JP2005171796A

JP2005171796A - ターボチャージャ用軸受装置

Info

Publication number: JP2005171796A
Application number: JP2003409967A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Umekawa; 貴弘梅川
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】ターボチャージャ用軸受装置において、ハウジングの給油孔からオイルフィルムダンパ形成用と軸受潤滑用として油を十分に供給できるようにする。
【解決手段】ハウジング１の軸孔１ａの内壁面に正のすきまＳ１，Ｓ２を介して外輪７ａ，８ａが配置される。ハウジングの軸孔の内壁面とタービン軸２との間に外輪の内端面にばね付勢されたスリーブ９，１０が配置される。外輪の外周面に周溝７ｇ，８ｇと軸方向溝７ｈ，８ｈとが形成される。スリーブ９，１０に、ハウジングの給油孔１ｂ，１ｃから導入される油を、玉軸受の内部へ送る油孔９ｅ，１０ｅと軸方向溝に送る案内面９ｃ，１０ｃとが形成される。これにより、給油孔からの油を玉軸受内部へは潤滑油として、すきまにはオイルフィルムダンパ形成用油として十分に安定的に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャ用軸受装置に係り、より詳しくは、ハウジング内においてタービン軸をタービンホイール側とコンプレッサホイール側とで支持する軸受を備えたターボチャージャ用軸受装置に関する。

ターボチャージャ用のタービン軸は、ハウジング（センターハウジング）内においてタービンホイール側とコンプレッサホイール側それぞれに配置された二つの玉軸受を介して支持されている。タービン軸は、タービンホイールで吸入された排気ガスをタービンホイールで圧縮するため高速回転する。このような高速回転によるタービン軸からの振動がハウジングに伝達されるのを抑制するため、玉軸受とハウジングとの間に振動抑制用の油膜（オイルフィルムダンパ）が形成されている。通常、オイルフィルムダンパ形成用の油は、軸受潤滑用の油と共用されており、ハウジングの外径側から供給されるようになっているため、オイルフィルムダンパ形成用と軸受潤滑用の両用として油を安定に供給することはターボチャージャの運転上、重要である。

こうした油の供給方式を採用するものとして、外輪とハウジング内壁面との間にスリーブを介装したものがある（特許文献１および２参照）。すなわち、特許文献１では、スリーブの外周面に周溝を設けるとともに軸受に連通する油孔を設け、この周溝によってハウジングの軸孔内壁面との間にすきまを作り、油をそのすきまに供給してオイルフィルムダンパを形成するとともに、油孔を介して軸受に供給している。特許文献２では、外輪とハウジング内壁面との間に浮動状態に介装したスリーブに玉軸受方向の油孔を形成し、ハウジングの給油孔からの油でスリーブを浮動させる一方、その油を油孔を通して軸受に供給している。なお、スリーブを用いない方式のものもある（特許文献３参照）。
特開平６−１５９０８６号公報実開昭６１−４７４３４号公報実開昭６２−８４６３２号公報

上記スリーブを用いた方式では、共にスリーブを外輪とハウジング内壁面との間に位置させ、スリーブとハウジング内壁面との間にオイルフィルムダンパ用油を供給するものであるから、スリーブの製作精度が低いとハウジングの給油孔からの油をオイルフィルムダンパ形成用として供給するには不十分となるおそれが高い構造であった。また、スリーブの油孔は軸受方向に向けられてはいるものの、ハウジングの給油孔からの油を軸受潤滑用油として軸受に供給するには不十分となるおそれが高い構造であった。

本発明によるターボチャージャ用軸受装置は、ハウジングの軸孔内でタービン軸を回転自在に支持する軸受を備え、ハウジングの給油孔からオイルフィルムダンパ形成用と軸受潤滑用とに共用する油が供給されるターボチャージャ用軸受装置において、ハウジングの軸孔の内壁面に正のすきまを介して配置される外輪と、ハウジングの軸孔の内壁面とタービン軸との間に配置されて外輪の内端面にばね付勢されるスリーブとを備え、外輪には、その外周面に周溝と当該周溝に連通し当該外輪の内端縁へ向けて開放した軸方向溝とからなるオイルフィルムダンパ形成用の油導入溝が形成され、スリーブには、ハウジングの給油孔から導入される油を軸受潤滑用油として軸受の内部へ送る油孔と、その油をオイルフィルムダンパ形成用油として軸方向溝に送る案内面とが形成されていることを特徴とするものである。

