JP2018091365A - フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストな手法で、軸との摺動に対する耐久性を高める。
【解決手段】フォイル軸受１は、軸受面Ｘを有する樹脂製のトップフォイル部（樹脂フォイル２１）と、トップフォイル部を背後から弾性的に支持する金属製のバックフォイル部（金属フォイル２２）とを備える。樹脂フォイル２１と金属フォイル２２とを重ねることでフォイル積層体２０が形成される。樹脂フォイル２１は、軸２との接触摺動により摩耗が生じた場合でも、長期にわたって優れた摺動性を維持することができる。また、樹脂フォイル２１は打ち抜き加工や射出成形等により簡単に形成することができるため、コーティングよりも低コストに形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォイル軸受に関する。

フォイル軸受は、可撓性を有する薄板（フォイル）で軸受面を構成するものであり、フォイルが撓むことにより、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じて軸受隙間が適切な幅に自動調整されるという特徴を有する。

フォイル軸受において、軸の起動・停止時などの低速回転時は軸受隙間の流体圧力が低いため、フォイルと軸とが接触、摺動を繰り返す。通常、フォイル及び軸は何れも金属で形成されるため、フォイルと軸との摺動面に凝着が生じ、摩擦トルクの増大や、軸や軸受の損傷を招くおそれがある。このような不具合を防止するために、フォイルの表面に、二硫化モリブデンやニッケルメッキ等のコーティング（低摩擦化被膜）を施すことがある（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２０１５−１１３９２７号公報

しかし、フォイルの表面に上記のようなコーティングを施した場合でも、軸との接触によって少しずつコーティングが摩耗していく。コーティングの膜厚は、せいぜい数十μｍ程度であるため、耐久性には限界がある。また、フォイルにコーティングを施す作業は手間がかかるため、コスト高の要因にもなる。

そこで、本発明は、低コストな手法で、軸受面の摩擦摩耗に対する耐久性を高めることを目的とする。

前記目的を解決するために、本発明は、軸受面を有する樹脂製のトップフォイル部と、前記トップフォイル部を背後から弾性的に支持する金属製のバックフォイル部とを備えたフォイル軸受を提供する。

このように、軸受面を有するトップフォイル部を樹脂で形成することで、金属で形成された軸受面と比べて、回転部材（軸）との摺動性を高めることができる。また、樹脂製のトップフォイル部は、二硫化モリブデン等のコーティングと比べて、厚く形成することができるため、摩擦摩耗に対する耐久性が高められる。さらに、樹脂製のトップフォイル部は、二硫化モリブデン等のコーティングと比べて製造が容易であるため、製造コストが低減される。

ところで、樹脂は、時間の経過や温度の上昇に伴って静剛性が大きく低下する。一方、金属は、樹脂に比べて、静剛性の経時的、温度的な変化が非常に小さい。従って、上記のように、軸受面を有するトップフォイル部を樹脂で形成すると共に、トップフォイル部を支持するバックフォイル部を金属で形成することで、軸受面の摺動性を高めつつ、バックフォイル部の静剛性の経時的、温度的変化を抑えて、軸受性能の低下を防止することができる。すなわち、上記のフォイル軸受は、軸受面の弾性（バネ性）を金属製のバックフォイル部で担い、軸受面の摩擦摩耗特性を樹脂製のトップフォイル部で担うことで、優れた軸受性能と、摩擦摩耗に対する高い耐久性とを両立するものである。

上記のフォイル軸受は、例えば、前記トップフォイル部としての樹脂フォイルと、前記樹脂フォイルと重ねて配された、前記バックフォイル部としての金属フォイルとを有するフォイル積層体を備えた構成とすることができる。この場合、樹脂フォイルと金属フォイルとを摺動可能とすれば、これらの摺動によるクーロン摩擦により回転部材（軸）の振動が減衰されるため、フォイル軸受による支持の安定性を高めることができる。

また、上記のフォイル軸受は、前記バックフォイル部としての金属フォイルの表面に、前記トップフォイル部としての樹脂層を一体に設けてなる複合フォイルを有する構成としてもよい。特に、樹脂層が、金属フォイルをインサート部品とした樹脂の射出成形品である場合、金属フォイルと樹脂層との密着力がさらに高められ、両者の剥離を防止できる。

