JP2010133296A - ターボ過給機の軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転がり軸受の振動を低減しつつ破損を抑えることができるターボ過給機の軸受装置を提供する。
【解決手段】コンプレッサ３とタービン２とを接続する回転軸４を回転自在に支持するとともに複数の玉９を備えた一対の転がり軸受６が設けられたターボ過給機１の軸受装置５であって、一対の転がり軸受６のうちタービン２側に位置するタービン側軸受６ａは、その玉９の数が一対の転がり軸受６のうちコンプレッサ３側に位置するコンプレッサ側軸受６ｂの玉９の数よりも多くなるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンとコンプレッサとを接続する回転軸を回転自在に支持する一対の転がり軸受が設けられたターボ過給機の軸受装置に関する。

ターボ過給機用玉軸受として、玉と内輪及び外輪との接触面積を小さく設定することにより、磨耗粉等の異物を噛み込み難くさせて振動を低減するものが知られている（特許文献１）。また、磁気記録再生装置などに用いられるスピンドルモータの分野では、モータの主軸を支持する一対の玉軸受において玉と接触する内輪及び外輪のレース案内面の同じ箇所に損傷を受けた場合、それら損傷箇所を各玉軸受の玉が同時に通過すると、損傷箇所通過時に生じる振動が合成されて大きな振幅の振動に発展すること、及び各玉軸受の玉数が同じなら大きな振幅の振動が連続して発生することが周知である。大きな振幅の振動の対策として、一方の玉軸受の玉数を５個に他方の玉軸受の玉数を６個に設定するスピンドルモータが知られている（特許文献２）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献３が存在する。

特開２００２−８１４４７号公報 特開平７−９５７４２号公報 特開２００２−３９１９１号公報

通常、ターボ過給機はその回転軸の軸線が水平方向に向くように配置されるので、回転軸の鉛直下方に転がり軸受の転動体が位置するときに回転軸が最も下がり、隣り合う転動体同士の中間が回転軸の鉛直下方に位置するときに回転軸の下がり量が最も小さくなる。そのため、各転がり軸受において回転軸の鉛直下方に転動体が位置するタイミングが一致すると、回転軸が同じ方向に振れて各転がり軸受に振動が発生する。特に、各転がり軸受の転動体の数が同じである場合、回転軸の鉛直下方に転動体が位置するタイミングが一旦一致すれば、回転軸の振れ回りによる振動が続くことがある。また、特許文献２の玉軸受をターボ過給機に利用する場合、タービン側の玉軸受の玉数が５個にコンプレッサ側の玉軸受の玉数が６個に設定されると、玉数が少ないほど軸受の許容荷重が小さくなるので、タービン側から受けるスラスト荷重によってタービン側の玉軸受が破損するおそれがある。

そこで、本発明は、転がり軸受の振動を低減しつつ破損を抑えることができるターボ過給機の軸受装置を提供することを目的とする。

本発明の軸受装置は、コンプレッサとタービンとを接続する回転軸を回転自在に支持するとともに複数の転動体を備えた一対の転がり軸受が設けられたターボ過給機の軸受装置であって、前記一対の転がり軸受のうちタービン側に位置するタービン側軸受は、その転動体の数が前記一対の転がり軸受のうち前記コンプレッサ側に位置するコンプレッサ側軸受の転動体の数よりも多くなるように構成されているものである（請求項１）。

本発明の軸受装置によれば、タービン側軸受の転動体の数がコンプレッサ側軸受の転動体の数よりも多いので、タービン側軸受の転動体がコンプレッサ側軸受の転動体と同じタイミングで連続して回転軸の鉛直下方に位置することはない。これにより、回転軸の振れ回りによる振動を低減することができる。また、一対の転がり軸受において転動体と接触する内輪及び外輪の接触面の同じ箇所に損傷や変形が生じた場合でも、タービン側軸受の転動体がコンプレッサ側軸受の転動体と同じタイミングで連続して損傷箇所又は変形箇所を通過することはないので、各転がり軸受の振動の合成により生じる大きい振幅の振動を低減することができる。さらに、タービン側軸受は転動体の数がコンプレッサ側軸受に比べて多いため、タービン側軸受の許容荷重を大きく設定しつつコンプレッサ側軸受のコストを抑えることができる。これにより、タービン側から受けるスラスト荷重によって転がり軸受が破損することを抑えることができる。

