JP2018028377A - ターボチャージャー用玉軸受ユニット - Google Patents

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一仁 小澤
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Abstract

【課題】潤滑特性を悪化させずにラトリングノイズを低減させたターボチャージャー用玉軸受ユニットを提供すること。
【解決手段】実施形態のターボチャージャー用玉軸受ユニットは、内輪と、外輪と、もみ抜き保持器とを備える。もみ抜き保持器は、前記内輪と前記外輪との間に設けられ、玉を転動可能に保持するポケットが周方向に複数形成されている。ここで、前記ポケットの直径は、前記玉の直径の1.03倍以上1.07倍以下である。
【選択図】図1

Description

本発明は、ターボチャージャーの回転軸を支持するターボチャージャー用玉軸受ユニットに関する。
ターボチャージャー用玉軸受ユニットにおいて、回転軸が高速回転から停止に至る過程で、回転軸が低速回転状態になる。かかる状況において、保持器のポケットの中で転動体が振動し、低速回転時に発生する、保持器のポケット内周面と転動体との衝突によって発生するノイズ、いわゆるラトリングノイズが生じる。例えば、ハードディスクドライブ装置のスピンドルモータ用軸受装置においては、回転速度が上がるにつれて生じる騒音・振動の低減のために、冠型保持器のポケット径(Dp)と玉径(Dw)の比Dp/Dwを限定して、ポケットと転動体との間の隙間を小さくする方法が知られている。
特開2003−49830号公報
しかし、かかる方法における保持器は冠型保持器であるので、ポケットと転動体の間の隙間を小さくしてもポケットの開口側から潤滑剤が入り込むことが可能であった。しかしながら、ターボチャージャー用玉軸受に用いられるもみ抜き保持器では、ポケットの周囲が冠型保持器のように開口していないため、ポケットと転動体との間の隙間が小さいと、かかる隙間に潤滑油が入り込むことが阻害され、潤滑特性が悪化する問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、潤滑特性を悪化させずにラトリングノイズを低減させたターボチャージャー用玉軸受ユニットを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットは、軸方向に離間して形成された一端側外輪軌道面と他端側外輪軌道面とを内周面に有する円筒状の外輪と、前記一端側外輪軌道面に対向する第1の内輪軌道面を有する第1の内輪と、前記他端側外輪軌道面に対向する第2の内輪軌道面を有する第2の内輪と、前記一端側外輪軌道面と前記第1の内輪軌道面との間に配置された複数の玉を保持する第1のもみ抜き保持器と、前記他端側外輪軌道面と前記第2の内輪軌道面との間に配置された複数の玉を保持する第2のもみ抜き保持器と、を備える。前記第1のもみ抜き保持器及び前記第2のもみ抜き保持器の少なくともいずれかにおいて、前記玉を転動可能に保持するポケットが周方向に複数形成され、前記ポケットの直径は、前記玉の直径の1.03倍以上1.07倍以下である。そして、前記ポケットの内周面の一部には、もみ抜き保持器の半径方向に沿って溝が形成されている。
本発明の一態様によれば、潤滑特性を悪化させずにラトリングノイズを低減させる。
図1は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットが備え付けられる自動車用ターボチャージャーの概観を示す図である。 図2は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットがハウジングに組み込まれた状態の概観を示す図である。 図3は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットの詳細を示す三面図である。 図4は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットの有する保持器の構造について説明する図である。 図5は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットの有する保持器の構造について説明する図である。 図6は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係るノイズレベルについて説明する表である。 図7は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係るノイズレベルについて説明するグラフである。 図8は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係る接触荷重について説明する表である。 図9は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係る接触荷重について説明するグラフである。 図10は、実施形態に係る保持器のポケットの内周面に形成される溝について説明する図である。 図11は、実施形態に係る保持器のポケットの内周面に形成される溝の別の例について説明する図である。