上記のように、軸受面のバネ性を金属製のバックフォイル部で担うことにより、樹脂製のトップフォイル部にはバネ性が要求されないため、トップフォイル部の材料の選択の幅が広がる。例えば、樹脂製のトップフォイル部を、金属製のバックフォイル部よりも、常温における静剛性の小さい材料で形成することができる。

以上のように、本発明では、樹脂製のトップフォイル部と金属製のバックフォイル部を設けることで、低コストな手法で、軸受面の摩擦摩耗に対する耐久性を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るフォイル軸受の断面図である。 樹脂フォイルと金属フォイルとを重ねてフォイル積層体を形成する手順を示す斜視図である。 三組のフォイル積層体を筒状に連結した状態を示す斜視図である。 図１のフォイル軸受の拡大図である。 図１のフォイル軸受の断面図であり、周方向を直線状に変換して示している。 他の実施形態に係るフォイル積層体を形成する手順を示す斜視図である。 リーフ型のフォイル軸受を示す断面図である。 バンプ型のフォイル軸受を示す断面図である。 リーフ型のスラストフォイル軸受を示す斜視図である。 図９中のＤ−Ｄ線における断面図である。 金属フォイルと樹脂層とを一体化した複合フォイルの斜視図である。 複合フォイルの他の例を示す平面図である。 図１２の複合フォイルのＹ−Ｙ線における断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受１を示す。フォイル軸受１は、内周に挿入された回転部材としての軸２をラジアル方向に支持するものである。フォイル軸受１は、円筒状のフォイルホルダ１０と、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに取り付けられたフォイル積層体２０とを備える。尚、以下では、軸２の回転方向先行側（図１の矢印Ｒ参照）、すなわち、軸２の回転時における、フォイル積層体２０に対する流体の流れ方向下流側を「下流側」と言い、その反対側を「上流側」と言う。

フォイルホルダ１０は、焼結金属や溶製材（例えば鋼材）等の金属で円筒状に形成される。フォイルホルダ１０の内周面１０ａのうち、周方向に離隔した複数箇所には、フォイル積層体２０の取り付け部となる軸方向溝１０ｂが形成されている。本実施形態では、軸方向溝１０ｂがフォイルホルダ１０の内周面１０ａの軸方向全域に形成され、軸方向両端がフォイルホルダ１０の端面に開口している。尚、耐熱性や強度等に問題が無ければ、フォイルホルダ１０を樹脂で形成してもよい。

フォイル積層体２０は、軸受面Ｘを有するトップフォイル部として機能する樹脂フォイル２１と、トップフォイル部を背後（外径側）から弾性的に支持するバックフォイル部として機能する金属フォイル２２とを備える。

樹脂フォイル２１は、可撓性を有する樹脂の薄板である。樹脂フォイル２１は、厚さ２０〜１０００μｍ程度の樹脂製の帯状フォイルを、プレス等の打ち抜き加工により所定形状に加工することで形成される。あるいは、樹脂フォイル２１を射出成形により形成してもよい。樹脂フォイル２１の材質（ベース樹脂及び充填材）は、特に限定されず、軸受面Ｘに要求される耐熱性及び耐摩耗性に応じて決定される。例えば、樹脂フォイル２１のベース樹脂としては、結晶性樹脂あるいは非結晶性樹脂の何れでも使用することができ、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）やポリアミドイミド（ＰＡＩ）を用いることができる。

金属フォイル２２は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金で形成される。金属フォイル２２は、厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の金属製の帯状フォイルを、プレス加工等の打ち抜き加工により所定形状に加工することで形成される。鋼材料や銅合金の代表例としては、炭素鋼や黄銅を挙げることができる。しかし、一般的な炭素鋼では、雰囲気に潤滑油が存在せず油による防錆効果が期待できないため、錆による腐食が発生し易くなる。また、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある（黄銅中のＺｎの含有量が多いほどこの傾向が強まる）。そのため、帯状フォイルとしては、ステンレス鋼もしくはリン青銅製のものを使用するのが好ましい。

