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KR100798045B1 - 유체 베어링 - Google Patents

유체 베어링 Download PDF

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KR100798045B1
KR100798045B1 KR1020010059283A KR20010059283A KR100798045B1 KR 100798045 B1 KR100798045 B1 KR 100798045B1 KR 1020010059283 A KR1020010059283 A KR 1020010059283A KR 20010059283 A KR20010059283 A KR 20010059283A KR 100798045 B1 KR100798045 B1 KR 100798045B1
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KR
South Korea
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bearing
dynamic pressure
rotating shaft
land
fluid
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시마도시히코
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가부시키가이샤 제이텍트
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Abstract

유체 베어링에서의 베어링 강성의 향상과 동압 발생용 랜드에서의 발열의 억제라는 2가지 목적을 동시에 달성한다. 유체 베어링은 회전축을 지지하는 베어링 면에서, 회전축의 미끄럼 면의 이동 방향으로 적당한 간격을 두고 복수의 정압 포켓(14)이 배열되고, 정압 포켓 이외의 구역에 동압 발생용 랜드(15)가 형성되고, 베어링 면의 정압 포켓에는 급유 수단에 연통되는 급유공(17)이 개구되고, 동압 발생용 랜드에는 배출 수단에 연통되어 회전축 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출 수단, 베어링 내의 유체압을 검출하는 압력 센서, 베어링 면과 회전축의 미끄럼 면과의 베어링 간극을 검출하는 변위계 및 베어링 내의 유체 온도를 측정하는 온도 센서로부터의 검출 신호에 대응하여 제어 수단으로 조정되는 가변 스로틀 밸브(41)를 통하여 윤활유를 유출하는 배유공(18)이 1개 이상 개구되어 있다.
유체 베어링, 베어링 강성, 동압 발생용 랜드, 발열, 회전축, 정압 포켓, 급유공, 배출 수단, 배유공

Description

유체 베어링 {HYDRAULIC BEARING DEVICE}
도 1은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링의 단면사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링의 베어링 면 전개도이다.
도 3은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링의 다른 형태의 베어링 면 전개도이다.
도 4는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링의 다른 형태의 베어링 면 전개도이다.
도 5는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링의 작용 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링 작동 중의 정적 강성 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링 작동 중의 온도 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링을 적용한 숫돌축의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링을 적용한 숫돌축의 구성도이다.
도 10은 도 2의 베어링 면의 레이디얼 유체 베어링의 작용 설명도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링 작동 중의 정적 강성 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링 작동 중의 온도그래프이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링 작동의 스로틀과 회전 속도의 관계 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링 작동의 스로틀과 베어링 내 온도의 관계 그래프이다.
도 15는 본 발명의 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링의 저부하 시의 발열 억제 그래프이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에서의 스러스트 유체 베어링의 베어링 면 정면도이다.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에서의 스러스트 유체 베어링을 적용한 숫돌축의 구성도이다.
도 18은 본 발명의 제3 실시예에서의 스러스트 유체 베어링 작동 중의 정적 강성 그래프이다.
도 19는 본 발명의 제3 실시예에서의 스러스트 유체 베어링 작동 중의 온도 그래프이다.
도 20은 종래의 기술에서의 레이디얼 유체 베어링의 베어링 면 전개도면이다.
도 21은 종래의 기술에서의 스러스트 유체 베어링의 베어링 면 정면도이다.
본 발명은 유체 베어링, 예를 들면 공작기계의 주축 등에 이용되는 유체 베어링에 관한 것이다.
종래의 기술에서의 공작기계의 주축 등의 회전축을 지지하는 레이디얼 유체 베어링은, 도 20에 도시한 바와 같이, 베어링 면에 사변형(도 20(A) 참조) 또는 U 자형(도 20(B) 참조)의 정압 포켓(14)이 적당한 간격을 두고 축의 회전 방향으로 병렬로 형성되고, 정압 포켓(14) 이외의 베어링 면 영역은 동압 발생용 랜드(15)로 되어 있다.
마찬가지로, 스러스트 유체 베어링은 도 21에 도시한 바와 같이, 숫돌축 S와 같은 회전축의 중앙부에 형성된 플랜지부의 단부면이 활동 가능하게 대향하여 접하는 스러스트 베어링 면이 형성되고, 스러스트 베어링 면은, 외주 영역과 내주 영역을 남기고 중간 영역에 동심으로 연속 원환 띠형(도 21(A) 참조) 또는 불연속 원환 띠형(도 21(B)(C) 참조)의 정압 포켓(34)이 형성되어 있다. 그리고, 스러스트 베어링 면에서, 정압 포켓(34) 이외의 구역은, 동압 발생용 랜드(35a, 35b, 35c)가 된다. (플랜지부 F는, 도 17의 스러스트 베어링 면의 중심 축선을 중심으로 회전함).
정압 포켓(34)이 불연속 원환 띠형의 경우, 외주 영역 동압 발생용 랜드(35a)와 내주 영역 동압 발생용 랜드(35b) 사이의 정압 포켓(34)이 등분할(도시의 예에서는 4등분할)되어 정압 포켓(34)이 불연속 원환 띠형이 되고, 정압 포켓(34)을 분할하는 원주 4등분의 방사상의 반경방향 동압 발생용 랜드(35c)는 외주 영역 동압 발생용 랜드(35a)와 내주 영역 동압 발생용 랜드(35b)가 연결되어 있다.
