JP2012092916A

JP2012092916A - ターボチャージャ用複列玉軸受ユニット

Info

Publication number: JP2012092916A
Application number: JP2010241626A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Yano; 修一矢野; Toshihiro Maki; 俊宏牧
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】安価で、しかも低温時から高温時まで安定した性能を発揮させる為のチューニングを容易にできる構造を実現する。
【解決手段】外輪８の内周面に設けた複列の外輪軌道１２ａ、１２ｂと、１対の内輪９ａ、９ｂの外周面に設けた複列の内輪軌道１３ａ、１３ｂとの間に、両列毎に複数個ずつの玉１０、１０を設ける。これら各玉１０、１０を、ジルコニアを主成分とするセラミック製とする。窒化珪素系のセラミックに比べて安価で、且つ、高炭素クロム軸受鋼等の鉄系の合金との線膨張係数の差が小さいジルコニアを使用する事で、低温時から高温時まで安定した性能を発揮させる為のチューニングを容易に行える。又、前記各玉１０、１０の転動面と潤滑油との馴染み性を良好にして、低トルク化を図れる。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンの過給器として利用するターボチャージャを構成するインペラとタービンとを両端部に設けた回転軸を、ハウジングに対し回転自在に支持する為に利用する、複列玉軸受ユニットの改良に関する。具体的には、優れた応答性（レスポンス）及び耐久性を有するターボチャージャを、低コストで実現すべく発明したものである。

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十数万min^-1の速度で回転し、前記給気通路内の空気を圧縮してからエンジンに送り込む。従って、前記回転軸をハウジングに回転自在に支持する為の軸受ユニットは、耐高温性に加えて、大きな耐高速性能を要求される。又、アクセルペダルの踏み込みに伴う排気量の増大に応じ、直ちに前記回転軸の回転速度を上昇させる為に、この回転軸と共に回転する部分の慣性質量を低減すると共に、前記軸受ユニットの回転抵抗（動トルク）を低減する事が、従来から考えられている。例えば、前記慣性質量を低減する為に、前記タービンとして、耐熱鋼に比べて軽量な、セラミック製のものを使用する事が行われている。又、前記軸受ユニットとして、滑り軸受に比べて動トルクが小さく、且つ、必要なモーメント剛性を確保できる、複列玉軸受ユニットを使用する事が行われている。

この様な、ターボチャージャ用複列玉軸受ユニットを記載した刊行物として、例えば特許文献１〜７がある。図１は、これら各特許文献１〜７に記載された構造とは異なるが、本発明を実施可能な複列玉軸受ユニット１を組み込んだターボチャージャの１例を、図２は、この複列玉軸受ユニット１を、それぞれ示している。このターボチャージャは、排気流路２を流通する排気により、回転軸３の一端（図１の右端）に固定したタービン４を回転させる。この回転軸３の回転は、この回転軸３の他端（図１の左端）に固定したインペラ５に伝わり、このインペラ５が給気流路６内で回転する。この結果、この給気流路６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。

上述の様な回転軸３をハウジング７内に回転自在に支持する為の、前記複列玉軸受ユニット１は、それぞれが円筒状で互いに同心に配置された一体型の外輪８と、１対の内輪９ａ、９ｂと、複数個の玉１０、１０と、１対の保持器１１、１１とから成る。このうちの外輪８は、両端部内周面に複列の外輪軌道１２ａ、１２ｂを有する。又、前記両内輪９ａ、９ｂは、それぞれの外周面の一部でこれら両外輪軌道１２ａ、１２ｂに対向する部分に、それぞれ内輪軌道１３ａ、１３ｂを有する。又、前記各玉１０、１０は、前記両列の外輪軌道１２ａ、１２ｂと、前記両内輪軌道１３ａ、１３ｂとの間に、前記保持器１１、１１に保持された状態で、両列毎に複数個ずつ、転動自在に設けられている。これら両列に配置された前記各玉１０、１０により構成される１対の玉軸受は、それぞれアンギュラ型玉軸受で所定の方向の接触角を付与している。接触角の方向は、一般的には背面組み合わせ型（ＤＢ型）であるが、特許文献２に記載されている様に、正面組み合わせ型（ＤＦ型）とする場合もある。又、予圧に関しては、従来は付与する場合が多かったが、一部では付与しない（複列玉軸受ユニットの内部に正の隙間を設定する）事が、１０年以上も前から行われている。又、日本国内で公然と実施された以後の出願に係る公開公報である、特許文献３〜５にも記載されている。

