JP6250923B2 - 軸受装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばターボチャージャに用いられる軸受装置に関する。
高速回転する回転軸をケーシング内で支持するターボチャージャ用の軸受装置として、図6に示すように、ケーシング90内に設けられている円筒形状の外輪ハウジング91と、この外輪ハウジング91の軸方向両側部それぞれに取り付けられている転がり軸受92,92とを備え、これら転がり軸受92,92が、外輪ハウジング91の径方向内側にある回転軸99を回転自在に支持するものがある(特許文献1参照)。
図6に示すターボチャージャでは、ケーシング90に給油孔96が設けられており、この給油孔96から外輪ハウジング91の外周面91aへと油が供給される。この油により、ケーシング90の内周面90aと外輪ハウジング91の外周面91aとの間に油膜(オイルフィルム)が形成され、軸受装置97の振動がケーシング90に伝わりにくくすることが可能となる。
また、ケーシング90の内周面90aと外輪ハウジング91の外周面91aとの間に供給された油は、この外輪ハウジング91の軸方向の端面98とケーシング90内の側壁面90bとの間を経て転がり軸受92内に供給され、この油により転がり軸受92を潤滑すると共に冷却することが可能となる。
特開2010−133266号公報
前記のとおり、ターボチャージャのケーシング90側から供給された油は、転がり軸受92を潤滑すると共に冷却するためにも機能するが、この潤滑及び冷却に要する油量を超える油が、転がり軸受92内に供給された場合、この転がり軸受92を通過した油が、回転軸99の外周側に取り付けられているスペーサ99aと外輪ハウジング91との間の環状空間100で滞留し、高速で回転する転がり軸受92における油の撹拌抵抗が大きくなる。この結果、回転軸99の回転抵抗が大きくなり、ターボチャージャとしての機能を十分に発揮させることができなくなるおそれがある。
なお、外輪ハウジング91の軸方向中央の一部には油の排出孔89が形成されており、軸方向両側の転がり軸受92,92間に形成されている環状空間100の過剰な油をこの排出孔89を通じて軸受装置97外へ排出可能であるが、油の供給量に比べて排出量が十分でない場合、環状空間100で油が滞留してしまい、転がり軸受92における油の撹拌抵抗が大きくなる。
そこで、本発明は、転がり軸受内へ油を供給量を制限して供給することが可能となる軸受装置を提供することを目的とする。
本発明は、ケーシング内に設けられ軸方向中央の一部に油の排出孔が形成されている円筒形状の外輪ハウジングと、前記外輪ハウジングの軸方向両側部それぞれに取り付けられ当該外輪ハウジングの径方向内側にある回転軸を回転自在に支持する転がり軸受とを有し、前記ケーシングの内周面と前記外輪ハウジングの外周面との間に供給された油が、当該外輪ハウジングの軸方向の端面と前記ケーシング内の側壁面との間を経て前記転がり軸受内に供給され、この転がり軸受を通過した油が、軸方向両側の前記転がり軸受間に形成されている環状空間から前記排出孔を通じて排出される軸受装置であって、前記外輪ハウジングの軸方向の前記端面に、前記油の流路となる径方向に貫通した切り欠き溝が形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、ケーシングの内周面と外輪ハウジングの外周面との間に供給された油が、外輪ハウジングの軸方向の端面とケーシング内の側壁面との間を経て転がり軸受内に供給される際に、外輪ハウジングの軸方向の端面に、径方向に貫通した切り欠き溝が形成されていることで、この切り欠き溝から油が転がり軸受側へ供給される。しかも、この端面において、切り欠き溝により油の供給量が制限され、過剰な油が転がり軸受内へ供給されるのを防ぐことが可能となる。
また、前記外輪ハウジングの軸方向の前記端面は、前記転がり軸受が有する外輪の軸方向外側の側面よりも軸方向外側に位置しており、前記切り欠き溝の溝底面は、前記外輪の軸方向外側の前記側面よりも軸方向外側に位置しているのが好ましい。