그리고, 유체 베어링에는 비분리형과 분리형이 있다. 분리형에서는, 저널 베어링의 경우, 도 20(C)에 나타낸 바와 같이 인접한 정압 포켓(14, 14) 사이에서 동압 발생용 랜드(15)에 축방향으로 관통한 분리 홈(19)이 형성되고, 동압 발생용 랜드(15)는 정압 포켓마다 분리되어 있고, 스러스트 베어링의 경우, 도 21(C)에 나타낸 바와 같이 반경방향 동압 발생용 랜드(35c)에 반경방향으로 관통한 분리 홈(19)이 형성되고, 반경방향 동압 발생용 랜드(35c)는 정압 포켓마다 분리되어 있다.
비분리형에서는, 저널 베어링의 경우의 동압 발생용 랜드(15)나 스러스트 베어링 경우의 반경방향 동압 발생용 랜드(35c)로 분리형과 같은 분리 홈(19)이 없다. (도 20(A)(B),도 21(B) 참조)
그리고, 레이디얼 베어링 및 스러스트 베어링 어느 것에서나, 정압 포켓(14, 34)의 바닥면에 급유공(17)이 개구되어 있다. 급유공은 외부의 펌프와 같은 외부 의 압유 공급원에 접속된 예를 들면 연삭반의 숫돌 주축 케이싱의 오일 공급 구멍과 같은 급유 통로에 접속되어 있다.
상기의 유체 베어링에 있어서, 급유공(17)으로부터 감압 조정된 윤활유가 정압 포켓(14, 34)에 유출하여, 정압 포켓(14, 34)과 회전축의 외주면 또는 플랜지부의 단부면에 의한 공간을 채워 외측의 동압 발생용 랜드(15, 35a)와 회전축의 외주면 또는 플랜지부의 단부면과의 사이에서 조절되고 양측으로부터 외부에 배출된다.
그에 따라서 정압유체 베어링으로서 기능하는 동시에, 정압 포켓(14, 34)과 회전축의 외주면 또는 플랜지부의 단부면에 의한 공간을 채운 윤활유는 동압 발생용 랜드(15, 35a)와 회전축의 외주면 또는 플랜지부의 단부면 사이의 간극에 존재하여, 회전축의 회전에서, 좁혀진 동압 발생용 랜드(15, 35a)와 회전축의 외주면 또는 플랜지부의 단부면과의 간극에서의 윤활유의 쐐기작용에 의해 동압이 발생하여, 유체 베어링에 동압 효과도 가해진다.
상기와 같은 종래의 기술의 유체 베어링에 있어서, 비분리형, 특히 동압 발생용 랜드를 효율적으로 한층 광범위하게 형성하여 동압 효과를 높인 U자형의 정압 포켓의 저널 유체 베어링은 강성 및 감쇠성이 높다.
그러나, 회전축의 회전 속도가 고속이면, 동압 발생용 랜드에 있어서 유체 마찰에 의해 윤활유에 대량의 발열이 생긴다. 그 결과, 외측의 고정 베어링은 가열되어 열팽창하고 베어링 간극이 축소되어 동압 발생용 랜드에서의 윤활유의 발열량은 증대된다.
그렇게 하면, 베어링이 또한 열팽창하고 베어링 간극이 축소되어 점점 윤활유의 발열량이 증대되는 악순환이 생긴다.
이 동압 발생용 랜드에서의 윤활유의 발열의 증대 및 베어링 간극 축소의 인과 사이클이 시간의 경과와 함께 진행되어, 베어링 성능의 열화로 이어져 최종적으로는 회전축과 베어링 부재가 눌어붙게 된다.
따라서, 비분리형에서 문제가 되는 발열을 억제하기 위하여, 동압 발생용 랜드로 분리 홈을 형성한 것이 분리형이지만, 분리형은 비분리형에 비하여 베어링 부하 능력의 저하, 즉 강성이 저하된다.
또, 고속화에 있어서, 공기의 흡입이 생겨 그것에 의한 기포가 베어링 성능에 영향을 준다.
그리고 회전축의 회전 속도가 고속으로 될수록, 동압 지지 강성을 높이려는 요구와, 동압 발생용 랜드에서의 발열을 억제하려는 요구는 이율배반이 된다.
본 발명은, 상기 종래의 기술의 유체 베어링에서의 베어링 강성의 향상과 동압 발생용 랜드에서의 발열의 억제라는 2개의 과제 모두를 가능하게 하는 것을 도모한 것이다.
그리고 또한, 종래 형의 유체 베어링은 베어링 간극이나 윤활유의 공급에 관한 것으로, 초기 설정 조건으로 베어링 성능이 고정된다. 그러므로 최대의 요구 성능을 만족하는 유체 베어링을 설계해 두어야 한다. 또, 항상 최대 성능 상태로 사용하게 되기 위해서 강성은 충분히 높지만 그 만큼 발열도 커지고 있다.
또, 회전축의 고속 회전시의 열변형에 대한 베어링 간극의 변화, 베어링 오 일의 온도 변화에 따르는 점성의 변화에 의해, 실제로 가장 사용하고 싶은 부분에서 최적 조절비를 벗어나 있는 것이 많다. 만일, 사용 시의 상황을 추정하여 설계할 수 있었다고 해도 회전축의 회전 속도나 베어링 오일의 온도 등이 변하면 최적조건으로부터 벗어나게 된다.
