JP2002147247A

JP2002147247A - ターボチャージャ用回転支持装置

Info

Publication number: JP2002147247A
Application number: JP2000348904A
Authority: JP
Inventors: Norifumi Ikeda; 憲文池田; Kenji Yakura; 健二矢倉
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2002-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】低振動で優れた応答特性を有するターボチャ
ージャ用回転支持装置を実現する。【解決手段】回転軸を支持する玉軸受２５に組み込む
保持器１４ａを、密度が５×１０³kg/m³以下の金属製と
する。又、この保持器１４ａの軸方向に関する幅ｗを玉
１３の外径ｄの１．３〜１．８倍とすると共に、同じく
径方向に関する厚さｔをこの玉１３の外径ｄの０．１５
〜０．４２倍とする。又、必要に応じて、上記保持器１
４ａの熱伝導率を５〜２２０Ｗ/(ｍ・℃）に規制する。
この結果、上記玉軸受２５の回転抵抗の低減を図りつ
つ、この玉軸受２５の潤滑及び冷却性能の向上を図れ、
上記課題を解決できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明のターボチャージャ用
回転支持装置は、例えば自動車用エンジンの出力を向上
させる為のターボチャージャに組み込み、タービンとイ
ンペラとを接続する回転軸をハウジングに対し、回転自
在に支持する為に利用する。特に本発明は、回転軸を支
持する玉軸受の回転抵抗の低減化を図りつつ、この玉軸
受の冷却及び潤滑性能の向上を図り、低振動で優れた応
答特性（レスポンス）を有するターボチャージャ用回転
支持装置を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの出力を排気量を変えずに増大
させる為、エンジンに送り込む空気を排気のエネルギに
より圧縮するターボチャージャが、広く使用されてい
る。このターボチャージャは、排気のエネルギを、排気
通路の途中に設けたタービンにより回収し、このタービ
ンをその端部に固定した回転軸により、給気通路の途中
に設けたコンプレッサのインペラを回転させる。このイ
ンペラは、エンジンの運転に伴って数万乃至は十数万mi
n^-1 （r.p.m.）の速度で回転し、上記給気通路を通じて
エンジンに送り込まれる空気を圧縮する。

【０００３】図６〜７は、この様なターボチャージャの
１例を示している。このターボチャージャは、排気流路
１を流通する排気により、回転軸２の一端（図６の左
端）に固定したタービン３を回転させる。この回転軸２
の回転は、この回転軸２の他端（図６の右端）に固定し
たインペラ４に伝わり、このインペラ４が給気流路５内
で回転する。この結果、この給気流路５の上流端開口か
ら吸引された空気が圧縮されて、ガソリン、軽油等の燃
料と共にエンジンのシリンダ室内に送り込まれる。この
様なターボチャージャの回転軸２は、数万〜十数万min
^-1 もの高速で回転し、しかも、エンジンの運転状況に
応じてその回転速度が頻繁に変化する。従って、上記回
転軸２は、軸受ハウジング６に対し、小さな回転抵抗で
支持する必要がある。

【０００４】この為に従来から、上記軸受ハウジング６
の内側に上記回転軸２を、第一、第二の玉軸受７、８に
より、回転自在に支持している。これら第一、第二の玉
軸受７、８は、図８に示す様なアンギュラ型玉軸受であ
って、これら第一、第二の玉軸受７、８の構成は、基本
的には同じである。但し、これら両玉軸受７、８のう
ち、高温の排気が流通する排気流路１に近く、温度上昇
が著しい第一の玉軸受７の潤滑条件は、低温の空気が流
通する給気流路５に近く、温度上昇がそれ程著しくはな
い、第二の玉軸受８に比べて厳しい。

【０００５】この様な第一、第二の玉軸受７、８は、内
周面に外輪軌道９を有する外輪１０と、外周面に内輪軌
道１１を有する内輪１２と、これら外輪軌道９と内輪軌
道１１との間に転動自在に設けられた複数個の玉１３、
１３とを備える。又、これら各玉１３、１３は、円環状
の保持器１４に設けた複数のポケット１５内に、それぞ
れ１個ずつ転動自在に保持している。又、図示の例の場
合には、上記内輪１２を、片側の肩部をなくした、所謂
カウンタボアとしている。又、上記保持器１４の外周面
を、上記外輪１０の内周面に近接対向させる事により、
この保持器１４の直径方向位置をこの外輪１０により規
制する、外輪案内としている。

【０００６】この様な第一、第二の玉軸受７、８のうち
の第一の玉軸受７は、上記外輪１０を、前記軸受ハウジ
ング６の一端部（図６〜７の左端部）に内嵌すると共
に、上記内輪１２を上記回転軸２の一端部に外嵌固定す
る事により、この回転軸２の一端部を上記軸受ハウジン
グ６に対し、回転自在に支持している。一方、上記第二
の玉軸受８は、外輪１０を軸受ハウジング６の他端部
（図６〜７の右端部）に内嵌すると共に、内輪１２を上
記回転軸２の他端部に外嵌固定する事により、この回転
軸２の他端部を上記軸受ハウジング６に対し、回転自在
に支持している。又、上記第一、第二の玉軸受７、８を
構成する１対の外輪１０、１０には、圧縮ばね１６によ
り互いに離れる方向の弾力を付与している。即ち、これ
ら両外輪１０、１０の互いに対向する端面にそれぞれ押
圧環１７、１７を突き合わせ、これら両押圧環１７、１
７同士の間に上記圧縮ばね１６を挟持している。従っ
て、上記第一、第二の玉軸受７、８は、互いに接触角の
方向を逆にした状態｛背面組み合せ（ＤＢ）型｝で組み
込まれている。

