JP2019094524A - アルミニウム合金製フローティングメタルベアリング - Google Patents

Abstract

【課題】軸受ロスを軽減させるという課題を解決すべく、比重の小さなアルミニウムを利用して軸受の軽量化を図り、回転の追従性を高めるとともにターボラグを減少させ、自励振動の抑制と、ノイズによる騒音の低減を図ることを課題とするものである。【解決手段】すべり軸受けの素材に、重量比において、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、その他各々の合計およびそれ以外の残部がアルミニウム（Ａｌ）から組成されるアルミニウム合金製とし、吸気側と排気側の双方のフローティングメタルベアリングの受け部となるベアリングハウジングにそれぞれ別個に軸受けされる構成を採用した。【選択図】図１

Description

本発明は、滑り軸受けに関し、詳しくは、自動車用の排気タービン式ターボチャージャーのタービンシャフトの軸受けに軽量なアルミニウム合金を素材とするフローティングメタルベアリング技術に関するものである。

自動車用排気タービン式ターボチャージャーは、空気の密度を高め、より多くの酸素を燃焼室に送ることで、大気圏の中でも酸素濃度の低い高度の飛行を可能とする航空機技術から、自動車の内燃機関に用いる過給装置として転用された技術である。自動車用排気タービン式ターボチャージャーは、開発当初から現在に至るまでの間に多くの変遷を経て現在に至っており、開発当初の目的は出力の向上であり、１９７３年に自動車に最初に排気タービン式ターボチャージャーを搭載したＢＭＷ社の２００２ターボは、約３０％もの出力向上を果たしての登場であり、日本ではその後、ＤＯＨＣ（ダブルオーバーヘッドカムシャフト）との組み合わせ、インタークーラーによる更なる高出力化、タービンブレードのセラミックス化、タービンシャフトにボールベアリングを採用するなど、自動車メーカーで高出力競争が繰り広げられたという時代背景がある。

このように、排気タービン式ターボチャージャーに関する技術は高められてきたが、近年のニーズは、化石燃料枯渇化の回避や排出ガスによる環境への影響や、環境負荷低減に目が向くようになり、ヨーロッパを中心とした小型ディーゼルエンジンや、我が国で進められている小排気量ガソリンエンジンに適合する適し、低回転域から加給可能な排気タービン式ターボチャージャーの開発が急務な現状である。

通常、排気タービン式ターボチャージャーは、内燃機関から排出される排気ガスを動力として利用するため、排気側インペラには、８００℃を超える超高温の燃焼ガスにさらされ、軸受けにも係る排気ガスからの伝熱により温度は上昇し、温度の上昇と下降が繰り返されるなど、温度変化も激しく、また、２０万回転にも達する程の超高速回転に耐えなければなないという、常に過酷な環境に耐えられるようため、その素材の選択には十分な検討が必要である。

更にまた、滑り軸受けは加減速時の摩擦抵抗が大きく、アクセルを開けてから吸気圧上昇までの過給の追従性はボールベアリングに比して劣り、そのため過給のタイムラグが生じる問題や、必要以上にアクセルを踏み込んでしまうことによる燃費の低下を招く場合がある。なお、追従性能が求められる一部の競技車両等では、接触による軸受けロスの低いボールベアリングを使用するもあるが、タービンシャフト周りの回転体による慣性モーメント増加に起因した振動やコスト面での問題を有している。

また、タービンシャフトは、通常、吸気側と排気側の外側、若しくは内側の２か所に浮動型のベアリング、又はボール型のベアリングによって軸支されるものが多いが、係る二つのベアリングが、軸芯に対してずれが生じないよう加工しなくてはならない。係る加工精度に狂いが生じると振動や騒音の原因となる。そこで、一部の排気タービン式ターボチャージャーでは、二つのボールベアリングを一体化してベアリングハウジングの軸受け部に備える構成のものも登場している。係る構成によれば、軸芯がぶれることなく、振動の抑制が図られるものと考えられる。しかしながら、ボールベアリングでは軸周りの回転体に生じる慣性モーメントが大きくなり、自励振動が発生するという問題が生じ、これを原因としてノイズの発生が生じるという問題が解決されていない。

なお、従来からも、前記の問題を解決すべく、本発明者以外からも種々の技術提案がなされている。例えば、発明の名称を「ターボチャージャー」とする技術が開示されている（特許文献１参照）。具体的には、「タービンとコンプレッサとを連結したシャフトと、前記シャフトを回動可能に支持する軸受部を有する軸受ハウジングと、前記シャフトと前記軸受部との間に介装されるすべり軸受と、を具備するターボチャージャーであって、前記軸受部はアルミニウム系材料で形成され、前記シャフトは鉄鋼材料で形成され、前記すべり軸受は銅系材料で形成される、ターボチャージャー。」が公開され公知技術となっている。しかしながら、特許文献１に記載の技術は、本発明の課題であるアルミニウム合金製を用いることによる軽量化を解決するに至っていない。

