JP6312979B2 - 過給機 - Google Patents

Description

本発明は、すべり軸受として機能するセミフローティングメタルを備える過給機に関する。

従来、一端にタービンインペラが設けられ他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸が、ベアリングハウジングに回転自在に保持された過給機が知られている。こうした過給機をエンジンに接続し、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラを回転させるとともに、このタービンインペラの回転によって、タービン軸を介してコンプレッサインペラを回転させる。こうして、過給機は、コンプレッサインペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに過給する。

例えば、特許文献１では、ベアリングハウジングの軸受孔に、ラジアル荷重とスラスト荷重を受ける軸受として機能するセミフローティングメタルが設けられている。セミフローティングメタルは、タービン軸が挿通される挿通孔を有する環状部材であって、挿通孔の内周面がすべり面となってラジアル荷重を受けている。ベアリングハウジングとセミフローティングメタルそれぞれには、互いに連通して油路となる孔が設けられ、ベアリングハウジングの外部から供給された潤滑油がセミフローティングメタルの内部に流通し、すべり面に潤滑油が供給される。

特開２００７−２３８５８号公報

ところで、セミフローティングメタルは、フルフローティングメタルに比べ、自励振動（ホワール振動）を抑制し易いものの、タービン軸の回転抵抗による機械損失（メカロス）が大きい。メカロスは、主に、セミフローティングメタルの内周面に導かれた潤滑油の回転抵抗によって生じることから、その油量を抑制してメカロスを低減することが望まれる。

しかし、単にベアリングハウジングに潤滑油を供給する際の供給圧（油圧）を小さくすると、セミフローティングメタルの内周面以外に供給される油量も減少し、潤滑油による冷却や摩擦低減の機能が低下してしまう。また、セミフローティングメタルの内周面に潤滑油を導く孔の径を小さくすると、潤滑油に異物が含まれている場合に、異物が詰まってしまうおそれがある。

本発明の目的は、油圧の低下や孔の細径化を伴うことなく潤滑油の油量を調整し、セミフローティングメタルのメカロスを低減することが可能となる過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の過給機は、過給機本体と、一端にタービンインペラが設けられ、他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸と、前記過給機本体内に形成された軸受孔と、前記軸受孔に対して、前記タービン軸の軸方向および回転方向の移動が規制された状態で前記軸受孔内に設けられ、該タービン軸が挿通される挿通孔を有し、該挿通孔の内周面が軸受面となるセミフローティングメタルと、前記過給機本体の外部から内部に貫通し、前記セミフローティングメタルに潤滑油を供給する供給路と、前記セミフローティングメタルの外部から内部に貫通し、前記供給路から供給された前記潤滑油を、該セミフローティングメタルの内部に流通させる油路と、を備え、前記油路の入口端と、前記供給路の出口端とは、前記タービン軸の径方向に一部が重なって位置し、その重なっている部分の面積である重なり面積は、前記油路の入口端の面積と前記供給路の出口端のうち小さい方の面積である基準面積に対して、２０％以上６０％以下の大きさであることを特徴とする。

本発明によれば、油圧の低下や孔の細径化を伴うことなく潤滑油の油量を調整し、セミフローティングメタルのメカロスをフルフローティングメタルのメカロス以下に低減することが可能となる。

過給機の概略断面図である。 図１のベアリングハウジング内部の部分拡大図である。 供給路の出口端と、油路の入口端の位置関係を説明するための説明図である。 オーバーラップ量とセミフローティングメタルの内部油量との関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機Ｃの概略断面図である。以下では、図１に示す矢印Ｆ方向を過給機Ｃの前側とし、矢印Ｒ方向を過給機Ｃの後側として説明する。図１に示すように、過給機Ｃは、過給機本体１を備えて構成される。この過給機本体１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の前側に締結機構３によって連結されるタービンハウジング４と、ベアリングハウジング２の後側に締結ボルト５によって連結されるコンプレッサハウジング６と、が一体化されて形成されている。

