JP2016061381A - ターボチャージャ用軸受機構 - Google Patents

Abstract

【課題】異音の発生や運転効率の低下が防止されるとともに、製造コストの低減が図られるターボチャージャ用軸受機構を提供すること。【解決手段】ターボチャージャ用軸受機構１は、ロータシャフト１０、ボールベアリング２０、ハウジング３０を備える。ロータシャフト１０は、一端１０ａにタービンインペラ１１が取り付けられ、他端１０ｂにコンプレッサインペラ１２が取り付けられている。ボールベアリング２０は、互いに回転可能に支持された内輪２１と外輪２２とを備える。内輪２１には係合部材４０を介してロータシャフト１０が係合されている。ハウジング３０は、ロータシャフト１０、ボールベアリング２０及び係合部材４０を収納する。そして、外輪２２はハウジング３０に固定されているとともに、内輪２１とロータシャフト１０の外周面１０ｃとの間にはオイルが充填されてなるオイルフィルムダンパ５０が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャ用軸受機構に関する。

従来、内燃機関には、内燃機関から排出された排気ガスのガス流を利用して、吸入空気を圧縮するターボチャージャが備えられたものがある。ターボチャージャは、ロータシャフトと、ロータシャフトの一端に設けられたタービンインペラと、ロータシャフトの他端に設けられたコンプレッサインペラとを備えており、ロータシャフトは軸受機構により軸受けされている。当該軸受機構は軸受ハウジング内に収納されている。そして、特許文献１には、かかる軸受機構として、ロータシャフトに取り付けられたボールベアリングと、ボールベアリングと軸受ハウジングとの間に潤滑油が充填されてなるオイルフィルムダンパとを有する軸受機構を備えたターボチャージャが開示されている。

特許文献１に開示の構成では、ボールベアリングは環状の内輪及び外輪と、両者が互いに滑り回転するように両者の間に介在するボールとを有し、内輪の内側にロータシャフトが嵌装されている。これにより、ロータシャフトとその端部にそれぞれ設けられた両インペラとボールベアリングの内輪とが一体的に回転するように回転体アッシーを形成している。そして、ボールベアリングの外輪と軸受ハウジングとの間にはオイルが充填されてなるオイルフィルムダンパが形成されており、回転体アッシーの振動を抑制するダンピング効果を奏するように構成されている。

特開２０１２−９２９３４号公報

しかしながら、オイルフィルムダンパの内側に位置する回転体アッシーは、ロータシャフト及び両インペラに加えてボールベアリングを含んでいるため、当該回転体アッシーの質量が比較的大きくなっている。また、オイルフィルムダンパは、回転体アッシーに含まれるボールベアリングの外輪と軸受ハウジングとの間に形成されている。ボールベアリングの外輪の外径は、ロータシャフトの外径よりも充分大きいため、オイルフィルムダンパとボールベアリングの外輪との接触面積は比較的大きくなる。そのため、オイルフィルムダンパと外輪との間に生じる粘性力が大きくなりやすく、特に低温時にはかかる粘性の増大が顕著である。

一方、回転体アッシーには少なからず必ず残留アンバランス（不釣合い）が存在することから、回転体アッシーの径方向における質量中心はロータシャフトの軸心（図心）からずれた位置に位置している。そのため、回転体アッシーが軸回転するときは、ロータシャフトの軸心からずれた質量中心を通る軸線を中心とする偏重心回転をしようとする。しかし、回転体アッシーの質量が大きく、上記粘性力が高い場合には、回転体アッシーが偏重心回転するのを阻害して、図心に近い位置を中心に回転させる力が大きくなる。そして、ロータシャフトの両端に設けられた両インペラは片持ち梁の状態となっているため、かかる場合には、両インペラはロータシャフトの回転に伴って大きく振れ回ることとなる。これにより、回転初期に異音が発生したり、両インペラがハウジングに接触して破損したりするおそれがあり、これらは低温時にはより顕著となる。そして、両インペラの破損を防止するには、両インペラとハウジングとの間隙（チップクリアランス）を大きくする必要がある。しかし、チップクリアランスを大きくすると、ターボチャージャの運転効率の低下を招くこととなる。

