JP5060288B2 - 多厚フィルム層軸受カートリッジ及びハウジング - Google Patents

Description

ここに開示される主題は一般に内燃エンジンのためのターボ機械類に関し、特に転がり要素軸受カートリッジ（bearing cartridge）及びこのような軸受カートリッジのための軸受ハウジングに関する。

低摩擦軸受の利点は種々の産業分野において周知である。１，０００，０００を超えるＤＮ（dynamic number;動的数）値での高速応用は、ターボ機械類にとってありふれたものである。ロータの不平衡力はロータ速度の二乗の関数で増加するという事実のため、このような高速応用は減衰を必要とする。減衰がない場合、装置を通して伝達される力は、ノイズ、フレッチング（fretting;波立ち）、ジョイントの緩み及び全体の使用寿命の減少のような多くの既知の問題を生じさせる。更に軸受自体は、許容できない寿命を有することになる。これらの理由のため、ターボ機械類の軸受はそのハウジング内で強固に装着することができない。熟練したロータ力学設計技師は、このような力、特に、ロータが一般に「臨界速度」と呼ばれるその固有振動数（natural frequencies）に出会うときに遭遇する力を管理するために、自分の寿命の大半を費やす。

低摩擦転がり要素軸受を利用する大半のターボチャージャは、それぞれ所定軸方向においてスラスト荷重を許容する２つの角度接触ボール軸受（angular contact ball bearing）を使用し、これらの軸受は「カートリッジ（cartridge）」として一般に呼ばれるように、一緒に結合される。円柱座標系においては、軸受は、軸方向、半径方向及び方位方向（azimuthally）の寸法に関して画定することができる。以下の説明においてハウジングとして参照する軸受ハウジング内で、カートリッジは、１又はそれ以上の機構を介して軸方向及び方位方向に位置決めされる。

適正な機能のために、典型的には方位方向の位置決め機構により画定される半径方向のラインに沿って半径方向にある運動が生じることがある。ハウジングは普通、潤滑剤が軸受カートリッジの外表面へ流れるのを許容し、それによって、潤滑剤は軸受カートリッジに入ることができる。潤滑剤はまた、しばしば「スクイーズフィルム（squeeze film）」として言及されるフィルムをハウジングと軸受カートリッジの外表面との間に形成することができる。ハウジングと軸受カートリッジの外表面の一部との間の間隙は、典型的にはフィルム厚さを画定する。機械毎に、フィルム厚さは、潤滑剤の粘度、特定のロータ寸法、関連する不平衡力及び空間包囲制約のような多くのデザイン因子に応じて、厚さ及び長さを変化させる。

作動条件（例えば半径方向の運動等のため）が、フィルム厚さにある僅かな変化を生じさせることがあるが、最適なフィルム厚さは普通軸受カートリッジの外径及びハウジングの内径により特定されるデザインパラメータである。間隙が小さ過ぎる場合、スクイーズフィルムは過剰に剛直となり、許容できないロータの不平衡力を軸受カートリッジからハウジング及び周囲の装置に伝達させてしまう。一方、間隙が大き過ぎる場合、ロータ及び軸受カートリッジはハウジングの中心軸線からの過剰な半径方向の自由を有する。

この過剰な半径方向の自由は回転するタービン及びコンプレッサホイールとそのそれぞれの静止のハウジングとの間の接触（擦れ）を回避するのに必要な過剰な間隙を強いる。ハウジングに対するこれらのホイールの間隙は極めて望ましくない。その理由は、これらの間隙が二次的な空気乱流を生じさせ、コンプレッサ及びタービン段の熱力学的な効率を減少させてしまうからである。従って、設計技師は所望の最適なスクイーズフィルム減衰と望まない過剰なロータの半径方向の自由との間の折衷を強いられることになる。

全体的にみれば、減衰及びロータの半径方向の自由の双方を最適にするためにスクイーズフィルムダンパを使用する転がり要素軸受及び（又は）ハウジングに対して、産業上の要求が存在する。ここに提示する種々の例示的な軸受カートリッジ及びハウジングはこのような事項及び随意的には他の事項に対処する。

ここで説明する種々の方法、装置、システム、構成等及びその等価物の一層完全な理解は、添付図面に関連しての以下の詳細な説明を参照することにより達成できよう。

ここに開示する種々の例示的な方法、装置、システム、構成等はターボチャージャに関連する技術に関する事項に対処し、随意には、電気アシストターボチャージャに使用するのに適する。

