JP2010151293A - 軸受構造及びその軸受構造が適用された内燃機関のターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】ボールベアリングのボールに生じるバンド摩耗を防止し耐久性を向上させた軸受構造及びその軸受構造が適用された内燃機関のターボチャージャを提供する。
【解決手段】軸受構造は、軸線ＡＸを中心に回転する軸７を支持するボールベアリング８ａ、８ｂと、軸線ＡＸ方向に移動可能な状態でボールベアリング８ａ、８ｂを保持するベアリングホルダ９ａ、９ｂと、両ベアリングホルダ９ａ、９ｂを軸線ＡＸ方向の互いに離れる向に付勢するバネ１１と、バネ１１の付勢方向へのベアリングホルダ９ａの移動を制限するリテーナ２２と、ベアリングホルダ９ａに対してバネ１１の付勢方向とは逆方向に負荷をかける予圧制御用オイル通路１３と、を備え、予圧制御用オイル通路１３がベアリングホルダ９ａにかける負荷の大きさを変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、スプリング予圧式の軸受構造及びその軸受構造が適用された内燃機関のターボチャージャに関する。

高速回転する軸を支持する２つのボールベアリングの間にバネを設け、このバネによって一定のスラスト荷重を両ボールベアリングに与えるスプリング予圧式の軸受装置が知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

実開昭６２−５４３２３号公報 特開平５−１２５９５２号公報 特開２０００−１３０１７７号公報

スプリング予圧式ボールベアリングでは、スプリングにより一定のスラスト荷重がかけられることによってボールベアリングの隙間がなくなり安定した回転性能が得られる。しかし、常に一定のスラスト荷重がかかるためボールベアリングのボールと軌道輪との接触部が変化しない。このため、ボールにはバンド摩耗が発生し、この摩耗により耐久性が損われる欠点がある。これに対して、スプリングを使用しないボールベアリングでは、ボールベアリングに一定の隙間が残るので、ボールベアリングのボールと軌道輪との接触部は状況により変化する。このため、ボールにはバンド摩耗が生じない。また、軸の回転数が高回転の状態では機械固有のスラスト力によりボールベアリングの一定の隙間がなくなるため比較的安定した回転性能が得られる。しかし、軸の回転数が低回転の状態ではボールベアリングに一定の隙間が残っているので、振動やノイズが発生する場合がある。特許文献１のスプリング予圧式の軸受装置では、常に一定のスラスト荷重がボールベアリングにかかっており、ボールと軌道輪との接触部を変化させることができない。このため、例えばターボチャージャのように低回転から高回転まで広い範囲で使用される環境下ではバンド摩耗の発生を十分に抑えることが難しい。

そこで、本発明は、ボールベアリングのボールに生じるバンド摩耗を防止し耐久性を向上させた軸受構造及びその軸受構造が適用された内燃機関のターボチャージャを提供することを目的とする。

本発明の軸受構造は、軸線を中心に回転する回転部材を支持するボールベアリングと、前記軸線方向に移動可能な状態で前記ボールベアリングを保持する保持部材と、前記保持部材を前記軸線方向の一方向に付勢する弾性部材と、前記弾性部材の付勢方向への前記保持部材の移動を制限する制限部材と、前記保持部材に対して前記弾性部材の付勢方向とは逆方向に負荷をかける負荷手段と、前記負荷手段が前記保持部材にかける負荷の大きさを変化させる負荷変化手段と、を備えている（請求項１）。

この軸受構造によれば、保持部材に対して弾性部材の付勢方向とは逆方向に負荷がかけられ、その負荷の大きさを変化させることができる。このため、必要に応じてボールベアリングにかかる予圧を弱めることができる。従って、例えば、回転体の回転数が低回転の場合には弾性体の予圧により安定した回転性能を得るとともに、必要以上にボールベアリングに負荷がかかる場合には予圧による負荷を弱めることができる。また、ボールベアリングのボールにかかる予圧を解除してボールと軌道輪との接触位置を変化させることもできる。このため、安定した回転性能を維持しつつ、ボールに生じるバンド摩耗を防止し耐久性を向上させることができる。

この態様において、負荷手段は弾性部材の付勢方向とは逆方向に負荷をかけることができれば、どのような負荷をかけてもよい。例えば、前記負荷手段は、前記保持部材にかける負荷として油圧を前記保持部材に作用させてもよい（請求項２）。

