JP6670624B2 - ボールベアリングターボ過給機を用いた空気間隙縮小方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関と共に用いられるターボ過給機システムに関し、特に、空気間隙改善のためのターボ過給機デザインと構成に関する。

内燃機関と共に用いられるターボ過給機は、典型的にはタービンまたは他の回転付与装置によって駆動されるコンプレッサを含む。タービンは、ベアリングにより回転支持される共通軸によってコンプレッサホイールに連結されたホイールを含む。ベアリングはタービンとコンプレッサとの間に位置するハウジングに配置される。軸、タービンホイール、及びコンプレッサホイールは毎分数十万回の回転数に達する速度で回転する。また、タービンは高温の排気ガスに曝され、それによる熱が他のシステム部品に伝達される。このように厳格かつ負担が加重される作動条件下でも、ターボ過給機の寿命はそれによって作動する機関の寿命と一致するのが好ましい。このような目標を達成するため、ターボ過給機とその部品のデザインは費用効率がよく競争力があると共に、そのような条件を勝ち抜くことができるほど強固でなければならない。

様々な変形例により、ターボ過給機システムと共に用いられる製品はハウジングにより回転可能に支持される軸を有するハウジングを含む。軸は軸方向に延びている。ベアリングアセンブリはハウジング内の軸を支持している。ホイールは軸と連結され、ハウジングに対して回転する。間隙開口は、軸方向にホイールとハウジングとの間に定義される。スラストワッシャはベアリングアセンブリと噛合される。スラストワッシャは外周を有し、ハウジングに対して移動できる。効率ワッシャはスラストワッシャの外周の周りに配置され、スラストワッシャが軸方向にハウジングに対して移動する空間を定義することで間隙開口を定める。

その他の様々な変形例には、ハウジング上の回転子を支持するボールベアリングアセンブリを有するターボ過給機アセンブリの効率性を向上させる方法が含まれる。回転子は、コンプレッサホイール、タービンホイール、及びコンプレッサホイールをタービンホイールと連結する軸で構成されている。スラストワッシャはボールベアリングアセンブリに固定されている。第１可変空間は、スラストワッシャとハウジングの第１表面との間に提供されている。第１空間は潤滑油で満たされている。回転防止スペーサは効率ワッシャに対向してハウジングに固定されている。よって、回転防止スペーサの第２表面が効率ワッシャによって第１表面からスラストワッシャの反対側に位置することで、スラストワッシャと第２表面との間の第２可変空間を定義する。第２表面は潤滑油で満たされている。効率ワッシャは選択された厚みで提供されている。第１表面と第２表面との間の距離はハウジングに対してスラストワッシャの移動を制限するように設定され、効率ワッシャの厚みによって設定される。

発明の範囲内にあるその他の変形例は、ここに記載された詳細な説明から明らかになるであろう。発明の範囲内にある変形例を記載する一方、詳細な説明と特定の例は、具体的な例を提示することを目的としているにすぎず、発明の範囲を制限するためのものではないことを明らかにしておく。

発明の範囲内にある変形例の選択例は、詳細な説明と添付の図面を通じてより完全な理解が可能になる。
図１は、様々な変形例による空気間隙制御を備えたターボ過給機アセンブリの一部を示す断面図である。 図２は、様々な変形例による空気間隙制御を備えたターボ過給機アセンブリの一部を示す部分図である。

図１は、コンプレッサホイール１２の領域内のターボ過給機アセンブリの一部を示している。コンプレッサホイール１２は、図２に示したようにタービンホイール１８によって駆動される軸１６に連結されている。ベアリングハウジング２０と称される中央ハウジングは、コンプレッサホイール１２とタービンホイール１８との間に配置されており、ベアリングアセンブリ２２を通じて軸１６を支持する。ベアリングアセンブリ２２はボールベアリング型であり、軸１６と噛合されて共に回転する内輪２４と、ベアリングハウジング２０と噛合されて一般的にそれに対して回転可能に固定されている外輪２６を含む。内輪２４は、ボール２８である複数の転がり要素によって外輪２６内に回転可能に支持されている。ベアリングアセンブリ２２は潤滑油回路３０を通じて供給される潤滑油で潤滑される。内輪と外輪は軸方向及び径方向に、制限された量だけベアリングハウジング２０と共に動く。