図１Ａは、従来の軸受カートリッジ１００の斜視図である。円柱座標系は半径方向（ｒ）、軸方向（ｘ）及び方位方向（Θ）の寸法を有するものとして参照として示す。カートリッジ１００は中央区分１０６とカートリッジ１００のそれぞれの端部との間に位置する２つの環状のくぼみ１０４、１０４’を有する。カートリッジ１００の中央区分１０６はハウジング又はジャーナル内において軸方向及び方位方向でカートリッジ１００を位置決めするためにピンと共働する開口１０８を有する。くぼみ１０４、１０４’はそれぞれ外側区分１１０、１１０’に隣接して位置決めされる。外側区分１１０、１１０’は等しい外径を有し、これらの外径はハウジングと一緒に間隙を画定し、それによって、潤滑剤フィルムｆ、ｆ’の形成を許容する。

図１Ｂは、従来のハウジング１６０内の従来の軸受カートリッジ１００の断面図である。ピン１６２は、半径方向における自由を許容した状態で、軸方向及び方位方向でカートリッジ１００を位置決めするように作用する。潤滑剤はピン１６２の導管を介してカートリッジ１００の中央区分１０６に隣接する潤滑剤入口くぼみ１６４へ流れることができる。潤滑剤出口くぼみ１６８は入口くぼみ１６４のほぼ反対側に位置し、カートリッジ１００内及びそのまわりでの潤滑剤の排出を許容する。

図１Ｂに示すように、外側区分１１０、１１０’の外径とハウジング１６０の内径との間に間隙が存在する。この従来の組立体においては、間隙は単一のフィルム厚さｆを画定する。断面の拡大図はくぼみ１０４のいずれかの側に位置するような単一のフィルム厚さｆを示す。背景技術で述べたように、この間隙（スクイーズフィルム厚さ）の選択はロータの半径方向の自由及びロータの不平衡力の減衰のような作動特性を決定するのに役立つ。

図２は多数のフィルム厚さを許容する例示的な軸受カートリッジ２００の斜視図である。カートリッジ２００は中央区分２０６とカートリッジ２００のそれぞれの端部との間に位置する２つの環状のくぼみ２０４、２０４’及び２つの研削リリーフ部２１４、２１４’を有する。カートリッジ２００の中央区分２０６は、例えば図１Ａ、１Ｂに示すように、１又はそれ以上の潤滑剤開口を有することができる。カートリッジ２００は１又はそれ以上の代わりの開口を有することができ、これらの開口の１又はそれ以上はピン又は他の部材と共働して、ハウジング又はジャーナル内において軸方向及び随意には方位方向でカートリッジ２００を位置決めする。この例においては、カートリッジ２００は、カートリッジに入り、カートリッジ２００のボールへ導かれるように潤滑剤を噴射できる開口２０７、２０７’を有する。随意には、付加的な開口が潤滑剤流れのために設けられる。

くぼみ２０４、２０４’はそれぞれ中間区分２１０、２１０’に隣接して位置する。中間区分２１０、２１０’は外径を有し、これらの外径はハウジングと一緒に間隙を画定することができ、それによって、実質上同じとすることのできる潤滑剤フィルムｆ１、ｆ１’の形成を許容する。研削リリーフ部２１４、２１４’はそれぞれ外側区分２１２、２１２’に隣接して位置する。外側区分２１２、２１２’は外径を有し、これらの外径はハウジングと一緒に間隙を画定し、それによって、実質上同じとすることのできる潤滑剤フィルムｆ２、ｆ２’の形成を許容する。

従って、例示的なカートリッジ２００は区分２１０、２１０’、２１２、２１２’の外径の選択により多数のフィルム厚さを有することができる。随意には、ハウジングはこれらの外径と一緒に間隙を画定するように作用する内径を有する。以下に更に説明するが、例示的なハウジングは、ロータの半径方向の自由を減少させるか又は振動を減衰させるように作用する間隙及びフィルム厚さを画定するための２以上の内径を有する。

図３は図２のカートリッジ２００のような例示的なカートリッジ３００の側面図である。カートリッジ３００はおおよその長さＬとおおよその軸方向中間点Ｌｍとを有し、外径Ｄｏ１、Ｄｏ１’を持つ中間区分３１０、３１０’と、外径Ｄｏ２、Ｄｏ２’を持つ外側区分３１２、３１２’とを有する。この例においては、排出部即ち潤滑剤開口３０９は中間点Ｌｍにおける又はその近傍における軸方向の位置に位置する。カートリッジ３００は図２のカートリッジ２００の２０７、２０７’のような開口を有することができる。

