JP5075000B2 - 過給機の軸受装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関等に用いられる過給機の軸受装置に関する。
過給機の軸受装置として、回転軸に嵌め合わされた一対の転がり軸受の外輪間にコイルばね等の弾性部材を配置し、その弾性部材の反発力で転がり軸受に予圧を与えるとともに、転がり軸受の外輪をオイルフィルムダンパにて支持する軸受装置が知られている(例えば特許文献1〜5参照)。一対の転がり軸受の内輪間、及び外輪間にそれぞれスペーサを配置して軸受間の距離を一定に保持しつつ、外輪の軸線方向外側の端面をハウジング側の当接部に当接させて外輪を軸線方向に拘束する軸受装置も知られている(例えば特許文献6参照)。前者の軸受装置と後者のそれとでは、軸線方向に関する外輪の位置決め構造が異なる。つまり、外輪間の弾性部材にて予圧を与える軸受装置では、外輪(又はこれと一体化された部材)を弾性部材の力で転動体に押し付けることから、その外輪を押し出す方向、つまり軸線方向外側へは外輪を非拘束状態としておくことが必須である。一方、後者のように予圧用の弾性部材を利用しない軸受装置では、外輪の位置ずれを阻止すべく外輪を軸線方向外側からも拘束していることが通例である。
特開平4−72424号公報 特開平4−8825号公報 実公平6−40908号公報 実開昭62−35195号公報 特開平8−284675号公報 特開2002−369474号公報
回転軸の高回転化を図るには転がり軸受の摩擦損失を低減させることが望ましいが、予圧を与えれば摩擦損失が大きくなる。一方、毎分10万回転を超えるような高回転領域では、転がり軸受をオイルフィルムダンパにて支持することが必要不可欠である。両者の要求を満たすには、上述した特許文献6のように外輪間にばね等の弾性部材を設けない構成の軸受装置において、転がり軸受の外輪が嵌め合わされる保持部材を軸受ハウジングと別に設け、その保持部材と軸受ハウジングとの隙間にオイルフィルムを形成する構成が一案として考えられる。しかしながら、特許文献6の装置のように、外輪の軸線方向外側の端面を軸受ハウジングに当接させて外輪を拘束した場合、オイルフィルムダンパの振動吸収作用で外輪が軸線方向に変位したときに、軸受ハウジングから軸受の外輪へと軸線方向の力が入力される。そのため、内輪から転動体を介して外輪に伝わる軸線方向の力と軸受ハウジング側から外輪に加わる力とが競合して軸受に無理な軸線方向の力が作用し、外輪の位置がずれるといった不都合が発生して軸受の耐久性が損なわれるおそれがある。
そこで、本発明は、高速回転に対する適応性に優れ、かつ軸受の耐久性も高い過給機の軸受装置を提供することを目的とする。
本発明の過給機の軸受装置は、過給機の回転軸上に配置される一対の転がり軸受と、前記一対の転がり軸受とは別部品として構成され、該一対の軸受の外輪のそれぞれが嵌め合わされる保持部材と、前記外輪を支持するオイルフィルムダンパが形成されるように前記保持部材と組み合わされる軸受ハウジングと、前記一対の軸受の内輪間に配置されて内輪間の軸線方向の距離を一定に保持する内輪スペーサと、前記外輪間に配置されて外輪間の軸線方向の距離を一定に保持する外輪スペーサとを具備し、前記外輪は、前記保持部材の前記軸線方向における両端面よりも軸線方向内側に後退しかつ前記軸線方向外側へは非拘束の状態で前記保持部材に嵌め合わされ、前記保持部材の外周及び軸線方向両端面のそれぞれと前記軸受ハウジングとが前記オイルフィルムを形成するための隙間を介して対向しているものである(請求項1)。