コンプレッサホイール１２、軸１６、及びタービンホイール１８を含む回転子アセンブリは、一般的に多少の変数を有し、軸２１を中心とした回転中心を有している。軸方向は軸２１と平行線上または軸２１の線上にある。径方向２５は、軸２１に向かうまたは軸２１から遠ざかる線上にあり、一般的に軸２１に対して９０°の角度にある。コンプレッサホイール１２とタービンホイール１８は、ホイールとコンプレッサ及びタービンのエンドハウジングセクション１９、２３との間に空気間隙を有しており（図２に示す）、この空気間隙は効率性のために最小化されるのが好ましい。また、図２に示すように、コンプレッサホイール１２は、径方向空気間隙３２、ベアリングハウジング２０に向かう軸方向空気間隙３４、及びコンプレッサのエンドハウジングセクション１９に向かう軸方向空気間隙３３を含む。同様に、タービンホイール１８は径方向空気間隙３６、ベアリングハウジング２０に向かう軸方向空気間隙３８、及びタービンのエンドハウジングセクション２３に向かう軸方向空気間隙３７を含む。緊密な間隙制御を維持する性能は、互いに噛合されて、特に回転ホイール１２、１８をエンドハウジングセクション１９、２３に対して位置させるそれぞれのアセンブリ要素の一つの因子である。空気間隙制御はホイール効率性の極大化の重要な因子となる。

図１に示すように、ベアリングハウジング２０は、ベアリングアセンブリ２２の外輪２６を収容する中央ボア４２を含む。約０．０５０ミリメートルの間隙が、外輪２６の外部表面４１とベアリングハウジング２０によって形成された中央ボア４２の壁４３との間に提供されている。潤滑回路３０は、軸方向ボア４４と共に、軸方向ボア４４と中央ボア４２との間に延びている複数の径方向ボア４６を含む。壁４３と外輪２６との間に油膜が提供されることにより、外輪２６とベアリングハウジング２０との間の振動のスクイズ膜ダンピングをする。

外輪２６は、軸方向延長表面５０と径方向延長表面５１とによって形成される環状ショルダー４８を含む。環状溝は、径方向延長表面５１に隣接した軸方向延長表面５０によって形成される。スラストワッシャ５４は径方向延長表面５１に対向してショルダー４８に位置する。環状溝５６は、ショルダー４８に隣接した外輪２６の外部表面４１に形成されている。スナップリング５８は、溝５６内に位置し、径方向延長表面５１に対向してショルダー４８上にスラストワッシャ５４を保持することで、外輪２６とスラストワッシャ５４が共に移動するようになる。スラストワッシャ５４は、外輪２６からベアリングハウジング２０の径方向延長表面６０までまたは回転防止スペーサ７６の表面６１まで軸方向荷重を伝達する。それぞれの場合、スラストワッシャと表面６０、６１との間に潤滑油で満たされた間隙が提供されていることにより、ベアリングアセンブリ２２とベアリングハウジング２０との間でスクイズ膜ダンピングをする。

内輪２４は、軸１６と嵌合して共に回転する。内輪２４は、コンプレッサホイール１２に対向して位置する振り切りリング６２によって軸１６に対して位置する。これにより、内輪２４と振り切りリング６２は、図２に示したように軸上のショルダーに向かってきつくクランプしている。

振り切りリング６２は、軸１６が嵌合される中空の円筒状セクション６４と径方向に延びる振り切りセクション６５とを含む。円筒状セクション６４の末端６７は内輪２４に対向して位置し、末端６８はコンプレッサホイール１２に対向して位置する。振り切りセクション６５は一般的に径方向で内側に向かう、傾斜した環状表面７２と共に径方向延長セクション７０を含む。また、振り切りリング６２は軸１６と共に回転する。

