JP5535976B2 - ターボチャージャおよびフローティングブッシュ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャおよびこのターボチャージャに用いられるフローティングブッシュを製造するフローティングブッシュ製造方法に関するものである。

ターボチャージャは、エンジンの排ガスのエネルギーを利用して、エンジンに圧縮した空気を供給するものである。ターボチャージャは、エンジンの排ガスによって回転させられるタービンロータと、タービンロータの回転により回転させられ、外部から吸入した空気を圧縮してエンジンに供給するコンプレッサロータとが備えられている。
タービンロータとコンプレッサロータとを接続する回転軸は、一般に、フローティングブッシュ軸受によってハウジングに回転自在に支持されている（特許文献１参照）。

フローティングブッシュ軸受は、回転軸とハウジングとの間にフローティングブッシュを回転可能に介在させ、ハウジングから供給する加圧された潤滑油をハウジング内周面とフローティングブッシュの外周面との間に供給するとともに、フローティングブッシュに設けた半径方向の給油路によって、フローティングブッシュ内周面と回転軸との間に形成された隙間に供給する。そして、これら隙間に形成した潤滑油の油膜によって回転軸を支持するように構成されている。

特開２００８−２８６０５０号公報

ところで、従来のターボチャージャでは、回転軸、フローティングブッシュの内外周面およびハウジングの内周面は、横断面形状が円形とされている。このようなターボチャージャでは、回転軸の回転が速くなれば油膜ばねにおける連成項が大きくなるため、回転軸の振動が大きくなり、騒音が発生するという課題がある。
特に、小型のターボチャージャは、高速回転、軽荷重の軸系であるためこの振動が発生し易くなる。このため、回転速度を一層速くすることが抑制されるので、性能を向上させる制約条件となっている。

本発明は、このような事情に鑑み、騒音の発生を抑制でき、回転速度を向上し得るターボチャージャおよびフローティングブッシュ製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の第一態様は、タービンロータとコンプレッサロータとを接続する円形断面をした回転軸が、ハウジングにおける該回転軸の周囲を覆うように配置された支持部に、軸線方向で離隔した２箇所でそれぞれフローティングブッシュを介して回転自在に支持されているターボチャージャであって、前記各フローティングブッシュの内周面は、横断面形状が周方向で曲率が変化する非円形状とされているターボチャージャである。

本態様にかかるターボチャージャでは、円形断面をした回転軸を油膜を介して支持するフローティングブッシュの内周面が、横断面形状が周方向で曲率が変化する非円形状とされているので、従来の円形同士の関係に比べて油膜ばねにおける連成項を小さくすることができる。このように油膜ばねにおける連成項を小さくできると、回転軸の不安定振動を抑制することができるので、騒音の発生を抑制することができる。したがって、回転軸の回転速度を向上させることができるので、ターボチャージャの性能を向上させることができる。

前記態様では、前記各フローティングブッシュの外周面は、横断面形状が周方向で曲率が変化する非円形状とされていてもよい。

このようにすると、円形断面とされるハウジングの支持部とフローティングブッシュの外周面との間に形成される油膜による油膜ばねにおける連成項を小さくすることができるので、フローティングブッシュの不安定振動を抑制することができる。したがって、回転軸の不安定振動を一層抑制することができるので、騒音の発生を一層抑制することができる。

前記態様では、前記支持部の内周面は、横断面形状が周方向で曲率が変化する非円形状とされていてもよい。

このようにすると、ハウジングと、円形とされるフローティングブッシュの外周面との間に形成される油膜による油膜ばねにおける連成項を小さくすることができるので、フローティングブッシュの不安定振動を抑制することができる。したがって、回転軸の不安定振動を一層抑制することができるので、騒音の発生を一層抑制することができる。

本発明の参考例は、タービンロータとコンプレッサロータとを接続する円形断面をした回転軸が、ハウジングにおける該回転軸の周囲を覆うように配置された支持部に、軸線方向で離隔した２箇所でそれぞれフローティングブッシュを介して回転自在に支持されているターボチャージャであって、前記支持部の内周面は、横断面形状が周方向で曲率が変化する非円形状とされているターボチャージャである。

参考例にかかるターボチャージャでは、横断面形状が円形をしたフローティングブッシュの外周面を油膜を介して支持する支持部の内周面が、横断面形状が周方向で曲率が変化する非円形状とされているので、従来の円形同士の関係に比べて油膜ばねにおける連成項を小さくすることができる。このように油膜ばねにおける連成項を小さくできると、フローティングブッシュの不安定振動を抑制することができるので、回転軸の不安定振動を抑制することができ、騒音の発生を抑制することができる。したがって、回転軸の回転速度を向上させることができる。

