JP2004144596A

JP2004144596A - Apparatus for detecting thrust load on slide bearing

Info

Publication number: JP2004144596A
Application number: JP2002309383A
Authority: JP
Inventors: Shinya Minagawa; 皆川　伸也; Futoshi Ida; 位田　太; Kimihiro Terasaki; 寺崎　公浩; Tadaaki Watanabe; 渡邊　忠昭
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: JP3997519B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for detecting a thrust load on a slide bearing, in which a load sense part is miniaturized, and which can dynamically and accurately measure the thrust load of a rotary shaft acting on the slide bearing, for a smaller supercharger. <P>SOLUTION: A ring-like thrust collar 2 which is mounted on the rotational shaft 1 and which is rotated together with it, a hollow disk-like thrust metal 4 which is brought into contact with the thrust collar and which supports the thrust load F in the positive direction acting on the rotational shaft, a plurality of connection bolts 8 which connect the thrust metal to a casing 11, a rectangular flat plate-like strain element part 10 which is sandwiched between the connection bolt and the thrust metal and which is finely deformed by the thrust load in the positive direction acting on therebetween, and a strain gauge 9 attached to the strain element part are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、車輌用の小型過給機のすべり軸受に作用するスラスト荷重の実動荷重と動的挙動を測定するすべり軸受のスラスト荷重検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
過給機はエンジンから放出される排気ガスのエネルギーを利用し、高圧力の空気をエンジンに供給することで出力の向上と高効率化を図る高速回転機械である。
過給機は過酷な極限状態（高温、高圧、高速回転）で使用する商品・製品としての性能・信頼性を確保するためにあらゆる技術が導入され、設計・開発が進められている。
過給機のスラスト軸受の設計において、性能的にも、品質的にも、その信頼性、及び健全性を確保するには、スラスト軸受に作用する推力の実働荷重について、その大きさと動的挙動を稼働中の過給機のもとで実測し、正確なデータを収録しこれを解析することにより設計にフィードバックし、設計計算の精度を高めることが必要である。
例えば、流体潤滑の「すべり軸受」形式からなるスラスト軸受を設計の対象とした場合、的確な設計計画を進めるには、スラスト荷重の性状を正確に把握することが優先課題となる。またスラスト軸受に作用する軸推力（スラスト荷重）の大きさと性質を事前に予知することは、スラスト軸受の形式・形状を決定する上で極めて重要な要因となる。
【０００３】
スラスト荷重の大きさと性質を正確に実測することにより得られる効果は以下の通りである。
１．実働荷重の大きさの把握
過給機の運転条件に最も適したすべり軸受を設計するため、設計計画の段階において、同一形状の過給機にスラスト荷重検出器を装着し、これを供試体として試験運転を行い、定常状態、或いは、過負荷運転状態の下で、スラスト軸受に作用する実荷重を計測し、実測データを収録することによりすべり軸受の設計計画に反映することができる。
（１）スラストの実荷重・実測データから得られる効果
最大荷重値とその作用時間、或いは、定常状態における荷重値と持続期間などの実測値が明確となることにより、スラスト軸受の寿命計算に反映され寿命評価の精度が高まる。
起動時におけるすべり軸受のスラスト荷重が過大である場合は、起動時に油膜の形成が遅れ、軸受面が損傷を受けることがある。従って損傷を防止する対策を講じるためにも、より正確な実測データの収録が必要となる。
（２）荷重による潤滑膜の破断
荷重が増加すると、油膜が薄くなって二面の凸部同士の接触の機会が増し、境界潤滑膜が破断しやすくなる。この潤滑膜の破断に対する荷重の影響は、次ぎの二種に分けて考えることができる。
荷重による効果は、潤滑膜を力学的に降伏させて、剥離させること。さらに摩擦面の掘り起こしや、いわゆる金属の摩耗の過程において、潤滑膜と固体表面の一部を共に摩擦剥離させる。
荷重増加による摩擦熱の増大により、潤滑膜を熱的に降伏・剥離させる。
すなわち、荷重による潤滑膜の破断はこれらのいずれかの形で行われる。
【０００４】
２．実働荷重の性質・挙動
スラスト軸受に作用するスラスト荷重に関しては、実働荷重の性質・挙動を正確に把握することは当該部位の設計を進めるうえで極めて重要なことである。
荷重の性質については、静的なもの、動的なもの、衝撃的なもの、あるいは、周期性を有するものなど様々であるが、実働荷重の性状を把握しておくことは、流体潤滑のスラスト軸受を構成する「すべり面」の形状・形式を決定するうえにおいて、不可欠な課題となる。
（１）　定常的な荷重状態
スラスト軸受に一定の値のスラスト荷重が連続して作用している状態を示し、スラスト荷重の大きさに応じて、すべり軸受において流体潤滑を形成する条件が整えば、寿命は無限と考えてよい。
（２）　周期的な荷重状態
過給機を構成するタービンとコンプレッサにおいて交互に負荷変動が生じると、回転軸方向に周期的な変動荷重状態が生じることがある。
周期的に変化する荷重に対しては、すべり軸受では油膜の破断をきたすおそれがあるため、変動荷重の大きさ、性状を予め把握しておくことにより、スラスト軸受の形状（テーパードランド形、ヘリングボーン溝形、スパイラル溝形、及び、動圧ポケット形）のうちから最適なものを選定し対応することができる。
（３）　起動時の過渡的な荷重状態
スラスト荷重が極めて高い場合は、流体潤滑から境界潤滑に移行し、金属面同士の接触が生じるおそれがあるため、メタルタッチ発生の防止対策をこうじるためにも、スラスト荷重値を正確に実測する必要がある。
【０００５】
以上に述べたように、スラスト荷重の大きさと性質を正確に実測することにより設計・計画に反映し、その結果得られる効果は絶大なものがある。かかる成果を得るためには、本発明を有効に活用することにより、スラスト荷重実測データを収録することが不可欠となる。
【０００６】
転がり軸受を対象とした、「軸受のスラスト荷重を測定する方法」が既に登録されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第１６５２６０９号明細書
【特許文献２】
特許第１６５２６５８号明細書
【特許文献３】
特許第１６５２６７９号明細書
【特許文献４】
特許第１６５２６８０号明細書
【特許文献５】
特許第１６５８９０７号明細書
【特許文献６】
特許第１６５２６８１号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらの特許は、「転がり軸受」の外輪（静止部）に荷重検出部を当接させ、軸受に作用する軸力を検出するものが多数を占め、大型の軸受を有する回転体のスラスト荷重測定を対象にしたものである。
【０００９】
すべり軸受を対象とした従来技術は、極めて大容量のスラスト荷重に対応する、例えば、ティルテングパッド軸受の扇形パッドを支持するピボットを荷重検出器に置き換え、扇形パッドに作用するスラスト荷重を検出するもので、大型のスラスト軸受に対しては適用可能であるが、この方式を小型のスラスト軸受に適用することは困難である。
【００１０】
図６は、車輌用の小型過給機の構成を示す模式図である。この図に示すように、車輌用過給機のスラスト軸受として、流体潤滑の「すべり軸受」が寿命及びメンテナンスの観点から多用されている。
