JP5226790B2 - 流体式のアキシャル軸受 - Google Patents

Description

本発明は、例えば排気ガス・ターボチャージャに用いられる回転式のシャフトのための流体式のアキシャル軸受の分野に関する。

本発明は、フローティング・ディスクを有する流体式のアキシャル軸受及びこのようなフローティング・ディスクに関する。

迅速に回転するロータに、軸方向の推力が加えられるとき、耐力のある軸受が用いられる。例えば排気ガス・ターボチャージャの場合に、流体式のアキシャル軸受を、流れによる高い軸方向力を吸収するために及びタービン・シャフトを軸方向に導くために用いる。このような適用の場合、傾斜位置補償力（Schiefstellungskompensationsvermoegen）及び磨耗挙動を改善するために、流体式のアキシャル軸受では、シャフトの回転数で回転する軸受コームと、非回転式の軸受ハウジングとの間に、自由に浮動するディスク、いわゆるフローティング・ディスクを用いることができる。

このことの例は、特に、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に見出される。フローティング・ディスクの径方向の案内は、フローティング・ディスクに一体化されており且つ例えば特許文献２に開示されているラジアル軸受によって、回転体上で、すなわち、シャフトまたは軸受コーム上で、なされ、あるいは、回転体を同軸に囲み且つ例えば特許文献３に開示されている固定式の軸受カラー上でなされる。このような流体式のアキシャル軸受の潤滑は、通常、自らの潤滑油システムから来る潤滑油によって、あるいは、排気ガス・ターボチャージャの場合、排気ガス・ターボチャージャに接続された内燃機関の潤滑油システムを介してなされる。

作動中に、ほぼ半分の回転数でしか回転しないフローティング・ディスクと、シャフトと、またはシャフト上に配置された軸受コームとの間には、耐力のある潤滑膜が形成される。この目的のために、通常は、フローティング・ディスクの両側に、プロファイルが付けられた環状面が設けられている。それぞれの環状面は、平らな摺動面と共に、潤滑ギャップを形成する。プロファイルが付けられた環状面は、少なくとも周方向に向けられており、且つ平らな摺動面と共に、狭まるギャップを形成するウェッジ面を有している。潤滑剤がこの狭まるギャップに十分に引き入れられるとき、耐力のある潤滑膜が形成される。潤滑剤は、迅速に回転するフローティング・ディスクの遠心力作用の故に、径方向に広がる。

フローティング・ディスクの軸方向の及び径方向の摺動面の摩擦モーメントは、フローティング・ディスクの回転数へ影響を有している。シャフトの回転数が高い場合、フローティング・ディスクの回転数は、典型的には、シャフトの回転数の５０％より少なく、従って、フローティング・ディスクは、シャフトの半分より少ない速度で回転する。このことによって、二つの軸方向の潤滑ギャップに、異なった相対速度が生じる。この場合、フローティング・ディスクに対するシャフトの相対速度は、軸受ハウジングに対するフローティング・ディスクの相対速度よりも大きい。

二つの軸方向の潤滑ギャップにおける、調整されるギャップ高さは、相対速度が異なり且つ遠心力作用が異なるので、異なった大きさである。軸受の大きさが、作動中に（je）生じる最小の潤滑ギャップに合わせてデザインされているので、軸受ギャップの寸法が大きすぎる。このことは、不必要に大きな電力損失及び不必要に大きな潤滑油の消費量をもたらすことがある。

独国特許出願公開第ＧＢ１０９５９９９号公報 欧州特許出願公開第ＥＰ０８４００２７号公報 欧州特許出願公開第ＥＰ１１９９４８６号公報 欧州特許出願公開第ＥＰ１６４４６４７号公報

従って、本発明の課題は、フローティング・ディスクを有する流体式のアキシャル軸受を、電力損失及び潤滑油の消費量に関して最適化することである。

本発明では、このことは、複数の最小限の潤滑ギャップが設計点で同一であるように、フローティング・ディスクの両側での、二つの潤滑ギャップの、異なる大きさの支持能力によって、達成される。回転数、最小限の潤滑ギャップ及び潤滑油の特性に従う支持力を、軸受の支持能力と呼ぶ。