カートリッジ３００は種々のくぼみ及び（又は）研削リリーフ部を有し、この場合、軸方向幅Δｗ１、Δｗ１’のくぼみは中央区分３０６と外径Ｄｏ１、Ｄｏ１’を有する中間区分３１０、３１０’との間に位置し、軸方向幅Δｗ２、Δｗ２’の研削リリーフ部は外径Ｄｏ１、Ｄｏ１’を有するそれぞれの中間区分３１０、３１０’と外径Ｄｏ２、Ｄｏ２’を有する外側区分３１２、３１２’との間に位置する。くぼみの幅Δｗ１、Δｗ１’は実質上等しくすることができ、研削リリーフ部の幅Δｗ２、Δｗ２’は実質上等しくすることができる。

種々の外側及び中間区分３１０、３１０’、３１２、３１２’は異なる軸方向幅を有することができる。例えば、カートリッジ３００は外径Ｄｏ２’を持つ外側区分３１２’よりも小さな軸方向幅を備えた外径Ｄｏ２を持つ外側区分３１２を有する。更に、外径Ｄｏ１を持つ中間区分３１０は外径Ｄｏ１’を持つ中間区分３１０’よりも小さな軸方向幅を有する。

例示的なカートリッジ３００は所望の性能特性を達成するために使用できる種々のパラメータを有する。例えば、種々の区分の軸方向幅及び外径は半径方向間隙／フィルム厚さ及び軸方向のフィルム長さ（単数又は複数）を画定するために使用することができる。一般に、スクイーズフィルムの厚さ、長さ及び数の賢明な選択は半径方向の自由の適当な減少及びロータの不平衡力の最適な減衰を達成する役目を果たすことができる。例えば、例示的なカートリッジ３００は外径Ｄｏ２、Ｄｏ２’を持つ外側区分３１２、３１２’を有し、この場合、外径Ｄｏ２、Ｄｏ２’は中間区分３１０、３１０’の外径Ｄｏ１、Ｄｏ１’を越える。従って、特定の内径Ｄ１を有するハウジングを仮定すれば、軸受カートリッジ３００は薄いフィルム及び厚いフィルムを形成し、この場合、薄いフィルムはロータの半径方向の自由を減少させるように作用し、厚いフィルムはロータの不平衡力を減衰するように作用する。

図４は例示的な軸受カートリッジ４００の断面図である。カートリッジ４００は中央区分４０６と、中間区分４１０、４１０’と、外側区分４１２、４１２’とを有する。軸受はまた潤滑剤通路４０７、４０７’、４０９を有する。

拡大図は種々のくぼみ（例えば、くぼみ、研削リリーフ部等）及び（又は）第１の外径から第２の外径への遷移部を示す。内径を有するハウジング又はジャーナルの壁４６６は間隙及びフィルム厚さｆ１、ｆ２を画定するように作用する。第１の実施形態４０１においては、くぼみは湾曲状の断面を有し；第２の実施形態４０２においては、くぼみは実質上多角形の断面を有し；第３の実施形態４０３においては、外径における段部が厚いフィルム区域ｆ１と薄いフィルム区域ｆ２との間に存在する。実施形態４０１、４０２、４０３は例示であって、多数のフィルム厚さを形成する間隙を生じさせるために他の実施形態を使用することができる。

既に述べたように、ハウジング又はジャーナルはハウジングと軸受カートリッジの１又はそれ以上の外径との間に多数のフィルム厚さを形成する間隙を画定するように作用することができる。図５は例示的なハウジング５６０を有する例示的な組立体５００を示す。例示的な組立体５００は図１Ａ、１Ｂの軸受カートリッジ１００のような軸受カートリッジ１００を有する。

例示的なハウジング５６０は軸受カートリッジ１００と一緒に２以上の間隙を画定するように作用する２又はそれ以上の内径を有する。拡大図は、２つの例示的な実施形態５０１、５０２を示す。これら２つの実施形態においては、ハウジング５６０の第１の内表面５６６は第１の内径を有し、ハウジング５６０の第２の内表面５６７は第２の内径を有する。軸受カートリッジ１００に関連して、第１の内表面５６６は第１のフィルム厚さｆ１を形成するように作用し、第２の内表面５６７は第２のフィルム厚さｆ２を形成するように作用する。実施形態５０１においては、第１の表面５６６と第２の表面５６７との間の遷移部は段部であり、一方、第２の実施形態５０２においては、第１の表面５６６と第２の表面５６７との間の遷移部は、随意には段部を含む軸方向の寸法に関する１又はそれ以上の導関数により画定できる勾配である。

