JP2009293614A - ターボチャージャーの軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ころがり軸受外輪の位置決めを精度よく管理し、スムーズで安定したターボチャージャーの回転を実現させる。
【解決手段】ターボチャージャー１００の軸受構造において、回転軸５０のタービン側、コンプレッサ側にそれぞれアンギュラ型ころがり軸受２０、２１を装着し、単一のカラー部材３０をころがり軸受２０、２１の外輪２２、２３の間に配置する。外輪２２、２３は、カラー部材３０の保持部３７、３８とルーズに嵌合し、保持部３７、３８は軸方向移動自在に外輪２２、２３を保持する。そして、保持部３７、３８に対し、外輪２２、２３の端面２２Ａ、２３Ａへ潤滑油を供給するための潤滑油供給孔３５、３６を軸方向に沿って形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャーの軸受構造に関し、特に、ころがり軸受によって回転軸を軸支するターボチャージャーの軸受構造に関する。

従来のターボチャージャーでは、タービンホイールとコンプレッサホイールとを連結する回転軸が、一対のころがり軸受によって軸支されている。ころがり軸受間には、ころがり軸受の外輪を保持する一対のカラー部材が配置され、各外輪は対応するカラー部材に嵌装される。また、ターボチャージャーの回転時に受けるスラスト力を受けるスプリングが、２つのカラー部材間に装着されており、各外輪は、カラー部材を介したスプリングの付勢力（予圧）によって軸方向に位置決めされる。

スプリングのばね定数は、運転中（ターボチャージャーの最高回転数付近で）受ける最大スラスト力に十分対抗できるように定められる。そのため、必要以上の予圧が低回転時に作用すると、軸受の摩擦抵抗が増大してターボチャージャーの加速性能が悪化する。このような問題を解消するため、２つのカラー部材間に可撓性の弾性部材を設け、予圧を可変とするころがり軸受が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１では、２つのカラー部材間に設けられた弾性部材内に潤滑油が供給され、潤滑油の油圧によってカラー部材が軸方向へ付勢される。また、エンジン回転数の増大に応じて油圧も上がるため、油圧に応じてその付勢力が可変となる。エンジン回転数の増大に応じて外輪の受ける予圧が増加するため、低回転時に予圧を小さくしてフリクションを低減することができる。

特開昭６１−２１１５１９号公報

特許文献１に開示されたころがり軸受では、２つのカラー部材間に潤滑油室を形成するため、カラー部材間の隙間を寸法管理する必要があり、２つのカラー部材、および潤滑油室の合計３つの寸法誤差が重なって、軸受外輪を精度よく位置決めすることが難しい。また、２つのカラー部材を配置する構成では、カラー部材の軸心ずれが生じやすく、ターボチャージャーの回転安定性が低下する。

本発明のターボチャージャーの軸受構造は、回転軸を軸支する一対のころがり軸受と、一対のころがり軸受の外輪間に配置され、２つの外輪を保持する単一のカラー部材とを備える。そして、カラー部材には、軸受ハウジング内に供給される潤滑油を、外輪の端面に向けて供給する潤滑油供給孔が形成される。潤滑油供給孔を介して外輪にかかる潤滑油の油圧は予圧となり、両外輪が互いに離れる方向へ予圧が付与される。

エンジン回転数の上昇に応じて潤滑油の油圧は高くなることから、外輪の受ける予圧は、潤滑油の油圧に応じて可変とされる。低回転運転のときには外輪に対して過度な予圧がかからない一方、高回転運転時にはスラスト力に対抗する予圧が外輪に付与される。よって、低回転時における加速性能が向上するとともに、高回転時においても安定したターボチャージャーの回転が実現される。

さらに、スプリングなどの弾性部材を設けることなく単一のカラー部材によって２つの軸受外輪を保持するため、カラー部材のみの寸法誤差を考慮して寸法管理すればよく、軸受外輪の位置を精度よく定めることができ、寸法管理が改善される。また、単一のカラー部材であるため、回転軸に対するカラー部材の軸心ずれが起こりにくく、ターボチャージャーが安定して回転できる。

例えば、アンギュラ型玉軸受などの玉軸受において軸方向正すきまを形成し、外輪を、カラー部材と軸方向移動自在に嵌合させるようにしてもよい。予圧の増加に伴って外輪がカラー部材に対し相対的に移動して離間できるため、スラスト力によって回転軸が軸方向に動いても、玉が隙間のない状態で内輪と接することができ、軸方向に安定した状態で転動できる。