本発明では、異なった支持能力は、幾何学的に異なってデザインされた潤滑ギャップによって達成される。この場合、潤滑ギャップと見なされるのは、アキシャル軸受を形成する複数の構成部材の間、従って、一方では、軸受ハウジングとフローティング・ディスクとの間、他方では、フローティング・ディスクと、シャフトと共に回転する軸受コームとの間の、プロファイルが付けられた環状面と、平らな摺動面とによって区画された空間である。

フローティング・ディスクの、径方向の段によって、二つの径方向の潤滑ギャップの面が、別個にデザインされている。それ故に、二つの潤滑ギャップにおける最小限のギャップ高さが、設計点で同じ大きさである。この場合、フローティング・ディスクの、軸受ハウジングに向いた側が、軸受コームに向いた側よりも大きい支持面を有していることは好都合である。

プロファイルが付けられた環状面の一方を径方向に縮小することによって、環状面の寸法も減じることができる。この場合、縮小は、径方向内側に、径方向外側に、あるいは、径方向内側及び外側になされることができる。

アキシャル軸受の支持面と呼ばれるのは、潤滑ギャップを共に形成するプロファイルが付けられた環状面と、平らな摺動面とである。支持面の寸法を減じるのは、例えば、プロファイルが付けられた二つの環状面のうちの一方のみが、径方向で縮小されており、他方、平らな摺動面が同一の寸法を有している場合である。同一の効果は、プロファイルが付けられた、二つの大きさの同じの環状面が、平らな摺動面と協働し、これらの摺動面のうちの一方が、例えば径方向に、環状面全体に亘って延びていないときに、得られる。

支持能力の変化を、周方向におけるプロファイルの幾何学的変化によっても達成することができる。例えば、セグメントの数を、６から５に減じることができる。あるいは、周方向における潤滑油溝の広がりを拡大することができる。

一方ではフローティング・ディスクと軸受ハウジングとの間の、他方では、フローティング・ディスクと軸受コームとの間の異なった相対速度にもかかわらず、前記の複数の実施の形態によって、フローティング・ディスクの両側における、潤滑ギャップの複数の最小限の高さを、埋め合わせることができる。

その代わりに、フローティング・ディスクの一方の側または両側が、平らな摺動面としてデザインされていてもよく、プロファイルが付けられた環状面が、シャフトおよび／または軸受コームに配置されていてもよい。例えば、フローティング・ディスクの、シャフトに向いた側が、平らな摺動面としてデザインされており、シャフトに設けられた環状面に、プロファイルが適切に付けられているとき、二つの軸受部分それぞれにおいて、より迅速に回転する環状面にプロファイルが付けられている。

段差が付けられたフローティング・ディスクを有し、本発明に基づいてデザインされているアキシャルすべり軸受の第一の実施の形態を示す。 異なったプロファイルが付けられた環状面を有するフローティング・ディスクを備え、本発明に基づいてデザインされたアキシャルすべり軸受の、その第二の実施の形態を示す。 段差が付けられたフローティング・ディスクを有し、本発明に基づいてデザインされているアキシャルすべり軸受の第三の実施の形態のための潤滑油供給手段の断面を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。図１及び図２は、本発明に係る流体式のアキシャル軸受の二つの実施の形態を示す。図の各々の中央には、アキシャル軸受の、シャフト軸線に沿って延びた断面が示されている。アキシャル軸受は、フローティング・ディスク３０を有している。このフローティング・ディスクは、軸受ハウジング２０と、シャフト１０に設けられており且つこのシャフトと共に回転する軸受コーム１１との間で軸方向に配置されている。軸受コームは、径方向に突出する延長部として、シャフトに一体化されていることが選択される。それ故に、フローティング・ディスクは、軸受ハウジングと、シャフト延長部との間に軸方向に設けられている。図の左側領域及び右側領域それぞれに、それぞれの側から見たフローティング・ディスクの図が示されている。左側には、方向Ａに見たフローティング・ディスク３０Ａが示されており、右側には、方向Ｂに見たフローティング・ディスク３０Ｂが示されている。

