JP2014009779A - ターボチャージャの回転支持部 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な制振効果及び荷重低減効果を得る事ができ、且つターボチャージャを組み込んだエンジンの効率低下を抑えられる構造を実現する。
【解決手段】
ハウジング６ｂの内周面と、このハウジング６ｂの内側に回転軸２を回転自在に支持する為の複列玉軸受１３ａを構成する一体側の外輪１５ａの外周面との間に存在する隙間２２ａの径方向に関する寸法（この隙間２２ａに設けるオイルフィルムダンパ２４ａの径方向に関する寸法）を、３０〜２００μｍの範囲に規制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用エンジンの出力を向上させる為のターボチャージャを構成するタービンとインペラとを接続する為の回転軸を、ハウジングに対し回転自在に支持する為の回転支持部の改良に関する。

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万〜十数万ｍｉｎ^−１（ｒ．ｐ．ｍ．）の速度で回転し、前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３は、この様なターボチャージャとして、特許文献１に記載されたものを示している。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（図３の右端）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（図３の左端）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、前記回転軸２は、前記ハウジング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、前記ハウジング６の内側に、円筒状の軸受ハウジング７を介して、前記回転軸２を第一、第二の玉軸受８、９により回転自在に支持している。これら第一、第二の玉軸受８、９はそれぞれ、図４に示す様なアンギュラ型玉軸受であり、これら第一、第二の玉軸受８、９の構成は、基本的には同じである。そして、これら第一、第二の玉軸受８、９を構成する外輪１１、１１同士の間に圧縮コイルばね１２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。この様にして、前記各玉１０、１０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。この様にして、ターボチャージャを構成する前記回転軸２を前記ハウジング６に対し、回転自在に支持する為の回転支持部を構成している。

ところで、上述の様な構造のターボチャージャの回転支持部の場合、前記各第一、第二の玉軸受８、９を単独で設けている。そして、前記ハウジング６の内周面と、これら第一、第二の玉軸受８、９の外輪１１、１１の外周面との間に、前記軸受ハウジング７を設けている。この為、この軸受ハウジング７を設ける分の部品点数の増加に伴い、組立て工数が増加したり、回転支持部が大型化してしまう可能性がある。

そこで、この様な部品点数の増加に伴う組立て工数の増加、及び回転支持部の大型化を防止すべく、前記特許文献２には、図５に示す様なターボチャージャの回転支持部の構造が記載されている。このターボチャージャの回転支持部の場合、ハウジング６ａの内側に、回転軸２を回転自在に支持する為の複列玉軸受１３を、図３に示した構造が有する軸受ハウジング７に相当する部材を介する事なく、直接設けている。

前記複列玉軸受１３は、内周面両端部に外輪軌道１４、１４が形成された一体型の外輪１５と、それぞれの外周面に内輪軌道１６、１６が形成された１対の内輪１７ａ、１７ｂと、前記両外輪軌道１４、１４とこれら両内輪軌道１６、１６との間に、両列毎に複数個ずつ、転動自在に設けられた玉１０、１０とにより構成している。
又、前記外輪１５の外周面の軸方向中間部の一端寄り（図５の右側）部分に、断面略Ｖ字状の一方側凹溝１８を形成している。又、この一方側凹溝１８の円周方向１箇所位置に、前記外輪１５を径方向に貫通した状態で、一方の外輪側給油通路１９を形成している。
又、前記外輪１５の外周面の軸方向中間部の他端寄り（図５の左側）に、断面略Ｖ字状の他方側凹溝２０を形成している。又、この他方側凹溝２０の円周方向１箇所位置に、前記外輪１５を径方向に貫通した状態で、他方の外輪給油通路２１を形成している。

上述の様な複列玉軸受１３を構成する前記両内輪１７ａ、１７ｂは、前記回転軸２に締り嵌めにより外嵌固定している。一方、前記外輪１５を、この外輪１５の外周面と前記ハウジング６ａの内周面との間に、隙間２２を設けた状態で配置している。そして、前記ハウジング６ａに形成したハウジング側給油通路２３を介して前記隙間２２に潤滑油を供給して、この隙間２２部分にオイルフィルムダンパ２４を構成している。又、このオイルフィルムダンパ２４を構成する潤滑油の一部は、前記外輪１５の一方、他方の各外輪側給油通路１９、２１を通じて、前記各玉１０、１０が配置された転動体配置空間２５に供給される。

