JP2000248954A

JP2000248954A - ターボチャージャのロータ支持装置

Info

Publication number: JP2000248954A
Application number: JP11052640A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Maeda; 喜久男前田; Norihide Satou; 則秀佐藤; Yukio Fujii; 幸生藤井
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-03-01
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2000-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】高速回転、高温環境下でも長い耐久寿命を安
価に確保でき、かつ静粛なターボチャージャのロータ支
持装置を提供することである。【解決手段】ロータ２を支持する玉軸受３の少なくと
も軌道輪を、合金元素として質量％で、Ｓｉを０．３％
以上で３．０％以下含有し、かつ、Ｎｉを０．１％以上
で３．０％以下、Ｖを０．０５％以上で１．０％以下、
Ｍｏを０．０５％以上で０．２５％未満を単独または複
合して含有する鋼材で形成し、表面硬さをロックウェル
硬さＨＲＣ５８以上とすることにより、焼入れ焼戻し処
理後の軸受の材質と表面硬さを、高温下でも安定して転
動疲労特性と耐表面損傷性に優れたものとし、高速回
転、高温環境下で使用されるロータ支持装置の長い耐久
寿命を確保し、使用中の静粛性も高めることができるよ
うにしたのである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ターボチャージ
ャのロータを転がり軸受で回転自在に支持する支持装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ターボチャージャは、エンジンの排気エ
ネルギを利用してタービンを駆動し、ロータを介してタ
ービンと同軸に連結されたインペラで空気を圧縮し、エ
ンジンに供給するものである。ロータの回転を支持する
ロータ支持装置には、転がり軸受を用いたものと滑り軸
受を用いたものがあり、転がり軸受方式のものはトルク
ロスが少ない利点を有する。

【０００３】本発明の実施形態を示す図１により、転が
り軸受方式のロータ支持装置を採用したターボチャージ
ャの基本構造を説明する。このターボチャージャは、ケ
ーシング１内にロータ２が一対のアンギュラ玉軸受３で
回転自在に支持され、ロータ２の一端にはタービン４の
軸が、他端にはコンプレッサインペラ５の軸が連結され
ている。各玉軸受３は、ロータ２の高速回転に対応する
ため、コイルばね６で予圧された一対のダンパスリーブ
７を介して、ケーシング１の内面に取り付けられ、ケー
シング１には、軸受部の潤滑油入口８と出口９、および
冷却水ジャケット１０も設けられている。

【０００４】上述したようなターボチャージャは、ロー
タが毎分数万回転の高速で回転し、かつタービンが高温
の排気ガスにさらされて、軸受部が温度上昇するので、
ロータ支持装置は高温環境で高速回転を受けるという厳
しい条件下で使用される。また、潤滑油に摩耗粉等の硬
い異物が混入し、これらの異物が転がり軸受の軌道面に
噛み込まれることもある。

【０００５】前記ロータ支持装置の転がり軸受の軌道輪
には、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３等の高炭素クロム軸受鋼を焼
入れ処理したもの、ＳＵＪ２をベースとしてＳｉを添加
したもの、耐熱鋼Ｍ５０等が用いられ、Ｍ５０以外の軌
道輪用材料は、温度上昇時の寸法変化を防止するため
に、軸受の使用温度よりも高温で焼戻し処理を施され、
焼入れ組織を安定化してから使用されている。Ｍ５０は
５５０℃が標準焼戻し温度であり、ターボチャージャ用
途には適しているが、高価で加工性が悪い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ロー
タ支持装置の転がり軸受は、高温環境下で高速回転を受
け、かつ、軌道面に異物が噛み込まれる場合もあるの
で、潤滑油の油膜不足によるピーリングやスミアリング
等の表面起点型損傷や、異物の噛み込みによる圧痕で軌
道面が荒れ、ロータ支持装置の短寿命が問題となること
がある。また、これらの軌道面の荒れに起因して、使用
中に異音発生が問題になることもある。今後も、車の加
速応答性や静粛性に対する要求がさらに厳しくなること
が考えられ、転がり軸受軌道面の荒れの抑制は重要な課
題である。

【０００７】上述した従来の軌道輪用材料は、高温の焼
戻し処理による表面硬さの低下に起因する前記表面起点
型損傷や圧痕等で、上述した今後予想される厳しい要求
を満足させることができない。一方、Ｍ５０は表面硬さ
の問題はないが、価格面での問題がある。

