JP6824604B2 - ターボチャージャーのローラー支持システム - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャーのローラー支持システムに関する。

ターボチャージャーは、エンジンへの空気流を増加させるために、種々の内燃機関に一般的に使用されている。従来のターボチャージャーは、排気タービンハウジングを通ってタービンホイールに流入される廃熱及び廃ガスによって駆動される。タービンホイールは、共有ターボシャフトによってコンプレッサーホイールに連結している。排気ガスがタービンホイールに当たると、双方のホイールが同時に回転する。コンプレッサーホイールの回転により、コンプレッサーハウジングを通して空気が引き込まれ、それにより圧縮空気がエンジンシリンダーに圧送され、エンジン性能及び燃費の向上が達成される。通常、可変速度／可変負荷での適用におけるターボチャージャーは、ピークトルクに達するのに十分なブーストを発生させるために、トルクピーク速度における最大効率を得るサイズになっている。

本発明の目的は、改良されたターボチャージャーのローラー支持システムを提供することである。本発明の詳細な目的は、以下に記載の本発明の実施形態を参照することにより明らかとなる。

したがって、本発明の一実施形態は、ターボチャージャー用のローラー支持システムであって、自由スピンターボシャフトと、前記ターボシャフトの一方の端部に結合されたタービンと、前記ターボシャフトの反対側の端部に結合されたコンプレッサーと、第１の方向に第１の角度で傾斜している、前記ターボシャフト上に形成された第１の傾斜した接触面と、前記第１の角度と略等しく、該第１の角度とは反対方向の第２の角度で傾斜している、前記ターボシャフトに形成された第２の傾斜した接触面と、少なくとも３つのローラーであって、前記少なくとも３つのローラーのそれぞれは、前記ターボシャフトの前記第１の傾斜した接触面に係合して第１のローラーシャフト相互作用面を形成する第１のローラー外面と、前記ターボシャフトの前記第２の傾斜した接触面に係合して第２のローラーシャフト相互作用面を形成する第２のローラー外面とを有する少なくとも３つのローラーとを備え、複数の前記第１のローラーシャフト相互作用面及び複数の前記第２のローラーシャフト相互作用面は、前記ターボシャフトの軸方向及び径方向の位置を定め、前記ターボシャフトの軸方向力を打ち消す、ローラー支持システムを構成することができる。

本発明の一実施形態は、ターボチャージャーにおいてターボシャフトに対する支持を提供する方法であって、少なくとも３つのローラーを前記ターボシャフト上の接触面との接触状態に位置決めすることによって前記ターボシャフトの位置を定めることを更に含むことができる。

ターボチャージャーのローラー支持システムの一実施形態の概略等角図である。 ターボチャージャーのローラー支持システムの実施形態の概略断面図である。 ターボシャフト及び支持ローラーの概略断面図である。

本発明の一実施形態は、ターボシャフトと相互作用する（interface）ローラーを用いるターボシャフト支持システムを備える。通常、ローラーは、ローラー外面及び軸受を備える。ローラー外面は、軸受がターボシャフトに直に接するか又は隣接して配置されることを防ぎ、それにより、軸受の回転速度を減少させ、ローラー及び軸受の損傷又は劣化を軽減する。当業者には理解されるように、軸受は、流体軸受又は任意の他の専用化された高速玉軸受とすることができる。

図１は、ターボチャージャーのローラー支持システム１００の一実施形態の概略等角図である。ターボチャージャーのローラー支持システム１００は、ターボシャフト１０２と、複数のローラー１０８、１１０とを備える。図１のシステム１００では、２つのローラーが図示されている。図１に示されている実施形態では、第３のローラーはシステムの裏側に位置しており、連係する３つの支点がターボシャフト１０２と接触する三角型の支持システムを提供している。

