JP2005127270A

JP2005127270A - インペラ支持用転がり軸受装置

Info

Publication number: JP2005127270A
Application number: JP2003365704A
Authority: JP
Inventors: Hideto Yui; 秀人由井
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】省スペース化を図りながら、転がり軸受の回転性能及び潤滑性能を向上することができるインペラ支持用転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】インペラ支持用転がり軸受装置において、転がり軸受７，８に潤滑剤を供給する潤滑装置２６は、潤滑剤が充填される潤滑剤供給部２８と、インペラ４が設置された側に設けられた高圧空気室４４と潤滑剤供給部２８間を連通する貫通孔２９，３０と、貫通孔２９に設けられ高圧空気室４４から供給される圧縮空気量を調整可能な弁機構３１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インペラ支持用転がり軸受装置に係り、特に自動車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、インペラとタービンとを接続する回転軸を軸受ハウジングに対し、回転自在に支持する転がり軸受装置や、燃料電池用の水蒸気圧送機等に好適に使用される転がり軸受装置に関する。

例えば、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ー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、排気のエネルギーを、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min^-1 （r.p.m.）の速度で回転し、前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。

図２〜３は、この様なターボチャージャの一例を示している。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２の右端）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２の左端）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 （r.p.m.）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、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される必要があり、しかも回転支持部の潤滑を十分に考慮する必要がある。

この為、回転軸２は、第一、第二の玉軸受７、８により軸受ハウジング６の内側に回転自在に支持されている。即ち、第一、第二の玉軸受７、８は、軸受ハウジング６と回転軸２とを相対回転可能に支持するように、軸受ハウジング６と回転軸２との間に介装されている。これら第一、第二の玉軸受７、８はそれぞれ、アンギュラ型玉軸受であり、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。このため、第一の玉軸受７を中心に説明する。

第一の玉軸受７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個ずつ円周方向に等間隔に保持されている。又、図示の例の場合には、内輪１２は、片側の肩部をなくした、所謂カウンタボアとしている。又、保持器１４は、その外周面を外輪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。

この様な第一の玉軸受７は、外輪１０を軸受ハウジング６の一端部に内嵌すると共に、内輪１２を回転軸２の一端部に外嵌固定する事により、この回転軸２の一端部を軸受ハウジング６に対し、回転自在に支持している。又、上述した様に、同様の構成を有する第二の玉軸受８は、外輪１０を軸受ハウジング６の他端部に内嵌すると共に、内輪１２を回転軸２の他端部に外嵌固定する事により、この回転軸２の他端部を軸受ハウジング６に対し、回転自在に支持している。又、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、１７同士の間に圧縮ばね１６を挟持している。従って、第一、第二の玉軸受７、８は、背面組み合わせ（ＤＢ）型の接触角が付与された状態となる。

更に、図３に示された従来の転がり軸受装置では、軸受ハウジング６を納めたケーシング１８内に給油通路２５を設けて、各玉軸受７、８を潤滑自在としている。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給油ポンプ（図示せず）によって供給され、給油フィルタ１９により異物を除去されてから、スクィーズフィルムダンパとして機能させた、ケーシング１８の内周面と軸受ハウジング６の外周面との間の隙間空間を通過して、外輪１０に隣接する押圧環１７に設けたノズル孔２０から、第一の玉軸受７を構成する内輪１２の外周面に向け、径方向外方から斜めに潤滑油を噴出し、この第一の玉軸受７を潤滑（オイルジェット潤滑）する。この様にして第一の玉軸受７に向けて噴出した潤滑油は、この第一の玉軸受７の他、第二の玉軸受８も潤滑してから、排油口２１から排出される。

また、上述する様なターボチャージャ用玉軸受において、外輪に給油孔を形成して、この給油孔から保持器の外周面に潤滑油を吐出させ、玉軸受の潤滑性能の向上を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
更に、車両に組み込まれる潤滑装置としては、累積走行距離や累積走行時間に基づいて圧縮空気を送り込んでグリース供給ポンプを駆動し、グリースを車両のミッションや車軸等の摺動部に供給する給脂システムが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−５４４５１号公報（第３頁、第１図）特開２０００−２０５４９０号公報（第７頁、第６図）

