JP2017160987A - 回転軸のシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦抵抗を低減しつつシール性を高めることができる回転軸のシール構造を提供する。
【解決手段】外周面にシールリング溝５が形成された回転軸２と、回転軸２が挿入されて回転軸２を回転自在に軸支するハウジング３と、シールリング溝５に嵌め込まれるとともに、ハウジング３のシール面３２と向かい合うシールリング４と、を備え、シールリング溝５は、軸線Ａ方向におけるシール面３２よりもシール面３２に対するシールリング４の反対側に位置して、シールリング４がシール面３２に対するシールリング４の反対側に移動するのを規制する規制面５１を有し、シールリング４は、規制面５１側に付勢されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャー等における回転軸のシール構造に関する。

特許文献１には、ターボチャージャーにおいて、回転軸とハウジングとの間のシールを行うシール構造が記載されている。このシール構造では、回転軸の外周面に形成されたシールリング溝にシールリングが挿入されており、ハウジングのシーリング溝に向かい合う第２の周面が、回転軸に対して傾斜して形成されている。そして、シールリングが、自らの弾性力によりハウジングの第２の周面に付勢されている。このため、シールリングには、第２の周面の傾斜に沿って軸方向の力が作用するため、シールリングは、シールリング溝の一方の側壁に押し付けられる。これにより、シールリングとシールリング溝の側壁とが密着するため、シールリングとハウジングとの間のシール性が向上する。

特開２００６−０８３７７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたシール構造では、シールリング溝の側壁にシールリングが押圧されるため、シールリングとシールリング溝の側壁との間の摩擦抵抗が大きくなって、回転軸の回転が抑制される。その結果、ターボチャージャーの過給効率が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、摩擦抵抗を低減しつつシール性を高めることができる回転軸のシール構造を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するべく、鋭意研究したところ、従来はシール面を摩耗させないことを技術常識としていたところ、当該技術常識に反してシール面を積極的に摩耗させることで、上記課題を解決することができるとの知見に至った。

つまり、本発明に係る回転軸のシール構造は、外周面にシールリング溝が形成された回転軸と、回転軸が挿入されて回転軸を回転自在に軸支するハウジングと、シールリング溝に嵌め込まれるとともに、ハウジングのシール面と向かい合うシールリングと、を備え、シールリング溝は、回転軸の軸線方向におけるシール面よりもシール面に対するシールリングの反対側に位置して、シールリングがシール面に対するシールリングの反対側に移動するのを規制する規制面を有し、シールリングは、規制面側に付勢されている。

本発明に係る回転軸のシール構造では、シールリングがシール面に対するシールリングの反対側に移動するのを規制する規制面が、軸線方向におけるシール面よりもシール面に対するシールリングの反対側に位置しているため、シールリングが規制面側に付勢されることで、シールリングがハウジングのシール面に押し付けられる。この状態で回転軸を回すと、シールリング及びシール面の少なくとも一方が初期摩耗することにより、シールリングは、シール面に対するシールリングの反対側に移動する。そして、シールリングは、規制面に当接されることで、シール面に対するシールリングの反対側に移動するのが規制される。このとき、シールリングが規制面側に付勢されているため、シールリングと規制面とが密着することで、シールリングと回転軸との間のシール性が保たれる。一方、シールリングとシール面との間は、シールリング又はシール面の初期摩耗により、殆ど隙間の無い状態となる。しかも、規制面により、シールリングがシール面に対するシールリングの反対側に移動するのが規制されているため、シールリングがシール面に強く押し付けられることもない。これにより、摩擦抵抗を低減しつつシール性を高めることができる。

上記の回転軸のシール構造において、シールリングは、回転軸の軸線方向におけるハウジングの内側に配置されていてもよい。この回転軸のシール構造では、シールリングがハウジングの内側に配置されているため、規制面は、軸線方向におけるシール面よりもハウジングの外側において、シールリングがハウジングの外側に移動するのを規制する。そして、シールリングが規制面側に付勢されることで、シールリングは、ハウジングの内側からハウジングのシール面に押し付けられる。このため、ハウジング内に充填された潤滑油が漏れ出すのをより好適に抑制することができる。しかも、回転軸を回転させると、シール面とシールリングとの間に入り込んだ潤滑油が、遠心力によりハウジングの内側に戻されるため、ハウジング内に充填された潤滑油が漏れ出すのを更に抑制することができる。

