CN202690740U - 涡轮增压器用双列球轴承单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型实现一种便宜且能够容易地进行用于从低温时到高温时发挥稳定的性能的调整的涡轮增压器用双列球轴承单元的构造。在设于外圈（8）的内周面的双列的外圈轨道（12a、12b）与设于一对内圈（9a、9b）的外周面的双列的内圈轨道（13a、13b）之间，设有每列各为多个的球（10）。使这些球（10）由以氧化锆为主要成分的陶瓷制成。通过使用比氮化硅系的陶瓷便宜，且与高碳铬轴承钢等铁系合金的线膨胀系数的差较小的氧化锆，能够容易地进行用于使涡轮增压器用双列球轴承单元从低温时到高温时发挥稳定的性能的调整。另外，也能良好地确保球（10）的滚动面与润滑油的适应性，实现低扭矩化。

Description

涡轮增压器用双列球轴承单元

技术领域

本实用新型涉及一种为了将在两端部设有叶轮和涡轮的旋转轴旋转自如地支承于外壳而利用的双列球轴承单元，上述叶轮和涡轮构成用作发动机的增压器的涡轮增压器。

背景技术

为了不改变排气量地增大发动机的输出，广泛使用在排气能量的作用下压缩向发动机送入的空气的涡轮增压器。该涡轮增压器利用设在排气通路的中途的涡轮回收排气的能量，利用在端部固定有该涡轮的旋转轴使设在供气通路的中途的压缩机的叶轮旋转。该叶轮随着发动机的运转而以几万min^–1到十几万min^–1的范围的速度旋转，压缩上述供气通路的空气后将该空气送入到发动机中。因而，用于将上述旋转轴旋转自如地支承于外壳的轴承单元除了要求耐高温性以外，还要求较高的耐高速性能。另外，为了与随着加速踏板的踩下而发生的排气量的增大相对应地马上使上述旋转轴的转速上升，一直以来研究如下事项：降低与该旋转轴一并旋转的部分的惯性质量，并且降低上述轴承单元的旋转阻力（动态扭矩）。例如为了降低上述惯性质量，上述涡轮使用比耐热钢轻型的由陶瓷制成的涡轮。另外，作为上述轴承单元，使用比滑动轴承的动态扭矩小且能确保所需的力矩刚性的双列球轴承单元。

在日本特开平2–70923号公报、日本特开2007–71356号公报、日本特开2008–298284号公报、日本特开2009–203845号公报、日本特开2009–264526号公报、日本特开2008–267555号公报和日本特开2010–1995号公报中，公开了一种上述那样的涡轮增压器用双列球轴承单元。图1表示装入有能实施本实用新型的双列球轴承单元1的涡轮增压器的1例，该双列球轴承单元1与上述文献所述的涡轮增压器用双列球轴承单元的构造不同，图2表示该双列球轴承单元1。该涡轮增压器利用在排气流路2中流通的排气，使固定在旋转轴3的一端（图1的右端）的涡轮4旋转。该旋转轴3的旋转传递给固定在该旋转轴3的另一端（图1的左端）的叶轮5，使该叶轮5在供气流路6内旋转。结果，自该供气流路6的上游端开口吸引的空气被压缩，与汽油和轻油等燃料一并送入到发动机的气缸室内。

用于将上述那样的旋转轴3旋转自如地支承在外壳7内的上述双列球轴承单元1包括多个球10、一对保持器11、均为圆筒状且彼此同心地配置的一体型的外圈8和一对内圈9a、9b。外圈8在两端部的内周面具有双列的外圈轨道12a、12b。另外，内圈9a、9b在各自的外周面的一部分且与上述外圈轨道12a、12b相面对的部分上分别具有内圈轨道13a、13b。另外，球10以保持在各保持器11中的状态在每列各设有多个地滚动自如地设在两列的外圈轨道12a、12b与内圈轨道13a、13b之间。由双列配置的球10构成的一对球轴承均是角接触型球轴承，对该一对球轴承施加有规定方向的接触角。接触角的方向通常为背对背双联型，但如日本特开2007–71356号公报所述，有时也为面对面双联型。另外，以往大多对球轴承施加有预负荷，但至少在10年前就已经在一部球轴承中，不对球轴承施加预负荷而在双列球轴承单元的内部设定正的间隙，在日本特开2008–298284号公报、日本特开2009–203845号公报和日本特开2009–264526号公报中也公开了该种技术。

