JP2019078266A - ターボチャージャの軸受ブッシュおよびターボチャージャ - Google Patents

ターボチャージャの軸受ブッシュおよびターボチャージャ Download PDF

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Abstract

【課題】低摩耗を特徴とするターボチャージャの新規タイプの軸受ブッシュを提供する。【解決手段】ターボチャージャのシャフトを径方向に取り付けるためのターボチャージャの軸受ブッシュ（１）であって、軸受ブッシュ（１）は、取り付けられることになるシャフトに面する、軸受ブッシュの作動面（５）を形成する内面（４）に、少なくとも部分的に複数のカップ形状凹部の微細構造を備え、凹部は、次が当てはまるように最大深さを有し、Ｖ＝ｓＬＷ／ｔＭＡＸ≧０．１および／またはＲｅ＝（ｈＳＳ＋ｔＭＡＸ）＊ｖＭＡＸ／ｖＳＭ≦１８００、ただし、ｓＬＷは、軸受ブッシュ（１）とシャフトとの間の絶対隙間であり、ｔＭＡＸは、カップ形状凹部の最大深さであり、ｈＳＳは、軸受ブッシュ（１）とシャフトとの間の最小軸受隙間であり、ｖＭＡＸは、シャフトの最大周方向速度であり、ｖＳＭは、潤滑に利用される潤滑剤の動粘性率である。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャの軸受ブッシュおよびターボチャージャに関する。
ターボチャージャは、コンプレッサとタービンを備える。第１の媒体がタービンにおいて膨張し、その過程でエネルギーが抽出され、タービンにおいて抽出されるエネルギーは、第２の媒体をコンプレッサにおいて圧縮するのに利用される。排ガスターボチャージャの場合には、タービンにおいて膨張する第１の媒体は、内燃機関の排ガスであり、コンプレッサにおいて圧縮される第２の媒体は、内燃機関に供給されることになる給気である。
ターボチャージャのコンプレッサは、コンプレッサハウジングおよびコンプレッサロータを備える。ターボチャージャのタービンは、タービンハウジングおよびタービンロータを備える。コンプレッサロータとタービンロータとは、シャフトによって連結されている。シャフトは、コンプレッサハウジングとタービンハウジングとの間に位置決めされている軸受ハウジングにおいて取り付けられている。この場合、シャフトは、ラジアル軸受によって軸受ハウジング内に取り付けられている。ラジアル軸受は、軸受ブッシュである。
軸受ブッシュと、取り付けられることになるターボチャージャのシャフトとの構成は、ＥＰ２５９９９７９Ａ２により知られている。シャフトは、シャフト軸受領域で軸受ブッシュに取り付けられ、軸受ブッシュには、複数の通路が挿入されて潤滑剤が潤滑間隙の中に誘導される。ＥＰ２５９９９７９Ａ２によれば、軸受ブッシュ中に案内されるシャフトのシャフト軸受領域は、複数の部分、すなわち、２つの外側部分と１つの内側部分とに細分され、外側部分のうちの少なくとも一方は、その表面に微細構造を有する。特に始動／停止動作の際、ターボチャージャは、ラジアル軸受として働くそれらの軸受ブッシュの領域において高摩耗を受ける。始動／停止動作の際には、軸受ブッシュは、静水圧がないために、高負荷を受ける。これにより、軸受ブッシュの不具合が頻繁に生じる。
ＥＰ２５９９９７９Ａ２
低摩耗を特徴とするターボチャージャの軸受ブッシュ、およびそのような軸受ブッシュを有するターボチャージャの必要性が存在する。このことから始まって、本発明は、新規タイプの軸受ブッシュを創出するという目的に基づいている。この目的は、請求項１に記載の軸受ブッシュにより解決される。
本発明によれば、軸受ブッシュは、取り付けられることになるシャフトに面する、軸受ブッシュの作動面（running surface）を形成する内面に、少なくとも部分的に複数のカップ形状凹部の微細構造を備える。微細構造の凹部は、次が当てはまるように最大深さを有し、
