background image

Jewel Bearings Solve
Light Load Problems

These miniature 
bearings are 
unsurpassed for low
breakaway friction,
long life, and 
resistance to harsh
environments.

PAUL BAILLIO

Sales Manager
Bird Precision
Waltham, MA

Jewel  bearings  earned  their  reputa-
tion as reliable low-friction devices
by  keeping  watches  and  timepieces
working accurately, some for over a
century. In low-load and low-speed
applications,  they  remain  un-
equalled  as  maintenance-free  bear-
ings in precision analog movements
such as altimeters and guidance sys-
tems.  Furthermore,  advances  in
crystal  growing  and  manufacturing
now  make  the  bearings  cost-effec-
tive  alternatives  to  conventional
bearings  in  selected  applications.
Ruby, sapphire, and hard glass make
the  best  jewel  bearings  be-cause
they 

are 

hard 

and 

take 

near-perfect  polish,  down  to  1  or  2
µin.  While  diamond  holds  promise
as  the  ultimate  jewel  bearing  be-
cause  of  its  extreme  hardness  and
low  friction,  its  high  cost  makes  it
unacceptable.

Jewel  bearings  perform  best  when

loads are less than 500 g and when
constant speeds are low or momen-
tary  at  higher  rates.  Within  this
realm,  the  bearings  compete  with
miniature  ball  bearings,  flex-ural
pivots, taut-band suspensions, and a
variety  of  low  friction  materials
such  as  Teflon.  the  most  com

mon jewel-bearing designs are rings
or  journals,  cups,  Vs,  balls,  rollers,
and endstones.
Other  features  the  bearings  offer
are:

Low  friction  coeffecient.  For

steel on sapphire. CÆ’ is 0.1 to 0.15.
Breakaway  torque  is  so  low  that  a
jewel bearing recently was used in a
mechanical  torque  meter  sensitive

Clear sapphire, red rubies, and hard glass make ideal miniature bearings for

low-torque, low-speed and light-load applications such as compasses and 

sensitive analog meters. The same machining techniques that produce the

bearings provide precision orifices for use in flame-off torches, miniature

check valves and air bearings.

background image

enough  to  measure  the  thrust  pro-
duced by a fruit fly.

   

High hardness. Sapphire has

a compressive strength of 300,00

psi (2,000 knoop).

   

High temperature stability.

Melting point is about 2,050Ëš C.

   

Low relative cost. Typically, 

a jewel bearing costs 20% as much
as a ball bearing and 10% as much
as a flexural pivot.

   

Tight concentricities, to 

0.0002 in. in most cases.

     

Small  sizes  for  compact  de-

signs.  Shafts  can  be  as  small  as
0.006-in,  diameter,  but  more  typi-
cally  range  from  0.02  to  0.125-in.
diameter.

Ring jewels

These  are  journal  or  annular  bear-
ings  commonly  found  in  instru-
ments such as watches, dial indica-
tors,  and  gimbal  suspensions.
Because  of  their  manufacturing
method, ring jewels offer a feature

not  available  in  conventional  bear-
ings.  The  hole  is  contoured  like  an
hourglass  or  olive  shaped,  rather
than a straight cylindrical bore. The
advantage  is  reduced  contact  area,
hence,  lower  friction  between  shaft
and bearing.
The  hourglass  profile  also  allows  a
degree of radial freedom in the bear-
ing.  If  the  shaft  becomes  mis-
aligned,  the  hole  shape  prevents
binding. Also,  it  allows  closely  fit-
ting the shaft to the bearing; diame-

The simplest jewel bearing is a journal-
like  ring.  The  hole  may  be  cylindrical,
but  rounding  the  sides  to  an  hourglass
shape  allows  for  shaft  misalignment
without  binding. A rounded  surface  on
the  bearing  face,  called  a  bombé,  en-
ables the bearing to handle thrust loads
as well.

Greater  thrust  capacity  results  from
mounting an endstone below or behind a
single-cup,  olive-hole  ring  jewel.  The
endstone  has  a  radiused  surface,  like  a
bombé,  but  without  a  center  hole.  This
arrangement  is  not  suitable  for  shock
loading. Also,  the  fixed  assembly  must
be held in place with a retaining ring or
other device.

For  shock  loads,  an  endstone  can  be
spring  loaded  below  a  bombé  or  ring
jewel.  The  stepped  shaft  and  bombe
carry thrust loads. The threaded assem-
bly is another method for securing the
jewel bearing.

MOUNTING JEWEL BEARINGS

background image

tral  clearances  of  0.0002  in.  or 
better are possible.