前記第一態様では、前記非円形状は、楕円とされている構成である。

楕円は、横断面形状が周方向で連続的に曲率が変化するので、油膜ばねの急激な変動を抑制することができる。
たとえば、楕円は長軸を挟む一対の円弧の短軸と交差する部分を含む中央部分の曲率半径が、長軸と短軸との交点を中心とする円の曲率半径よりも大きい（曲率が小さい）ので、回転軸との間に形成される潤滑油が流動する隙間の入口部分が、内周面が円形のものに比べて大きくなる。したがって、油膜の反力は内周面が円形のものに比べてより回転軸の軸心に近い位置で作用するので、回転軸を振れ動かす方向に作用する力の成分、すなわち、連成項による成分がより小さくなる。
曲率半径が同一軸心の円の曲率半径よりも大きい部分が、全周の少なくとも半分以上、好ましくは７０％以上を占めるような形状とすることが好ましい。

前記構成では、一対の前記フローティングブッシュを連結して一体化させ、前記各フローティングブッシュの内周面に形成された前記楕円の位相が相互にずらされている。

このように一対のフローティングブッシュは連結されて一体化されているので、各フローティングブッシュは回転軸の回りに一体となって回転することになる。
このとき、各フローティングブッシュの内周面に形成された楕円の位相が相互にずらされているので、各フローティングブッシュで、回転軸を振れ動かす力が作用する方向がずれることになる。このため、相互に干渉して小さくすることができる。

本発明の第二態様は、タービンロータとコンプレッサロータとを接続する円形断面をした回転軸を支持し、内周面の横断面形状が非円形状とされているフローティングブッシュを製造するフローティングブッシュ製造方法であって、円筒部材の側面に軸線中心を挟んで対向する２方向から押圧力を付与し、押しつぶすように変形させ、変形された円筒部材に、軸線中心回りに円形状をした孔を貫通するように形成し、前記押圧力を除去するフローティングブッシュ製造方法である。

本態様にかかるフローティングブッシュ製造方法では、円筒部材の側面に軸線中心を挟んで対向する２方向から押圧力を付与し、押しつぶすように変形させる。次いで、変形された円筒部材に、軸線中心回りに円形状をした孔を貫通するように形成する。その後押圧力を除去すると、２方向からつぶされていた円筒部材が復元し、外周面の横断面形状が円形となるとともに孔は２方向に伸ばされて横断面形状が非円形状となる。
このように、内周面の横断面形状が非円形状とされているフローティングブッシュを容易に製造することができる。

本発明にかかるターボチャージャによると、回転軸の不安定振動を抑制することができ、騒音の発生を抑制することができる。したがって、回転軸の回転速度を向上させることができるので、ターボチャージャの性能を向上させることができる。
また、本発明にかかるフローティングブッシュ製造方法では、内周面の横断面形状が非円形状とされているフローティングブッシュを容易に製造することができる。

本発明の第一実施形態にかかるターボチャージャの構成を説明するブロック図である。 図１のフローティングブッシュ軸受の構成を説明する縦断面図である。 図２のＸ−Ｘ断面図である。 従来のフローティングブッシュ軸受の図３と同じ部分を示す断面図である。 図１のフローティングブッシュを製造する一工程を示す横断面図である。 図１のフローティングブッシュを製造する一工程を示す横断面図である。 図１のフローティングブッシュの別の実施態様を示す横断面図である。 図１のフローティングブッシュのまた別の実施態様を示す横断面図である。 本発明の第一実施形態にかかるフローティングブッシュ軸受の別の形態を示す横断面図である。 本発明の第二実施形態にかかるフローティングブッシュ軸受を示す横断面図である。 本発明の第二実施形態にかかるハウジングを製造する一工程を示す横断面図である。 本発明の第二実施形態にかかるハウジングを製造する一工程を示す横断面図である。 本発明の第三実施形態にかかるフローティングブッシュ軸受を示す横断面図である。 図１３のＹ−Ｙ断面図である。 図１３のＺ−Ｚ断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態にかかるターボチャージャについて図１〜図６を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の第一実施形態にかかるターボチャージャの構成を説明するブロック図である。図２は、図１のフローティングブッシュ軸受の構成を説明する縦断面図である。図３は、図２のＸ−Ｘ断面図である。