この場合、切り欠き溝の深さが浅く設定され、転がり軸受内へ供給される油量を制限することが可能となる。
また、前記切り欠き溝の溝底面を径方向内方へ延長させた仮想平面と、前記転がり軸受が有する外輪の軸方向外側の前記側面との間には、空間部が形成されているのが好ましい。
この場合、切り欠き溝の溝底面に沿って流れた油が、そのまま外輪の軸方向外側の側面を伝って、転がり軸受内へ供給されにくくなり、転がり軸受内へ供給される油量を制限することが可能となる。
また、前記軸受装置は、ターボチャージャ用の軸受装置であって、前記回転軸の一方側の端部には、排気流路を流れる排気ガスにより回転するタービンが設けられ、他方側の端部には、給気流路から吸引された空気を圧縮するためのインペラが設けられ、前記外輪ハウジングの軸方向両側の端面のうち、前記タービンに近い側の端面にのみ、前記切り欠き溝が形成されているのが好ましい。
ターボチャージャでは、タービン側の転がり軸受が、インペラ側の転がり軸受よりも高温となることから、タービンに近い側の転がり軸受に対して適切な油量による給油が必要となる。そこで、外輪ハウジングの軸方向両側の端面のうち、タービンに近い側の端面に切り欠き溝が形成されていることで、このような給油が可能となる。これに対して、インペラに近い側の端面には、切り欠き溝を形成しないことにより、軸受装置を製造(外輪ハウジングを加工)する際の工数が低減される。
本発明によれば、外輪ハウジングの軸方向の端面に形成された切り欠き溝により、転がり軸受内への油の供給量が制限され、過剰な油が転がり軸受内へ供給されるのを防ぐことが可能となる。この結果、環状空間に油が滞留するのを防ぎ、転がり軸受における油の撹拌抵抗が大きくなるのを防止することができ、回転軸の回転性能を高めることが可能となる。
本発明の軸受装置が組み込まれているターボチャージャの縦断面図である。 軸受装置の縦断面図である。 ケーシング及び軸受装置の軸方向一方側部分における拡大断面図である。 外輪ハウジングを軸方向一方側から見た側面図である。 図4のV−V矢視の断面図である。 従来の軸受装置の縦断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の軸受装置1が組み込まれているターボチャージャTの縦断面図である。このターボチャージャTは、ケーシング2と、このケーシング2内で高速回転する回転軸3とを備えている。回転軸3は、軸方向一方側(図1の右側)の端部に設けられているタービン53と、軸方向他方側(図1の左側)の端部に設けられているインペラ54とを有している。
ケーシング2の軸方向一方側には排気流路51が設けられており、軸方向他方側には給気流路55が設けられている。排気流路51を流れる排気ガスによりタービン53が回転することで回転軸3は高速回転し、この回転軸3の回転力によってインペラ54は給気流路55内で回転する。そして、給気流路55の開口部から吸引された空気がインペラ54により圧縮され、この圧縮された空気が、ガソリンや軽油等の燃料と共に、図示しないエンジンのシリンダ室内に送り込まれる。
このようなターボチャージャTの回転軸3は、数万〜十数万(回/分)もの高速で回転し、しかも、エンジンの運転状況(回転数)に応じて回転速度が頻繁に変化することから、回転軸3の回転損失をできるだけ低減するのが好ましい。そこで、ケーシング2内に設けられている軸受装置1が、この回転軸3を小さな回転抵抗となるようにして支持している。
図2は軸受装置1の縦断面図である。この軸受装置1は、ケーシング2内に設けられ円筒形状である外輪ハウジング10と、この外輪ハウジング10の軸方向両側部11,11それぞれに取り付けられている転がり軸受20,20とを備えている。これら転がり軸受20,20により、外輪ハウジング10の径方向内側にある回転軸3が回転自在に支持される。