また、発明の名称を「フローティングメタルを備えた軸受け」とする技術が開示されている（特許文献２参照）。具体的には、「回転軸の外周との間に第１摺動面隙間を有するとともに、軸受車室の内周との間に第２摺動面隙間を有するように設けられているフローティングメタルを備えた軸受において、中心を一致させて該回転軸に直交する平面で切った切り口での前記第１摺動面隙間と第２摺動面隙間の少なくとも１つが、周上一定でなく、複数個の漸減から成る形状になっており、かつ、該摺動面隙間に給油する給油孔がその隙間の最大の個所に設けられていることを特徴とする、フローティングメタルを備えた軸受」が公開され公知技術となっている。しかしながら、特許文献２に記載の技術は、本発明の課題であるアルミニウム合金製を用いることによる軽量化を解決するに至っていない。

また、発明の名称を「ターボチャージャー用のスラストベアリングの製造方法およびターボチャージャー用のスラストベアリング」とする技術が開示されている（特許文献３参照）。具体的には、「ターボチャージャー用のスラストベアリングの製造方法において、圧粉芯材を得る工程と、圧粉芯材を金型内に供給する工程と、圧縮成形する成型工程とを有し、オイルの流路を形成し、圧粉成型体を形成する工程であり、焼結工程を有し、金属粉末に相当する部分が接合しており、摺動性および耐摩耗性に優れることを特徴とするターボチャージャー用のスクラスベアリングの製造方法。」が公開され公知技術となっている。しかしながら、特許文献３に記載の技術は、本発明の課題であるアルミニウム合金を用いることによる軽量化を解決するに至っていない。

なお、既に生産され実用化されているフローティングメタルベアリング中には、回転体の慣性モーメント低減と軸振動の提言を狙って、タービンホイールにチタンアルミニウム合金製を用いたものや、インペラおよびタービンシャフトにマグネシウム合金製を用いたものがある。これらは、回転体の回転モーメントを４２％低減し、更に軸の曲げ共振回転数を４４％上昇させることに成功した技術が商品化されている。しかしながら、軸受そのものにアルミニウム合金を用いたものは無く、回転体の一部として回転するベアリングメタルの軽量化についてはいまだに鋼合金製等のものが用いられている現状であり、より軽量なアルミニウム合金製のフローティングメタルベアリングの登場が期待されている。

特開２０１３−２０９９３４号 特開平１−１９３４０９号 ＷＯ２０１４０１０４２９Ａ１号 特許第５４７７９３０号

本発明は、前記の軸受けロスを軽減させるという課題を解決すべく、比重の小さなアルミニウムを利用することで軸受けの軽量化を図り、回転の追従性を高めるとともにターボラグを減少させることに着目し、他方で、鋳鉄や他の非鉄金属の合金等と比較して耐熱性、耐摩耗性が低いというアルミニウムの特性から、従来高温下で使用される排気タービン式ターボチャージャーに用いる軸受けの素材としては、選択しにくかったという現状があり、これらを解決した排気タービン式ターボチャージャー用メタルベアリングとして利用可能な技術の提供を課題とするものである。

また、一般にタービンシャフトにフローティングメタルベアリングを採用する場合では、シャフトの回転が高速になるため、自励振動が発生しやすいという問題が存在している。この点にいては対し本発明者は、制振効果の高いフローティングメタルベアリングに関して、軸受けの等角等方位置に真円度が異なる部分を設けた滑り軸受けを開発してすでに特許化をはかっている。係る技術を更に高めるためにも前記メタルベアリングの課題であったアルミニウム合金を利用することによる軽量化の実現を可能とする技術との組み合わせにより相乗効果が期待でき、より課題の解決に資するものであるといえる。

本発明は、排気タービン式ターボチャージャーのタービンシャフトの吸気側と排気側をそれぞれ別個に軸受けする滑り軸受けであって、その素材が重量比において、ケイ素（Ｓｉ）：１０．０〜１１．５％、鉄（Ｆｅ）：０．５０％以下、銅（Ｃｕ）：２．０〜３．０％、マンガン（Ｍｎ）：０．１０％以下、マグネシウム（Ｍｇ）：０．２０〜０．５０％、亜鉛（Ｚｎ）：０．１０％以下、チタン（Ｔｉ）：０．１０％以下、その他各々０．１０％以下であってその他の合計が０．１５％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）から組成されるアルミニウム合金製である構成を採用した。