図２に示すように、樹脂フォイル２１は、軸受面Ｘを有する矩形状の本体部２１ａと、本体部２１ａから下流側に延びる下流側延在部２１ｂと、本体部２１ａから上流側に延びる上流側延在部２１ｃとを有する。

下流側延在部２１ｂは、樹脂フォイル２１の表面に沿い、かつ軸２の回転方向と直交する方向（本実施形態では軸方向）に離隔した複数箇所に設けられる。本実施形態では、樹脂フォイル２１の軸方向両端部に下流側延在部２１ｂを形成した場合を例示している。下流側延在部２１ｂの軸方向間には、凹部２１ｄが設けられる。上流側延在部２１ｃは、本体部２１ａの上流側端部の軸方向中間部を上流側に延ばして形成される。図示例では、上流側延在部２１ｃが、凹部２１ｄの軸方向領域の範囲内に設けられる。

金属フォイル２２は、樹脂フォイル２１と同形状を成している。金属フォイル２２は、図２に示すように、矩形状の本体部２２ａと、本体部２２ａから下流側に延びる下流側延在部２２ｂと、本体部２２ａから上流側に延びる上流側延在部２２ｃとを有する。下流側延在部２２ｂの軸方向間には凹部２２ｄが設けられる。金属フォイル２２の各部の形状は、樹脂フォイル２１と同様であるため、説明を省略する。

図２に示すように、樹脂フォイル２１と金属フォイル２２とを重ねることでフォイル積層体２０が形成される。フォイル積層体２０は、両フォイル２１，２２の本体部２１ａ，２２ａで構成された本体部２０ａと、両フォイル２１，２２の下流側延在部２１ｂ，２２ｂで構成された２０ｂと、両フォイル２１，２２の上流側延在部２１ｃ，２２ｃで構成された上流側延在部２０ｃとを有する。

各フォイル積層体２０の上流側延在部２０ｃを、他のフォイル積層体２０の下流側延在部２０ｂ間の凹部２０ｄに差し込むことにより、図３に示すような筒状の仮組体が形成される。この仮組体を、フォイルホルダ１０の内周に軸方向一方側から挿入する。具体的には、上記仮組体をフォイルホルダ１０の内周に挿入しながら、各フォイル積層体２０の下流側延在部２０ｂを、フォイルホルダ１０の一方の端面に開口した軸方向溝１０ｂに軸方向一方側から差込む。以上により、複数（図示例では３組）のフォイル積層体２０が、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに周方向に並べた状態で取り付けられる。

図４に示すように、フォイル積層体２０をフォイルホルダ１０に取り付けた状態では、隣接する二つのフォイル積層体２０同士がそれぞれ交差した状態となる。この交差部分よりも上流側（図４の右側）では、一方のフォイル積層体２０の本体部２０ａが軸受面Ｘを構成し、その背後に他方のフォイル積層体２０の上流側延在部２０ｃが配される。一方、交差部分よりも下流側（図４の左側）では、他方のフォイル積層体２０の本体部２０ａが軸受面Ｘを構成し、その背後に一方のフォイル積層体２０の下流側延在部２０ｂが回り込み、フォイルホルダ１０の軸方向溝１０ｂに挿入されている。軸受面Ｘは、フォイル積層体２０の内径側に配された樹脂フォイル２１の本体部２１ａに形成される。図示例では、複数のフォイル積層体２０のうち、軸２の外周面２ａと対向する軸受面Ｘの全域が、樹脂フォイル２１の本体部２１ａで形成される。

フォイル軸受１では、隣接するフォイル積層体２０同士が、周方向で係合して互いに突っ張り合った状態となっている。これにより、フォイル積層体２０の本体部２０ａが外径側に張り出し、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに沿った形状に湾曲する。各フォイル積層体２０の下流側への移動は、各フォイル積層体２０の下流側延在部２０ｂが軸方向溝１０ｂに突き当たるために規制されるが、各フォイル積層体２０の上流側への移動は規制されない。このため、各フォイル積層体２０は、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに対して周方向で微小摺動（往復動）可能とされる。また、各フォイル積層体２０の樹脂フォイル２１と各金属フォイル２２とは固定されておらず、互いに摺動可能な状態になっている。