Ｖ＝ｓＬＷ／ｔＭＡＸ≧０．１
および／または
Ｒｅ＝（ｈＳＳ＋ｔＭＡＸ）＊ｖＭＡＸ／ｖＳＭ≦１８００
ただし、
ｓＬＷは、軸受ブッシュとシャフトとの間の絶対径方向隙間（absolute radial clearance）であり、
ｔＭＡＸは、カップ形状凹部の最大深さであり、
ｈＳＳは、軸受ブッシュとシャフトとの間の最小潤滑間隙高さであり、
ｖＭＡＸは、シャフトの最大周方向速度であり、
ｖＳＭは、潤滑に利用される潤滑剤の動粘性率（kinematic viscosity）である。
軸受ブッシュの作動面の微細構造により、特に始動／停止動作における軸受ブッシュの摩耗の受けやすさを著しく抑えることができる。この場合、微細構造のカップ形状凹部の最大深さが、上記条件のうちの少なくとも一方、好ましくは、両方を満たすことの意義は大きい。
さらなる有利な展開形態によれば、次が当てはまる。
０．１≦Ｖ≦１０
および／または
Ｒｅ＝（ｈＳＳ＋ｔＭＡＸ）＊ｖＭＡＸ／ｖＳＭ≦１８００
そのような微細構造は、ターボチャージャの、特に始動／停止動作中の軸受ブッシュの摩耗の受けやすさを抑えるのに特に好ましい。
好ましくは、微細構造は、少なくとも、軸受ブッシュとシャフトとの間の集束潤滑間隙の領域内に位置決めされている軸受ブッシュの作動面のそのような部分内に導入される。軸受の負荷能力は、集束潤滑間隙の中に生まれる。そのため、少なくとも集束潤滑間隙の領域においては、微細構造は、軸受ブッシュの作動面内に導入される。
好ましくは、微細構造は、潤滑ポケットの外側で、軸受ブッシュの作動面内に導入される。特に、微細構造が、潤滑ポケットを除く、軸受ブッシュの作動面の領域内全体に導入される場合、軸受ブッシュは、容易に製造され得、軸受ブッシュが回転し得るときでも軸受ブッシュの摩耗の受けやすさを抑えることができる。
本発明によるターボチャージャは、請求項１０に定義されている。
本発明の好ましいさらなる展開形態は、下位請求項および次の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、図面によって、これに対する限定なしに、より詳細に説明される。
軸受ブッシュの軸方向断面図である。 軸受ブッシュの、装着したシャフトとの径方向断面図である。 複数のカップ形状凹部の微細構造のタイプの平面図である。 複数のカップ形状凹部の微細構造のタイプの平面図である。 複数のカップ形状凹部の微細構造のタイプの平面図である。 複数のカップ形状凹部の微細構造のタイプの平面図である。 １つのカップ形状凹部の横断面図である。 １つのカップ形状凹部の横断面図である。 １つのカップ形状凹部の横断面図である。 １つのカップ形状凹部の横断面図である。 １つのカップ形状凹部の横断面図である。 １つのカップ形状凹部の横断面図である。 １つのカップ形状凹部の横断面図である。 １つのカップ形状凹部の横断面図である。 複数のカップ形状凹部の横断面図である。 複数のカップ形状凹部の横断面図である。
本発明は、ターボチャージャのシャフトの径方向取付けのためのターボチャージャの軸受ブッシュに関する。そのような軸受ブッシュの基本的構造が、図１に示されている。したがって、図１は、軸受ブッシュ１を横断面で示し、この軸受ブッシュ１は、シャフト３を案内し取り付けるための凹部２を備える。図２は、軸受ブッシュ１の、シャフト３との横断面図を９０°回転して示している。
シャフト３を案内し取り付けるように働く、軸受ブッシュ１の凹部２は、図１の軸方向断面で見て内面４によって境界付けられ、この内面は、中央においては円筒状に輪郭付けられた部分４ａ、および軸方向端部には円錐状にまたは円錐台様に輪郭付けられている部分４ｂ〜４ｃを含む。作動ブッシュ１の内面４の円筒状に輪郭付けられた部分４ａは、軸受ブッシュ１の作動面５を画定する。
