JP7050818B2 - 流体力学的な軸方向固定手段を有する滑り軸受 - Google Patents

Description

本発明は、過給式の内燃機関に用いられる排気ターボチャージャの分野に関する。特に、本発明は、軸受ハウジング内にシャフトを軸支するための、排気ターボチャージャのラジアル軸受アッセンブリに関し、ラジアル軸受アッセンブリは、軸方向の移動に対するラジアル滑り軸受ブッシュ用の固定手段を有する。

大型エンジン用のターボチャージャには、滑り軸受または転がり軸受が備え付けられている。比較的新しいＡＢＢターボチャージャには、通常はエンジン潤滑油システムを介して油が供給される流体力学的な滑り軸受が装着されている。この場合、スラスト軸受用の軸受部品（コンプレッサ推力およびタービン推力の吸収）と、ラジアル軸受用の軸受部品（シャフトのガイド、半径方向でのシャフトの動きの吸収および減衰）とが区別される。

ターボチャージャでは、ターボチャージャのシャフトに作用する全軸方向力をもたらす軸方向力が、タービンホイールおよびコンプレッサホイールに作用する。特に、軸流タービンでは、この全軸方向力は、スラスト軸受によって吸収される。スラスト軸受は、コンプレッサホイールとタービンホイールとの間の、ターボチャージャのシャフトに位置し、シャフトと一緒に回転するスラスト軸受アッセンブリと、スラスト軸受アッセンブリに対するカウンタピースとしての位置固定のスラスト軸受ボディとを有している。スラスト軸受は、一緒に回転するスラスト軸受アッセンブリと位置固定のスラスト軸受ボディとの間の滑り軸受として実現されている。

タービンホイールと、コンプレッサホイールと、シャフトと、一緒に回転する軸受部品とを含む、排気ターボチャージャのロータの動特性を改善するために、ラジアル軸受の軸受ブッシュは、軸受ハウジング内に固く組み込まれずに浮動式に半径方向の遊びを有して組み込まれることが多い。このようなアッセンブリは、封入オイルダンパーと称される。場合によっては軸受ブッシュがその中に軸支されたシャフトと一緒に回転するのを阻止するために、ラジアル方向の遊び内での動きを可能にする位置決め手段が必要である。この位置決め手段は、従来の排気ターボチャージャにおいて、たとえば、軸受ハウジング内にねじ込まれたスタッドボルトと、これに対応する、ラジアル軸受ブッシュ内の孔とによって実現される。図６は、従来技術によるこの種のアッセンブリがどのようにして広く利用されるかについて示している。ラジアル軸受ブッシュの端面は、スラスト軸受として構成されていてよい。図６による例では、補助スラスト軸受が、ラジアル軸受ブッシュに組み込まれている。補助スラスト軸受は、主推力方向とは逆向きの力を吸収する。任意選択的に成形して構成された補助軸受面の力は、ラジアル軸受ブッシュの、これとは反対の側の端面で、軸受ハウジングへと伝達される。

したがって、ラジアル滑り軸受部品は、その機能を確実に満たすことができるようにするために、通常、軸方向の移動に対して固定されている。これは、たとえばハウジング内のストッパを介して、または同時に回り止めとしても機能する専用の固定要素、たとえば固定リングまたは半径方向の固定ねじによって達成することができる。

先行技術から知られた、軸方向の固定手段を有するラジアル軸受は、その組立ておよびコストに関してある程度の欠点を有している。したがって、本発明の根底を成す課題は、この点において改善された、つまりできるだけ低コストで組立てが容易である設計を有する、軸方向の固定手段を有するラジアル軸受を提供することである。特に、ラジアル軸受の、軸受ハウジングに組み込まれた吸収部を有する最近の設計では、アクセス性が存在しないので、半径方向の固定要素を取り付けることができない。ターボチャージャの軸方向の構造長さを最小化して、提供される構造スペースを最適に利用するには、固定リングなどの軸方向の固定要素を省略することが有利である。滑り軸受の軸方向の移動は、機械的な固定要素の省略にもかかわらず回避されるべきである。

上記の問題を解決するために、独立請求項１に記載のラジアル軸受アッセンブリが提供される。本発明の別の形態、利点および特徴は、従属請求項、明細書および添付の図面から明らかである。