フローティング・ディスク３０Ａの、軸受ハウジングに向いた、プロファイルが付けられた環状面が、絶対速度ＶＳで、図示した実施の形態では方向Ａに見て、反時計方向に回転する。この場合、潤滑油溝３１を介して、フローティング・ディスク３０と軸受ハウジング２０との間の、フローティング・ディスクの、プロファイルが付けられた環状面の領域へ、径方向に導入される潤滑油が、太い矢印で示すように、フローティング・ディスクの回転方向と反対方向に、複数のウェッジ面３２へ引き入れられる。ウェッジ面３２と、このウェッジ面に向かい合っており且つ軸受ハウジングに形成された平らな摺動面との間の潤滑ギャップを狭めることによって、アキシャル軸受の支持能力のために必要な圧力が増大される。最大の圧力は、ウェッジ面３２からラッチング面３３への移行の領域で生じる。

フローティング・ディスク３０Ｂの、軸受コームに向いた、プロファイルが付けられた環状面は、絶対速度ＶＳで、図示した実施の形態では、方向Ｂに見て時計回りの方向に回転する。しかしながら、軸受コーム１１は、２倍よりも大きな速度ＶＷで、同一方向に回転するので、プロファイルが付けられた環状面の相対速度ＶＲが生じる。この相対速度は、方向Ｂに見て反時計方向を向いている。この場合、相対速度ＶＲは、絶対速度ＶＳよりも大きい。潤滑油が、潤滑油溝を介して径方向外側に運ばれ、この過程で、周方向に、ウェッジ面に引き入れられる様が、同様に、太い矢印で示されている。

図１に示した実施の形態では、フローティング・ディスク３０は、径方向の段を有している。それ故に、軸受ハウジング２０に向いた側が、軸受コーム１１に向いた側よりも径方向に突出している。フローティング・ディスクの両側の径方向の広がりは、従って、異なっている。軸受ハウジングに向いた側における、プロファイルが付けられた環状面は、フローティング・ディスクの、軸受コームに向いた側、その側における環状面のリング幅ｒＷよりも大きいリング幅ｒＧを有している。

プロファイルが付けられた環状面のウェッジ面が、フローティング・ディスクの、軸受コームに向いた側で、軸受コーム上の平らな摺動面に沿って、回転するときの、絶対速度より高い相対速度の故に、支持面が他方の側の面より小さくても、潤滑ギャップが生じる。この潤滑ギャップは、軸受ハウジングと、フローティング・ディスクの、軸受ハウジングに向いた側との間のギャップに対応する。

図２に示した実施の形態では、フローティング・ディスク３０は、同じ大きさの二つの面を有している。しかしながら、両面の、プロファイルが付けられた環状面は異なって形成されている。プロファイルが付けられた環状面は、複数のセグメント３４に分割されている。一つのセグメントは、潤滑油溝３１と、ウェッジ面３２と、隣接のラッチング面３３とを有している。左側での、固定式の軸受ハウジングよりも緩慢に回転する環状面は、軸受コームに向いた側における、より高い相対速度で回転する環状面よりも数の多いセグメント３４を有している。

支持能力を選択的に変更することができるのは、例えば、ウェッジ面の傾斜角度を変更し、そのことによって、最大の支持力を有する領域を拡縮するときである。ウェッジ面３２とラッチング面３３との間の移行部は、エッジによって、あるいは、連続的に延びている、エッジを有しない面として実現されていてもよい。後者の場合には、ウェッジ面とラッチング面とを区別する必要はない。それ故に、例えば、ウェッジ面が、次の潤滑油溝まで、連続的に小さくなる角度で、連続的に上がり勾配になることが可能である。

図３に示した実施の形態では、フローティング・ディスク３０も、同様に、径方向の段を有している。それ故に、軸受ハウジング２０に向いた側は、軸受コーム１１に向いた側よりも径方向に突出している。加えるに、軸受コームに向いた側の、径方向内側の面に、傾斜が付されており、プロファイルが付けられた環状面の内半径は、幾らか外側へ拡大している。軸受コームにおける平らな摺動面の内縁が、径方向外側にずれている。このことによって、フローティング・ディスク３０と軸受コーム１１の間の潤滑ギャップの支持面が、第一の実施の形態に比較して、更に減じられている。