図１から明白であるように、径方向に延びる潤滑通路６が、軸受ブッシュ１内に導入され、潤滑剤を軸受ブッシュ１に供給するように働く。したがって、潤滑間隙７は、軸受ブッシュ１の作動面５と取り付けるべきシャフトとの間に形成され、潤滑剤が供給されることになる。潤滑通路６は、軸受ブッシュ１の中を径方向に延び、作動面５の領域内の潤滑ポケット８へと通じている。例示的な実施形態においては、そのような３つの潤滑ポケット８は、軸受ブッシュ１の外周をわたって分散され、潤滑剤を潤滑間隙７に供給するように働く。
図２は、動作中、形成し得る、シャフト３と軸受ブッシュ１の作動面５との間の可能な相対位置を示している。したがって、外周方向で見て潤滑間隙７は、寸法が均一ではなく、潤滑間隙７の径方向厚さが変わることは、図２から明白である。図２においては、寸法ｈＳＳは、軸受ブッシュ１の作動面５とシャフト３との間のいわゆる最小軸受隙間を特徴とする。シャフト３の回転方向、したがって移動方向９で見ると、潤滑間隙７は、この最小軸受隙間ｈＳＳの方向に集束する潤滑間隙部分７ａと、移動方向９で見ると、この最小軸受隙間ｈＳＳから離れて広がる潤滑間隙部分７ｂとを有する。
本発明による軸受ブッシュ１の場合では、この軸受ブッシュ１の作動面５は、少なくとも部分的に複数のカップ形状凹部１０の微細構造を含む。凹部１０は、次が当てはまるように最大深さを有し、
Ｖ＝ｓＬＷ／ｔＭＡＸ≧０．１
および／または
Ｒｅ＝（ｈＳＳ＋ｔＭＡＸ）＊ｖＭＡＸ／ｖＳＭ≦１８００
ただし、
ｓＬＷは、軸受ブッシュ１とシャフト３との間の絶対隙間であり、
ｔＭＡＸは、カップ形状凹部１０の最大深さであり、
ｈＳＳは、軸受ブッシュ１とシャフト３との間の最小荷重隙間（minimum load clearance）であり、
ｖＭＡＸは、シャフト３の最大周方向速度であり、
ｖＳＭは、潤滑に利用される潤滑剤の動粘性率である。
軸受ブッシュ１とシャフト３との間の絶対隙間は、軸受ブッシュ１の作動面５の内径と、軸受ブッシュ１に取り付けられるシャフト３の断面の外径との差である。
好ましくは、次が当てはまる。
０．１≦Ｖ≦１０
および／または
Ｒｅ＝（ｈＳＳ＋ｔＭＡＸ）＊ｖＭＡＸ／ｖＳＭ≦１８００
軸受ブッシュ１は、特に微細構造のカップ形状凹部１０が上記条件のうちの少なくとも一方、好ましくは両方を満たすとき、摩耗を受けにくい。
すでに説明したように、微細構造は、少なくとも部分的に軸受ブッシュ１の作動面内に導入される。
この場合、微細構造は、軸受ブッシュ１とシャフト３との間の集束潤滑間隙部分７ａの領域内に位置決めされ、または外側において集束潤滑間隙部分７ａを境界付ける、軸受ブッシュ１の作動面５のそのような部分内に少なくとも導入される。
周方向で見ると、微細構造はまた、潤滑ポケット８を除く、作動面５の領域全体にわたって作動面内に導入されてもよい。
図３ａ、図３ｂ、図３ｃ、および図３ｄはそれぞれ、微細構造を形成するためのカップ形状凹部１０を含む、軸受ブッシュ１の作動面５の部分の平面図を径方向に見た方向で示している。
図３ａでは、これらのカップ形状凹部１０は、集合１１を形成する縦列と横列との形態で配置され、図３ａでは、各縦列または各横列において、凹部１０は、互いに対して等距離に配置され、平面図に見ると、カップ形状凹部１０はすべて、同一に矩形状に輪郭付けられている。図３ｂでは、修正が示され、ここではすべての凹部が、平面図で矩形状に輪郭付けられているが、凹部１０は、すぐ隣の横列に基づいて、互いに対して線状にオフセットされている。ひいては、図３ｃでは、すべてのカップ形状凹部１０が、矩形状に輪郭付けられているが、平面図における輪郭は、それらのサイズが互いに外れている。