ところで、ターボチャージャの回転軸支持に転がり軸受を採用する利点の一つに軸受損失が小さいという点が挙げられる。しかしながら、上述した様な従来のターボチャージャ用回転支持装置の場合、ノズル孔２０から噴出し玉軸受７，８内に供給された潤滑油は、攪拌抵抗により軸受損失の主要因となる。

そのため、給油量を減少させ、軸受の攪拌抵抗を小さくすることによって軸受損失を小さくする方法が取られているが、給油量を減少させると、軸受の温度上昇によって、各玉１３，１３の転動面と、外輪軌道９、内輪軌道１１、各ポケット１５の内面との、転がり接触部又は滑り接触部に存在する潤滑油の油膜形成能力が不足する可能性がある。そして、不足した場合には、各玉１３、１３、外輪軌道９、内輪軌道１１、保持器１４の各ポケット１５の内面及び保持器１４の外径面等、各部の摩耗が著しくなり、ターボチャージャ用回転支持装置の耐久性が損なわれるだけでなく、極端な場合には異常磨耗や焼き付き等の損傷を発生する可能性がある。

また、攪拌抵抗による軸受損失を極力小さくするために、工作機械等で用いているオイルエア潤滑、オイルミスト潤滑及びグリース潤滑を採用することが考えられるが、省スペース化を必須とされている、例えば自動車用ターボチャージャでは、オイルエア潤滑及びオイルミスト潤滑に必要な圧縮空気発生装置を設置することは難しい。また、グリース潤滑では、例えば自動車用ターボチャージャとして使用される場合、高速回転であることから、グリース寿命が短くなるため、焼付く可能性が高く、本潤滑方法の適用は難しい。

本発明は、この様な不都合を解消すべく、省スペース化を図りながら、転がり軸受の回転性能及び潤滑性能を向上することができるインペラ支持用転がり軸受装置を提供することを目的とする。

本発明の前記目的は、以下の構成によって達成される。
（１）軸受ハウジングと、
該軸受ハウジングの内側に回転自在に支持され、一端部にインペラが固定された回転軸と、
前記軸受ハウジングと前記回転軸とを相対回転可能に支持するように前記軸受ハウジングと前記回転軸との間に介装されており、前記軸受ハウジングに内嵌された外輪と、前記回転軸に外嵌された内輪と、前記外輪及び前記内輪に形成された外輪軌道及び内輪軌道間に転動自在に設けた複数個の玉と、前記玉を円周方向に等間隔に保持する保持器とを有する転がり軸受と、
前記転がり軸受に潤滑剤を供給する潤滑装置と、
を備えたインペラ支持用転がり軸受装置において、
前記潤滑装置は、潤滑剤が充填される潤滑剤供給部と、前記インペラが設置された側に設けられた高圧空気室と前記潤滑剤供給部との間を連通する貫通孔と、前記貫通孔に設けられ前記高圧空気室から供給される圧縮空気量を調整可能な弁機構とを備えたことを特徴とするインペラ支持用転がり軸受装置。
（２）前記潤滑装置は、さらに、前記潤滑剤を保持する潤滑剤保持室と、前記潤滑剤供給部と前記転がり軸受の軸受空間との間を結ぶ潤滑剤供給孔とを備え、
前記潤滑剤供給部は潤滑剤を含浸可能な多孔質体を有し、前記潤滑剤保持室に隣接して設置されていることを特徴とする（１）に記載のインペラ支持用転がり軸受装置。

上述の様に構成する本発明のインペラ支持用転がり軸受装置の場合には、インペラによって作り出される圧縮空気が、貫通孔及び圧縮空気量を調整可能な弁機構を介して潤滑剤供給部に供給される。その結果、潤滑剤保持室に保持された潤滑剤が、潤滑剤供給部から、圧縮空気により潤滑剤供給孔を通じて吐出され、転がり軸受の軸受空間、特に、外輪、若しくは内輪と玉との転がり接触部の潤滑に供される。この結果、給油ポンプ、給油配管及び排油配管等、潤滑油を供給する構造が不要になるとともに、圧縮空気を用いた潤滑剤の供給に必要な圧縮空気発生装置を設置する必要がなくなり、省スペース化を図りながら、オイルエア潤滑、オイルミスト潤滑及びグリース供給潤滑等の圧縮空気を用いた潤滑方法を採用することが可能となる。つまり、潤滑に必要な供給量に調整された潤滑剤を、圧縮空気を用いて転がり軸受に供給することによって、攪拌抵抗を大きく減少させ、確実に転がり接触部に潤滑剤を供給することが可能となり、転がり軸受の軸受損失の低減及び潤滑状態を良好にすることができる。

