることを意味している。Ｍ５０合金は名目比重で約０．８％の炭素、約４．１％のクロム、約４．２５％のモリブデン、そして約１％のバナジウムを伴う鉄でできている。一実施形態において、リングはＨＲＣ６０−６４のロックウェル硬度を有し、ボールは少なくとも約ＨＲＣ６０のロックウェル硬度を有している。さらに、ベアリングはボールが互いに接触することを防止するための環状ワイヤーケージを備えている。
【０００７】
本発明の一実施形態にかかるベアリング１０を図１に示す。ベアリング１０は、１つの外側リング１２と、外側リング１２の内側に配置される２つの内側リング１４および１６とを備えている。内側リング１４と内側リング１６の間にはスペーサーリング１８が配置されている。スペーサーリング１８は２つのフランジ１８ａおよび１８ｂを有し、それらは外側リング１２の方向に伸びている。
【０００８】
外側リング１２と内側リング１４の間には第１のボール群２０が配置され、外側リング１２と内側リング１６の間には第２のボール群２２が配置されている。第１のボール群２０および第２のボール群２２の各々は８３個のボールから成る。各々のボール群に関し、隣接するボール同士が接触しないように、環状ワイヤーケージ２４もしくは２６が設けられている。ベアリング１０の有する２つの軸の各々の端部には、鋳造成形されたシール３０および３２が配置され、それらのシールは内側リングと外側リングの間をつなぐように伸びている。シール３０および３２はフルオロシリコンエラストマー材料でできている。シール３０および３２はベアリングの負荷ゾーンに汚染物質が入り込むのを防止すると同時に、潤滑油がベアリング内に留まるのを助ける。
【０００９】
本発明による場合、外側リング１２、内側リング１４および１６、そしてボール群２０および２２は全てＭ５０合金鋼でできている。
【００１０】
ワイヤーケージ２４および２６は、例えば１７−７ＰＨ合金でできている。スペーサーリング１８は、例えば５２１００合金でできており、少なくとも約ＨＲＣ５８、場合によっては少なくともＨＲＣ６０のロックウェル硬度を持つように熱処理されていてもよい。
【００１１】
場合によっては、ベアリング１０はスペーサーリング１８と外側リング１２の間に密封される第３のボール群を備えてもよい。例えば、第３のボール群は、フランジ１８ａとフランジ１８ｂの間に密封される。
【００１２】
一実施形態において、本発明にかかるベアリングは次の表１に示される特性を備える。
【００１３】
【表１】
2009078797.tif 000003
【００１４】
表１に示される一実施形態において、ベアリング１０の外側リングの外径は約３３．６５センチメートル（ｃｍ）（約１３．２５ｉｎ．）であり、内側リングの内径は約２９．８５ｃｍ（約１１．７５ｉｎ．）である。ベアリング１０の軸方向の幅Ｗは約６．３５ｃｍ（約２．５ｉｎ．）である。ボールの直径は約１．１１ｃｍ（約７／１６ｉｎ．）である。軌道は、ベアリングの回転軸に対し垂直にベアリングを横断する面に対するボール接触角αとして約３９．５°を与える。スペーサーは熱処理を施され、その軸方向の幅は、室温下でケージの負荷が約４５．３６ｋｇ（約１００ポンド）の状態で測定した場合に、部品間の隙間が望ましい大きさとなるように調整されている。約摂氏２１．２°（約華氏７０°）において直径約２９．１センチメートル（ｃｍ）（約１１．４６ｉｎ．）のアルミシャフトであって、軸方向に押しつけ固定された内側案内溝と、約摂氏２１．２°（約華氏７０°）において内側直径約３３．６５ｃｍ（約１３．２５ｉｎ．）であるアルミのハウジングとを伴うアルミシャフトに対しベアリングが取り付けられ、約摂氏６５°（約華氏１５０°）の下で運転された場合、その隙間はゼロ（前負荷なし）に減少し、ボール接触角は３０°に減少する。
【００１５】
本明細書に記載のベアリングは、ＡＨ−６４アパッチヘリコプターの主回転翼のスワッシュプレートのベアリングとして用いることができる。図２に示されるように、この改良されたＡＨ−６４用のスワッシュプレート組立部品４０は、いずれもシャフト４６に取り付けられた、固定された（回転しない）スワッシュプレート４２と回転するスワッシュプレート４４との間に取り付けられたベアリング１０を備えている。
【００１６】
ベアリング１０にＭ５０合金を用いることにより、驚くべきことに、ベアリング１０は従来技術にかかるベアリングと比べて図２に示される組立部品に含まれるベアリングの寿命を著しく延ばす。例えば、５２１００合金のリングとボールを備える従来技術にかかるベアリングと比較して、約２５０〜約３００％のベアリング寿命の改善が実現され得る。
【００１７】
ベアリング寿命の劇的な改善という観点からは、ベアリングにおける各ボール群に含まれるボールの数を減らし、ボールを分離するためにより厚く強度の高いワイヤーケージを用いることで、従来技術にかかるベアリングにおいて発生するワイヤーケージの損傷を低減することができる。例えば、各ボール群に含まれるボールの数を２、３個、場合によってはそれ以上減らしてもよい。また、ワイヤーケージの輪の大きさを大きくすることにより、より太いワイヤーを用いることが可能となる。
【００１８】