このような小型過給機のすべり軸受は、回転軸と共に回転するリング状のスラストカラーａと、これと接触して回転軸に作用するスラスト荷重を支持する中空円板状のスラストメタルｂとから通常構成される。これらのスラストカラーａとスラストメタルｂは、通常厚さが数ミリにすぎない。そのため、スラスト軸受のパッド側（静止・固定側）に小型の荷重検出器（ロードセル）を装着し、回転軸の軸方向推力を検出することは、大型の過給機には適用可能でも、小型の過給機には装着にスペース的限界が生じる。
言い換えれば、大型の過給機の軸受部には、荷重検出器を装着するスペースの確保が可能な場合もあるが、小型化するにつれ余裕のスペースがなくなり、荷重検出器の装着が困難になる。
【００１１】
すなわち、「すべり軸受」を対象にした従来技術は、極めて大容量のスラスト荷重に対応する、例えば、ティルテングパッド軸受の扇形パッドを支持するピボットを荷重検出器に置き換え、扇形パッドに作用するスラスト荷重を検出するもので、大型のスラスト軸受に対しては適用可能であるが、この方式を小型のスラスト軸受に適用することは困難である。
また、すべり軸受形式の小型のスラスト軸受を対象にした、スラスト荷重検出技術の実施例は極めて乏しく、技術的に安定し定型化された方式が見当たらない。
「転がり軸受」の場合、静止部の外輪の両端面に対し小型の荷重検出器を当接し、軸受に加わる軸力を差動的に検出する方式を主体としてきた。
しかし、小型の過給機においては、高速回転に伴い軸受の小型化が進み、必然的に荷重検出器の小型化が要求されるが、「転がり軸受」を対象にしたスラスト荷重検出技術の転用だけでは、小型化に限界が生じた。
従って、従来の「転がり軸受」を対象にした荷重検出手段から、小型過給機に適用可能な「すべり軸受」を対象とした荷重検出手段に転換を図る必要に迫まれていた。
すなわち、過給機の小型化が進むにつれ、「スラスト軸受」周りのスペースが狭まり、「荷重検出器」設置の余地が無くなりつつあり、従って、必然的に「荷重検出器」にはさらなる扁平化が要求されている。
【００１２】
本発明は、かかる要望を満たすために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、荷重受感部の小型化を図り、より小型の過給機を対象に、すべり軸受に作用する回転軸のスラスト荷重を動的にかつ正確に実測することができるすべり軸受のスラスト荷重検出装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、回転軸（１）に取り付けられこれと共に回転するリング状のスラストカラー（２）と、該スラストカラーと接触して回転軸に作用する正方向のスラスト荷重Ｆを支持する中空円板状のスラストメタル（４）と、該スラストメタルをケーシング（１１）に連結する複数の連結ボルト（８）と、該連結ボルトとスラストメタルの間に挟持されその間に作用する正方向のスラスト荷重により微小変形する矩形平板状の起歪部（１０）と、該起歪部に貼付されたひずみゲージ（９）とを備えた、ことを特徴とするすべり軸受のスラスト荷重検出装置が提供される。
【００１４】
上記構成により、回転軸（１）に発生する正方向のスラスト荷重Ｆをスラストカラー（２）を介して、静止側のスラストメタル（４）に伝達し、さらにスラストメタル（４）から起歪部（１０）と連結ボルト（８）を介してケーシング（１１）に正方向のスラスト荷重Ｆを伝達することができる。また、矩形平板状の起歪部（１０）は正方向のスラスト荷重により微小変形し、この歪み量を該起歪部に貼付されたひずみゲージ（９）で検出できるので、正方向のスラスト荷重Ｆを、上記一連の荷重伝達経路を経て伝達しながら、起歪部（１０）に貼付したひずみゲージ（９）により歪み量を電気信号に変換し、すべり軸受に作用する回転軸のスラスト荷重を動的にかつ正確に実測することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記矩形平板状の起歪部（１０）は、その中央部がスラストメタル（４）との間に介在するリングスペーサ（６）と連結ボルト（８）の間に挟持されて位置決めされ、その両端部がスラストメタル（４）と接触し、両端に作用する正方向のスラスト荷重を中央部からケーシング（１１）に伝達し、その間にせん断歪みを発生させる。
【００１６】
この構成により、起歪部（１０）を矩形平板状の扁平な形状に構成でき、かつこの矩形平板部材をスラストメタル（４）で両端支持し、正方向のスラスト荷重を連結ボルト（８）により中央部から負荷するので、両端と中央部との間に均一なせん断歪みを発生させることができ、変形を微小に抑えかつ計測出力を大きくできる。
【００１７】
また、本発明によれば、回転軸（１）に取り付けられこれと共に回転するリング状のスラストカラー（２）と、該スラストカラーと接触して回転軸に作用する正逆方向のスラスト荷重Ｆａ，Ｆｂを支持する中空円板状のスラストメタル（４）と、該スラストメタルをケーシング（１１）に連結する複数の連結ボルト（８）と、該連結ボルトとスラストメタルの間に挟持されその間に作用する正逆方向のスラスト荷重により微小変形する矩形平板状の起歪部（１０）と、該起歪部に貼付されたひずみゲージ（９）とを備えた、ことを特徴とするすべり軸受のスラスト荷重検出装置が提供される。
【００１８】
上記構成により、回転軸（１）に発生する正逆方向のスラスト荷重Ｆａをスラストカラー（２）を介して、静止側のスラストメタル（４）に伝達し、さらにスラストメタル（４）から起歪部（１０）と連結ボルト（８）を介してケーシング（１１）に正逆方向のスラスト荷重Ｆａ，Ｆｂを伝達することができる。
また、矩形平板状の起歪部（１０）は正逆方向のスラスト荷重により微小変形し、この歪み量を該起歪部に貼付されたひずみゲージ（９）で検出できるので、正逆方向のスラスト荷重Ｆａ，Ｆｂを、上記一連の荷重伝達経路を経て伝達しながら、起歪部（１０）に貼付したひずみゲージ（９）により歪み量を電気信号に変換し、すべり軸受に作用する回転軸のスラスト荷重を動的にかつ正確に実測することができる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記矩形平板状の起歪部（１０）は、その中央部がスラストメタル（４）との間に介在するリングスペーサ（６）と連結ボルト（８）の間に挟持されて位置決めされ、その両端部が固定ボルト（５）によりスラストメタル（４）に固定され、両端部に作用する正逆方向のスラスト荷重を中央部からケーシング（１１）に伝達し、その間にせん断歪みを発生させる。
【００２０】
この構成により、起歪部（１０）を矩形平板状の扁平な形状に構成でき、かつこの矩形平板部材をスラストメタル（４）と固定ボルト（５）で両端を挟持して支持し、正逆方向のスラスト荷重を連結ボルト（８）により中央部から負荷するので、両端と中央部との間に均一なせん断歪みを発生させることができ、変形を微小に抑えかつ計測出力を大きくできる。
【００２１】
前記矩形平板状の起歪部（１０）は、その中央部と両端部の間に矩形開口（１０ａ）を有し、これにより中央部と両端部を結ぶ４本の平板部（１０ｂ）が形成されており、前記ひずみゲージ（９）は、４本の平板部（１０ｂ）にそれぞれ貼付されたせん断歪み用のひずみゲージである。
【００２２】
この構成により、４本の平板部（１０ｂ）にせん断歪みが一定の領域を形成することができ、これをせん断歪み用のひずみゲージで計測して大きな計測出力を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００２４】
図１は、本発明のスラスト荷重検出装置の第１実施形態図である。この図において、（Ａ）は軸端からすべり軸受を見た正面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
この例は、回転軸１に作用する正方向のスラスト荷重Ｆを計測するスラスト荷重検出装置を示している。図６と同様に回転軸１の軸端にコンプレッサ翼車、反対側にタービン翼車が取付けられる場合、正方向のスラスト荷重Ｆはタービン翼車からコンプレッサ翼車に向かうスラスト荷重である。
【００２５】
図２は、図１の部分拡大図である。この図において（Ａ）は、図１（Ｂ）の上半分の拡大図、（Ｂ）は起歪部１０の拡大図である。また、図２（Ｂ）において、（ａ）は側面図、（ｂ）はｂ−ｂ矢視図、（ｃ）はｃ−ｃ断面図である。
【００２６】
図１および図２において、本発明のスラスト荷重検出装置は、リング状のスラストカラー２、中空円板状のスラストメタル４、複数の連結ボルト８、矩形平板状の起歪部１０およびひずみゲージ９を備える。
【００２７】
リング状のスラストカラー２は、この例では正方向のスラスト荷重を受けるための正スラストカラー２ａと、逆方向のスラスト荷重を受けるための逆スラストカラー２ｂからなる。正スラストカラー２ａと逆スラストカラー２ｂは、回転軸１の端部（この例では段付き部）に好ましくは締り嵌めで取り付けられ、これと共に一体的に回転する。また、正方向のスラスト荷重と逆方向のスラスト荷重を同一のスラストメタル４に伝達するために、正スラストカラー２ａと逆スラストカラー２ｂの２つの伝達面の間にスラストメタル４をわずかな間隔をもって挟持するようになっている。