【０００７】更に、上記軸受ハウジング６を納めたケー
シング１８内に給油通路１９を設け、この軸受ハウジン
グ６並びに上記第一、第二の玉軸受７、８を、冷却及び
潤滑自在としている。即ち、ターボチャージャを装着し
たエンジンの運転時に潤滑油は、上記給油通路１９の上
流端に設けたフィルタ２０により異物を除去されて、上
記ケーシング１８の内周面と上記軸受ハウジング６の外
周面との間に設けた、円環状の隙間空間２１に送り込ま
れる。尚、この隙間空間２１は、上記軸受ハウジング６
とケーシング１８との嵌合を隙間嵌にする事により設け
ている。そして、この隙間空間２１を上記潤滑油で満た
す事により、上記軸受ハウジング６の外周面と上記ケー
シング１８の内周面との間に全周に亙って油膜（オイル
フィルム）を形成し、これらケーシング１８及び軸受ハ
ウジング６を冷却すると共に、上記回転軸２の回転に基
づく振動を減衰する、オイルフィルムダンパを構成して
いる。更に、上記隙間空間２１に送り込まれた潤滑油の
一部は、上記外輪１０に隣接する押圧環１７に設けたノ
ズル孔２２から、上記第一の玉軸受７を構成する内輪１
２の外周面に向け、径方向外方から斜めに噴出し、この
第一の玉軸受７を冷却及び潤滑（オイルジェット潤滑）
する。この様にして第一の玉軸受７に送り込まれた潤滑
油は、この第一の玉軸受７の他、上記第二の玉軸受８も
冷却及び潤滑してから、排油口２３より排出される。

【０００８】尚、図示の例の場合、軸受ハウジング６の
内周面と第一、第二の玉軸受７、８の外周面との間に
も、それぞれ隙間空間２４、２４が存在している。そし
て、これら各隙間空間２４、２４にも上記潤滑油が満た
されており、上記回転軸２の回転に基づく振動の減衰を
図っている。又、図示は省略するが、軸受ハウジングと
ケーシングとを一体に形成する場合もある。この様な場
合は、少なくとも何れかの玉軸受の外周面と軸受ハウジ
ング（ケーシング）の内周面との間に隙間空間を設け、
この隙間空間を上述の様に潤滑油で満たす事により、回
転軸の回転に基づく振動の減衰を図る。又、この隙間空
間に送り込まれた潤滑油の一部を上記玉軸受に向けて送
り込む事により、この玉軸受の冷却及び潤滑を行なう。

【０００９】ところで、上述の様なターボチャージャ用
回転支持装置の運転時に前記タービン３は、最高で１０
００℃近くの排気ガスに曝される。この為、前記回転軸
２を支持する第一、第二の玉軸受７、８、特にタービン
３側の第一の玉軸受７は、潤滑油による冷却が行なわれ
ていても、２００℃程度の高温となる場合がある。しか
も、エンジンの急停止時には、上記回転軸２の回転中に
も拘わらず、潤滑油が上記各玉軸受７、８に送り込まれ
なくなる場合（ヒートソークバック）があり、この様な
場合に、上記第一の玉軸受７の温度が２５０℃近くに上
昇する可能性もある。

【００１０】この様な高温環境で使用する第一、第二の
玉軸受７、８を構成する保持器１４として、例えば実公
平８−９４５２号公報には、耐熱性の合成樹脂により造
られた保持器の発明が記載されている。この様な合成樹
脂は密度が小さい（ポリイミド樹脂の密度＝１．４×１
０³kg/m³程度）為、保持器を軽量にでき、この保持器及
び各玉に加わる荷重の低減化を図れる。この為、これら
保持器及び玉が破損しにくくなると共に、上記第一、第
二の玉軸受７、８の回転抵抗を低減できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、ター
ボチャージャの高効率化を図る為に、回転軸２の回転速
度が高速化する傾向にある。又、第一、第二の玉軸受
７、８の回転抵抗の低減を図り、ターボチャージャの応
答特性を向上させると共に、環境に及ぼす悪影響を少な
くすべく、上記第一、第二の玉軸受７、８に供給する潤
滑油の量を、可及的に少なくする事が行なわれている。
この為、これら第一、第二の玉軸受７、８の保持器１４
として、上述の様な合成樹脂製の保持器を使用した場
合、次の様な不都合が生じる可能性がある。