本発明の軸受装置の一形態においては、前記コンプレッサ側軸受の転動体の数と前記タービン側軸受の転動体の数とが、１以外の公約数を持たない整数に設定されてもよい（請求項２）。この形態によれば、タービン側軸受の転動体のうちの１つがコンプレッサ側軸受の転動体と同じタイミングで回転軸の鉛直下方に位置した場合でも、タービン側軸受の残りの転動体がコンプレッサ側軸受の転動体と同じタイミングで回転軸の鉛直下方に位置することを避けることができる。これにより、回転軸の振れ回りによる振動を効果的に低減することができる。これと同様にして、損傷や変形に起因する大きい振幅の振動も効果的に低減することができる。

以上に説明したように、本発明の軸受装置によれば、タービン側軸受の転動体の数がコンプレッサ側軸受の転動体の数よりも多いので、回転軸の振れ回りによる振動を低減することができる。また、一対の転がり軸受において転動体と接触する内輪及び外輪の接触面の同じ箇所に損傷や変形が生じた場合でも、各転がり軸受の振動の合成により生じる大きい振幅の振動を低減することができる。さらに、タービン側軸受の許容荷重を大きく設定しつつコンプレッサ側軸受のコストを抑えることができるので、タービン側から受けるスラスト荷重によって転がり軸受が破損することを抑えることができる。

図１は本発明の一形態に係る軸受装置が適用されたターボ過給機の要部を示した図である。ターボ過給機１は、内燃機関の排気通路に設けられるタービン２と、内燃機関の吸気通路に設けられるコンプレッサ３と、タービン２とコンプレッサ３とを一体回転可能に接続する回転軸４とを備えている。タービン２とコンプレッサ３とは同軸上に配置されている。回転軸４は、その軸線が水平方向に向くように配置されている。回転軸４には、軸受装置５が組み合わされている。軸受装置５には、回転軸４を回転自在に支持する一対の転がり軸受６が設けられている。以下、一対の転がり軸受６のうちタービン２側に位置する転がり軸受６をタービン側軸受６ａと、一対の転がり軸受６のうちコンプレッサ３側に位置する転がり軸受６をコンプレッサ側軸受６ｂと呼ぶ場合がある。

図２は図１のII−II線に沿った断面図、図３は図１のIII−III線に沿った断面図である。これらの図に示すように、転がり軸受６は、回転軸４の外周に嵌め合わされた内輪７と、その内輪７の外側に内輪７と同軸に設けられた外輪８と、内輪７の外周面と外輪８の内周面との両面に接した状態でこれら面を転動する転動体としての複数の玉９とを備えた玉軸受である。外輪８は、不図示の軸受ハウジングに固定されている。玉９はセラミックで形成されている。転がり軸受６の隣り合う玉９同士の間隔は保持器（不図示）によって一定に保たれている。転がり軸受６は、回転軸４に生じるラジアル荷重とスラスト荷重とを負荷できるように構成されている。タービン側軸受６ａの玉数は８個に、コンプレッサ側軸受６ｂの玉数は７個にそれぞれ設定されている。

次に、図２及び図３を参照しながら本形態の軸受装置５の作用について説明する。なお、これらの図では、説明をわかりやすくするために、タービン側軸受６ａの隣り合う任意の玉９にａ１、ａ２の符号を、コンプレッサ側軸受６ｂの隣り合う任意の玉９にｂ１、ｂ２の符号をそれぞれ付して玉９を特定している。本形態のターボ過給機１においては、その運転中に回転軸４の鉛直下方に玉ａ１、ｂ１が位置するときに回転軸４が最も下がり、玉ａ１と玉ａ２との中間及び玉ｂ１と玉ｂ２との中間が回転軸４の鉛直下方に位置するときに回転軸４の下がり量が最も小さくなる。本形態では、タービン側軸受６ａの玉数がコンプレッサ側軸受６ｂの玉数よりも多いので、玉ａ１が玉ｂ１と同じタイミングで回転軸４の鉛直下方に位置しても、玉ａ２が玉ｂ２と同じタイミングで回転軸４の鉛直下方に位置することはない。よって、回転軸４が同じ方向に振れることにより生じる振動を低減することができる。