一連の要素がベアリングハウジング２０に固定されており、効率ワッシャ７４、回転防止スペーサ７６、及び挿入部７８を含む。挿入部７８は、周壁７９と、径方向延長壁８０によって周壁７９と連結され、離間している軸方向延長壁８２とを含む。周壁７９はベアリングハウジング２０内の開口９２に嵌合され、その外部表面に環状溝９３を有している。シール８９は溝９３に位置している。軸方向延長壁８２は振り切りリング６２の円筒状セクション６４の周りに配置されている。円筒状セクション６４は相対的に回転する表面間に配置されたピストン型シールリング８６を含む溝８４を含む。軸方向延長壁８２は、径方向の外側に面する環状隆起部８８と、一般的に外側に面して振り切りリング６２の傾斜した環状表面７２と対を成す傾斜した表面９０と共にアーチ型セクション８７で終了する。

挿入部７８は、ベアリングハウジング２０内の溝９５に挿入されるスナップリング９４によって開口９２内に保持される。周壁７９は回転防止スペーサ７６に対向して位置する。回転防止スペーサ７６は開口９２に確保され、外輪２６の平面９８と並んで位置する平面９７を有することで外輪２６を回転から守るが、外輪２６がその外周の周りの油膜に径方向に浮かんでいるようにする間隙を有している。回転防止スペーサ７６の表面６１は効率ワッシャ７４に対向して位置している。効率ワッシャ７４は環状であり、スラストワッシャ５４の外周の周りに位置している。効率ワッシャ７４は回転防止スペーサ７６の表面６１とベアリングハウジング２０の径方向延長表面６０との間にクランプしている。効率ワッシャ７４と、回転防止スペーサ７６またはベアリングハウジング２０との間には間隙空間が必要ない。よって、効率ワッシャ７４は回転防止スペーサ７６を適切な位置に位置付ける。ハウジング表面６０に対する表面６１の位置は、回転要素の軸方向の位置を保持するのに重要であるため、回転防止スペーサ７６及び表面６１を位置付けるにおいて、緊密な間隙を保持する性能が特に重要である。このような面から、効率ワッシャ７４は表面６０と表面６１との間の距離を定義する。

効率ワッシャは＋０．０１０ミリメートルまたは−０．０１０ミリメートルの厚み許容公差を許容する地表面を含む。このような正確な特徴は、回転要素が正確に軸方向に位置することを意味する。その結果、コンプレッサホイール１２とタービンホイール１８の軸方向空気間隙が従来のアセンブリと比べて減少する。スラストワッシャ５４と、回転防止スペーサ７６及び効率ワッシャ７４との間には０．１０ミリメートルの間隙が提供され、外輪２６の径方向移動を確保することで、ベアリングアセンブリ２２とベアリングハウジング２０との間の振動の伝達を減少させる。より具体的には、回転要素によってコンプレッサホイール１２の方向に軸方向の力が加えられることにより、ショルダー４８は、スラストワッシャ５４が油膜を通じて回転防止スペーサ７６の表面６１上に力を加えるようにする。回転防止スペーサを通じて挿入部７８に力が伝達され、その後、スナップリング９４を通じてベアリングハウジング２０に力が伝達される。軸方向の力が回転要素によってタービンホイール１８の方向に加えられることにより、スラストワッシャスナップリング５８を通じてスラストワッシャ５４に力が伝達され、その後、表面６０上の油膜を通じてベアリングハウジング２０に力が伝達される。表面６１を位置付けるにおいて緊密な間隙を保持することで、回転要素の遊びが減少し、コンプレッサホイール１２とタービンホイール１８における軸方向空気間隙も減少する。

ここに記載された製品と方法を含む変更例を通じて、コンプレッサホイール１２とタービンホイール１８の軸方向空気間隙３３、３７が正確に制御される。変更例の記載は、発明の範囲内にある部品、要素、作用、製品、方法を例示するものにすぎず、具体的に開示されたことまたは明確に記述されていないことにより発明の範囲を制限することを意図するものではない。ここに記載された部品、要素、作用、製品、及び方法は、ここに明確に記載されたもの以外にも組み合わせまたは再配列されることができるか、依然として発明の範囲内にある。