본 발명은 상기의 종래의 기술의 유체 베어링에서의 베어링 강성과 동압 발생용 랜드에서의 발열의 밸런스의 최적 조절비를 사용 시에 설정할 수 있게 되어, 사용 조건 하에 최고 성능의 발휘를 가능하게 하는 것을 도모한 것이다.
본 발명의 유체 베어링은 회전축을 지지하는 베어링 면에서, 회전축의 미끄럼 면의 이동 방향으로 적당한 간격을 두고 복수의 정압 포켓이 배열되고, 상기 정압 포켓 이외의 구역에 동압 발생용 랜드가 형성되고, 베어링 면의 정압 포켓에는 급유 수단에 연통되는 급유공이 개구되고, 동압 발생용 랜드에는 배출 수단에 연통되고 가변 스로틀을 통하여 배출 수단에 연통되어 있는 배유공이 1개 이상 개구되어 있다.
가변 스로틀은 회전축의 회전 속도에 대응하여 조정되는 스로틀이고, 나아가서, 베어링 작동 상태 검출 수단에 의한 검출 신호에 따라 제어 수단에 의해 개폐가 제어되는 가변 스로틀 밸브이다.
베어링 작동 상태 검출 수단은 회전축 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출 수단, 베어링 내의 유체압을 검출하는 압력 센서, 베어링 면과 회전축의 미끄럼 면과의 베어링 간극을 검출하는 변위계 및 베어링 내의 유체 온도를 측정하는 온도 센서로 구성되어 있다.
유체 베어링은 저널 베어링으로서 회전축을 지지하는 베어링 면이 회전축의 미끄럼 면인 외주면을 지지하는 저널 베어링 면인 경우, 스러스트 베어링으로서 회전축을 지지하는 베어링 면이 회전축의 미끄럼 면인 회전축의 일부를 형성하는 단부면, 예를 들면 플랜지의 단부면을 지지하는 스러스트 베어링 면인 경우, 또는 저널 베어링 면과 스러스트 베어링 면이 병존하는 경우가 있다.
저널 베어링 면의 정압 포켓은, 예를 들면 사변형의 리세스, 또는 베어링 면에서 원주 방향으로 신장하는 대향하여 평행한 레그를 갖는 U자형의 리세스, 또는 리세스 내에 독립된 동압 발생용 랜드가 형성된 사변형의 링형의 리세스이다.
그리고, 저널 베어링으로는, 저널 베어링 면이 내주면에 형성된 내측 슬리브가 베어링 케이싱의 내주면에 끼움 장착된 2층 1체의 베어링 부재로 구성되고, 베어링 케이싱과 내측 슬리브의 결합면에서 원주 방향으로 급유 통로가 형성되고, 급유공의 일단측이 급유 통로를 통하여 급유 수단에 연통되어 있는 구조가 고려된다.
스러스트 베어링 면의 정압 포켓은 원환 띠형의 외주 영역 동압 발생용 랜드와 내주 영역 동압 발생용 랜드 사이에 형성되고, 외주 영역 동압 발생용 랜드와 내주 영역 동압 발생용 랜드를 연결하고 있는 복수의 반경 방향 동압 발생용 랜드에 의해 원주 방향에서 복수로 분할되어 있고, 반경 방향 동압 발생용 랜드의 각각에는 1개 이상의 배유공이 개구되어 있다.
유체 베어링에서는, 외부의 압유 공급원으로부터 공급된 적당히 압력 조정된 윤활유는 급유공을 통해서 정압 포켓으로 유출되고 정압 포켓을 채워서 동압 발생 용 랜드와 회전축의 외주면과의 간극을 흐르고, 배유공으로부터 유출하여 가변 스로틀에 의해 조절되고 배출된다.
배유공이 스로틀을 통하여 배출 수단에 연통됨으로써 캐비테이션의 방지나 강성과 발열의 밸런스의 조정을 가능하게 하고 있다.
이렇게 하여, 유체 베어링은 정압 포켓에 있어서 레이디얼 정압 유체 베어링으로서 기능하는 동시에 동압 발생용 랜드에서의 윤활유에는 회전축의 회전에서의 쐐기작용에 의해 동압이 발생하여, 유체 베어링에 동압 효과도 추가된다.
또한, 스로틀이 가변 스로틀이고, 제어 수단에 의해 개폐가 제어됨으로써, 유체 베어링 내의 압력 분포가 조정되고, 유체 베어링의 강성과 배유공으로부터의 배유량과의 밸런스가 최적으로 유지된다.
본 발명의 실시예에서의 유체 베어링에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예에서의 유체 베어링은 예를 들면 도 5, 도 9 및 도 17에 나타낸 바와 같이 회전축으로서의 연삭반의 숫돌축 S에 이용되고 있다. 숫돌 주축 케이싱 C에는 숫돌축 S, 즉 회전축의 외주면을 회전 가능하게 지지하는 레이디얼 유체 베어링(10, 20)이 설치되고, 나아가서 필요에 따라, 스러스트 유체 베어링(30)이 병설되어 있다. 또한 도 5에서는 배유 시스템의 양쪽, 도 9에서는 배유 시스템의 한쪽과 급유 통로 내의 스로틀이 생략되어 있다.
먼저 발명의 제1 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링(10)에 대해 설명한다. 레이디얼 유체 베어링의 베어링 부재(11)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 숫돌축 S와 같은 회전축의 외주면을 회전 가능하게 지지하는 원통 모양의 내측 슬리브(12)가 원통 모양의 베어링 케이싱(13)의 내주면에 예를 들면 압입, 가열 끼워맞춤 등에 의하여 끼움 장착으로 일체화되어 2층 구조로 구성되고, 숫돌 주축 케이싱 C에 끼움 장착되어 있다.