另外，在外圈8的外周面与外壳7的内周面之间夹设微小间隙14，经过供油口15将润滑油（发动机机油）送入到该微小间隙14内，然后将该润滑油供给到双列球轴承单元1的内部空间16内。暂时停留在微小间隙14内的润滑油构成油膜缓冲部，在旋转轴1高速旋转时，也能防止双列球轴承单元1振动。另外，在外壳7与外圈8之间设有止转机构，阻止外圈8在外壳7内旋转。

此外，为了降低与高速旋转时的球10的公转运转相对应地产生的离心力，谋求提高外圈轨道12a、12b的耐久性，并且为了降低动态扭矩而使上述球10轻型化，在日本特开2008–267555号公报和日本特开2010–1995号公报中也提到了利用陶瓷制成上述球10。关于构成上述球10的陶瓷的种类，在日本特开2010–1995号公报中提到β塞隆（β–SiAlON）。另外，在该日本特开2010–1995号公报中提到氧化铝（Al₂O₄）和氮化硅（Si₃N₄）作为与该β塞隆比较的陶瓷。另外，在利用陶瓷制成球10的情况下，作为外圈8和内圈9a、9b的构成材料，也能使用SUJ2那样的高碳铬轴承钢、或增加了高碳铬轴承钢中的Si量且使表面氰化了的合金等铁系的硬质金属。

如上所述，通过利用陶瓷制成球10，能够提高外圈轨道12a、12b的耐久性，降低动态扭矩，但包括β塞隆在内的氮化硅系的陶瓷昂贵，而且与铁系合金的线膨胀系数的差较大。因此，与温度的变化相对应地发生的内部间隙的变化变大，用于使该球轴承单元从低温时到高温时发挥稳定的性能的调整（tuning）很难进行。另外，与润滑油的适应性也不一定能说是良好的，从谋求低扭矩化的方面出发，利用氮化硅系的陶瓷制成球10的做法是不利的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平2–70923号公报

专利文献2：日本特开2007–71356号公报

专利文献3：日本特开2008–298284号公报

专利文献4：日本特开2009–203845号公报

专利文献5：日本特开2009–264526号公报

专利文献6：日本特开2008–267555号公报

专利文献7：日本特开2010–1995号公报

实用新型内容

实用新型要解决的问题

本实用新型鉴于上述那样的情况，目的在于提供一种便宜且能够容易地进行用于从低温时到高温时发挥稳定的性能的调整，而且易于实现低扭矩化的涡轮增压器用双列球轴承单元。

用于解决问题的方案

本实用新型的涡轮增压器用双列球轴承单元包括：圆筒状的外圈，其在内周面具有双列的外圈轨道；圆筒状的内圈，其在外周面具有双列的内圈轨道；球，其以每列各配置有多个的方式滚动自如地设在上述外圈轨道与上述内圈轨道之间。在本实用新型的涡轮增压器用双列球轴承单元中，利用在各自的外周面且与上述外圈轨道相面对的部分具有内圈轨道的、均为圆筒状的一对内圈，将上述内圈构成为两分割构造。关于上述外圈，优选利用一体构造的外圈构成。另外，也可以利用在各自的内周面具有外圈轨道的、均为圆筒状的一对外圈，将上述外圈构成为两分割构造。在形成为两分割构造的情况下，可以使上述外圈由以夹持有外圈壳体的状态分开配置的上述一对外圈构成，以及/或者使上述内圈由以夹持有内圈隔圈的状态分开配置的上述一对内圈构成。此外，优选不对上述球施加预负荷而在该涡轮增压器用双列球轴承单元的内部设定正的间隙。

另外，优选在本实用新型的涡轮增压器用双列球轴承单元中，上述各球由以氧化锆（ZrO₂）为主要成分（含有50质量%以上）的陶瓷制成。

实用新型的效果

本实用新型的涡轮增压器用双列球轴承单元，使用比氮化硅系的陶瓷便宜，且以与高碳铬轴承钢等铁系合金的线膨胀系数的差较小的氧化锆为主要成分的陶瓷，作为构成多个球的陶瓷。因此，采用本实用新型，能够以低成本获得可以容易地进行用于从低温时到高温时发挥稳定的性能的调整的构造。