ターボシャフト１０２は、対向する端部に取り付けられたコンプレッサー１０４とタービン１０６とを備える。ターボシャフト１０２の中央部は、傾斜したシャフト接触面１１４を有し、シャフト接触面１１４は、互いに反対の方向に略均等に傾斜している。傾斜したシャフト接触面のうちの一方のみが図１に示されている。図３は、傾斜した接触面を有するターボシャフトと、それに付随するローラーとを示している。図１を続けて参照すると、ローラー１１０は、傾斜したシャフト接触面１１４に適合するローラー外面１２２を有し、ローラーシャフト相互作用面１３２を形成する。ローラー１０８は、同様のローラー外面１１８を有し、同様のローラーシャフト相互作用面を形成する。ローラー１０８、１１０は、第２の傾斜したシャフト接触面（図示せず）に適合するローラー外面１２０、１２４も有し、更なるローラーシャフト相互作用面を形成する。傾斜したシャフト接触面と同様に、ローラーシャフト相互作用面のうちの１つのみが図１に示されている。ターボシャフト１０２は、ローラー１０８、１１０により、ローラーシャフト相互作用面１３２を介して径方向及び軸方向の双方の適所に保持される。ローラー１０８、１１０は、コンプレッサー１０４及びタービン１０６からのターボシャフト１０２にかかるスラスト力を吸収する。これは、２０１３年１１月２１日に出願された「Thrust Absorbing Planetary Traction Drive Superturbo」と題する米国特許出願第６１９０６９３８号に教示されている。この米国特許出願は、この米国特許出願が開示及び教示する全てに関して引用することにより明確に本明細書の一部をなしている。

ローラー１０８、１１０は、ローラーキャリア１４２によって支持される。ローラー１０８は、軸受１４６及び図１には示されていない別の軸受によって支持される。ローラー１１０は、軸受１５０及び図１には示されていない別の軸受によって支持される。ローラー１０８、１１０の相反する側には同様の軸受を備えることが理解される。図１に示されている実施形態の第３のローラーも、上述のように、両側に同様の軸受を備える。ローラー１０８、１１０は、ターボシャフト１０２を適所に保持するとともに、ターボシャフト１０２の軸周りの回転以外の過剰な動きを防止するのに十分な力で、ターボシャフト１０２に押し付けられる。ローラー１０８、１１０は任意のタイプの歯車装置又は伝達ホイールに接続されないので、ターボシャフト１０２から又はターボシャフト１０２へはトルクを伝達しない。さらに、トレランスリング（トレランスリング１６０が図２に示されている）等の可撓性取付具を、軸受１４６、１５０とローラーキャリア１４２との間に用いて、システムに対して緩衝を提供するとともに振動を低減することができる。トレランスリングは軸受取付具用のボア内に用いられる。トレランスリングは通常、自己保持性であり、公称円周内に適合するように設計することができる。トレランスリング１６０は、ローラー１０８、１１０の柔軟な取付けを提供する。これは、２０１４年３月１１日に発行された「HIGH TORQUE TRACTION DRIVE」と題する米国特許第８，６６８，６１４号に教示されており、この米国特許は、この米国特許が開示及び教示する全てについて引用することにより明確に本明細書の一部をなしている。トレランスリング１６０は、軸受の凹部（軸受が１４４、１４６で示されている図２を参照）に取り付けられる。ローラー外面１１８、１２０、１２２、１２４は、傾斜したシャフト接触面１１４よりも大きい直径を有して形成され、そのため、ローラー１０８、１１０はターボシャフト１０２よりも低速で回転する。この速度低減により、軸受１４６、１５０が、ターボシャフト１０２に直に接するように配置された軸受よりも低速で回転することが可能になる。これにより、軸受１４４、１５０の設計要件が低減し、より従来的な、より低速の軸受を用いることができる。

トレランスリング１６０は、ローラー１０８の柔軟な取付けを提供する。トレランスリング１６０は、軸受１４４、１４６の過負荷を防ぐ。トレランスリング１６０は、軸受１４４、１４６の内側に取り付けられる。トレランスリング１６０は、ローラー１０８によって生じるあらゆる種類の不均衡又は振動作用における、振動による衝撃を吸収することができる。トレランスリング１６０は、径方向の弾性運動を可能にする径方向ばねである。トレランスリング１６０は圧縮が可能であり、それにより、ローラー１０８が振動を吸収し、ターボシャフト１０２との接触を維持することを可能にする。トレランスリング１６０は、弾性運動を可能にする任意の好適な材料により製造することができる。本発明の一実施形態において、トレランスリング１６０は、リングとして形成される波状型の形態を有する一種のばね鋼から構成することができる。波状形態により、トレランスリング１６０に用いるばね鋼の厚さ及び弾性に応じて、トレランスリング１６０を或る特定の量の力で圧縮することが可能になる。トレランスリング１６０は波状形態を有することから、トレランスリング１６０は径方向に歪むことができる。本発明の一実施形態において、例えば、図１のローラー１０８、ローラー１１０、及び第３のローラー、又はそれより多くのローラー（本明細書内で検討されている）等の各ローラーは、連係する軸受及びトレランスリングを有することが理解される。