次の変形例に関する記載は、単に例示のためのものであり、発明、その応用、またはその使用の範囲を制限することを意図するものではない。

変形例１は、ターボ過給機システムと共に用いられる製品を含み、ハウジングにより回転可能に支持される軸を有するハウジングを含む。軸は軸方向に延びている。ベアリングアセンブリはハウジング内で軸を支持する。ホイールは軸と連結されており、ハウジングに対して回転する。間隙開口は、軸方向にホイールとハウジングとの間に定義されている。スラストワッシャはベアリングアセンブリと噛合されている。スラストワッシャは外周を有しており、ハウジングに対して移動する。効率ワッシャはスラストワッシャの外周の周りに配置されており、スラストワッシャが軸方向にハウジングに対して移動する空間を定義することで間隙開口を定める。

変形例２は、回転防止スペーサが軸と効率ワッシャとの間に噛合されている変形例１に関する製品を含む。回転防止スペーサはハウジングに対してベアリングアセンブリの少なくとも一部の回転を防ぐ。

変形例３は、挿入部がハウジングと軸との間に噛合されている変形例２に関する製品を含む。挿入部は、軸方向にリテーナと回転防止スペーサとの間でハウジングに固定されている。

変形例４は、振り切りリングが軸に固定されており、挿入部と噛合されている変形例３に関する製品を含む。振り切りリングは挿入部に対して回転する。

変形例５は、ベアリングアセンブリが複数の転がり要素を通じて内輪を支持する外輪を含む変形例１〜４のいずれかに関する製品を含む。ベアリングアセンブリの移動は回転防止スペーサの位置によって軸方向に制限される。

変形例６は、変形例１〜５のいずれかに関する製品を含み、ホイールを覆っているハウジングのエンドセクションを含む。コンプレッサホイールとエンドセクションとの間に間隙開口がある。

変形例７は、ハウジング上の回転子を支持するボールベアリングアセンブリを有しているターボ過給機の効率性を向上させる方法を含む。回転子は、コンプレッサホイール、タービンホイール、及びコンプレッサホイールをタービンホイールに連結する軸で構成されている。スラストワッシャはボールベアリングアセンブリに固定されている。第１可変空間は、スラストワッシャとハウジングの第１表面との間に提供されている。第１空間は潤滑油で満たされている。回転防止スペーサが効率ワッシャに対向してハウジングに固定されており、回転防止スペーサの第２表面が効率ワッシャによって第１表面からスラストワッシャの反対側に位置することで、スラストワッシャと第２表面との間に第２可変空間を定義する。第２表面は潤滑油で満たされている。効率ワッシャは選択された厚みで提供されている。第１表面と第２表面との間の距離は、ハウジングに対してスラストワッシャの移動を制限し、この距離は効率ワッシャの厚みによって設定される。

変形例８は、効率ワッシャが開口中心と共に提供される変形例７に関する方法を含む。スラストワッシャは開口中心に位置する。

変形例９は、変形例７または８に関する方法を含み、ボールベアリングアセンブリと噛合されてボールベアリングアセンブリの少なくとも一部の回転を制限する回転防止スペーサを含む。効率ワッシャは回転防止スペーサとハウジングとの間にクランプしている。

変形例１０は、変形例７〜９のいずれかに関する方法を含み、効率ワッシャが回転防止スペーサとハウジングに直接対向して位置するように、効率ワッシャを回転防止スペーサとハウジングとの間にクランプする工程を含む。

変形例１１は、効率ワッシャが約−０．０１０ミリメートル〜＋０．０１０ミリメートルの厚み許容公差内で厚みを設定するように研磨される変形例７〜１０のいずれかに関する方法を含む。