上述した様な、特許文献２に記載された構造の場合、特許文献１に記載したターボチャージャの回転支持部が有する軸受ハウジング７に相当する部材を設けていない。この為、部品点数の低減に伴う組立て工数の低減、及び回転支持部の小型、軽量化を図れる。
又、前記ハウジング６ａの内周面と、前記外輪１５の外周面との間に前記隙間２２を設けて、この隙間２２部分に前記オイルフィルムダンパ２４を構成している。この為、前記回転軸２の高速回転時にも、前記複列玉軸受１３が振動する事の防止（制振効果）を図れると共に、運転時に前記各玉１０、１０が負荷する荷重（この荷重の最大値を最大転動体荷重と言う）を抑える（負荷荷重低減効果を得る）事ができる。その結果、前記複列玉軸受１３、延いてはターボチャージャの耐久性の向上を図れる。

ところで、上述の様なオイルフィルムダンパ２４の径方向に関する寸法が小さ過ぎると、前記制振効果及び荷重低減効果を十分に得る事ができない。一方、前記オイルフィルムダンパ２４の径方向に関する寸法が大き過ぎると、得られる制振効果及び荷重低減効果が大きくなるとしても、前記オイルフィルムダンパ２４を構成する為に必要とされる潤滑油の量（流量）が増加し、この潤滑油供給に伴うポンプロスの増大により、ターボチャージャを組み込んだエンジンの効率が低下してしまう事が考えられる。この為、前記オイルフィルムダンパ２４の径方向に関する寸法の適正化を図る事が求められるが、特許文献２には、このオイルフィルムダンパ２４の径方向に関する寸法の適正化に関しては記載されていない。

特開２００７−７１３５６号公報 特開２０１２−９２９１６号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、十分な制振効果及び荷重低減効果を得る事ができ、且つターボチャージャを組み込んだエンジンの効率低下の防止を図る事ができる構造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の回転支持部は、回転軸と、ハウジングと、複列玉軸受とを備えている。
このうちの回転軸は、一端部にタービンを、他端部にインペラを、それぞれ固定する為のものである。
又、前記ハウジングは、潤滑油をこのハウジングの内側に供給する為のハウジング側給油通路を有する。
更に、前記複列玉軸受は、前記回転軸を前記ハウジングの内側に回転自在に支持する為のものであり、外輪と、内輪と、複数個の玉とを有する。
このうちの外輪は一体型で、その内周面に複列の外輪軌道を有し、前記ハウジングの内側に、前記ハウジング側給油通路から供給される潤滑油によりオイルフィルムダンパを構成する為の隙間を介して設けられている。
又、前記内輪は、外周面に複列の内輪軌道を有し、前記回転軸に外嵌されている。
又、前記各玉は、前記両外輪軌道と前記両内輪軌道との間に、両列毎に複数個ずつ、転動自在に設けられている。

特に本発明のターボチャージャの回転支持部に於いては、前記ハウジングの内周面と、前記外輪の外周面との間に存在する隙間の径方向に関する寸法（この隙間に設けるオイルフィルムダンパの径方向に関する寸法）を、３０〜２００μｍの範囲に規制している。
上述の様な本発明のターボチャージャの回転支持部を実施する場合に、好ましくは請求項２に記載した発明の様に、前記外輪の外周面のうち、軸方向に関して前記ハウジングのハウジング側給油通路のこのハウジングの内周面側の開口部と整合する位置に、全周に亙り断面形状がＶ字状である凹溝を形成する。又、この凹溝の円周方向の少なくとも１箇所に、前記外輪を径方向に貫通した外輪側給油通路を形成する。