流体式のアキシャル軸受のフローティング・ディスクでは、二つの側に、潤滑油を供給しなければならない。この目的のために、本発明では、少なくとも一つの供給孔３５がフローティング・ディスクに通っている。供給孔３５は、フローティング・ディスクの両側を繋ぎ、一方の側から他方の側への潤滑油の供給を可能にする。フローティング・ディスクは、軸受コームに向いた側に、一つの潤滑油溝につき一つの供給孔を有している。

図示した実施の形態では、潤滑油を、軸受ハウジングに形成された潤滑油供給ライン２２を介して、フローティング・ディスク３０と軸受ハウジング２０との間の潤滑ギャップの領域へ導く。プロファイルが付けられた環状面の回転によって、潤滑油を、潤滑油溝３１に沿って径方向外側に運び、その過程で、周方向に、環状面へ引き入れる。潤滑油溝３１の領域に設けられた供給孔３５を通って、潤滑油を、フローティング・ディスク３０と軸受コーム１１との間の潤滑ギャップの領域へも運ぶ。この場合、供給孔が、潤滑油供給機能を有する供給ギャップから始まって、軸方向とは異なって、外縁へ或る角度で向けられているとき、潤滑油の流れは、フローティング・ディスクの回転によって、支援される。

供給孔の故に、フローティング・ディスクのラジアル軸受の領域に設けられた供給溝を大幅に省略することができる。このことによって、軸受コーム１１と軸受カラー２１との間のデカップリング・ギャップ（Entkopplungsspalt）を通る潤滑油の処理量が、減じられる。このデカップリング・ギャップが存在するのは、フローティング・ディスク３０が、固定式の軸受ハウジング上に支持されているときである。このことは、デカップリング・ギャップが、フローティング・ディスクのラジアル軸受の領域の中にあって、追加のシーリング・エレメントなしに、例えば排気ガス・ターボチャージャの、噴射用油領域に通じているとき、特にそのとき、有利である。

１０…シャフト、１１…軸受コーム、２０…軸受ハウジング、２１…軸受カラー、２２…潤滑油供給ライン、３０…フローティング…ディスク、３０Ａ…（方向Ａに見た）、軸受ハウジング側のフローティング…ディスク、３０Ｂ…（方向Ｂに見た）、軸受コーム側のフローティング…ディスク、３１…潤滑油溝、３２…ウェッジ面、３３…ラッチング面、３４…プロファイルが付けられた環状面のセグメント、３５…供給孔、ｒＧ…軸受ハウジング側のリング幅、ｒＷ…軸受コーム側のリング幅、ＶＲ…軸受コームに対するフローティング…ディスクの相対速度、ＶＳ…フローティング…ディスクの速度、ＶＷ…軸受コームの速度。

Claims (11)