例えば、カラー部材と軸受ハウジング内面との間にオイルフィルムを形成する隙間を設けたカラー部材を構成することが可能である。この場合、外輪の端面に対して圧力を確実に軸方向に付与するため、カラー部材の外面周方向に沿って溝を形成するとともに、潤滑油供給孔を溝と連通させ、軸方向に形成すればよい。

例えば、本発明のターボチャージャーの軸受構造の一形態においては、一対のころがり軸受に軸方向正すきまが形成され、外輪が回転軸の軸方向に移動可能に構成され、外輪が受ける油圧による予圧の方向とは反対方向の圧力を外輪に作用させる圧力付与部材をさらに備えてもよい。この場合、圧力付与部材による圧力と油圧による予圧とが向かい合うようにして外輪に作用するので、回転軸の軸方向への外輪の移動を制限することができる。即ち、低回転運転時には軸方向正すきまが確保されるように外輪を位置させることができるし、高回転運転時には軸方向すきまが無くなるように外輪を位置させることができる。これにより、低回転時に外輪を介してころがり軸受の玉に作用する予圧を低減することができる。従って、低回転運転時の潤滑油の供給量が少ない状態でころがり軸受の玉に大きな予圧が作用することにより、玉の外周がバンド状に磨耗すること、及びその磨耗により異音が発生することを抑えることができる。また、高回転運転時にころがり軸受の玉に充分な予圧が作用するので、ターボチャージャーの回転を安定化させることができる。

上記形態において、軸受ハウジングには、外輪を挟んで潤滑油供給孔の反対側に位置するリテーナーが設けられ、圧力付与部材は、リテーナーに突き当てられた状態でリテーナーと外輪との間に位置してもよい。この形態によれば、圧力付与部材をリテーナーに突き当てることにより、圧力付与部材を回転軸の軸方向に位置決めすることができるので、外輪が受ける油圧による予圧の方向とは反対方向の圧力を外輪に作用させることができる。

このように本発明によれば、ころがり軸受外輪の位置決めを精度よく管理することが可能であり、スムーズで安定したターボチャージャーの回転を実現することができる。

以下では、図面を参照して、本発明の実施形態であるターボチャージャーの軸受構造について説明する。

（第１の形態）
図１は、本発明の第１の形態に係るターボチャージャーのころがり軸受構造の概略的断面図である。

ターボチャージャー（排気タービン過給機）１００は、エンジンからの排気ガスによって回転駆動されるタービンホイール（図示せず）と、吸入空気を加圧してエンジンに圧縮空気を送るコンプレッサホイール（図示せず）とを備え、タービンホイールとコンプレッサホイールは回転軸５０によって連結されている。運転中、排気によるタービンホイールの回転によって回転軸５０が回転し、コンプレッサも一体的に回転する。

回転軸５０は、軸受ハウジング１０内に収納され、軸受ハウジング１０と回転軸５０との間に設けられる一対のころがり軸受２０、２１によって軸支されている。所定間隔を設けて配置されるころがり軸受２０、２１は、アンギュラ型玉軸受であり、ラジアル荷重およびスラスト荷重を受ける。ころがり軸受２０、２１の内輪２４、２５は、スペーサ９０を介して回転軸５０に固定されている。

ころがり軸受２０、２１の外輪２２、２３の間には、スリーブ状のカラー部材３０が配設されており、カラー部材３０の保持部３７、３８に外輪２２、２３が嵌装される。カラー部材３０と軸受ハウジング１０との間には、オイルフィルムを形成する隙間Ｌが設けられ、運転中、浮動状態で支持される。カラー部材３０は、軸受ハウジング１０に固定されたリテーナー８０と隙間を介して軸方向に位置決めされ、また、軸受ハウジング１０から突出するピン（図示せず）と当接して回転が抑えられている。

カラー部材３０の中央部には、外面周方向に沿って溝３１、３２が形成されている。軸受ハウジング１０に形成された潤滑油通路１２を介して、潤滑油が軸受ハウジング１０内に供給され、隙間Ｌ、溝３１、３２は潤滑油によって満たされる。これによって軸受ハウジング１０とカラー部材３０との間にオイルフィルムが形成され、回転振動が減衰される。