また、本発明は、排気タービン式ターボチャージャーのタービンシャフトの吸気側と排気側をそれぞれ別個に軸受けする滑り軸受けであって、その素材が重量比において、ケイ素（Ｓｉ）：９．５〜１１．５％、鉄（Ｆｅ）：０．５０％以下、銅（Ｃｕ）：４．０〜５．０％、マンガン（Ｍｎ）０．３％以下、マグネシウム（Ｍｇ）０．４０〜０．８０％、亜鉛（Ｚｎ）０．５％以下、チタン（Ｔｉ）０．２％以下、その他各々０．１０％以下であってその他の合計が０．１５％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）から組成されるアルミニウム合金製である構成を採用することもできる。

また、本発明は、軸受け穴の表面に真円度を変化させることにより流体潤滑条件の異なる領域を軸芯から等角等方的に複数連続して備えた構成を採用することもできる。

また、本発明は、前記流体潤滑条件の異なる領域が６個である構成を採用することもできる。

本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングによれば、素材にアルミニウム合金製にすることにより、従来の銅系と比較して比重が約三分の一であることから軽量化を実現でき、回転物の慣性力を低減しレスポンスの向上とターボラグの減少を図ることを可能とするという優れた効果を発揮する。

また、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングによれば、滑り軸受けを排気タービンの両側のインペラの内側にそれぞれ二つ配置するか、若しくは外側に配置するか、更には一方を内側、他方を外側というようにタービンの軸受け位置をタービンシャフト上でインペラの前後を選択的に配置可能であることから、インタークーラー等からの冷却系統や、タービンシャフトの長短等の設計の自由度を高めることが可能であるという優れた効果を発揮する。

また、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングによる前記の効果と、本発明者が既に特許化をはかっている、振動の抑制に関する技術との結合により、相互の効果が相乗的に発揮され、高性能排気タービン式ターボチャージャーの提供を可能とする優れた効果を発揮するものである。

本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングの基本構成を示す構成説明図である。 本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングを使用する排気タービンの構成を説明する構成説明図である。 本発明を利用した排気タービン式ターボチャージャーの全体構成を説明する配置構成説明図である。

本発明は、排気タービン式ターボチャージャー１０用のタービンシャフトメタルベアリングに比重の小さなアルミニウム合金を利用し軽量化を図ることでタービンの回転レスポンスの向上とターボラグの減少、並びに振動の抑制を可能としたことを最大の特徴とするものである。以下、図面及び表に基づいて説明する。但し、係る図面や表に記載された形状や構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の創作として発揮する効果の得られる範囲内で変更可能である。

図１は、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１の概略を説明する説明図であり、図１（ａ）は、アルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１の形状を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、アルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１を軸方向から見た側面、及び軸に垂直な方向から見た片断面を示している。なお、本発明は、タービンシャフトの吸気側インペラ（３３）と排気側インペラ（３２）の２ヶ所に用いるが、図面上では一方のみを示した。

タービンシャフト３１の軸受けに用いられる滑り軸受けは、通常と同様にフルフローティングメタルベアリング２０、スラストベアリング２１、又はスラストカラー２２から構成されている。

スラストベアリング２１は、タービンシャフト３１に加わる空気圧力、ガス圧量や振動による軸方向の力を支える軸受けであり、排気圧は大きくても１．５ｋｇｆ／ｃｍ^２（１５０ｋＰａ）程度であるため、スラストベアリング２１に係る圧力はそれほど高いものではなく、本発明に係るアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２製の機械的特性で十分対応可能であることから、フローティングメタルベアリング２０と併せて排気タービン３０の軽量化を図ることが望ましい。

スラストカラー２２は、従来の滑り軸受けで用いられるものもあるが、本発明に係る別体型のアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１では、スラストカラー２２は不要である。

フローティングメタルベアリング２０は、円筒状の軸受けで内外周の軸とベアリングハウジング４０とのクリアランスを維持して接し、回転自在である。また、内外集の油膜でダンピング効果が高く、相対速度も低くなり高速軸受けに適しているといえる。そこで本発明は、これらの問題を解決するとともに、今後益々増加するであろう、ダウンサイジングされる小排気量の内燃機関を搭載するエンジンのターボ化に必要な技術といえる。

オイル供給溝２４は、外周に周設され、複数のオイル供給孔２５を繋ぐ溝でありエンジン側から供給される潤滑油をベアリングハウジング４０との間に油膜を持って保持するとともに浮動性を向上させるために有効な構造である。