また、上記の回転軸のシール構造において、規制面は、回転軸の軸線と垂直な方向に延びる面であってもよい。この回転軸のシール構造では、規制面が回転軸の軸線と垂直な方向に延びる面であるため、当該規制面により、シールリングがシール面に対するシールリングの反対側に移動するのを確実に規制することができる。

また、上記の回転軸のシール構造において、シールリング溝は、規制面に向けて縮径する傾斜面を有し、シールリングは、傾斜面側に付勢する弾性力を有してもよい。この回転軸のシール構造では、シールリング溝が規制面に向けて縮径する傾斜面を有するため、シールリングが自身の弾性力により傾斜面側に付勢すると、シールリングが傾斜面に沿って滑ることで、この付勢力の一部が規制面側への付勢力に変換される。このため、簡易な構成で、シールリングを規制面側に付勢することができる。しかも、シールリングをハウジングの内側に配置した場合は、回転軸を回転させると、傾斜面とシールリングとの間に入り込んだ潤滑油が、遠心力によりハウジングの内側に戻されるため、ハウジング内に充填された潤滑油が漏れ出すのを更に抑制することができる。

また、上記の回転軸のシール構造において、シールリングの硬度は、ハウジングの硬度よりも低くてもよい。この回転軸のシール構造では、シールリングの硬度をハウジングの硬度よりも低くすることで、シールリングを積極的に初期摩耗させることができる。このように、ハウジングよりも小さいシールリングを積極的に初期摩耗させるため、製造容易性を高めることができる。

本発明によれば、摩擦抵抗を低減しつつシール性を高めることができる。

実施形態に係る回転軸のシール構造を模式的に示す断面図である。 図１に示す回転軸のシール構造の一部拡大図である。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 シールリングの平面図であり、（ａ）は自然状態、（ｂ）は拡径させた状態を示している。 組み付け時の状態を示す回転軸のシール構造の一部拡大図である。 図５に示すＶＩ−ＶＩ線における断面図である。 傾斜面に嵌め込まれたシールリングの状態を説明する図である。 変形例の回転軸のシール構造を模式的に示す断面図である。 変形例の回転軸のシール構造を模式的に示す断面図である。

以下、実施形態に係る回転軸のシール構造について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る回転軸のシール構造は、本発明に係る回転軸のシール構造を、ターボチャージャーにおける回転軸とハウジングとの間のシール構造に適用したものである。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係る回転軸のシール構造を模式的に示す断面図である。図２は、図１に示す回転軸のシール構造の一部拡大図である。図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。図１〜図３に示すように、実施形態に係る回転軸のシール構造１は、回転軸２と、ハウジング３と、シールリング４と、を備える。

回転軸２は、エンジンの排気経路上に設けられたタービン（不図示）と、エンジンの吸気経路上に設けられたコンプレッサ２１と、タービンとコンプレッサ２１とを連結するシャフト２２と、を備える。シャフト２２は、細長い円柱状に形成されており、軸線Ａ周りに回転自在に軸支されている。なお、以下では、回転軸２の軸線Ａを、単に「軸線Ａ」ともいう。そして、排気経路を流れる排気ガスによりタービンが回転することにより、回転軸２全体が軸線Ａ周りに回転する。シャフト２２の外周面には、シールリング４が嵌め込まれるシールリング溝５が形成されている。シールリング溝５は、軸線Ａ周りに延びる円状の溝である。

ハウジング３は、回転軸２のシャフト２２が挿入されて、回転軸２のシャフト２２を軸線Ａ周りに回転自在に軸支する。ハウジング３の内側には、シャフト２２を円滑に回転させるための潤滑油が内側に充填されている。ハウジング３は、回転軸２のシャフト２２が挿通される貫通孔３１と、貫通孔３１の周壁を成してシールリング４との間でシールが行われるシール面３２と、を備える。なお、ハウジング３は、潤滑油が充填される側が内側となる。

貫通孔３１の内径は、シャフト２２の外径よりも僅かに大きい。つまり、ハウジング３とシャフト２２との間には、僅かな隙間が形成されている。このため、ハウジング３内に充填された潤滑油は、貫通孔３１のハウジング３とシャフト２２との間の隙間から漏れ出す可能性がある。