而且，作为氧化物系陶瓷的氧化锆在表面有氧原子，因此氧化锆与润滑油的适应性良好。即，使用用于润滑发动机的可动部的润滑油进行涡轮增压器用双列球轴承单元的润滑，在球的构成材料是氮化硅、β塞隆等氮化硅系的陶瓷的情况下，在球的表面不存在氧原子，或即使存在也是极少量地留有氧原子。因此，各球的滚动面与润滑油的适应性未必能说是良好的，不一定能良好地确保在上述球的滚动面与外圈轨道及内圈轨道滚动接触的滚动接触部存在的油膜的性状。

相对于此，在本实用新型的情况下，由于在以氧化锆为主要成分的陶瓷制的球的滚动面上存在充分的量的氧原子，因此能够良好地确保各球的滚动面与润滑油的适应性。并且，能够良好地确保在这些球的滚动面与外圈轨道及内圈轨道滚动接触的滚动接触部存在的油膜的性状，能够使各球稳定地滚动。结果，采用本实用新型的涡轮增压器用双列球轴承单元，能够减小在两端部固定有涡轮和叶轮的旋转轴的旋转阻力，而且能够良好地确保在该旋转轴高速旋转时的声响性能，即能够降低噪声和振动。

附图说明

图1是表示装入有作为本实用新型的对象的双列球轴承单元的涡轮增压器的1例的剖视图。

图2是以自图1的涡轮增压器取出了的状态表示作为本实用新型的对象的双列球轴承单元的剖视图。

图3是表示在用于确认本实用新型的效果的实验中使用的双列球轴承单元的另一例的剖视图。

具体实施方式

本实用新型的特征在于，使构成双列球轴承单元1的球10由以氧化锆为主要成分的陶瓷制成。应用了本实用新型的双列球轴承单元1的构造与一直以来公知的各种的构造、利用图1和图2说明的构造相同，因此省略重复的说明。另外，本实用新型也能应用在图1和图2所示的、使外圈8b为一体型且使内圈9a、9b为两分割型的构造中，也能应用在图3所示的、均分别独立地形成外圈8a和内圈9c的构造中。在实施本实用新型的情况下，优选不对球10施加预负荷。即，在双列球轴承单元1中设定正的内部间隙。

因而，如图1和图2所示，在对球10施加有背对背双联型的接触角的构造中，在排气流路2侧的压力较高，自涡轮4侧向叶轮5侧去的推力负荷作用于旋转轴3的情况下，只有涡轮4侧的列的球10支承该推力负荷，并且该列的球10与涡轮4侧的外圈轨道12b和内圈轨道13b滚动接触。相对于此，在供气流路6侧的压力较高，自叶轮5侧向涡轮4侧的推力负荷作用于旋转轴3的情况下，只有叶轮5侧的列的球10支承该推力负荷，并且该列的球10与叶轮5侧的外圈轨道12a和内圈轨道13a滚动接触。这样，由于在双列球轴承单元1中设定正的内部间隙，因此不会使球10的滚动面、外圈轨道12a、12b和内圈轨道13a、13b的表面产生擦伤划痕等损伤地，能够在上述外圈轨道12a、12b和内圈轨道13a、13b之间装入球10。

在本例的情况下，使球10均为氧化锆制。与一直以来作为构成涡轮增压器用双列球轴承单元的球而通常使用的β塞隆、氮化硅（Si₃N₄）相比，氧化锆便宜，且氧化锆与作为外圈8和内圈9a、9b的构成材料而通常使用的包括SUJ2等高碳铬轴承钢在内的铁系合金的线膨胀系数的差较小。将构成涡轮增压器的旋转轴3旋转自如地支承起来的双列球轴承单元1，虽然设置在具有水冷套17的外壳7内，且进一步由自供油口15送入的润滑油冷却，但是考虑到冬季、夏季在发动机的运转刚刚开始时、运转开始后经过了一些时间后的条件等，有时温度变化的范围超过100℃很多。另一方面，在本例的情况下，在双列球轴承单元1中设有正的内部间隙，但该内部间隙的值毕竟需要控制在适当的范围内。即，当该内部间隙的值过大时，由于随着加速踏板的踩下、抬起而产生的作用于旋转轴3的推力负荷的作用方向的变化，旋转轴3可能表现出振动等不理想的举动。