以下、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニット及びターボチャージャーについて図面を参照して説明する。
(実施形態)
図1は、ターボチャージャー用玉転がり軸受ユニットが備え付けられる一般的な自動車用ターボチャージャーの概観を示す図である。図1において、矢印1は、外部からターボチャージャーに流入する空気の流れを表す。回転軸7には、矢印2で示されるエンジンのシリンダー5から排出された排気ガスにより高速回転するタービン8が図1における右側端部に設けられている。図1における回転軸7の左側端部にはコンプレッサー3が設けられている。矢印2は、シリンダー5から燃焼後に排出される排気ガスの流れを表す。また、ターボチャージャー用転がり軸受ユニット70は、回転軸7を回転自在な状態で支持するターボチャージャー用玉転がり軸受ユニットを表す。図1において、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70を支持するハウジングは図示を省略している。
ターボ―チャージャ―は、ターボチャージャーに流入する空気を圧縮してエンジンの燃焼効率を向上させるものである。矢印2に示されているように、エンジンのシリンダー5から排出された排気ガスにより、タービン8の羽根が高速回転する。タービン8の回転は、回転軸7を介してタービン8と同軸上のコンプレッサー3を同じ回転速度で回転させる。ターボチャージャー内に流入する空気は、矢印1で示されているように、コンプレッサー3で圧縮され、密度が増加した状態で、エンジンのシリンダー5へと送り込まれる。これにより、単位時間あたりの空気の呼気量が増加し、燃焼効率が増加する。
図2は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットがハウジングに組み込まれた状態の概観を示す図である。ハウジング60は貫通孔を有し、その貫通孔に挿入されたターボチャージャー用玉軸受ユニット70を支持する。ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の詳細については、図3で詳述する。また、回転軸7は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70に回転自在な状態で支持される回転軸である。タービン8は、回転軸7に取り付けられた羽根である。なお、タービン8は、回転軸7の両端のうち、シリンダー5を通過して燃焼された後の気体が排出される側(排気側)に配置されており、空気が流入する吸気側で回転するコンプレッサー3は、図2では図示されていないが、図2において、回転軸7の左側の端部に設けられている。
潤滑剤流入口40aは、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の内部を満たす潤滑剤の流入口である。ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の内部を満たす潤滑剤は、ハウジング60の潤滑剤流入口40aから流入し、経路40b1及び40b2に分岐する。経路40b1を通る潤滑剤は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70に設けられた潤滑剤流入孔40cからターボチャージャー用玉軸受ユニット70内に流入し、潤滑剤排出口40eから流出する。また、経路40b2を通る潤滑剤は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70に設けられた潤滑剤流入孔40dからターボチャージャー用玉軸受ユニット70内に流入し、潤滑剤排出口40eから流出する。潤滑剤排出口40eは、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の外輪の外周面であって、例えば、潤滑剤流入孔40c及び40dと反対側に設けられる。ここで、潤滑剤とは、例えば油(オイル)やグリースである。潤滑剤は、ターボチャージャー用玉軸受ユニットの摩擦及び摩耗の軽減、熱排出による冷却、異物の侵入防止等のために用いられる。ターボチャージャー用玉軸受ユニットの潤滑油としては、例えばスピンドル油、マシン油、タービン油などの鉱油が用いられるが、150度以上の高温または−30度以下の低温になる使用条件では、ジエステル油、シリコン油、フルオロカーボン油などの合成油が用いられても良い。