尚、前記外輪８の外周面と前記ハウジング７の内周面との間には微小隙間１４を介在させ、この微小隙間１４内に、給油口１５を通じて潤滑油（エンジンオイル）を送り込んでから、この潤滑油を前記複列玉軸受ユニット１の内部空間１６内に供給する様にしている。前記微小隙間１４内に一時滞留した潤滑油は、オイルフィルムダンパを構成して、前記回転軸１の高速回転時にも、前記複列玉軸受ユニット１が振動する事を防止する。尚、前記ハウジング７と前記外輪８との間には回り止め機構を設けて、このハウジング７内でこの外輪８が回転する事を阻止している。

更に、高速回転時に於ける玉１０、１０の公転運動に伴う遠心力を低減して、外輪軌道１２ａ、１２ｂの耐久性向上を図ると共に、動トルクの低減を図るべく、これら各玉１０、１０を軽量化する為に、これら各玉１０、１０をセラミック製とする事も、例えば特許文献６、７に記載されている。これら各玉１０、１０を構成するセラミックの種類に就いて、特許文献６には特に記載されていないが、特許文献７には、βサイアロンが記載されている。又、この特許文献７には、このβサイアロンと比較するセラミックとして、アルミナ、窒化珪素が記載されている。尚、前記各玉１０、１０をセラミック製とする場合でも、前記外輪８及び前記両内輪９ａ、９ｂは、ＳＵＪ２の如き高炭素クロム軸受鋼、或いは高炭素クロム軸受鋼中のＳｉ量を多くし、且つ、表面に浸炭窒化したもの等の、鉄系の硬質金属を使用する。

上述の様に、前記各玉１０、１０をセラミック製とする事により、前記両外輪軌道１２ａ、１２ｂの耐久性向上、動トルクの低減を図れるが、βサイアロンを含めて窒化珪素系のセラミックは、高価である事に加えて、鉄系の合金との線膨張係数の差が大きい。この為、温度変化に伴う内部隙間の変化が大きくなり、低温時から高温時まで安定した性能を発揮させる為のチューニングが難しくなる。又、潤滑油との馴染み性も、必ずしも良好とは言えず、低トルク化を図る面から不利である。

特開平２−７０９２３号公報特開２００７−７１３５６号公報特開２００８−２９８２８４号公報特開２００９−２０３８４５号公報特開２００９−２６４５２６号公報特開２００８−２６７５５５号公報特開２０１０−１９９５号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、安価で、且つ、低温時から高温時まで安定した性能を発揮させる為のチューニングを容易にでき、しかも低トルク化を図り易いターボチャージャ用複列玉軸受ユニットを実現すべく発明したものである。

本発明のターボチャージャ用複列玉軸受ユニットは、内周面に複列の外輪軌道を有する円筒状の外輪と、それぞれの外周面に内輪軌道を有する、ぞれぞれが円筒状である１対の内輪と、これら両外輪軌道とこれら両内輪軌道との間に、両列毎にそれぞれ複数個ずつ、転動自在に設けられた玉とを備える。
特に、本発明のターボチャージャ用複列玉軸受ユニットに於いては、上記各玉がジルコニア（酸化ジルコニウム、ＺｒＯ₂）を主成分とする（５０質量％以上含む）セラミック製である。

上述の様に本発明のターボチャージャ用複列玉軸受ユニットは、複数の玉を構成するセラミックとして、窒化珪素系のセラミックに比べ安価で、且つ、高炭素クロム軸受鋼等の鉄系合金との線膨張係数の差が小さいジルコニアを使用している。この為、低温時から高温時まで安定した性能を発揮させる為のチューニングを容易に行える構造を、低コストで得られる。

しかも、酸化物系のセラミックであるジルコニアは、表面に酸素原子が存在するので、潤滑油との馴染み性が良好となる。即ち、ターボチャージャ用複列玉軸受ユニットの潤滑には、エンジンの可動部を潤滑する為の潤滑油を使用するが、窒化珪素やサイアロン等の窒化物系セラミックの場合、表面に酸素原子が存在しないか、存在しても極く少量に止まる。この為、各玉の転動面と潤滑油との馴染み性が必ずしも良好とは言えず、これら各玉の転動面と、外輪軌道及び内輪軌道との転がり接触部に存在する油膜の性状を、必ずしも良好にできない。