上述の様に構成する本発明のターボチャージャの回転支持部によれば、ターボチャージャを構成する複列玉軸受の十分な制振効果及び荷重低減効果を得る事ができ、且つこのターボチャージャを組み込んだエンジンの効率低下の防止を図る事ができる。
ターボチャージャを構成する複列玉軸受の十分な制振効果及び荷重低減効果を得る事ができる理由は、ハウジングの内周面と、この複列玉軸受を構成する外輪の外周面との間に存在する隙間の径方向に関する寸法（この隙間に設けるオイルフィルムダンパの径方向に関する寸法）を、３０〜２００μｍの範囲に規制しているからである。この寸法をこの範囲に規制する事により、ターボチャージャを構成する回転軸の高速回転時にも、前記複列玉軸受が大きく振動する事の防止を図れる（制振効果を得られる）と共に、この複列玉軸受を構成する各玉が負荷する荷重を抑えられる（荷重低減効果を得られる）事は、後述する本発明者が行った検証結果に示されている。
又、本発明の場合、前記オイルフィルムダンパの径方向に関する寸法の上限値を、十分な制振効果及び荷重低減効果を得る事ができる範囲のうち、比較的小さい値（２００μｍ以下）に規制している。この為、前記オイルフィルムダンパの形成に用いる潤滑油の量の増加を抑え、ターボチャージャを組み込んだエンジンの効率が低下する事の防止を図れる。

本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。 本発明の効果を確認する為の検証の結果を示す図であって、ハウジングの内周面と外輪の外周面との間に存在する隙間の径方向に関する隙間寸法と、最大転動体荷重との関係を示す線図（ａ）と、同じく内輪振動振幅との関係を示す線図（ｂ）。 従来構造の第１例を示す断面図。 図３のＡ部拡大図。 従来構造の第２例を示す断面図。

図１は、総ての請求項に対応する、本発明の実施の形態の１例を示している。尚、本発明の特徴は、ターボチャージャの回転支持部を構成するハウジング６ｂの内周面と、複列玉軸受１３ａを構成する外輪１５ａの外周面との間に存在する隙間２２ａ（この隙間２２ａに設けるオイルフィルムダンパ２４ａ）の径方向に関する寸法（前記両周面の半径差＝径方向厚さ）を適切に規制した点にある。その他の構造は図５に示した従来構造とほぼ同様であるから、従来と同様に構成する部分に就いての説明は省略若しくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。

本例のターボチャージャの回転支持部は、図５に示した従来構造と同様に、ターボチャージャを構成するハウジング６ｂの内周面と、同じく複列玉軸受１３ａを構成する一体型の外輪１５ａの外周面との間に隙間２２ａを設けている。そして、この隙間２２ａに、前記ハウジング６ｂのハウジング側給油通路２３ａを介して、潤滑油を供給する事により、オイルフィルムダンパ２４ａを構成している。尚、本例の場合、前記ハウジング側給油通路２３ａを、上流側給油通路２６（前記ハウジング６ｂの径方向外側）と、下流側給油通路２７（前記ハウジング６ｂの径方向内側）とにより構成している。このうちの下流側給油通路２７は、前記上流側給油通路２６の径方向内端から３方向に分岐した、中央側給油通路２８と、一方側給油通路２９（図１の右側）と、他方側給油通路３０（図１の左側）とにより構成している。このうちの中央側給油通路２８の下流端は、前記ハウジング６ｂの内周面のうち、前記外輪１５ａの外周面の軸方向中央部に対向する位置に開口している。又、前記一方側給油通路２９は、その径方向内端を、前記ハウジング６ｂの内周面のうち、前記外輪１５ａの外周面の軸方向一端（図１の右側）寄り部分に設けた一方側凹溝１８ａに対向する位置に開口している。更に、前記他方側給油通路３０は、その径方向内端を、前記ハウジング６ｂの内周面のうち、前記外輪１５ａの外周面の軸方向他端（図１の左側）寄り部分に設けた他方側凹溝２０ａに対向する位置に開口している。

又、前記一方側凹溝１８ａは、前記外輪１５ａの外周面の軸方向一端（図１の右側）寄り部分の全周に亙り、断面略Ｖ字状に形成している。又、前記一方側凹溝１５ａの円周方向の１箇所位置に、前記外輪１５ａを径方向に貫通した一方の外輪側給油通路１９ａを形成している。尚、本例の場合、この一方の外輪側給油通路１９ａを前記一方側凹溝１５ａの円周方向の１箇所のみに形成しているが、複数個の一方の外輪側給油通路を形成する事もできる。この様に複数個の一方の外輪側給油通路を形成する場合には、円周方向等間隔に形成するのが好ましい。

