JP2012092934A - ターボチャージャ用玉軸受ユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】低温から高温まで安定した回転を得ることが出来る、長寿命で、コストを抑えたターボチャージャ用回転支持装置を実現する。
【解決手段】排気流路に近く、この排気流路を流通する排気の熱により温度上昇しやすい構成部品のみ比較的高価な高い耐熱性を持つ材料を使用し、比較的低温の空気が流通する給気流路に近い構成部品には、比較的安価な従来の材料を使用することにより、低温から高温まで安定した回転を得ることが出来る、コストを抑えた玉軸受ユニットを提供することが出来る。
【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ために利用する玉軸受ユニットの改良に関する。
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は十数万min-1の速度で回転し、上記給気通路を通じてエンジンに送り込まれる空気を圧縮する。
図４〜５は、この様なターボチャージャの一例として、特許文献１に記載されたものを示している。なお、図５は、図４のＡ部拡大図である。このターボチャージャは、排気流路１を流通する排気により、回転軸２の一端に固定したタービン３を回転させる。この回転軸２の回転は、この回転軸２の他端に固定したインペラ４に伝わり、このインペラ４が給気流路５内で回転する。この結果、この給気流路５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。この様なターボチャージャの回転軸２は、数万〜十数万min-1もの高速で回転し、しかも、エンジンの運転状況に応じてその回転速度が頻繁に変化する。従って、上記回転軸２は、ハウジング６に対し、小さな回転抵抗で支持する必要がある。
この為に従来から、ハウジング６に対し、回転軸２を回転自在に支持するための玉軸受ユニット７が用いられている。図４〜５に示す玉軸受ユニット７は、単一円筒からなる軸受ハウジング８の内側に上記回転軸２をタービン３側に設けられる第一の玉軸受９とインペラ４側に設けられる第二の玉軸受１０により、回転自在に支持している。これら第一の玉軸受９、第二の玉軸受１０は、それぞれアンギュラ型玉軸受であり、便宜上、名称、符号を変えているが、同じ構成の玉軸受である。そして、上記第一の玉軸受９を構成する外輪１１と、第二の玉軸受１０を構成する外輪１１との間に圧縮コイルばね１５を配置して、これら両外輪１１、１１に、互いに離れる方向の弾力を付与している。この構成により上記第一の玉軸受を構成する複数の転動体である玉１３、および、第二の玉軸受を構成する複数の転動体である玉１３に、所謂定圧予圧により予圧を付与すると共に、背面組み合わせ型（ＤＢ型）の接触角を付与している。
特開２００５−００３１８７号公報
ところで、上述の様に上記第一の玉軸受９と第二の玉軸受１０は同じ構成の玉軸受であるが、これら両玉軸受９、１０の使用環境は互いに異なる。具体的には、タービン３側に設けられる第一の玉軸受９の使用環境が、インペラ４側に設けられる第二の玉軸受１０の使用環境よりも厳しくなる。この理由は、排気流路１に近く、この排気流路１を流通する排気の熱により温度上昇する第一の玉軸受９の運転温度が、比較的低温の空気が流通する給気流路５に近い部分に設けられる第二の玉軸受１０の運転温度よりも高くなるためである。そのため、同じ構成の玉軸受であっても、第一の玉軸受９のほうが、第二の玉軸受１０よりも寿命が短いという問題が有った。
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、使用環境に見合った材料を各構成要素に用いることにより、低温から高温まで安定した回転を得ることが出来る、長寿命で、コストを抑えたターボチャージャ用回転支持装置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玉軸受ユニットの第1の態様は、単一円筒からなりタービン側の第一の軌道面とインペラ側の第二の軌道面を両端近傍に有する外輪と、前記第一の軌道面に対向する第三の軌道面を有する第一の内輪と、前記第二の軌道面に対向する第四の軌道面を有する第二の内輪と、前記第一の軌道面と前記第三の軌道面との間を転動可能な第一の玉と、前記第二の軌道面と前記第四の軌道面との間を転動可能な第二の玉と、前記第一の玉を周方向に等間隔に保持する第一の保持器と、前記第二の玉を周方向に等間隔に保持する第二の保持器と、を備え、前記第一の内輪は、前記第二の内輪よりも耐熱性の高い材料で作られており、前記第一の玉は、前記第二の玉よりも耐熱性の高い材料で作られており、前記第一の保持器は、前記第二の保持器よりも耐熱性の高い材料で作られている。