【００２８】
中空円板状のスラストメタル４は、図１（Ａ）に示すようにこの例では３本の連結ボルト８により、ケーシング１１に連結・固定されている。また、スラストメタル４の内周部の両面には、軸受シュー３が取付けられ、この軸受シュー３とスラストカラー２（正スラストカラー２ａ）とが接触して回転軸１に作用する正方向のスラスト荷重Ｆを支持する。軸受シュー３は、耐摩耗性が高く、かつ潤滑性が高いコーティング膜であるのがよい。
【００２９】
複数（この例では３本）の連結ボルト８は、矩形平板状の起歪部１０の中央部をそれぞれ貫通し、スラストメタル４に設けられた３箇所の穴を通してケーシング１１に連結する。また、スラストメタル４とケーシング１１の間には、中空円筒状のリングスペーサ６が挟持される。
【００３０】
矩形平板状の起歪部１０は、図２（Ａ）に示すように、その中央部がスラストメタル４との間に介在するリングスペーサ６と連結ボルト８（の頭部）との間に挟持されて軸方向位置が位置決めされる。また、起歪部１０の両端部はスラストメタル４の片面（図で左面）と接触するように位置決めされる。
従って、図２（Ｂ）に示すように、起歪部１０の長手方向両端には、正方向のスラスト荷重Ｆの分力（この例ではＦ／６）が作用し、起歪部１０の中央部に正方向のスラスト荷重Ｆの分力（この例ではＦ／３）がケーシング１１に伝達し、その間に均一なせん断歪みが発生するようになっている。
【００３１】
図２（Ｂ）に示すように、矩形平板状の起歪部１０は、その中央部と両端部の間に２つの矩形開口１０ａを有し、これにより中央部と両端部を結ぶ４本の平板部１０ｂが形成されている。
ひずみゲージ９は、この４本の平板部１０ｂにそれぞれ貼付されたせん断歪み用のひずみゲージである。矩形平板状の起歪部１０は図２（Ｂ）から明らかなように、中央に集中荷重を受ける両端支持梁である。従って、４本の平板部１０ｂには、均一なせん断力が作用し、この部分全体に均一なせん断歪みが発生する。４つのせん断歪み用のひずみゲージ９は、均一なせん断歪みが発生する領域に直接貼付されるため、ひずみゲージの全面でせん断歪みを検知することができる。またこの４つのせん断歪み用のひずみゲージ９でブリッチ回路を形成し、温度による影響を無くすことで、検出出力を高めることができる。
【００３２】
図３は、本発明のスラスト荷重検出装置の第２実施形態図である。この図において、（Ａ）は軸端からすべり軸受を見た正面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
この例は、回転軸１に作用する正逆方向のスラスト荷重Ｆａ，Ｆｂを計測するスラスト荷重検出装置を示している。図６と同様に回転軸１の軸端にコンプレッサ翼車、反対側にタービン翼車が取付けられる場合、正方向のスラスト荷重Ｆａはタービン翼車からコンプレッサ翼車に向かうスラスト荷重であり、逆正方向のスラスト荷重Ｆｂはコンプレッサ翼車からタービン翼車に向かうスラスト荷重である。
【００３３】
図４は、図３の部分拡大図である。この図において（Ａ）は、図３（Ｂ）の上半分の拡大図、（Ｂ）は起歪部１０の拡大図である。また、図４（Ｂ）において、（ａ）は側面図、（ｂ）はｂ−ｂ矢視図、（ｃ）はｃ−ｃ断面図である。
【００３４】
図３および図４において、本発明のスラスト荷重検出装置は、リング状のスラストカラー２、中空円板状のスラストメタル４、複数の連結ボルト８、矩形平板状の起歪部１０およびひずみゲージ９を備える。
【００３５】
リング状のスラストカラー２は、この例では正方向のスラスト荷重を受けるための正スラストカラー２ａと、逆方向のスラスト荷重を受けるための逆スラストカラー２ｂからなる。正スラストカラー２ａと逆スラストカラー２ｂは、回転軸１に好ましくは締り嵌めで取り付けられ、これと共に一体的に回転する。また、正方向のスラスト荷重と逆方向のスラスト荷重を同一のスラストメタル４に伝達するために、正スラストカラー２ａと逆スラストカラー２ｂの２つの伝達面の間にスラストメタル４をわずかな間隔をもって挟持するようになっている。
【００３６】
中空円板状のスラストメタル４は、図３（Ａ）に示すようにこの例では３本の連結ボルト８により、ケーシング１１に連結・固定されている。また、スラストメタル４の内周部の両面には、軸受シュー３が取付けられ、この軸受シュー３とスラストカラー２（正スラストカラー２ａと逆スラストカラー２ｂ）とが接触して回転軸１に作用する正方向と逆方向のスラスト荷重Ｆａ，Ｆｂを支持する。軸受シュー３は、耐摩耗性が高く、かつ潤滑性が高いコーティング膜であるのがよい。
【００３７】
複数（この例では３本）の連結ボルト８は、矩形平板状の起歪部１０の中央部をそれぞれ貫通し、スラストメタル４に設けられた３箇所の穴を通してケーシング１１に連結する。また、スラストメタル４とケーシング１１の間には、中空円筒状のリングスペーサ６が挟持される。
【００３８】
矩形平板状の起歪部１０は、図４（Ａ）に示すように、その中央部がスラストメタル４との間に介在するリングスペーサ６と連結ボルト８（の頭部）との間に挟持されて軸方向位置が位置決めされる。また、起歪部１０の両端部は固定ボルト５によりスラストメタル４の片面（図で左面）に固定される。
従って、図４（Ｂ）に示すように、起歪部１０の長手方向両端には、正逆方向のスラスト荷重Ｆａ，Ｆｂの分力（この例ではＦａ／６，Ｆｂ／６）が作用し、起歪部１０の中央部に正逆方向のスラスト荷重Ｆａ，Ｆｂの分力（この例ではＦａ／３，Ｆｂ／３）がケーシング１１に伝達し、その間に均一なせん断歪みが発生するようになっている。
【００３９】
図４（Ｂ）に示すように、矩形平板状の起歪部１０は、その中央部と両端部の間に２つの矩形開口１０ａを有し、これにより中央部と両端部を結ぶ４本の平板部１０ｂが形成されている。
ひずみゲージ９は、この４本の平板部１０ｂにそれぞれ貼付されたせん断歪み用のひずみゲージである。矩形平板状の起歪部１０は図４（Ｂ）から明らかなように、中央に集中荷重を受ける両端支持梁である。従って、４本の平板部１０ｂには、均一なせん断力が作用し、この部分全体に均一なせん断歪みが発生する。４つのせん断歪み用のひずみゲージ９は、均一なせん断歪みが発生する領域に直接貼付されるため、ひずみゲージの全面でせん断歪みを検知することができる。またこの４つのせん断歪み用のひずみゲージ９でブリッチ回路を形成し、温度による影響を無くすことで、検出出力を高めることができる。
【００４０】
図５は、本発明の第３、第４の実施形態図である。この図において、（Ａ）は、第３実施形態図であり、第１実施形態において、矩形平板状の起歪部１０の長手方向を周方向に向けて配置したものである。また、（Ｂ）は、第４実施形態図であり、第２実施形態において、矩形平板状の起歪部１０の長手方向を周方向に向けて配置したものである。その他の構成は、第１実施形態または第２実施形態と同様である。
図５の構成により、スラストメタル４が薄い場合でも、起歪部１０の両端部に作用するスラスト力を均一にできる。
【００４１】
本発明において、荷重検出器は小型過給機のスラスト軸受部の極めて狭隘な空間に装着を余儀なくされると共に、過給機の小型化に伴う低スラスト荷重にも対応しうる対策を講じる必要上、以下に記す諸条件を満足することに注力した。
１．荷重検出器の軽薄短小化
小型で、寸法的に小さく、薄型で軽量であることに注力した。
２．荷重検出器の高固有振動数の確保
回転数一次の振動数に対し、３倍以上の固有振動数を確保するため、荷重検出器の構造（特に荷重検出器の起歪部、すなわち荷重／電気変換機構）に留意した。
このため、荷重検出器の起歪部（荷重／電気変換機構）は、剛性を高めると共に高出力を確保するための手段として、以下の方式を採用した。
（１）荷重検出器はひずみゲージによる荷重／電気変換方式を採用した。
（２）荷重検出器の起歪部の荷重に対するひずみ発生機構は、せん断ひずみ発生方式とし、剛性が高く、発生ひずみの大きな起歪部を構成することに注力した。
【００４２】
３．スラスト荷重伝達経路の明確化
流体潤滑の「すべり軸受」形式による「スラスト軸受」において、これに対して作用するスラスト荷重の伝達経路を明確にし、伝達経路の途中に荷重に相関するひずみを検出する「起歪部」を設けることを、本発明における１つの特徴とする。
スラスト荷重は以下の経路を経て伝達する。
第１実施形態（図１、２）では、回転軸１→スラストカラー２→軸受シュー３→スラストメタル４→起歪部１０→連結ボルト８→ケーシング（固定端）１１
第２実施形態（図３、４）の正方向のスラスト荷重は、回転軸１→正スラストカラー２ａ→軸受シュー３→スラストメタル４→起歪部１０→連結ボルト８→ケーシング（固定端）１１の経路、第２実施形態（図３、４）の逆方向のスラスト荷重は、回転軸１→逆スラストカラー２ｂ→軸受シュー３→スラストメタル４→固定ボルト５→起歪部１０→連結ボルト８→ケーシング（固定端）１１の経路で伝達する。
【００４３】
４．荷重検出器の極薄化