베어링 면이 되는 내측 슬리브(12)의 내주면, 즉 베어링 면에는, 도 2에 도시한 바와 같은 사변형의 정압 포켓(14) 또는 도 3에 도시한 바와 같은 회전축의 외주면의 회전방향으로 연장하는 평행부를 갖는 U자형의 정압 포켓(14)이 적당한 개수로 원주 방향으로 등간격 배열로 형성되어 있다. (회전축은 도 3의 내측 슬리브(12)의 내주면에 대하여 아래로부터 위를 향해서 회전한다.
그리고, 내측 슬리브(12)의 내주면에서, 정압 포켓(14)을 둘러싸는 정압 포켓(14) 이외의 구역은 동압 발생용 랜드(15)가 된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 내측 슬리브(12)의 외주면에는 양측 단부를 남겨 원주 전체에 걸치는 원주 방향의 오목 홈이 형성되고, 내측 슬리브(12)가 베어링 케이싱(13)에 끼움 장착된 상태에서는, 오목 홈은 베어링 케이싱(13)의 내주면과 함께 급유 원주 통로(16)를 형성하고, 급유 원주 통로(16)에는, 펌프 P와 같은 외부의 압유 공급원에서의 스로틀 밸브 부착 급유로가 접속되어 있으며, 예를 들면 연삭반의 숫돌 주축 케이싱 C의 급유공에 접속되어 있다.
그리고, 정압 포켓(14)의 중앙부에는 급유 원주 통로(16)와 연통되는 급유공(17)이 개구되어 있고, 내측 슬리브(12)에는 단부면과 동압 발생용 랜드(15) 각각에 개구된 배유공(18)이 관통하고 있다.
배유공(18)의 동압 발생용 랜드(15)에서의 개구부는 인접한 정압 포켓(14, 14)의 사이에 적당한 수가 설치되며, 도시의 예에서는 1개소 또는 회전축의 축방향으로 간격을 둔 2개소이다.
내측 슬리브(12)의 단면에서의 배유공(18)의 개구에는 스로틀, 바람직하게는 가변 스로틀(41)(예를 들면 전자 가변 스로틀 밸브)이 개재하는 배유관(42)이 접속되고, 배유관(42)은 유조(43)에 도달하여 있다(도 1참조).
상기의 베어링 부재(11)에서는 펌프 P와 같은 외부의 압유 공급원으로부터 급유 원주 통로(16)에 공급된 적당히 압력 조정된 윤활유는 급유공(17)을 통해서 정압 포켓(14)으로 유출하고, 정압 포켓(14)을 채워서 동압 발생용 랜드(15)와 회전축의 외주면의 간극, 즉 베어링 간극을 흘러 배유공(18)으로부터 유출하며, 가변 스로틀(41)에 의해 조절되고 배유관(42)을 통하여 유조(43)로 배출된다.
배유공에 스로틀(가변 스로틀(41))을 설치함으로써 캐비테이션의 방지나 강성과 발열의 밸런스 조정을 가능하게 하고 있다.
급유 원주 통로(16)를 흐르는 윤활유는 동압 발생용 랜드(15)에서의 유체 마찰에 의한 발열로 가열되는 동압 발생용 랜드(15)를 뒤편에서 냉각한다.
이리 하여, 상기의 유체 베어링은 정압 포켓(14)에 있어서 레이디얼 정압 유체 베어링으로서 기능하는 동시에, 동압 발생용 랜드(15)와 회전축의 외주면과의 간극에 존재하는 윤활유에는 회전축의 회전에서의 쐐기 작용에 의해 동압이 발생하여, 유체 베어링에 동압 효과도 추가된다.
그 때의 베어링 면의 도 6(A)에 나타내는 a-a에서의 압력분포는 도 6(B)와 같이 되어 배유관(42)에서의 스로틀 저항에 대응하여 변화된다. 즉 가변 스로틀(41)의 조절에 의해 변화된다.
그리고, 배유관(42)에서의 스로틀 저항의 변화에 의해 후술하는 유체 베어링의 정적 강성을 도시한 도 7 및 동압 발생용 랜드에서의 윤활유의 발열에 의한 베어링의 온도 상승을 도시한 도 8에서의 성능은 변화되어, 스로틀 저항을 크게 하면 곡선은 상방으로 변위된다.
그리고, 하기와 같은 높은 정적 강성의 유지 및 온도 상승 억제성을 양립시키기 위해서 분리 홈이 없는 동압 발생용 랜드(15)에 설치된 배유공(18)에 있어서, 특히 고속 회전 시에는, 배출 효율이 좋으면 좋은 정도, 공기의 말려듦에 의한 캐비테이션이 발생할 가능성이 높기 때문에 베어링 성능에 지장을 초래하지만, 배유관(42)에 스로틀, 즉 관로 저항이 설치되어 있기 때문에 배유공(18)에서의 압력이 부압이 되는 것이 방지된다. 따라서, 문제가 되는 캐비테이션의 발생은 방지된다.
또한, 스로틀이 가변 스로틀(41)인 것에 의해, 유체 베어링 내의 압력 분포가 조정되기 때문에, 유체 베어링의 강성과 배유공(18)으로부터의 배유량과의 밸런스가 최적으로 유지된다.