【０００８】そこで、この発明の課題は、高速回転、高
温環境下でも長い耐久寿命を安価に確保でき、かつ静粛
なターボチャージャのロータ支持装置を提供することで
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明は、ケーシング内にロータを転がり軸受
により回転自在に支持したターボチャージャのロータ支
持装置において、前記転がり軸受の少なくとも軌道輪
を、合金元素として質量％で、Ｓｉを０．３％以上で
３．０％以下含有し、かつ、Ｎｉを０．１％以上で３．
０％以下、Ｖを０．０５％以上で１．０％以下、Ｍｏを
０．０５％以上で０．２５％未満を単独または複合して
含有する鋼材で形成し、この表面硬さをロックウェル硬
さＨＲＣ５８以上とした構成を採用したのである。

【００１０】前記軸受の少なくとも軌道輪を形成する鋼
材の合金元素について、Ｓｉ量を０．３〜３．０％含有
させたのは、Ｓｉは高温域での軟化を抑制し、転がり軸
受の耐熱性を改善する作用があるためである。０．３％
未満ではその効果が得られず、Ｓｉ量の増加に伴って耐
熱性は向上するが、３．０％を越えて多量に含有させて
もその効果は飽和し、かつ、熱間加工性や被削性が低下
するので、上限を３．０％に限定した。

【００１１】Ｎｉを０．１〜３．０％、Ｖを０．０５〜
１．０％、Ｍｏを０．０５〜０．２５％未満ずつ単独ま
たは複合で含有させたのは、以下の理由による。

【００１２】Ｎｉは、鋼中に固溶してマトリックスを強
化するとともに、特に軸受が高温下で使用された場合
に、転動疲労過程における組織の変化を抑制し、かつ高
温域での硬さの低下も抑制する。したがって、Ｎｉは高
温環境下での転動疲労特性と耐表面損傷性を向上させる
効果を有する。これらの効果を得るためには、Ｎｉを
０．１％以上含有させる必要があるので、添加する場合
の下限を０．１％とした。しかし、３．０％を越えてＮ
ｉを含有させると、焼き入れ処理時に多量の残留オース
テナイトが生成されて、所定の硬さを得られなくなり、
また鋼材コストも高価になるので、上限を３．０％に限
定した。

【００１３】Ｖは、炭素と結合して微細な炭化物を析出
させ、結晶粒を微細化して強度、靱性を改善するととも
に、高温焼戻し処理時の軟化を抑制し、さらに高温域で
の軟化も抑制する。したがって、上述したＮｉと同様
に、Ｖは高温環境下での転動疲労特性と耐表面損傷性を
向上させる効果を有する。この効果を得るために、Ｖ含
有量の下限を０．０５％とした。上限を１．０％に限定
したのは、１．０％を越えてＶを多量に含有させると、
被削性と熱間加工性が低下するからである。

【００１４】Ｍｏは、鋼の焼入れ性を改善するととも
に、焼戻し脆性を防止し、さらに高温域での軟化も抑制
する。したがって、Ｍｏも高温環境下での転動疲労特性
と耐表面損傷性を向上させる効果を有する。この効果を
得るために、Ｍｏ含有量の下限を０．０５％とした。Ｍ
ｏ含有量を０．２５％以上にすると被削性が低下し、か
つ鋼材コストも上昇するので、上限を０．２５％未満に
限定した。

【００１５】上述した各合金元素の働きで、軸受が高温
で焼戻し処理を施されても、その表面硬さをロックウェ
ル硬さＨＲＣ５８以上とすることにより、前記ピーリン
グやスミアリング等の表面起点型損傷や、異物の噛み込
みによる圧痕の発生を防止して、ロータ支持装置の耐久
寿命を十分に確保し、軌道面の荒れによる異音の発生も
防止することができる。

【００１６】前記鋼材に、合金元素として質量％で、Ｍ
ｎを０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３％以上
で５．０％以下添加することにより、軸受の転動疲労特
性と耐表面損傷性をさらに向上させることができる。

【００１７】すなわち、ＭｎとＣｒは、いずれも鋼材の
焼入れ性を改善し、Ｍｎは鋼中に固溶して鋼を強靱化
し、Ｃｒは炭化物を形成して鋼を強化する。Ｍｎ含有量
の下限を０．２％、Ｃｒ含有量の下限を０．３％とした
のは、これらの効果を得るためである。また、Ｍｎ含有
量の上限を１．５％に限定したのは被削性の低下を避け
るためであり、Ｃｒ含有量の上限を５．０％に限定した
のは、大形の炭化物の生成による脆化を防止するためで
ある。