本発明による構成では、軸受の内部と、ハウジングと外輪との間の嵌合すきまとの両方に油を安定的に供給するために、軸受の外輪に周溝と軸方向溝とを設けている。軸受の外輪は、外周面に研磨が施されていて高精度に形成されるから、外周面に周溝や軸方向溝を形成したうえで外輪の寸法やバランスを調整することが従来例に比べて容易である。
スリーブの外周面に断面Ｖ字形の周溝を形成し、このスリーブの周溝に上記油孔を形成した場合、ハウジングの給油孔からの油を効率的に周溝を介して油孔や外輪の軸方向溝に供給できて好ましい。

スリーブの外周面の外端側領域に外輪の外径Ｒ１よりも小さな外径Ｒ２を有する小径部を当該案内面として形成すると、給油孔からの油をスリーブの小径部によって外輪の軸方向溝とスリーブの油孔とに入りやすくして油の流れをよりスムーズにできて好ましい。

外輪の軸方向溝の溝深さｄを、外輪の外径Ｒ１とスリーブの小径部の外径Ｒ２との差（外径差）ｈの１倍以上２０倍以下に設定すると、給油孔からの油をスリーブの案内面からよりスムーズに供給できて好ましい。

外輪の各周溝の溝幅ｗ１を、外輪の両端の面取を除く平坦部の軸方向長さＬの１／５倍以上１／２倍以下に設定し、外輪の軸方向溝の溝幅ｗ２を外輪の周溝の溝幅ｗ１の１／２倍以上２倍以下に設定すると、給油孔からの油をスリーブの案内面からよりスムーズに供給できて好ましい。

本発明は、ハウジングの給油孔からオイルフィルムダンパ用と軸受潤滑用としての油を十分に安定供給できる。

図面を参照して本発明による最良の形態のターボチャージャ用の軸受装置を説明する。図１は、ターボチャージャ用軸受装置の断面図、図２は、図１の要部を拡大した図、図３は、図１の(３)−(３)線断面の矢視図、図４は、図１の外輪を示す斜視図である。これらの図において、１はハウジング、２はタービン軸である。

ハウジング１には、タービン室３とコンプレッサ室４とを連通する軸孔１ａが設けられている。タービン軸２の一端にはタービンホイール５が一体形成されており、タービン軸２の他端にはコンプレッサホイール６が取り付けられている。タービン軸２の中間領域は、二つの玉軸受７，８を介して軸孔１ａ内に回転自在に支持されている。

玉軸受７，８は、共にアンギュラ玉軸受からなり、それぞれ、外輪７ａ，８ａ、内輪７ｂ，８ｂ、複数の玉７ｃ，８ｃ、保持器７ｄ，８ｄを備える。外輪７ａ，８ａのカウンタボア７ｅ，８ｅは外側に配置され、また、内輪７ｂ，８ｂのカウンタボア７ｆ，８ｆは内側に配置されている。外輪７ａ，８ａとハウジング１の軸孔１ａの内壁面との間には正のすきまＳ１，Ｓ２が設けられている。

ハウジング１とタービン軸２との間でかつ玉軸受７，８の外輪７ａ，８ａの内端側に、スリーブ９，１０が配置されている。スリーブ９とスリーブ１０との間にコイルスプリング１１が軸方向に圧縮された状態で介装されている。これによって、スリーブ９，１０はコイルスプリング１１の伸張・復元力によってばね付勢されて外輪７ａ，８ａの内端面に押し付けられ、玉軸受７，８に所定の予圧が付与されている。

両スリーブ９、１０間には、Ｃ形のスペーサ１２が配置されており、このスペーサ１２でスリーブ９，１０の軸方向変位量が規制される。スペーサ１２は、ハウジング１にピン１３を介して軸方向ならびに周方向に位置決めされている。スリーブ９，１０には、軸方向ほぼ半分の領域に径方向内向きに膨出する膨出部９ａ，１０ａが、また、残り半分の領域の内周に大径部９ｂ，１０ｂが設けられている。膨出部９ａと大径部９ｂとの境の段壁面にコイルスプリング１１の一端部が当接され、また、膨出部１０ａと大径部１０ｂとの境の段壁面にコイルスプリング１１の他端部が当接されている。