一方、前記他方側凹溝２０ａは、前記外輪１５ａの外周面の軸方向一端（図１の右側）寄り部分の全周に亙り、断面略Ｖ字状に形成している。又、前記他方側凹溝２０ａの円周方向の１箇所位置に、前記外輪１５ａを径方向に貫通した他方の外輪側給油通路２１ａを形成している。尚、この他方の外輪側給油通路２１ａに関しても円周方向の複数箇所に形成する事もできる。この場合には、円周方向等間隔に形成するのが好ましい。

特に本例のターボチャージャの回転支持部の場合、前記ハウジング６ｂの内周面と、前記外輪１５ａの外周面との間に存在する隙間２２ａの径方向に関する寸法（この隙間２２ａに設けるオイルフィルムダンパ２４ａの径方向に関する寸法＝径方向に関する厚さ寸法）を、３０〜２００μｍの範囲に規制している。
尚、本例の場合、前記オイルフィルムダンパ２４ａを構成すべく、前記隙間２２ａに供給する潤滑油の４０℃での動粘度を、５０〜７０mm²／ｓとしている。
又、前記複列玉軸受１３ａを構成する外輪の軸方向寸法を４０ｍｍ、外径寸法をφ２２ｍｍとしている。
又、本例の場合、前記隙間２２ａを上述の範囲に規制する（前記オイルフィルムダンパ２４ａを形成する）部分は、軸方向に関して、前記外輪１５ａの軸方向中間部の中央寄り部分に形成された凹部３１と整合する部分を除く、この外輪１５ａの外周面の軸方向両端寄り部分と整合する位置としている。本例の場合、前記隙間２２ａを上述の範囲に規制する（前記オイルフィルムダンパ２４ａを形成する）部分の軸方向に関する寸法を、軸方向両端部でそれぞれ１０ｍｍずつ、合計２０ｍｍとしている。

次に、前記隙間２２ａの径方向に関する寸法を上述の範囲に規制した理由に就いて、本発明者が、前述した様な構成を有するターボチャージャの回転支持部を対象として行った検証の結果を示す図２を参照しつつ説明する。
先ず、図２（ａ）は、前記隙間２２ａの径方向に関する寸法を変化させた場合に、最大転動体荷重の変化（負荷荷重低減効果の変化）を検証した結果を示している。この様な図２（ａ）から明らかな様に、前記隙間２２ａの径方向に関する寸法を大きくするに伴って、前記最大転動体荷重が小さくなり、この隙間２２ａの径方向に関する寸法が３０μｍを超えると最大転動体荷重が１００Ｎ以下と、十分に小さな値になる事が分かる。

一方、図２（ｂ）は、前記隙間２２ａの径方向に関する寸法を変化させた場合に、前記複列玉軸受１３ａを構成する両内輪１７ｃ、１７ｄの振動振幅の変化（制振効果の変化）を検証した結果を示している。この様な図２（ｂ）から明らかな様に、前記隙間２２ａの径方向に関する寸法を大きくするのに伴って、前記両内輪１７ｃ、１７ｄの振動振幅が小さくなる。そして、前記隙間２２ａの径方向に関する寸法が３０μｍを超えると、これら両内輪１７ｃ、１７ｄの振動振幅が、５μｍ以下と、十分に小さな値になる事が分かる。
上述した様な理由により、上述の様な下限値（３０μｍ以上）を設定している。

又、図２（ａ）、（ｂ）に示す何れの結果からも明らかな様に、前記隙間２２ａの径方向に関する寸法を大きくすると、最大転動体荷重の変化（改善効果）、及び振動振幅の変化は、緩やかになり、前記隙間２２ａの径方向に関する寸法が１００μｍを超えると、最大転動体荷重、及び振動振幅はほぼ変化しなくなる（それ以上は改善しなくなる）。この様な結果から、前記オイルフィルムダンパ２４ａを構成する為に使用する潤滑油の量が徒に増加する事を抑えて、ターボチャージャを組み込んだエンジンの効率が徒に低下する事を防止すべく、前記寸法の上限値（２００μｍ以下）を設定した。