ターボチャージャTのケーシング2は、中央に軸受装置1を収容する収容室4が形成されている。つまり、ケーシング2内には、内周面5と、この内周面5の軸方向両側からそれぞれ径方向内側に延びる円環状の側壁面6,6とが形成されており、これら内周面5及び側壁面6,6によって囲まれる領域が、前記収容室4となる。
また、このケーシング2には、内周面5において開口する給油孔7,7及び排油孔8が形成されている。給油孔7は、ケーシング2の上部に形成されており、この給油孔7を通じて、油(潤滑油)が外輪ハウジング10の外周面16とケーシング2の内周面5との間に供給される。排油孔8は、ケーシング2の下部に形成されており、収容室4内に設けられている軸受装置1を通過した油を、この排油孔8を通じて外部へと排出する。
外輪ハウジング10は、円筒形状である軸方向両側部11,11及びその間の本体部19を含み、これらが一体として構成されている円筒形状の部材である。そして、外輪ハウジング10の軸方向中央の一部(下部)に、油の排出孔15が形成されている。排出孔15は、ケーシング2の排油孔8と連続する配置となる。
外輪ハウジング10の軸方向寸法は、ケーシング2の側壁面6,6間の軸方向寸法よりも僅かに小さく、外輪ハウジング10は、ケーシング2内において、周方向の回転は制限されているが、軸方向の一方側及び他方側については微小寸法だけ移動可能となる。
また、外輪ハウジング10の軸方向両側の端面17,17は、ケーシング2内の軸方向両側に設けられている側壁面6,6に、隙間を有して対向する対向面となる。なお、外輪ハウジング10の軸方向の端面17と、ケーシング2の側壁面6との間には微小の隙間が形成されるが、図2では、説明を容易とするためにこの隙間を大きくして表現している。
また、外輪ハウジング10がケーシング2内を軸方向一方側(図2の右側)に移動した際に、外輪ハウジング10の軸方向一方側の端面17は、このケーシング2内の側壁面6(図2では右側の側壁面6)に対して軸方向から接触することがある。この端面17は、外輪22の軸方向外側の側面25よりも軸方向外側(図2の右側)に位置している。
また、これと同様に、外輪ハウジング10がケーシング2内を軸方向他方側(図2の左側)に移動した際に、外輪ハウジング10の軸方向他方側の端面17は、このケーシング2内の側壁面6(図2では左側の側壁面6)に対して軸方向から接触することがある。この端面17は、外輪22の軸方向外側の側面25よりも軸方向外側(図2の左側)に位置している。
軸方向両側の転がり軸受20,20は、同じ構造であり、本実施形態の転がり軸受20はアンギュラ玉軸受である。転がり軸受20それぞれは、外輪22、内輪23及び転動体としての玉24を有している。玉24はセラミック製である。
外輪22は、外輪ハウジング10の軸方向両側部11,11それぞれに嵌め入れられており、内輪23は回転軸3に外嵌している。軸方向両側の内輪23,23の間には円筒形状であるスペーサ9が設けられており、スペーサ9内を回転軸3が挿通している。スペーサ9により左右の内輪23,23は軸方向の位置決めがされる。また、外輪ハウジング10とスペーサ9(回転軸3)との間であって、軸方向両側の転がり軸受20,20の間には、環状空間50が形成されている。
そして、本実施形態では、前記給油孔7,7から供給された油により、ケーシング2の内周面5と外輪ハウジング10の外周面16との間に油膜(オイルフィルム)が形成され、軸受装置1の振動がケーシング2に伝わりにくくしている。
そして、これら内周面5と外周面16との間に供給された油は、軸方向両側それぞれにおいて、外輪ハウジング10の軸方向の端面17とケーシング2内の側壁面6との間を経て、転がり軸受20内に供給される。つまり、油は、外輪22と内輪23との間の環状の軸受空間Qに供給される。そして、転がり軸受20,20それぞれを通過した油(軸受空間Qを通過した油)は、前記環状空間50を流れ、さらに、この環状空間50から排出孔15及び排油孔8を通じて外部へ排出される。
図3は、ケーシング2及び軸受装置1の軸方向一方側の部分(図2では右側部分)における拡大断面図である。この軸方向一方側は、図1に示すターボチャージャTにおけるタービン53側に相当する。図4は、外輪ハウジング10を軸方向一方側(タービン53側)から見た側面図である。図5は、図4のV−V矢視の断面図である。