オイル供給孔２５は、外周から軸受け穴２６まで軸芯から等角等方位置に複数設けられたオイル供給のための孔部である。該オイル供給孔２５は、６個に配置した構成とすることが望ましい。但し、係る配置数に限定されるものではなく、本発明の技術的要部ともいうべき、流体潤滑条件の異なる領域を存在させることによって、センタリング効果と自励振動の抑制の効果が得られる限り、係る配置数は自由に設定できるものである。

軸受け穴２６の表面には、流体潤滑条件の異なる領域が軸芯から等角等方等距離に複数連続して備えるように内面加工されて成り、該流体潤滑条件の異なる領域は前記略真円の軸受け穴２６の表面において、略真円の軸の表面とのクリアランスによって形成される膜状のオイル流路に、軸芯方向に向かう略凸状の狭い流路が形成されるように真円度を僅かに変化させ、その僅かな膜状の流路で油圧変化を生じさせることで、低回転領域から高いセンタリング効果を発揮し、ノイズ発生を軽減する構成を採用することが望ましい。

図２は、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１を使用する排気タービン３０の構成を説明する構成説明図である。図２に示す通り、排気タービン３０は、排気側インペラ３２、吸気側インペラ３３、タービンシャフト３１、別体型のフローティングメタルベアリング２０で構成されることを示している。

排気タービン３０は、排気側インペラ３２と吸気側インペラ３３をタービンシャフト３１の両端に配置して固定される回転体である。

排気側インペラ３２は、排気ガスのエネルギーを回転運動として吸収するための羽根車であり、タービンシャフト３１を介して反対側の端部に設けられる吸気側インペラ３３へと伝達するものである。係る排気ガスによる動作流体を効率よく吸収して回転運動へと変化させるため、複数の羽根は過給のために適した形状に成形され、また、ガソリンエンジンでは排気ガスの温度が１０００℃を超える場合もあるため、係る温度にも耐えうる素材が必要となる。なお、従来からセラミック素材やチタン合金などが一部の競技車両等で用いられているが、セラミックは耐熱性が優れるものの、割れ等が生じ易く、チタン合金製は高価でコスト的な問題を有している。そこで、本発明では、軸受けにアルミニウム合金を用いることで、回転体の慣性力による過給のレスポンスを向上させることを目的とすることから、同一軸芯上を回転する排気側インペラ３２についても可能な限りの軽量化を図ることが有効である。

吸気側インペラ３３は、排気側インペラ３２が排気ガスによって回転させられた回転駆動力により回転し、大気中から流入する自然空気圧力と、流速を増加させて、シリンダー内へ押し込むための羽根車である。なお、タービンは２０万ｒｐｍもの高回転となるため、インペラ３２の羽根の先端付近では音速を超える速度となり、空気抵抗によっても加熱され、係る空気の接触に対する強度も必要である。

すべり軸受けの設計には、使用温度、荷重、すべり速度、相手材材質、トルク、精度、環境、運動形態、期待寿命等の諸条件を明確に把握しておく必要がある。本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１では、軸受材の許容面圧や許容すべり速度を考慮するとともに、使用温度、相手材材質、潤滑条件等の検討が必要であり、

面圧Ｐ（Ｐａ）とすべり速度Ｖ（ｍ／ｍｉｎ）の積として表わされるＰＶ値を利用して、軸受材の使用可能な運転許容範囲を判定する。但し、面圧及びすべり速度にも各許容値があり、使用可能な範囲は、面圧と滑り速度でそれぞれに許容値を定めるＰＶ曲線となる。なお、すべり速度Ｖの計算式は、Ｖ＝π×ｄ×ｎＸ１０^−３で求められる。

図３は、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１が排気タービン式ターボチャージャー１０に組み込まれた状態の概略説明図であり、タービンシャフト３１の排気側と吸気側を軸受けするベアリングハウジング４０に、別体型のフローティングメタルベアリング２０をそれぞれ組み込んだ状態を示している。

タービンハウジング５０は、排気側インペラ３２を包み、排気ガスの導入部分、及び吐き出し部分とにより構成される部品であり、エンジンからの排気ガスを加速させ、排気側インペラ３２に導く役割を果たすものである。係るタービンハウジング５０は、排気ガスを直接導くため高温下に常にさらされ、耐熱性、放熱性、および熱膨張しにくいなどの特性を有する鋳鉄製のものが一般的に用いられている。