変形例１２は、内燃機関と共に用いられるターボ過給機アセンブリを含み、第１表面、コンプレッサのエンドセクション、及びタービンのエンドセクションを有するハウジングを含む。軸は軸方向にハウジングの少なくとも一部を通過している。軸は第１エンドと第２エンドとを有する。コンプレッサホイールは第１エンド近傍の軸に連結されている。第１軸方向間隙は、コンプレッサホイールとハウジングのコンプレッサエンドセクションとの間に定義されている。タービンホイールは第２エンド近傍の軸に連結されている。第２軸方向間隙は、タービンホイールとハウジングのタービンのエンドセクションとの間に定義されている。ベアリングアセンブリは外輪と内輪とを有している。ベアリングアセンブリは軸を支持し、ハウジング内に位置する。軸は内輪を通過している。スラストワッシャは外輪に固定されている。スラストワッシャは第１側面と第２側面とを有している。第１側面は第１表面に向かって軸方向に面する。効率ワッシャは開口中心を有しており、スラストワッシャは開口中心に位置している。回転防止スペーサは第２表面を有している。回転防止スペーサはハウジングに位置しており、外輪の回転を防ぐように内輪と噛合されている。回転防止スペーサの第２表面は効率性センサに対してクランプしており、第１表面と離間した関係で第２表面の位置を設定する。第１、第２表面は軸方向に一定の距離を置いて離間している。その距離は効率ワッシャの厚みと同じである。スラストワッシャの第２側面は第２表面に向かって軸方向に面している。

変形例１３は、変形例１２に関するターボ過給機アセンブリを含み、ハウジングと軸との間に噛合されている挿入部を含む。挿入部は、軸方向にリテーナと回転防止スペーサとの間でハウジングに固定されている。挿入部、回転防止スペーサ、及び効率ワッシャはリテーナと第１表面との間にクランプしている。

変形例１４は、油膜がスラストワッシャの第１側面と第１表面との間、及びスラストワッシャの第２側面と第２表面との間に位置する変形例１２または１３に関するターボ過給機アセンブリを含む。油膜はベアリングアセンブリとハウジングとの間の振動を減衰させる。

変形例１５は、効率ワッシャが約−０．０１０ミリメートル〜＋０．０１０の厚み許容公差内で厚みを有する変形例１２〜１４のいずれかに関するターボ過給機アセンブリを含む。

発明の範囲内で選択された変形例に関する上記記載は単に例示のためのものであり、それらの変形例または変更例は本発明の趣旨及び範囲から逸脱するものとはみなされない。

Claims (15)