次に、図3を用いて、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70のより詳細な構造について説明する。図3は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニット70の詳細を示す三面図である。図3の左下の図は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の正面図であり、図3の左上の図は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の上面図であり、図3の右下の図は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の断面図である。
図3の潤滑剤流入孔40c、40d、潤滑剤排出口40eは、それぞれ図2の潤滑剤流入孔40c、40d、潤滑剤排出口40eに対応する。潤滑剤流入孔40cから流入した、例えばオイルなどの潤滑剤は、後述する内輪10aと外輪300aとの間を通過した後、潤滑剤排出口40eから排出される。この潤滑剤の役割としては、摩擦減少や、冷却などが挙げられる。
断面図において、シャフト挿入部7aは、回転軸7(シャフト)が挿入される部分であり、シャフトを挿入可能なように一端側から他端側に亘る貫通孔になっている。
内輪10a及び内輪10bは、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の内輪を表し、それぞれ外周面に内輪軌道面を有している。内輪10a及び内輪10bは、シャフト挿入部7aに挿入される回転軸7(シャフト)に固定され、回転軸7が回転するとともに、回転する。内輪10a及び内輪10bは、中空の円筒形状を有する。
外輪300aは、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の外輪を表している。外輪300aは、ハウジング60にはめ込まれ、支持される。外輪300aは、外周面と内周面を有する単一の円筒部材である。外輪300aは、内周面の一端側と他端側に軸方向に離間して配置された外輪軌道面を有している。外輪軌道面は前述の二つの内輪軌道面と対向して複列の軌道を形成する。外輪300aの一端側外輪軌道面は、第1の内輪である内輪10aが有する内輪軌道面(第1の内輪軌道面)と対向している。また、外輪300aの他端側外輪軌道面は、第2の内輪である内輪10bが有する内輪軌道面(第2の内輪軌道面)と対向している。
玉11cは、内輪10aと外輪300aとの間に設けられた一端側の軌道に配置される。従って、玉11cは、内輪10a及び外輪300aの軌道面と点接触する。同様に、玉11eは、内輪10bと外輪300aとの間の他端側の軌道に配置される転動体であり、内輪10b及び外輪300aと点接触する。これにより、外輪300aは、玉11c及び11eを通じて、内輪10a、10b、すなわち回転軸7の荷重を支持することができる一方、玉11c及び11eは、内輪10a、10b及び外輪300aとの接触が点接触であるから、回転軸7が高速回転しても、内輪10a、10bと外輪300aとの間で生じる摩擦が小さい。このように、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70は、回転軸7の荷重を支持しながら、回転軸7を回転自在に支持することができる。
なお、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70に用いられる玉軸受としては、典型的には、ラジアル方向のみならずスラスト方向の荷重を支持するためにアンギュラ軸受が選択される。
保持器21及び22は、それぞれ玉11c及び11eを等間隔に保持するための部材である。保持器21は、内輪10aと外輪300aとの間に設けられて複数個の玉11cを保持する。保持器21は、一端側外輪軌道面と第1の内輪軌道面との間に配置された複数の玉11cを保持する第1のもみ抜き保持器である。
同様に、保持器22は、内輪10bと外輪300aとの間に設けられて複数個の玉11eを支持する。保持器22は、他端側外輪軌道面と第2の内輪軌道面との間に配置された複数の玉11eを保持する第2のもみ抜き保持器である。
保持器21及び22のタイプとしては、例えば鉄鋼や銅合金の材料を切削加工することにより形成されたもみ抜き(削り出し)保持器、鉄板などの部材を型で打ち抜くことにより形成された打ち抜き(プレス)保持器、樹脂を金型に流し込むことにより形成された成型(樹脂)保持器等が挙げられるが、以降では、保持器21及び22のタイプとして、もみ抜き保持器を用いた場合について説明する。