また、本発明のターボチャージャ用玉軸受ユニットの第２の態様は、タービン側の第一の玉軸受と、インペラ側の第二の玉軸受と、単一円筒からなり前記第一の玉軸受と前記第二の玉軸受を両端近傍に嵌合固定する軸受ハウジングと、前記第一の玉軸受を構成する外輪と前記第二の玉軸受を構成する外輪とに弾力を付与する圧縮コイルばねと、を備え、前記第一の玉軸受の構成部品は、前記第二の玉軸受の構成部品よりも高い耐熱性を持つ材料で作られている。
また、本発明のターボチャージャ用玉軸受ユニットの第３の態様は、タービン側の第一の玉軸受と、インペラ側の第二の玉軸受と、単一円筒からなり前記第一の玉軸受と前記第二の玉軸受を両端近傍に嵌合固定する軸受ハウジングと、前記第一の玉軸受を構成する内輪と前記第二の玉軸受を構成する内輪とに当接することにより内輪間距離を規制する間座と、を備え、前記第一の玉軸受の構成部品は、前記第二の玉軸受の構成部品よりも高い耐熱性を持つ材料で作られている。
上記構成により、排気流路に近く、この排気流路を流通する排気の熱により温度上昇しやすい構成部品のみ比較的高価な高い耐熱性を持つ材料を使用し、比較的低温の空気が流通する給気流路に近い構成部品には、比較的安価な従来の材料を使用することにより、低温から高温まで安定した回転を得ることが出来る、長寿命で、コストを抑えた玉軸受ユニットを提供することが出来る。
本発明の第１の実施の形態を示す、玉軸受ユニットの断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す、玉軸受ユニットの断面図である。 本発明の第３の実施の形態を示す、玉軸受ユニットの断面図である。 従来構造の１例を示す、玉軸受ユニットを備えたターボチャージャの断面図である。 図４のＡ部拡大図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態を示している。尚、本発明の特徴は、両端部にタービン３とインペラ４（図４参照）とを支持固定した回転軸２をハウジング６の内側に回転自在に支持する為の玉軸受ユニットの構造にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図４〜５に示した従来構造と同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は、省略若しくは簡略にし、以下、本発明の特徴部分を中心に説明する。
第１の実施の形態の玉軸受ユニット１６は、タービン３側に設けられる第一の玉軸受１７と、インペラ４側に設けられる第二の玉軸受１０と、単一円筒からなり第一の玉軸受１７と第二の玉軸受１０とを両端近傍に嵌合固定する軸受ハウジング８と、第一の玉軸受１７を構成する外輪１８と第二の玉軸受１０を構成する外輪１１とに弾力を付与する圧縮コイルばね１５とから構成されている。
基本的構造は、図４に示した従来の技術と同じであり、第一の玉軸受１７のみが異なる。第一の玉軸受１７は、耐熱仕様の軸受であり、内輪１９、外輪１８、複数の転動体である玉２０、保持器２１の内、少なくとも何れかひとつ、好ましくは全てが第二の玉軸受１０よりも耐熱性の高い材料で作られている。
耐熱性の高い材料としては、例えば、第一の玉軸受１７の内輪１９、外輪１８の材料は、第二の玉軸受１０の内輪１２、外輪１１の材料であるＳＵＪ２よりも耐熱性の高い材料である耐熱鋼Ｍ５０やＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｃ等の耐熱ステンレス鋼やモリブデン鋼などの耐熱金属などを使用するとよい。第一の玉軸受１７の玉２０の材料は、第二の玉軸受１０の玉１３の材料であるＳＵＪ２よりも耐熱性の高い材料である耐熱鋼Ｍ５０や高速度工具鋼、セラミックなどを使用するとよい。第一の玉軸受１７の保持器２１の材料は、第二の玉軸受１０の保持器１４の材料であるポリアミド樹脂やＰＰＳ材よりも耐熱性の高い材料であるモリブデン鋼に銀メッキや、りん酸マンガン皮膜処理を施したもの、銅合金、ポリイミド樹脂などを使用するとよい。
上記構成により、排気流路１に近く、この排気流路１を流通する排気の熱により温度上昇しやすい第一の玉軸受１７のみ比較的高価な耐熱仕様の軸受を用い、比較的低温の空気が流通する給気流路５に近い部分に設けられる第二の玉軸受１０には、比較的安価な従来の軸受を用いることにより、低温から高温まで安定した回転を得ることが出来る、長寿命で、コストを抑えた玉軸受ユニットを提供することが出来る。