【００１２】即ち、この様な合成樹脂は、引張強さが４
５〜９０ＭPa程度、弾性係数（弾性率）が２．４〜４．
８ＧPa程度と、金属に比べてそれぞれ小さい。言い換え
れば、弾性変形し易く、破損し易い。しかも、上述の様
な潤滑油の低減化を図る場合には、上記第一、第二の玉
軸受７、８が更に高温化する可能性があり、上記合成樹
脂が耐熱性であっても、この様な高温化に伴って、より
弾性変形及び破損し易くなる場合がある。この為、上述
の様な回転軸２の高速化によって、上記保持器１４に加
わる遠心力が増大したり、急加減速時に加わる円周方向
の力（玉１３、１３から加わる力を含む。）が増大した
場合に、この保持器１４が容易に弾性変形し、著しい場
合には破損する可能性がある。又、この様に保持器１４
が弾性変形した場合、各玉１３、１３を保持するポケッ
ト１５の内径が増大（ポケット１５が拡張）し、この保
持器１４が径方向並びに軸方向に変位し易くなる。この
為、上記第一、第二の玉軸受７、８から生じる振動（異
音も含む。）が増大すると共に、上記回転軸２の回転精
度が低下する可能性がある。

【００１３】尚、この様な振動、延ては回転精度の低下
を防止する為に従来は、上記保持器１４の径方向に関す
る厚さｔを大きく（厚く）し、この保持器を弾性変形及
び破損しにくくする必要があった。具体的には、上述の
様な合成樹脂製の保持器１４の場合には、上記厚さｔ
を、玉１３、１３の外径ｄの０．４３〜０．５０倍にし
ていた。ところが、この様に保持器１４の径方向に関す
る厚さｔが大きいと、上記第一、第二の玉軸受７、８に
向けて送り込まれる潤滑油が、冷却及び潤滑すべき部分
に行き渡りにくくなる。例えば、上記第一の玉軸受７で
あれば、内輪１２の外周面に向け径方向外方から斜めに
噴出した潤滑油が、上記保持器１４の側面に当たり、そ
のままこの玉軸受７外に流失してしまう場合がある。こ
の為、上記第一、第二の玉軸受７、８の潤滑性能が低下
すると共に、これら各玉軸受７、８の温度がより高温化
する可能性がある。この様な潤滑性能の低下や高温化
は、上記第一、第二の玉軸受７、８に、剥離や焼き付き
等の損傷を生じ易くすると共に、耐久性を低下させる原
因となる。尚、この様な潤滑性能の低下や高温化を防止
する為に、上記第一、第二の玉軸受７、８に供給する潤
滑油の量を多くする事も考えられるが、この様に潤滑油
の供給量を多くする事は、上述の様に各玉軸受７、８の
回転抵抗を増大させる等、好ましくない。

【００１４】又、上述の様な合成樹脂製の保持器１４
は、熱伝導率が０．３〜１．７Ｗ/(ｍ・℃) 程度と金属
に比べて低く、この保持器１４から熱が逃げにくい。言
い換えれば、この保持器１４を効率良く冷却する事が難
しく、上記第一、第二の玉軸受７、８内に熱が溜り易
い。特に、玉１３として、熱伝導率が低いセラミック製
のものを使用した場合には、これら各玉１３にも熱が溜
り易くなり、上記第一、第二の玉軸受７、８の温度がよ
り上昇（高温化）する可能性がある。この様な高温化
は、上述の様に耐久性を低下させる原因となると共に、
上記保持器１４を変形、破損し易くする為、好ましくな
い。尚、この様な場合も、この保持器１４の冷却を確保
すべく、上記第一、第二の玉軸受７、８に供給する潤滑
油の量を多くする事が考えられるが、上述の様に好まし
くない。本発明は、この様な事情に鑑みて、回転軸を支
持する玉軸受の回転抵抗の低減化を図りつつ、この玉軸
受の冷却及び潤滑性能の向上を図り、低振動で優れた応
答特性を有するターボチャージャ用回転支持装置を提供
すべく発明したものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のターボチャージ
ャ用回転支持装置は、前述した従来から知られているタ
ーボチャージャ用回転支持装置と同様に、一端部にター
ビンを、他端部にインペラを、それぞれ固定した回転軸
を、軸受ハウジングの内側に回転自在に支持する為、こ
の軸受ハウジングの内周面と上記回転軸の外周面との間
に、外輪の内周面に形成した外輪軌道と内輪の外周面に
形成した内輪軌道との間に円環状の保持器により保持さ
れた複数個の玉を転動自在に配置して成る玉軸受を設け
ている。そして、この玉軸受に向けて潤滑油を送り込む
事により、この玉軸受の冷却及び潤滑を行なう様に構成
している。

【００１６】特に、本発明のターボチャージャ用回転支
持装置に於いては、上記保持器を、密度が５×１０³kg/
m³（５g/cm³ ）以下の金属製とする。そして、より好ま
しくは、この保持器の軸方向に関する幅を玉の外径の
１．３〜１．８倍とすると共に、同じく径方向に関する
厚さをこの玉の外径の０．１５〜０．４２倍（更に好ま
しくは、０．２０〜０．４０倍）とする。又、必要に応
じて、上記保持器の熱伝導率を５〜２２０Ｗ/(ｍ・
℃）、より好ましくは５０〜２２０Ｗ/(ｍ・℃）に規制
する。尚、上記密度が５×１０³kg/m³以下の金属として
は、例えばアルミニウム（Al）合金、マグネシウム（M
g）合金やチタニウム（Ti）合金等が使用可能である。