本発明の軸受装置によれば、内輪及び外輪のそれぞれを、内輪スペーサ又は外輪スペーサによって一定の距離に保持しているので、各スペーサの軸線方向の寸法を正確に管理することにより、内輪及び外輪の位置を最適化して転がり軸受の摩擦損失を低減させることができる。軸受の外輪側がオイルフィルムダンパにて支持されているので振動吸収効果も高まる。これにより、高速回転に対する過給機の適応性を向上させることができる。また、外輪が保持部材の軸線方向両端面よりも後退しているので、外輪が軸線方向に変位した場合には保持部材の端面が軸受ハウジングに当接し、軸受ハウジングと外輪とが接触することはない。保持部材と転がり軸受の外輪とは別部品であり、外輪が軸線方向外側へは非拘束の状態で保持部材に嵌め合わされているから、外輪には、内輪から転動体を介して軸線方向の力が入力されるのみであり、これと競合する力が軸受ハウジング側から外輪へと入力されることもない。従って、転がり軸受に無理な軸線方向の力が作用せず、軸受の耐久性を高めることができる。また、本発明の軸受装置によれば、保持部材の半径方向及び軸線方向の両方向に隙間が存在するため、保持部材が半径方向及び軸線方向に円滑に動くことができ、オイルフィルムダンパの振動吸収効果が高まる。
本発明の軸受装置の一形態においては、前記保持部材と前記外輪スペーサとが一体に形成されてもよい(請求項2)。保持部材と外輪スペーサとが一体に形成された構成によれば、保持部材と外輪スペーサとの間にて位置ずれが生じるおそれがない。例えば、保持部材の内周に外輪スペーサを嵌め合わせた場合には、保持部材と外輪スペーサとの位置関係が変化するおそれがある。例えば、外輪に軸線方向の力が頻繁に作用した場合、保持部材と外輪スペーサとの嵌合面間へ異物が侵入した場合、あるいはその嵌合面間にて腐食が発生した場合等に位置ずれが発生するおそれがある。しかし、保持部材と外輪スペーサとを一体に形成すれば、両者の位置関係を不変とし、内輪と外輪との間の位置ずれを防止して軸受の耐久性を高めることができる。
あるいは、前記保持部材と前記外輪スペーサとが互いに別部品として形成され、軸線方向に相対変位不能に組み合わされてもよい(請求項3)。この形態によれば、保持部材と外輪スペーサを別部品とすることにより、保持部材及び外輪スペーサのそれぞれの材質の選択自由度を高めることができる。
本発明の軸受装置の一形態においては、前記過給機がターボチャージャであり、タービンロータ側の転がり軸受と該タービンロータとの間には前記回転軸と一体回転可能なスリンガが配置され、前記スリンガには円筒部と該円筒部から半径方向外周に突出するフィンとが設けられ、前記タービンロータ側における前記保持部材の軸線方向端面と前記軸受ハウジングとの隙間が前記円筒部上に位置していてもよい(請求項4)。この形態によれば、保持部材の軸線方向端面と軸受ハウジングとの隙間から排出される潤滑油をスリンガの円筒部上に落下させ、スリンガを冷却しつつその潤滑油をスリンガのフィンから遠心力で外周に吹き飛ばすことができる。これにより、タービンロータ側の熱による軸受周辺の温度上昇を抑えつつ、タービンロータ側への潤滑油の侵入を防止することができる。
本発明の軸受装置の一形態においては、前記転がり軸受に予圧が付与されないように、前記内輪スペーサ及び前記外輪スペーサのそれぞれの軸線方向の寸法が設定されていてもよい(請求項5)。これにより、転がり軸受の摩擦損失を最小に抑えて過給機の高速回転への適応性を大きく向上させることができる。
以上に説明したように、本発明の過給機の軸受装置では、内輪及び外輪のそれぞれを、内輪スペーサ又は外輪スペーサによって一定の距離に保持しつつ、軸受の外輪側をオイルフィルムダンパにて支持する構成としたので、軸受の摩擦損失を抑えるとともに振動吸収効果を高めて高速回転に対する過給機の適応性を向上させることができる。また、保持部材と外輪とを別部品として、外輪を保持部材の軸線方向両端面よりも後退させ、かつ外輪を軸線方向外側へは非拘束の状態で保持部材に嵌め合わせているので、外輪には、内輪から転動体を介して軸線方向の力が入力されるのみで、転がり軸受に無理な軸線方向の力が作用しない。よって、軸受の耐久性を高めることができる。
図1は本発明の一形態に係る軸受装置10が組み込まれた過給機1を示している。過給機1は、内燃機関の排気通路に設けられるタービンロータ2と、内燃機関の吸気通路に設けられるコンプレッサインペラ3と、それらを一体回転可能に連結する回転軸としてのタービン軸4とを備えたターボチャージャとして構成されている。タービンロータ2とタービン軸4とは同軸上に一体形成されている。タービン軸4には、タービンロータ2側からコンプレッサインペラ3に向かって、大径部4a、中間部4b及び小径部4cが順次設けられた段付きシャフトである。