V and cup bearings

These bearings are most often made
of  hard  glass  and  sapphire,  which
have  among  the  lowest  friction
coefficients  of  all  miniature  bear-
ings,  about  0.12  for  steel-on-sap-
phire. Cup and V-bearings are used
in 

sensitive 

magnetic 

meter 

movements,  compasses,  encoders, 
turbine  flow  devices,  and  gal-

vanometers.
The  low-friction  coefficient  is 
due  largely  to  the  moving  shaft’s
near  point  contact  on  a  V-bearing.
In  contrast,  other  miniature  bear-
ings  use  line  contact.  Also,  glass

and  sapphire  deform  less  under

load  than  competing  materials. 
This  property  keeps  friction  and
torque  nearly  constant  over  the  life
of  the  bearing.  Wear  is  usually
found  on  the  pivot  or  shaft  rather
than the jewel. The amount of wear
usually  depends  on  load,  speed, 
and shaft material.
Glass  V-bearings  have  slightly
lower  friction  because  their  sur-
faces  are  fire  polished.  Sur-
prisingly,  some  compass  manufac-
turers add a small drop of lubricant
to  the  glass  V-bearing  to  damp 
compass  card  oscillations,  which
otherwise  would  continue  for  long
periods.  A fire-polished  surface
minimizes the asperities, hence, the
lubricant  provides  viscous  damp-

ing to the shaft. This is not a prob-
lem  with  sapphire  V-bearings,
which  have  microscopic,  drag-pro-
ducing  asperities  on  their  lapped
surfaces.
The  effects  of  friction  producing
asperities  are  especially  evident
when  a  V-bearing  is  used  horizon-
tally.  In  this  position,  the  bearing
has  higher  load  bearing  capacity.
However,  the  mating  conical  shaft
tries to roll up the surface of the V-

Other  shock  mounting  techniques  in-
clude  a  silicone  cushion  behind  the
end-stone  or  a  spring  loaded  ball. The
spring is used for light shock loads, and
the  silicone  for  higher  shock  loading,
up to 1,000g.

Mounting  a  ball  on  a  shaft  allow
higher thrust loads than just a round-
ed  shaft  end.  The  silicone  cushions
shock  loads,  and  the  straight-hole
ring jewel carries loads normal to the
axis.

SEEING
CLEARLY
THROUGH
SAPPHIRE

Optical-quality sapphire has five times
the  resistance  of  carbide  to  scratches
and  chemicals.  Because  it  is  next  to 
diamond  in  hardness  (9  Mobs  vs.  10
for diamond or 1,800 to 2,200 Knoop)
sapphire lenses work well on barcode
readers,  watch  crystals,  and  other
devices  with  moving  lenses.  High
strength  and  a  moderate  refractive
index  also  make  sapphire  a  good
selection  for  high-pressure  windows
and view ports.
Sapphire is unaffected by acids even at
1,0000C. It is virtually inert to all re-
agents  and  alkalis  at  room  tempera-
ture,  including  hydrofluoric  acid.
Furthermore,  sapphire  exhibits  good
infrared  transmission  across  a  wide
spectrum  of  wavelengths,  and  is  used
in infrared detectors and filters.
The  mineral’s  high-temperature  con-
ductivity, strength, and stability make
it  ideal  for  high-energy  laser  applica-
tions.  Sapphire  pinholes  and  aper-
tures  typically  outlast  those  made  of
metal.  The  crystal’s  availability  and
low cost make it an excellent material
for  high  volume  use.  For  example,  a 
1-in.  diameter  watch  crystal  costs
from $10 to $12.

background image

bearing  radius,  and  the  shaft  end
operates  on  the  side  of  the  cone
rather  than  at  the  point  of  the  V.
Like the ring jewel, the V-jewel pro-
vides  more  radial  freedom  than
competing designs.

When  a V-jewel  is  used  horizon-

tally, a 0.003 to 0.005-in, clearance
must  be  maintained  between  bear-
ing  and  shaft.  To  make  the  adjust-
ment,  fine-pitched  screws  are
mounted  behind  the  bearings.  In
this arrangement, turning a 100-100
(100  threads/in.)  screw  once,  for
example,  produces  linear  travel  of
0.0  13  in.  After  gently  tightening,
backing  the  screw  off  one-quarter
turn  easily  produces  the  clearance.
Threaded screws that work best for
adjusting  end-play  are  the  2-80,
100-100, and 4-90 sizes.

Sizing the radii

Load-bearing  capabilities  and

friction  are  governed  by  V-bearing
or cup size, and cone radius. Gener-
ally,  the  V-radius  should  be  three
times  the  radius  of  the  pivoting
member.  This  allows  room  for  the
pivot radius to wear in and conform
to the V-radius without binding.

Best  performance  results  when

the  conical  V-angle  is  85Ëš  and  the
conical  pivot  angle  is  55Ëš.  Typi-
cally,  glass  V-bearings  with  mini-
mum radius points tolerate loads to
200 mg. Larger points handle high-
er loads.

As  shaft  radius  decreases  in  a

bearing,  friction  and  load  carrying
capacity  also  decrease.  The  small
contact  radii  produce  large  contact
stresses.

High hardness can be a detriment

for a jewel bearing because they can
fracture under high impact loads or
high vibration. The bearings are not
recommended  for  shock  applica-
tions  unless  they  are  properly
mounted  with  a  spring  or  silicone
pad  to  absorb  damaging  vibration.
Some  examples  are  shown  in  the
box Mounting jewel bearings.

Pivot  material  also  deserves  at-

tention.  Nickel  chrome  and  420
stainless-steel  alloys  are  good
choices for pivot and shafts. Gener-
ally,  hardness  in  excess  of  R~  50
and  surface  finish  of  2  to  4  Âµin  is
recommended. 

Nickel-chrome

alloys  of-ten  are  preferred  because
they  are  corrosion  resistant,  non-
magnetic, and have a hardness over
R~ 65.