1. ターボ過給機システムと共に用いられる製品であって、
   ハウジング、
   ハウジングにより回転可能に支持され、軸方向に延びている軸、
   ハウジング内の軸を支持するベアリングアセンブリ、
   軸に連結されており、間隙開口が軸方向にホイールとハウジングとの間に定義されている、ハウジングに対して回転可能なホイール、
   ベアリングアセンブリと噛合されており、外周を有し、ハウジングに対して移動可能なスラストワッシャ、及び
   スラストワッシャの外周の周りに配置されており、スラストワッシャが軸方向にハウジングに対して移動する空間を定義することで間隙開口を定める効率ワッシャを含む製品。
2. 軸と効率ワッシャとの間に噛合されており、ハウジングに対してベアリングアセンブリの少なくとも一部の回転を妨げる回転防止スペーサをさらに含む請求項１に記載の製品。
3. ハウジングと軸との間に噛合されており、軸方向にリテーナと回転防止スペーサとの間でハウジングに固定された挿入部をさらに含む請求項２に記載の製品。
4. 軸に固定されて挿入部と噛合される振り切りリングをさらに含み、
   前記振り切りリングは挿入部に対して回転する請求項３に記載の製品。
5. ベアリングアセンブリは、複数の転がり要素を通じて内輪を支持する外輪を含み、
   ベアリングアセンブリの移動が回転防止スペーサの位置により軸方向に制限される請求項１に記載の製品。
6. ホイールを覆うハウジングのエンドセクションをさらに含み、
   間隙開口がホイールとハウジングのエンドセクションとの間にある請求項１に記載の製品。
7. ハウジング上の回転子を支持するボールベアリングアセンブリを有するターボ過給機アセンブリの効率性を向上させる方法であって、
   回転子は、コンプレッサホイール、タービンホイール、及びコンプレッサホイールをタービンホイールに連結させる軸で構成されており、
   スラストワッシャをボールベアリングアセンブリに固定させる工程、
   スラストワッシャとハウジングの第１表面との間に第１可変空間を提供する工程、
   第１空間を潤滑油で満たす工程、
   効率ワッシャに選択された厚みを付与する工程、
   効率ワッシャに対向してハウジングに回転防止スペーサを固定させ、回転防止スペーサの第２表面を効率ワッシャによって第１表面からスラストワッシャの反対側に位置させることで、スラストワッシャと第２表面との間の第２可変空間を定義する工程、
   第２表面を潤滑油で満たす工程、及び
   ハウジングに対してスラストワッシャの移動を制限するように、第１表面と第２表面との間に距離を設定し、その距離を効率ワッシャの厚みによって設定する工程を含む方法。
8. 効率ワッシャに開口中心を提供する工程、及び
   スラストワッシャを開口中心に位置させる工程を含む請求項７に記載の方法。
9. ボールベアリングアセンブリの少なくとも一部の回転を制限するために、ボールベアリングアセンブリに噛合される回転防止スペーサを提供する工程、及び
   回転防止スペーサとハウジングとの間に効率ワッシャをクランプする工程をさらに含む請求項７に記載の方法。
10. 効率ワッシャが回転防止スペーサとハウジングに直接対向して位置するように、回転防止スペーサとハウジングとの間に効率ワッシャをクランプする工程をさらに含む請求項７に記載の方法。
11. 約−０．０１０ミリメートル〜＋０．０１０ミリメートルの厚み許容公差内で厚みを設定するように効率ワッシャを研磨する工程をさらに含む請求項７に記載の方法。
12. 内燃機関と共に用いられるターボ過給機アセンブリであって、
    第１表面、コンプレッサエンドセクション、及びタービンのエンドセクションを有するハウジング、
    ハウジングの少なくとも一部を通過して軸方向に延びており、第１エンドと第２エンドを有する軸、
    第１軸方向間隙がコンプレッサホイールとコンプレッサエンドセクションとの間に定義される第１エンド近傍の軸に連結されているコンプレッサホイール、
    第２軸方向間隙がタービンホイールとタービンのエンドセクションとの間に定義される第２エンド近傍の軸に連結されているタービンホイール、
    外輪と内輪とを有し、ハウジングに位置して軸を支持し、その軸が内輪を通過しているベアリングアセンブリ、
    外輪に固定されており、第１側面と第２側面を有し、その第１側面が第１表面に向かって軸方向に面するスラストワッシャ、
    開口中心を有しており、その開口中心内にスラストワッシャが位置している効率ワッシャ、
    第２表面を有しており、ハウジングに位置して外輪の回転を妨げるために外輪と噛合されている回転防止スペーサを含み、
    ここで、前記回転防止スペーサの第２表面が効率ワッシャに対向してクランプしており、第１表面と離間した関係で第２表面の位置が設定され、第１表面と第２表面は軸方向に一定の距離を置いて離間し、その距離は効率ワッシャの厚みと同じであり、
    スラストワッシャの第２側面が第２表面に向かって軸方向に面しているターボ過給機アセンブリ。
13. ハウジングと軸との間に噛合される挿入部をさらに含み、
    前記挿入部は、軸方向にリテーナと回転防止スペーサとの間でハウジングに固定されており、挿入部、回転防止スペーサ、及び効率ワッシャがリテーナと第１表面との間にクランプされている請求項１２に記載のターボ過給機アセンブリ。
14. 油膜がスラストワッシャの第１側面と第１表面との間、及びスラストワッシャの第２側面と第２表面との間に位置することで、油膜がベアリングアセンブリとハウジングとの間の振動を減衰させる請求項１２に記載のターボ過給機アセンブリ。
15. 効率ワッシャが約＋０．０１０ミリメートル〜−０．０１０ミリメートルの厚み許容公差内で厚みを有する請求項１２に記載のターボ過給機アセンブリ。

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