図６Ａは例示的なハウジング６６０の断面側面図であり、図６Ｂは例示的な軸受ハウジング６６０の断面頂面図である。例示的なハウジング５６０は軸受カートリッジを収容することができ、軸受カートリッジの外表面とハウジング６６０の内壁との間に間隙を画定するように作用でき、この場合、間隙は望ましくない過剰な半径方向の間隙の減少及び（又は）ロータの不平衡力の最適な減衰を目的とすることのできる種々のフィルムを形成するように作用する。

内表面６６６は第１の内径を有し、内表面６６７は第２の内径を有し、この場合、第１の内径は第２の内径を越える。外径を持つ外表面を有する軸受カートリッジは、組立体を形成するようにハウジング内で位置決めされたときに、第１及び第２の内表面６６６、６６７と一緒に間隙を画定するように作用できる。

ここで述べた種々の例示的な装置、方法、システム、構成等は多数のフィルム厚さの形成及び使用に関係する。種々の例においては、１つのフィルムは減衰特性を有し、別のフィルムは過剰な半径方向の自由及び遊びを最適化する特性を有する。

例示的な軸受カートリッジはほぼ１：２の外側フィルムに対する内側フィルムの比を有する；すなわち、内側フィルムは外側フィルムのほぼ２倍の厚さを有する。例えば、内側フィルムは約０．００３０インチ（約０．０７６ｍｍ）であり、外側フィルムは約０．００１５インチ（約０．００３８ｍｍ）であり、この場合、内側フィルムは振動を減衰するように作用し、外側フィルムはロータの半径方向の遊びを制限するように作用する。このような例示的な軸受カートリッジは商業的に入手できるＧＡＲＲＥＴＴ（登録商標名）ＧＴＡ４７−５５Ｒのターボ機械装置（カリフォルニア州のＴｏｒｒａｎｃｅ社）に使用するのに適する。

一般に、十分に厚いフィルムはノイズ、振動及び装置を通る負荷を減少させるように作用することができ；一方、薄いフィルムは装置内のゆとり即ち遊び（例えば、ロータの遊び等）を減少させることができる。薄いフィルムはまたターボチャージャ装置においてハウジングに対するホイールの間隙の減少を許容することができ、これは、コンプレッサ及びタービン段の熱力学的な効率を減少させることのある望ましくない二次的な空気力学的な流れを減少させるように作用できる。

種々の例は軸受カートリッジの外端（単数又は複数）の最も近くに１又はそれ以上の薄い間隙区域を有する。軸受カートリッジの外端の最も近くの一対の薄い間隙区域は、中央区域の最も近くに又は中央区域において位置する薄い間隙区域（単数又は複数）と比べた場合、枢動を制限することができる。

ある例示的な方法、装置、システム、構成等を添付図面に示し、先の詳細な説明で述べたが、開示された例示的な実施の形態は限定的なものではなく、特許請求の範囲で規定された精神から逸脱することなく、種々の再構成、修正及び置換を可能にするものであることを理解されたい。

ターボチャージャの従来の軸受カートリッジの斜視図である。 従来のハウジング内の従来の軸受カートリッジを示す図である。 ハウジングに関連して例えば２つのフィルム区域の形成を許容するように異なる外径を備えた２つの区域を有する例示的な軸受カートリッジの斜視図である。 ハウジングに関連して例えば２つのフィルム区域の形成を許容するように異なる外径を備えた２つの区域を有する例示的な軸受カートリッジの側面図である。 ハウジングに関連して例えば２つのフィルム区域の形成を許容するように異なる外径を備えた２つの区域を有する例示的な軸受カートリッジの断面図である。 異なる内径を備えた２つの区域、例えば２つのフィルム区域、の形成を許容する例示的なハウジング内の軸受カートリッジの断面図である。 軸受カートリッジに関連して異なる内径を備えた２つの区域、例えば２つのフィルム区域、の形成を許容する例示的なハウジングの断面頂面図である。 軸受カートリッジに関連して異なる内径を備えた２つの区域、例えば２つのフィルム区域、の形成を許容する例示的なハウジングの断面頂面図である。

Claims (12)