ところで、ターボ過給機１が衝撃を受けた場合、各転がり軸受６において玉９と接触する内輪７及び外輪８の接触面の同じ位置に傷がつくことがある。また、内輪７や外輪８を製作する加工装置の製作精度の関係で各転がり軸受６において玉９と接触する内輪７及び外輪８の接触面が同じように変形することがある。例えば、玉９と接触する各外輪８の接触面において回転軸４の鉛直下方に損傷を受けた場合、上述したように玉ａ２が玉ｂ２と同じタイミングで損傷箇所を通過することはないので、各転がり軸受６の振動の合成により生じる大きい振幅の振動を低減することができる。

本形態では、タービン側軸受６ａの玉数を８個にコンプレッサ側軸受６ｂの玉数を７個に設定しているので、玉ａ１が玉ｂ１と同じタイミングで回転軸４の鉛直下方に位置した場合でも、タービン側軸受６ａの玉ａ１以外の玉９がコンプレッサ側軸受６ｂの玉ｂ１以外の玉９と同じタイミングで回転軸４の鉛直下方に位置することを避けることができる。よって、回転軸４の振れ回りによる振動を効果的に低減することができる。これと同様にして、損傷や変形に起因する大きい振幅の振動も効果的に低減することができる。

本形態によれば、ターボ過給機１の過給圧が高くなることによりタービン２側から生じるスラスト荷重が大きくなっても、タービン側軸受６ａの玉９の数を多く設定して許容荷重を高めているので、破損することなくそのスラスト荷重を受けることができる。また、コンプレッサ側軸受６ｂの玉数を少なく設定しているのでコストを抑えることができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されず種々の形態で実施することができる。各転がり軸受の玉数は、タービン側軸受の方がコンプレッサ側軸受よりも多ければ任意に設定してよい。例えば、タービン側軸受の玉の数を８個に、コンプレッサ側軸受の玉の数を４個に設定してもよい。この変形例では、タービン側軸受の玉の１つがコンプレッサ側軸受の玉と同じタイミングで回転軸の鉛直下方に位置した場合に、タービン側軸受の残りの玉のうちの３つがコンプレッサ側軸受の玉と同じタイミングで回転軸の鉛直下方に位置する。つまり、各転がり軸受の玉の数をそれぞれ８個に設定した場合に比べて、各転がり軸受の玉が回転軸の鉛直下方に同時に位置する回数が半分に低減される。

上記の実施形態ではタービン側軸受の玉数を８個にコンプレッサ側軸受の玉数を７個に設定しているが、例えば、タービン側軸受の玉数を９個にコンプレッサ側軸受の玉数を８個に設定しても振動を効率的に低減することができる。つまり、各転がり軸受の玉数が１以外の公約数を持たない整数であれば、振動を効率的に低減することができる。上記の実施形態では転がり軸受として玉軸受を用いたが、その代わりに転動体としてのころを備えたころ軸受を用いて本発明を実施することも可能である。

本発明の一形態に係る軸受装置が適用されたターボ過給機の要部を示した図。 図１のII−II線に沿った断面図。 図１のIII−III線に沿った断面図。

符号の説明

１ ターボ過給機
２ タービン
３ コンプレッサ
４ 回転軸
５ 軸受装置
６ 転がり軸受
６ａ タービン側軸受
６ｂ コンプレッサ側軸受
９ 玉（転動体）

Claims (2)

1. コンプレッサとタービンとを接続する回転軸を回転自在に支持するとともに複数の転動体を備えた一対の転がり軸受が設けられたターボ過給機の軸受装置であって、
   前記一対の転がり軸受のうちタービン側に位置するタービン側軸受は、その転動体の数が前記一対の転がり軸受のうち前記コンプレッサ側に位置するコンプレッサ側軸受の転動体の数よりも多くなるように構成されていることを特徴とするターボ過給機の軸受装置。
2. 前記コンプレッサ側軸受の転動体の数と前記タービン側軸受の転動体の数とが、１以外の公約数を持たない整数に設定されている請求項１に記載のターボ過給機の軸受装置。

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