荷重検出器は、例えば軸受シュー３とケーシング（固定端）１１の狭隘な空間、或いは他の狭隘部に装着する場合を想定して、非常に薄い扁平な形状とし、せん断ひずみ発生機構としての条件を満足する寸法の範囲内にまとめることに注力している。
５．荷重検出器の高出力化
従来技術で対応可能であった大型の回転機械に比べ、過給機の小型化に伴う低スラスト荷重にも対応できる荷重検出器とするため、起歪部１０については、形状・寸法及び材質を吟味し最適化することにより解決した。
【００４４】
６．荷重検出器の温度補償
「スラスト軸受」において起歪部１０はスラストメタル４に密着して固定されるため、軸受シュー３とスラストカラー２において発生する摩擦熱が潤滑油を介して起歪部１０に伝達し過熱するため、温度による「見掛けひずみ」が発生する。この「見掛けひずみ」を少なくするため温度補償が必要となる。さらに荷重検出器は複数のものを組み合わせて使用する関係上、単独での特性は勿論、「組み合わせ時の特性」が優れている必要がある。
ここで荷重検出器の「組み合わせ時温度特性」を向上させる手段として、荷重検出器を個々に独立して製作し、これらの中から温度特性の揃ったものを選定してグループとして機能させ、荷重検出器の組み合わせ時の温度特性を向上させる手段を採っている。
【００４５】
以下、本発明のスラスト荷重検出装置の作動と機能を説明する。
１．荷重の伝達経路と荷重の検出方法
「すべり軸受」形式の「スラスト軸受」において、スラスト荷重は、回転軸１からスラストカラー２に伝わり、これと接触する軸受シュー３との境界面で、液状媒体を介して流体潤滑が行われ、静止部であるスラストメタル４まで荷重が伝達する。
さらに、静止部においては、スラストメタル４の片面に当接した起歪部１０の端部に（固定ボルト５を介して）荷重が伝わり、起歪部１０の中央部がこれに当接したリングスペーサ６と共に連結ボルト８によってケーシング１１（最終端）に締結・固定されることで、スラスト荷重の伝達経路はケーシング１１をもって最終の固定端となる。
こうした荷重の伝達系の一部である、静止部のスラストメタル４に取付け、荷重の伝達を行いつつ、荷重を検出する「荷重検出器」の主要部品である起歪部１０において荷重に比例した電気信号に変換することを特徴とする。
【００４６】
２．荷重検出器の機能
（１）荷重／電気変換
荷重検出器における「荷重」対「電気信号」の変換は、起歪部１０を構成する弾性部材にひずみゲージを貼付し、「荷重」に比例して発生する「ひずみ信号」を電気信号として検出する方式を採っている。
【００４７】
（２）荷重伝達
第１実施形態（図１、２）では、前述のように、起歪部１０を経由して荷重検出器の中央部に至る。
起歪部７の中央部において、リングスペーサ６は起歪部１０の下面とリングスペーサを介し、ケーシング１１の上面に接し、連結ボルト８によってケーシング１１（最終端）に締結・固定されるが、ここで起歪部１０の中央部において、起歪部１０の下面とスラストメタル４の片面との間には僅かな間隙が設けられている。さらにスラストメタル４のもう一方の面とケーシング１１の表面との間にも同様にリングスペーサ６による間隙を設けている。
【００４８】
第２実施形態（図３、４）では、前述のように、荷重検出器内部を通過する荷重は、固定ボルト５から起歪部１０を経由して荷重検出器の中央部に至る。
起歪部１０の中央部において、リングスペーサ６は起歪部１０の下面とリングスペーサを介し、ケーシング１１の上面に接し、連結ボルト８によってケーシング１１（最終端）に締結・固定されるが、ここで起歪部１０の中央部において、起歪部１０の下面とスラストメタル４の片面との間には僅かな間隙が設けられている。さらにスラストメタル４のもう一方の面とケーシング１１の表面との間にも同様に、わずかな間隙を設けている。
（注、リングスペーサ６の高さ寸法は、スラストメタル４の厚さ寸法に前記２箇所の寸法を加えた値に等しい。）
【００４９】
（３）起歪部
起歪部１０を構成する弾性部材の一部で、作用する荷重に応じて発生するひずみを、部分的に高めた個所を「起歪部」と称し、この個所にひずみゲージ９を貼付しひずみを検出する。
この最大ひずみの発生位置は、起歪部１０の両端部と連結ボルト８とに挟まれた部分を指し、当該起歪部は、連結ボルト８を中心にして、長手方向に振り分け１対、幅方向に１対の合計４箇所の「起歪要素」により構成される。
当該「起歪部」には「せん断ひずみ」が発生し、その配置位置によって、荷重の作用方向により発生ひずみの極性が異なるため、この特徴を利用してブリッジ回路を構成する。
【００５０】
上述した第１実施形態の構成により、回転軸１に発生する正方向のスラスト荷重Ｆをスラストカラー２を介して、静止側のスラストメタル４に伝達し、さらにスラストメタル４から起歪部１０と連結ボルト８を介してケーシング１１に正方向のスラスト荷重Ｆを伝達することができる。また、矩形平板状の起歪部１０は正方向のスラスト荷重により微小変形し、この歪み量を該起歪部に貼付されたひずみゲージ９で検出できるので、正方向のスラスト荷重Ｆを、上記一連の荷重伝達経路を経て伝達しながら、起歪部１０に貼付したひずみゲージ９により歪み量を電気信号に変換し、すべり軸受に作用する回転軸のスラスト荷重を動的にかつ正確に実測することができる。
【００５１】
また、起歪部１０を矩形平板状の扁平な形状に構成でき、かつこの矩形平板部材をスラストメタル４で両端支持し、正方向のスラスト荷重を連結ボルト８により中央部から負荷するので、両端と中央部との間に均一なせん断歪みを発生させることができ、変形を微小に抑えかつ計測出力を大きくできる。
【００５２】
また、上述した第２実施形態の構成により、回転軸１に発生する正逆方向のスラスト荷重Ｆａをスラストカラー２を介して、静止側のスラストメタル４に伝達し、さらにスラストメタル４から起歪部１０と連結ボルト８を介してケーシング１１に正逆方向のスラスト荷重Ｆａ，Ｆｂを伝達することができる。
また、矩形平板状の起歪部１０は正逆方向のスラスト荷重により微小変形し、この歪み量を該起歪部に貼付されたひずみゲージ９で検出できるので、正逆方向のスラスト荷重Ｆａ，Ｆｂを、上記一連の荷重伝達経路を経て伝達しながら、起歪部１０に貼付したひずみゲージ９により歪み量を電気信号に変換し、すべり軸受に作用する回転軸のスラスト荷重を動的にかつ正確に実測することができる。
【００５３】
またこの構成により、起歪部１０を矩形平板状の扁平な形状に構成でき、かつこの矩形平板部材をスラストメタル４と固定ボルト５で両端を挟持して支持し、正逆方向のスラスト荷重を連結ボルト８により中央部から負荷するので、両端と中央部との間に均一なせん断歪みを発生させることができ、変形を微小に抑えかつ計測出力を大きくできる。
【００５４】
さらに、起歪部１０の４本の平板部１０ｂにせん断歪みが一定の領域を形成することができ、これをせん断歪み用のひずみゲージで計測して大きな計測出力を得ることができる。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００５６】
【発明の効果】
上述した本発明のスラスト荷重検出装置により、従来、解明できなかった小型高速回転機械の、軸推力挙動の実測が可能となる。また、回転軸に発生する正・逆方向の推力を実測することが可能となり、従来未知数であった高速回転体におけるスラスト荷重の動的挙動が把握できるようになった。軸推力の実働荷重の解明は、小型回転機械の設計にフィードバックされ、同機の品質（性能・機能・寿命）の向上に貢献すること大である。
【００５７】
従って、本発明のすべり軸受のスラスト荷重検出装置は、荷重受感部の小型化を図り、より小型の過給機を対象に、すべり軸受に作用する回転軸のスラスト荷重を動的にかつ正確に実測することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスラスト荷重検出装置の第１実施形態図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】本発明のスラスト荷重検出装置の第２実施形態図である。
【図４】図３の部分拡大図である。
【図５】本発明の第３、第４の実施形態図である。
【図６】小型過給機のすべり軸受を示す模式図である。
【符号の説明】
１　回転軸、２　スラストカラー、
２ａ　正スラストカラー、２ｂ　逆スラストカラー、
３　軸受シュー、４　スラストメタル、５　固定ボルト、
６　リングスペーサ、８　連結ボルト、９　ひずみゲージ、
１０　起歪部、１１　ケーシング（固定端）[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a thrust load detecting device for a sliding bearing for measuring an actual dynamic load and a dynamic behavior of a thrust load acting on the sliding bearing of a small turbocharger for a vehicle.