図１は、本発明の実施形態の１例を示している。尚、本発明の特徴は、インペラ支持用転がり軸受装置において、転がり軸受（前述した図２〜３に示した第１、第２の玉軸受７，８）を潤滑する潤滑装置に係り、潤滑剤保持室２７に潤滑剤供給部２８が設置されているとともに、コンプレッサとして機能するインペラ４が設置されている側に設けられた高圧空気室４４と潤滑剤供給部２８間が貫通孔２９、３０によって接続されており、且つその貫通孔２９に高圧空気室４４から供給される圧縮空気量を調整可能な弁機構（本実施形態では、電磁弁）３１が設けられている。また、潤滑剤供給部２８からは転がり軸受７，８の軸受空間に向けて潤滑剤供給孔３２，３３，３４が設置されている。つまり、本発明では、転がり軸受装置に供給する潤滑剤（本実施形態では、潤滑油）を、インペラ４で作り出される高圧空気を用いて供給しており、この潤滑剤供給孔３２，３３，３４から転がり軸受の内輪１２若しくは外輪１０と玉１３へ潤滑に必要な量の潤滑剤を吐出することにより、内輪１２若しくは外輪１０と玉１３の転がり接触部の潤滑状態を良好にする点にある。

なお、本発明の転がり軸受装置である、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２〜３に示した構造を含み、従来から知られているものと同様である。このため、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。

本実施形態では、ターボチャージャ用転がり軸受装置にオイルミスト潤滑を行なう潤滑装置２６が設けられている。ケーシング１８の上方には、潤滑油を保持する潤滑剤保持室２７が設けられており、その開口は蓋２７ａによって塞がれている。

また、潤滑剤保存室２７の下部には、潤滑剤供給部２８が設けられており、潤滑油を微量に供給可能とするために潤滑油の含浸が可能な連通気孔を有する、本発明の多孔質体である、多孔質材の合成樹脂が収容されている。

コンプレッサ用インペラ４が設置されるコンプレッサハウジング４１には、インペラ室４２とスクロール４３間を連通する高圧空気室４４が設けられている。そして、高圧空気室４４と潤滑剤供給部２８は、ケーシング１８及びコンプレッサハウジング４１に形成された貫通孔２９、３０によって接続されている。また、高圧空気室４４と潤滑剤供給部２８間を接続するケーシング１８側の貫通孔２９には、高圧空気室４４から供給される圧縮空気量を調整可能な電磁弁３１が設けられている。

さらに、ケーシング１８、軸受ハウジング６及び押圧環１７には、潤滑剤供給部２８から連通して延びる潤滑剤供給孔３２，３３，３４がそれぞれ形成されており、押圧環１７に形成された潤滑剤供給孔３４は、転がり軸受７，８の外輪１０と内輪１２との間の軸受空間に向けて開口している。従って、転がり軸受７，８には、潤滑剤供給孔３２，３３，３４から圧縮空気とともに微量な潤滑油が送り込み自在である。なお、ケーシング１８に形成された貫通孔２９と潤滑剤供給孔３２は、潤滑剤供給部２８を通って直線的に形成されるとともに、ケーシング１８に形成された潤滑剤供給孔３２は、転がり軸受７，８に向けて分岐されている。

また、潤滑剤供給孔３２，３３，３４から供給され、転がり軸受７，８の潤滑に使用されたオイルミストは、排油溜り部３５及び潤滑油を採取可能な排気フィルタ３６を介して、潤滑油供給に用いた圧縮空気のみが排気口３７より大気に放出される。

上述の様に構成されたターボチャージャ用転がり軸受装置によれば、瞬時に開口及び閉口可能な電磁弁３１により、潤滑に必要な量の微量な潤滑油が高圧空気室４４からの圧縮空気とともにオイルミストとなって転がり軸受７，８に供給される。また、供給量は、高圧空気室４４の圧力と潤滑剤供給孔３２，３３，３４の径、孔の数及び電磁弁３１の開度と開閉時間によって設定される。