ベアリングハウジング４０は、タービンハウジング５０とコンプレッサーハウジング６０の中間にあって、タービンシャフト３１の軸受部を備え、前記両ハウジングを結合し、支える機能を持つものである。本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１における構成は、吸気側と排気側とそれぞれ別個にフローティングメタルベアリング２０をベアリングハウジング４０で軸受けする構成を採用した場合を例示している。

コンプレッサーハウジング６０は、吸気側インペラ３３を包み、空気の吸い込み部分および吐き出し部分から構成されて空気を導くとともに、吸気側インペラ３３で与えられた動圧を静圧に変換する機能を有するものである。

図１から図３に示されるように、本発明は、外見からは通常のフローティングメタルベアリング２０と何ら変わらないように見えるものである。しかしながら、本発明の技術的要部は、外見から判断できるものではなく、従来使用できなかったアルミニウム合金を改良して利用可能とした点にあり、その構成についての配合比率は表１に示した通りである。

表１は、ベースの金属に配合される各種金属の比率を示すもので、本発明に係る請求項１又は２に係る発明をそれぞれ上から順にアルミニウム合金ＡＡ１とＡＡ２として示し、その下方には、従来よりタービンシャフト３１に用いられている銅系合金を示し、比較できるようにしたものである。

ケイ素（Ｓｉ）は、含有することにより熱による膨張を抑え、耐摩耗性の向上を図るものであり、含有率は９．５Ｗｔ％から１１．５Ｗｔ％の範囲以内であって、より好ましくは１０．０Ｗｔ％から１１．５Ｗｔ％の範囲以内であることが望ましい。

鉄（Ｆｅ）は、焼付き防止のために含有する。但し、鉄の含有量を増やすと強度を低下させることになる。含有率は０．５Ｗｔ％以下が望ましい。

銅（Ｃｕ）は、強度を向上させるため含有するまた、更にニッケルを加えることにより、更に強度の向上を可能とする。含有率は２．０Ｗｔ％から５．０Ｗｔ％範囲以内であって、好ましくは２．０Ｗｔ％から３．０Ｗｔ％又は４．０Ｗｔ％から５．０Ｗｔ％の何れかの範囲以内であることが望ましい。

マンガン（Ｍｎ）は、アルミニウムの耐蝕性をそのままに強度を向上させることができ、更にマグネシウム（Ｍｇ）の含有によりその強度の向上を高めるものである。含有率は０．３Ｗｔ％以下の範囲以内であって、より好ましくは０．１Ｗｔ％以下であることが望ましい。

マグネシウム（Ｍｇ）は、含有することにより強度と耐蝕性を向上することが出来る。但し、冷間加工のままでは経年変化により強度が落ちるため安定化処理を行う。特に高温で使用する排気タービン式ターボチャージャー１０においては、応力腐食割れの問題があるため、軟質材の髭右が必要となる。更に、マグネシウム（Ｍｇ）とケイ素（Ｓｉ）を一定の含有比で含有すると、熱処理による時効硬化に寄与する。含有率は０．２Ｗｔ％から０．８Ｗｔ％の範囲以内であって、好ましくは０．２Ｗｔ％から０．５Ｗｔ、熱処理することによりアルミニウム合金中最も高強度の合金となる。含有率は０．５Ｗｔ％％又は０．４Ｗｔ％から０．８Ｗｔ％の何れかの範囲以内であることが望ましい。

亜鉛（Ｚｎ）は、マグネシウム（Ｍｇ）とともに含有し以下であって、より好ましくは０．１Ｗｔ％以下であることが望ましい。

チタン（Ｔｉ）は、結晶粒微細化や機械的性質向上、或いはＡｌ−Ｃｕ系合金などで、引け割れ防止を図ることが出来る。但し、含有量が過剰になると溶湯粘性が増加するという問題が生じる。含有率は０．２Ｗｔ％以下の範囲以内であり、より好ましくは０．１Ｗｔ％以下であることが望ましい。

本発明に係るアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２は、上記の組成である。従来の滑り軸受けに用いられる金属としては、ホワイトメタル、銅合金、鋼合金等が使用されてきた。係るホワイトメタルは、室温での耐焼付き性、順応性、埋収性は良好で、静荷重用軸受けに用いるのであれば最適な素材といえる。しかし、高温に晒される排気タービン式ターボチャージャー１０のタービンシャフト３１に用いる軸受けの素材としては限界が低いものであった。

銅鉛合金、又は鉛青銅合金等は、上記のホワイトメタルに代わって軸受けの素材として研究されたものであり、ホワイトメタル欠点を改善し、更に高い耐摩耗性等を備えることを可能とする金属である。但し、銅をベースに合金化されたものの多くは、銅が軸へ浸透することによる問題があり、係る問題を解決すべく、現在では、表面にコーティングされるようになっているため、コスト高となり、製造工程における手間や時間が大きくなるという問題を有している。