【００１７】

【作用】上述の様に構成する本発明のターボチャージャ
用回転支持装置の場合には、回転軸を支持する玉軸受の
慣性質量の低減による応答性の向上を図りつつ、この玉
軸受の冷却及び潤滑性能の向上を図れる。この為、低振
動で優れた応答特性を有する回転支持装置を実現でき
る。即ち、上記玉軸受に組み込む保持器の密度を、５×
１０³kg/m³（５g/cm³ ）以下としている為、この保持器
の軽量化を図り易い。この為、この保持器及び各玉に加
わる荷重の低減化を図れ、これら保持器及び各玉が破損
しにくくなると共に、上記玉軸受の回転部分の慣性質量
の低減を図れる。しかも、上記保持器を合成樹脂に比べ
て弾性係数や引張強さが大きい金属製としている為、こ
の保持器の軸方向に関する幅や径方向に関する厚さを小
さくしても、弾性変形及び破損を発生しにくくできる。
この為、この保持器の小型化を図り易く、この保持器の
小型化による冷却及び潤滑性能の向上を図れる。

【００１８】尚、上記保持器を構成する金属は、引張強
さが１５０ＭPa以上、弾性係数が４０ＧPa以上のもの
が、小型、軽量化を図りつつ、耐久性の確保と低振動化
とを図る為には、好ましい。上記引張強さが１５０ＭPa
未満の場合には、上記保持器の幅や厚さを小さくする
と、この保持器が破損し易くなって、耐久性を確保しに
くくなる。又、上記弾性係数が４０ＧPa未満の場合に
は、上記保持器の幅や厚さを小さくすると、この保持器
が弾性変形し易くなって、上記玉軸受の振動が増大す
る。

【００１９】又、上記保持器の軸方向に関する幅を玉の
外径の１．３〜１．８倍にすると共に、同じく径方向に
関する厚さをこの玉の外径の０．１５〜０．４２倍（更
に好ましくは、０．２０〜０．４０倍）にすれば、この
保持器の小型、軽量化を図れ、しかも、上記玉軸受に送
り込む潤滑油の量を少なくした場合でも、この玉軸受の
冷却及び潤滑性能を十分に確保する事ができる。尚、上
記幅が１．８倍を越えたり、厚さが０．４２倍を越えた
場合には、保持器の慣性質量が増大して応答性が悪化す
るだけでなく、上記玉軸受に送り込まれる潤滑油が、上
記保持器に阻まれて、潤滑並びに冷却すべき部分に行き
渡りにくくなる。この結果、上記玉軸受が高温化し易く
なって、耐久性が低下する。これに対して、上記厚さが
０．１５倍未満の場合には、上記保持器と各玉との接触
面の面圧が増大する。この為、これら保持器と各玉とが
摩耗し易くなると共に、これら各玉から保持器に加わる
荷重が不安定となって、上記玉軸受の振動が増大する。
又、上記幅が１．３倍未満の場合には、上記保持器のリ
ム部の幅が小さくなり過ぎて、この保持器の強度を確保
する事が難しくなる。

【００２０】又、上記保持器の熱伝導率を５〜２２０Ｗ
/(ｍ・℃）、より好ましくは５０〜２２０Ｗ/(ｍ・℃）
に規制すれば、合成樹脂に比べて約１０倍以上の熱伝導
率を確保でき、上記玉軸受の冷却性能の向上を図れる。
即ち、上記保持器から潤滑油に熱が伝わり易くなり（上
記保持器から熱が逃げ易くなり）、上記玉軸受の温度上
昇を抑えられる。特に、熱伝導率の小さいセラミック製
の玉を使用する場合や、上記玉軸受に送り込む潤滑油の
量を低減化する場合でも、この玉軸受の冷却性能を十分
に確保できる。尚、上記熱伝導率が５Ｗ/(ｍ・℃）未満
の場合には、上記保持器から熱が逃げにくくなって、上
記玉軸受の温度が上昇し易くなる（高温化する）。これ
に対して、上記熱伝導率が２２０Ｗ/(ｍ・℃）を越えた
場合には、上記保持器と各玉との温度差が過大になり、
これら各玉の転動面と保持器のポケット面との距離が近
くなる（玉の遊び量が減少する）。この結果、上記ポケ
ット面と各玉の転動面との当り（接触面積）が大きくな
って、上記玉軸受の振動が増大する。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態の１
例を示している。尚、本発明の特徴は、ターボチャージ
ャ用回転支持装置に組み込む玉軸受２５のうち、主にこ
の玉軸受２５を構成する保持器１４ａの形状及び構造を
工夫する事により、この回転支持装置の低振動化と応答
特性の向上とを図る点にある。上記ターボチャージャ用
回転支持装置の全体構成に就いては、前述の図６〜７に
示した構造を含み、従来から知られている回転支持装置
と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明
は、省略若しくは簡略にし、以下、本発明の特徴部分を
中心に説明する。