また、潤滑油は、カラー部材３０の溝３１、３２に形成された供給孔３３、３４を通り、ころがり軸受２０、２１に向けて供給される。これにより、玉２６、２７の転動によって熱をもつ軸受２０、２１が冷却される。供給された潤滑油は、排出孔（図示せず）を通って重力排出される。なお、回転軸５０のタービン側には、軸シール５１が設けられている。

カラー部材３０の保持部３７、３８は、外輪２２、２３を径方向に位置決めする一方、軸方向に関し、外輪２２、２３を移動可能となるように保持する。すなわち、外輪２２、２３の軸方向位置は固定されず、外輪２２、２３は保持部３７、３８との間に隙間が形成された状態で（ルーズに）嵌合している。

また、カラー部材３０の保持部３７、３８には、外輪２２、２３と面する部分に潤滑油供給孔３５、３６が軸方向に沿って形成され、溝３１、３２と連通する。潤滑油は、油供給孔３５、３６を通って外輪２２、２３の端面２２Ａ、２３Ａへ流出しようとする。潤滑油の油圧が予圧となって外輪２２、２３を付勢し、外輪２２、２３はそれぞれコンプレッサ側、タービン側へ向けて力を受ける。

図２は、ころがり軸受２０、２１の正すきま構造を示したころがり軸受構造の概略的断面図である。図３は、回転軸５０がタービン側からスラスト力を受けたときの軸受２０の位置を示した軸受構造の概略的断面図である。図２、図３を用いて、軸受２０、２１の軸方向位置について説明する。

図２に示すように、アンギュラ型ころがり軸受２０、２１の内輪２４、２５には、互いに対向する円弧状傾斜面２４Ａ、２５Ａが形成されており、軸方向に正すきまを設けている。すなわち、外輪２２、２３の初期位置に従った玉２６、２７の位置と傾斜面２４Ａ、２５Ａとの間に隙間Ｓが形成されている。ただし、カラー部材３０に外輪２２、２３を嵌合させ、その端面２２Ａ、２３Ａを当接させたときの外輪２２、２３の位置を初期位置とする。また、図２では隙間Ｓを誇張して描いている。

上述したように、外輪２２、２３は、カラー部材３０の保持部３７、３８に対して軸方向に移動可能であり、予圧によって互いに離れる方向に力を受けている。また、正すきま構造によって、玉２６、２７は、傾斜面２４Ａ、２５Ａとの接触位置までを限度として軸方向に移動可能である。したがって、外輪２２、２３の端面２２Ａ、２３Ａが保持部３７、３８と離れた状態で、玉２６、２７が軸方向の隙間なく内輪２４、２５、外輪２２、２３と接触しながら転動することが可能である。

エンジン回転数の上昇によって過給がかかると、回転軸５０はタービン側からスラスト力を受け、コンプレッサ側へ移動する。この回転軸５０の移動に伴い、玉２７は内輪２５の傾斜面２５Ａと接し、タービン側の外輪２３が押し込まれる。これによって、外輪２３の端面２３Ａは油膜を介してカラー部材３０の保持部３８と接触し、それとともに油供給穴３６を介して予圧を受ける。

スラスト力による回転軸５０のコンプレッサ側への移動によって、コンプレッサ側にある内輪２４の位置もカラー部材３０に対して軸方向に相対移動する。すなわち、内輪２４の傾斜面２４Ａはさらにコンプレッサ側へ移動する。しかしながら、外輪２２は、潤滑油供給孔３５から予圧を受け、カラー部材３０に対してコンプレッサ側へ移動する（図３参照）。

外輪２２の端面２２Ａは、カラー部材３０の保持部３７から軸方向に離れ、端面２２Ａとの間に隙間Ｍを設け、玉２６は傾斜面２４Ａの位置、すなわち玉２６と傾斜面２４Ａとの間に隙間Ｓがない状態で転動する。一方、コンプレッサ側からタービン側へスラスト力がかかる場合、回転軸５０の移動に伴って外輪２２、２３が予圧により移動する。

軸受ハウジング１０内に供給される潤滑油の油圧は、エンジンの回転数上昇に伴って増加し、低回転時には油圧が相対的に低い。したがって、エンジンが低回転状態であるとき、潤滑油によって外輪２２、２３へ付与される予圧は小さく、軸受２０、２１の玉２６、２７における摩擦抵抗が抑えられる。これにより、玉２６、２７の磨耗損傷を防ぐとともに、ターボチャージャーの加速性能が向上する。