外輪ハウジング10の軸方向両側の端面17,17の内の一方側に、切り欠き溝14が形成されており、本実施形態では、切り欠き溝14が形成されている端面17は、タービン53側(図1参照)の端面17である。切り欠き溝14の断面形状は、図5に示すように矩形であるが、その他の形状であってもよい。この切り欠き溝14は、外輪ハウジング10の軸方向の端部を径方向に貫通した溝であり、外輪ハウジング10の外周面16と、ケーシング2の内周面5との間に供給された油の流路となる。
この切り欠き溝14によれば、外輪ハウジング10の外周面16側に供給された油を、軸方向一方側(図1のタービン53側)の転がり軸受20側へ供給することができる。例えば、外輪ハウジング10がケーシング2内を軸方向一方側(図1のタービン53側)へ移動し、この外輪ハウジング10の軸方向一方側の端面17が、ケーシング2内の側壁面6に近接し、さらに当接したとしても、この端面17に、径方向に貫通した切り欠き溝14が形成されていることで、この切り欠き溝14から油が転がり軸受20内へ供給される。
また、この切り欠き溝14が形成されている端面17には、第二の切り欠き溝18も形成されている(図2及び図4参照)。第二の切り欠き溝18は、第一の切り欠き溝14と同様であり、断面矩形である。この第二の切り欠き溝18は、外輪ハウジング10の軸方向の端部を径方向に貫通した溝であり、油の流路となる。この第二の切り欠き溝18によれば、第一の切り欠き溝14を通過したが転がり軸受20内へ流れなかった油を、外輪ハウジング10の外周面16側へと流して、排油孔8から外部へ排出することができる。
なお、図4に示すように、第一の切り欠き溝14は、外輪ハウジング10の環状となる端面17のうち、上側半分の領域の一部に形成されており、第二の切り欠き溝18は、外輪ハウジング10の環状となる端面17のうち、下側半分の領域の一部に形成されている。特に、第一の切り欠き溝14は、端面17の上端の位置に形成されており、第二の切り欠き溝18は、端面17の下端の位置に形成されている。また、本実施形態では、第一の切り欠き溝14は、端面17に一つのみ形成されており、第二の切り欠き溝18は、この端面17に一つのみ形成されている。第一の切り欠き溝14と第二の切り欠き溝18とは、外輪ハウジング10の中心線Cを中心として、180°離れて設けられている。
また、図3に示すように、これら切り欠き溝14,18が形成されている端面17は、外輪22の軸方向外側の側面25よりも軸方向外側(図3では右側)に位置している。つまり、外輪ハウジング10の軸方向の端部は、外輪22の側面25よりも、軸方向外側(図3では右側)へ突出している。
そして、本実施形態では、第一の切り欠き溝14の溝断面の深さ(溝深さA)は、この切り欠き溝14が形成されている端面17から外輪22の軸方向外側の側面25までの軸方向寸法Bよりも、小さく設定されている(A<B)。すなわち、第一の切り欠き溝14の溝底面41の軸方向の位置は、外輪22の軸方向外側の側面25と、外輪ハウジング10の軸方向の端面17との間に位置している。
また、第二の切り欠き溝18の溝底面18a(図2参照)は、外輪22の軸方向外側の側面25と、軸方向の位置が同じであるが、図3に示すように、第一の切り欠き溝14の溝底面41は、外輪22の軸方向外側の側面25よりも軸方向外側(図3では右側)に位置している。このため、第一の切り欠き溝14の溝深さ(図5では寸法A)と、第二の切り欠き溝18の溝深さとは異なる。
さらに、第一の切り欠き溝14と第二の切り欠き溝18とで、溝幅(図5では寸法W)が異なる。つまり、図4に示すように、第一の切り欠き溝14の溝幅(寸法W)は、第二の切り欠き溝18の溝幅(寸法K)よりも小さく設定されている(W<K)。
以上より、外輪ハウジング10の外周面16側から転がり軸受20側へ油を流入させるための第一の切り欠き溝14の溝断面は、転がり軸受20側から外輪ハウジング10の外周面16側へと油を流出させるための第二の切り欠き溝18の溝断面よりも、小さく設定されている。