【００２２】本例のターボチャージャ用回転支持装置を
構成する上記玉軸受２５（図６〜７に示す、第一、第二
の玉軸受７、８に相当する）は、内周面に外輪軌道９を
有する外輪１０と、外周面に内輪軌道１１を有する内輪
１２と、これら外輪軌道９と内輪軌道１１との間に転動
自在に設けられた複数個の玉１３とを備える。又、これ
ら各玉１３は、もみ抜き保持器等の、円環状の保持器１
４ａに設けた複数のポケット１５内に、それぞれ１個ず
つ転動自在に保持している。又、図示の例の場合には、
上記内輪１２を、片側の肩部をなくした、所謂カウンタ
ボアとしている。又、上記保持器１４ａの外周面を、上
記外輪１０の内周面に近接対向させる事により、この保
持器１４ａの直径方向位置をこの外輪１０により規制す
る、外輪案内としている。

【００２３】又、本例の場合には、上記外輪１０及び内
輪１２を、耐熱性を有する鉄系合金により構成してい
る。この様な耐熱性を有する鉄系合金としては、０．７
〜１．５重量％のSiと、０．５〜２．０重量％のCrと、
０．５〜２．０重量％のMoとを含み、表面に浸炭窒化処
理を施したものが好ましいが、これに限定されず、高温
焼き戻しした軸受鋼やステンレス鋼、Ｍ５０（ＡＩＳＩ
規格）等の耐熱鋼を使用しても良い。又、上記各玉１３
は、セラミック製としている。この様なセラミックとし
ては、窒化珪素（Si₃ N₄）の粉末に焼結助材を１５重量
％以下含有させ、５０気圧以上で加圧焼結したものが好
ましいが、８００ＭPaを越える曲げ強度を得られるので
あれば、常圧焼結のものでも良い。又、この様な窒化珪
素以外でも、炭化珪素、ジルコニア、アルミナ、或は、
これらを複合させた複合セラミック等を使用しても良
い。又、この様なセラミックに比べて放熱性の良い（熱
伝導率が大きい）鉄系合金、例えば上述のＭ５０等の耐
熱鋼製の玉１３を使用しても良い。

【００２４】更に、本例の場合は、上記保持器１４ａ
を、密度が５×１０³kg/m³（５g/cm³）以下の金属製と
している。尚、この様な密度が５×１０³kg/m³以下の金
属としては、例えばアルミニウム（Al）合金、マグネシ
ウム（Mg）合金、チタニウム（Ti）合金等の非鉄系合金
が使用可能である。

【００２５】より具体的には、上記アルミニウム合金と
しては、３．９〜５．０重量％のCuを添加したＪＩＳ２
０１４系合金、１１．０〜１３．５重量％のSiと、０．
５〜１．３重量％のCuと、０．８〜１．３重量％のMgと
を添加したＪＩＳ４０３２系合金、０．４５〜０．９重
量％のMgと、０．２〜０．６重量％のSiとを添加したＪ
ＩＳ６０６３系合金、２．１〜２．９重量％のMgと、
５．１〜５．６重量％のZnと、１．２〜２．０重量％の
Cuとを添加したＪＩＳ７０７５系合金（超々ジュラルミ
ン）等が望ましい。

【００２６】又、上記マグネシウム合金としては、３．
５〜５．０重量％のAlと、０．５〜１．５重量％のSiと
を添加したＡＳ４１系合金（ＡＳＴＭ規格）、９．３〜
９．７重量％のAlと、０．３５〜１．０重量％のZnとを
添加したＡＺ９１系合金（ＡＳＴＭ規格）、７．５〜
９．２重量％のAlを添加したＡＺ８０系合金（ＡＳＴＭ
規格）等が望ましい。

【００２７】又、上記チタニウム合金としては、純チタ
ン（Ti）（本明細書では、純チタンもチタニウム合金に
含む。）でも良いが、５．５〜６．７５重量％のAlと、
３．５〜４．５重量％のバナジウム（Ｖ）とを添加した
Ti−６Al−４Ｖ系合金が、強度的に優れている為、より
好ましい。

【００２８】又、上記アルミニウム合金やマグネシウム
合金を使用する場合には、陽極酸化系の表面処理を施し
て表面硬度を向上させたり、Ag、Pb等の軟質金属皮膜
を、めっきやＰＶＤ（物理的気相蒸着法）により形成し
ても良い。又、上記チタニウム合金を使用する場合に
は、窒化処理を施して、表面硬度を向上させても良い。
又、後述する実施例で示す様なアルミニウム合金、チタ
ニウム合金やマグネシウム合金も、使用可能である。

【００２９】又、本例の場合は、上記保持器１４ａの軸
方向に関する幅ｗを上記玉１３の外径ｄの１．３〜１．
８倍｛ｗ＝（１．３〜１．８）ｄ｝とすると共に、同じ
く径方向に関する厚さｔをこの玉１３の外径ｄの０．１
５〜０．４２倍｛ｔ＝（０．１５〜０．４２ｄ｝、更に
好ましくは、０．２０〜０．４０倍としている。又、前
述の様に各玉１３を熱伝導率の低いセラミック製にする
場合や、上記玉軸受２５に送り込む潤滑油の量を低減化
する場合等には、上記保持器１４ａの熱伝導率を５〜２
２０Ｗ/(ｍ・℃）、より好ましくは５０〜２２０Ｗ/(ｍ
・℃）に規制する。