上述の様に構成する本発明のターボチャージャの回転支持部によれば、ターボチャージャを構成する複列玉軸受１３ａの十分な制振効果及び荷重低減効果を得る事ができ、且つこのターボチャージャを組み込んだエンジンの効率の低下を最小限に抑える事ができる。
ターボチャージャを構成する複列玉軸受１３ａの十分な制振効果及び荷重低減効果を得る事ができる理由は、前記ハウジング６ｂの内周面と、前記複列玉軸受１３ａを構成する外輪１５ａの外周面との間に存在する隙間２２ａの径方向に関する寸法（この隙間２２ａに設けるオイルフィルムダンパ２４ａの径方向に関する寸法）を、３０〜２００μｍの範囲に規制しているからである。この範囲に規制する事により、ターボチャージャを構成する回転軸２の高速回転時にも、前記複列玉軸受１３ａが大きく振動する事の防止を図れる（制振効果を十分に得られる）と共に、この複列玉軸受１３ａを構成する各玉１０、１０が負荷する荷重を抑えられる（荷重低減効果を得られる）事は、前述した本発明者が行った検証の結果を示す図２（ａ）、（ｂ）から明らかである。
又、本発明の場合、前記ハウジング６ｂの内周面と、前記複列玉軸受１３ａを構成する外輪１５ａの外周面との間に存在する隙間２２ａ（オイルフィルムダンパ２４ａ）の径方向に関する寸法の上限値を、それ以上大きくしても制振効果及び荷重低減効果が向上しない値（２００μｍ以下）に設定している。この為、前記オイルフィルムダンパ２４ａの形成に用いる潤滑油の量の増加を抑え、ターボチャージャを組み込んだエンジンの効率が低下する事の防止を図れる。

本発明の対象となるターボチャージャの回転支持部の構造は、前述した実施の形態の１例のターボチャージャの回転支持部の構造｛回転支持部を構成する外輪の寸法、オイルフィルムダンパを構成する潤滑油の性状（粘度）等｝に限定されるものではない。

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、６ａ、６ｂ ハウジング
７ 軸受ハウジング
８ 第一の玉軸受
９ 第二の玉軸受
１０ 玉
１１ 外輪
１２ 圧縮コイルばね
１３、１３ａ 複列玉軸受
１４ 外輪軌道
１５、１５ａ 外輪
１６ 内輪軌道
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 内輪
１８、１８ａ 一方側凹溝
１９、１９ａ 一方の外輪側給油通路
２０、２０ａ 他方側凹溝
２１、２１ａ 他方の外輪側給油通路
２２、２２ａ 隙間
２３、２３ａ ハウジング側給油通路
２４、２４ａ オイルフィルムダンパ
２５ 転動体配置空間
２６ 上流側給油通路
２７ 下流側給油通路
２８ 中央側下流給油通路
２９ 一方側下流給油通路
３０ 他方側下流給油通路
３１ 凹部

Claims (2)

1. 回転軸と、ハウジングと、複列転がり軸受とを備え、
   このうちの回転軸は、一端部にタービンを、他端部にインペラを、それぞれ固定する為のものであり、
   前記ハウジングは、潤滑油をこのハウジングの内側に供給する為のハウジング側給油通路を有し、
   前記複列転がり軸受は、前記回転軸を前記ハウジングの内側に回転自在に支持する為のものであり、外輪と、内輪と、複数個の転動体とを有し、このうちの外輪は一体型で、その内周面に複列の外輪軌道を有し、前記ハウジングの内側に、前記ハウジング側給油通路から供給される潤滑油によりオイルフィルムダンパを形成する為の隙間を介して設けられており、前記内輪は、外周面に複列の内輪軌道を有し、前記回転軸に外嵌されており、前記各転動体は、前記両外輪軌道と前記両内輪軌道との間に、両列毎に複数個ずつ、転動自在に設けられており、
   前記回転軸と前記ハウジングとの相対回転を自在としたターボチャージャの回転支持部に於いて、
   前記ハウジングの内周面と、前記外輪の外周面との間に存在する前記隙間の径方向に関する寸法が、３０〜２００μｍである事を特徴とするターボチャージャの回転支持部。
2. 前記外輪の外周面のうち、軸方向に関して前記ハウジングのハウジング側給油通路のこのハウジングの内周面側の開口部と整合する位置に、全周に亙り断面形状がＶ字状である凹溝が形成されており、この凹溝の円周方向の少なくとも１箇所に、前記外輪を径方向に貫通した外輪側給油通路が形成されている、請求項１に記載したターボチャージャの回転支持部。
   
   

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