本発明の一態様によれば、軸受ハウジング内にシャフトを軸支するための、排気ターボチャージャのラジアル軸受アッセンブリが提供される。ラジアル軸受アッセンブリは、シャフトと軸受ハウジングとの間に配置されたラジアル軸受ブッシュを有する。ラジアル軸受ブッシュは、半径方向外向きに突出するカラーを有し、カラーは、軸方向で、軸受ハウジングにおける軸方向ストッパと相互作用する。ラジアル軸受ブッシュの、半径方向外向きに突出するカラーの幾何学形状は、切欠きにより中断されていて、これにより油供給圧力により作用する、カラーにかかる力が最小化され、ラジアル軸受ブッシュは、ラジアル軸受ブッシュの端面とシャフト上に配置されたカウンタピース、特に回転するカウンタピースとの間に潤滑膜が形成可能であるように構成されている。この場合、ラジアル軸受ブッシュの端面および回転するカウンタピースの両方を、成形部を有していても成形部を有していなくても構成することができる。好ましくは、成形部を有していなくても流体力学的な復元力の必要なレベルを達成することができるとき、成形部が省かれる。

したがって、本発明によるラジアル軸受アッセンブリにより、従来技術において一般的であるように、ラジアル軸受ブッシュを好ましくは機械要素を用いて軸方向の移動に対して固定しなければならないわけではない、ラジアル軸受アッセンブリが提供される。その代わり、ラジアル軸受ブッシュの周囲の油圧分布に基づいて所定の力分布が生じ、この力分布により、ラジアル軸受ブッシュが、それ自体の目標位置から制御不能に離れることがなく、かつ、摩耗が発生し得る、回転部分との接触が生じないように、ラジアル軸受ブッシュの幾何学形状および隣り合う構成部品に対する距離が設計されている。本明細書に記載の本発明の実施の形態によれば、これは、機械的なストッパまたは固定要素を使用することなく、純粋に、油供給圧力と流体力学的な軸受力との相互作用によって達成される。したがって、本発明によるラジアル軸受アッセンブリは、好ましくは、ラジアル軸受ブッシュの所定の軸方向位置を確保し、追加の構成部材および追加の構成スペースがなくても間に合う、低コストで組立てが容易である設計を有している。

本発明の別の態様によれば、軸受ハウジング内にシャフトを軸支するために、本明細書に記載の実施の形態のうちの１つによるラジアル軸受アッセンブリを有する排気ターボチャージャが提供されるので、好ましくは、改善された排気ターボチャージャを提供することができる。

本発明の別の態様は、シャフト上に相対回動不能に配置されたカウンタピース、たとえばスラストリングとラジアル軸受ブッシュの端面との間に潤滑膜が形成され、潤滑膜は、ラジアル軸受ブッシュを、軸受ハウジングに配置された軸方向ストッパの方向へ軸方向に押圧するように使用する、本明細書に記載の実施の形態によるラジアル軸受アッセンブリのターボチャージャにおける使用に関する。

以下、図面に示される例示的な実施の形態に基づいて、本発明が説明されるべきである。実施の形態から、さらなる利点および変化形が得られる。

本明細書に記載の実施の形態によるラジアル軸受アッセンブリを有するターボチャージャの一部の概略断面図である。 図１の概略断面図をより詳細に示す。 本明細書に記載の実施の形態によるラジアル軸受アッセンブリのラジアル軸受ブッシュの等角図である。 本明細書に記載の実施の形態によるラジアル軸受アッセンブリのラジアル軸受ブッシュの正面図である。 本明細書に記載の実施の形態による例示的なラジアル軸受アッセンブリにおいて軸方向に作用する力を示す線図である。 位置決めピンを用いて固定されたラジアル軸受ブッシュを有する、従来技術によるラジアル軸受の断面図である。

図１には、本明細書に記載の実施の形態によるラジアル軸受アッセンブリ１１０を有するターボチャージャ１００の一部の概略断面図が示されている。特に、図１は、シャフト１２０を軸受ハウジング１３０内に軸支するための、排気ターボチャージャ１００のラジアル軸受アッセンブリ１１０を示している。図１に示されているように、ラジアル軸受アッセンブリ１１０は、本発明によれば、シャフト１２０と軸受ハウジング１３０との間に配置されたラジアル軸受ブッシュ１４０を有している。ラジアル軸受ブッシュ１４０は、半径方向外向きに突出するカラー１４１を有しており、カラー１４１は、軸方向で、軸受ハウジング１３０における軸方向ストッパ１３１と相互作用する。通常、組立てに際して、ラジアル軸受ブッシュ（以下、滑り軸受ブッシュＧＬＢとも称される）は、ラジアル軸受ブッシュ１４０の、半径方向外向きに突出するカラー１４１が軸受ハウジング１３０に当接するまで、軸方向に、軸受ハウジング内に差し込まれる。特に、ラジアル軸受ブッシュ１４０は、このラジアル軸受ブッシュ１４０が、軸支された回転するシャフト１２０に対して静止している、すなわち一緒に回転しないように、軸受ハウジング１３０内に取り付けられてよい。