[0002]
[Prior art]
A supercharger is a high-speed rotating machine that uses the energy of exhaust gas emitted from an engine and supplies high-pressure air to the engine to improve output and increase efficiency.
The turbocharger has been introduced and designed and developed in order to ensure the performance and reliability of products and products used in severe extreme conditions (high temperature, high pressure, high speed rotation).
In designing the thrust bearing of a turbocharger, in order to ensure its reliability and soundness both in terms of performance and quality, the size and dynamic behavior of the actual thrust load acting on the thrust bearing It is necessary to increase the accuracy of the design calculation by actually measuring under the operating turbocharger, recording the accurate data and analyzing it and feeding it back to the design.
For example, in the case of designing a thrust bearing of a fluid-lubricated "slide bearing" type, it is a priority to accurately grasp the properties of the thrust load in order to advance an accurate design plan. Preliminarily predicting the magnitude and nature of the axial thrust (thrust load) acting on the thrust bearing is an extremely important factor in determining the type and shape of the thrust bearing.
[0003]
The effects obtained by accurately measuring the magnitude and properties of the thrust load are as follows.
1. Grasping the actual load
At the design planning stage, a thrust load detector was attached to a turbocharger of the same shape, and a test operation was performed using the specimen as a specimen to design a plain bearing that is most suitable for the operating conditions of the turbocharger. Alternatively, the actual load acting on the thrust bearing under the overload operation state is measured, and the measured data is recorded, so that it can be reflected in the design plan of the sliding bearing.
(1) Effects obtained from actual thrust load and measured data
By clarifying actual measured values such as the maximum load value and its action time, or the load value and duration in a steady state, it is reflected in the life calculation of the thrust bearing, and the accuracy of life evaluation is improved.
If the thrust load of the slide bearing at the time of startup is excessive, formation of an oil film is delayed at the time of startup, and the bearing surface may be damaged. Therefore, in order to take measures to prevent damage, it is necessary to record more accurate measured data.
(2) Breakage of lubricating film due to load
When the load increases, the oil film becomes thinner, the chance of contact between the two convex portions increases, and the boundary lubricating film is easily broken. The effect of the load on the breakage of the lubricating film can be considered in the following two types.
The effect of the load is to cause the lubricating film to mechanically yield and separate. Further, in the process of excavating the friction surface or in the process of so-called metal wear, both the lubricating film and a part of the solid surface are frictionally separated.
The lubricating film thermally yields and separates due to an increase in frictional heat due to an increase in load.
That is, the breakage of the lubricating film due to the load is performed in any of these forms.
[0004]
2. Properties and behavior of actual load
Regarding the thrust load acting on the thrust bearing, it is extremely important to accurately grasp the nature and behavior of the actual working load in designing the relevant portion.
There are various types of load characteristics such as static, dynamic, shock, and periodic.However, it is important to understand the characteristics of the working load in order to understand the thrust of fluid lubrication. This is an indispensable issue in determining the shape and type of the “slip surface” that constitutes the bearing.
(1) Steady load condition
Indicates a state in which a constant value of thrust load is continuously applied to the thrust bearing, and if the conditions for forming fluid lubrication in the sliding bearing are prepared according to the magnitude of the thrust load, the life may be considered to be infinite .
(2) Periodic load state
When load fluctuations occur alternately in the turbine and the compressor constituting the supercharger, a periodic fluctuation load state may occur in the rotation axis direction.
Under a load that changes periodically, the oil film may be broken in the sliding bearing. Therefore, the magnitude and properties of the fluctuating load should be grasped in advance to determine the shape of the thrust bearing (tapered land type, herring type). (Bone groove type, spiral groove type, and dynamic pressure pocket type).
(3) Transient load state at startup
If the thrust load is extremely high, the transition from fluid lubrication to boundary lubrication may occur and metal surfaces may come into contact with each other, so it is necessary to accurately measure the thrust load value in order to take measures to prevent the occurrence of metal touch. There is.
[0005]
As described above, the magnitude and properties of the thrust load are accurately measured and reflected in the design and planning, and the effect obtained as a result is enormous. In order to obtain such results, it is indispensable to record the measured thrust load data by effectively utilizing the present invention.
[0006]
“Method for measuring thrust load of bearing” for rolling bearings has already been registered (for example, see Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, Patent Document 5, Patent Document 6, Patent Document 6). ).
[0007]
[Patent Document 1]
Patent No. 1652609
[Patent Document 2]
Patent No. 1652658
[Patent Document 3]
Patent No. 1652679
[Patent Document 4]
Patent No. 1652680
[Patent Document 5]
Patent No. 1658907
[Patent Document 6]
Patent No. 1652681
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
These patents measure the thrust load of a rotating body having a large bearing by occupying a load detector in contact with the outer ring (stationary part) of a "rolling bearing" and detecting the axial force acting on the bearing. It is intended for.
[0009]
The prior art for the sliding bearings corresponds to an extremely large thrust load.For example, the pivot supporting the sector pad of the tilting pad bearing is replaced with a load detector, and the thrust load acting on the sector pad is detected. Although it is applicable to a large thrust bearing, it is difficult to apply this method to a small thrust bearing.
[0010]
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a small supercharger for a vehicle. As shown in this figure, a fluid lubricated "slide bearing" is frequently used as a thrust bearing for a vehicle supercharger from the viewpoint of life and maintenance.
The slide bearing of such a small turbocharger is composed of a ring-shaped thrust collar a that rotates together with the rotating shaft and a hollow disk-shaped thrust metal b that contacts the bearing and supports a thrust load acting on the rotating shaft. Usually configured. The thrust collar a and the thrust metal b usually have a thickness of only a few millimeters. Therefore, mounting a small load detector (load cell) on the pad side (stationary / fixed side) of the thrust bearing to detect the axial thrust of the rotating shaft can be applied to a large turbocharger, There is a space limitation in mounting the turbocharger.
In other words, in some cases, it is possible to secure a space for mounting the load detector in the bearing portion of the large turbocharger, but as the size is reduced, there is no more space, and mounting of the load detector becomes difficult. .
[0011]
In other words, the conventional technology for "slide bearings" corresponds to an extremely large thrust load.For example, the pivot supporting the sector pad of the tilting pad bearing is replaced with a load detector, and the thrust acting on the sector pad is changed. It detects a load and is applicable to large thrust bearings, but it is difficult to apply this method to small thrust bearings.
Further, the examples of the thrust load detection technology for a small thrust bearing of the slide bearing type are extremely poor, and there is no technically stable and standardized system.
In the case of the "rolling bearing", a method has been mainly used in which a small load detector is brought into contact with both end surfaces of the outer ring of the stationary portion to differentially detect the axial force applied to the bearing.
However, in small turbochargers, bearings have been miniaturized due to high-speed rotation, which inevitably requires smaller load detectors. However, diversion of thrust load detection technology for "rolling bearings" Alone has limited the miniaturization.
Therefore, it has been urgently necessary to switch from the conventional load detecting means for the "rolling bearing" to the load detecting means for the "slide bearing" applicable to a small turbocharger.
In other words, as turbochargers have become smaller, the space around the "thrust bearing" has become smaller, leaving no room for the "load detector" to be installed. Therefore, the "load detector" is necessarily flattened further. Is required.
[0012]
The present invention has been devised to satisfy such a demand. That is, an object of the present invention is to reduce the size of the load sensing portion and measure the thrust load of the rotating shaft acting on the slide bearing dynamically and accurately for a smaller turbocharger. An object of the present invention is to provide a thrust load detecting device for a sliding bearing.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a ring-shaped thrust collar (2) attached to a rotating shaft (1) and rotating with the same, and a hollow supporting a positive thrust load F acting on the rotating shaft in contact with the thrust collar. A disc-shaped thrust metal (4), a plurality of connection bolts (8) for connecting the thrust metal to the casing (11), and a forward thrust sandwiched between the connection bolt and the thrust metal and acting therebetween. A thrust load detecting device for a sliding bearing, comprising: a rectangular plate-shaped strain-generating portion (10) that deforms minutely by a load; and a strain gauge (9) attached to the strain-generating portion. You.