陶瓷的线膨胀系数比铁系合金的线膨胀系数（例如在SUS304的情况下为18.0×10^-6/℃左右）小，所以上述内部间隙的值随着温度的上升而变大。因而，为了既能在低温时确保正的内部间隙且又能在温度上升时防止该内部间隙的值过大，需要使构成球10的材料的线膨胀系数与构成外圈8和内圈9a、9b的铁系合金的线膨胀系数之间不存在较大的差。与一直以来用作构成涡轮增压器用双列球轴承单元的球的陶瓷的氮化硅的线膨胀系数（2.6×10^–6/℃左右）相比，在本例的情况下，构成球10的氧化锆的线膨胀系数（10.5×10^–6/℃左右）大很多，接近上述铁系合金的线膨胀系数。因此，能够较小地抑制随着温度变化而产生的内部间隙的变化量，既能在低温时确保正的内部间隙，且也能在温度上升时防止该内部间隙的值过大。并且，能够容易地进行用于使球轴承单元从低温时到高温时发挥稳定的性能的调整。而且，氧化锆是比氮化硅便宜的材料，所以能够以低成本获得可以容易地进行该调整的构造。

而且，由于分子式“ZrO₂”所表示的作为氧化物系陶瓷的氧化锆与分子式“Si₃N₄”所表示的氮化硅不同，在表面有氧原子“O”，因此该氧化锆与润滑油的适应性良好。即，使用用于润滑以气缸的内周面与活塞的外周面的滑动部为首的、发动机的可动部的润滑油，来润滑涡轮增压器用双列球轴承单元。在使用氮化硅的情况下，如同从上述分子式清楚得知的那样，氮化硅本身不含有氧原子。虽然在氧化铝（Al₂O₃）、氧化钇（Y₂O₃）和氧化镁（MgO）等烧结助剂中含有氧分子，但是烧结助剂的含量较少，因此这些烧结助剂所含有的氧原子的量本来就很少，而且氧原子在烧结后只残留在存在于氮化硅粉末的晶界中的玻璃相中。因此，各球的滚动面与润滑油的适应性未必能说是良好的，且不一定能良好地确保在各球的滚动面与外圈轨道及内圈轨道滚动接触的滚动接触部存在的油膜的性状。

相对于此，在本例的情况下，使用由作为氧化物的氧化锆制成的球作为球10。如同从上述分子式清楚得知的那样，在氧化锆本身的分子中含有许多氧原子。因此，能够良好地确保在球10的滚动面与外圈轨道12a、12b及内圈轨道13a、13b滚动接触的滚动接触部存在的油膜的性状，使球10稳定地滚动。结果，采用本实用新型的双列球轴承单元1，能够减小在两端部固定有涡轮4和叶轮5的旋转轴3的旋转阻力，而且能够良好地确保在旋转轴3高速旋转时的声响性能，即能够降低噪声。

实施例1

接下来，说明为了确认本实用新型的效果而进行的实验。在该实验中，判定了双列球轴承单元的构造和装入在该双列球轴承单元中的各球的材质对该双列球轴承单元的旋转阻力（动态扭矩）和声响特性产生的影响。在该实验中，使用具有图1和图2所示的构造的双列球轴承单元1、以及具有图3所示的构造的双列球轴承单元1a这两种双列球轴承单元。图3所示的构造是日本特开2008–298284号公报所述的构造。图1和图2所示的构造的特征在于，使外圈8为一体型且使内圈9a、9b为两分割型的构造，图3所示的构造的特征在于，均分别独立地构成外圈8a和内圈9c。双列球轴承单元1、1a也均在内部设定有正的间隙。另外，在各双列球轴承单元1、1a中，分别准备了球10由SUJ2制成、由氮化硅制成、由氧化锆制成的各为3种、共计6种的试样。球10的外径、节圆直径、轴向间距和接触角等作为双列球轴承单元1、1a的基本的规格、试验时的环境温度、润滑条件、旋转部分的惯性质量等在所有的试样中相同。

对于上述那样的6种双列球轴承单元1、1a，在固定外圈8、8a且在内嵌固定于内圈9a、9b、9c的旋转轴3的端部固定有涡轮4（参照图1）的状态下，向该涡轮4吹送压缩空气，将旋转轴3加速至15万min^–1。然后，利用听觉判定在旋转轴3以15万min^–1的速度进行定速旋转的状态下的声响的大小，对上述6种双列球轴承单元1、1a的声响性能（振动特性也同样）进行了排序。结果如表1表示。在表1中，“1”表示声响性能最佳的试样，“6”表示声响性能最差的试样。