図５に誇張して示すように、フォイルホルダ１０の軸方向溝１０ｂに差し込まれたフォイル積層体２０の下流側延在部２０ｂが、フォイルホルダ１０の内周面１０ａの接線方向に対して角度θだけ僅かに傾斜しているため、下流側延在部２０ｂの近傍では、本体部２０ａが内径側に凸となるように湾曲しようとする。また、本体部２０ａは、他のフォイル積層体２０の上流側延在部２０ｃに乗り上げることで、下流側に向けてフォイルホルダ１０の内周面１０ａから離反する側（軸２の外周面２ａに接近する側）に傾斜した状態となる。以上により、各フォイル積層体２０の本体部２０ａの軸受面Ｘと軸２の外周面２ａの間に、下流側に行くにつれて狭まった楔空間が形成される。

軸２の回転中は、楔空間に生じた空気膜が高圧となるため、軸２が浮上力を受ける。そのため、図１に示すように、各フォイル積層体２０の軸受面Ｘと軸２の間に環状の軸受隙間Ｃ（ラジアル軸受隙間）が形成され、軸２がフォイル積層体２０に対して非接触の状態で回転自在に支持される。このとき、フォイル積層体２０の本体部２０ａの下流側領域に設けられた内径側に凸の湾曲部の弾性力や、他のフォイル積層体２０の上流側延在部２０ｃに乗り上げた部分の弾性力、さらにはフォイルホルダ１０の内周面１０ａに沿った湾曲形状から元の形状に戻ろうとするフォイル積層体２０の弾性復元力により、軸受面Ｘに半径方向のバネ性が付与される。この軸受面Ｘのバネ性により、軸受隙間Ｃの幅が運転条件等に応じた適正幅に自動調整されるため、軸２の回転が安定的に支持される。なお、図面では、理解の容易化のため軸受隙間Ｃの幅を誇張して描いている。

軸２の起動直後や停止直前などの低速回転時には、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力が不十分であるため、フォイル積層体２０の軸受面Ｘと軸２の外周面２ａとが接触摺動する。上記のフォイル軸受１では、フォイル積層体２０に設けられた樹脂フォイル２１に軸受面Ｘが形成されるため、金属からなる軸受面と比べて、金属製の軸２との摺動性を高めることができる。

また、樹脂フォイル２１は、樹脂シートの打ち抜き加工や射出成形等で形成されるため、例えば金属フォイルに施される二硫化モリブデン等のコーティングと比べて、厚く形成することができる（例えば、１００μｍ以上）。これにより、軸２との接触摺動により摩耗が生じた場合でも、長期にわたって優れた摺動性を維持することができる。また、樹脂フォイル２１は打ち抜き加工や射出成形等により簡単に形成することができるため、二硫化モリブデン等のコーティングよりも低コストに形成することができる。

また、樹脂フォイル２１のみでは、剛性が小さく、特に、時間の経過や温度の上昇に伴って静剛性が大きく低下するため、軸受面Ｘの静剛性が不足し、軸受面Ｘに十分なバネ性が付与されない恐れがある。上記のフォイル軸受１では、樹脂フォイル２１が、金属フォイル２２により背後から弾性的に支持され、本実施形態では、樹脂フォイル２１の全域が金属フォイル２２で支持されている。金属は、樹脂と比べて、静剛性の経時的、温度的変化が非常に小さいため、金属フォイル２２で樹脂フォイル２１を弾性的に支持することで、軸受面Ｘに十分なバネ性が付与される。このため、樹脂フォイル２１を剛性の低い材料（例えば、常温における静剛性が金属フォイル２２よりも低い材料）で形成した場合でも、軸受面Ｘに十分なバネ性を付与して、軸受隙間Ｃの幅の自動調整機能を発揮することができる。この場合、本実施形態のように、樹脂フォイル２１のうち、軸受面Ｘを形成する本体部２１ａの全域を、金属フォイル２２で接触支持することが好ましい。