그리고, 유체 베어링의 정적 강성 및 동압 발생용 랜드에서의 윤활유의 발열에 의한 베어링의 온도 상승에 대해 설명하면, 유체 베어링의 정적 강성은 도 7에 나타내는 것과 같이, 동압 발생용 랜드에서의 윤활유의 발열에 의한 베어링의 온도 상승은 도 8에 나타낸 바와 같이 된다.
어떠한 경우에도, 본 발명과 같이 동압 발생용 랜드 (15)에 배유공(18)이 설치된 것에 관해서는 실선으로 나타내고 있는 것과 같이 되고, 전술한 종래 기술에 서의 동압 발생용 랜드의 비분리형에 관해서는 파선으로, 분리형에 관해서는 일점쇄선으로 각각 나타내고 있게 된다.
즉, 본 발명의 유체 베어링은 동압 발생용 랜드에 분리 홈이 없는 비분리형 유체 베어링의 동압 발생용 랜드(15)에 적당한 수의 배유공을 개구함으로써, 정적 강성이 동압 발생용 랜드의 비분리형에 가깝고, 온도 상승은 동압 발생용 랜드의 분리형에 가깝고, 높은 정적 강성의 유지 및 온도 상승 억제성의 성능은 동압 발생용 랜드의 비분리형 및 동압 발생용 랜드의 분리형에 약간 떨어진다고 하면서도, 모두 충분히 발휘되어 강성의 향상과 발열의 억제가 양립하고 동압 발생용 랜드의 비분리형 및 동압 발생용 랜드의 분리형 각각에서 문제로 되어 있는 점이 해소된다.
정압 포켓(14)의 형상으로서 도 2의 사변형, 도 3의 U자형을 예시했지만, 정압 포켓(14)의 형상은 이 형상으로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 도 4와 같이 중앙의 독립된 동압 발생용 랜드(15)를 둘러싸는 사변형의 링형이어도 좋다.
정압 포켓(14)을 사변형의 링형으로 함으로써, 도 2의 사변형의 것 보다 동압 효과를 높여, 강성 및 감쇠성을 향상할 수 있다.
또, 사변형의 링형보다 상기 U자형 쪽이 동압 발생용 랜드(15)가 숫돌축 S의 회전방향에 있어 가장 길게 연속되기 때문에 동압 효과를 한층 높일 수 있다.
공작물의 재질이나 요구 정밀도에 의해 숫돌차의 회전수가 변경된 경우, 가변 스로틀(41)에 의한 스로틀을 숫돌축 S의 회전속도의 증감에 대응하여 조정함으로써, 회전속도에 따른 베어링 강성과 발열의 밸런스를 조정할 수 있다. 또한, 각 종 공작기계에서의 회전축의 베어링 부재를 공통화하여, 요구되는 베어링 성능에 대응하여 베어링으로부터 이격된 개소에서 가변 스로틀(41)의 스로틀을 조정하도록 할 수도 있다.
또 도 1에서는, 내측 슬리브(12)의 외주에 급유 원주 통로(16)가 설치되어 있기 때문에, 배유공(18)이 내측 슬리브의 내주면으로부터 측면으로 빠지도록 설치되어 있지만, 배유공(18)의 가공의 용이성, 배관 설치의 용이함으로 인하여 급유 원주 통로(16)를 원주 방향으로 복수 분할한 포켓 형상으로 하거나, 또는 급유 원주 통로(16)를 없애고 배유공(18)이 급유공(17)과 같이 숫돌축 S에 직교하는 방향으로 설치될 수도 있다.
다음에 본 발명의 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링(20)에 대해 설명한다. 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링(20)의 레이디얼 유체 베어링 자체는 제1 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링(11)(도 1참조)과 같지만, 도 9에 나타낸 바와 같이 연삭반의 숫돌축 S에 이용된다.
숫돌 주축 케이싱 C에는 숫돌축 S, 즉 회전축의 외주면을 회전 가능하게 지지하는 레이디얼 유체 베어링(20)이 설치되고, 전술한 바와 같이 도 5에 나타내는 제1 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링과 마찬가지의 공급유에 의해 작용하도록 되어 있다.
본 발명의 제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링(20)의 배유관(42)에 개재되는 가변 스로틀(41)은 예를 들면 컨트롤러(21)에 접속된 전자 가변 스로틀 밸브이며, 그 개폐는 컨트롤러(21)에 의해 제어되고, 베어링 오일 온도, 포켓 내의 압 력, 간극에 대응하여 조정되어, 베어링 강성과 동압 발생용 랜드에서의 발열의 밸런스의 최적 조절비로 되어, 사용조건 하에서 최고의 성능을 발휘하도록 되어 있다.
제2 실시예에서의 레이디얼 유체 베어링(10)이 적용되는 도 9에 나타내는 연삭반에서는, 숫돌축 S에는 숫돌축 S의 회전 속도를 측정하도록 엔코더(22)가 형성되어 있으며, 정압 포켓(14) 또는 배유관(42)에는 온도 센서(23)가 장착되어 윤활유 온도가 측정된다. 또한, 정압 포켓(14)에는 압력 센서(24)나 변위계(25)가 장착되고 있어 정압 포켓 내의 압력이나 베어링 간극이 측정되도록 되어 있다.