表1

如同从记录了上述那样的实验的结果的表1清楚得知的那样，使用了一体型的外圈8且使用了两分割型的内圈9a、9b的图1和图2的构造的声响性能，比包括外圈壳体18和内圈隔圈19等在内零件件数较多的图3的构造优异。另外，在构造相同的情况下，在球10为氧化锆的情况下获得最优异的声响特性，接着球10为氮化硅的情况下的声响特性为良好，球10为SUJ2的情况下的声响特性最差。

并且，在进行了上述那样的排位后，使旋转轴3与驱动装置分离而惯性旋转，关于到旋转轴3停止之前的时间的长短进行了排序。结果如表2所示。表2中所示的“1”～“6”的数字的意思与表1的情况相同，“1”表示到停止之前的时间最长的试样。另外，表示到旋转轴3停止之前的时间越长，双列球轴承单元1、1a的动态扭矩越小。

表2

如同从记录了上述那样的实验的结果的表2清楚得知的那样，在动态扭矩方面，与双列球轴承单元1、1a的构造的不同相比，球10的材质的影响更具支配性，在球10为氧化锆的情况下动态扭矩最低，接着球10为氮化硅的情况下的动态扭矩较低，在球10为SUJ2的情况下动态扭矩最高。另外，在球10的材质相同的情况下，图2的构造的动态扭矩比图3的构造的动态扭矩低。

如同从以上的说明清楚得知的那样，作为用于构成涡轮增压器用的双列球轴承单元的球的构成的陶瓷，最优选氧化锆。但是，将氧化铝（Al₂O₃）、氧化钇（Y₂O₃）和二氧化钛（TiO₂）等除氧化锆以外的金属氧化物的粉末单独或混合后添加到氧化锆的粉末中，对混合的粉末进行烧结而获得的氧化物系陶瓷能够获得与使用了由氧化锆制成的球的情况接近的效果。例如由氧化锆–氧化铝–氧化钇构成的氧化物系陶瓷能够获得与单独使用氧化锆的情况相同的效果。作为在该情况下优选的混合比例，优选混合有含有1摩尔%～5摩尔%（更优选为2摩尔%～4摩尔%）的氧化钇的氧化锆50质量%～95质量%、和5质量%～50质量%（更优选为10质量%～30质量%，进一步优选为15质量%～25质量%）的氧化铝。

另外，为了抑制双列球轴承单元的制造成本，外圈和内圈使用SUJ2那样的高碳铬轴承钢、SUS304那样的不锈钢、13Cr不锈钢等铁系的硬质金属。另外，若对外圈内周面的外圈轨道和内圈外周面的内圈轨道的表面、优选外圈和内圈的整个表面实施氰化处理等表面硬化处理，则能够提高外圈轨道和内圈轨道的耐磨损性。

此外，用于滚动自如地保持多个球的保持器也可以由黄铜那样的铜系合金等金属制成，但为了实现作为双列球轴承单元整体的轻型化、减小与球的碰撞声音，保持器也可以由聚酰亚胺、聚酰胺、聚甲醛和聚苯硫醚等合成树脂制成。在保持器由合成树脂制成的情况下，优选混入有玻璃纤维、碳纤维、陶瓷晶须等纤维状加强材料。

附图标记说明

1、1a、双列球轴承单元；2、排气流路；3、旋转轴；4、涡轮；5、叶轮；6、供气流路；7、外壳；8、8a、外圈；9a、9b、9c、内圈；10、球；11、保持器；12a、12b、外圈轨道；13a、13b、内圈轨道；14、微小间隙；15、供油口；16、内部空间；17、水冷套；18、外圈壳体；19、内圈隔圈。

Claims (3)

1.一种涡轮增压器用双列球轴承单元，其包括：圆筒状的外圈，其在内周面具有双列的外圈轨道；圆筒状的内圈，其在外周面具有内圈轨道；球，其以每列各配置有多个的方式滚动自如地设在所述外圈轨道与所述内圈轨道之间，该涡轮增压器用双列球轴承单元的特征在于，

利用在各自的外周面且与上述外圈轨道相面对的部分具有内圈轨道的、均为圆筒状的一对内圈，构成上述内圈。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器用双列球轴承单元，其特征在于，

所述外圈由以夹持有外圈壳体的状态分开配置、且在各自的内周面具有外圈轨道的、均为圆筒状的一对外圈构成，所述一对内圈以夹持有内圈隔圈的状态分开配置。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器用双列球轴承单元，其特征在于，

不对所述球施加预负荷而在该涡轮增压器用双列球轴承单元的内部设定正的间隙。

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