このような異音の発生や運転効率の低下を防止するには、回転体アッシーの偏重心回転を阻害しないように、回転体アッシーの質量中心とロータシャフトの軸心とのずれが極めて小さくなるように、回転体アッシーの重量バランスを調整することが考えられる。しかし、かかる重量バランスの調整には高い精度が要求されることとなり、コスト高となる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、異音の発生や運転効率の低下が防止されるとともに、製造コストの低減が図られるターボチャージャ用軸受機構を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、一端にコンプレッサインペラが取り付けられ、他端にタービンインペラが取り付けられたロータシャフトと、
互いに回転可能に支持された内輪と外輪とを備えるとともに、上記内輪には係合部材を介して上記ロータシャフトが係合されているボールベアリングと、
上記ロータシャフト、上記ボールベアリング及び上記係合部材を収納するハウジングと、
を備え、
上記外輪は上記ハウジングに固定されているとともに、上記内輪と上記ロータシャフトの外周面との間にはオイルが充填されてオイルフィルムダンパが形成されていることを特徴とするターボチャージャ用軸受機構にある。

上記ターボチャージャ用軸受機構によれば、オイルフィルムダンパがボールベアリングの内輪とロータシャフトとの間に形成されており、回転体アッシーには、ボールベアリングにおける内輪以外の部分やリテーナが含まれておらず、当該回転体アッシーの質量が比較的小さくなっている。また、ロータシャフトの外径は、ボールベアリングの外輪の外径に比べて充分小さいため、オイルフィルムダンパと回転体アッシー（ロータシャフトの外周面）との接触面積が比較的小さくなっている。これらにより、オイルフィルムダンパと回転体アッシーとの間に生じる粘性力を比較的小さくすることができる。

そして、上記粘性力を小さくできることにより、回転体アッシーが図心に近い位置を中心に回転させる力が低減されるため、回転体アッシーが偏重心回転しやすくなる。その結果、ロータシャフトの回転に際して、ロータシャフトの両端に設けられた両インペラが大きく振れ回ることが抑制されることから、異音の発生が防止されるとともに、各インペラとハウジングとのチップクリアランスが最適化されて運転効率の低下が防止される。また、上述の如く、回転体アッシーが偏重心回転しやすくなっていることから、回転体アッシーの重量バランスの調整にそれほど高い精度を要しないため、当該重量バランスの調整が容易となり、製造コストの低減を図ることができる。

また、上述の如く、オイルフィルムダンパと回転体アッシーとの間に生じる粘性力を比較的小さくできることにより、回転体アッシーの回転レスポンスの向上が期待できるため、内燃機関の過渡性能の向上に寄与しうる。

さらに、低温時などのオイルの粘性が高くなりやすい場合においても、上記粘性力を小さくできることにより、回転体アッシーに対するオイルダンピング効果を充分に発揮させることができる。

本発明によれば、異音の発生や運転効率の低下が防止されるとともに、製造コストの低減が図られるターボチャージャ用軸受機構を提供できる。

実施例１における、ターボチャージャ用軸受機構の断面模式図。 図１における、II-II線位置での断面一部拡大図。 図１における、オイルフィルムダンパ近傍の拡大図。

上記内輪は貫通孔からなるオイル供給孔を有するとともに、上記オイルの少なくとも一部が上記オイル供給孔を介して上記オイルフィルムダンパに供給されるように構成されていることとすることができる。この場合には、簡易な構成により、オイルフィルムダンパに容易にオイルを供給することができる。