一方、外輪２２、２３の受ける予圧は回転上昇とともに増加するため、タービン側から受けるスラスト力が大きくなるとともに外輪２３には大きな予圧を受ける。したがって、回転軸５０がコンプレッサ側へ移動しても、玉２６、２７は内輪２４、２５の傾斜面２４Ａ、２５Ａと接し、玉２６、２７は軸方向へずれを生じることなく転動する。その結果、軸受２０、２１は高回転時においても安定して回転軸５０を軸支することができる。

このように本実施形態では、ターボチャージャー１００の軸受構造において、回転軸５０のタービン側、コンプレッサ側にそれぞれアンギュラ型ころがり軸受２０、２１が装着されるとともに、単一のカラー部材３０がころがり軸受２０、２１の外輪２２、２３の間に配置される。外輪２２、２３は、カラー部材３０の保持部３７、３８とルーズに嵌合し、軸方向に移動自在に保持される。そして、保持部３７、３８には、外輪２２、２３の端面２２Ａ、２３Ａへ潤滑油を供給するための潤滑油供給孔３５、３６が軸方向に形成される。

このような構成により、スプリング、あるいは油圧に応じて可変する弾性部材を設けることなく、軸受外輪２２、２３に対して適正な予圧を付与することができ、エンジン低回転時には軸受２０、２１の摩擦抵抗を少なくして加速性能を向上させ、高回転時には玉２６、２７が軸方向に安定した状態で転動し、安定した回転が実現される。また、溝３１、３２を設けて潤滑油供給孔３５、３６を軸方向に形成しているため、外輪２２、２３へ確実に予圧がかかる。

カラー部材が単一部材として構成されるため、従来のように２つのカラー部材を配置する構成と比べて寸法誤差が小さくなり、寸法管理もしやすい。すなわち、従来では、２つのカラー部材の寸法誤差、そしてその間に配置される弾性部材の寸法誤差を合わせて寸法管理する必要があるが、本実施形態では１つのカラー部材に対する寸法管理を行えばよいため、ころがり軸受外輪の位置決め精度が向上する。また、単一のカラー部材で構成するため、カラー部材の軸心ずれが起こりにくく、回転軸５０が安定して回転することができる。

また、回転軸５０が回転している間、外輪２２、２３が回転軸５０周りに回転してしまうことがある。そのような場合でも、外輪２２、２３の端面２２Ａ、２３Ａに潤滑油が供給されているため、外輪２２、２３とカラー部材３０の保持部３７、３８が擦れて回転軸５０の回転運動に支障をきたすことがない。

なお、軸受のすきま構造については、正すきまを設けないように構成してもよい。また、アンギュラ型以外のころがり軸受によって構成してもよい。

（第２の形態）
図４は本発明の第２の形態に係るターボチャージャー２００のころがり軸受構造の概略的断面図である。なお、上述した第１の形態と共通する部分には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。図４に示すように、コンプレッサ側に位置する外輪２２とリテーナー８０との間には圧力付与部材４０が設けられている。圧力付与部材４０としては弾性部材が用いられ、例えば板ばねを利用してもよい。圧力付与部材４０は、その一端がリテーナー８０に他端が外輪２２に接している。つまり、圧力付与部材４０はリテーナー８０に突き当てられた状態で回転軸５０の軸方向への外輪２２の移動を許容できるように弾性変形する。これにより、圧力付与部材４０が回転軸５０の軸方向に位置決めされて、外輪２２が受ける油圧による予圧の方向とは反対方向の圧力を外輪２２に作用させることができる。また、圧力付与部材４０は、外輪２２が初期位置にあるときに外輪２２をタービン側に押し付ける（付勢する）ように設定されている。圧力付与部材４０の弾性率は、エンジンの低回転時に外輪２２の端面２２Ａが保持部３７に接触し、エンジンの高回転時に外輪２２の端面２２Ａが保持部３７から離れるように設定されている。

本形態では、エンジンの低回転時には、外輪２２に作用する圧力付与部材４０の圧力が予圧よりも大きいので、外輪２２の端面２２Ａが保持部３７に接触して軸方向の隙間Ｓが確保される。これにより、外輪２２を介して玉２６に作用する予圧を低減することができる。よって、潤滑油の供給量が少ない状態でころがり軸受２０の玉２６に予圧が作用することにより、玉２６の外周がバンド状に磨耗すること、及びその磨耗により異音を発生することを抑えることができる。また、エンジンの高回転時には、外輪２２に作用する圧力付与部材４０の圧力が予圧よりも小さくなるので、外輪２２の端面２２Ａが保持部３７から離れて玉２６に作用する予圧が大きくなる。これにより、高回転時のターボチャージャー２００の回転を安定化させることができる。