ターボシャフト１０２は、排気ガスがタービン１０６に当たることによって回転する。ターボシャフト１０２は自由スピンシャフトである。したがって、上述したようにターボシャフトからローラー１０８、１１０へのトルクの伝達は起こらない。これは、ローラー１０８、１１０が、（単にローラー１０８、１１０を適所に保持し、ローラー１０８、１１０の自由スピンを可能にするローラーキャリア１４２の他に）駆動リング等の他の機構に係合することがないためである。

ローラー１０８、１１０は、ターボシャフト１０２とともに回転する間中接触していることが可能な任意の好適な材料から成っている。また、ローラー１０８、１１０は、ターボチャージャーの回転速度範囲に耐える任意の好適な材料により構成されている。本発明の実施形態において、後述するように、ターボシャフトの接触面１１４における直径とローラー外面１２０、１２４の直径との比が異なることにより、ローラー１０８、１１０の回転をより遅くすることが可能になることが理解される。

図２は、図１のターボチャージャーのローラー支持システム１００の実施形態の断面図である。ローラー１０８は、ローラーキャリア１４２において軸受１４４、１４６によって支持される。ローラー１０８はローラー外面１１８、１２０を有し、ローラー外面１１８、１２０は、傾斜したシャフト接触面１１４、１１６に適合し、ローラーシャフト相互作用面１３０、１３６を形成する。ローラーシャフト相互作用面１３０、１３６は、図１に関して図示及び検討した他のローラーシャフト相互作用面とともに、ターボシャフト１０２の位置を定め、ターボシャフト１０２の軸周りの回転以外の動きを防止する。さらに、トレランスリング１６０を軸受１４４、１４６とローラーキャリア１４２との間に用いて、組立ての柔軟性と、ターボチャージャーのローラー支持システム１００における振動の緩衝とを提供することができる。トレランスリング１６０は、軸受１４４、１４６とローラー１０８との間に交互に配置することができる。ローラー外面１１８、１２０の直径は、傾斜したシャフト接触面１１４、１１６の直径よりも大きくすることができ、そのため、ローラー１０８はターボシャフト１０２よりも低速でスピンする。例えば、ローラー外面１１８、１２０が傾斜したシャフト接触面１１４、１１６の直径の４倍の直径を有する場合、ローラー１０８は、ターボシャフト１０２の速度の４分の１の速度でスピンする。ターボシャフト１０２の最大回転速度が１６００００ＲＰＭである場合、ローラー１０８の最大回転速度は４００００ＲＰＭであり、軸受１４４、１４６は、ターボシャフト１０２に直に接して配置される場合、最大回転速度が４００００ＲＰＭ対１６００００ＲＰＭになるように設計することができる。これにより、軸受１４４、１４６の設計要件は低減する。

図１及び図２に示されている実施形態では、３つのローラーユニットが、ターボシャフトの回りに均等に離間し、ターボシャフトとの接触状態で示されている。ターボシャフトに均等な支持を提供するには最少で３つのローラーユニットが必要である。さらに、ローラーユニットは、略均等に離間して、ターボシャフトの回りに均等な支持を提供するべきである。正確な１２０度の分離は必要でない場合がある。ローラーユニットと他のエンジン部材との配置を可能にするのに、ローラーの分離角度の僅かな差は許容可能である場合がある。一方、ローラーユニットがターボシャフトの回りの均等な配置からどれほど異なることができるかという限度は、特定のターボシャフトの実施形態において実験によって求めることができる。それに伴い、ローラーの数は３つよりも多くしてもよい。ターボシャフトに更なる支持を提供するのに４つ、５つ、又は６つ以上のローラーを用いてもよい。ターボシャフトと接触状態にある略均等に離間したローラーは、軸方向においてターボシャフトに生じるスラスト力を相殺し、ターボシャフトがターボシャフトの軸の回りに回転する以外の動きを防止するように作用する。

図３は、ターボシャフト及び支持ローラーの概略断面図である。ターボシャフト３０２は、一端に結合されるタービン３０６と、他端に結合されるコンプレッサー３０４とを備える。ターボシャフト３０２は、傾斜したシャフト接触面３１４、３１６を有する。ローラー３０８はローラー外面３１８、３２０を有し、ローラー外面３１８、３２０は傾斜したシャフト接触面３１４、３１６に適合し、ローラーシャフト相互作用面３３０、３３６を形成する。これらのローラーシャフト相互作用面３３０、３３６は、軸方向及び径方向の双方にターボシャフト３０２の位置を定め、タービン３０６及びコンプレッサー３０４からのスラスト力を相殺する。