[0014]
According to the above configuration, the positive thrust load F generated on the rotating shaft (1) is transmitted to the stationary-side thrust metal (4) via the thrust collar (2), and further the thrust metal (4) is distorted from the thrust metal (4). The forward thrust load F can be transmitted to the casing (11) via the connection bolt (8) and the connection bolt (8). The rectangular plate-shaped strain-generating portion (10) is slightly deformed by a positive thrust load, and the amount of this strain can be detected by a strain gauge (9) attached to the strain-generating portion. While transmitting F through the above-described series of load transmission paths, the strain amount is converted into an electric signal by the strain gauge (9) attached to the strain generating part (10), and the thrust load of the rotating shaft acting on the slide bearing is converted. It can be measured dynamically and accurately.
[0015]
According to a preferred embodiment of the present invention, the rectangular plate-shaped strain generating portion (10) has a ring spacer (6) having a central portion interposed between the thrust metal (4) and a connecting bolt (8). Both ends are in contact with the thrust metal (4), and a positive thrust load acting on both ends is transmitted from the central portion to the casing (11) to generate shear strain therebetween.
[0016]
According to this configuration, the strain generating portion (10) can be formed in a flat shape of a rectangular flat plate, and this rectangular flat plate member is supported at both ends by the thrust metal (4), and a positive thrust load is connected by the connecting bolt (8). Since the load is applied from the central portion, uniform shear strain can be generated between both ends and the central portion, and deformation can be suppressed to a very small value and the measurement output can be increased.
[0017]
Further, according to the present invention, a ring-shaped thrust collar (2) attached to the rotating shaft (1) and rotating together therewith, and forward and reverse thrust loads Fa, acting on the rotating shaft in contact with the thrust collar. A hollow disk-shaped thrust metal (4) supporting Fb; a plurality of connection bolts (8) for connecting the thrust metal to the casing (11); And a strain gauge (9) affixed to the strain-generating portion, the strain-generating portion having a rectangular flat plate shape that is minutely deformed by forward and reverse thrust loads. A load detection device is provided.
[0018]
According to the above configuration, the forward / reverse thrust load Fa generated on the rotating shaft (1) is transmitted to the stationary-side thrust metal (4) through the thrust collar (2), and the thrust metal (4) is strained. Thrust loads Fa and Fb in the forward and reverse directions can be transmitted to the casing (11) via the portion (10) and the connection bolt (8).
Also, the rectangular plate-shaped strain-generating portion (10) is slightly deformed by forward and reverse thrust loads, and the amount of this strain can be detected by the strain gauge (9) attached to the strain-generating portion. While transmitting the thrust loads Fa and Fb through the above-described series of load transmission paths, the strain gauge (9) attached to the strain-generating portion (10) converts the amount of strain into an electric signal, and the rotary shaft acting on the slide bearing. Can be dynamically and accurately measured.
[0019]
According to a preferred embodiment of the present invention, the rectangular plate-shaped strain generating portion (10) has a ring spacer (6) having a central portion interposed between the thrust metal (4) and a connecting bolt (8). Both ends are fixed to the thrust metal (4) by fixing bolts (5), and forward and reverse thrust loads acting on both ends are transmitted from the center to the casing (11), In the meantime, shear strain is generated.
[0020]
With this configuration, the strain generating portion (10) can be formed in a flat shape of a rectangular flat plate, and this rectangular flat plate member is supported by holding both ends between the thrust metal (4) and the fixing bolt (5). Since the thrust load in the direction is applied from the central portion by the connecting bolt (8), uniform shear strain can be generated between both ends and the central portion, the deformation can be suppressed minutely, and the measurement output can be increased.
[0021]
The rectangular plate-shaped strain-generating portion (10) has a rectangular opening (10a) between its center and both ends, thereby forming four flat plates (10b) connecting the center and both ends. The strain gauge (9) is a strain gauge for shear strain attached to each of the four flat plates (10b).
[0022]
With this configuration, a region where the shear strain is constant can be formed in the four flat plate portions (10b), and this can be measured with a strain gauge for shear strain to obtain a large measurement output.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, common parts are denoted by the same reference numerals.
[0024]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a thrust load detecting device according to the present invention. In this figure, (A) is a front view of the sliding bearing viewed from the shaft end, and (B) is a cross-sectional view taken along line AA.
This example shows a thrust load detecting device that measures a forward thrust load F acting on the rotating shaft 1. When a compressor wheel is mounted on the shaft end of the rotating shaft 1 and a turbine wheel is mounted on the opposite side as in FIG. 6, the positive thrust load F is a thrust load from the turbine wheel to the compressor wheel.
[0025]
FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1A is an enlarged view of the upper half of FIG. 1B, and FIG. In FIG. 2B, FIG. 2A is a side view, FIG. 2B is a view taken along the line bb, and FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the line cc.
[0026]
1 and 2, a thrust load detecting device according to the present invention includes a ring-shaped thrust collar 2, a hollow disk-shaped thrust metal 4, a plurality of connecting bolts 8, a rectangular flat plate-shaped strain-generating portion 10, and a strain gauge 9. Is provided.
[0027]
In this example, the ring-shaped thrust collar 2 includes a forward thrust collar 2a for receiving a forward thrust load and a reverse thrust collar 2b for receiving a reverse thrust load. The forward thrust collar 2a and the reverse thrust collar 2b are preferably attached to the end (the stepped portion in this example) of the rotating shaft 1 by an interference fit, and rotate integrally therewith. Further, in order to transmit the thrust load in the forward direction and the thrust load in the reverse direction to the same thrust metal 4, the thrust metal 4 is provided with a small space between the two transmission surfaces of the forward thrust collar 2a and the reverse thrust collar 2b. It is designed to be pinched.
[0028]
The hollow disk-shaped thrust metal 4 is connected and fixed to the casing 11 by three connection bolts 8 in this example as shown in FIG. A bearing shoe 3 is attached to both surfaces of the inner peripheral portion of the thrust metal 4, and the bearing shoe 3 and the thrust collar 2 (positive thrust collar 2 a) come into contact with each other and act on the rotating shaft 1 in the forward direction. Supports load F. The bearing shoe 3 is preferably a coating film having high wear resistance and high lubricity.
[0029]
A plurality (three in this example) of connection bolts 8 respectively penetrate the central portion of the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 and are connected to the casing 11 through three holes provided in the thrust metal 4. A hollow cylindrical ring spacer 6 is sandwiched between the thrust metal 4 and the casing 11.
[0030]
As shown in FIG. 2A, the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 has a central portion sandwiched between a ring spacer 6 interposed between the thrust metal 4 and the connection bolt 8 (head portion). Then, the axial position is determined. Further, both ends of the strain generating portion 10 are positioned so as to be in contact with one surface (the left surface in the figure) of the thrust metal 4.
Therefore, as shown in FIG. 2B, a component (F / 6 in this example) of the positive thrust load F acts on both ends in the longitudinal direction of the strain-generating portion 10 and the center of the strain-generating portion 10. The component force of the positive thrust load F (F / 3 in this example) is transmitted to the casing 11, and uniform shear strain is generated therebetween.
[0031]
As shown in FIG. 2 (B), the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 has two rectangular openings 10a between the center portion and both end portions, thereby four four connecting the center portion and both end portions. A flat plate portion 10b is formed.
The strain gauge 9 is a strain gauge for shear strain attached to each of the four flat portions 10b. As is apparent from FIG. 2 (B), the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 is a both-end support beam which receives a concentrated load at the center. Therefore, a uniform shearing force acts on the four flat plate portions 10b, and a uniform shearing strain is generated in the entire portion. Since the four strain gauges 9 for shear strain are directly attached to regions where uniform shear strain occurs, shear strain can be detected on the entire surface of the strain gauge. Further, by forming a blitch circuit with the four strain gauges 9 for shear strain and eliminating the influence of temperature, the detection output can be increased.
[0032]
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the thrust load detecting device according to the present invention. In this figure, (A) is a front view of the sliding bearing viewed from the shaft end, and (B) is a cross-sectional view taken along line AA.
This example shows a thrust load detecting device that measures thrust loads Fa and Fb acting on the rotating shaft 1 in forward and reverse directions. When a compressor wheel is mounted on the shaft end of the rotating shaft 1 and a turbine wheel is mounted on the opposite side in the same manner as in FIG. 6, the forward thrust load Fa is a thrust load from the turbine wheel to the compressor wheel. The thrust load Fb in the direction is a thrust load from the compressor wheel to the turbine wheel.