図１に示されているように、シャフト１２０は、ラジアル軸受内に回転可能に軸支されている。排気ターボチャージャでは、通常、コンプレッサとタービンとの間に配置された軸受ハウジング１３０内に、ラジアル軸受ブッシュ１４０が、半径方向のわずかな遊びをもって挿入されている。軸受ハウジングとラジアル軸受ブッシュの外周面との間に、油が供給される潤滑間隙が配置されている。ラジアル軸受ブッシュの周面に沿って油を確実に供給するために、環状に延びる油供給チャネルが設けられている。組立てのために、ラジアル軸受ブッシュ１４０は、図示の実施の形態では、左側から、軸受ハウジングにおける開口内に挿入される。半径方向に突出する、環状に延びるカラー（鍔部）１４１によって、挿入方向での軸方向の移動性が制限されている。さらに、軸受ハウジングに取り付けられた金属の薄板１４６が設けられてよく、薄板１４６は、形状接続でもって、突起１４３（図３参照）に対して、ラジアル軸受ブッシュの回り止めを保証する。

たとえば図３および図４に示されているように、ラジアル軸受ブッシュ１４０の、半径方向外向きに突出するカラー１４１の幾何学形状は、切欠き１４２により中断されている。これらの切欠きを通って油が流出することができるので、切欠き１４２により、油供給圧力によってカラー１４１にかかる力を最小化することが可能である。たとえば、図３および図４に示されているように、ラジアル軸受ブッシュと軸受ハウジングとの間の半径方向の遊びの間隙幅が０．３ｍｍである場合、ラジアル軸受ブッシュ１４０の設計を用いると、油供給圧力により作用する力Ｆを、Ｆ＝２６．８Ｎへと減少させることが可能である。

図１および図２から明らかであるように、ラジアル軸受ブッシュ１４０は、ラジアル軸受ブッシュ１４０の端面１４４と、シャフト１２０上に配置されたカウンタピース１６０、たとえばスラストリングとの間に潤滑膜が形成可能であるように構成されているとともにシャフト１２０上に配置されている。この潤滑膜に、ラジアル軸受ブッシュ１４０とシャフト１２０との間に形成されたラジアル軸受間隙から油が供給される。

したがって、本発明によるラジアル軸受アッセンブリにより、従来技術において一般的であるように、ラジアル軸受ブッシュを好ましくは機械要素を用いて軸方向の移動に対して固定しなければならないわけではない、ラジアル軸受アッセンブリが提供される。その代わり、ラジアル軸受ブッシュの周囲の油圧分布に基づいて所定の力分布が生じ、この力分布により、ラジアル軸受ブッシュが、それ自体の目標位置から制御不能に離れることがなく、かつ、摩耗が発生し得る、回転部分との接触が生じないように、ラジアル軸受ブッシュの幾何学形状および隣り合う構成部品に対する距離が設計されている。本明細書に記載の本発明の実施の形態によれば、これは、機械的なストッパまたは固定要素を使用することなく、純粋に油圧によって達成される。

本明細書に記載の実施の形態から明らかなように、本発明によるラジアル軸受アッセンブリは、好ましくは、カウンタピース１６０、たとえばスラストリングとラジアル軸受ブッシュ１４０との間に潤滑膜が形成可能であり、潤滑膜が、コンプレッサ側１０１の方向へのラジアル軸受ブッシュ１４０の軸方向の移動に対抗するように、設計されている。これは、図１および図２において、コンプレッサ側１０１からタービン側１０２へ向いた矢印により例示されている。したがって、本発明によるラジアル軸受アッセンブリは、好ましくは、ラジアル軸受ブッシュの所定の軸方向位置を確保し、追加の構成部材および追加の構成スペースがなくても間に合う低コストで組立てが容易である設計を有している。

したがって、本明細書に記載の実施の形態によるラジアル軸受アッセンブリは、従来技術において公知の設計よりも著しく小さな軸方向力を有している。特に、ＧＬＢと軸受ハウジングとの間の軸方向間隙が大きくなるほど、ＧＬＢを軸受ハウジング１３０の軸方向ストッパ１３１から押し離す（図１および図２において左側へ）、ＧＬＢにかかる押圧力が小さくなることに留意されたい。