図２は、本発明の第２の実施の形態を示している。第２の実施の形態の玉軸受ユニット２２は、タービン３側に設けられる第一の玉軸受２４と、インペラ４側に設けられる第二の玉軸受２９と、単一円筒からなり第一の玉軸受２４と第二の玉軸受２９とを両端近傍に嵌合固定する軸受ハウジング２３と、第一の玉軸受２４を構成する内輪２６と第二の玉軸受２９を構成する内輪３１とに当接することより内輪間距離を所定の寸法に規制する間座３４とから構成される。
第一の玉軸受２４は、耐熱仕様の軸受であり、内輪２６、外輪２５、複数の転動体である玉２７、保持器２８の内、少なくとも何れかひとつ、好ましくは全てが第二の玉軸受２９よりも耐熱性の高い材料で作られている。
耐熱性の高い材料としては、例えば、第一の玉軸受２４の内輪２６、外輪２５の材料は、第二の玉軸受２９の内輪３１、外輪３０の材料であるＳＵＪ２よりも耐熱性の高い材料である耐熱鋼Ｍ５０やＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｃ等の耐熱ステンレス鋼やモリブデン鋼などの耐熱金属などを使用するとよい。第一の玉軸受２４の玉２７の材料は、第二の玉軸受２７の玉３２の材料であるＳＵＪ２よりも耐熱性の高い材料である耐熱鋼Ｍ５０や高速度工具鋼、セラミックなどを使用するとよい。第一の玉軸受２４の保持器２８の材料は、第二の玉軸受２９の保持器３３の材料であるポリアミド樹脂やＰＰＳ材よりも耐熱性の高い材料であるモリブデン鋼に銀メッキや、りん酸マンガン皮膜処理を施したもの、銅合金、ポリイミド樹脂などを使用するとよい。
上記構成により、排気流路１に近く、この排気流路１を流通する排気の熱により温度上昇しやすい第一の玉軸受２４のみ比較的高価な耐熱仕様の軸受を用い、比較的低温の空気が流通する給気流路５に近い部分に設けられる第二の玉軸受２９には、比較的安価な従来の軸受を用いることにより、低温から高温まで安定した回転を得ることが出来る、長寿命で、コストを抑えた玉軸受ユニットを提供することが出来る。
図３は、本発明の第３の実施の形態を示している。第３の実施の形態の玉軸受ユニット３５は、単一円筒からなりタービン側の第一の軌道面３７とインペラ側の第二の軌道面３８を両端近傍に有する外輪３６と、前記第一の軌道面３７に対向する第三の軌道面４０を有する第一の内輪３９と、前記第二の軌道面３８に対向する第四の軌道面４４を有する第二の内輪４３と、前記第一の軌道面３７と前記第三の軌道面４０との間を転動可能な複数の転動体である第一の玉４１と、第二の軌道面３８と第四の軌道面４４との間を転動可能な複数の転動体である第二の玉４５と、第一の玉４１を周方向に等間隔に保持する第一の保持器４２と、第二の玉４５を周方向に等間隔に保持する第二の保持器４６と、から構成されている。
第一の内輪３９は、第二の内輪４３よりも耐熱性の高い材料で作られており、第一の玉４１は、第二の玉４５よりも耐熱性の高い材料で作られており、第一の保持器４２は、第二の保持器４６よりも耐熱性の高い材料で作られている。外輪３６は、タービン３側にまで延在しているが、排気流路１を流通する排気の熱は、回転軸２を伝達し、第一の内輪３９と第一の玉４１を介して外輪３６に伝わるので、第一の内輪３９ほどの耐熱性を要してはいない。外輪３６の材料を、比較的高価な耐熱性の高い材料とするか、比較的安価なＳＵＪ材のような従来の軸受材料とするかは、仕様温度、コストなどから判断すれば良い。もちろん、内輪、玉、保持器の材料は、上記のように全て異なる材料とする事が好ましいが、コストなどを考慮して、内輪のみ、玉のみ、保持器のみ、あるいは、内輪と玉のみ、内輪と保持器のみ、玉と保持器のみなど、少なくとも何れかひとつの材料が異なれば効果を得ることが出来る。
耐熱性の高い材料としては、例えば、第一の内輪３９の材料は、第二の内輪４３の材料であるＳＵＪ２よりも耐熱性の高い材料である耐熱鋼Ｍ５０やＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｃ等の耐熱ステンレス鋼やモリブデン鋼などの耐熱金属などを使用するとよい。第一の玉４１の材料は、第二の玉４５の材料であるＳＵＪ２よりも耐熱性の高い材料である耐熱鋼Ｍ５０や高速度工具鋼、セラミックなどを使用するとよい。第一の保持器４２の材料は、第二の保持器４６の材料であるポリアミド樹脂やＰＰＳ材よりも耐熱性の高い材料であるモリブデン鋼に銀メッキや、りん酸マンガン皮膜処理を施したもの、銅合金、ポリイミド樹脂などを使用するとよい。