ターボチャージャ１には、エンジンの排気ガスによって回転されるタービンロータ３と、外部から導入された空気を圧縮してエンジンに供給するコンプレッサロータ５と、タービンロータ３およびコンプレッサロータ５を接続する回転軸７と、回転軸７を回転可能に支持する軸受ハウジング（ハウジング）９と、回転軸７のタービンロータ３側部分に介装されたタービン側フローティングブッシュ軸受１１と、回転軸７のコンプレッサロータ５側部分に介装されたコンプレッサ側フローティングブッシュ軸受１３と、が備えられている。

タービン側フローティングブッシュ軸受１１およびコンプレッサ側フローティングブッシュ軸受１３は、それぞれ回転軸７と軸受ハウジング９との間にフローティングブッシュ１５を回転可能に介在させる構成とされている。また、各フローティングブッシュ１５は軸方向への移動を制限されるように取り付けられている。したがって、回転軸７は、軸線方向で離隔したタービン側フローティングブッシュ軸受１１およびコンプレッサ側フローティングブッシュ軸受１３の２箇所のフローティングブッシュ１５を介して軸受ハウジング９に支持されている。

軸受ハウジング９には、軸受ハウジング９の内周面（支持部）１７とフローティングブッシュ１５の外周面２１との間に潤滑油を供給する油経路１９が備えられている。
フローティングブッシュ１５には、外周面２１と内周面２３とを連通するように形成された給油孔２５が周方向に適宜間隔を空けて複数備えられている。
給油孔２５は、軸受ハウジング９の内周面１７とフローティングブッシュ１５の外周面２１との間に給油された潤滑油をフローティングブッシュ１５の内周面２３と回転軸７との間に供給する機能を有する。

フローティングブッシュ１５の内周面２３は、横断面形状が、図３に示されるように楕円形状（非円形状）とされている。
この楕円形状は、同一の中心Ｏｂを持つ円形２７をｘ方向に引き延ばされた形状である。したがって、フローティングブッシュ１５の内周面２３と回転軸７との関係は、非円形状と円形状との組み合わせである。

このように構成されたターボチャージャ１の動作について説明する。
エンジンの排気ガスがタービンロータ３に導入され、タービンロータ３を回転させて外部に排出される。
タービンロータ３の回転は、回転軸７を介してコンプレッサロータ５に伝達され、コンプレッサロータ５を回転させる。回転するコンプレッサロータ５は、外部から導入される空気を圧縮し、エンジンへ圧縮された空気を供給する。

このとき、タービン側フローティングブッシュ軸受１１およびコンプレッサ側フローティングブッシュ軸受１３では、油経路１９を通って、加圧された潤滑油が軸受ハウジング９の内周面１７とフローティングブッシュ１５の外周面２１との間に供給されている。さらにこの潤滑油は、給油孔２５を通って、フローティングブッシュ１５の内周面２３と回転軸７との間に形成された隙間に供給されている。
したがって、フローティングブッシュ１５は、油膜を介して軸受ハウジング９に支持され、回転軸７は、油膜を介してフローティングブッシュ１５に支持されている。

回転軸７の回転に伴って、回転軸７は、内周面２３と回転軸７と隙間に形成した潤滑油の油膜を掻き込むので、潤滑油が移動し、それに伴いフローティングブッシュ１５も回転軸７と同じ方向に回転することになる。回転軸７とフローティングブッシュ１５との回転数は異なるのが一般である。
回転軸７の荷重方向Ｗｃに対応する位置で最も隙間が小さくなるが、回転軸７が潤滑油を掻き込むことによって油膜が増加して回転軸７を支持する十分な反力を発生する。
この反力は、油膜ばねとして作用し、ｘ方向の力Ｆｘおよびｙ方向の力Ｆｙとすると、以下のように表わされる。

ここで、ｘはｘ方向の変位量、ｙはｙ方向の変位量、Ｋｘｘは、ｘ方向に移動したときｘ方向に作用するばね定数である。Ｋｙｙは、ｙ方向に移動したときｙ方向に作用するばね乗数である。Ｋｘｙは、ｘ方向に移動したときｙ方向に作用するばね定数である。Ｋｙｘは、ｙ方向に移動したときｘ方向に作用するばね定数である。
このＫｘｙおよびＫｙｘが連成項である。

図４に示される従来のフローティングブッシュ１５のように、円形断面をした回転軸７と、横断面形状が円形とされたフローティングブッシュ１５の内周面２３との円形同士の組み合わせであると、油膜ばねの連成項が大きくなる。連成項が存在すると、ｘ方向に移動したときｙ方向の力が発生し、ｙ方向に移動したときｘ方向の力が発生するので、回転軸７は不安定な振動を生じることとなる。
連成項が大きくなると回転軸７の不安定な振動が大きくなる。