本発明の上記の説明は、例証及び説明のために提示されている。本発明の上記の説明は、網羅的であるように意図されるものでもなければ、開示される厳密な形態に本発明を限定するように意図されるものでもなく、上記教示に照らして、他の変更及び変形が可能であってよい。実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を最もよく説明し、それにより、当業者が、想定される特定の使用に適した種々の実施形態及び種々の変更形態において本発明を最良に利用することを可能にするために、選択され述べられた。添付の特許請求の範囲は、従来技術によって制限される場合を除いて、本発明の他の代替の実施形態を包含すると考えられることが意図される。

Claims (6)

1. ターボチャージャー用のローラー支持システムであって、
   自由スピンターボシャフトと、
   少なくとも３つの組のローラーであって、前記自由スピンターボシャフト上に軸受を備えること無しに且つ前記少なくとも３つの組のローラーと前記自由スピンターボシャフトとの間におけるトラクション相互作用面の形成無しに、前記自由スピンターボシャフトを支持する少なくとも３つの組のローラーと、
   前記少なくとも３つの組のローラーを軸方向の適所に保持するローラーキャリアと、
   前記自由スピンターボシャフトに結合されたタービンと、
   前記自由スピンターボシャフトに結合されたコンプレッサーと、
   第１の方向に第１の角度で傾斜している、前記自由スピンターボシャフト上に形成された第１の傾斜した接触面と、
   前記第１の角度とは反対方向の第２の角度で傾斜している、前記自由スピンターボシャフト上に形成された第２の傾斜した接触面と、を備え、
   前記少なくとも３つの組のローラーのそれぞれは、前記自由スピンターボシャフトの前記第１の傾斜した接触面に係合して第１のローラーシャフト相互作用面を形成する第１のローラー外面と、前記自由スピンターボシャフトの前記第２の傾斜した接触面に係合して第２のローラーシャフト相互作用面を形成する第２のローラー外面とを形成し、
   前記自由スピンターボシャフトがスピンしている際、複数の前記第１のローラーシャフト相互作用面及び複数の前記第２のローラーシャフト相互作用面は、前記自由スピンターボシャフトの位置を維持するため前記自由スピンターボシャフトの軸方向及び径方向の位置を定め、前記自由スピンターボシャフトの軸方向力を打ち消す、ローラー支持システム。
2. 前記少なくとも３つの組のローラーのそれぞれは、二つのローラーがお互いに結合している少なくとも３つのダブルローラーを含む、請求項１に記載のローラー支持システム。
3. 前記少なくとも３つのローラーのそれぞれは、少なくとも１つのトレランスリングを更に備える、請求項１に記載のローラー支持システム。
4. 前記少なくとも３つの組のローラーは、少なくとも３つの個別のペアローラーを含む、請求項１に記載のローラー支持システム。
5. ターボチャージャーにおいて自由スピンターボシャフトに対する支持を提供する方法であって、
   少なくとも３つの組のローラーを前記自由スピンターボシャフトの軸方向の適所に保持するローラーキャリアを使うことと、
   斜めの接触面を有し、前記自由スピンターボシャフト上の斜めの接触面と接触状態にある前記少なくとも３つのローラーを位置決めすることによって前記自由スピンターボシャフトの位置を軸方向及び径方向に定めること及び位置決めすることと、
   前記自由スピンターボシャフト上に軸受を備えること無しに且つ少なくとも３つの組のローラーと前記自由スピンターボシャフトとの間におけるトラクション相互作用面の形成無しに、前記径方向における前記自由スピンターボシャフトの位置を維持するために、前記少なくとも３つの組のローラーにより生じる前記自由スピンターボシャフト上の径方向の力によって前記自由スピンターボシャフトの径方向に前記自由スピンターボシャフトを支持させることと、
   前記自由スピンターボシャフト上に軸受を備えること無しに、前記少なくとも３つの組のローラーの前記斜めの接触面と前記自由スピンターボシャフトの前記斜めの接触面との係合の結果、前記軸方向における前記自由スピンターボシャフトの位置を維持するために、前記自由スピンターボシャフトの前記軸方向に前記自由スピンターボシャフトを支持する軸力を前記自由スピンターボシャフトの前記斜めの接触面上に生じさせ、係合する前記少なくとも３つの組のローラーの前記斜めの接触面によって軸方向に前記自由スピンターボシャフトを支持させることと、
   を含む、方法。
6. 前記自由スピンターボシャフト上の前記接触面は、第１の傾斜した接触面及び第２の傾斜した接触面を有し、前記第１の傾斜した接触面及び前記第２の傾斜した接触面は、前記自由スピンターボシャフトの前記軸方向に対して同じ角度を有し、反対の方向の角度である、請求項５に記載の方法。

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