上記構成により、排気流路１に近く、この排気流路１を流通する排気の熱により温度上昇する第一の内輪３９と、第一の玉４１と、第一の保持器４２に比較的高価な耐熱材料を用い、比較的低温の空気が流通する給気流路５に近い部分に設けられる第二の内輪４３と、第二の玉４５と、第二の保持器４６には、比較的安価な従来の材料を用いることにより、低温から高温まで安定した回転を得ることが出来る、長寿命で、コストを抑えた玉軸受ユニットを提供することが出来る。
以上説明したように、本発明によれば、排気流路に近く、この排気流路を流通する排気の熱により温度上昇しやすい構成部品のみ比較的高価な高い耐熱性を持つ材料を使用し、比較的低温の空気が流通する給気流路に近い構成部品には、比較的安価な従来の材料を使用することにより、低温から高温まで安定した回転を得ることが出来る、長寿命で、コストを抑えた玉軸受ユニットを提供することが出来るので、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ために利用する玉軸受ユニットとして好適に使用できる。
１ 排気流路
２ 回転軸
３ タービン
４ インペラ
５ 給気流路
６ ハウジング
７ 玉軸受ユニット
８ 軸受ハウジング
９ 第一の玉軸受
１０ 第二の玉軸受
１１ 外輪
１２ 内輪
１３ 玉
１４ 保持器
１５ 圧縮コイルばね
１６ 玉軸受ユニット
１７ 第一の玉軸受
１８ 外輪
１９ 内輪
２０ 玉
２１ 保持器
２２ 玉軸受ユニット
２３ 軸受ハウジング
２４ 第一の玉軸受
２５ 外輪
２６ 内輪
２７ 玉
２８ 保持器
２９ 第二の玉軸受
３０ 外輪
３１ 内輪
３２ 玉
３３ 保持器
３４ 間座
３５ 玉軸受ユニット
３６ 外輪
３７ 第一の軌道面
３８ 第二の軌道面
３９ 第一の内輪
４０ 第三の軌道面
４１ 第一の玉
４２ 第一の保持器
４３ 第二の内輪
４４ 第四の軌道面
４５ 第二の玉
４６ 第二の保持器

Claims (3)

  1. 両端部にタービンとインペラを支持固定したターボチャージャの回転軸をハウジングの内側に回転自在に支持するターボチャージャ用玉軸受ユニットであって、
    単一円筒からなりタービン側の第一の軌道面とインペラ側の第二の軌道面を両端近傍に有する外輪と、
    前記第一の軌道面に対向する第三の軌道面を有する第一の内輪と、
    前記第二の軌道面に対向する第四の軌道面を有する第二の内輪と、
    前記第一の軌道面と前記第三の軌道面との間を転動可能な第一の玉と、
    前記第二の軌道面と前記第四の軌道面との間を転動可能な第二の玉と、
    前記第一の玉を周方向に等間隔に保持する第一の保持器と、
    前記第二の玉を周方向に等間隔に保持する第二の保持器と、
    を備え、
    前記第一の内輪は、前記第二の内輪よりも耐熱性の高い材料で作られており、
    前記第一の玉は、前記第二の玉よりも耐熱性の高い材料で作られており、
    前記第一の保持器は、前記第二の保持器よりも耐熱性の高い材料で作られている
    ことを特徴とするターボチャージャ用玉軸受ユニット。
  2. 両端部にタービンとインペラを支持固定したターボチャージャの回転軸をハウジングの内側に回転自在に支持するターボチャージャ用玉軸受ユニットであって、
    タービン側の第一の玉軸受と、
    インペラ側の第二の玉軸受と、
    単一円筒からなり前記第一の玉軸受と前記第二の玉軸受を両端近傍に嵌合固定する軸受ハウジングと、
    前記第一の玉軸受を構成する外輪と前記第二の玉軸受を構成する外輪とに弾力を付与する圧縮コイルばねと、
    を備え、
    前記第一の玉軸受の構成部品は、前記第二の玉軸受の構成部品よりも高い耐熱性を持つ材料で作られている
    ことを特徴とするターボチャージャ用玉軸受ユニット。
  3. 両端部にタービンとインペラを支持固定したターボチャージャの回転軸をハウジングの内側に回転自在に支持するターボチャージャ用玉軸受ユニットであって、
    タービン側の第一の玉軸受と、
    インペラ側の第二の玉軸受と、
    単一円筒からなり前記第一の玉軸受と前記第二の玉軸受を両端近傍に嵌合固定する軸受ハウジングと、
    前記第一の玉軸受を構成する内輪と前記第二の玉軸受を構成する内輪とに当接することにより内輪間距離を規制する間座と、
    を備え、
    前記第一の玉軸受の構成部品は、前記第二の玉軸受の構成部品よりも高い耐熱性を持つ材料で作られていることを特徴とするターボチャージャ用玉軸受ユニット。
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