【００１８】前記軸受の少なくとも軌道輪の表層に浸炭
窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト
量を１０体積％以上とすることにより、軌道輪の表面層
に高い靱性を付与して、亀裂の発生や進展を抑え、回転
部材支持装置の耐久寿命をさらに延ばすことができる。

【００１９】すなわち、浸炭窒化処理で表面層の窒素含
有量を高めると、表面層のＭｓ点（マルテンサイト変態
開始温度）が低くなり、これを焼き入れすると、表面層
に未変態のオーステナイトが多く残留する。残留オース
テナイトは、高い靱性と加工硬化特性を有し、亀裂の発
生や進展を抑える働きをする。また、Ｍｓ点が低下した
表面層は、マルテンサイト変態が内部よりも遅れて始ま
り、かつ変態量も内部より少ないので、表面層には圧縮
の残留応力が形成され、表面層の疲労強度が向上する。
浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上と
したのは、これらの効果を得るためである。一方、内部
は高温焼戻しにより残留オーステナイト量が減少するの
で、使用時の残留オーステナイトの分解による寸法経年
変化は抑えられる。

【００２０】前記転がり軸受としては玉軸受を採用する
ことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき、この発明の
実施形態を説明する。図１は、本発明のロータ支持装置
を用いたターボチャージャを示す。このターボチャージ
ャは、前述したように、ケーシング１内にロータ２が一
対のアンギュラ玉軸受３で回転自在に支持され、ロータ
２の一端にはタービン４の軸が、他端にはコンプレッサ
インペラ５の軸が連結されている。各アンギュラ玉軸受
３は、ロータ２の高速回転に対応するため、コイルばね
６で予圧された一対のダンパスリーブ７を介して、ケー
シング１の内面に取り付けられ、ケーシング１には、軸
受部の潤滑油入口８と出口９、および冷却水ジャケット
１０も設けられている。

【００２２】前記アンギュラ玉軸受３は、図２に拡大し
て示すように、外輪１１と内輪１２の各軌道溝１３、１
４の間に複数の鋼球１５が保持器１６に保持されてお
り、内輪１２は軌道溝１４の一端側に傾斜逃げ面１７を
設けられている。外輪１１と内輪１２は、後の表１に実
施例として示す化学成分を有する鋼を素材として、８４
０℃〜８６０℃に加熱したのち塩浴中へ焼入れし、３５
０℃で焼戻ししたものである。一部の実施例では、焼入
れ前の加熱をアンモニアガスが添加された浸炭性雰囲気
中で行い、浸炭窒化処理も施した。浸炭窒化処理を施し
たものについては、焼戻し温度を２３０℃とした。

【００２３】前記実施例の玉軸受３の外輪１１および内
輪１２は、サンプル抽出による検査の結果、いずれもロ
ックウェル硬さＨＲＣ５８以上の表面硬さを有し、浸炭
窒化処理を施したものは、浸炭窒化層の残留オーステナ
イト量が１０体積％以上になっていた。

【００２４】

【表１】

【００２５】以下に実施例および比較例を挙げる。

【００２６】

【実施例】表１に示す６種類の化学成分を有する鋼を素
材として、上述した焼入れ焼戻し処理を施した試験片と
軌道輪、およびこの軌道輪を用いた玉軸受（表１中の実
施例１〜６）を用意した。実施例１〜６に示した一部の
鋼材に浸炭窒化処理を施した試験片、軌道輪および玉軸
受（表１中の実施例７〜８）も用意した。

【００２７】

【比較例】高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２、ＳＵＪ３およ
び本願の化学成分範囲を外れる２種類の化学成分を有す
る鋼を焼入れ焼戻し処理した試験片と軌道輪、およびこ
の軌道輪を用いた玉軸受（表１中の比較例１〜４）を用
意した。ＳＵＪ２を素材としたものについては、浸炭窒
化処理も施した試験片、軌道輪および玉軸受（表１中の
比較例５）も用意した。比較例６は耐熱鋼Ｍ５０を素材
としたものである。