シール面３２は、ハウジング３の内面の一部である。シール面３２は、例えば、軸線Ａと垂直な方向に延びて、ハウジング３の内側に向けられた平面である。但し、シール面３２は、シールリング４との間でシールができればよく、必ずしも軸線Ａと垂直な方向に延びる平面でなくてもよい。

シールリング４は、回転軸２のシャフト２２とハウジング３との間のシールを行うリング状のシール部材である。シールリング４は、軸線Ａ方向におけるハウジング３の内側に配置されている。そして、シールリング４は、シールリング溝５に嵌め込まれて、ハウジング３のシール面３２と向かい合う。

図４は、シールリングの平面図であり、図４の（ａ）は自然状態、図４の（ｂ）は拡径させた状態を示している。図４に示すように、シールリング４は、弾性変形可能な弾性部材により、周方向において切断された有端のリング状（両先端が突き合わされたＣ字状）に形成されている。

シールリング４は、切断された一対の端面４４が離間する方向に、つまり、シールリング４の径が広がる方向に、弾性変形することが可能となっている。シールリング４の自然状態では、図４の（ａ）に示すように、一対の端面４４の全面が当接された円状となる。シールリング４を弾性変形させて一対の端面４４の少なくとも一部を引き離すと、図４の（ｂ）に示すように、シールリング４が拡径されるとともに、シールリング４にはその弾性復元力により縮径方向の付勢力が働く。

シールリング４の硬度は、ハウジング３の硬度よりも低い。シールリング４の素材としては、例えば、ハウジング３よりも硬度の低い金属又は樹脂を用いることができる。

次に、シールリング溝５について更に詳しく説明する。シールリング溝５は、規制面５１と、傾斜面５２と、を備える。シールリング溝５の断面は、軸線Ａ周りの全域において同一であり、規制面５１及び傾斜面５２によりＶ字状に形成されている。

規制面５１は、シールリング４がシール面３２に対するシールリング４の反対側に移動するのを規制する面である。具体的には、規制面５１は、シールリング４が当接することにより、シールリング４がシール面３２に対するシールリング４の反対側に移動するのを規制する。なお、上述したように、本実施形態ではシールリング４がハウジング３の内側に配置されるため、シール面３２に対するシールリング４の反対側は、シール面３２に対するハウジング３の外側となる。このため、以下では、シール面３２に対するシールリング４の反対側を、単に「外側」ともいう。

規制面５１は、軸線Ａ方向において、シール面３２よりも外側（シール面３２に対するシールリング４の反対側）に位置する。規制面５１は、例えば、シャフト２２の外周面から、半径方向内側に向けて、軸線Ａと垂直な方向に延びる。但し、規制面５１は、シールリング４の外側への移動を規制することができれば、軸線Ａと垂直な方向に延びていなくてもよい。

傾斜面５２は、シールリング溝５に嵌め込まれたシールリング４を規制面５１側に付勢するための面である。具体的には、傾斜面５２は、規制面５１に向けて縮径している。縮径するとは、径が小さくなること、つまり、シールリング溝５の溝が深くなることをいう。傾斜面５２は、シャフト２２の外周面から、規制面５１に向けて縮径するように傾斜して、規制面５１に至っているなお、軸線Ａを通る回転軸２の断面では、傾斜面５２は直線となっている。

次に、シールリング４について更に詳しく説明する。シールリング４は、傾斜当接面４１と、規制当接面４２と、シール当接面４３と、を備える。

傾斜当接面４１は、シールリング４の内周面であって、シールリング溝５の傾斜面５２に当接される面である。傾斜当接面４１は、傾斜面５２と同じ角度に傾斜している。つまり、シールリング４の中心軸線に対する傾斜当接面４１の傾斜角度は、軸線Ａに対する傾斜面５２の傾斜角度と同じである。シールリング４が自然状態である場合、傾斜当接面４１の内径（シールリング４の内径）は、傾斜面５２の最少外径と同じ、又は、傾斜面５２の最少外径よりも小さい。

規制当接面４２は、シールリング溝５の規制面５１に当接される面である。規制当接面４２は、規制面５１と平行である。つまり、規制面５１が軸線Ａと垂直な方向に延びる場合、規制当接面４２は、シールリング４の中心軸線と垂直な方向に延びる。

シール当接面４３は、ハウジング３のシール面３２に当接される面である。シール当接面４３は、シール面３２と平行である。つまり、シール面３２が軸線Ａと垂直な方向に延びる場合、シール当接面４３は、シールリング４の中心軸線と垂直な方向に延びる。