本発明の内燃機関のターボチャージャは、上述した軸受構造が適用された内燃機関のターボチャージャであって、前記回転部材の一端にタービンホイールが、前記回転部材の他端にコンプレッサホイールがそれぞれ接続されるとともに、前記タービンホイールが前記内燃機関の排気通路に、前記コンプレッサホイールが前記内燃機関の吸気通路にそれぞれ設けられている（請求項３）。ターボチャージャは低回転から高回転まで広い範囲で使用される。このため、常にボールベアリングに予圧がかかっているとボールにバンド摩耗が生じ耐久性が損なわれる場合がある。この内燃機関のターボチャージャによれば、上述の軸受構造が適用されているので、安定した回転性能を維持しつつ、必要に応じてボールベアリングにかかる予圧を解除することができる。これにより、ボールベアリングの耐久性を向上させることができるので、ターボチャージャ全体の耐久性を向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、保持部材に対して弾性部材の付勢方向とは逆方向に負荷がかけられ、その負荷の大きさを変化させることができる。このため、必要に応じてボールベアリングにかかる予圧を弱めることができる。これにより、安定した回転性能を維持しつつ、必要に応じてボールベアリングのボールにかかる予圧を解除してボールと軌道輪との接触位置を変化させることもできるので、ボールに生じるバンド摩耗を防止し耐久性を向上させることができる。

図１は本発明の一形態に係る軸受構造が適用されたターボチャージャ１の断面図を模式的に示した図である。ターボチャージャ１は内燃機関に適用されている。ターボチャージャ１は、内燃機関の排気通路に設けられたタービンホイール３と、内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサホイール５と、を備えている。タービンホイール３とコンプレッサホイール５とは回転体としての軸７によって接続されている。タービンホイール３は排気によって駆動され、このタービンホイール３と同軸的に接続されたコンプレッサホイール５はタービンホイール３の回転によって駆動される。

軸７は２つのボールベアリング８ａ、８ｂによって軸７の軸線ＡＸを中心として回転自在に支持されている。コンプレッサホイール５側のボールベアリング８ａはベアリングホルダ９ａに保持された状態で、タービンホイール３側のボールベアリング８ｂはベアリングホルダ９ｂに保持された状態で、軸線ＡＸ方向に互いに間隔をあけてベアリングハウジング１０に挿入されている。ベアリングホルダ９ａ、９ｂと、ボールベアリング８ａ、８ｂとは、これらボールベアリング９ａ、９ｂ間の間隔分だけ軸線ＡＸ方向に移動可能に構成されている。保持部材としてのベアリングホルダ９ａ、９ｂ間には弾性部材としてのバネ１１が装着されている。ベアリングホルダ９ａ、９ｂはバネ１１によって互いに離れる方向に付勢されている。ベアリングホルダ９ａ、９ｂ及びベアリングハウジング１０には不図示の回り止めが設けられている。この回り止めによって軸７の回転による回転方向への移動が抑制される。

図２はベアリングハウジング１０の要部を拡大して模式的に示した図である。ベアリングハウジング１０にはオイルを循環させるためのオイル循環通路１２と、この通路１２から分岐した予圧制御用オイル通路１３とが設けられている。オイル循環通路１２の予圧制御用オイル通路１３が分岐した位置より上流にはオイルポンプ１４が設けられている。このオイルポンプ１４は内燃機関が出力する動力を利用して機械的に駆動され、オイル循環通路１２内のオイルを循環させている。

ボールベアリング８ａ、８ｂは、外輪１５ａ、１５ｂと内輪１６ａ、１６ｂとの間にボール１７ａ、１７ｂが介在されたアンギュラ型のボールベアリングとして構成されている。ボールベアリング８ａ、８ｂにはベアリングホルダ９ａ、９ｂを介してバネ１１による予圧が与えられているため、ボール１７ａは外内輪１５ａ、１６ａに、ボール１７ｂは外内輪１５ｂ、１６ｂに接触している。

ベアリングホルダ９ａ、９ｂにはボールベアリング８ａ、８ｂまで延びるオイル潤滑路１９が設けられている。このオイル潤滑路１９はオイル循環通路１２に接続されている。このため、オイル循環通路１２を流れるオイルはオイル潤滑路１９によりボールベアリング８ａ、８ｂまで流れ、ボールベアリング８ａ、８ｂを潤滑する。

また、ベアリングホルダ９ａ、９ｂの外周中央部には外周オイル通路２０が設けられている。ベアリングホルダ９ａ、９ｂはベアリングハウジング１０に隙間をあけて挿入されており、このベアリングホルダ９ａ、９ｂとベアリングハウジング１０との間の隙間は外周オイル通路２０と接続されている。外周オイル通路２０はオイル潤滑路１９と接続されている。このため、オイル循環通路１２からオイル潤滑路１９に流れたオイルが外周オイル通路２０を経てベアリングホルダ９ａ、９ｂとベアリングハウジング１０との間の隙間に供給され、このオイルによってベアリングホルダ９ａ、９ｂとベアリングハウジング１０との間に油膜ダンパが形成される。

ベアリングホルダ９ｂのタービンホイール３側への移動はベアリングハウジング１０により制限されている。一方、ベアリングハウジング１０のコンプレッサホイール５側の側面には制限部材としてのリテーナ２２が設けられており、コンプレッサホイール５側のベアリングホルダ９ａはリテーナ２２とベアリングホルダ９ａとの間に介在するスライダ２３を介してリテーナ２２によりコンプレッサホイール５側への移動が制限されている。スライダ２３とベアリングハウジング１０との間には軸線ＡＸ方向に所定の隙間２４が設けられており、スライダ２３は軸線ＡＸに沿ってタービンホイール３側にこの所定の隙間２４分だけ移動可能に構成されている。