【００２８】上記実施例および比較例の試験片、軌道輪
および玉軸受のいずれかのサンプルについて、寸法安定
性試験、ピーリング試験、スミアリング試験、および異
音発生試験を実施した。

【００２９】各試験の概要と結果は以下の通りである。

【００３０】（１）寸法安定性試験３５０℃および２３０℃で焼戻し処理した内輪を、それ
ぞれ２５０℃と１５０℃で恒温保持し、内径の寸法変化
率を測定した。保持時間は２５００時間とし、収縮の変
化率は負の値で表示した。試験結果を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】実施例１〜６および比較例３の内輪は、寸
法変化率が０．０１％以下であり、優れた寸法安定性を
示す。浸炭窒化処理を施した実施例７、８は、これらよ
りもわずかに寸法変化率が大きいが、規格（０．０１５
％以下）の範囲内に納まっている。比較例１、２は、寸
法変化率は小さいが、３５０℃焼戻し、２５０℃保持の
試験で収縮の寸法変化を示すため、内輪の嵌め合い応力
が過多となる恐れがある。また、ＣｒとＭｏを多く含有
する比較例４は膨張率が高く、規格を外れている。

【００３３】（２）ピーリング試験ピーリング試験は、円筒部に緩やかな曲率を有するリン
グ状の試験片を駆動軸と、この駆動軸に平行な従動軸に
取り付け、両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動さ
せるものである。各試験片の寸法は、直径４０ｍｍ、高
さ１２ｍｍ、円筒部の曲率半径６０ｍｍであり、駆動軸
側試験片の円筒面はＲmax ３μｍの粗さに研削仕上げ、
従動軸側試験片の円筒面は鏡面仕上げされる。ピーリン
グ強度は、試験終了時の従動軸側試験片円筒面のピーリ
ング発生面積率で評価される。実施例１、７および比較
例１、３について、以下の試験条件でピーリング試験を
行った。なお、駆動軸側および従動軸側の両試験片は、
同種のサンプルのものをペアとして用いた。

【００３４】・試験片の最大表面粗さ：３．０μｍ（駆
動軸側）、０．２μｍ（従動軸側）・接触面圧Ｐmax ：２．３ＧＰａ・潤滑油：タービン油ＶＧ４６・駆動軸回転速度：２０００ｒｐｍ・総回転数：４．８×１０⁵回

【００３５】

【表３】

【００３６】試験結果を表３に示す。実施例の試験片
は、いずれもピーリング発生面積率が１％程度であり、
優れたピーリング強度を示す。比較例の各試験片は、実
施例の３倍以上の大きなピーリング発生面積率になって
いる。

【００３７】（３）スミアリング試験スミアリング試験は、ピーリング試験と同じ装置を用い
て、ピーリング試験と同一形状の２つのリング状試験片
を同様に転動させるものである。この試験の場合は、従
動軸が一定速度で回転駆動され、駆動軸は従動軸と等速
回転から徐々に増速される点が異なる。また、従動軸側
試験片の円筒面が駆動軸側試験片と同じ表面粗さＲmax
３μｍに仕上げられる点も異なる。スミアリング強度
は、試験片の円筒面にスミアリングが発生した時点の駆
動軸と従動軸の速度比で評価される。実施例１、７およ
び比較例１、３、５について、以下の試験条件でスミア
リング試験を行った。なお、この試験においても、摺動
されるペアの試験片は同種のサンプルのものとした。

【００３８】・試験片の最大表面粗さ：３．０μｍ・接触面圧Ｐmax ：２．１ＧＰａ・潤滑油：タービン油ＶＧ４６・駆動軸回転速度：２００ｒｐｍから１００ｒｐｍずつ
増速・従動軸回転速度：２００ｒｐｍ一定試験結果を表３に併せて示す。実施例の試験片は、いず
れも１．４倍以上の大きな速度比までスミアリングが発
生しない。比較例はＭ５０（比較例６）を除き、実施例
の半分程度の速度差でスミアリングが発生している。

【００３９】（４）異音発生試験実施例１、７および比較例１、３、５の玉軸受を高速回
転軸に取り付け、以下の試験条件で異音発生試験を行っ
た。試験時間を３０分と短縮するため、玉軸受の潤滑油
には、多目の硬質異物を混入させた。各玉軸受には加速
度計をセットし、異音発生の評価は、高速回転３０分後
に測定した軸受の振動加速度で評価した。