[0033]
FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3A is an enlarged view of the upper half of FIG. 3B, and FIG. In addition, in FIG. 4B, (a) is a side view, (b) is a view taken along the arrow bb, and (c) is a cross-sectional view taken along the line cc.
[0034]
3 and 4, a thrust load detecting device according to the present invention includes a ring-shaped thrust collar 2, a hollow disk-shaped thrust metal 4, a plurality of connecting bolts 8, a rectangular flat plate-shaped strain-generating portion 10, and a strain gauge 9. Is provided.
[0035]
In this example, the ring-shaped thrust collar 2 includes a forward thrust collar 2a for receiving a forward thrust load and a reverse thrust collar 2b for receiving a reverse thrust load. The forward thrust collar 2a and the reverse thrust collar 2b are preferably mounted on the rotating shaft 1 by an interference fit, and rotate integrally therewith. Further, in order to transmit the thrust load in the forward direction and the thrust load in the reverse direction to the same thrust metal 4, the thrust metal 4 is provided with a small space between the two transmission surfaces of the forward thrust collar 2a and the reverse thrust collar 2b. It is designed to be pinched.
[0036]
The hollow disk-shaped thrust metal 4 is connected and fixed to the casing 11 by three connection bolts 8 in this example as shown in FIG. A bearing shoe 3 is attached to both surfaces of the inner peripheral portion of the thrust metal 4, and the bearing shoe 3 and the thrust collar 2 (the forward thrust collar 2a and the reverse thrust collar 2b) come into contact with each other to act on the rotating shaft 1. Thrust loads Fa and Fb in the opposite direction to the normal direction. The bearing shoe 3 is preferably a coating film having high wear resistance and high lubricity.
[0037]
A plurality (three in this example) of connection bolts 8 respectively penetrate the central portion of the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 and are connected to the casing 11 through three holes provided in the thrust metal 4. A hollow cylindrical ring spacer 6 is sandwiched between the thrust metal 4 and the casing 11.
[0038]
As shown in FIG. 4A, the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 has a central portion sandwiched between a ring spacer 6 interposed between the thrust metal 4 and the connection bolt 8 (head portion). Then, the axial position is determined. Both ends of the strain-flexing portion 10 are fixed to one surface (the left surface in the figure) of the thrust metal 4 by fixing bolts 5.
Therefore, as shown in FIG. 4 (B), component forces (Fa / 6, Fb / 6 in this example) of forward and reverse thrust loads Fa, Fb act on both ends in the longitudinal direction of the strain generating portion 10. The component force of the thrust loads Fa and Fb (Fa / 3, Fb / 3 in this example) is transmitted to the casing 11 at the center of the strain generating portion 10 in the forward and reverse directions, and uniform shear strain is generated therebetween. It has become.
[0039]
As shown in FIG. 4 (B), the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 has two rectangular openings 10a between the central portion and both end portions, and thereby four four connecting the central portion and both end portions. A flat plate portion 10b is formed.
The strain gauge 9 is a strain gauge for shear strain attached to each of the four flat portions 10b. As is clear from FIG. 4B, the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 is a both-end support beam that receives a concentrated load at the center. Therefore, a uniform shearing force acts on the four flat plate portions 10b, and a uniform shearing strain is generated in the entire portion. Since the four strain gauges 9 for shear strain are directly attached to regions where uniform shear strain occurs, shear strain can be detected on the entire surface of the strain gauge. Further, by forming a blitch circuit with the four strain gauges 9 for shear strain and eliminating the influence of temperature, the detection output can be increased.
[0040]
FIG. 5 is a view of a third and a fourth embodiment of the present invention. In this figure, (A) is a view of the third embodiment, in which the longitudinal direction of the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 is arranged in the circumferential direction in the first embodiment. FIG. 4B is a diagram of the fourth embodiment, in which the longitudinal direction of the flat plate-shaped strain-generating portion 10 is arranged in the circumferential direction in the second embodiment. Other configurations are the same as those of the first embodiment or the second embodiment.
According to the configuration of FIG. 5, even when the thrust metal 4 is thin, the thrust force acting on both ends of the strain generating portion 10 can be made uniform.
[0041]
In the present invention, the load detector is required to be installed in an extremely narrow space of the thrust bearing portion of the small turbocharger, and it is necessary to take measures to cope with the low thrust load accompanying the miniaturization of the turbocharger. Focused on satisfying the following conditions.
1. Lighter, thinner and smaller load detectors
The focus was on being small, small in size, thin and light.
2. Ensuring high natural frequency of load detector
In order to ensure a natural frequency three times or more higher than the primary frequency of the rotational speed, attention was paid to the structure of the load detector (particularly, the strain-generating portion of the load detector, ie, the load / electric conversion mechanism).
For this reason, the following method was adopted as a means for increasing the rigidity and ensuring high output for the strain generating portion (load / electric conversion mechanism) of the load detector.
(1) A load detector adopts a load / electric conversion method using a strain gauge.
(2) The strain generation mechanism for the load of the strain-generating portion of the load detector was a shear strain generation method, and the emphasis was on configuring a strain-generating portion having high rigidity and large generated strain.
[0042]
3. Clarification of thrust load transmission path
In the "thrust bearing" of the "sliding bearing" type of fluid lubrication, the transmission path of the thrust load acting on it is clarified, and a "strain-generating section" is provided in the transmission path to detect strain related to the load. This is one feature of the present invention.
The thrust load is transmitted via the following path.
In the first embodiment (FIGS. 1 and 2), the rotating shaft 1 → the thrust collar 2 → the bearing shoe 3 → the thrust metal 4 → the strain generating part 10 → the connecting bolt 8 → the casing (fixed end) 11.
The thrust load in the positive direction in the second embodiment (FIGS. 3 and 4) is as follows: rotating shaft 1 → positive thrust collar 2a → bearing shoe 3 → thrust metal 4 → straining part 10 → connecting bolt 8 → casing (fixed end) 11 The thrust load in the reverse direction of the second embodiment (FIGS. 3 and 4) is as follows: rotating shaft 1 → reverse thrust collar 2b → bearing shoe 3 → thrust metal 4 → fixing bolt 5 → distortion portion 10 → connection bolt 8 → Transmission is performed through the path of the casing (fixed end) 11.
[0043]
4. Ultra-thin load detector
The load detector has a very thin flat shape, for example, assuming that the load detector is mounted in a narrow space between the bearing shoe 3 and the casing (fixed end) 11 or another narrow portion. We are focusing on keeping the dimensions within the range that satisfies.
5. High output of load detector
Compared to a large rotating machine that can be handled by the conventional technology, in order to provide a load detector that can also handle a low thrust load due to the miniaturization of the turbocharger, the shape, size, and material of the strain-generating portion 10 must be changed. Solved by scrutinizing and optimizing.
[0044]
6. Temperature compensation of load detector
In the “thrust bearing”, since the strain generating portion 10 is fixed in close contact with the thrust metal 4, frictional heat generated in the bearing shoe 3 and the thrust collar 2 is transmitted to the strain generating portion 10 via the lubricating oil and is overheated. And "apparent strain" due to temperature. Temperature compensation is required to reduce this “apparent strain”. Furthermore, since the load detector uses a plurality of load detectors in combination, it is necessary that not only the characteristics of the load detectors alone but also the “characteristics when combined” be excellent.
Here, as a means to improve the "temperature characteristics at the time of combination" of the load detectors, load detectors are manufactured independently, and those with uniform temperature characteristics are selected from these to function as a group. Means for improving the temperature characteristics when the detectors are combined is employed.
[0045]
Hereinafter, the operation and function of the thrust load detecting device of the present invention will be described.
1. Load transmission path and load detection method
In the "thrust bearing" of the "slide bearing" type, the thrust load is transmitted from the rotating shaft 1 to the thrust collar 2, and at the interface with the bearing shoe 3 which comes into contact therewith, fluid lubrication is performed via the liquid medium, The load is transmitted to the thrust metal 4 which is a stationary portion.
Further, in the stationary portion, a load is transmitted to the end of the strain-generating portion 10 abutting on one surface of the thrust metal 4 (via the fixing bolt 5), and the central portion of the strain-generating portion 10 abuts on the ring. By being fastened and fixed to the casing 11 (final end) by the connecting bolt 8 together with the spacer 6, the transmission path of the thrust load becomes the final fixed end with the casing 11.
It is attached to the thrust metal 4 of the stationary part, which is a part of such a load transmission system, and is proportional to the load in the strain generating part 10 which is a main part of the "load detector" which detects the load while transmitting the load. It is characterized in that it is converted into an electric signal.