【００３０】上述の様に構成する玉軸受２５を組み込ん
だ、本発明のターボチャージャ用回転支持装置の場合に
は、回転軸２を支持する第一、第二の玉軸受７、８、即
ち、上記玉軸受２５の慣性質量の低減による応答性の向
上を図りつつ、この玉軸受２５の冷却及び潤滑性能の向
上を図れる。この為、低振動で優れた応答特性を有する
回転支持装置を実現できる。即ち、上記玉軸受２５に組
み込む保持器１４ａの密度を、５×１０³kg/m³（５g/cm
³ ）以下としている為、この保持器１４ａの軽量化を図
り易い。この為、上記玉軸受２５の回転部分の慣性質量
を低減してターボチャージャの応答性の向上を図れる。
同時に、上記保持器１４ａ及び各玉１３に加わる荷重の
低減化を図れ、これら保持器１４ａ及び各玉１３が破損
しにくくできる。しかも、上記保持器１４ａを合成樹脂
に比べて弾性係数や引張強さが大きい金属製としている
為、この保持器１４ａの軸方向に関する幅ｗや径方向に
関する厚さｔを小さくしても、弾性変形及び破損しにく
くできる。この為、この保持器１４ａの小型化を図り易
く、この保持器１４ａの小型化による冷却及び潤滑性能
の向上を図れる。

【００３１】尚、上記保持器１４ａを構成する金属は、
引張強さが１５０ＭPa以上、弾性係数が４０ＧPa以上の
ものが、小型、軽量化を図りつつ、耐久性の確保と低振
動化とを図る為には、好ましい。上記引張強さが１５０
ＭPa未満の場合には、上記保持器１４ａの幅ｗや厚ｔさ
を小さくすると、この保持器１４ａが破損し易くなっ
て、耐久性を確保しにくくなる。これに対して、上記弾
性係数が４０ＧPa未満の場合には、上記保持器１４ａの
幅ｗや厚さｔを小さくすると、この保持器１４ａが弾性
変形し易くなって、上記玉軸受２５の振動が増大する。

【００３２】又、上記保持器１４ａの軸方向に関する幅
ｗを玉１３の外径ｄの１．３〜１．８倍とすると共に、
同じく径方向に関する厚さｔをこの玉１３の外径ｄの
０．１５〜０．４２倍（更に好ましくは、０．２０〜
０．４０倍）としている為、この保持器１４ａの耐久性
を確保しつつ、小型、軽量化を図れ、しかも、上記玉軸
受２５に送り込む潤滑油の量を少なくした場合でも、こ
の玉軸受２５の冷却及び潤滑性能を確保する事ができ
る。尚、上記幅ｗが１．８倍を越えたり、厚さｔが０．
４２倍を越えた場合には、上記玉軸受２５に送り込まれ
る潤滑油が、上記保持器１４ａに阻まれて、潤滑並びに
冷却すべき部分に行き渡りにくくなる。この結果、上記
玉軸受２５の温度が上昇し易くなって、耐久性が低下す
る。これに対して、上記厚さｔが０．１５倍未満の場合
には、上記保持器１４ａと各玉１３との接触面の面圧が
増大する。この為、これら保持器１４ａと各玉１３とが
摩耗し易くなると共に、これら各玉１３から保持器１４
ａに加わる荷重が不安定となって、上記玉軸受２５の振
動が増大する。又、上記幅ｗが１．３倍未満の場合に
は、上記保持器１４ａのリム部の幅が狭くなり過ぎて、
この保持器１４ａの耐久性を確保する事が難しくなる。

【００３３】又、上記保持器１４ａの熱伝導率を５〜２
２０Ｗ/(ｍ・℃）、より好ましくは５０〜２２０Ｗ/(ｍ
・℃）に規制している為、合成樹脂に比べて約１０倍以
上の熱伝導率を確保でき、上記玉軸受２５の冷却性能の
向上を図れる。即ち、上記保持器１４ａから潤滑油に熱
が伝わり易くなり（上記保持器１４ａから熱が逃げ易く
なり）、上記玉軸受２５の温度上昇を抑えられる。特
に、熱伝導率の小さいセラミック製の玉１３を使用する
場合や、上記玉軸受２５に送り込む潤滑油の量を低減化
する場合でも、この玉軸受２５の冷却性能を十分に確保
できる。尚、上記熱伝導率が５Ｗ/(ｍ・℃）未満の場合
には、上記保持器１４ａから熱が逃げにくくなって、上
記玉軸受２５の温度が上昇し易くなる（高温化する）。
これに対して、上記熱伝導率が２２０Ｗ/(ｍ・℃）を越
えた場合には、上記保持器１４ａと各玉１３との温度差
が過大となり、熱膨張量の差に基づいて、これら各玉１
３の転動面と保持器１４ａのポケット１５面との距離が
近くなり過ぎる（玉１３の遊び量が減少し過ぎる）。こ
の結果、上記ポケット１５面と各玉１３の転動面との当
り（接触面積）が大きくなって、上記玉軸受２５の振動
が増大する。