また、軸２の回転中は、フォイル積層体２０とフォイルホルダ１０の内周面１０ａ及び軸方向溝１０ｂとの間で微小摺動が生じる。また、本実施形態では、樹脂フォイル２１と金属フォイル２２とが互いに固定されていないため、軸２の回転中にこれらの間にも微小摺動が生じる。これらの微小摺動による摩擦エネルギーにより、軸２の振動を減衰させることができる。このような微小摺動による摩擦力を調整するために、互いに摺動する面の何れか一方又は双方に、二硫化モリブデンやニッケルメッキ等の低摩擦化被膜を形成したり、粗面化処理を施したりしてもよい。

以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については説明を省略する。

上記の実施形態では、樹脂フォイル２１及び金属フォイル２２が共にフォイルホルダ１０の軸方向溝１０ｂに取り付けられているが、これに限らず、例えば金属フォイル２２をフォイルホルダ１０に取り付け、この金属フォイル２２に樹脂フォイル２１を取り付けてもよい。例えば、図６に示す実施形態では、金属フォイル２２がフォイルホルダ１０の軸方向溝１０ｂに取り付けられると共に、金属フォイル２２に設けたスリット２２ｅに、樹脂フォイル２１の周方向両端に設けた凸部２１ｅを差し込むことにより、両者を結合している。また、図示例では、金属フォイル２２の本体部２２ａの一部（周方向中間部）が、樹脂フォイル２１で覆われている。この場合、金属フォイル２２のうち、軸２の回転時に最も軸２に接近する部分Ｐ（図５参照）を含む領域を、樹脂フォイル２１で覆うことが好ましい。

また、上記の実施形態では、フォイル軸受１として、いわゆる多円弧型のラジアルフォイル軸受を例示したが、本発明を適用可能なフォイル軸受の形態はこれに限られない。例えば、図７に示すいわゆるリーフ型のフォイル軸受１にも本発明を適用することができる。このフォイル軸受１は、下流側の端部を自由端とし、上流側の端部を固定端とした複数のフォイル積層体２０を含む。フォイル積層体２０は、軸受面Ｘを有する樹脂フォイル２１と、これを背後から支持する金属フォイル２２とを有する。この場合も、上記の実施形態と同様に、軸受面Ｘの摩擦摩耗特性を樹脂フォイル２１で担い、軸受面Ｘのバネ性を金属フォイル２２で担っている。

また、図８に示すいわゆるバンプ型のフォイル軸受１にも本発明を適用することもできる。このフォイル軸受１では、円筒状の樹脂フォイル２１と、波形の金属フォイル２２とを有する。この場合も、上記の実施形態と同様に、軸受面Ｘの摩擦摩耗特性を樹脂フォイル２１で担い、軸受面Ｘのバネ性を金属フォイル２２で担っている。この場合、樹脂フォイル２１は、波形の金属フォイル２２により周方向複数箇所で接触支持されるため、静剛性が小さすぎると、樹脂フォイル２１が波形に変形してしまう。従って、この実施形態では、樹脂フォイル２１が、円筒面形状を維持できる程度の静剛性を有する必要がある。尚、図８の円筒状の樹脂フォイル２１の背後に、これと同形状の金属フォイルを重ねて配し、さらにその外径側に波形の金属フォイルを設けてもよい。この場合、樹脂フォイル２１の全域が円筒状の金属フォイルで背後から支持されるため、樹脂フォイル２１を剛性の小さい材料で形成することができ、樹脂フォイル２１の材料の選択の幅が広がる。