ベアリングハウジング２のタービンハウジング４近傍の外周面には、ベアリングハウジング２の径方向に突出する突起２ａが設けられている。また、タービンハウジング４のベアリングハウジング２近傍の外周面には、タービンハウジング４の径方向に突出する突起４ａが設けられている。ベアリングハウジング２とタービンハウジング４は、突起２ａ、４ａを締結機構３によってバンド締結して固定される。締結機構３は、突起２ａ、４ａを挟持する所謂Ｇカップリングで構成される。

ベアリングハウジング２には、過給機Ｃの前後方向に貫通する軸受孔２ｂが形成されており、この軸受孔２ｂに設けられたセミフローティングメタル２０によって、タービン軸７が回転自在に軸支されている。タービン軸７の前端部（一端）にはタービンインペラ８が一体的に固定されており、このタービンインペラ８がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、タービン軸７の後端部（他端）にはコンプレッサインペラ９が一体的に固定されており、このコンプレッサインペラ９がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング６には、過給機Ｃの後側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸気口１０が形成されている。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６とが連結された状態では、これら両ハウジング２、６の対向面によって、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路１１が形成される。このディフューザ流路１１は、タービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ９を介して吸気口１０に連通している。

また、コンプレッサハウジング６には、ディフューザ流路１１よりもタービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路１２が設けられている。コンプレッサスクロール流路１２は、不図示のエンジンの吸気口と連通するとともに、ディフューザ流路１１にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ９が回転すると、吸気口１０からコンプレッサハウジング６内に流体が吸気されるとともに、当該吸気された流体は、ディフューザ流路１１およびコンプレッサスクロール流路１２で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

タービンハウジング４には、過給機Ｃの前側に開口するとともに不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口１３が形成されている。また、タービンハウジング４には、流路１４と、この流路１４よりもタービン軸７（タービンインペラ８）の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路１５とが設けられている。タービンスクロール流路１５は、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導かれる不図示のガス流入口と連通するとともに、上記の流路１４にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路１５に導かれた排気ガスは、流路１４およびタービンインペラ８を介して吐出口１３に導かれるとともに、その流通過程においてタービンインペラ８を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ８の回転力は、タービン軸７を介してコンプレッサインペラ９に伝達されることとなり、コンプレッサインペラ９の回転力によって、上記のとおりに、流体が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

図２は、図１のベアリングハウジング２内部の部分拡大図であり、図１中、破線の四角で囲われた部分を示す。以下、図２を参照しながら、軸受孔２ｂ内に収容されたセミフローティングメタル２０によるタービン軸７の支持構造について説明する。

供給路２１は、ベアリングハウジング２に設けられた孔であって、ベアリングハウジング２の外部から内部に貫通し、軸受孔２ｂに配されたセミフローティングメタル２０に潤滑油を供給する。

セミフローティングメタル２０は、タービン軸７の軸方向に貫通する挿通孔２０ａを有し、当該挿通孔２０ａにタービン軸７が挿通される環状部材である。また、セミフローティングメタル２０には、セミフローティングメタル２０の内周面から外周面まで貫通する孔である油路２２が形成されている。

供給路２１のうち、軸受孔２ｂに開口する出口端２１ａに対し、タービン軸７の径方向内方に、油路２２のうち、セミフローティングメタル２０の外周面に位置する入口端２２ａが位置する。このとき、供給路２１の出口端２１ａと、油路２２の入口端２２ａとは、タービン軸７の径方向に一部が重なっている。入口端２２ａと出口端２１ａの位置関係については、後に詳述する。

そして、供給路２１の出口端２１ａから吐き出された潤滑油は、一部がセミフローティングメタル２０の外周面と軸受孔２ｂとの隙間に流入し、後述するスラスト軸受面の潤滑やベアリングハウジング２の冷却などの役割を担う。また、残りの潤滑油は、油路２２の入口端２２ａから油路２２に流入し、セミフローティングメタル２０の内周面に導かれる。

セミフローティングメタル２０のうち、タービンインペラ８側の内周面には、油路２２から流入した潤滑油によって、タービン軸７との間に油膜を保持し、当該油膜圧力によってタービン軸７の径方向の荷重を受けるラジアル軸受面２０ｂ（軸受面）が設けられている。