가변 스로틀(41)(전자 가변 스로틀 밸브)의 개폐를 제어하도록 가변 스로틀(41)에 접속하여 설치된 컨트롤러(21)는 엔코더(22), 온도 센서(23), 압력 센서(24) 및 변위계(25)로부터의 각 측정값 신호가 입력되도록 엔코더(22), 온도 센서(23), 압력 센서(24) 및 변위계(25)의 각각에 접속되어 있다.
그리고 상기의 각 측정량에 대응하여 컨트롤러(21)는 베어링의 강성과 발열의 밸런스가 최적으로 되도록 가변 스로틀(41)을 조정한다. 실제로는 설계의 단계에서 상기의 측정량 중 필요한 것을 선택하면 된다.
또한 도 9에는 좌측의 유체 베어링(20)의 배유 시스템이 생략되어 있으나, 좌측의 유체 베어링(20)에도 우측의 유체 베어링(20)과 마찬가지로 온도 센서(23), 압력 센서(24) 및 변위계(25)를 설치하여, 이들 신호가 컨트롤러(21)에 입력되도록 할 수도 있다.
공작물의 재질이나 요구되는 가공 정밀도에 의해 숫돌축 S의 회전 속도가 변 경된 경우, 회전 속도의 측정값을 바탕으로 컨트롤러(21)가 가변 스로틀(41)을 조정함으로써, 회전 속도에 따른 베어링 강성과 발열의 밸런스를 조정할 수 있다. 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 일반적으로는 회전 속도가 높을수록 동압 효과의 영향으로 강성도 높아지지만, 윤활유의 유체 마찰에 의한 발열도 커진다.
단, 도 12는 윤활유 온도가 정상이 될 때까지 회전축을 일정한 회전 속도로 회전시키고, 회전속도가 0일 때의 정상 온도와 각 회전 속도에서의 정상 온도의 차이를 취하고 있다. 따라서 도 13에서 도시한 바와 같이 저속 회전 시에는 스로틀을 닫아 강성을 높이고, 고속 회전 시에는 가변 스로틀(41)을 열어 필요 이상의 강성의 상승을 저감하여, 윤활유의 온도 상승을 억제하는 것이 가능하다.
공작물의 가공 중, 특히 회전축의 고속 회전 시에 있어, 동압 발생용 랜드(15)와 윤활유의 유체 마찰에 의한 발열에 의해 베어링 부재(11)나 숫돌축 S가 열 변형을 일으켜 베어링 간극이 축소되거나 윤활유 온도가 상승하여 윤활유의 점성이 낮아져, 베어링 성능이 변화된다.
그와 같은 경우에도, 온도 센서(23)로 측정한 윤활유 온도를 바탕으로 도 14에 나타내는 윤활유 온도와 스로틀의 관계에 대응하여 스로틀을 조정하면 된다. 또, 압력 센서(24)에서 측정된 정압 포켓(14) 내의 압력과 함께 정압 포켓(14) 내의 압력의 조절 관계에 따라 스로틀을 조정할 수도 있다. 또, 변위계(25)로 측정한 베어링 간극을 바탕으로 베어링 간극과 스로틀의 관계에 대응하여 스로틀을 조정하면 된다. 이와 같이 하여, 유체 베어링(20)을 항상 최적의 상태로 유지시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명에서는, 배유공(18)마다 가변 스로틀(41)이 설치(도 5(A) 참조)됨으로써, 개별적으로 스로틀을 조정하여 도 10에 도시한 바와 같은 압력 분포를 얻는 것도 가능하게 된다. 즉, 가공의 방법으로부터 정해지는 부하 방향의 베어링의 강성만을 높이는 것이 가능하다. 또, 가공물의 방향을 변경하거나 가공물을 교환할 때에 베어링에 걸리는 부하가 변화된다.
이러한 경우, 도 15에 도시한 바와 같이, 스로틀 저항이 일정한 유체 베어링은 부하의 변화에 불구하고 균일한 온도 상승을 나타내지만, 본 발명에 의한 유체 베어링은 컨트롤러(21)에 의해 고부하 시에는 가변 스로틀(41)을 닫아 강성을 높이고, 저부하 시에는 가변 스로틀(41)을 열어 배출량을 증가시켜 쓸데없는 온도 상승을 방지하는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 유체 베어링은 숫돌축 S의 회전속도, 윤활유 온도, 정압 포켓 내 압력, 베어링 간극에 대응하여 가변 스로틀(41)을 조정함으로써, 베어링 강성과 발열의 밸런스가 항상 최적의 상태로 유지된다.
상기의 제2 실시예에서는 숫돌축 S의 양단 지지의 한 쪽 베어링 부재(11)에만 상태 검출 수단인 온도 센서(23), 압력 센서(24), 변위계(25)를 설치하여 가변 스로틀(41)을 제어하도록 했지만, 다른 쪽의 베어링 부재(11)에도 같은 가변 스로틀(41)이 설치되어 있을 수도 있다.
다음에, 본 발명의 제3 실시예에서의 스러스트 유체 베어링(30)에 대해 설명한다.
스러스트 베어링(30)은 도 17에 도시한 바와 같이, 숫돌축 S와 같은 회전축 의 중앙부에 형성된 플랜지부 F의 단부면이 슬라이딩 가능하게 대향하여 접하는 스러스트 베어링 면(31)이 형성되고, 숫돌축 S가 삽입 통과되는 중심 구멍(32)이 형성된 원환 판체인 베어링 부재(33)가 연삭반의 숫돌 주축 케이싱 C에 끼움 장착되거나, 플랜지부 F의 단면이 대향하여 접하는 숫돌 주축 케이싱 C의 부위의 면에 원환 띠형의 스러스트 베어링 면이 직접 형성되어 구성된다.