（実施例１）
本例の実施例に係るターボチャージャ用軸受機構１につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例のターボチャージャ用軸受機構１は、ロータシャフト１０と、ボールベアリング２０、ハウジング３０とを備える。
ロータシャフト１０は、一端１０ａにタービンインペラ１１が取り付けられ、他端１０ｂにコンプレッサインペラ１２が取り付けられている。
ボールベアリング２０は、互いに回転可能に支持された内輪２１と外輪２２とを備える。そして、内輪２１には係合部材４０を介してロータシャフト１０が係合されている。
ハウジング３０は、ロータシャフト１０、ボールベアリング２０及び係合部材４０を収納して、軸受ハウジングを構成している。
そして、外輪２２はリテーナ６０を介してハウジング３０に固定されているとともに、内輪２１とロータシャフト１０の外周面１０ｃとの間にはオイルが充填されてなるオイルフィルムダンパ５０が設けられている。

以下、本例のターボチャージャ用軸受機構１につき、詳述する。
図１に示すように、ロータシャフト１０の一端１０ａには、タービンインペラ１１が一体的に設けられている。タービンインペラ１１はタービンハウジング３３内に収納されている一方、ロータシャフト１０の他端１０ｂは、カラー１３及びコンプレッサインペラ１２に挿通されており、これらは軸端ナット１４によって抜け止めされている。そして、コンプレッサインペラ１２はコンプレッサハウジング３４に収納されている。ロータシャフト１０におけるタービンインペラ１１とコンプレッサインペラ１２との間には、ボールベアリング２０が設けられている。

ボールベアリング２０は、図１に示すように、内輪２１と外輪２２とを有している。内輪２１は略円筒形を成している。内輪２１の内径はロータシャフト１０の外径よりも若干大きくなっている。具体的には、内輪２１の軸方向Ｘの両方の端部近傍領域Ｓの内径はそれぞれ、ロータシャフト１０の外径よりも０．０５〜０．１ｍｍ程度大きくなっており、両端部近傍領域Ｓの間の中間領域Ｔの内径は端部近傍領域Ｓの内径よりも大きくなっている。そして、内輪２１の内側にはロータシャフト１０が挿通されている。内輪２１が上述の形状をなしていることにより、内輪２１とロータシャフト１０との間には、両端部近傍領域Ｓに隙間Ｐが形成され、中間領域Ｔに隙間Ｐよりも広い隙間Ｑが形成されている。両間隙Ｐ、Ｑは、内輪２１の中心とロータシャフト１０の中心とを合わせた静止状態において、周方向に一定の大きさとなっている。

図２に示すように、内輪２１の軸方向Ｘの中央部には、係合部材挿通孔２１１及びオイル供給孔２１２がそれぞれ複数形成されて、周方向に配列している。本例では、係合部材挿通孔２１１はロータシャフト１０の軸線Ｌに対称な２か所に設けられており、オイル供給孔２１２は一対の係合部材挿通孔２１１の間であって、ロータシャフト１０の軸線に対称な位置に合計４カ所設けられている。図２に示すように、係合部材挿通孔２１１及びオイル供給孔２１２はいずれも貫通孔であって、オイル供給孔２１２の開口径は係合部材挿通孔２１１の開口径よりも大きくなっている。

図２に示すように、係合部材挿通孔２１１には、係合部材挿通孔２１１の直径よりも若干小さい径を有する棒状部材からなる係合部材４０が挿通されている。係合部材４０の少なくとも一端４０ａ側の側面にはネジ溝が形成されており、係合部材４０はロータシャフト１０に形成されたネジ孔１５に螺入されてロータシャフト１０に取り付けられている。係合部材４０の他端側の突出端部４０ｂは、ロータシャフト１０の径方向外側に突出しており、内輪２１の内側面２１ａよりも径方向外側に位置している。これにより、ロータシャフト１０が回転すると、係合部材４０の側面が係合部材挿通孔２１１の側壁面に当接して、ロータシャフト１０と内輪２１とが互いに係合することとなる。その結果、内輪２１はロータシャフト１０の回転に伴って連れ回りする。