【００３４】

【実施例】次に、本発明の効果を確認する為に、本発明
者が行なった実験に就いて説明する。この実験は、下記
の表１、２にそれぞれ示す構成の保持器を、前述の図６
〜７に示したターボチャージャ用回転支持装置に組み込
み、この回転支持装置の運転時の特性（応答特性や振動
等）を測定する事により行なった。尚、下記の表１、２
で本発明品とは、本発明に属する保持器であり、同じく
比較品とは、本発明からは外れる保持器である。

【００３５】

【表１】

【００３６】尚、上記表１で、アルミニウム（Al）合金
及びマグネシウム（Mg）合金製の保持器には、陽極酸化
系の表面処理を施している。又、合成樹脂製の保持器
（比較品３〜４）の弾性係数は、曲げ弾性係数で表して
いる（括弧書き）。

【００３７】

【表２】

【００３８】尚、上記表２で、アルミニウム（Al）合金
及びマグネシウム（Mg）合金製の保持器は、陽極酸化系
の表面処理を施している。又、チタニウム（Ti）合金製
の保持器は、窒化処理を施している。又、合成樹脂製の
保持器（比較品１）の弾性係数は、曲げ弾性係数で表し
ている（括弧書き）。

【００３９】又、上記ターボチャージャ用回転支持装置
を構成する第一、第二の玉軸受７、８は、前述した図１
に示す構成の玉軸受２５を使用した。このうち、外輪１
０及び内輪１２は、０．７〜１．５重量％のSiと、０．
５〜２．０重量％のCrと、０．５〜２．０重量％のMoと
を含む鉄系合金で、表面に浸炭窒化処理を施したものを
使用した。又、各玉１３は、窒化珪素（Si₃ N₄）の粉末
に焼結助材を１５重量％以下含有させ、５０気圧以上で
加圧焼結したセラミック製のものを使用した。そして、
上記ターボチャージャ用回転支持装置を以下の条件で運
転し、この回転支持装置の応答特性、振動、そして、第
一、第二の玉軸７、８の外輪１５、１５の温度（表２の
保持器の場合のみ）を測定した。定常回転速度：１５万min^-1 潤滑油の流量：３００cm³/min （表１の保持器の場
合）、６００cm³/min （表２の保持器の場合）回転支持装置の雰囲気温度：１００℃ 第一、第二の玉軸受７、８の軸方向予圧：３０Ｎ

【００４０】尚、上記回転支持装置の運転は、エンジン
の排出ガスとほぼ同様の温度に加熱した圧縮空気を、排
気給路１に送り込む事により行なった。又、上記回転速
度は、インペラ４に対向する位置に設けた回転速度検出
センサ２６により検出した。又、上記回転支持装置の振
動は、この回転支持装置に取り付けた振動計（図示省
略）により測定した。又、上記第一、第二の玉軸受７、
８の外輪１０、１０の温度は、これら各外輪１０、１０
の外周面に設けた温度センサ（熱電対）２７、２７によ
り検出した。又、上記表１の保持器の場合には、供給す
る潤滑油の流量を、従来の流量に比べて小さくした（３
００cm³/min ）。

【００４１】先ず、上記表１に示す構成の保持器を使用
した実験の結果を、図２〜３に示す。このうちの図２
は、各保持器と応答特性との関係を示している。尚、こ
の応答特性とは、回転速度０から１５万min^-1 （定常回
転速度）となるまで要した時間（到達時間）であり、比
較品３（合成樹脂製の保持器）の要した時間を１とし、
この時間との比で表している。この図２から明らかな様
に、本発明品１〜７は何れも、従来の保持器（比較品
３）に比べて、同等かそれよりも短い時間で定常回転速
度に到達できる。又、密度の大きい比較品５は、定常回
転速度に到達する時間が比較品３に比べて、１．４倍程
度要する。

【００４２】又、上記図３は、保持器の厚さと振動値と
の関係を示している。尚、この保持器の厚さは、玉の外
径ｄ（図１参照）に対する比で表している。又、上記振
動値は、運転開始から３０分後の回転支持装置の振動の
大きさであり、比較品３（合成樹脂製の保持器）の振動
値を１とし、この振動値との比で表している。この図３
から明らかな様に、本発明品１〜７は何れも、従来の保
持器（比較品３）に比べて、振動の大きさを７０〜８０
％に抑える事ができる。尚、比較品１の振動値が大きい
のは、保持器の厚さが小さく、各玉からこの保持器に加
わる荷重が不安定になり易い為である。又、比較品２〜
３の振動値が大きいのは、保持器の厚さが大きく、潤滑
性能が低下し易くなる為である。又、比較品４の振動値
が大きいのは、保持器の弾性係数が小さく、弾性変形量
が大きくなり易い為である。