【００４０】・試験軸受：内径６ｍｍ、鋼球径２．８ｍ
ｍのアンギュラ玉軸受・回転速度：６００００ｒｐｍ・潤滑油：異物を５０ｐｐｍ混入したエンジン油１０
Ｗ−３０・異物：粒径２０μｍ以下のアルミナ・給油量：３００ｃｃ／分・油温：８０℃ 試験結果を表３に併せて示す。実施例の玉軸受は、３０
分後でも振動加速度が６Ｇ以下であり、特に、浸炭窒化
処理を施した実施例７の玉軸受は振動加速度が小さく、
異音が殆ど発生しない。比較例の玉軸受は、高Ｓｉ鋼を
用いた比較例３、ＳＵＪ２を浸炭窒化処理した比較例
５、およびＭ５０を用いた比較例６を除いて、いずれも
振動加速度が大きく、異音が感知された。

【００４１】以上の各試験結果より、実施例の玉軸受
は、従来の軸受鋼の高温焼戻し処理品に較べて、ピーリ
ングやスミアリング、および異物の噛み込みによる圧痕
が生じ難く、軌道面の荒れによる異音発生が抑制され、
かつ使用中の寸法の経年変化も少なく、高価なＭ５０を
用いたものと同等以上の性能を有することがわかる。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、この発明のターボチャー
ジャのロータ支持装置は、ロータを支持する転がり軸受
の少なくとも軌道輪を、合金元素として質量％で、Ｓｉ
を０．３％以上で３．０％以下含有し、かつ、Ｎｉを
０．１％以上で３．０％以下、Ｖを０．０５％以上で
１．０％以下、Ｍｏを０．０５％以上で０．２５％未満
を単独または複合して含有する鋼材で形成し、表面硬さ
をロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたので、焼入れ
焼戻し処理後の軸受の材質と表面硬さを高温下でも安定
して転動疲労特性と耐表面損傷性に優れたものとし、高
速回転、高温環境下で使用されるロータ支持装置の長い
耐久寿命を確保し、使用中の静粛性を高めることができ
る。

【００４３】また、合金元素として質量％で、Ｍｎを
０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３以上で５．
０％以下添加することにより、前記転動疲労特性と耐表
面損傷性をさらに向上させることができ、軸受の少なく
とも軌道輪の表層に浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化
層の残留オーステナイト量を１０体積％以上とすること
により、表面層に高い靱性を付与して、亀裂の発生や進
展を抑え、ロータ支持装置の耐久寿命をさらに延ばすこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態のロータ支持装置が組み込まれたター
ボチャージャの縦断面図

【図２】図１の玉軸受を拡大して示す縦断面図

【符号の説明】

１ケーシング２ロータ３玉軸受４タービン５インペラ６コイルばね７ダンパスリーブ８入口９出口１０冷却水ジャケット１１外輪１２内輪１３、１４軌道溝１５鋼球１６保持器１７逃げ面

フロントページの続き (72)発明者藤井幸生三重県桑名市大字東方字尾弓田3066 エヌティエヌ株式会社内Ｆターム(参考） 3G005 EA04 EA16 FA11 FA13 FA41 GB51 KA00 3J101 AA02 AA32 AA42 AA54 AA62 BA70 DA02 DA03 EA02 FA31 GA21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング内にロータを転がり軸受によ
り回転自在に支持したターボチャージャのロータ支持装
置において、前記転がり軸受の少なくとも軌道輪を、合
金元素として質量％で、Ｓｉを０．３％以上で３．０％
以下含有し、かつ、Ｎｉを０．１％以上で３．０％以
下、Ｖを０．０５％以上で１．０％以下、Ｍｏを０．０
５％以上で０．２５％未満を単独または複合して含有す
る鋼材で形成し、この表面硬さをロックウェル硬さＨＲ
Ｃ５８以上としたことを特徴とするターボチャージャの
ロータ支持装置。
【請求項２】前記鋼材に、合金元素として質量％で、
Ｍｎを０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３％以
上で５．０％以下添加した請求項１に記載のターボチャ
ージャのロータ支持装置。
【請求項３】前記軸受の少なくとも軌道輪の表層に浸
炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイ
ト量を１０体積％以上とした請求項１または２に記載の
ターボチャージャのロータ支持装置。
【請求項４】前記転がり軸受が玉軸受である請求項１
乃至３のいずれかに記載のターボチャージャのロータ支
持装置。