本実施形態では、フローティングブッシュ１５の内周面２３と回転軸７との関係は、非円形状と円形状との組み合わせであるので、従来の円形同士の関係に比べて油膜ばねにおける連成項Ｋｘｙ、Ｋｙｘを小さくすることができる。
このように油膜ばねにおける連成項Ｋｘｙ、Ｋｙｘを小さくできると、回転軸７の不安定振動を抑制することができるので、騒音の発生を抑制することができる。したがって、回転軸７の回転速度を向上させることができるので、ターボチャージャ１の性能を向上させることができる。

また、フローティングブッシュ１５の内周面２３は横断面形状が楕円であり、周方向で連続的に曲率が変化するので、油膜ばねの急激な変動を抑制することができる。
楕円は長軸を挟む一対の円弧の短軸と交差する部分を含む中央部分の曲率半径が、長軸と短軸との交点を中心Ｏｂとする円２３の曲率半径よりも大きい（曲率が小さい）ので、回転軸７との間に形成される潤滑油が流動する隙間の入口部分が、内周面２３が円形のものに比べて大きくなる。したがって、油膜の反力は内周面２３が円形のものに比べてより回転軸７の軸心Ｏｃに近い位置で作用するので、回転軸７を振れ動かす方向に作用する力の成分、すなわち、連成項による成分がより小さくなる。
曲率半径が同一軸心の円の曲率半径よりも大きい部分が、全周の少なくとも半分以上、好ましくは７０％以上を占めるような形状とすることが好ましい。

次に、このフローティングブッシュ１５を製造するフローティングブッシュ製造方法について、図５および図６により説明する。
図５に示されるように２点鎖線で示される円筒部材２７の側面に軸線中心を挟んで対向する２方向（上下）から押圧力を付与し、押しつぶすように変形させる。
次いで、実線で示される変形された円筒部材２７に、軸線中心回りに円形状をした孔２９を貫通するように形成する。

その後、図６に示されるように押圧力を除去すると、上下からつぶされていた円筒部材２７が復元し、外周面２１の横断面形状が円形となるとともに孔２９は上下に伸ばされて横断面形状が非円形状となる。
このように、内周面２３の横断面形状が楕円（非円形状）とされているフローティングブッシュ１５を容易に製造することができる。

なお、本実施形態では、内周面２３の横断面形状が非円形状として楕円を用いているが、これに限定されるものではない。
たとえば、図７に示されるように３円弧形状、図８に示されるように４円弧形状としてもよいし、５以上の多円弧形状としてもよい。このようにすると、曲率半径が同一軸心の円の曲率半径よりも大きい部分の割合を多くすることができる。
また、２円弧形状としてもよい。さらに、多円弧形状の円弧間の接続部を滑らかに接続されるようにしてもよい。

本実施形態では、フローティングブッシュ１５の内周面２３を非円形状としているが、これに加えて、図９に示されるようにフローティングブッシュ１５の外周面２１も非円形状としてもよい。
このようにすると、円形断面とされる軸受ハウジング９の内周面１７とフローティングブッシュ１５の外周面２１との間に形成される油膜による油膜ばねにおける連成項を小さくすることができるので、フローティングブッシュ１５の不安定振動を抑制することができる。したがって、回転軸７の不安定振動を一層抑制することができるので、騒音の発生を一層抑制することができる。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態にかかるターボチャージャ１について、図１０を用いて説明する。
本実施形態は、軸受ハウジング９の内周面１７およびフローティングブッシュ１５の内周面２３の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態と同じ部分については重複した説明を省略する。なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
図１０は、本実施形態にかかるタービン側フローティングブッシュ軸受１１（コンプレッサ側フローティングブッシュ軸受１３）を示す横断面図である。

本実施形態では、フローティングブッシュ１５の内周面２３の横断面形状は円形状とされている。
一方、軸受ハウジング９の内周面１７の横断面形状は楕円形状とされている。

このように構成された本実施形態では、横断面形状が円形をしたフローティングブッシュ１５の外周面２１を油膜を介して支持する軸受ハウジング９の内周面１７が、楕円形状とされているので、従来の円形同士の関係に比べて油膜ばねにおける連成項を小さくすることができる。
このように油膜ばねにおける連成項を小さくできると、フローティングブッシュ１５の不安定振動を抑制することができるので、回転軸の不安定振動を抑制することができ、騒音の発生を抑制することができる。したがって、回転軸の回転速度を向上させることができる。