以上より、外輪ハウジング10の端面17が、ケーシング2内の側壁面6と近接し、さらに、当接した状態となっても、この端面17に、径方向に貫通した第一の切り欠き溝14が形成されていることで、この第一の切り欠き溝14から油が転がり軸受20内へ供給される。しかも、この端面17において、第一の切り欠き溝14により油の供給量が制限される。特に、前記のとおり、第一の切り欠き溝14の溝底面41は、外輪22の軸方向外側の側面25よりも軸方向外側(図3では右側)に位置していることで、この切り欠き溝14の溝深さAが浅く設定され、転がり軸受20内へ供給される油量を制限することが可能となる。
このため、過剰な油が、転がり軸受20内へ供給されるのを防ぎ、さらには、この転がり軸受20を通じて環状空間50へと流れるのを防ぐことが可能となる。つまり、第一の切り欠き溝14は油の「絞り」としての機能を有することができる。
この切り欠き溝14の構成による機能について更に説明する。図3に示すように、切り欠き溝14の溝底面41を径方向内方へ延長させた仮想平面Hと、外輪22の側面25との間には、空間部Jが形成されている。つまり、溝底面41と側面25とは、軸方向についての位置が異なる不連続な面(段付き面)となる。このため、切り欠き溝14の溝底面41に沿って流れた油が、そのまま外輪22の側面25を伝って、転がり軸受20内(外輪22と内輪23との間の軸受空間Q)へ供給されにくくなり、転がり軸受20内へ供給される油量を制限することが可能となる。
これに対して、前記のとおり、第二の切り欠き溝18の溝底面18a(図2参照)と、外輪22の軸方向外側の側面25とは、軸方向の位置が同じであることから、つまり、同一面内に存在している連続した面を構成していることから、転がり軸受20内に供給されなかった油は、外輪22の側面25から第二の切り欠き溝18の溝底面18aに沿って、この切り欠き溝18内を容易に流れることができる。このため、このような油を外輪ハウジング10の外周面16側へと排出することができ、さらに、排油孔8を通じて、外部へ排出することが可能となる。
以上より、本実施形態に係る軸受装置1によれば、過剰な油が、転がり軸受20内へ供給されるのを防ぐことが可能となり、この転がり軸受20を通過した油が、環状空間50に滞留するのを防ぎ、転がり軸受20における油の撹拌抵抗が大きくなるのを防止することができる。したがって、回転軸3の回転抵抗が大きくなるのを防ぐことができ、ターボチャージャとしての機能を十分に発揮させることが可能となる。
また、図1に示すように、本実施形態に係る軸受装置1は、ターボチャージャT用の軸受装置であり、ターボチャージャTでは、タービン53側の転がり軸受20が、インペラ54側の転がり軸受20よりも高温となることから、タービン53に近い側の転がり軸受20に対して適切な油量による給油が必要となる。そこで、外輪ハウジング10の軸方向両側の端面17,17(図2参照)のうち、タービン53に近い側の端面17にのみ、切り欠き溝14が形成されている。これにより、タービン53に近い側の転がり軸受20に対して適切な油量による給油が可能となる。
これに対して、インペラ54に近い側の端面17には、切り欠き溝14(18)を形成しない。これにより、軸受装置1を製造(外輪ハウジング10を加工)する際の工数が低減され、コスト低減に貢献することが可能となる。
また、本発明の軸受装置は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであっても良い。例えば、前記実施形態では、外輪ハウジング10の軸方向一方側(タービン53側)の端面である端面17にのみ切り欠き溝14が形成されている場合について説明したが、これに限らず、図示しないが、軸方向他方側(インペラ54側)の端面である端面17にのみ切り欠き溝14が形成されていてもよく、又は、軸方向両側の端面17,17それぞれに切り欠き溝14が形成されていてもよい。