これら玉軸受７，８と、スリーブ９，１０と、コイルスプリング１１と、スペーサ１２とにより、ターボチャージャ用の軸受装置が構成されている。

この実施形態では、二つの玉軸受７，８の内部（玉配置空間）に潤滑用の油が供給されるとともに、外輪７ａ，８ａとハウジング１の軸孔１ａの内壁面との間の正のすきまＳ１，Ｓ２にオイルフィルムダンパ形成用の油が供給されるようになっている。正のすきまＳ１，Ｓ２内の油は、タービン軸２の振動を減衰するオイルフィルムダンパとして機能する。

前記潤滑用の油とオイルフィルムダンパ用の油とは同じ種類にしており、その供給経路を共通にしているので、以下で詳しく説明する。

ハウジング１には、二股の給油孔１ｂ，１ｃが形成されており、これら給油孔１ｂ，１ｃの導入側開口端は、玉軸受７，８の内端側に配置されている。

スリーブ９，１０の外周面における外端側領域には、外輪７ａ，８ａの外径よりも小さな外径の小径部９ｃ，１０ｃが形成されており、これら小径部９ｃ，１０ｃと大径部９ｂ，１０ｂとの間には、周溝９ｄ，１０ｄが形成されている。これら周溝９ｄ，１０ｄは、受け面９ｄ１，１０ｄ１と緩斜面９ｄ２，１０ｄ２とにより断面Ｖ字形になっており、この緩斜面９ｄ２，１０ｄ２から内周面外端のテーパ面９ｄ３，１０ｄ３へ向けて貫通する油孔９ｅ，１０ｅが形成されている。これら油孔９ｅ，１０ｅの開口径は、給油孔１ｂ，１ｃの開口径よりも小さく設定されているとともに、油孔９ｅ，１０ｅが給油孔１ｂ，１ｃの開口内に配置されている。給油孔１ｂ，１ｃと油孔９ｅ，１０ｅとは同軸線上に配置されている。

外輪７ａ，８ａの外周面の軸方向中間には周溝７ｇ，８ｇが形成されている。外輪７ａ，８ａの外周面に周溝７ｇ，８ｇの円周方向の少なくとも一箇所から外輪７ａ，８ａの内端縁へ向けて開放する軸方向溝７ｈ，８ｈが形成されている。この周溝７ｇ，８ｇと、この周溝７ｇ，８ｇに連通する軸方向溝７ｈ，８ｈとは、オイルフィルムダンパ形成用の油の導入用溝を構成する。

スリーブ９，１０の油孔９ｅ，１０ｅと外輪７ａ，８ａの軸方向溝７ｈ，８ｈとは、円周方向の複数箇所に等間隔に形成されており、円周方向で同じ位置に配置されている。

このような構成により、給油孔１ｂ，１ｃから油が導入されると、油は、スリーブ９，１０の小径部９ｃ，１０ｃ、軸方向溝７ｈ，８ｈ、周溝７ｇ，８ｇを通じてすきまＳ１，Ｓ２に供給されてオイルフィルムダンパを形成する一方で、スリーブ９，１０の油孔９ｃ，１０ｃを通じて玉軸受７，８の内部に供給されて軸受内部を潤滑、冷却する。この後、ハウジング１に設けてある排出孔１ｄから排出される。

このように、ハウジング１の給油孔１ｂ，１ｃと、二つのスリーブ９，１０の油孔９ｃ，１０ｃと、外輪７ａ，８ａの周溝７ｇ，８ｇおよび軸方向溝７ｈ，８ｈとにより、油の供給経路が構成されている。