同様に、セミフローティングメタル２０のうち、コンプレッサインペラ９側の内周面には、油路２２から流入した潤滑油によって、タービン軸７との間に油膜を保持し、当該油膜圧力によってタービン軸７の径方向の荷重を受けるラジアル軸受面２０ｃ（軸受面）が設けられている。両ラジアル軸受面２０ｂ、２０ｃは、タービン軸７の軸方向に離隔している。

また、セミフローティングメタル２０には、タービン軸７の軸方向に垂直な方向に貫通するピン孔２０ｄが設けられている。そして、ベアリングハウジング２には、軸受孔２ｂの径方向外側から内側に貫通するとともに、軸受孔２ｂに収容されたセミフローティングメタル２０のピン孔２０ｄに対向する対向孔２ｃが形成されている。

ピン２３は、ピン孔２０ｄと対向孔２ｃに挿通された状態で、対向孔２ｃに不図示の係止手段によって係止されている。こうして、セミフローティングメタル２０は、軸受孔２ｂに対して、タービン軸７の回転方向および軸方向の移動が規制される。

また、タービン軸７には、段部７ａが設けられている。段部７ａは、セミフローティングメタル２０のタービンインペラ８側の端面２０ｅにおける挿通孔２０ａの内径に対し、タービンインペラ８側の部位の外径が大きく、コンプレッサインペラ９側の部位の外径が小さく形成された段である。タービン軸７は、段部７ａの外径差によるタービン軸７の軸方向に垂直な面７ｂに、セミフローティングメタル２０の端面２０ｅが当接する位置まで、挿通孔２０ａに挿通可能となっている。

油切り部材２４は、タービン軸７の軸方向に貫通する孔２４ａを有し、当該孔２４ａにタービン軸７を挿通し、コンプレッサインペラ９の背面に隣接させて、タービン軸７に固定されている。そして、油切り部材２４はタービン軸７と一体回転し、ベアリングハウジング２から漏れ出した潤滑油を、タービン軸７の回転による遠心力で径方向に飛散させ、コンプレッサインペラ９の背面まで潤滑油が到達するのを防ぐ。

タービン軸７のうち、段部７ａよりコンプレッサインペラ９側には、もう一つの段部７ｃが設けられている。段部７ｃは、油切り部材２４のタービンインペラ８側の端面２４ｂにおける孔２４ａの内径に対し、タービンインペラ８側の部位の外径が大きく、コンプレッサインペラ９側の部位の外径が小さく形成された段である。

そして、油切り部材２４は、段部７ｃにおける、外径が異なる外周面を繋ぐ曲面７ｄの一部に、端面２４ｂが当接する位置まで、タービン軸７を挿入可能となっている。

ここで、セミフローティングメタル２０とタービン軸７との組立工程について簡単に説明する。組立工程では、まず、ベアリングハウジング２の軸受孔２ｂにセミフローティングメタル２０を固定する。この状態で、前端部にタービンインペラ８が固定されたタービン軸７を、その後端部から、セミフローティングメタル２０の挿通孔２０ａに挿通する。タービン軸７は、段部７ａによる面７ｂに、セミフローティングメタル２０のタービンインペラ８側の端面２０ｅが当接する位置まで、セミフローティングメタル２０の挿通孔２０ａに挿通される。

そして、軸受孔２ｂのコンプレッサインペラ９側に突出した、タービン軸７の後端部から、油切り部材２４を挿通する。油切り部材２４は、タービン軸７の段部７ｃによる面７ｄに、セミフローティングメタル２０のコンプレッサインペラ９側の端面２０ｆが当接する位置まで、挿通孔２０ａに挿通でき、この位置でタービン軸７に固定される。

このとき、セミフローティングメタル２０の軸方向の長さに対して、段部７ａの面７ｂと油切り部材２４の端面２４ｂとの間隔がわずかに大きくなるように設計されている。これにより、タービン軸７が軸方向に移動すると、セミフローティングメタル２０のタービンインペラ８側の端面２０ｅが、タービン軸７の段部７ａによる面７ｂに面接触したり、セミフローティングメタル２０のコンプレッサインペラ９側の端面２０ｆが油切り部材２４の端面２４ｂに面接触したりする。