図4及び図5は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットが有する保持器の構造について説明する図である。図4は、保持器21単体の外観図であり、図5は、保持器21の周囲の部品も含めた外観を表す図である。
図4は、もみ抜き保持器である保持器21の外観図である。保持器21には、玉11aを転動可能に保持するポケット21cが周方向に複数形成されている。また、ポケット21cに隣接して、潤滑剤を保持するための溝200aが形成されている。
図5において、保持器21の外観が、周囲の部品とともに表されている。図5において、内輪10aは図3の内輪10aを表し、外輪300aは、内輪10aの外側に設けられる図3の外輪300aを表す。保持器21は、内輪10aと外輪300aとの間に設けられ、玉11aを転動可能に保持するポケット21cが周方向に複数形成されている。ここでポケット21cの直径は、玉11aの直径の1.03倍以上1.07倍以下であるのが望ましい。
図5では、保持器21が、反時計回りに回転する場合について説明する。かかる場合、保持器21が回転すると、玉11aは、ポケット21cの後方(すなわち、ポケット21cにおいて、溝200aがない側の内周面)において、ポケット21cと近接する。また、ポケット21cの内周面のうち、玉11aが回転時に周方向で近接する範囲の内周面は、玉11aの形状に沿った形状である。一方で、玉11aが回転時に近接する範囲以外の範囲の内周面の一部には、溝200aが形成される。
ここで、溝200aは、ポケット21cの中心位置よりも、もみ抜き保持器21の回転方向側に形成される。また、ポケット21cの内周面と、溝200aとは、滑らかに接続されて形成される。
かかる点について、図6〜図11を用いて説明する。まず、図6〜図9を用いて、ポケット21cの直径が、玉11aの直径の1.03倍以上1.07倍以下にするのが望ましい点について説明する。
図6及び図7は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係るノイズレベルについて説明する表及びグラフである。図6の上段は、ポケット21cの径を、玉11aの径(ボール径)で除した値を示す。また、図6の下段は、VRMS(root mean square voltage)で表されるノイズレベルを示す。また、図7は、図6のデータをプロットしたものである。図6及び図7より分かるように、ラトリングノイズは、ポケット径/ボール径の値が大きいほど単調に増加する。特にポケット21cの直径が、玉11aの直径の1.07倍を超えると、ノイズレベルは急激に増大する。従って、ポケット21cの直径は、玉11aの直径の1.07倍以下が望ましい。
なお、図6及び図7に係る試験条件は以下の通りである。同一のボール径で、ポケット径/ボール径の比率を異ならせたもみ抜き保持器21を組み込んだ複数のターボチャージャー用玉軸受ユニット70を準備し、それぞれについて、試験を行った。試験では、軸受ユニット70の一端側からモータの出力軸を押入し、他端側に予圧治具を設けてアキシャル方向に30Nの予圧を印加した。続いて、自社製のノイズセンサを、外輪300aの外周面に設置し、回転数6800rpmを維持しながらノイズの大きさに対応させた電圧値を0.1秒間隔で10秒間記録し、ノイズレベルを計測した。
図8及び図9は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係る接触荷重について説明する表及びグラフである。図8の上段は、ポケット21cの径を、玉11aの径(ボール径)で除した値を示す。また、図8の下段は、玉11aがポケット21cと接した際、ポケット21cに掛かる最大接触荷重の計算値(N)である。また、図9は、図8のデータをプロットしたものである。図8及び図9より分かるように、最大接触荷重は、ポケット径/ボール径の値が1に近いほど、顕著に増加する。ポケット21cの直径が、玉11aの直径の1.03倍を下回ると、最大接触荷重が300Nより大きくなり、保持器が損傷する可能性がある。従って、ポケット21cの直径は、玉11aの直径の1.03倍以上が望ましい。
なお、図8及び図9に係る計算条件は以下の通りである。同一のボール径で、ポケット径/ボール径の比率を異ならせたもみ抜き保持器21を組み込んだ複数のターボチャージャー用玉軸受ユニット70を想定し、それぞれについて、計算を行った。計算では、回転数40万rpm、アキシャル方向の荷重を80N、ラジアル方向の荷重を130N、を条件として与えた。
以上のように、ポケット径/ボール径の比率は、大きすぎれば玉11aがポケット21c内で振動することによりノイズが大きくなり、一方で小さすぎれば最大接触荷重が増大する。従って、ポケット21cの直径が、転動体である玉11aの直径の1.03倍以上1.07倍以下であるのが望ましい。