베어링 부재(33)는 제1 실시예에서의 베어링 부재(11)와 같이 급유 통로를 형성하는 2층 구조로 구성될 수도 있다.
숫돌축 S와 같은 회전축의 중앙부에 형성된 플랜지부 F의 단부면에 접하는 원환 띠형의 스러스트 베어링 면(31)에는 도 16에 나타낸 바와 같이 외주 영역과 내주 영역을 남기고 중간 영역에 동심으로 불연속 원환 띠형의 정압 포켓(34)이 형성되어 있다. 그리고, 스러스트 베어링 면(31)에 있어서, 정압 포켓(34) 이외의 구성은 동압 발생용 랜드(35)로 된다. (플랜지부 F는 도 17의 스러스트 베어링 면(31)의 중심 축선을 중심으로 회전한다).
구체적으로는, 스러스트 베어링 면(31)은 외주 영역 동압 발생용 랜드(35a)와 내주 영역 동압 발생용 랜드(35b) 사이의 정압 포켓(34)이 원주 방향으로 등분할(도시의 예에서는 4등분할)되어 정압 포켓(34)이 불연속 원환 띠형이 되고, 각각의 정압 포켓(34)의 바닥면에 급유공(17)이 개구되어 있다. 정압 포켓(34)을 분할하는 원주 4등분의 방사상의 반경 방향 동압 발생용 랜드(35c)는 외주 영역 동압 발생용 랜드(35a)와 내주 영역 동압 발생용 랜드(35b)를 연결하고 있다.
방사상의 반경 방향 동압 발생용 랜드(35c) 각각에 적당한 수(도시의 예에서 는 1개)의 배유공(36)이 개구되어 있다. 배유공(36)의 유출 측에는 제1 실시예와 마찬가지로 스로틀, 바람직하게는 가변 스로틀(41)(예를 들면 전자 가변 스로틀 밸브)이 개재되는 배유관(42)이 접속되고, 배유관(42)은 유조(43)에 도달하여 있다(도 17참조).
스러스트 베어링 면(31)의 정압 포켓(34)의 바닥면에 개구되어 있는 급유공(17)은 스러스트 베어링(30)의 내부를 관통하고, 외부의 펌프 P와 같은 외부의 압유 공급원으로부터의 예를 들면 연삭반의 숫돌 주축 케이싱 C의 급유공과 같은 급유 통로에 접속되어 있다.
필요에 따라, 제2 실시예의 경우와 같이, 회전 속도의 측정값을 바탕으로 컨트롤러(21)가 가변 스로틀(41)(전자 가변 스로틀 밸브)을 조정함으로써 회전 속도에 따른 베어링 강성과 발열의 밸런스를 조정하도록 되어 있다.
즉, 제2 실시예의 경우와 마찬가지로, 설치된 엔코더(22), 온도 센서(23), 압력 센서(24) 및 변위계(25)로부터 각 측정값 신호가 입력되는 컨트롤러(21)가 상기의 각 측정값에 대응하여 베어링의 강성과 발열의 밸런스가 최적으로 되도록 가변 스로틀(41)이 조정되게 되어 있고, 고속 회전 시와 저속 회전 시의 베어링 성능의 전환이 적절하게 행하여진다.
스러스트 베어링(30)에서의 윤활유의 공급 및 배출의 흐름은 상기 제1 및 제2 실시예에서의 레이디얼 베어링과 동일하다.
상기 제1 및 제2 실시예의 레이디얼 베어링의 경우와 달리 동압 효과를 효과적으로 이용하여 소비 동력의 저감은 바랄 수 없지만, 저발열화는 충분히 발휘된 다.
회전 속도에 대응하는 정적 강성 성능 및 온도 상승 저감 성능은 도 18 및 도 19에 도시한 바와 같이, 종래의 기술의 분리형(도 21(C))이나 배유공이 없는 비분리형(도 21(B))에 비하여 우수하다.
또, 윤활유의 배출이 배유공(36)을 통하여 행하여지는 결과, 베어링의 내주 측 및 외주 측에서의 유출량이 억제되기 때문에 밀봉 능력 부족이 일어나지 않는다.
상기한 실시예에서는 유체 베어링이 연삭반의 숫돌축으로 적용되어 있는 상태로 설명하고 있지만, 본 발명의 유체 베어링의 적용은 연삭반의 숫돌축으로 한정되지 않고, 절삭기, 연마기, 머시닝센터 등의 각종 공작기계 뿐만 아니라 기타 각종 기계의 회전축으로도 가능하다.
본 발명의 유체 베어링에서는 정압 포켓에 급유공을, 동압 발생용 랜드에 배유공을 개구함으로써, 이율배반의 동압 발생용 랜드의 비분리형에 가까운 높은 정적 강성의 유지와 동압 발생용 랜드의 분리형에 가까운 우수한 온도 상승 억제성이라는 2가지 성능이 발휘된다.
그리고 배유공이 스로틀을 통하여 배출 수단에 연통되어 있는 경우에는, 배유공에서의 캐비테이션의 발생을 방지하고, 나아가서는 베어링 성능의 지장, 예를 들면 최악에 눌어붙는 것이 방지되고, 또 배유공의 위치나 개수에 더하여, 배유공에 스로틀 등의 저항을 적당히 설치함으로써 배출상태를 제어할 수 있다.