これに対して本発明の場合には、前記ジルコニアを主成分とするセラミック製の各玉の転動面に、十分な量の酸素原子が存在するので、上述の様に、これら各玉の転動面と潤滑油との馴染み性を良好にできる。そして、これら各玉の転動面と外輪軌道及び内輪軌道との転がり接触部に存在する油膜の性状を良好にして、前記各玉の転動を安定して行わせる事ができる。この結果、本発明のターボチャージャ用複列玉軸受ユニットによれば、両端部にタービンとインペラとを固定した回転軸の回転抵抗を低減し、しかも、この回転軸が高速で回転する際の音響性能を良好に（騒音及び振動を低減）できる。

本発明の対象となる複列玉軸受ユニットを組み込んだターボチャージャの１例を示す断面図。同じく複列玉軸受ユニットを取り出した状態で示す断面図。本発明の効果を確認する為の実験に使用した複列玉軸受ユニットの別例を示す断面図。

本発明の特徴は、複列玉軸受ユニット１を構成する玉１０、１０を、ジルコニアを主成分とするセラミック製にする点にある。図面に現れる構造に関しては、従来から知られている各種構造や、先に図１〜２により説明した構造と同様であるから、重複する説明は省略する。尚、本発明を実施する場合、図１〜２に示した様に、外輪８ｂを一体とし、内輪９ａ、９ｂを２分割式としても、或は、後述する図３に示す様に、外輪８ａ、８ａ及び内輪９ｃ、９ｃを何れも別体としても良い。本発明を実施する場合に好ましくは、前記各玉１０、１０に予圧を付与しない。即ち、前記複列玉軸受ユニット１に、正の内部隙間を設ける。

従って、図１〜２に示す様に、前記各玉１０、１０にＤＢ型の接触角を付与している構造では、排気流路２側の圧力が高く、回転軸３に、タービン４側からインペラ５側に向かうスラスト荷重が加わる場合には、このタービン４側の列の玉１０、１０のみが、このスラスト荷重を支承しつつ、外輪軌道１２ｂ及び内輪軌道１３ｂと転がり接触する。これに対して、給気流路６側の圧力が高く、前記回転軸３に、前記インペラ５側から前記タービン４側に向かうスラスト荷重が加わる場合には、このインペラ５側の列の玉１０、１０のみが、このスラスト荷重を支承しつつ、別の外輪軌道１２ａ及び別の内輪軌道１３ａと転がり接触する。この様に、前記複列玉軸受ユニット１に正の内部隙間を設定している為、前記各玉１０、１０の転動面や、両外輪軌道１２ａ、１２ｂ及び両内輪軌道１３ａ、１３ｂの表面に擦り傷等の損傷を生じさせる事なく、これら各軌道１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ同士の間に前記各玉１０、１０を組み込める。

本例の場合には、前記各玉１０、１０を、何れもジルコニア製としている。ジルコニアは、従来からターボチャージャ用複列玉軸受ユニットを構成する玉として一般的に使用されていた窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）に比べて安価で、且つ、ＳＵＪ２の如き、前記外輪８及び前記内輪９ａ、９ｂを造る為、一般的に使用されている高炭素クロム軸受鋼等の鉄系の合金との線膨張係数の差が小さい。ターボチャージャを構成する回転軸３を回転自在に支持する前記複列玉軸受ユニット１は、水冷ジャケット１７を備えたハウジング７内に設置され、更に給油口１５から送り込まれる潤滑油により冷却されるとは言え、冬季、夏季、エンジンの運転開始直後、運転開始してから時間経過した後等の条件を考慮すれば、温度変化の範囲は１００℃を大きく超える場合がある。一方、本例の場合には、前記複列玉軸受ユニット１に正の内部隙間を設けるとしているが、この内部隙間の値は、飽くまでも適正範囲に収める必要がある。即ち、この内部隙間の値が大き過ぎると、アクセルのＯＮ・ＯＦＦに伴う、前記回転軸３に加わるスラスト荷重の作用方向の変化により、この回転軸３が、振動等の好ましくない挙動を示す可能性がある。

セラミックの線膨張係数は、鉄系合金の線膨張係数（例えば、ＳＵＳ３０４の場合で、１８．０×１０^-6／℃程度）よりも小さいので、前記内部隙間の値は、温度上昇に伴って大きくなる。従って、低温時にも正の内部隙間を確保し、且つ、温度上昇時にもこの内部隙間の値が過大にならない様にする為には、前記各玉１０、１０を構成する材料の線膨張係数と、前記外輪８及び前記内輪９ａ、９ｂを構成する鉄系合金の線膨張係数との間に、大きな差がない様にする必要がある。本例の場合に前記各玉１０、１０を構成するジルコニアの線膨張係数（１０．５×１０^-6／℃程度）は、従来からターボチャージャ用複列玉軸受ユニットを構成する各玉を構成するセラミックとして使用されていた窒化珪素の線膨張係数（２．６×１０^-6／℃程度）に比べて大幅に大きく、前記鉄系合金の線膨張係数に近い。この為、温度変化に伴う内部隙間の変化量を少なく抑えて、低温時にも正の内部隙間を確保し、且つ、温度上昇時にもこの内部隙間の値が過大にならない様にできる。そして、低温時から高温時まで安定した性能を発揮させる為のチューニングを容易に行える。しかも、ジルコニアは窒化珪素に比べて安価な材料である為、このチューニングを容易にできる構造を、低コストで得られる。