続いて、ポケット21cの内周面の一部に形成される溝200aの役割について説明する。図10は、実施形態に係る保持器21のポケット21cの内周面に形成される溝200aについて説明する図である。図10において、保持器内周面21a及び保持器外周面21bは、それぞれ保持器21の内周面及び外周面を表す。ポケット21cは、保持器21の有する一つのポケットを表し、玉11aは、ポケット21cに保持される転動体を表す。矢印23は、保持器21の回転方向を表す。実施形態では、ターボチャージャー用玉軸受ユニットの場合を想定しているので、保持器21は、タービン3の回転に伴い、一方向のみに回転する。なお、玉11aの回転方向は、保持器21の回転方向と逆方向の回転方向となる。
ここで、溝200aが、ポケット21cの内周面の一部に、保持器21の半径方向に沿って形成されている。より具体的には、図10に示されているように、溝200aは、ポケット21cの中心位置よりも、もみ抜き保持器21の回転方向側に形成される。換言すると、溝200aは、玉11aが回転時に周方向で近接する範囲以外の範囲の内周面の一部に形成される。なお、回転時においては、玉11aは、図10に示すように、ポケット21cにおいて、ポケット21cの中心位置に対してもみ抜き保持器21の回転方向側とは反対側の内周面部分に押しつけられ、この内周面部分においてポケット21cと近接する(回転時の接触部)。この回転時の接触部とは周方向反対側(すなわち、図10におけるポケット21cの上部)に、潤滑剤を保持するための溝200aが保持器21の半径方向に沿って保持器21の回転方向側に設けられることで潤滑剤がポケット内に入り込みやすくなり、潤滑特性の向上が図られる。加えて、潤滑特性の向上が図られることで、ターボチャージャー用玉軸受ユニット70の寿命も増大する。
なお、ポケット21cと溝200aの接続部分が滑らかでないと、保持器21の回転時に接続部分に玉11aが接触して保持器21の破損の原因となることから、玉11aが保持器21の内周面と、溝200aとは、曲線や円弧などで滑らかに接続されて形成されるのが望ましい。
以上のように、実施形態に係るーボチャージャー用玉軸受ユニットは、潤滑特性を悪化させずにラトリングノイズを低減させることができる。
実施形態は、これに限られない。一例として、溝200aの形状は、図10に示されたような円弧の形状に限られず、楕円の一部、放物線、双曲線その他の曲線、又は矩形であってもよい。また、形成される溝は1つに限られず、例えば図11のように、溝200b及び溝200cの二つの溝が形成されてもよい。また、実施形態は、ポケット径/ボール径の比率を1.03以上1.07以下とするもみ抜き保持器が、保持器21及び保持器22の双方である場合であっても、保持器21及び保持器22のいずれか一方である場合であっても良い。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
10a、10b 内輪
300a 外輪
21、22 保持器(もみ抜き保持器)
21c ポケット
200a 溝

Claims (4)

  1. 軸方向に離間して形成された一端側外輪軌道面と他端側外輪軌道面とを内周面に有する円筒状の外輪と、
    前記一端側外輪軌道面に対向する第1の内輪軌道面を有する第1の内輪と、
    前記他端側外輪軌道面に対向する第2の内輪軌道面を有する第2の内輪と、
    前記一端側外輪軌道面と前記第1の内輪軌道面との間に配置された複数の玉を保持する第1のもみ抜き保持器と、
    前記他端側外輪軌道面と前記第2の内輪軌道面との間に配置された複数の玉を保持する第2のもみ抜き保持器と、
    を備え、
    前記第1のもみ抜き保持器及び前記第2のもみ抜き保持器の少なくともいずれかにおいて、
    前記玉を転動可能に保持するポケットが周方向に複数形成され、
    前記ポケットの直径は、前記玉の直径の1.03倍以上1.07倍以下である、ターボチャージャー用玉軸受ユニット。
  2. 前記ポケットの内周面のうち、前記玉が回転時に前記周方向で近接する範囲以外の範囲の内周面の一部に、溝がもみ抜き保持器の半径方向に沿って形成されている、請求項1に記載のターボチャージャー用玉軸受ユニット。
  3. 前記溝は、前記ポケットの中心位置よりも、前記もみ抜き保持器の回転方向側に形成される、請求項2に記載のターボチャージャー用玉軸受ユニット。
  4. 前記ポケットの内周面と、前記溝とは、滑らかに接続するように形成された、請求項2に記載のターボチャージャー用玉軸受ユニット。
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