図５は、ターボチャージャー２００の回転数（ターボ回転数）ところがり軸受２０の玉２６が受ける予圧荷重との対応関係の一例を示している。この図では、玉２６にバンド状の磨耗が発生する領域Ｍをハッチングで示し、回転数Ｎ１未満のターボ回転数がエンジンの低回転時に、回転数Ｎ１以上のターボ回転数がエンジンの高回転時に相当する。ターボチャージャー２００が回転数Ｎ１未満で運転している場合、エンジンの油圧が低いので圧力付与部材４０にて外輪２２がタービン側に保持されて軸方向の隙間Ｓが確保される。そのため、玉２６が受ける予圧荷重は領域Ｍよりも低くなり、玉２６にバンド状の磨耗が発生することを抑えることができる。

本形態の圧力付与部材は、リテーナーに突き当てられた状態でリテーナーと外輪との間に設けられた例に限らず、外輪が受ける油圧による予圧とは反対方向の圧力を外輪に作用させることができる限り、適宜に変更が可能である。例えば、圧力付与部材をカラー部材の保持部に取り付けてもよい。圧力付与部材はゴムで構成されていてもよい。本形態では、コンプレッサ側に位置する外輪に圧力が作用するように圧力付与部材を設けたが、コンプレッサ側に位置する外輪ではなくタービン側に位置する外輪に圧力が作用するように圧力付与部材を設けて本発明を実施することも可能である。また、両方の外輪に圧力が作用するように圧力付与部材を設けて本発明を実施してもよい。

本発明の第１の形態に係るターボチャージャーのころがり軸受構造の概略的断面図である。 ころがり軸受の正すきま構造を示したころがり軸受構造の概略的断面図である。 回転軸からービン側からのスラスト力を受けたときのコンプレッサ側軸受の位置を示した軸受構造の概略的断面図である。 本発明の第２の形態に係るターボチャージャーのころがり軸受構造の概略的断面図である。 ターボチャージャーの回転数ところがり軸受の玉が受ける予圧荷重との対応関係の一例を示すグラフである。

符号の説明

１０ 軸受ハウジング
１２ 潤滑油通路
２０、２１ ころがり軸受
２２、２３ 外輪
２２Ａ、２２Ｂ 外輪の端面
２４、２５ 内輪
２４Ａ、２５Ａ 傾斜面
３０ カラー部材
３１、３２ 溝
３５、３６ 潤滑油供給孔
３７、３８ 保持部
４０ 圧力付与部材
５０ 回転軸
１００、２００ ターボチャージャー

Claims (5)

1. 回転軸を軸支する一対のころがり軸受と、
   前記一対のころがり軸受の外輪間に配置され、前記外輪を保持する単一のカラー部材とを備え、
   前記カラー部材が、軸受ハウジング内の潤滑油を前記外輪の端面に向けて供給する潤滑油供給孔を有し、
   前記潤滑油供給孔を介して前記外輪の受ける予圧が、潤滑油の油圧に応じて可変とされることを特徴とするターボチャージャーの軸受構造。
2. 前記一対のころがり軸受に軸方向正すきまが形成され、
   前記外輪が、前記カラー部材と軸方向移動自在に嵌合す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ーの軸受構造。
3. 前記カラー部材の外面周方向に沿って溝が形成され、
   前記潤滑油供給孔が、前記溝と連通して軸方向に形成されていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載のターボチャージャーの軸受構造。
4. 前記一対のころがり軸受に軸方向正すきまが形成され、前記外輪が前記回転軸の軸方向に移動可能に構成され、
   前記外輪が受ける油圧による予圧の方向とは反対方向の圧力を前記外輪に作用させる圧力付与部材をさらに備えている請求項１に記載のターボチャージャーの軸受構造。
5. 前記軸受ハウジングには、前記外輪を挟んで前記潤滑油供給孔の反対側に位置するリテーナーが設けられ、前記圧力付与部材は、前記リテーナーに突き当てられた状態で前記リテーナーと前記外輪との間に位置している請求項４に記載のターボチャージャーの軸受構造。

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