次に、この軸受ハウジング９の内周面１７を形成する一方法について、図１１および図１２により説明する。
ここでは、軸受ハウジング９が円筒形状をしているとして説明する。図１１に示されるように、円筒部材３１に、円筒部材３１の軸線中心とずれた軸線中心を持つ孔３３を貫通するように加工する。
加工された円筒部材３１を円筒部材３１および孔３３の軸線中心を結ぶ線に沿って２分割し、半割部材３５を形成する。

２分割された一方の半割部材３５を軸線中心に直交する方向の回りに回転させ、言い換えれば、左右反転させ、図１２に示されるように重ね合せて接合する。
ここでは、孔３３の心ずれを大きくして図示しているので、内周面２３がふれんぞうとなっているように見えるが、実際は数十μｍ程度の段差であり、ほとんど連続しているようなものである。また、段差が気になるようであれば、接合した後で研削して滑らかになるようにしてもよい。

なお、軸受ハウジング９の内周面１７を形成する方法はこれに限定されるものではなく、楕円形状となるように切削加工してもよいし、非円形部材を圧入して加工するようにしてもよい。
また、この方法を第一実施形態のフローティングブッシュ１５の製造に用いてもよい。

〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態にかかるターボチャージャ１について、図１３〜図１５を用いて説明する。
本実施形態は、フローティングブッシュ軸受の構成が第一実施形態とは異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態と同じ部分については重複した説明を省略する。なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
図１３は、本実施形態にかかるフローティングブッシュ軸受を示す横断面図である。図１４は、図１３のＹ−Ｙ断面図である。図１５は、図１３のＺ−Ｚ断面図である。

本実施形態では、タービン側フローティングブッシュ軸受１１とタービン側フローティングブッシュ軸受１１とは、フローティングブッシュ１５同士が接続部材３７によって連結されて一体化されている。このように一体化されたものは、いわゆる、セミフローティングブッシュ軸受と呼ばれている。
各フローティングブッシュ１５の内周面２３に形成された楕円の回転位相は、図１４および図１５に示されるように、９０°ずらされている。

このように一対のフローティングブッシュ１５は連結されて一体化されているので、各フローティングブッシュ１５は回転軸７の回りに一体となって回転することになる。
このとき、各フローティングブッシュ１５の内周面２３に形成された楕円の回転位相が相互に９０°ずらされているので、各フローティングブッシュ１５で、回転軸７を振れ動かす力が作用する方向がずれることになる。このため、相互に干渉して回転軸７の不安定振動を小さくすることができる。

すなわち、コンプレッサ側フローティングブッシュ軸受１３側では、図１４のように不安定振動が発生し易い位置にあったとしても、タービン側フローティングブッシュ軸受１１側では、図１５に示されるように不安定振動を抑えることができる位置にあるので、回転軸７の不安定振動を抑制することができる。

なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。

１ ターボチャージャ
３ タービンロータ
５ コンプレッサロータ
７ 回転軸
９ 軸受ハウジング
１５ フローティングブッシュ
２１ 外周面
２３ 内周面
２７ 円筒部材
２９ 孔

Claims (4)

1. タービンロータとコンプレッサロータとを接続する円形断面をした回転軸が、ハウジングにおける該回転軸の周囲を覆うように配置された支持部に、軸線方向で離隔した２箇所でそれぞれフローティングブッシュを介して回転自在に支持されているターボチャージャであって、
   前記各フローティングブッシュの内周面は、横断面形状が周方向で曲率が変化する楕円形状とされており、
   一対の前記フローティングブッシュを連結して一体化させ、前記各フローティングブッシュの内周面に形成された前記楕円の位相が相互にずらされていることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記各フローティングブッシュの外周面は、横断面形状が周方向で曲率が変化する非円形状とされていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記支持部の内周面は、横断面形状が周方向で曲率が変化する非円形状とされていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
4. タービンロータとコンプレッサロータとを接続する円形断面をした回転軸を支持し、内周面の横断面形状が非円形状とされているフローティングブッシュを製造するフローティングブッシュ製造方法であって、
   円筒部材の側面に軸線中心を挟んで対向する２方向から押圧力を付与し、押しつぶすように変形させ、
   変形された円筒部材に、軸線中心回りに円形状をした孔を貫通するように形成し、
   前記押圧力を除去することを特徴とするフローティングブッシュ製造方法。

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