なお、過給機としてのオイルミスト潤滑油供給の場合、潤滑剤供給孔３２，３３，３４の直径はφ０．５〜２．０ｍｍ、好ましくはφ０．８〜１．５ｍｍが望ましく、潤滑剤供給孔３２，３３，３４の数は１〜４個、好ましくは１〜２個が望ましいが、本発明の範囲では特に限定されない。また、電磁弁３１の開閉は、ターボチャージャの運転における一定時間毎により設定することが好ましい。

その結果、必要最小限の潤滑油を供給することが可能となり、潤滑剤による攪拌抵抗が小さくなり、軸受損失を抑えることができる。また、潤滑油供給油ポンプ、給油配管及び排油配管を不要とし、省スペース化を可能とすることができる。

また、本発明では、エンジン内の各潤滑に用いたエンジンオイルを再循環しておらず、常に新しい潤滑剤を補給することが可能なため、劣化した潤滑剤が補給されることがなく、エンジンオイルに含まれる微小なコンタミをかみ込むこともない。

尚、本発明では、二列の転がり軸受７，８の両方に潤滑剤を供給するために二本の潤滑剤供給孔３２，３３，３４は必須ではないが、本実施形態のように設けることが好ましい。

また、本実施形態においては、潤滑剤供給部２８を潤滑剤保持室２７の下部に設置したが、潤滑剤供給部２８は潤滑剤供給孔３２が潤滑剤保持室２７と接続される箇所に設置されてもよい。つまり、その場合には、潤滑剤供給部２８は潤滑剤保持室２７内に配置されてもよい。

また、本実施形態では、圧縮ばね１６を用いることによって転がり軸受７，８に定圧予圧を負荷させた構造としているが、各列の外輪１０及び内輪１２の位置を固定した定位置予圧構造に本発明を用いても構わない。

さらに、外輪１０、内輪１２及び玉１３，１３の材料は、特に限定されないが、油膜が形成されにくい条件においても磨耗の発生や焼き付きを極力防止するために、表面硬さが高いほうが有利である。このため、高温における硬さの低下を防止するため、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ４２０Ｃ）、またはステンレス鋼に表面窒化したものを用いても構わない。その他、耐熱、耐食合金（Ｍ５０、ＳＫＨ４等）でも構わない。また、玉１３に窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックスを用いると、耐焼付性が向上するため、反負荷側において玉１３の公転滑りが発生しても、軸受の損傷を防止することができる。セラミックスの焼結助剤としては、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）及びアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、その他、適宜、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を混合したものや、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や炭化珪素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等を用いたものが挙げられる。

ここで、保持器１４の材料は、特に限定されないが、フェノール樹脂や多孔質材を用いてもよく、また合成樹脂を用いても構わない。この樹脂材としては、機械的強度に優れた熱可塑性樹脂中の、いわゆるエンジニアリングプラスチックや、熱硬化性樹脂が好適である。例えば、エンジニアリングプラスチックとしては、ナイロン６６樹脂、ナイロン４６樹脂、芳香族ナイロン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂等がある。このうち、ポリアミド４６樹脂にガラス繊維を２５〜３０％含有したものが、高温・高速における変形、損傷を防止する上で有効である。また、回転条件においてはガラス繊維を１０〜２５％含有したポリアミド４６樹脂でも、また主原料にポリアミド６６樹脂を用いても構わない。

その他、熱可塑性樹脂として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアリルエーテルニトリル（ＰＥＮ）、熱可塑性ポリイミド樹脂（ＴＰＩ）、耐熱性樹脂としてポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を用いても構わない。また、強化繊維として、カーボン繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ウィスカー、無機系材料（酸化珪素、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ等）或いは有機系材料（ポリエチレン、ポリアリレート等）により繊維状に形成されるものが挙げられる。

また、保持器１４の材料として金属を用いた場合には、潤滑性の良好な銅合金を用いるとよい。鉄製の保持器１４の場合には、潤滑性を良好にするために、表面に銀メッキやリン酸マンガン被膜処理を施すと有効である。