そこで、比重の小さいアルミニウム合金による軸受けも既に開発されるようになり、すずや鉛の軟質な元素を独立した成分として存在させたＡｌ−ＳＡやＡｌＣｕ等とも使用されるようになってきている。わが国では、合金の技術としてアルミニウムをベースにする合金の技術として、アルミニウム合金を軸受けに用いた場合には強さと軟らかさの両方の特性を兼ね備えさせることが可能で、通常メッキ無しで使用できるという従来製品にはない有利な効果を発揮するものである。係るアルミニウム合金において、すずの含有量を増加させるとともに、耐焼付き性と耐食性に優れるＡｌ−Ｓｎ系合金や、硬質物のケイ素（Ｓｉ）を含有したＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系合金は、耐摩耗性及び耐疲労性が優れ、自動車エンジン用軸受けの主流となり、日本の提案によりＩＳＯ規格に追加された合金の一種でもある。

そこで、高温化における軸受けにも比重の小さなアルミニウム合金を利用できれば、軽量な排気タービン３０を構成することができ、前記追従性の問題や熱伝導などの多くの問題点を解消することができるといえる。しかし、アルミニウム（Ａｌ）の融点は約６６０℃で、再結晶温度も約２００℃と低く、更にクリープ反応を１８０℃で発生させてしまうなど、２００℃付近で使用する排気タービン式ターボチャージャー１０のタービンシャフト３１を軸受けする軸受けには使用できないものであった。

そこで、本発明では、排気タービン式ターボチャージャー１０のタービンシャフト３１付近の潤滑オイルは、１３０℃から１５０℃付近まで上昇することがあるので、軸受けには少なくとも１５０℃程度、望ましくは２００℃程度ではクリープが発生せず、強度や硬さ等の機械的特性が低下しない合金とすることが必要といえる。

そこで、本発明者は、上記それぞれの問題を全て解消するアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１の素材を研究開発し、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１の完成に至ったものである。

表２は、本発明に係るアルミニウム合金の機械的特性を調査した結果を示すものである。調査対象とした材料は、押し出し材料を室温にて調質（Ｔ６処理）後のものである。調査項目は、引張強さ（ＭＰａ）、０．２％耐力（ＭＰａ）、伸び（％）、並びに硬度（ＨＲＢ）である。

調質は、製品を１５０℃及び２００℃で１００時間使用した状態を想定して行なうものであり、Ｔ６処理後に硬度及び引張強さ測定を行ったものである。なお、係るＴ６処理は、アルミニウム合金の機械的性質、強さ、硬さ、及び、機械加工性を向上させるために、人工的に析出時効を行わせる処理を組み合わせた熱処理であり、溶体化・焼入れ・焼もどしを行うものである。

線膨張係数は、クリアランスの設計上必要な材料の特性であり、特定の方向に伸縮する伸縮率を示し、体積の変化に伴って膨張する熱膨張係数とは異なり、形状によって係数が変化する。本発明では、軸受けと軸との間の隙間という特定方向の膨張が問題となるが、アルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２は、それぞれ線膨張係数が２２．２×１０^−６／℃と２０．８１０^−６／℃となっており、従来品の代表的な銅合金（Ｃ１１００：引張強さ２１５Ｎ／ｍｍ^２から３１５Ｎ／ｍｍ^２、伸び２％から１０％、硬度８０以下）製のメタルベアリングに用いられていた１７．７×１０^−６／℃とする略同等の線膨張係数を有し、最も普及している真鍮製の２０．５×１０^−６／℃と同等の膨張特性を示すことから、熱影響によるクリアランス変化が従来の銅合金製や真鍮製の滑り軸受と同様となることを示している。但し、係る数値は、従来から用いられていた真鍮製等の滑り軸受けの相手方となるタービンシャフト３１に対応する膨張特性を考慮したものであって、タービンシャフト３１の素材が変化すれば、その素材に応じてＡＡ１とＡＡ２とを使い分ければよく、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１が利用できることは明らかである。