1. 軸受ハウジング（２０）の中で回転可能であるように取り付けられたシャフト（１０）のための流体式のアキシャル軸受であって、
   軸方向で、前記軸受ハウジング（２０）と、前記シャフトに配置された軸受コーム（１１）との間に配置されたフローティング・ディスク（３０）を有し、
   前記軸受ハウジング（２０）と前記フローティング・ディスク（３０）との間に、及び前記フローティング・ディスク（３０）と前記軸受コーム（１１）との間に、プロファイルが付けられた環状面及び平らな摺動面によって区画された潤滑ギャップがそれぞれ、形成され、
   プロファイルの付けられたそれぞれの環状面は、周方向で前記潤滑ギャップをそれぞれ狭める複数のウェッジ面（３２）を有する、
   流体式のアキシャル軸受において、
   前記フローティング・ディスク（３０）の一方の側に、他方の側に対して、径方向に段差が付けられ、それにより、前記フローティング・ディスク（３０）の両側で、前記プロファイルが付けられた環状面と前記平らな摺動面とにより形成される潤滑ギャップが、互いに異なる幾何学的寸法を有するようになって、それが、前記フローティング・ディスク（３０）の両側で、異なるサイズの荷重受け領域をもたらして、前記フローティング・ディスク（３０）と前記軸受コーム（１１）との間の潤滑ギャップの荷重受け領域が、前記軸受ハウジング（２０）と前記フローティング・ディスク（３０）との間の潤滑ギャップの荷重受け領域と比べて、小さくなること、
   を特徴とする流体式のアキシャル軸受。
2. 前記潤滑ギャップは、前記フローティング・ディスクの両側で、異なる、径方向の寸法を有している、請求項１に記載の流体式のアキシャル軸受。
3. 前記フローティング・ディスク（３０）の両側で前記潤滑ギャップを形成する、前記プロファイルが付けられた二つの環状面は、それぞれ、異なった数のセグメント（３４）に分割され、一つのセグメント（３４）が一つのウェッジ面（３２）をそれぞれ有している、請求項１または２に記載の流体式のアキシャル軸受。
4. 前記フローティング・ディスクの両側で前記潤滑ギャップを形成する、前記プロファイルが付けられた二つの環状面は、異なるデザインのウェッジ面（３２）を有している、請求項１または２に記載の流体式のアキシャル軸受。
5. 前記プロファイルが付けられた環状面は、ウェッジ面（３２）及び平らなラッチング面（３３）を有し、
   前記フローティング・ディスクの両側で前記潤滑ギャップを形成する、前記プロファイルが付けられた二つの環状面は、ラッチング面（３３）の、ウェッジ面（３２）に対する異なった面積比を有している、
   請求項１または２に記載の流体式のアキシャル軸受。
6. 前記フローティング・ディスク（３０）には、少なくとも一つの供給孔（３５）が通っており、この少なくとも一つの供給孔（３５）は、前記フローティング・ディスクの両側を互いに接続している、請求項１または２に記載の流体式のアキシャル軸受。
7. 前記フローティング・ディスクは、複数の径方向の潤滑溝（３１）を有し、
   前記少なくとも一つの供給孔（３５）は、前記フローティング・ディスクの少なくとも一方の側で、潤滑溝（３１）に通じている、
   請求項６に記載の流体式のアキシャル軸受。
8. 前記少なくとも一つの供給孔（３５）は、或る角度で、径方向外側に向けられている、請求項６に記載の流体式のアキシャル軸受。
9. 請求項１または２に記載の流体式のアキシャル軸受を有するシャフトを備えた排気ガス・ターボチャージャ。
10. 軸受ハウジング（２０）と、この軸受ハウジングの中で回転可能であるように取り付けられたシャフト（１０）との間の、流体式のアキシャル軸受で使用するためのフローティング・ディスク（３０）であって、
    このフローティング・ディスク（３０）は、両側のそれぞれに、複数のウェッジ面（３２）を備えた、プロファイルが付けられた環状面を有し、
    これらのウェッジ面（３２）は、前記フローティング・ディスク（３０）が、流体式のアキシャル軸受の中で、軸受ハウジング（２０）の二つの平らな摺動面と、シャフト（１０）上に配置された軸受コーム（１１）との間で、使用されたときに、周方向で、前記フローティング・ディスク（３０）と平らな摺動面との間の潤滑ギャップを、それぞれ狭めるようにデザインされた、
    フローティング・ディスクにおいて、
    前記フローティング・ディスク（３０）の一方の側に、他方の側に対して、径方向に段差が付けられ、それにより、前記フローティング・ディスク（３０）の両側で、前記プロファイルが付けられた環状面と前記平らな摺動面とにより形成される潤滑ギャップが、互いに異なる幾何学的寸法を有するようになって、それが、前記フローティング・ディスク（３０）の両側で、異なるサイズの荷重受け領域をもたらすこと、
    を特徴とするフローティング・ディスク。
11. 前記プロファイルが付けられた二つの環状面のそれぞれが、異なった数のセグメント（３４）に分割されており、一つのセグメント（３４）が一つのウェッジ面（３２）をそれぞれ有する、請求項１０に記載のフローティング・ディスク。

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