1. ターボチャージャのためのスクイーズフィルム軸受カートリッジのためのハウジングであって、
   前記ハウジングにより少なくとも部分的に画定される孔と、
   前記ハウジングのタービン側端部から前記ハウジングのコンプレッサ側端部に沿って延びる中心軸と、
   第１の直径における一対のロータ制限表面と、を有し、前記ロータ制限表面の一方は、前記ハウジングの前記タービン側端部に近接して位置決めされ、前記ロータ制限表面の他方は、前記ハウジングの前記コンプレッサ側端部に近接して位置決めされ、
   前記ハウジングはさらに、第２の直径において位置決めされる一対のロータ減衰表面を有し、前記一対のロータ減衰表面は、前記一対のロータ制限表面の間に位置決めされ、前記第２の直径は前記第１の直径を越え、
   前記ハウジングはさらに、前記一対のロータ制限表面の間であり且つ前記一対のロータ減衰表面の間に位置決めされる、前記ロータ制限表面および前記ロータ減衰表面への潤滑材の分配のために潤滑材を受け入れる潤滑剤入口くぼみを有する、ハウジング。
2. 軸受カートリッジを更に有し、前記軸受カートリッジが前記ハウジングの前記第１の直径に関する第１の間隙及び前記ハウジングの前記第２の直径に関する第２の間隙を画定する外径を有し、前記第２の間隙が前記第１の間隙を越えることを特徴とする請求項１のハウジング。
3. 軸受カートリッジ及びハウジングの組立体を形成するように位置される軸受カートリッジを更に有し、前記組立体は、前記軸受カートリッジの第１の外表面及び前記ハウジングの前記第１の直径により半径方向で境界決めされた第１の潤滑剤フィルム区域と、前記軸受カートリッジの第２の外表面及び前記ハウジングの前記第２の直径により半径方向で境界決めされた第２の潤滑剤フィルム区域とを有し、前記第２の潤滑剤フィルム区域が前記第１の潤滑剤フィルム区域の半径方向の厚さを越える半径方向の厚さを有することを特徴とする請求項１のハウジング。
4. ターボチャージャのためのスクイーズフィルム軸受カートリッジであって、
   中央区分と；
   第１の外径を有する２つの外側区分と；
   第２の外径を有する２つの中間区分と；
   を有し、前記中間区分が前記中央区分と前記外側区分の対応する１つとの間に位置し、前記第１の外径が前記第２の外径を越え、前記中央区分と一方の前記中間区分との間の第１のくぼみと、前記中央区分と他方の前記中間区分との間の第２のくぼみと、を更に有し、
   前記中央区分と、前記２つの外側区分と、前記２つの中間区分と、前記第１くぼみと、前記第２くぼみとは前記軸受カートリッジの一体的な外側部材により形成される、前記２つの外側区分はロータの半径方向の自由を最小化するように作用し、前記２つの中間区分は、ロータの不平衡力を減衰させるように作用することを特徴とする軸受カートリッジ。
5. 前記くぼみが軸受カートリッジ内への潤滑剤の進入を許容する１又はそれ以上の開口を有することを特徴とする請求項４の軸受カートリッジ。
6. 一方の前記中間区分と一方の前記外側区分との間の第１の研削リリーフ部（grind relief）と、他方の前記中間区分と他方の前記外側区分との間の第２の研削リリーフ部とを更に有することを特徴とする請求項４の軸受カートリッジ。
7. 前記第１の研削リリーフ部及び前記第２の研削リリーフ部が湾曲状の横断面を有することを特徴とする請求項６の軸受カートリッジ。
8. 前記第１の研削リリーフ部及び前記第２の研削リリーフ部が多角形の横断面を有することを特徴とする請求項６の軸受カートリッジ。
9. 一方の前記中間区分と一方の前記外側区分との間の第１の段部と、他方の前記中間区分と他方の前記外側区分との間の第２の段部とを更に有することを特徴とする請求項４の軸受カートリッジ。
10. 前記ハウジング内でカートリッジを軸方向において位置決めするための開口を更に有することを特徴とする請求項４の軸受カートリッジ。
11. 前記開口が潤滑剤出口であることを特徴とする請求項１０の軸受カートリッジ。
12. ターボチャージャのための組立体においてロータの半径方向の自由を最小化し、ロータの不平衡力を減衰する方法であって、
    軸受カートリッジの２つの外側区分のための第１の外径を選択する工程と；
    前記軸受カートリッジの２つの中間区分のための第２の外径を選択する工程と；を有し、前記２つの中間区分は前記軸受カートリッジの中央区分に隣接し、
    前記方法はさらに、前記軸受カートリッジのためのハウジングを選択する工程と；
    を有し、前記ハウジングが前記第１及び第２の外径間に第１及び第２の間隙を画定する内径を有し、前記第２の間隙が前記第１の間隙を越え、前記第１の間隙がロータの半径方向の自由を最小化するように作用し、前記第２の間隙がロータの不平衡力を減衰するように作用することを特徴とする方法。

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