中間部4bは過給機1のベアリングハウジング(軸受ハウジング)5内に挿入され、小径部4cはベアリングハウジング5を貫いてコンプレッサハウジング(不図示)内に挿入される。ベアリングハウジング5は、ハウジング本体5Aの一端に、リテーナ5Bがボルト等の固定手段を用いて結合された構成を備えている。中間部4bの外周には一対のベアリング11、12が嵌め合わされている。ベアリング11、12は、内輪11a、12aと、外輪11b、12bと、それらの間に配置される転動体としての多数のボール11c、12cとを備えたボールベアリングである。より具体的には、ベアリング11、12は、径方向荷重と一方向の軸線方向荷重とを負荷するアンギュラコンタクトベアリングである。ベアリング11、12の内輪11a、12aのそれぞれはタービン軸4上に嵌め合わされる。タービン軸4と内輪11a、12aとの間のはめあい公差は中間ばめ領域でよい。ベアリング11はタービンロータ2に向かう方向の軸線方向荷重を負荷し、ベアリング12はコンプレッサインペラ3に向かう方向の軸線方向荷重を負荷する向きでそれぞれ取り付けられている。
ベアリング11の内輪11aと大径部4aとの間にはスリンガ13が設けられ、内輪11a、12aの間には内輪スペーサとしてのスリーブ14が設けられている。小径部4cの外周にはカラー15、16、コンプレッサインペラ3が順次嵌め合わされている。コンプレッサインペラ3からは小径部4cの先端の雄ねじ部4dが突出する。その雄ねじ部4dにナット17を装着してこれを締め付けることにより、スリンガ13、内輪11a、スリーブ14、内輪12a、カラー15、16及びコンプレッサインペラ3が大径部4aとナット17との間に挟み込まれてそれらが軸線方向の定位置に拘束される。これにより、タービンロータ2、タービン軸4、スリンガ13、内輪11a、スリーブ14、内輪12a、カラー15、16、コンプレッサインペラ3及びナット17は、タービン軸4の中心線CLの回りに一体回転可能な回転体アッセンブリ6として組み立てられる。なお、大径部4a及びカラー16のそれぞれには、タービンハウジング及びコンプレッサハウジングとベアリングハウジングとの間をシールするためのシールリング18、19が取り付けられている。
ベアリング11、12のそれぞれの外輪11b、12bはホルダ20に嵌め合わされている。そのホルダ20は、ベアリングハウジング5のハウジング本体5Aのホルダ収容部5aに嵌め合わされている。ベアリングハウジング5のリテーナ5Bは、ホルダ収容部5aの開口端部(コンプレッサインペラ3側の端部)に取り付けられ、それにより、ホルダ20は、タービン軸4の軸線方向に関して、ベアリングハウジング5の突起部5bとリテーナ5Bとの間に保持される。なお、スリーブ14及びホルダ20のそれぞれはベアリング11、12とは別部品として構成されている。よって、スリーブ14及びホルダ20は、内輪11a、12a及び外輪11b、12bに使用されるベアリング鋼等と比較して安価な材料で形成することができる。例えば機械構造用の炭素鋼等にてスリーブ14及びホルダ20を形成することができる。
図2により詳しく示すように、ホルダ20は、外輪11b、12bの外周に配置される保持部材としての円筒状のケース部22と、そのケース部22の内周側に突出して外輪11b、12bの間に介在する外輪スペーサとしてのスペーサ部23とが一体化された構成を備えている。ケース部22の軸線方向両端面22a、22bは、外輪11b、12bよりも軸線方向外側に突出した位置にある。言い換えれば、外輪11b、12bは、ケース部22の軸線方向端面22a、22bよりも軸線方向内側に後退するようにしてホルダ20に嵌め合わされている。なお、ホルダ20と外輪11b、12bとの間のはめあい公差は中間ばめ領域でよい。