そして、回転軸２及びハウジング３に組み付ける前のシールリング４は、規制当接面４２とシール当接面４３とが面一となっている。一方、回転軸２及びハウジング３に組み付けて回転軸２を所定時間回転させた後のシールリング４は、後述するように、シール当接面４３が規制当接面４２よりも窪んだ位置となっている。

次に、図５〜図７も参照して、回転軸２の組み付けについて説明する。

図５は、組み付け時の状態を示す回転軸のシール構造の一部拡大図である。図６は、図５に示すＶＩ−ＶＩ線における断面図である。図７は、傾斜面に嵌め込まれたシールリングの状態を説明する図である。図５〜図７に示すように、シールリング４をシールリング溝５に嵌め込むと、シールリング４は、弾性変形して一対の端面４４が引き離されて拡径された状態となって、内周面である傾斜当接面４１がシールリング溝５の傾斜面５２に嵌め合わされる。これにより、シールリング４には、その復元力により縮径する方向の付勢力が働く。このため、シールリング溝５に嵌め込まれたシールリング４は、その復元力により傾斜面５２側に付勢する弾性力を有する。

シールリング４がシールリング溝５に嵌め込まれると、シールリング４の付勢力の一部が傾斜面５２により規制面５１側に変換されることで、シールリング４は、傾斜面５２に沿って滑り、縮径しながら規制面５１側に移動する。そして、規制当接面４２が規制面５１に当接する前に、シール当接面４３がシール面３２に当接して、シール当接面４３がシール面３２を押圧する。シールリング４の復元力による縮径方向の付勢力をＦとし、軸線Ａに対する傾斜面５２の傾斜角度をθとすると、シール当接面４３がシール面３２を押圧する力は、Ｆ・ｓｉｎθ・ｃｏｓθとなる。

この状態で回転軸２を回すと、シール面３２とシール当接面４３との摩擦により、シール面３２（ハウジング３）よりも硬度の低いシール当接面４３（シールリング４）が初期摩耗する。そして、シール当接面４３を擦り減らしながら、シールリング４は、傾斜面５２に沿って移動する。その後、規制当接面４２が規制面５１に当接することで、シールリング４の外側への移動が規制される。このとき、シール当接面４３の初期摩耗により、シール当接面４３とシール面３２とは殆ど隙間の無い状態となるとともに、シール当接面４３のシール面３２に対する面圧がゼロ又はゼロに近づく。なお、規制当接面４２が規制面５１に当接することにより、シールリング４の外側への移動が規制されているため、その後に回転軸２を回転しても、シール当接面４３のシール面３２に対する面圧は大きくならない。

このように、本実施形態に係る回転軸のシール構造１では、シールリング４が外側に移動するのを規制する規制面５１が、軸線Ａ方向におけるシール面３２よりも外側に位置しているため、シールリング４が規制面５１側に付勢されることで、シールリング４がハウジング３のシール面３２に押し付けられる。この状態で回転軸２を回すと、シールリング４が初期摩耗することにより、シールリング４は、外側に移動する。そして、シールリング４は、規制面５１に当接されることで、外側に移動するのが規制される。このとき、シールリング４が規制面５１側に付勢されているため、シールリング４と規制面５１とが密着することで、シールリング４と回転軸２との間のシール性が保たれる。一方、シールリング４とシール面３２との間は、シールリング４の初期摩耗により、殆ど隙間の無い状態となる。しかも、規制面５１により、シールリング４が外側に移動するのが規制されているため、シールリング４がシール面３２に強く押し付けられることもない。これにより、摩擦抵抗を低減しつつシール性を高めることができる。

また、この回転軸のシール構造１では、シールリング４がハウジング３の内側に配置されているため、規制面５１は、軸線Ａ方向におけるシール面３２よりもハウジング３の外側において、シールリング４がハウジング３の外側に移動するのを規制する。そして、シールリング４が規制面５１側に付勢されることで、シールリング４は、ハウジング３の内側からハウジング３のシール面３２に押し付けられる。このため、ハウジング３内に充填された潤滑油が漏れ出すのをより好適に抑制することができる。

また、この回転軸のシール構造１では、規制面５１が回転軸２の軸線Ａと垂直な方向に延びる面であるため、当該規制面５１により、シールリング４が外側に移動するのを確実に規制することができる。