ボールベアリング２０の外輪２２は環状を成している。図１に示すように、外輪２２は２個備えられており、内輪２１の軸方向Ｘにおける両端部近傍の領域Ｓにおける外周面（ロータシャフト１０に面する面と反対側の面）に対向するようにそれぞれ配設されている。そして、内輪２１と外輪２２との間には、図示しない保持器を介してボール状の回転子２３が介設されている。これにより、内輪２１と外輪２２とは回転子２３を介して互いに回転可能に構成されて、ボールベアリング２０を形成している。外輪２２は、リテーナ６０を介してハウジング３０に固定されており、ロータシャフト１０がボールベアリング２０を介して、ハウジング３０に軸受けされている。

図１に示すように、リテーナ６０には、ボールベアリング２０回りにオイルを供給するためのオイル供給路６１と、ボールベアリング２０回りからオイルを排出するオイル排出路６２とが形成されている。オイル供給路６１はリテーナ６０において、ハウジング３０の鉛直方向の上側に形成されており、オイル供給路６１にはボールベアリング２０回りにオイルを吐出するオイル吐出口６１ａが備えられている。オイル吐出口６１ａは、軸方向Ｘにおいて、内輪２１に形成されたオイル供給孔２１２（図３参照）と重なる位置に形成されている。オイル排出路６２はハウジング３０の鉛直方向の下側に形成されており、オイル排出路６２の下方にはハウジング３０の外部に開口するオイル排出口６２ｂが形成されている。

内輪２１の両端部近傍の領域Ｓにおける内輪２１とロータシャフト１０との間に形成された隙間Ｐには、オイルフィルムダンパ５０がそれぞれ形成されている。図３に示すように、オイル供給孔２１２がオイル吐出口６１ａの直下に位置する状態において、オイルフィルムダンパ５０は、リテーナ６０に形成されたオイル供給路６１から供給されたオイルの一部が矢印で示すように、オイル供給孔２１２を介して、内輪２１とロータシャフト１０との間に入り込んで隙間Ｑを通じて隙間Ｐに到達することにより形成される。なお、オイルフィルムダンパ５０には、オイル供給路６１から順次オイルが供給されるとともに、供給されたオイルは、内輪２１における軸方向Ｘの両側端部から排出される。

ロータシャフト１０は以下のようにハウジング３０に組み付けられる。まず、ボールベアリング２０の内輪２１をリテーナ６０の内側に挿入する。そして、リテーナ６０の軸方向Ｘの両端側からリテーナ６０に回転子２３及び外輪２２をそれぞれ組み付けて、ボールベアリング２０を形成させる。その後、ボールベアリング２０及びリテーナ６０をハウジング３０に挿入して、プレート７０及びボルト７１でハウジング３０に挟み込むようにして固定する。その後、タービンインペラ１２とロータシャフト１０とをハウジング３０に挿入して、カラー１３及びコンプレッサインペラ１１を軸端ナット１４で締め付け固定する。その後、一方の係合部材４０をハウジング３０の上側孔３１を通じてリテーナ６０のオイル供給路６１から挿入してロータシャフト１０のネジ孔１５に締め付けて固定する。そして、他方の係合部材４０をハウジング３０の下側孔３２を通じてリテーナ６０のオイル排出路６２から挿入してロータシャフト１０のネジ孔１５に締め付けて固定する。最後に、ハウジング３０の上側孔３１に栓６３を取り付けて、上側孔３１を閉じる。

なお、一方の係合部材４０をハウジング３０の上側孔３１を通じて固定した後、ロータシャフト１０（回転体アッシー１００）を１８０°回転させて、一方の係合部材４０を取り付けたネジ孔１５と反対側に位置するネジ孔１５が上側孔３１の直下に位置するようにして、上側孔３１を通じて他方の係合部材４０を当該ネジ孔１５に締め付けて固定してもよい。