スペーサ部23の両端には外輪11b、12bが突き当てられている。それにより、外輪11b、12bが軸線方向に位置決めされて外輪11b、12b間の軸線方向の距離が一定に保持される。そして、ベアリング11、12、スリーブ14及びホルダ20が相互に組み立てられることにより、軸受アッセンブリ7が形成される。スペーサ部23の軸線方向の寸法Aと、スリーブ14の軸線方向の寸法Bとをそれぞれ正確に管理することにより、内輪11a、12a及び外輪11b、12bのそれぞれは、軸線方向の位置ずれが最小となり、予圧が実質的に与えられない位置に保持される。これにより、タービン軸4の軸線方向の遊びを最小に抑え、タービンロータ2及びコンプレッサインペラ3とそれらのハウジングとの間の隙間を小さく設定して過給性能を向上させることができる。なお、外輪11b、12bの軸線方向外側には、外輪11b、12bをそれらの軸線方向外側から拘束する部材が設けられていない。すなわち、外輪11b、12bは軸線方向外側へは非拘束の状態でホルダ20に嵌め合わされている。また、外輪11b、12bの間には、これらを軸線方向に押し出して予圧を付加するばね等の弾性部材は設けられていない。ベアリング11、12を予圧なしで組み付けることにより、ベアリング11、12の内部における摩擦損失を抑えることができる。
ホルダ20とベアリングハウジング5との間には微小量の隙間25が設けられている。隙間25は、ホルダ20の外周側に位置する半径方向隙間25aと、ホルダ20の軸線方向両端に位置する軸線方向隙間25b、25cとを含む。半径方向隙間25aはホルダ20の外周面の全面に亘って存在し、軸線方向隙間25b、25cはホルダ20の端面22a、22bの全面に亘って存在する。つまり、後述するオイルフィルムが形成されていない状態において、ホルダ20は、ベアリングハウジング5に対して半径方向隙間25aに相当する量だけ半径方向に移動可能であり、軸線方向隙間25b、25cに相当する量だけ軸線方向に移動可能である。
図3に示すように、ベアリングハウジング5には、その下面5cから半径方向隙間25aに向かって給油路26が形成されている。給油路26を介して半径方向隙間25aに潤滑油が供給されることにより、隙間25が潤滑油で満たされてホルダ20とベアリングハウジング5との間にオイルフィルムが形成される。そのオイルフィルムと、ホルダ20及びベアリングハウジング5とによってオイルフィルムダンパ8が構成され、そのオイルフィルムダンパ8により外輪11b、12bが支持される。このようにオイルフィルムダンパ8を設けることにより、軸受アッセンブリ7の振動を効率よく吸収することが可能となる。よって、毎分10万回転を超える高速回転領域に対する過給機1の適応性を高めることができる。ホルダ20の半径方向及び軸線方向にそれぞれ隙間25a、25b、25cが存在するため、ホルダ20がベアリングハウジング5に対して半径方向及び軸線方向に円滑に動くことができる。このため、オイルフィルムダンパ8による振動吸収効果が高まる。
軸受アッセンブリ7の軸線方向の振れは、ホルダ20の端面22a、22bがベアリングハウジング5の突起部5b又はリテーナ5Bに接することにより制限される。ホルダ20の両端面22a、22bよりも外輪11b、12bが軸線方向内側に後退しているため、外輪11b、12bがベアリングハウジング5に直接突き当たるおそれはない。しかも、ホルダ20と外輪11b、12bとは別部品であり、さらに外輪11b、12bは軸線方向外側へは非拘束の状態でホルダ20に嵌め合わされている。よって、外輪11b、12bは内輪11a、12aからボール11c、12cを介して伝わる軸線方向の力のみで変位し、ベアリング11、12に不自然な軸線方向の外力が作用しない。これにより、ベアリング11、12の耐久性が向上する。すなわち、外輪間に予圧用の弾性部材を配置する従来の軸受装置では外輪を軸線方向外側へは非拘束とすることが予圧付与の前提条件であるのに対して、本形態の軸受装置10では、外輪11b、12b間に予圧用の弾性部材が設けられていないためにそのような前提条件は存在せず、外輪11b、12bを軸線方向外側からも拘束することが可能である。