[0046]
2. Function of load detector
(1) Load / electric conversion
The conversion of "load" to "electric signal" in the load detector is performed by attaching a strain gauge to an elastic member constituting the strain generating section 10 and detecting a "strain signal" generated in proportion to the "load" as an electric signal. We adopt method to do.
[0047]
(2) Load transmission
In the first embodiment (FIGS. 1 and 2), as described above, the light reaches the center of the load detector via the strain-generating portion 10.
At the center of the strain-generating portion 7, the ring spacer 6 contacts the upper surface of the casing 11 via the lower surface of the strain-generating portion 10 and the ring spacer, and is fastened and fixed to the casing 11 (final end) by the connecting bolt 8. Here, a slight gap is provided between the lower surface of the strain-generating portion 10 and one surface of the thrust metal 4 at the center of the strain-generating portion 10. Further, a gap by the ring spacer 6 is similarly provided between the other surface of the thrust metal 4 and the surface of the casing 11.
[0048]
In the second embodiment (FIGS. 3 and 4), as described above, the load that passes through the inside of the load detector reaches the center of the load detector from the fixing bolt 5 via the strain-generating portion 10.
At the center of the strain-generating portion 10, the ring spacer 6 contacts the upper surface of the casing 11 via the lower surface of the strain-generating portion 10 and the ring spacer, and is fastened and fixed to the casing 11 (final end) by the connecting bolt 8. Here, a slight gap is provided between the lower surface of the strain-generating portion 10 and one surface of the thrust metal 4 at the center of the strain-generating portion 10. Further, a slight gap is similarly provided between the other surface of the thrust metal 4 and the surface of the casing 11.
(Note that the height of the ring spacer 6 is equal to the thickness of the thrust metal 4 plus the above two dimensions.)
[0049]
(3) Flexure section
A part of the elastic member constituting the strain-generating part 10 where the strain generated according to the applied load is partially increased is referred to as a "strain-generating part". Is detected.
The position where the maximum strain occurs is a portion sandwiched between both ends of the strain-generating portion 10 and the connecting bolt 8. It is composed of a pair of four “strain-generating elements” in the direction.
A "shear strain" is generated in the "strain-generating portion", and the polarity of the generated strain differs depending on the direction in which the load is applied depending on the arrangement position. Therefore, a bridge circuit is configured using this feature.
[0050]
With the configuration of the first embodiment described above, the positive thrust load F generated on the rotating shaft 1 is transmitted to the stationary-side thrust metal 4 via the thrust collar 2, and furthermore, the thrust metal 4 and the strain-generating portion 10 A positive thrust load F can be transmitted to the casing 11 via the connection bolt 8. Further, the rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 is minutely deformed by a positive thrust load, and the amount of this strain can be detected by the strain gauge 9 attached to the strain-generating portion. While transmitting through a series of load transmission paths, the strain amount is converted into an electric signal by the strain gauge 9 attached to the strain generating section 10, and the thrust load of the rotating shaft acting on the slide bearing is dynamically and accurately measured. be able to.
[0051]
Further, the strain generating portion 10 can be formed in a flat shape of a rectangular flat plate, and this rectangular flat plate member is supported at both ends by the thrust metal 4, and a positive thrust load is applied from the central portion by the connecting bolt 8. A uniform shear strain can be generated between the center portion and the center portion, the deformation can be suppressed minutely, and the measurement output can be increased.
[0052]
Further, according to the configuration of the second embodiment described above, the forward / reverse thrust load Fa generated on the rotating shaft 1 is transmitted to the stationary-side thrust metal 4 via the thrust collar 2, and the thrust metal 4 is subjected to strain generation from the thrust metal 4. Thrust loads Fa and Fb in the forward and reverse directions can be transmitted to the casing 11 via the portion 10 and the connection bolt 8.
The rectangular plate-shaped strain-generating portion 10 is slightly deformed by the forward and reverse thrust loads, and the amount of strain can be detected by the strain gauge 9 attached to the strain-generating portion. While transmitting Fb through the above-described series of load transmission paths, the strain amount is converted into an electric signal by the strain gauge 9 attached to the strain generating section 10, and the thrust load of the rotating shaft acting on the slide bearing is dynamically and dynamically changed. It can be measured accurately.
[0053]
Further, according to this configuration, the strain generating portion 10 can be formed in a flat shape of a rectangular flat plate shape, and this rectangular flat plate member is supported by sandwiching both ends between the thrust metal 4 and the fixing bolts 5 to reduce the thrust load in the normal and reverse directions. Since the load is applied from the central portion by the connecting bolt 8, uniform shear strain can be generated between both ends and the central portion, and the deformation can be suppressed to a small extent and the measurement output can be increased.
[0054]
Furthermore, a region where the shear strain is constant can be formed in the four flat portions 10b of the strain generating portion 10, and a large measurement output can be obtained by measuring this region with a strain gauge for shear strain.
[0055]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously changed without departing from the gist of the present invention.
[0056]
【The invention's effect】
The thrust load detecting device of the present invention described above enables the actual measurement of the axial thrust behavior of a small high-speed rotating machine that could not be clarified conventionally. In addition, the thrust in the forward and reverse directions generated on the rotating shaft can be actually measured, and the dynamic behavior of the thrust load on the high-speed rotating body, which was conventionally unknown, can be grasped. Elucidation of the actual working load of the axial thrust will be fed back to the design of small rotating machines, and will greatly contribute to improving the quality (performance, function, and life) of the machine.
[0057]
Therefore, the thrust load detecting device for a sliding bearing according to the present invention reduces the size of the load sensing portion and dynamically and accurately detects the thrust load of the rotating shaft acting on the sliding bearing for a smaller turbocharger. It has excellent effects such as actual measurement.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a thrust load detecting device according to the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the thrust load detecting device according to the present invention.
FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3;
FIG. 5 is a view of a third and a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing a slide bearing of a small turbocharger.
[Explanation of symbols]
1 rotating shaft, 2 thrust collar,
2a forward thrust collar, 2b reverse thrust collar,
3 Bearing shoe, 4 thrust metal, 5 fixing bolt,
6 ring spacer, 8 connecting bolt, 9 strain gauge,
10 strain generating part, 11 casing (fixed end)

Claims

A ring-shaped thrust collar (2) attached to the rotating shaft (1) and rotating therewith; and a hollow disk-shaped thrust metal supporting a positive thrust load F acting on the rotating shaft in contact with the thrust collar. (4) a plurality of connecting bolts (8) for connecting the thrust metal to the casing (11), and a rectangle which is sandwiched between the connecting bolt and the thrust metal and minutely deformed by a positive thrust load acting therebetween. A thrust load detecting device for a sliding bearing, comprising: a flat strain-generating portion (10); and a strain gauge (9) attached to the strain-generating portion.

The rectangular plate-shaped strain-generating portion (10) is positioned with its central portion sandwiched between a ring spacer (6) interposed between the thrust metal (4) and a connection bolt (8), and both ends thereof The part contacts the thrust metal (4), transmits a positive thrust load acting on both ends from the center part to the casing (11), and generates a shear strain therebetween. Thrust load detection device for plain bearings.

A ring-shaped thrust collar (2) attached to the rotating shaft (1) and rotating together with the rotating shaft; and a hollow disk-shaped member that contacts the thrust collar and supports forward and reverse thrust loads Fa and Fb acting on the rotating shaft. A thrust metal (4), a plurality of connecting bolts (8) for connecting the thrust metal to the casing (11), and a forward / reverse thrust load sandwiched between the connecting bolt and the thrust metal and acting therebetween. A thrust load detecting device for a sliding bearing, comprising: a strain-generating portion (10) in the form of a rectangular flat plate that deforms minutely; and a strain gauge (9) attached to the strain-generating portion.

The rectangular plate-shaped strain-generating portion (10) is positioned with its central portion sandwiched between a ring spacer (6) interposed between the thrust metal (4) and a connection bolt (8), and both ends thereof The part is fixed to the thrust metal (4) by the fixing bolt (5), and forward and reverse thrust loads acting on both ends are transmitted from the center to the casing (11), and shear strain is generated therebetween. The thrust load detecting device for a plain bearing according to claim 3, wherein:

The rectangular plate-shaped strain-generating portion (10) has a rectangular opening (10a) between its center and both ends, thereby forming four plate portions (10b) connecting the center and both ends. Has been
The thrust load detecting device for a sliding bearing according to claim 2 or 4, wherein the strain gauge (9) is a strain gauge for shear strain attached to each of the four flat portions (10b). .