しかも、分子式「ＺｒＯ₂」で表される、酸化物系のセラミックであるジルコニアは、分子式「Ｓｉ₃Ｎ₄」で表される窒化珪素とは異なり、表面に酸素原子「Ｏ」が存在するので、潤滑油との馴染み性が良好となる。即ち、ターボチャージャ用複列玉軸受ユニットの潤滑には、シリンダの内周面とピストンの外周面との摺動部を初めとする、エンジンの可動部を潤滑する為の潤滑油を使用する。窒化珪素の場合、前記分子式から明らかな通り、それ自体には酸素原子が含まれない。Ｙ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ等の焼結助剤中には酸素分子が含まれるが、これらに含まれる酸素原子の量は（焼結助剤の含有量が少ない為）元々少量であるし、焼結後には窒化珪素粉末の粒界中に存在するガラス相中に残存するのみとなる。この為、各玉の転動面と潤滑油との馴染み性が必ずしも良好とは言えず、これら各玉の転動面と、外輪軌道及び内輪軌道との転がり接触部に存在する油膜の性状を、必ずしも良好にできない。

これに対して本例の場合には、前記各玉１０、１０として、酸化物であるジルコニア製のものを使用している。上記分子式から明らかな通り、ジルコニア自体の分子中に酸素原子が多く含まれる。この為、前記各玉１０、１０の転動面と、前記両外輪軌道１２ａ、１２ｂ及び前記両内輪軌道１３ａ、１３ｂとの転がり接触部に存在する油膜の性状を良好にして、前記各玉１０、１０の転動を安定して行わせる事ができる。この結果、本例の複列玉軸受ユニット１によれば、両端部にタービン４とインペラ５とを固定した前記回転軸３の回転抵抗を低減し、しかも、この回転軸３が高速で回転する際の音響性能を良好に（騒音を低減）できる。

本発明の効果を確認する為に行った実験に就いて説明する。この実験では、複列玉軸受ユニットの構造と、この複列玉軸受ユニットに組み込む各玉の材質とが、当該複列玉軸受ユニットの回転抵抗（動トルク）と音響特性とに及ぼす影響を判定した。この実験には、前述の図１〜２に示した構造を有する複列玉軸受ユニット１と、図３に示した構造を有する複列玉軸受ユニット１ａとの２種類のものを使用した。このうちの図３に示した構造は、前述の特許文献３に記載されたものである。それぞれの構造の特徴は、図１〜２に示した構造に関しては前述の通り、外輪８を一体とし、内輪９ａ、９ｂを２分割式とした点にあり、図３に示した構造に関しては、外輪８ａ、８ａ及び内輪９ｃ、９ｃを何れも別体とした点にある。何れの複列玉軸受ユニット１、１ａに就いても、内部に正の隙間を設定している。又、それぞれの複列玉軸受ユニット１、１ａで、玉１０、１０がＳＵＪ２製のものと、窒化珪素製のものと、ジルコニア製のものとの３種類ずつ、合計６種類の試料を用意した。前記各玉１０、１０の外径、ピッチ円直径、軸方向ピッチ、接触角等、複列玉軸受ユニット１、１ａとしての基本的諸元、試験時の環境温度、潤滑条件、回転部分の慣性質量等は、総ての試料で同じとした。

上述した様な６種類の複列玉軸受ユニット１、１ａに関して、外輪８、８ａを固定すると共に、内輪９ａ、９ｂ、９ｃに内嵌固定した回転軸３の端部にタービン４（図１参照）を固定した状態で、このタービン４に圧縮空気を吹き付け、前記回転軸３を１５万min^-1にまで加速した。そして、この回転軸３が１５万min^-1で定速回転する状態での音響の大小を聴覚により判定して、前記６種類の複列玉軸受ユニット１、１ａに就いて、音響性能（振動特性も同じ）に関する順位付けした。その結果を、次の表１に示す。この表１中、「１」が最も音響性能が良好な試料を、「６」が最も音響性能が悪い試料を、それぞれ表している。