硬度は、フローティングメタルベアリング２０おいては、回転初期に接触し、回転が始まると油膜の上に軸受けが乗ることから、摩擦に対する耐摩耗性おいては有利な構成であり、高い耐久性を得られるという半面、タービンシャフト３１との関係で適宜硬度差が必要である。係る硬度差が少ないと磨耗しやすくなる。そこで、本発明では、従来のターボチャージャー用タービンシャフトジャーナル軸受けに用いられている銅合金、例えばＢＭ−９Ｅ（７５ＨＲＢ）、ＹＺ５Ｘ（７２ＨＲＢ）、Ｐ−３１Ｃ（８３ＨＲＢ）、ＡＴ−３Ｅ（９０ＨＲＢ）、という常温での硬度を有し、本発明ではＡＡ１が７９ＨＲＢ、ＡＡ２が８５ＨＲＢであって、２００℃では多少の硬度の低下は見られるものの、ＡＡ１で６０ＨＲＢ、ＡＡ２で７１ＨＲＢという硬度を有しており、前記銅合金と比較しても十分な性能を維持していることが分かる。

なお、引張強さについてもＢＭ−９Ｅ（４９０Ｎ／ｍｍ^２）、ＹＺ５Ｘ（２５０Ｎ／ｍｍ^２）、Ｐ−３１Ｃ（５９０Ｎ／ｍｍ^２）、ＡＴ−３Ｅ（６６０Ｎ／ｍｍ^２）と幅があるが、本発明は、２００℃においてＡＡ１は４２６Ｎ／ｍｍ^２でＡＡ２が４５８Ｎ／ｍｍ^２、１５０℃においてＡＡ１は３５９Ｎ／ｍｍ^２でＡＡ２が３９３Ｎ／ｍｍ^２であり、この範囲に含まれる引張強さを有している。なお、これは排気タービン式ターボチャージャー１０におけるタービンシャフト３１には、排気ガスから受ける圧力としてラジアル方向の荷重が小さいため、高い引張強さが要求されるものではない。

本発明に係るアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２の加熱状態における機械的特性を、表３に示す。なお、常温での機械的性質については、Ｔ６処理後の調質としてＴ６処理を行っているが、該Ｔ６処理は、アルミニウム合金の機械的性質、強さ、硬さ、及び、機械加工性を向上させるために、人工的に析出時効を行わせる処理を組み合わせた熱処理であり、溶体化・焼入れ・焼もどしを行うもので、製品を１５０℃及び２００℃で１００時間を使用したと想定して行なった実験結果である。

なお、表１に示したアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２から組成される合金を、表２の通りの機械的性質を調査した後、次の手順により高熱下での機械的性質の変化を調べた。具体的には、溶体化処理後に、人工時効硬化処理したものを積極的に冷間加工しないで、調質（Ｔ６（ＪＩＳ規格））した後、その後室温に戻しながら放置し、引張試験片加工後に常温における測定と引張試験器のヒーターで試験温度をそれぞれ１５０℃と２００℃で１００時間加熱し、当該加熱状態での引張試験等を実施した結果を表３に示す。

上記の機械的性質の測定結果、常温並びに１５０℃又は２００℃加熱状態における機械的特性の変化から、本発明に係るアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２を使用する排気タービン式ターボチャージャー１０に採用することについて検討する。軸受けが受ける温度はエンジンオイルの温度を上限とすることから、通常１５０℃程度にしか上昇しない。潤滑油温度から、少なくとも１５０℃、望ましくは２００℃における加熱されることはない。従って、係る温度領域において、自励振動及びノイズ発生を生ずることはなく、軽量化にともなったターボラグの軽減、レスポンスの向上を図ることが可能であることを確認することができた。また、１００時間経程度の使用後の磨耗状態については、測定できる範囲での表面粗さや真円度に影響は全く見受けられなかった。

本発明者は、表面粗さや真円度など、様々な加工条件を見直して行く中で、高精度な真円度特性や表面粗さ特性を向上させても、なかなかタービンからのノイズの発生、即ちそのノイズの原因となる振動の発生を抑えること難しかった経緯から、軸受け穴２６の内面における真円度を多角形的位置に僅かに変化させることで、振動の発生を抑止できるのではないかという着想の下に、真円度を種々変化させて、振動やノイズ発生の有無について実験を繰り返し、振動の発生を軽減できる技術「低振動型フローティングメタルベアリング」（特許文献４参照）（以下、「低振動滑り軸受け」という）を完成させており、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１のアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２素材を用いた低振動滑り軸受けとすることによって、相互の技術から生ずる効果を相乗的に発揮させることが可能となる。

即ち、低振動滑り軸受けに係る発明は、低回転領域から高回転領域まで高いセンタリング効果とノイズの発生を抑制する効果が得られるが、係る発明の効果は、回転の開始から発生するものであるため、回転体を構成する部品の一つであるフローティングメタルベアリング２０が軽量化されることで、タービン全体の軽量化も図られることとなり、ターボラグの抑制、レスポンスの向上、自励振動やノイズ等の騒音の発生を抑止することができる。