以上の構成を図２の左側の玉軸受７側についてさらに説明する。右側の玉軸受８についても同様である。

油孔９ｅの開口径は、給油孔１ｂの開口径よりも小さく、油孔９ｅが給油孔１ｂの開口内に同軸線上に配置されているから、給油孔１ｂからの給油は、図示のように給油孔１ｂと油孔９ｅとが同軸線上となる矢印Ａで示す給油と，それに対して内端側と外端側の矢印Ｂ，Ｃで示す給油となる。これら給油の方向は、玉軸受７，８に向けて斜め方向である。

そして、スリーブ９の周溝９ｄにおいては、矢印Ａの給油は、給油孔１ｂから油孔９ｅに直接導入されるとともに緩斜面９ｄ２から小径部９ｃに案内され、矢印Ｂの給油は、周溝９ｄの受け面９ｄ１と緩斜面９ｄ２とがなす環状凹部で一旦受け止められてから油孔９ｅに導入されるとともに緩斜面９ｄ２，１０ｄ２から小径部９ｃに案内され、矢印Ｃの給油は周溝９ｄの外端側周縁から小径部９ｃに案内される。これによって、給油孔１ｂからの給油は、スリーブ９の断面Ｖ字形状の周溝９ｄで軸受潤滑用油として油孔９ｅを通って矢印Ｄで示すように玉軸受７の内部に、また、オイルフィルムダンパ形成用油として外輪７ａの外周面側に効率的に送られる。

また、スリーブ９の内周側外端はテーパ面９ｄ３とされているから、スリーブ９の内周側は径方向に薄肉となり、油孔９ｅが斜め方向となっても油孔長さを短縮化しスリーブ９の長さを短縮化し、当該軸受装置の小型化を図るうえで好ましい。

また、油孔９ｅの油孔長さが短くて済むから、例えば軸受潤滑用油の油量を調節するため油孔９ｅの内径を大小に変えても、玉軸受７に給油孔１ｂからの油をオイルフィルムダンパ側に偏って供給させずに済むようになるから、好ましい。

一方、スリーブ９の小径部９ｃから導入されてくるオイルフィルムダンパ形成用油は、外輪７の軸方向溝７ｈに導入され、さらに周溝７ｇに導入される。そして、周溝７ｇは外輪７の全周に設けられているから、上述したように、導入した油をオイルフィルムダンパ形成用油として外輪７の全周のすきまＳ１に供給してオイルフィルムダンパを形成することができる。

そして、タービン軸２の振動により外輪７が振動すると、これに伴い上記すきまＳ１に存在するオイルフィルムダンパがその変動を吸収するが、その際、すきまＳ１の周方向での変動に応じて周溝７ｇ内の油もその変動を吸収するようになるから、オイルフィルムダンパの挙動応答性を高められて好ましい。

以上により、本実施形態では、ハウジング１の給油孔１ｂ，１ｃからの油を、玉軸受７，８の内部に対しては軸受潤滑用油として安定的にかつ十分に供給して玉軸受７，８の転がり特性を長期にわたり維持し、また、すきまＳ１，Ｓ２に対してはオイルフィルムダンパ形成用油として安定的にかつ十分に供給してタービン軸２の振動抑制ならびに回転安定性を長期にわたり維持させられ、ターボチャージャの信頼性向上に貢献できるものとなる。