また、リテーナ２２とスライダ２３との間には微小隙間によりシールされた円環状の空間２５が設けられている。この空間２５は予圧制御用オイル通路１３に接続されており、予圧制御用オイル通路１３から空間２５にオイルが供給される。

予圧制御用オイル通路１３にはこの通路１３を開通する位置と閉鎖する位置との間で動作するソレノイドバルブ２７が設けられている。ソレノイドバルブ２７の動作は、内燃機関の運転状態を適正に制御するためのコンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０によって制御される。ＥＣＵ３０は、例えば軸７に設けられた不図示のセンサから回転数や振動に関する情報を取得し、これらの情報から軸７が高速回転している状態や軸７が共振する領域をさけてソレノイドバルブ２７を開通側に動作させる。予圧制御用オイル通路１３が開通されると空間２５にオイルが流れる。空間２５はシールされており、リテーナ２２はベアリングハウジング１０に固定されているので、空間２５内にはタービンホイール３方向に作用する油圧が発生する。この油圧がスライダ２３をタービンホイール３方向に移動させ、スライダ２３介してベアリングホルダ９ａを軸線ＡＸに沿ってタービンホイール３の方向に移動させる。ベアリングホルダ９ａがタービンホイール３の方向に所定の隙間２４分移動するとバネ１１の付勢によってベアリングホルダ９ａを介してボールベアリング８ａに与えられる負荷が解除される。

この形態によれば、コンプレッサホイール５側のベアリングホルダ９ａには予圧制御用オイル通路１３の開通により軸線ＡＸに沿ってタービンホイール３方向に作用する油圧がかけられる。また、この油圧の大きさはソレノイドバルブ１７の開度に応じて変化させることができる。これにより、ベアリングホルダ９ａを介してバネ１１の付勢がボールベアリング８ａに与える負荷を弱める油圧を作用させることができる。このため、低回転の場合には、バネ１１の予圧により安定した回転性能を得るとともに、必要に応じてボールベアリング８ａにかかる負荷を解除することができる。ボールベアリング８ａにおけるボール１７ａと外内輪１５ａ、１６ａとの接触を解除することができるので、ボール１７ａと外内輪１５ａ、１６ａとの接触位置を変化させることができる。これにより、ボール１７ａと外内輪１５ａ、１６ａとの接触位置が一定の場合と比べてボールに生じるバンド摩耗を防止し耐久性を向上させることができる。オイルポンプ１４と、予圧制御用オイル通路１３と、空間２５と、スライダ２３とが連携することにより、これらの組み合わせが本発明に係る負荷手段として機能し、ソレノイドバルブ２７と、ＥＣＵ３０とが連携することにより、これらの組み合わせが本発明に係る負荷変化手段として機能する。

但し、本発明は上述の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上記形態では軸受構造が内燃機関のターボチャージャに適用されているが、例えば、内燃機関の出力軸によって駆動される機械式の過給機に適用してもよい。また、負荷手段として油圧を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば気圧により負荷をかける構成であってもよい。

本発明の一形態に係る軸受構造が適用されたターボチャージャの断面図を模式的に示した図。 ベアリングハウジングの要部を拡大して模式的に示した図。

符号の説明

１ ターボチャージャ
１０ 軸
８ａ、８ｂ ボールベアリング
９ａ、９ｂ ベアリングホルダ（保持部材）
１１ バネ（弾性部材）
１３ 予圧制御用オイル通路
１４ オイルポンプ
２２ リテーナ（制限部材）
２３ スライダ
２５ 空間
２７ ソレノイドバルブ
３０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 軸線を中心に回転する回転部材を支持するボールベアリングと、前記軸線方向に移動可能な状態で前記ボールベアリングを保持する保持部材と、前記保持部材を前記軸線方向の一方向に付勢する弾性部材と、前記弾性部材の付勢方向への前記保持部材の移動を制限する制限部材と、前記保持部材に対して前記弾性部材の付勢方向とは逆方向に負荷をかける負荷手段と、前記負荷手段が前記保持部材にかける負荷の大きさを変化させる負荷変化手段と、を備える軸受構造。
2. 前記負荷手段は、前記保持部材にかける負荷として油圧を前記保持部材に作用させる請求項１に記載の軸受構造。
3. 請求項１又は２に記載の軸受構造が適用された内燃機関のターボチャージャであって、前記回転部材の一端にタービンホイールが、前記回転部材の他端にコンプレッサホイールがそれぞれ接続されるとともに、前記タービンホイールが前記内燃機関の排気通路に、前記コンプレッサホイールが前記内燃機関の吸気通路にそれぞれ設けられた内燃機関のターボチャージャ。

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