本例のターボチャージャ用軸受機構１によれば、オイルフィルムダンパ５０がボールベアリング２０の内輪２１とロータシャフト１０との間（隙間Ｐ）に形成されているため、回転体アッシー１００はロータシャフト１０とロータシャフト１０に取り付けられたタービンインペラ１１及びコンプレッサインペラ１２と、ロータシャフト１０と連れ回りする内輪２１とからなり、回転体アッシー１００にボールベアリング２０における内輪２１以外の部分（外輪２２、回転子２３、保持器等）は含まれてない。そのため、回転体アッシー１００の質量が比較的小さくなっている。また、ロータシャフト１０の外径は、ボールベアリング２０の外輪２２の外径に比べて充分小さいため、オイルフィルムダンパ５０と回転体アッシー１００（ロータシャフト１０の外周面１０ｃ）との接触面積が比較的小さくなっている。これらにより、オイルフィルムダンパ５０と回転体アッシー１００との間に生じる粘性力を比較的小さくできる。

そして、上記粘性力を小さくできることにより、回転体アッシー１００を図心に近い位置を中心に回転させる力が低減されるため、小さいエネルギーでも回転体アッシー１００が偏重心回転しやすくなる。その結果、ロータシャフト１０の回転に際して、ロータシャフト１０の両端にそれぞれ設けられた両インペラ１１、１２が大きく振れ回ることが抑制される。その結果、異音の発生が防止されるとともに、各インペラ１１、１２とそれぞれのハウジング３３、３４とのチップクリアランスを大きくとる必要がないため、運転効率の低下を防止できる。また、コンプレッサハウジング３４にアブレーダブルシールが備えられる場合には、コンプレッサインペラ１２が当該アブレーダブルシールに対して過度に接触することが防止されるため、コンプレッサインペラ１２の破損やアブレーダブルシールの過度な摩耗が防止される。また、上述の如く、回転体アッシー１００が偏重心回転しやすくなっていることから、回転体アッシー１００の重量バランスの調整にそれほど高い精度を要しないため、当該重量バランスの調整が容易となり、製造コストの低減を図ることができる。

また、上述の如く、オイルフィルムダンパ５０と回転体アッシー１００との間に生じる粘性力を比較的小さくできることにより、回転体アッシー１００の回転レスポンスの向上が期待できるため、内燃機関の過渡性能の向上に寄与しうる。

さらに、低温時などのオイルの粘性が高くなりやすい場合においても、上記粘性力を小さくできることにより、回転体アッシー１００に対するオイルダンピング効果を有効に奏することができる。

本例では、内輪２１は貫通孔からなるオイル供給孔２１２を有するとともに、オイルの少なくとも一部がオイル供給孔２１２を介して内輪２１とロータシャフト１０の間（隙間Ｐ）に供給されるように構成されている。そのため、簡易な構成により、隙間Ｐに容易にオイルを供給して、オイルフィルムダンパ５０を形成することができる。

本例では、貫通孔２１１は内輪２１の軸方向Ｘの中央部に形成されていることとしたが、これに限らず、又はこれに加えて、軸方向Ｘにおいて異なる複数の箇所に貫通孔２１１を形成してもよい。

本例によれば、異音の発生や運転効率の低下が防止されるとともに、製造コストの低減が図られるターボチャージャ用軸受機構１を提供できる。

１ ターボチャージャ用軸受機構
１０ ロータシャフト
１０ｃ 外周面
１００ 回転体アッシー
１１ タービンインペラ
１２ コンプレッサインペラ
２０ ボールベアリング
２１ 内輪
２２ 外輪
３０ ハウジング
４０ 係合部材
５０ オイルフィルムダンパ

Claims (2)

1. 一端にタービンインペラが取り付けられ、他端にコンプレッサインペラが取り付けられたロータシャフトと、
   互いに回転可能に支持された内輪と外輪とを備えるとともに、上記内輪には係合部材を介して上記ロータシャフトが係合されているボールベアリングと、
   上記ロータシャフト、上記ボールベアリング及び上記係合部材を収納するハウジングと、
   を備え、
   上記外輪は上記ハウジングに固定されているとともに、上記内輪と上記ロータシャフトの外周面との間にはオイルが充填されてなるオイルフィルムダンパが設けられていることを特徴とするターボチャージャ用軸受機構。
2. 上記内輪は貫通孔からなるオイル供給孔を有するとともに、上記オイルの少なくとも一部が上記オイル供給孔を介して上記オイルフィルムダンパに供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ用軸受機構。

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