ここで、上記油の供給経路の構成要素について以下のような関係にするのが好ましい。

（ａ）スリーブ９，１０の小径部９ｃ，１０ｃの外径をＲ２、外輪７ａ，８ａの外径をＲ１とし、これら外径Ｒ１，Ｒ２が次の関係式(1)を満たすよう設定する。

Ｒ１＞Ｒ２ …(1)
両外径差Ｒ１−Ｒ２をｈとする。この関係式(1)を満たさないと、軸方向溝７ｈ，８ｈへ油が流入しにくくなる。

（ｂ）外輪７ａ，８ａの周溝７ｇ，８ｇおよび軸方向溝７ｈ，８ｈの深さをｄとし、両外径差Ｒ１−Ｒ２をｈとすると、この深さｄが次の関係式(2)を満たすよう設定する。

１ｈ≦ｄ≦２０ｈ …(2)
深さｄが１ｈ未満であると、軸方向溝７ｈ，８ｈへ油が流入しにくくなる。深さｄが２０ｈ超であると、軸受内部への油供給量が不足する。

（ｃ）外輪７ａ，８ａの周溝７ｇ，８ｇの溝幅をｗ１、外輪７ａ，８ａの両端の面取を除く平坦部の軸方向長さをＬとし、溝幅ｗ１が次の関係式(3)を満たすよう設定する。

（１／５）Ｌ≦ｗ１≦（１／２）Ｌ …(3)
溝幅ｗ１が（１／５）Ｌ未満であると、すきまＳ１，Ｓ２への油供給量が不足し、適正なオイルフィルムダンパを形成できなくなる。溝幅ｗ１が（１／２）Ｌ超であると、軸受内部への油供給量が不足する。

（ｄ）図４に示すように、外輪７ａ，８ａの軸方向溝７ｈ，８ｈの溝幅をｗ２とし、溝幅ｗ２が、次の関係式(4)を満たすよう設定する。

（１／２）ｗ１≦ｗ２≦２ｗ１ …(4)
溝幅ｗ２が（１／２）ｗ１未満であると、軸方向溝７ｈ，８ｈへ油が流入しにくくなる。溝幅ｗ２が２ｗ１超であると、軸受内部への供給油量が不足する。

上記関係式(1)ないし(4)を満足させることによって、玉軸受７，８の内部とすきまＳ１，Ｓ２との両方に対してそれぞれより一層適切な量の油を安定的に供給できるようになり、好ましい。

なお、玉軸受７，８は、外輪７ａ，８ａと内輪７ｂ，８ｂの少なくともいずれか一方にカウンタボアを設けたタイプとしてもよい。

玉軸受７，８は、内輪７ｂ，８ｂを省略してタービン軸２の外周面を内輪軌道としたタイプとしてもよい。

本発明は、例えば自動車や船舶などの内燃機関に装備されるターボチャージャに利用できる。

本発明を実施するための最良の形態に係るターボチャージャ用軸受装置の断面図図１の要部を拡大した図図１の（３）−（３）線断面の矢視図図１の外輪を示す斜視図

符号の説明

１ハウジング
１ａハウジングの軸孔
７，８玉軸受
７ａ，８ａ外輪
７ｂ，８ｂ内輪
７ｅ，８ｅ周溝
７ｆ，８ｆ軸方向溝
９，１０スリーブ

Claims

ハウジングの軸孔内でタービン軸を回転自在に支持する軸受を備え、ハウジングの給油孔からオイルフィルムダンパ形成用と軸受潤滑用とに共用する油が供給されるターボチャージャ用軸受装置において、
ハウジングの軸孔の内壁面に正のすきまを介して配置される外輪と、
ハウジングの軸孔の内壁面とタービン軸との間に配置されて外輪の内端面にばね付勢されるスリーブとを備え、
外輪には、その外周面に周溝と当該周溝に連通し当該外輪の内端縁へ向けて開放した軸方向溝とからなるオイルフィルムダンパ形成用の油導入溝が形成され、
スリーブには、ハウジングの給油孔から導入される油を軸受潤滑用油として軸受の内部へ送る油孔と、その油をオイルフィルムダンパ形成用油として軸方向溝に送る案内面とが形成されている、ことを特徴とするターボチャージャ用軸受装置。
スリーブの外周面に断面Ｖ字形の周溝が形成され、このスリーブの周溝に上記油孔が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ用軸受装置。
スリーブの外周面の外端側領域に外輪の外径Ｒ１よりも小さな外径Ｒ２を有する小径部が上記案内面として形成されている、請求項１または２に記載のターボチャージャ用軸受装置。
外輪の軸方向溝の溝深さｄが、外輪の外径Ｒ１とスリーブの小径部の外径Ｒ２との差（外径差）ｈの１倍以上２０倍以下に設定されている、請求項３に記載のターボチャージャ用軸受装置。
外輪の周溝の溝幅ｗ１が、外輪の両端の面取を除く平坦部の軸方向長さＬの１／５倍以上１／２倍以下に設定されており、外輪の軸方向溝の溝幅ｗ２が、外輪の周溝の溝幅ｗ１の１／２倍以上２倍以下に設定されている、請求項３または４に記載のターボチャージャ用軸受装置。