또한, 스로틀이 가변 스로틀이기 때문에, 공작물의 재질이나 요구 정밀도에 의해 회전축의 회전 속도가 변경되고, 베어링 오일 온도가 변화되어, 베어링 오일의 점성이나 베어링 간극이 변화된 경우에 있어서도, 수시로 적당히 스로틀을 조정할 수 있기 때문에 유체 베어링 내의 압력 분포가 조정되어, 유체 베어링의 강성과 배유공으로부터의 배유량의 밸런스가 항상 최적으로 유지된다.
그리고, 가변 스로틀은 회전축의 회전 속도, 베어링 내의 온도, 유체 압력, 베어링 간극 등의 검출량에 따라 자동적으로 조정될 수 있다.
또한, 배유공마다 가변 스로틀을 설치함으로써, 부하 방향의 베어링 강성만을 높게 할 수 있다. 또, 저부하 시에는 스로틀을 열어 쓸데없는 온도 상승을 방지하는 것도 가능하다.
또, 가변 스로틀에 의해 베어링 강성의 최적 설계의 용이화와 같이, 베어링설계의 자유도의 증가, 스로틀 저항의 변경에 의해 베어링 성능의 적당한 조정을 도모함에 따른 베어링 부재의 공통화 등이 가능하게 된다.
베어링 부재 내의 급유 통로가 형성되어 있는 경우에는, 그곳을 흐르는 윤활유에 의해 유체 마찰에 의한 발열로 가열되는 동압 발생용 랜드가 뒤쪽으로부터 냉각될 수 있다.
그리고, 베어링 부재가 2층 구조인 경우에는, 급유 통로의 가공이 용이하게 실현되어, 생산성도 좋고 생산비용도 저렴하게 된다.

Claims (15)

  1. 회전축을 지지하는 베어링 면에서, 상기 회전축의 미끄럼 면의 이동 방향으로 적당한 간격을 두고 복수의 정압 포켓이 배열되고, 상기 정압 포켓 이외의 구역에 동압 발생용 랜드가 형성되고, 상기 베어링 면의 정압 포켓에는 급유 수단에 연통되는 급유공이 개구되고, 상기 동압 발생용 랜드에는 배출 수단에 연통된 배유공이 1개 이상 개구되고, 상기 배유공은 가변 스로틀을 통하여 배출 수단에 연통되어 있는 유체 베어링.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가변 스로틀이 상기 회전축의 회전 속도에 대응하여 조정되는 스로틀인 유체 베어링.
  4. 제1항에 있어서,
    베어링 작동 상태 검출 수단과, 상기 베어링 작동 상태 검출 수단에 의한 검출 신호에 의해 상기 가변 스로틀의 개폐를 제어하는 제어 수단을 구비하고 있는 유체 베어링.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 베어링 작동 상태 검출 수단이 상기 회전축의 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출 수단 및 베어링 내의 유체압을 검출하는 압력 센서를 포함하는 유체 베어링.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 베어링 작동 상태 검출 수단이 상기 베어링 면과 상기 회전축의 미끄럼 면과의 베어링 간극을 검출하는 변위계를 포함하는 유체 베어링.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 베어링 작동 상태 검출 수단이 상기 베어링 내의 유체 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하는 유체 베어링.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전축을 지지하는 베어링 면이 상기 회전축의 미끄럼 면인 외주면을 지지하는 저널 베어링 면인 유체 베어링.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 회전축을 지지하는 베어링 면이 상기 회전축의 미끄럼 면인 상기 회전축의 일부를 형성하는 단부면을 지지하는 스러스트 베어링 면인 유체 베어링.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 회전축을 지지하는 베어링 면이 상기 회전축의 미끄럼 면인 외주면을 지지하는 저널 베어링 면 및 상기 회전축의 미끄럼 면인 상기 회전축의 일부를 형성하는 단부면을 지지하는 스러스트 베어링 면인 유체 베어링.
  11. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 저널 베어링 면의 정압 포켓이 사변형의 리세스인 유체 베어링.
  12. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 저널 베어링 면의 정압 포켓이 베어링 면에서 원주방향으로의 신장과 대향하여 평행한 레그를 갖는 U자형의 리세스인 유체 베어링.
  13. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 저널 베어링 면의 정압 포켓의 리세스 내에 독립된 동압 발생용 랜드가 형성되어 있는 유체 베어링.
  14. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 저널 베어링 면은 내주면에 형성된 내측 슬리브가 베어링 케이싱의 내주면에 끼움 장착된 2층 1체의 베어링 부재로 구성되고, 상기 베어링 케이싱과 내측 슬리브의 결합면에서 원주 방향으로 급유 통로가 형성되고, 급유공의 일단 측이 상기 급유 통로를 통하여 급유 수단에 연통되어 있는 유체 베어링.
  15. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 스러스트 베어링 면의 정압 포켓이 원환 띠형의 외주 영역 동압 발생용 랜드와 내주 영역 동압 발생용 랜드 사이에 형성되고, 상기 외주 영역 동압 발생용 랜드와 상기 내주 영역 동압 발생용 랜드를 연결하고 있는 복수의 반경 방향 동압 발생용 랜드에 의해 원주 방향으로 복수로 분할되어 있고, 상기 반경 방향 동압 발생용 랜드의 각각에는 1개 이상의 배유공이 개구되어 있는 유체 베어링.
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