特に断らない限り、本明細書において開示されている数値の範囲はその端の値および間の値の全てを含み、またそれらが組み合わされてもよい。本明細書における「第１」、「第２」およびそれらに類似する表現は順序、数量、重要性のいずれも意味せず、単にある構成要素を他の構成要素から区別するために用いられている。さらに、本明細書における不定冠詞は数量の限定を意味せず、単に少なくとも対象の構成要素が１つ存在することを意味する。また、特に断らない限り、「約」が付された数値は全て、その数値の正確な値を含むことを意味する。
【００１９】
本発明はその具体的な実施形態を用いて説明されているが、本技術分野における通常の技能を有する者が上述の開示内容を読み理解する際、開示されている実施形態の様々な変形例もしくは代替例もまた、本発明および別途添付の請求項の範囲内に入るものと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかるベアリングの部分断面図である。
【図２】図２は、スワッシュプレート組立部品に用いられた図１のベアリングの部分概略図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  ベアリング
１２  外側リング
１４  内側リング
１６  内側リング
１８  スペーサーリング
２０  ボール群
２２  ボール群
２４  環状ワイヤーケージ
２６  環状ワイヤーゲージ
３０  鋳造成形されたシール
３２  鋳造成形されたシール
４０  スワッシュプレート組立部品
４２  固定された（回転しない）スワッシュプレート
４４  回転するスワッシュプレート
４６  シャフト
【図１】
2009078797.tif 000004
【図２】
2009078797.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成20年8月29日(2008.8.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定されたスワッシュプレートと、回転するスワッシュプレートと、前記固定されたスワッシュプレートと前記回転するスワッシュプレートとの間に配置されたボールベアリングとを備えるスワッシュプレート組立部品であって、
前記ボールベアリングは、外側リングと、２個の内側リングと、前記外側リングと前記内側リングの各々との間に１組ずつ配置されたボール群と、前記ボール群の各々のために設けられ前記内側リングの各々と前記外側リングとの間に１個ずつ配置された環状ワイヤーケージとを備え、
前記外側リングと前記ボール群はＭ５０合金でできている
スワッシュプレート組立部品。
【請求項２】
前記Ｍ５０合金はＣＥＶＭ合金である
請求項１に記載のスワッシュプレート組立部品。
【請求項３】
前記Ｍ５０合金はＶＩＭ−ＶＡＭ合金である
請求項１に記載のスワッシュプレート組立部品。
【請求項４】
前記外側リングの外径は約３３．６５センチメートルもしくは約１３．２５インチであり、内側リングの内径は約２９．８５センチメートルもしくは約１１．７５インチであり、前記ボール群に含まれるボールの直径は約１．１１センチメートルもしくは約７／１６インチである
請求項１に記載のスワッシュプレート組立部品。
【請求項５】
前記ベアリングの軸端の各々の部分に、前記内側リングと前記外側リングとの間に配置されたシールを備える
請求項１に記載のスワッシュプレート組立部品。
【外国語明細書】
[Title of Invention]
SWASHPLATE ASSEMBLY
[Field of the Invention]
This invention relates to ball bearings, and in
particular, to ball bearings in the swashplate assembly of a rotary wing
aircraft.
[Background of the Invention]
Rotary wing aircraft, such as helicopters,
provide unique environments for the use of ball bearings, particularly in their
rotor systems.  For example, the
bearings in helicopter swashplates and in rotor blade mounts must be specially
designed to provide reliable ongoing use under the type of load and speed
conditions that are unique to helicopters.  Thus, the use of bearings in other types of machines is
nonanalogous to rotary wing aircraft bearings in general and to helicopter
bearings in particular. For this reason, bearing designs that are useful in
other kinds of machines are not assumed by those of ordinary skill in the art
to be suitable for helicopter swashplates, rotor blade mounts, etc.