それにも拘わらず、敢えて外輪11b、12bを軸線方向外側へは非拘束とした点において、予圧用の弾性部材を省略した従来の軸受装置とは外輪の位置決め構造が異なっている。そして、本形態の軸受装置10では、オイルフィルムダンパ8による支持構造を採用した結果として、軸受アッセンブリ7の軸線方向への変位が許容され、それとの関係でベアリングハウジング5側から外輪11b、12bへ軸線方向の力が入力されるおそれが生じるため、そのおそれを排除する目的で外輪11b、12bを非拘束としているものである。
なお、図1〜図3では隙間25が誇張して描かれている。隙間25はオイルフィルムの形成に必要な最小限の寸法で足りる。隙間25への給油を軸受ハウジング5の下面から上向きで行うようにしたため、隙間25に流れ込む潤滑油の圧力でホルダ20を押し上げることができる。これにより、油圧が低下した場合でもオイルフィルムダンパの振動吸収効果を確保し易い。
図2に示すように、スリーブ14は、その両端部14a、14bの直径が中央部14cのそれよりも小さい形状を有している。両端部14a、14bの直径は内輪11a、12aの外径と概略同一である。一方、タービン軸4の中間部4bにおけるスリーブ14との嵌合部分には凹部4eが形成されている。凹部4eの軸線方向の長さはスリーブ14の中央部14cのそれよりも小さく、かつ、凹部4eの軸線方向の両端はスリーブ14の中央部14cの軸線方向両端よりも内側に位置している。さらに、凹部4eの深さは可能な限り小さく設定される。このような凹部4eを設けることにより、ベアリング11の内輪11aをタービン軸4に組み付ける時に、凹部4eの部分では内輪11aを容易に移動させることが可能となる。よって、内輪11aの組み付けを円滑に行える。凹部4eに対応してスリーブ14の中央部14cを大径化し、しかも、その中央部14cの範囲が凹部4eよりも軸線方向両側に長く確保されているのでタービン軸4の回りの軸剛性を確保し、過給機1の高速回転への適応性を高めることができる。
ホルダ20の外周には、2本の環状溝30がホルダ20を一周するように設けられている。各環状溝30には、ベアリング11、12側に潤滑油を供給するためのオイルジェット孔31が設けられている。なお、図2ではベアリング11側のオイルジェット孔31のみが図示されているが、ベアリング12側にも同様のオイルジェット孔31が設けられている。図4に拡大して示すように、オイルジェット孔31は、その中心線31aが内輪11aとスリーブ14との合わせ面に向かうように設けられている。これにより、オイルフィルムを形成した潤滑油の一部がオイルジェット孔31から内輪11aとスリーブ14との合わせ面及びその周囲に給油される。従って、ボール11cに向かって潤滑油を直接吹き付けた場合と比較して潤滑油の撹拌損失を低減させ、過給効率を高めることができる。ベアリング12側に関しても同様である。また、特にタービンロータ2側のオイルジェット孔31を上記の通りに形成した場合には、タービンロータ2からタービン軸4を介してベアリング11及びスリーブ14に伝達される熱をオイルジェット孔31からの潤滑油で吸収して過給機1の冷却効率を改善することができる。
図3から明らかなように、スリンガ13は、円筒部13aの一端に円盤状のフィン13bが形成された構成を備えている。円筒部13aの直径は内輪11aの外径と同等か又はそれよりも小さい。一方、フィン13bの直径は外輪11bの外径よりも僅かに小さい程度である。ホルダ20の軸線方向端面22aとベアリングハウジング5の突起部5bとの間の軸線方向隙間25bは、スリンガ13の円筒部13aの外周上に位置している。よって、軸線方向隙間25bから排出された潤滑油は円筒部13aに付着し、スリンガ13を冷却しつつ円筒部13aからフィン13bへと伝わり、さらには、遠心力によりフィン13bの外周へ吹き飛ばされる。これにより、タービンハウジング側、あるいは排気通路への潤滑油の侵入を防止することができる。なお、スリンガ13からベアリングハウジング5の内部に飛ばされた潤滑油はベアリングハウジング5のドレン路27(図1及び図3)から排出される。また、ベアリング11、12に供給された潤滑油はホルダ20のドレン孔20a(図1及び図2)から排出される。