つまり、セミフローティングメタル２０は、段部７ａおよび油切り部材２４を介してタービン軸７のスラスト荷重を受ける。換言すれば、端面２０ｅ、２０ｆは、スラスト荷重を受けるスラスト軸受面として機能することとなる。

ところで、セミフローティングメタル２０は、フルフローティングメタルに比べ機械損失（メカロス）が大きい。メカロスは、主に、セミフローティングメタル２０の内周面に導かれた潤滑油の回転抵抗によって生じることから、その油量を抑制してメカロスを低減することができる。本実施形態では、供給路２１の出口端２１ａと、油路２２の入口端２２ａの位置関係によって、内周面に導かれる潤滑油の油量（以下、内部油量と称す）の調整が為される。以下、出口端２１ａと入口端２２ａの位置関係について説明する。

図３は、供給路２１の出口端２１ａと、油路２２の入口端２２ａの位置関係について説明するための説明図である。図３（ａ）では、図２のＩＩＩ（ａ）線矢視図に関し、供給路２１の出口端２１ａと、油路２２の入口端２２ａのそれぞれの輪郭線のみを示し、図３（ｂ）では比較例における図３（ａ）に対応する位置の図を示す。また、図３（ａ）、（ｂ）では、それぞれの輪郭線の内側であって、互いに重なり合う部分をハッチングで示す。

図３（ｂ）に示す比較例のように、供給路の出口端Ｏを示す輪郭線が、油路の入口端Ｉを示す輪郭線の内側に収まっている場合、供給路の出口端Ｏから吐き出された潤滑油は、上記のように、一部が、セミフローティングメタルの外周面と軸受孔との隙間に流入するものの、油路の入口端Ｉにも流入し易い。

一方、本実施形態では、上述したように、油路２２の入口端２２ａと、供給路２１の出口端２１ａとは、タービン軸７の径方向に一部重なって位置している。図３（ａ）には、入口端２２ａと出口端２１ａの重複度合いの一例を示す。

入口端２２ａと出口端２１ａは、タービン軸７の径方向に並んで配され、出口端２１ａの輪郭線を入口端２２ａに向けて当該タービン軸７の径方向に投影すると、入口端２２ａ、出口端２１ａそれぞれの輪郭線で囲まれた部分が、一部重なり合う。

このように、投影された入口端２２ａと出口端２１ａの輪郭線が一部重なり合う構成においては、供給路２１や油路２２の孔径や、供給路２１に圧入される潤滑油の供給圧（油圧）が同じ場合であっても、セミフローティングメタル２０の内部油量が、比較例よりも少なくなる。このことを利用して、油圧の低下や孔の細径化を伴うことなく、セミフローティングメタル２０の内部油量を調整することが可能となる。

ここでは、入口端２２ａと出口端２１ａの輪郭線について、双方が重なり合う部分の面積を重なり面積と称する。また、入口端２２ａと出口端２１ａのうち、小さい方（本実施形態では出口端２１ａ）の面積を基準面積として、当該基準面積に対する重なり面積の比率をオーバーラップ量と称する。

図４は、オーバーラップ量とセミフローティングメタルの内部油量との関係を示すグラフである。ここでは、オーバーラップ量が１００％である、すなわち、従来のセミフローティングメタルの内部油量に対する、オーバーラップ量を任意の値に設定した場合におけるセミフローティングメタル２０の内部油量の比率を、油量比率と称する。そして、図４のグラフにおいて、縦軸にオーバーラップ量を示し、横軸に油量比率を示し、凡例を実線ａで示す。

図４において、実線ａで示すように、オーバーラップ量が小さすぎる範囲（例えば、１０％未満）を除いて、オーバーラップ量と油量比率は大凡比例関係にある。そのため、例えば、オーバーラップ量を５０％に設計すると、油量比率が５０％、すなわち、従来に比べて内部油量を半分に抑えることができる。

一般的に、従来のセミフローティングメタルに対しフルフローティングメタルは、大凡４０％程度メカロスが小さい。すなわち、セミフローティングメタル２０で、フルフローティングメタル並みのメカロスの低さを実現するためには、内部油量を４０％程度減少させればよいこととなる。