図３ｄでは、カップ形状凹部は、矩形であるのみならず、さらには、台形状に、すなわち、シャフト３の移動方向９で見て集束するようにかつ広がるように輪郭付けられているカップ形状凹部が示されている。本発明は、矩形状にまたは台形状に輪郭付けられたカップ形状凹部１０に限定するものではなく、カップ形状凹部はまた、むしろ、三角形状、丸形、円形状、または楕円形状などに輪郭付けられてもよい。カップ形状凹部１０は、回転シャフト３の移動方向９で見て、シャフト３の移動方向９に対して横方向で見て互いに対して線状にオフセット可能であるだけでなく、カップ形状凹部はまた、互いに対してひねられてもよい。
図４ａ、図４ｂ、図４ｃ、図４ｄ、図４ｅ、図４ｆ、図４ｇ、および図４ｈはそれぞれ、軸受ブッシュ１の作動面５における微細構造のカップ形状凹部１０の可能な横断面図を示している。
図４ａでは、カップ形状凹部１０は、矩形状に、すなわち、移動方向９で見て一定である溝底面１０ａ、したがって、移動方向９で見てカップ形状凹部１０の一定の深さにより輪郭付けられている。溝底面１０ａ、したがって、カップ形状凹部１０の深さは、図４ｄ、同様に図４ｆにおいてはやはり、移動方向９で一定であるが、図４ｄおよび図４ｆにおいては、溝底面１０ａに隣接する境界は、溝底面１０ａに対して垂直に延びるのではなく、この溝底面１０ａに対して傾斜している。図４ｂおよび図４ｃ、ならびに図４ｅでは、溝底面１０ａは、少なくとも部分的に移動方向９に傾斜して、したがって、図４ｂでは、移動方向９で見てカップ形状凹部１０の深さは、集束するように変わり、図４ｃおよび図４ｅでは、広がるように変わる。図４ｇおよび図４ｈでは、図４ａ〜図４ｆの例示的な実施形態とは対照的に、それぞれのカップ形状凹部１０の溝底面１０ａは、線状に輪郭付けられるのではなく、湾曲して、すなわち、図４ｇでは、シャフト３の方向に外側に向かって湾曲し、図４ｈでは、シャフト３から離れて内側に向かって湾曲している。
図５ａ、図５ｂは、図４ａ〜図４ｈに類似的に軸受ブッシュ１およびシャフト３の横断面図を示しているが、１つのカップ形状凹部１０の横断面図ではなく、各場合において、シャフト３の移動方向９で見て、あるカップ形状凹部１０が他のカップ形状凹部１０の後ろ側に位置決めされている複数のカップ形状凹部１０の横断面図である。図５ａでは、すべてのカップ形状凹部１０は、深さが同一であり、一方、図５ｂでは、カップ形状凹部１０の深さは、異なる。
したがって、本発明は、ターボチャージャ向けの軸受ブッシュ１に関し、この軸受ブッシュ１は、その作動面５の領域内に画定された微細構造を有する。軸受ブッシュ１内に取り付けられるシャフト３のシャフト部分は、滑らかに実装され得、または同様に、微細構造を有することができる。
軸受ブッシュ１の作動面５の微細構造を用いると、特に始動／停止動作中の軸受ブッシュ１の摩耗の受けやすさは、抑えられる。
カップ形状凹部１０は、始動／停止動作のためのある種の潤滑剤だめを形成する。さらには、カップ形状凹部１０は、ロータ力学的支持振舞い（rotor-dynamic support behaviour）を向上させる。全体として、軸受ブッシュ１のロータ力学的振舞いは、向上し得る。軸受ブッシュ１の摩耗の受けやすさは、抑えられる。
軸受ブッシュ１は、回転に抗するように固定されても、あるいはシャフト３に対して回転してもよい。
１ 軸受ブッシュ
２ 凹部
３ シャフト
４ 内面
４ａ 内面の部分
４ｂ 内面の部分
４ｃ 内面の部分
５ 作動面
６ 潤滑通路
７ 潤滑間隙
７ａ 潤滑間隙部分
７ｂ 潤滑間隙部分
８ 潤滑ポケット
９ 作動方向
１０ 凹部
１０ａ 溝底面
１１ 集合

Claims (10)

  1. ターボチャージャのシャフト（３）を径方向に取り付けるための前記ターボチャージャの軸受ブッシュ（１）において、