本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、ホルダ20は、ケース部22とスペーサ部23とをそれぞれ別部品として製造して、後工程で組み合わせた構成でもよい。この場合、スペーサ部23は、圧入、焼きばめといった結合方法を利用して、ケース部22に対して軸線方向に変位不能に組み付けられることが望ましい。本発明の軸受装置は、ターボチャージャの回転軸に限らず、内燃機関の出力軸によって駆動される機械式の過給機の回転軸に対しても適用することができる。転がり軸受はアンギュラコンタクト型のボールベアリングに限らず、内輪と外輪との間に転動体を配置した構成を有する限り、各種の形式の転がり軸受を使用してよい。
本発明の一形態に係る軸受装置が組み込まれた過給機の軸線方向断面図。 図1の過給機の軸受アッセンブリを拡大して示した図。 図1のIII−III線に沿った断面図。 タービンロータ側のベアリングの付近を拡大して示す図。
符号の説明
1 過給機
2 タービンロータ
3 コンプレッサインペラ
4 タービン軸(回転軸)
5 ベアリングハウジング(軸受ハウジング)
5A ハウジング本体
5B リテーナ
5a ホルダ収容部
5b 突起部
6 回転体アッセンブリ
7 軸受アッセンブリ
8 オイルフィルムダンパ
10 軸受装置
11、12 ベアリング(転がり軸受)
11a、12a 内輪
11b、12b 外輪
11c、12c ボール(転動体)
13 スリンガ
13a 円筒部
13b フィン
14 スリーブ(内輪スペーサ)
20 ホルダ
22 ケース部(保持部材)
22a、22b ホルダの軸線方向端面
23 スペーサ部(外輪スペーサ)
25 オイルフィルム形成用の隙間
25a 半径方向隙間
25b、25c 軸線方向隙間

Claims (5)

  1. 過給機の回転軸上に配置される一対の転がり軸受と、前記一対の転がり軸受とは別部品として構成され、該一対の軸受の外輪のそれぞれが嵌め合わされる保持部材と、前記外輪を支持するオイルフィルムダンパが形成されるように前記保持部材と組み合わされる軸受ハウジングと、前記一対の軸受の内輪間に配置されて内輪間の軸線方向の距離を一定に保持する内輪スペーサと、前記外輪間に配置されて外輪間の軸線方向の距離を一定に保持する外輪スペーサとを具備し、前記外輪は、前記保持部材の前記軸線方向における両端面よりも軸線方向内側に後退しかつ前記軸線方向外側へは非拘束の状態で前記保持部材に嵌め合わされ
    前記保持部材の外周及び軸線方向両端面のそれぞれと前記軸受ハウジングとが前記オイルフィルムを形成するための隙間を介して対向している、過給機の軸受装置。
  2. 前記保持部材と前記外輪スペーサとが一体に形成されている請求項1に記載の軸受装置。
  3. 前記保持部材と前記外輪スペーサとが互いに別部品として形成され、軸線方向に相対変位不能に組み合わされている請求項1に記載の軸受装置。
  4. 前記過給機がターボチャージャであり、タービンロータ側の転がり軸受と該タービンロータとの間には前記回転軸と一体回転可能なスリンガが配置され、前記スリンガには円筒部と該円筒部から半径方向外周に突出するフィンとが設けられ、前記タービンロータ側における前記保持部材の軸線方向端面と前記軸受ハウジングとの隙間が前記円筒部上に位置している請求項1〜3のいずれか一項に記載の軸受装置。
  5. 前記転がり軸受に予圧が付与されないように、前記内輪スペーサ及び前記外輪スペーサのそれぞれの軸線方向の寸法が設定されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の軸受装置。
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