回転するカウンタピース１６０、たとえばスラストリングとＧＬＢの端面との間に潤滑膜が形成される。ＧＬＢがストッパカラーの背後から油供給圧力によって左側へ強く押圧されるほど（図１および図２）、カウンタピースとＧＬＢ、特にラジアル軸受ブッシュ１４０の端面１４４との間の間隙１４５が小さくなる。間隙１４５が小さくなるほど、ＧＬＢを右側へ押し戻す（図１および図２の矢印参照）、カウンタピースとＧＬＢとの間の潤滑膜の復元力が大きくなる。力の平衡が生じ、これによりＧＬＢの軸方向の移動が制限され、動作中の回転するカウンタピースとの接触が回避される。

本明細書に記載の他の実施の形態と組み合わせることができる、さらなる実施の形態によれば、ラジアル軸受ブッシュ１４０の、外向きに突出するカラー１４１の幾何学形状は、図３および図４に例示されているように、切欠き１４２により４つの突起１４３が形成され、その間を通って油が流出できるように、中断されている。代替的に、外向きに突出するカラー１４１の幾何学形状は、切欠きにより、４つより少ないまたは４つより多い突起、たとえば２つ、３つ、５つ、６つ、７つ、８つまたは９つ以上の突起が形成されるように、中断されてもよい。図４に例示されているように、突起１４３（たとえば図示された４つの突起）は、シャフト１２０の回転軸線１２１に対して略回転対称に配置することが可能である。突起は、たとえば、上述のように、たとえば軸受ハウジングに取り付けられた薄板１４６を用いて、軸受ハウジングに対するラジアル軸受ブッシュの回り止めを提供するように用いることができる。たとえば、ラジアル軸受アッセンブリを、突起と軸受ハウジングとの間に形状接続が実現されるように構成することができる。

図３において、ラジアル軸受ブッシュ１４０の等角図で例示されているように、ラジアル軸受ブッシュは、半径方向外向きに突出するカラー１４１と一体的に、単一の構成部材として構成されてよい。これは、本明細書に記載の実施の形態によるラジアル軸受アッセンブリを、可能な限り少ない構成部材で実現可能にすることに役立つ。

本明細書に記載の他の実施の形態と組み合わせることができる、さらなる実施の形態によれば、半径方向外向きに突出するカラー１４１と軸受ハウジング１３０との間に間隙１３２が設けられており、間隙１３２は、図２に例示されているように、油が油供給部１５０から取り出されるように構成されている。通常、間隙１３２は、所定の半径方向幅を有して全周にわたって延びる油供給間隙として構成されている。

図２に示されているように、ラジアル軸受アッセンブリ１１０は、カウンタピース１６０をさらに有しており、カウンタピース１６０は、ラジアル軸受ブッシュ１４０の軸方向の端面１４４に対して距離Ｄを置いてシャフト上に相対回動不能に配置されているので、カウンタピース１６０、たとえばスラストリングとラジアル軸受ブッシュ１４０の軸方向の端面１４４との間に、間隙１４５が形成される。好ましくは、カウンタピース１６０とラジアル軸受ブッシュ１４０との間の間隙１４５は、すでにラジアル軸受ブッシュがわずかに軸方向（つまり、軸支されたシャフト１２０の回転軸線１２１に対して平行）に移動すると、カウンタピース１６０とラジアル軸受ブッシュ１４０、特にラジアル軸受ブッシュ１４０の端面１４４との間に潤滑膜が形成されるように、十分に小さく選択される。

通常、距離Ｄは、間隙１４５が１ｍｍ以下（Ｂs≦１ｍｍ）の間隙幅Ｂｓを有するように選択されている。たとえば、間隙幅Ｂｓは、Ｂｓ＝０．５５ｍｍまたはそれ未満（Ｂｓ≦０．５５ｍｍ）、特にＢｓ＝０．３ｍｍまたはそれ未満（Ｂs≦０．３ｍｍ）、特にＢｓ＝０．１ｍｍまたはそれ未満（Ｂｓ≦０．１ｍｍ）、たとえばＢｓ≦０．０５ｍｍであってよい。

図５は、本明細書に記載の実施の形態による例示的なラジアル軸受アッセンブリにおいて軸方向に作用する力が示された線図である。詳細には、図５は、ラジアル軸受ブッシュの様々な構成におけるカウンタピースとラジアル軸受ブッシュの端面との間の間隙を関数として、ラジアル軸受ブッシュの端面にかかる軸方向力およびラジアル軸受ブッシュの背面に（特にＧＬＢの鍔部の背面に）かかる軸方向力を示している。計算は、油温Ｔ_ｏｅｌ＝６５℃および回転数１４２ｒｐｓ（毎秒回転数）で行った。