The ball bearing for the main rotor of a
helicopter generally comprises an outer ring, two inner rings and two sets of
balls, all made from an alloy designated as CEVM-52100 with a Rockwell hardness
of at least HRC 58, where “CEVM” stands for “Consumable Electrode Vacuum
Melting.”  The 52100 alloy
nominally contains iron with 0.98-1.10 % carbon, 0.25-0.45 % manganese, up to
0.025 phosphorous, up to 0.025 sulfur, 0.15-0.30, 32% silicon and 1.30,
32-1.60% chromium by weight. The balls have a diameter of about 1.11 centimeter
(cm) (about 7/16 inch (in.)) and there are usually 83 balls per row.  The bearing includes a looped wire cage
for each row of balls, for maintaining separation between the balls.   The wire cage is made from a 17-7
PH iron alloy, which nominally contains about 16.8% chromium, about 0.8%
carbon, about 7.3 % nickel and about 1.2% aluminum by weight.
[Description of the Invention]
[Problem to be Solved by the Invention]
Among other problems, the above-described bearing
suffers from breakage of the wire cage.
[Means for Solving the Problem]
The present invention resides in one aspect in
an improved swashplate assembly of the main rotor of a helicopter.  The swashplate assembly includes a
stationary swashplate and a rotating swashplate with a ball bearing
therebetween.  The ball bearing
comprises an outer ring, an inner ring, two sets of balls between the inner
ring and the outer ring, and a wire loop cage between the inner ring and the
outer ring.  The inner ring, the
outer ring and the balls are formed from an M50 alloy.
[Best Mode of Carrying Out the Invention]
This invention provides an improvement to helicopters,
and in particular to the rotor swashplate assembly.  The invention relates to a bearing for the swashplate
assembly, the bearing comprising rings and roller balls made from an alloy
known as M50, for example, CEVM-M50 or VIM-VAR-M50, “VIM-VAR” indicating that
the material is vacuum induction melted-vacuum arc re-melted, as is known in
the art.  An M50 alloy nominally
comprises iron with about 0.8% carbon, about 4.1 % chromium, about 4.25 %
molybdenum and about 1 % vanadium. 
In specific embodiments, the rings have a Rockwell hardness of HRC 60-64
and the balls have a Rockwell hardness of at least about HRC 60.  In addition, the bearing comprises a
looped wire cage for keeping the balls from contacting each other. 
A bearing 10 according to one particular
embodiment of this invention is shown in Fig. 1.  Bearing 10 comprises an outer ring 12 and two inner rings
14, 16 disposed within the outer ring 12. 
A spacer ring 18 is disposed between inner ring 14 and inner ring
16.  Spacer ring 18 includes two
flanges 18a, 18b that extend towards outer ring 12.
A first set of balls 20 is disposed between
outer ring 12 and inner ring 14, and a second set of balls 22 is disposed
between outer ring 12 and inner ring 16. 
Each set of balls 20, 22 includes 83 balls.  There is a looped wire cage 24, 26, for each set of balls,
for keeping the balls from contacting adjacent balls.  The bearing 10 includes a molded seal 30, 32 at each axial
end of the bearing, extending between the inner ring and the outer ring.   The seals 30, 32 are formed from
a fluorosilicone elastomer material. 
The seals 30, 32 inhibit the entry of contaminants into the load zone of
the bearing and help to retain lubricant therein.
In accordance with this invention, outer ring
12, inner rings 14 and 16, and balls 20, 22 are all formed from M50 steel
alloy.
The wire cages 24, 26 may be formed from alloy
17-7 PH.  The spacer ring 18 may be
formed from a 52100 alloy, and may be heat treated to a Rockwell hardness of at
least about HRC 58, optionally at least HRC 60.
Optionally, bearing 10 may comprise a third set
of balls that is seated between spacer ring 18 and outer ring 12.  For example, a third set of balls may
be seated between flanges 18a, 18b.
In one particular embodiment, the bearing has
the characteristics indicated in the following Table 1:
[Table 1]
2009078797.tif 000006
In one embodiment as indicated in Table 1, the
outer ring of bearing 10 has an outer diameter of about  33.65 centimeters (cm) (about 13.25
in.), while the inner ring has an inner diameter of about 29.85 cm (about 11.75
in.).  The axial width W of bearing
10 is about 6.35 cm (about 2.5 in.). 
The balls have a diameter of about 1.11 cm (about 7/16 in.).  The raceways provide a ball contact
angle α of about 39.5° relative to a plane through the bearing that is
perpendicular to the axis of rotation of the bearing.  The spacer is heat treated and its axial width is match
ground to achieve the desired assembly clearances when measured at room
temperature under about 45.36 kg force (about 100 pounds) cage load  The clearances are reduced to zero (no
preload) and the ball contact angle is reduced to 30° when the bearing is
operating at about 65°C (about 150°F) and mounted as follows: with the inner
race clamped axially; on an aluminum shaft having a diameter of about 29.1
centimeters (cm) (about 11.46 in.) at about 21.2°C (about 70°F) and with an
aluminum housing having an interior diameter of about 33.65 cm (about 13.25
in.) at about 21.2°C (about 70°F).