    取り付けられることになる前記シャフト（３）に面する、前記軸受ブッシュの作動面（５）を形成する内面（４）に、少なくとも部分的に複数のカップ形状凹部（１０）の微細構造を備え、前記凹部（１０）は、次が当てはまるように最大深さを有し、
    Ｖ＝ｓＬＷ／ｔＭＡＸ≧０．１
    および／または
    Ｒｅ＝（ｈＳＳ＋ｔＭＡＸ）＊ｖＭＡＸ／ｖＳＭ≦１８００
    ただし、ｓＬＷは、前記軸受ブッシュと前記シャフトとの間の絶対隙間であり、
    ｔＭＡＸは、前記カップ形状凹部の前記最大深さであり、
    ｈＳＳは、前記軸受ブッシュと前記シャフトとの間の最小軸受隙間であり、
    ｖＭＡＸは、前記シャフトの最大周方向速度であり、
    ｖＳＭは、潤滑に利用される潤滑剤の動粘性率である
    ことを特徴とする、軸受ブッシュ（１）。
  2. 前記微細構造が、潤滑ポケット（８）の外側で、前記軸受ブッシュの前記作動面（５）内に導入されることを特徴とする、請求項１に記載の軸受ブッシュ。
  3. 前記微細構造が、前記軸受ブッシュ（１）と前記シャフト（３）との間の集束潤滑間隙部分（７ａ）の領域内に位置決めされている前記軸受ブッシュの前記作動面（５）の部分内に少なくとも導入されることを特徴とする、請求項１または２に記載の軸受ブッシュ。
  4. 前記カップ形状凹部（１０）の深さが、異なることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の軸受ブッシュ。
  5. 前記カップ形状凹部（１０）の平面図において径方向に見た方向で、前記カップ形状凹部の輪郭が、異なることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の軸受ブッシュ。
  6. 前記カップ形状凹部（１０）が、矩形状、または三角形状、または台形状、または丸形に輪郭付けられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の軸受ブッシュ。
  7. 軸方向に見た方向で、前記カップ形状凹部（１０）の横断面が、異なることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の軸受ブッシュ。
  8. 前記シャフト（３）の回転方向で見ると、前記カップ形状凹部（１０）の溝底面（１０ａ）が、一定、および／または増加する、および／または減少する深さを伴って線状におよび／または湾曲して延びることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の軸受ブッシュ。
  9. 前記微細構造の前記カップ形状凹部（１０）が、等距離の、または等距離でない凹部（１０）の少なくとも１つの配列状の集合を形成し、前記それぞれの集合における前記凹部（１０）が、互いに対して線状にオフセットされている、および／または互いに対してひねられていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の軸受ブッシュ。
  10. 第１の媒体を膨張させるためのタービンであって、タービンロータを備える、タービンと、
    膨張中前記タービンにおいて抽出されるエネルギーを利用して第２の媒体を圧縮するためのコンプレッサであって、シャフトによって前記タービンロータに連結されているコンプレッサロータを備える、コンプレッサと、
    前記シャフトを径方向に取り付けるための少なくとも１つの軸受ブッシュ（１）と
    を備えるターボチャージャにおいて、
    前記軸受ブッシュ（１）または各軸受ブッシュ（１）が、請求項１から９のいずれか一項に従って形成されることを特徴とする、ターボチャージャ。
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