そこで、本実施形態では、オーバーラップ量を６０％以下とし、油量比率を６０％以下に設計している。すなわち、油路２２の入口端２２ａと、供給路２１の出口端２１ａの重なり面積は、基準面積に対して、６０％以下の大きさである。

そのため、供給路２１や油路２２の孔径を小さくして異物が詰まり易くなったり、供給路２１に圧入される潤滑油の供給圧を変えたために、内部油量以外の油量へ影響を与えてしまったりするといったことなく、セミフローティングメタル２０のメカロスをフルフローティングメタルのメカロス以下に低減することが可能となる。

また、ベアリングハウジング２やセミフローティングメタル２０の寸法公差を踏まえると、供給路２１や油路２２を流通する潤滑油の油量にもバラつきが生じる。図４中、寸法公差による油量比率のバラつきの上限を一点鎖線ｂで示し、下限を一点鎖線ｃで示す。

ベアリングハウジング２やセミフローティングメタル２０の製造上のバラつきによって、オーバーラップ量と油量比率の関係が一点鎖線ｂで示す寸法公差の上限の状態となったとき、一点鎖線ｂ上の黒塗りの丸で示すように、オーバーラップ量が６７％で油量比率は６０％となる。そして、オーバーラップ量が６７％以下であれば、油量比率を６０％以下に抑えることができる。すなわち、オーバーラップ量を６７％以下とすることで、寸法公差の上限の状態となった場合に、セミフローティングメタル２０のメカロスをフルフローティングメタルのメカロス以下に低減することを期待できる。

また、少なくともオーバーラップ量が２０％以上、すなわち、油量比率が２０％以上であれば、セミフローティングメタル２０のラジアル軸受面２０ｂ、２０ｃに焼き付きが生じないことが実験により確認できた。

そこで、本実施形態では、オーバーラップ量を２０％以上とし、油量比率を２０％以上に設計している。すなわち、油路２２の入口端２２ａと、供給路２１の出口端２１ａの重なり面積は、基準面積に対して、２０％以上の大きさである。そのため、過給機Ｃでは、セミフローティングメタル２０のラジアル軸受面２０ｂ、２０ｃにおける焼き付きを回避することが可能となる。

また、ベアリングハウジング２やセミフローティングメタル２０の製造上のバラつきによって、オーバーラップ量と油量比率の関係が一点鎖線ｃで示す寸法公差の下限の状態となったとき、一点鎖線ｃ上の白抜きの丸で示すように、オーバーラップ量が１８％で油量比率は２０％となる。そして、オーバーラップ量が１８％以上であれば、油量比率を２０％以上に維持することができる。すなわち、オーバーラップ量を１８％以上とすることで、寸法公差の下限の状態となった場合に、セミフローティングメタル２０のラジアル軸受面２０ｂ、２０ｃにおける焼き付きを回避することを期待できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、すべり軸受として機能するセミフローティングメタルを備える過給機に利用することができる。

Ｃ …過給機
１ …過給機本体
２ｂ …軸受孔
７ …タービン軸
８ …タービンインペラ
９ …コンプレッサインペラ
２０ …セミフローティングメタル
２０ａ …挿通孔
２１ …供給路
２１ａ …出口端
２２ …油路
２２ａ …入口端

Claims (1)

1. 過給機本体と、
   一端にタービンインペラが設けられ、他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸と、
   前記過給機本体内に形成された軸受孔と、
   前記軸受孔に対して、前記タービン軸の軸方向および回転方向の移動が規制された状態で前記軸受孔内に設けられ、該タービン軸が挿通される挿通孔を有し、該挿通孔の内周面が軸受面となるセミフローティングメタルと、
   前記過給機本体の外部から内部に貫通し、前記セミフローティングメタルに潤滑油を供給する供給路と、
   前記セミフローティングメタルの外部から内部に貫通し、前記供給路から供給された前記潤滑油を、該セミフローティングメタルの内部に流通させる油路と、
   を備え、
   前記油路の入口端と、前記供給路の出口端とは、前記タービン軸の径方向に一部が重なって位置し、その重なっている部分の面積である重なり面積は、前記油路の入口端の面積と前記供給路の出口端のうち小さい方の面積である基準面積に対して、２０％以上６０％以下の大きさであることを特徴とする過給機。

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