本発明は、スラストフォイル軸受に適用することもできる。図９はスラストフォイル軸受３の一例として、リーフ型のスラストフォイル軸受を示している。このスラストフォイル軸受３では、円盤状のフォイルホルダ１０の端面に、複数のフォイル積層体２０が周方向に並べて取り付けられる。図１０に示すように、各フォイル積層体２０の下流側端部が、他のフォイル積層体２０の上流側端部の上に重ねられる。回転部材としての軸がＲ方向に回転すると、軸に設けられたスラストカラー２ｂと各フォイル積層体２０の軸受面Ｘとの間に軸受隙間Ｃ（スラスト軸受隙間）が形成され、この軸受隙間Ｃの空気膜の圧力で軸がスラスト方向に非接触支持される。各フォイル積層体２０は、軸受面Ｘを有する樹脂フォイル２１と、これを背後から支持する金属フォイル２２とを有する。この場合も、上記の実施形態と同様に、軸受面Ｘの摩擦摩耗特性を樹脂フォイル２１で担い、軸受面Ｘのバネ性を金属フォイル２２で担っている。

また、以上の実施形態では、樹脂製のトップフォイル部（樹脂フォイル２１）と金属製のバックフォイル部（金属フォイル２２）とが別体に形成されているが、これに限られない。例えば、フォイル積層体２０に代えて、図１１に示すような複合フォイル３０を設けてもよい。この複合フォイル３０は、金属フォイル２２と、金属フォイル２２の表面に設けられた樹脂層３１とを一体に有する。この場合、樹脂層３１が、軸受面Ｘを有するトップフォイル部として機能し、金属フォイル２２が、樹脂層３１を背後から弾性的に支持するバックフォイル部として機能する。樹脂層３１は、金属フォイル２２の表面の一部あるいは全域に設けられる。図示例では、金属フォイル２２の本体部２２ａの一部（軸方向中間部）に、樹脂層３１が設けられている。

樹脂層３１は、例えば、金属フォイル２２をインサート部品として、樹脂で射出成形することにより形成される。これにより、樹脂層３１と金属フォイル２２との固定力（密着力）を高めることができる。また、図１２に示すように、金属フォイル２２に穴２２ｆ（あるいは切り欠き）を設け、この穴２２ｆに樹脂層３１の一部を入り込ませれば、樹脂層３１と金属フォイル２２との固定力をさらに高めることができる。

上記の他、樹脂フォイル２１と金属フォイル２２とを別体に形成し、これらを厚さ方向で重ねた状態で、接着等により互いに固着してもよい。

また、本発明にかかるフォイル軸受は、例えば、ガスタービンや過給機をはじめとするターボ機械のロータを支持するフォイル軸受として使用することができる。この他、本発明にかかるフォイル軸受は、自動車等の車両用軸受、さらには産業機器用の軸受として広く使用することが可能である。また、本実施形態の各フォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受であるが、これに限らず、圧力発生流体としてその他のガスを使用することもでき、あるいは水や油などの液体を使用することも可能である。

１ フォイル軸受
２ 軸
１０ フォイルホルダ
２０ フォイル積層体
２１ 樹脂フォイル（トップフォイル部）
２２ 金属フォイル（バックフォイル部）
３０ 複合フォイル
３１ 樹脂層（トップフォイル部）
Ｃ 軸受隙間
Ｘ 軸受面

Claims (7)

1. 軸受面を有する樹脂製のトップフォイル部と、前記トップフォイル部を背後から弾性的に支持する金属製のバックフォイル部とを備えたフォイル軸受。
2. 前記トップフォイル部としての樹脂フォイルと、前記樹脂フォイルと重ねて配された、前記バックフォイル部としての金属フォイルとを有するフォイル積層体を備えた請求項１に記載のフォイル軸受。
3. 前記樹脂フォイルと前記金属フォイルとが互いに摺動可能である請求項２に記載のフォイル軸受。
4. 前記バックフォイル部としての金属フォイルと、前記金属フォイルの表面に設けられた前記トップフォイル部としての樹脂層とを一体に有する複合フォイルを備えた請求項１に記載のフォイル軸受。
5. 前記トップフォイル部の常温における静剛性が、前記バックフォイル部の常温における静剛性よりも小さい請求項１〜４の何れか１項に記載のフォイル軸受。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のフォイル軸受と、前記軸受面と対向する回転部材とを備えたフォイル軸受ユニット。
7. 請求項１〜５の何れか１項に記載のフォイル軸受と、前記軸受面と対向する回転部材とを備えたターボ機械。
   

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