【００４３】次に、上記表２に示す構成の保持器を使用
した実験の結果を、図４〜５に示す。このうちの図４
は、保持器の密度と応答特性との関係を示している。
尚、この応答特性とは、前述の図２と同様に、回転速度
０から１５万min^-1 （定常回転速度）となるまで要した
時間（到達時間）であり、比較品１（合成樹脂製の保持
器）の要した時間を１とし、この時間との比で表してい
る。この図４から明らかな様に、本発明品１〜８は何れ
も、従来の保持器（比較品１）と同等の時間で、定常回
転速度に到達できる。又、密度の大きい比較品３〜４
は、定常回転速度に到達する時間が比較品１に比べて、
１．４〜１．５倍程度要する。

【００４４】又、上記図５は、保持器の熱伝導率と振動
増加率及び外輪温度との関係を示している。尚、このう
ちの振動増加率とは、運転開始直後の振動値と運転開始
から３０時間後の振動値との比であり、比較品１（合成
樹脂製の保持器）の振動増加率を１とし、この増加率と
の比で表している。又、上記外輪温度とは、運転開始か
ら５０時間後の第一、第二の玉軸７、８の外輪１０、１
０（図６〜７参照）の温度の平均であり、比較品１（合
成樹脂製の保持器）の外輪温度を１とし、この温度との
比で表している。この図５から明らかな様に、本発明品
１〜８は何れも、従来の保持器（比較品１）に比べて、
振動増加率を８０〜９５％に、外輪温度を６０〜８０％
に、それぞれ抑える事ができる。尚、比較品２の振動増
加率が大きいのは、保持器の熱伝導率が大きく、この保
持器と各玉との温度差が過大となって、これら各玉の遊
び量が減少する為である。

【００４５】下記の表３に、上記図４〜５の結果をまと
めて示す。

【表３】

【００４６】

【発明の効果】本発明は、以上に述べた通り構成し作用
する為、回転軸を支持する玉軸受の回転抵抗の低減を図
りつつ、この玉軸受の冷却及び潤滑性能の向上を図れ
る。特に、この玉軸受に供給する潤滑油の量を少なくし
ても、この玉軸受の温度上昇や振動の増大を防止でき
る。この為、低振動で優れた応答特性を有するターボチ
ャージャ用回転支持装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の１例を示す、玉軸受の部
分断面図。

【図２】本発明の効果を確認する為に行なった実験の結
果を示すグラフ。

【図３】保持器の厚さと振動値との関係を示すグラフ。

【図４】保持器の密度と応答特性との関係を示すグラ
フ。

【図５】保持器の熱伝導率と振動増加率及び外輪温度と
の関係を示すグラフ。

【図６】ターボチャージャの全体構成を示す断面図。

【図７】図６のＡ部拡大図。

【図８】従来のターボチャージャ用回転支持装置に組み
込んでいた玉軸受の断面図。

【符号の説明】

１排気流路２回転軸３タービン４インペラ５給気流路６軸受ハウジング７第一の玉軸受８第二の玉軸受９外輪軌道１０外輪１１内輪軌道１２内輪１３玉１４、１４ａ保持器１５ポケット１６圧縮ばね１７押圧環１８ケーシング１９給油通路２０フィルタ２１隙間空間２２ノズル孔２３排油口２４隙間空間２５玉軸受２６回転速度検出センサ２７温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ１６Ｃ 33/44 Ｆ１６Ｃ 33/44 Ｆターム(参考） 3G005 EA16 FA05 FA11 FA12 FA13 FA27 FA31 FA41 GB55 GD08 JA17 JA40 KA01 KA02 KA03 3H022 AA01 BA06 CA12 CA18 CA41 CA53 DA02 DA11 3J101 AA02 BA10 BA34 BA44 BA50 BA70 EA01 EA02 EA06 EA14 EA41 EA42 EA44 FA01 FA32 FA51 FA53 FA60 GA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端部にタービンを、他端部にインペラ
を、それぞれ固定した回転軸を、軸受ハウジングの内側
に回転自在に支持する為、この軸受ハウジングの内周面
と上記回転軸の外周面との間に、外輪の内周面に形成し
た外輪軌道と内輪の外周面に形成した内輪軌道との間に
円環状の保持器により保持された複数個の玉を転動自在
に配置して成る玉軸受を設け、この玉軸受に向けて潤滑
油を送り込む事により、この玉軸受の冷却及び潤滑を行
なう様に構成したターボチャージャ用回転支持装置に於
いて、上記保持器を、密度が５×１０³kg/m³以下の金属
製とした事を特徴とするターボチャージャ用回転支持装
置。
【請求項２】保持器の軸方向に関する幅を玉の外径の
１．３〜１．８倍とすると共に、同じく径方向に関する
厚さをこの玉の外径の０．１５〜０．４２倍とした、請
求項１に記載したターボチャージャ用回転支持装置。
【請求項３】保持器の熱伝導率を５〜２２０Ｗ/(ｍ・
℃) とした、請求項１〜２の何れかに記載したターボチ
ャージャ用回転支持装置。
【請求項４】各玉を耐熱鋼製とした、請求項１〜３の
何れかに記載したターボチャージャ用回転支持装置。
【請求項５】各玉をセラミック製とした、請求項１〜
３の何れかに記載したターボチャージャ用回転支持装
置。