A bearing as described herein is useful as the
main rotor swashplate bearing for an AH-64 Apache helicopter.  As seen in Fig. 2, the improved AH-64
swashplate assembly 40 includes the bearing 10 mounted between a stationary
(non-rotating) swashplate 42 and a rotating swashplate 44 both mounted on a
shaft 46.
As a result of the use of the M50 alloy in the
bearing 10, the bearing 10 will surprisingly provide a significantly improved
bearing life in the assembly of Fig. 2, relative to the prior art bearing.  For example, an improvement in bearing
life of about 250 to about 300%, relative to the prior art bearing having rings
and balls of 52100 alloy, may be realized.
In view of the dramatic improvement in bearing
life, it will be possible to use fewer balls in each set of balls in the
bearing and use a thicker and/or stronger wire cage ball separator, and thus
alleviate the wire cage breakage that occurs with the prior art bearing.  For example, the number of balls in
each set may be reduced by 2 or 3, optionally more.  Increasing the loop size in the wire cage will also enable
the use of thicker wire.
Unless otherwise specified, all ranges disclosed
herein are inclusive and combinable at the end points and all intermediate
points therein.  The terms “first,”
“second,” and the like, herein do not denote any order, quantity, or
importance, but rather are used to distinguish one element from another. The
terms “a” and “an” herein do not denote a limitation of quantity, but rather
denote the presence of at least one of the referenced item.  All numerals modified by “about” are
inclusive of the precise numeric value unless otherwise specified.
Although the invention has been described with
reference to particular embodiments thereof, it will be understood by one of
ordinary skill in the art, upon a reading and understanding of the foregoing
disclosure, that numerous variations and alterations to the disclosed
embodiments will fall within the spirit and scope of this invention and of the
appended claims.
[Brief Description of the Drawings]
[Figure 1] Fig. 1 is a partial
cross-sectional view of a bearing pursuant to a specific embodiment of the
invention.
[Figure 2] Fig. 2 is a partial schematic
view of the bearing of Fig. 1 in a swashplate assembly.
[Description of Notations]
10 Bearing
12 Outer ring
14 Inner ring
16 Inner ring
18 Spacer ring
20 Set of balls
22 Set of balls
24 Looped wire cage
26 Looped wire cage
30 Molded seal
32 Molded seal
40 Swashplate assembly
42 Stationary (non-rotating) swashplate
44 Rotating swashplate
46 Shaft
[Claim 1]
A swashplate assembly comprising:
a stationary swashplate and a rotating
swashplate with a ball bearing between the stationary swashplate and the
rotating swashplate, the ball bearing comprising an outer ring, two inner
rings, a set of balls between the outer ring and each inner ring, and a wire
loop cage between each inner rings and the outer ring for each set of balls,
the outer ring and the balls are formed from an M50 alloy.
[Claim 2]
The swashplate assembly of claim 1, wherein the
M50 alloy is a CEVM alloy.
[Claim 3]
The swashplate assembly of claim 1, wherein the
M50 alloy is a VIM-VAM alloy.
[Claim 4]
The swashplate assembly of claim 1, wherein the
outer ring has an outer diameter of about 33.65 centimeters (cm) (about 13.25
inches (in.)); the inner ring has an inner diameter of about 29.85 cm (about
11.75 in.), the balls have a diameter of about 1.11 cm (about 7/16 in.).
[Claim 5]
The swashplate assembly of claim 1, wherein the
outer ring has an outer diameter of about 33.65 centimeters (cm) (about 13.25
inches (in.)); the inner ring has an inner diameter of about 29.85 cm (about
11.75 in.), the balls have a diameter of about 1.11 cm (about 7/16 in.).
[Claim 6]
The swashplate assembly of claim 1 further
comprising a seal between the inner rings and the outer ring, at each axial end
of the bearing.
[Abstract]
[PROBLEM TO BE SOLVED] To improve
durability of a swashplate assembly with a bearing having a wire cage.
[SOLUTION] An improved swashplate assembly of the main
rotor of an AH-64 Apache helicopter includes a stationary swashplate and a
rotating swashplate and a ball bearing between the swashplates, the ball
bearing having an outer ring, an inner ring, two sets of balls between the
inner ring and the outer ring, and a wire loop cage between the inner ring and
the outer ring.  The improvement
includes that the inner ring, the outer ring and the balls are formed from an
M50 alloy.
[Selected
Figure] Figure 2
[Figure 1]
2009078797.tif 000007
[Figure 2]
2009078797.tif 000008