図５から明らかなように、本発明によるラジアル軸受ブッシュ１４０の設計を用いると、油供給圧力によって作用する力Ｆ、つまりＧＬＢの鍔部（半径方向外向きに突出するカラー）の背面に作用する力を低減させることができる。

１００ ターボチャージャ
１０１ コンプレッサ側
１０２ タービン側
１１０ ラジアル軸受アッセンブリ
１２０ シャフト
１２１ シャフトの回転軸線
１３０ 軸受ハウジング
１３１ 軸方向ストッパ
１３２ 間隙
１４０ ラジアル軸受ブッシュ
１４１ ラジアル軸受ブッシュのカラー
１４２ 切欠き
１４３ 突起
１４４ 端面
１４５ 間隙
１５０ 油供給部

Claims (10)

1. 軸受ハウジング（１３０）内にシャフト（１２０）を軸支するための、排気ターボチャージャ（１００）のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）であって、
   前記ラジアル軸受アッセンブリ（１１０）は、前記シャフト（１２０）と前記軸受ハウジング（１３０）との間に配置されたラジアル軸受ブッシュ（１４０）を備え、
   前記ラジアル軸受ブッシュ（１４０）は、半径方向外向きに突出するカラー（１４１）を有し、該カラー（１４１）は、軸方向で、前記軸受ハウジング（１３０）における軸方向ストッパ（１３１）と相互作用し、
   前記カラー（１４１）の幾何学形状は、切欠き（１４２）により中断されていて、これにより油供給圧力によって作用する、前記カラー（１４１）にかかる力が最小化され、
   前記ラジアル軸受ブッシュ（１４０）は、該ラジアル軸受ブッシュ（１４０）の端面（１４４）と前記シャフト（１２０）上に配置されたカウンタピース（１６０）との間に潤滑膜が形成可能であるように構成されている、
   ラジアル軸受アッセンブリ（１１０）。
2. 前記カラー（１４１）の幾何学形状は、４つの突起（１４３）が形成されて該突起（１４３）の間を油が流出することができるように、前記切欠き（１４２）によって中断されている、請求項１記載のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）。
3. ４つの前記突起（１４３）は、前記シャフト（１２０）の回転軸線（１２１）に対して略回転対称に配置されている、請求項２記載のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）。
4. 前記ラジアル軸受ブッシュは、前記カラー（１４１）と一体的に、単一の構成部材として構成されている、請求項１記載のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）。
5. 半径方向外向きに突出する前記カラー（１４１）と前記軸受ハウジング（１３０）との間に間隙（１３２）が設けられており、該間隙（１３２）は、油が油供給部（１５０）から取り出されるように構成されている、請求項１記載のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）。
6. 前記ラジアル軸受アッセンブリは、カウンタピース（１６０）をさらに有し、該カウンタピース（１６０）は、前記ラジアル軸受ブッシュ（１４０）の軸方向の端面（１４４）に対して所定の距離Ｄを置いて前記シャフト上に相対回動不能に配置されていて、これにより前記カウンタピース（１６０）と前記ラジアル軸受ブッシュ（１４０）の前記軸方向の端面（１４４）との間に間隙（１４５）が形成される、請求項１から５までのいずれか１項記載のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）。
7. 前記距離Ｄは、前記間隙（１４５）がＢｓ≦１ｍｍの間隙幅Ｂｓを有するように選択されている、請求項６記載のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）。
8. 前記間隙幅Ｂｓは、Ｂｓ≦０．５５ｍｍである、請求項７記載のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）。
9. 軸受ハウジング（１３０）内にシャフト（１２０）を軸支するための、請求項１から８までのいずれか１項記載のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）を備える排気ターボチャージャ。
10. シャフト（１２０）上に相対回動不能に配置されたカウンタピース（１６０）とラジアル軸受ブッシュ（１４０）の端面（１４４）との間に潤滑膜を形成し、該潤滑膜によって、前記ラジアル軸受ブッシュ（１４０）を、軸受ハウジング（１３０）に配置された軸方向ストッパ（１３１）の方向へ軸方向に押圧するような、請求項１から８までのいずれか１項記載のラジアル軸受アッセンブリ（１１０）のターボチャージャへの使用。

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