また、この回転軸のシール構造１では、シールリング溝５が規制面５１に向けて縮径する傾斜面５２を有するため、シールリング４が自身の弾性力により傾斜面５２側に付勢すると、シールリングが傾斜面に沿って滑ることで、この付勢力の一部が規制面５１側への付勢力に変換される。このため、簡易な構成で、シールリング４を規制面５１側に付勢することができる。

また、この回転軸のシール構造１では、傾斜面５２と傾斜当接面４１との間、及び、シール面３２とシール当接面４３との間に入り込んだ潤滑油は、回転軸２を回転させると、遠心力によりハウジング３の内側に戻されるため、ハウジング３内に充填された潤滑油が漏れ出すのを更に抑制することができる。

また、この回転軸のシール構造１では、シールリング４の硬度をハウジング３の硬度よりも低くすることで、シールリング４を積極的に初期摩耗させることができる。このように、ハウジング３よりも小さいシールリング４を積極的に初期摩耗させるため、製造容易性を高めることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記実施形態では、回転軸２のコンプレッサ２１側における回転軸２とハウジング３とのシール構造について説明したが、回転軸２のタービン側における回転軸２とハウジング３とのシール構造も、上記と同様である。

また、上記実施形態では、シールリング４の硬度をハウジング３の硬度よりも低くし、シールリング４を積極的に初期摩耗させるものとしたが、シールリング４の硬度とハウジング３の硬度とを同じにしてもよく、シールリング４の硬度をハウジング３の硬度よりも高くしてもよい。前者の場合、シールリング４及びハウジング３の双方が初期摩耗することにより、シールリング４のシール当接面４３がハウジング３のシール面３２に当接する。一方、後者の場合、図８に示す回転軸のシール構造１Ａのように、ハウジング３が積極的に初期摩耗することにより、シールリング４のシール当接面４３がハウジング３のシール面３２に当接する。なお、図８は、図２に対応する図である。

また、上記実施形態では、シールリング４が軸線Ａ方向におけるハウジング３の内側に配置されているものとして説明したが、シールリング４はハウジング３の如何なる位置に配置されていてもよく、例えば、図９に示す回転軸のシール構造１Ｂのように、シールリング４を軸線Ａ方向におけるハウジング３の外側に配置してもよい。なお、図９は、図１に対応する図である。この場合、シールリング４及びシールリング溝５の向きが、上記実施形態とは軸線Ａ方向において逆となる。

また、上記実施形態では、ターボチャージャーにおける回転軸とハウジングとの間のシールを行うシール構造について説明したが、本発明は、ターボチャージャーに限定されるものではなく、他の回転軸とハウジングとの間のシールを行うシール構造に適用してもよい。

１…シール構造、２…回転軸、３…ハウジング、４…シールリング、５…シールリング溝、２１…コンプレッサ、２２…シャフト、３１…貫通孔、３２…シール面、４１…傾斜当接面、４２…規制当接面、４３…シール当接面、４４…端面、５１…規制面、５２…傾斜面、Ａ…軸線。

Claims (5)

1. 外周面にシールリング溝が形成された回転軸と、
   前記回転軸が挿入されて前記回転軸を回転自在に軸支するハウジングと、
   前記シールリング溝に嵌め込まれるとともに、前記ハウジングのシール面と向かい合うシールリングと、を備え、
   前記シールリング溝は、前記回転軸の軸線方向における前記シール面よりも前記シール面に対する前記シールリングの反対側に位置して、前記シールリングが前記シール面に対する前記シールリングの反対側に移動するのを規制する規制面を有し、
   前記シールリングは、前記規制面側に付勢されている、
   回転軸のシール構造。
2. 前記シールリングは、前記回転軸の軸線方向における前記ハウジングの内側に配置されている、
   請求項１に記載の回転軸のシール構造。
3. 前記規制面は、前記回転軸の軸線と垂直な方向に延びる面である、
   請求項１又は２に記載の回転軸のシール構造。
4. 前記シールリング溝は、前記規制面に向けて縮径する傾斜面を有し、
   前記シールリングは、前記傾斜面側に付勢する弾性力を有する、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の回転軸のシール構造。
5. 前記シールリングの硬度は、前記ハウジングの硬度よりも低い、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の回転軸のシール構造。

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