また、前記実施形態では、一つの端面17に対して、第一の切り欠き溝14を一つのみ形成したが、一つの端面17に対して、複数の切り欠き溝14を周方向に間隔をあけて形成してもよい。また、これと同様に、第二の切り欠き溝18を複数形成してもよい。
1:軸受装置 2:ケーシング 3:回転軸 5:内周面 6:側壁面 10:外輪ハウジング 11:外輪ハウジングの軸方向側部 14:切り欠き溝(第一の切り欠き溝) 15:排出孔 16:外周面 17:端面 20:転がり軸受 22:外輪 23:内輪 24:玉(転動体) 25:外輪の軸方向外側の側面 41:溝底面 50:環状空間 51:排気流路 53:タービン 54:インペラ 55:給気流路 H:仮想平面 J:空間部 T:ターボチャージャ

Claims (5)

  1. ケーシング内に設けられ軸方向中央の一部に油の排出孔が形成されている円筒形状の外輪ハウジングと、前記外輪ハウジングの軸方向両側部それぞれに取り付けられ当該外輪ハウジングの径方向内側にある回転軸を回転自在に支持する転がり軸受と、を有し、
    前記ケーシングの内周面と前記外輪ハウジングの外周面との間に供給された油が、当該外輪ハウジングの軸方向の端面と前記ケーシング内の側壁面との間を経て前記転がり軸受内に供給され、この転がり軸受を通過した油が、軸方向両側の前記転がり軸受間に形成されている環状空間から前記排出孔を通じて排出される軸受装置であって、
    前記外輪ハウジングの軸方向の前記端面に、前記油の流路となる径方向に貫通した第一の切り欠き溝と、当該第一の切り欠き溝と当該外輪ハウジングの中心線を基準として180°離れて設けられかつ当該第一の切り欠き溝よりも溝幅が大きい径方向に貫通した第二の切り欠き溝と、が形成されていることを特徴とする軸受装置。
  2. 前記外輪ハウジングの軸方向の前記端面は、前記転がり軸受が有する外輪の軸方向外側の側面よりも軸方向外側に位置しており、
    前記第一の切り欠き溝の溝底面は、前記外輪の軸方向外側の前記側面よりも軸方向外側に位置している請求項1に記載の軸受装置。
  3. 前記第一の切り欠き溝の溝底面を径方向内方へ延長させた仮想平面と、前記転がり軸受が有する外輪の軸方向外側の前記側面との間には、空間部が形成されている請求項2に記載の軸受装置。
  4. ケーシング内に設けられ軸方向中央の一部に油の排出孔が形成されている円筒形状の外輪ハウジングと、前記外輪ハウジングの軸方向両側部それぞれに取り付けられ当該外輪ハウジングの径方向内側にある回転軸を回転自在に支持する転がり軸受と、を有し、
    前記ケーシングの内周面と前記外輪ハウジングの外周面との間に供給された油が、当該外輪ハウジングの軸方向の端面と前記ケーシング内の側壁面との間を経て前記転がり軸受内に供給され、この転がり軸受を通過した油が、軸方向両側の前記転がり軸受間に形成されている環状空間から前記排出孔を通じて排出される軸受装置であって、
    前記外輪ハウジングの軸方向の前記端面に、前記油の流路となる径方向に貫通した第一の切り欠き溝と、当該第一の切り欠き溝と当該外輪ハウジングの中心線を基準として180°離れて設けられかつ当該第一の切り欠き溝よりも溝幅が大きい径方向に貫通した第二の切り欠き溝と、が形成され
    前記第一の切り欠き溝の溝底面を径方向内方へ延長させた仮想平面と、前記転がり軸受が有する外輪の軸方向外側の側面との間には、空間部が形成されていることを特徴とする軸受装置。
  5. ターボチャージャ用の軸受装置であって、
    前記回転軸の一方側の端部には、排気流路を流れる排気ガスにより回転するタービンが設けられ、他方側の端部には、給気流路から吸引された空気を圧縮するためのインペラが設けられ、
    前記外輪ハウジングの軸方向両側の端面のうち、前記タービンに近い側の端面にのみ、前記第一の切り欠き溝及び前記第二の切り欠き溝が形成されている請求項1〜のいずれか一項に記載の軸受装置。
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