また、本実施形態では、オイルミスト潤滑を採用したが、潤滑油を圧縮空気とともに転がり軸受に供給するオイルエア潤滑やグリース供給潤滑に本発明を用いても構わない。

潤滑剤における基油の種類としては、エステル系、エーテル系、フッ素系、シリコーン系、合成炭化水素系のいずれを用いても構わない。フッ素化ポリマー油、フッ化ポリエーテル油、アルキルジフェニルエーテル油、ポリフェニルエーテル油、ポリオールエステル油、ポリアルファオレフィン油等、またはそれらの混合油を用いても構わない。

また、グリース供給潤滑を用いて、水が入る環境が想定される場合のグリースとしては、例えば増ちょう剤がジウレアで、基油がポリαオレフィン（ＰＡＯ）のグリースや、増ちょう剤がリチウム石鹸で基油が鉱油のグリースに防錆剤を入れて使用するのが望ましいが、本発明では潤滑剤の種類は特に指定しない。

ここで、ターボチャージャにおける振動対策として減衰機構を設けることが望ましい。減衰機構構造としては、油やゴムの粘性を利用する方法等があるが、減衰機構の有無及び構造については特に指定しない。

また、本実施形態では、圧縮空気量を調整するために電磁弁３１を用いているが、圧縮空気量の調整に用いる弁機構には比例制御弁を用いてもよく、弁の種類については特に限定されない。また、電磁弁３１はケーシング１８の内部に埋め込んでいるが、ケーシング１８の外に配置してもよく、弁機構の設置位置については特に限定されない。

また、潤滑剤保持室２７は、ケーシング１８の内部に埋め込んでいるが、ケーシング１８の外に配置してもよい。同様に、潤滑剤供給部２８もケーシング１８の外に配置してもよい。つまり、潤滑剤保持室２７及び潤滑剤供給部２８の設置位置については特に限定されない。

また、本実施形態では、自動車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まれ、インペラ４とタービン３とを接続する回転軸２を軸受ハウジング６に対して回転自在に支持する転がり軸受装置について説明したが、電動モータをアシストとして設置したターボチャージャ、電動モータのみで駆動されるコンプレッサや燃料電池用の水蒸気圧送機等に適用される転がり軸受装置においても有効である。

本発明の実施形態のターボチャージャの全体構成を示す断面図である。従来のターボチャージャの全体構成を示す断面図である。ターボチャージャ用支持装置を示す、図２のＡ部拡大図である。

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（転がり軸受）
８第二の玉軸受（転がり軸受）
９外輪軌道
１０外輪
１１内輪軌道
１２内輪
１３玉
１４保持器
１５ポケット
１６圧縮ばね
１７押圧環
１８ケーシング
１９給油フィルタ
２０ノズル孔
２１排油口
２５給油通路
２６潤滑装置
２７潤滑剤保持室
２８潤滑剤供給部
２９、３０貫通孔
３１電磁弁
３２，３３，３４潤滑剤供給孔
３５排油溜り部
３６排気フィルタ
３７排気口
４１コンプレッサハウジング
４４高圧空気室

Claims

軸受ハウジングと、
該軸受ハウジングの内側に回転自在に支持され、一端部にインペラが固定された回転軸と、
前記軸受ハウジングと前記回転軸とを相対回転可能に支持するように前記軸受ハウジングと前記回転軸との間に介装されており、前記軸受ハウジングに内嵌された外輪と、前記回転軸に外嵌された内輪と、前記外輪及び前記内輪に形成された外輪軌道及び内輪軌道間に転動自在に設けた複数個の玉と、前記玉を円周方向に等間隔に保持する保持器とを有する転がり軸受と、
前記転がり軸受に潤滑剤を供給する潤滑装置と、
を備えたインペラ支持用転がり軸受装置において、
前記潤滑装置は、潤滑剤が充填される潤滑剤供給部と、前記インペラが設置された側に設けられた高圧空気室と前記潤滑剤供給部との間を連通する貫通孔と、前記貫通孔に設けられ前記高圧空気室から供給される圧縮空気量を調整可能な弁機構とを備えたことを特徴とするインペラ支持用転がり軸受装置。
前記潤滑装置は、さらに、前記潤滑剤を保持する潤滑剤保持室と、前記潤滑剤供給部と前記転がり軸受の軸受空間との間を結ぶ潤滑剤供給孔とを備え、
前記潤滑剤供給部は潤滑剤を含浸可能な多孔質体を有し、前記潤滑剤保持室に隣接して設置されていることを特徴とする請求項１に記載のインペラ支持用転がり軸受装置。