そこで、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１の軸受け穴２６表面に、流体潤滑条件の異なる領域を軸心から等角等距離に複数備え、軸受け穴２６の表面にクリアランスを僅かに変化させ、オイル流路内に軸芯方向に向かう略凸状の狭い膜状の流路を形成することで、油圧変化を生じさせる構成を採用することが望ましい。

更に、前記流体潤滑条件の異なる領域が、軸芯に向かう略凸状の狭い膜状流路と、外周方向へ向かう略凹状の広い膜状の流路とを穏やかに結ぶようにクリアランスを変化させた領域とすることも有効である。

係る構成の効果であるセンタリング性（自己求芯機能）は、レイノルズ方程式から発生する圧力の分布の通り、真円度が僅かに異なる部分を等角位置の同一円周縁部に配置すると、回転により生じる圧力変化が常に同じ大きさで同一円周上に等間隔で発生するため、その圧力差によりタービンシャフト３１には常に中心に向かう力が発生し、そのセンタリング効果は回転速度が低くても回転と略同時に発生する。そこで、タービンと回転する軸受けの重量を軽量化することができれば、本発明の課題を解決し、レスポンスの向上、ターボラグの軽減、自励振動の抑止、及び振動に起因したノイズの発生を低減する排気タービン式ターボチャージャー１０の提供を図ることが可能となる。

上記の構成とすることにより、より軽量で小型化を可能とし、最も問題視していた高温下におけるアルミニウム合金の機械的特性の低下に伴う軸受けとしての性能の低下は見られず、過給のための高回転における振動や騒音を軽減させる効果が発揮していることを、種々の測定結果、並びに実験により確認した。

本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングによれば、従来のターボチャージャーから、大きなコストや手間をかけることなく、レスポンスの向上、ターボラグの軽減、自励振動の抑制を可能とする排気タービン式ターボチャージャーの提供を可能とする点において、今後の我が国の自動車産業における利用可能性は高いものと思慮されるものである。

１ アルミニウム合金製フローティングメタルベアリング
１０ 排気タービン式ターボチャージャー
２０ フローティングメタルベアリング
２１ スラストベアリング
２２ スラストカラー
２４ オイル供給溝
２５ オイル供給孔
２６ 軸受け穴
３０ 排気タービン
３１ タービンシャフト
３２ 排気側インペラ
３３ 吸気側インペラ
４０ ベアリングハウジング
５０ タービンハウジング
６０ コンプレッサーハウジング
ＡＡ１ アルミニウム合金
ＡＡ２ アルミニウム合金

Claims (4)

1. 排気タービン式ターボチャージャー（１０）のタービンシャフト（３１）の吸気側と排気側をそれぞれ別個に軸受けする滑り軸受けであって、
   その素材が重量比において、
   ケイ素（Ｓｉ）：１０．０〜１１．５％、
   鉄（Ｆｅ）：０．５０％以下、
   銅（Ｃｕ）：２．０〜３．０％、
   マンガン（Ｍｎ）：０．１０％以下、
   マグネシウム（Ｍｇ）：０．２０〜０．５０％、
   亜鉛（Ｚｎ）：０．１０％以下、
   チタン（Ｔｉ）：０．１０％以下、
   その他各々０．１０％以下であってその他の合計が０．１５％以下、
   残部がアルミニウム（Ａｌ）
   から組成されるアルミニウム合金（ＡＡ１）製であることを特徴とするアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング（１）。
2. 排気タービン式ターボチャージャー（１０）のタービンシャフト（３１）の吸気側と排気側をそれぞれ別個に軸受けする滑り軸受けであって、
   その素材が重量比において、
   ケイ素（Ｓｉ）：９．５〜１１．５％、
   鉄（Ｆｅ）：０．５０％以下、
   銅（Ｃｕ）：４．０〜５．０％、
   マンガン（Ｍｎ）０．３％以下、
   マグネシウム（Ｍｇ）０．４０〜０．８０％、
   亜鉛（Ｚｎ）０．５％以下、
   チタン（Ｔｉ）０．２％以下、
   その他各々０．１０％以下であってその他の合計が０．１５％以下、
   残部がアルミニウム（Ａｌ）
   から組成されるアルミニウム合金（ＡＡ２）製であることを特徴とするアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング（１）。
3. 軸受け穴（２６）の表面に真円度を変化させることにより流体潤滑条件の異なる領域を軸芯から等角等方的に複数連続して備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング（１）。
4. 前記流体潤滑条件の異なる領域が６個であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング（１）。