上述の様な実験の結果を記載した表１から明らかな通り、音響性能に関しては、一体型の外輪８を使用すると共に、２分割型の内輪９ａ、９ｂを使用した図１〜２の構造が、外輪ケース１８、内輪間座１９等を含めて部品点数が多い、図３の構造よりも優れている。又、構造が同じである場合、玉１０、１０がジルコニアの場合に最も優れた音響特性を得られ、次いで窒化珪素とした場合の音響特性が良好で、ＳＵＪ２とした場合の音響特性が最も悪かった。

そして、上述の様な順位付けの後、前記回転軸３を駆動装置から分離して惰性で回転させ、この回転軸３が停止するまでの時間の長短に関する順位付けを行った。その結果を、次の表２に示す。この表２中に記載した「１」〜「６」までの数字の意味は、上述した表１の場合と同様で、「１」が、停止するまでの時間が最も長かった試料を示している。尚、前記回転軸３が停止するまでの時間が長い程、当該複列玉軸受ユニットの動トルクが小さい事を表している。

上述の様な実験の結果を記載した表２から明らかな通り、動トルクに関しては、複列玉軸受ユニット１、１ａの構造の相違よりも、玉１０、１０の材質の影響が支配的であり、玉１０、１０がジルコニアの場合に動トルクが最も低く、次いで窒化珪素とした場合の動トルクが低く、ＳＵＪ２とした場合に最も動トルクが高かった。又、前記各玉１０、１０の材質が同じである場合には、図２の構造の動トルクが、図３の構造の動トルクよりも低かった。

以上の説明から明らかな通り、ターボチャージャ用の複列玉軸受ユニットを構成する為の玉を構成する為のセラミックとしては、ジルコニアが最も好ましい。但し、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、チタニア（ＴｉＯ₂）等、他の金属酸化物の粉末を、単独又は混合したもの、これらとジルコニアの粉末とを混合したものを焼結して成る酸化物系セラミックに関しても、ジルコニア製の玉を使用した場合に近い効果を得られる。例えば、ジルコニア−アルミナ−イットリアの粉末を混合した酸化物系セラミックは、ジルコニア単独の場合と同様の効果を得られる。この場合に好ましい混合割合としては、１〜５モル％（より好ましくは２〜４モル％）のイットリアを含有するジルコニア５０〜９５質量％と、５〜５０質量％（より好ましくは１０〜３０質量％、更に好ましくは１５〜２５質量％）のアルミナとを混合したものが好ましい。

又、外輪及び内輪に関しては、複列玉軸受ユニットの製造コストを抑える為、ＳＵＪ２の如き高炭素クロム軸受鋼、ＳＵＳ３０４の如きステンレス鋼、１３Ｃｒステンレス鋼等の鉄系の硬質金属を使用する。又、外輪内周面の外輪軌道及び内輪外周面の内輪軌道の表面、好ましくは外輪及び内輪の表面全体に浸炭窒化処理等の表面硬化処理を施せば、前記外輪軌道及び前記内輪軌道の耐摩耗性を向上させる事ができる。
更に、前記各玉を転動自在に保持する為の保持器に関しては、真鍮の如き銅系合金等の金属製としても良いが、複列玉軸受ユニット全体としての軽量化や前記各玉との衝突音を低減する為に、ポリイミド、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド等の合成樹脂製とする事もできる。合成樹脂製とする場合に好ましくは、ガラス繊維、炭素繊維、セラミックウィスカ等の繊維状補強材を混入する。

１、１ａ複列玉軸受ユニット
２排気流路
３回転軸
４タービン
５インペラ
６給気流路
７ハウジング
８、８ａ外輪
９ａ、９ｂ、９ｃ内輪
１０玉
１１保持器
１２ａ、１２ｂ外輪軌道
１３ａ、１３ｂ内輪軌道
１４微小隙間
１５給油口
１６内部空間
１７水冷ジャケット
１８外輪ケース
１９内輪間座

Claims

内周面に複列の外輪軌道を有する円筒状の外輪と、それぞれの外周面でこれら両外輪軌道に対向する部分に内輪軌道を有する、それぞれが円筒状である１対の内輪と、これら両内輪軌道と前記両外輪軌道との間に、両列毎にそれぞれ複数個ずつ、転動自在に設けられた玉とを備えたターボチャージャ用複列玉軸受ユニットに於いて、これら各玉がジルコニアを主成分とするセラミック製である事を特徴とするターボチャージャ用複列玉軸受ユニット。