JPWO2016199825A1 - 回転機械 - Google Patents

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Abstract

回転機械は、ハウジング内で回転可能に支持された回転軸を備える。回転機械は、回転軸に圧入されて、ハウジングに対して回転軸を回転可能に支持する軸受と、回転軸に取り付けられて、回転軸の軸方向において軸受に隣接するつば部材と、を備える。つば部材は、回転軸が貫通すると共に軸受に隣接するボス部と、ボス部に連接して回転軸の径方向に延在するつば状部とを含む。

Description

本開示は、回転軸が軸受によって支持された回転機械に関する。
このような技術として、特許文献1に記載されるように、コンプレッサホイールが回転軸に取り付けられ、モータによって、回転軸に固定されたモータ回転子を回転させる電動過給機が知られている。この電動過給機では、回転軸を取り囲むリング部と、リング部の内側に設けられるダンパと転がり軸受とが設けられている。転がり軸受は、回転軸の端部に取り付けられている。転がり軸受は、グリースを封入したグリース封入軸受である。
特開2012−102700号公報
軸受は、圧入によって回転軸に取り付けられる場合がある。軸受が回転軸に圧入されていると、軸受の交換時に、軸受を回転軸から取り外すのが困難である。たとえば、回転軸に固定された軸受に直接外力を加えても、軸受を容易に取り外すことはできなかった。本開示は、回転軸から軸受を容易に取り外すことができる回転機械を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る回転機械は、ハウジング内で回転可能に支持された回転軸を備える回転機械であって、回転軸に圧入されて、ハウジングに対して回転軸を回転可能に支持する軸受と、回転軸に取り付けられて、回転軸の軸方向において軸受に隣接するつば部材と、を備え、つば部材は、回転軸が貫通すると共に軸受に隣接するボス部と、ボス部に連接して回転軸の径方向に延在するつば状部とを含む。
本開示の一態様によれば、回転軸から軸受を容易に取り外すことができる。
図1は、本開示の第1実施形態に係る回転機械の断面図である。 図2は、図1中のA部を拡大して示す断面図である。 図3において、(a)は図2中のつば部材を示す断面図、(b)は図5中のつば部材を示す断面図である。 図4において、(a)および(b)は、軸受の取り外し工程を説明するための断面図である。 図5は、本開示の第2実施形態に係る回転機械の軸受部を拡大して示す断面図であり、図2に対応する図である。 比較例に係る回転機械の軸受部を拡大して示す断面図である。
本開示の一態様に係る回転機械は、ハウジング内で回転可能に支持された回転軸を備える回転機械であって、回転軸に圧入されて、ハウジングに対して回転軸を回転可能に支持する軸受と、回転軸に取り付けられて、回転軸の軸方向において軸受に隣接するつば部材と、を備え、つば部材は、回転軸が貫通すると共に軸受に隣接するボス部と、ボス部に連接して回転軸の径方向に延在するつば状部とを含む。
この回転機械によれば、回転軸に取り付けられたつば部材は、軸方向において軸受に隣接する。つば部材のボス部が軸受に隣接し、つば状部は、径方向に延在する。よって、つば状部に軸方向の外力を加えることで、ボス部が軸受に押し当てられ、回転軸に圧入された軸受を容易に取り外すことができる。
いくつかの態様において、軸受は、グリース潤滑式の玉軸受であり、ハウジングの内部には、軸受を外周側から包囲する円筒部が保持されており、つば部材のつば状部は、円筒部の内部に配置されている。この場合、つば状部が円筒部の内部に配置されるため、つば状部と円筒部の内周とのクリアランスを小さくすることができる。よって、玉軸受を通り得る空気等の流体の流れが効果的に妨げられる。その結果として、グリースの持ち去りが抑制され、軸受の長寿命化および耐久性の向上が図られる。
いくつかの態様において、回転軸には、つば状部よりも径方向の外方に張り出す回転体が設けられており、つば状部と回転体との間には、軸方向において間隔が設けられている。径方向の外方に張り出す回転体が回転軸に設けられていると、つば状部に外力を加えようとするときに、回転体が邪魔になり得る。上記の構成によれば、つば状部と回転体との間に設けられた間隔に治具等を配置することができ、この治具等を介して、軸受に軸方向の外力を加えやすくなる。よって、径方向外方に張り出す回転体が回転軸に設けられる場合であっても、回転軸から軸受を容易に取り外すことができる。
いくつかの態様において、軸受は、回転軸に圧入された内輪と、複数の玉を介して内輪に対して相対回転可能である外輪とを含むラジアル玉軸受であり、ボス部は、つば状部よりも軸受側に突出して内輪に当接しており、つば状部と外輪との間には、軸方向において隙間が設けられている。この場合、ボス部が軸受の内輪に当接しているため、つば状部に軸方向の外力を加えることで、回転軸に圧入された内輪を回転軸に対して相対的に移動させやすい。さらには、つば状部と軸受の外輪との間に隙間が設けられるため、回転軸の回転に伴ってつば部材が回転する場合でも、つば状部が外輪に干渉することを防止できる。
本開示の別の態様に係る回転機械は、ハウジングと、ハウジング内に収容された回転軸と、回転軸の軸方向の一方側を軸支する軸受と、軸受の軸方向の他方側に隣接するつば部材と、を備え、つば部材は、回転軸が貫通すると共に軸受に隣接するボス部と、ボス部に連接して回転軸の径方向に延在するつば状部と、を含む。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図1を参照して、第1実施形態の電動過給機(回転機械)1について説明する。図1に示されるように、電動過給機1は、たとえば車両や船舶の内燃機関に適用されるものである。電動過給機1は、コンプレッサ7を備えている。電動過給機1は、ロータ部13およびステータ部14の相互作用によってコンプレッサインペラ8を回転させ、空気等の流体を圧縮し、圧縮空気を発生させる。
電動過給機1は、ハウジング2内で回転可能に支持された回転軸12と、回転軸12の先端部(一端部)12aに固定されたコンプレッサインペラ8とを備える。ハウジング2は、ロータ部13およびステータ部14を収納するモータハウジング3と、モータハウジング3の他端側(図示右側)の開口を閉鎖する端壁4とを備える。モータハウジング3の一端側(図示左側)には、コンプレッサインペラ8を収納するコンプレッサハウジング6が設けられている。コンプレッサハウジング6は、吸入口9と、スクロール部10と、吐出口11とを含んでいる。
コンプレッサインペラ8は、たとえば樹脂製または炭素繊維強化樹脂(以下、「CFRP」という。CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastic)製であり、これによって軽量化が図られている。
ロータ部13は、回転軸12の軸方向D1の中央部に固定されており、回転軸12に取り付けられた1または複数の永久磁石(図示せず)を含む。ステータ部14は、ロータ部13を包囲するようにしてモータハウジング3の内面に固定されており、導線14aが巻回されてなるコイル部(図示せず)を含む。導線14aを通じてステータ部14のコイル部に交流電流が流されると、ロータ部13およびステータ部14の相互作用によって、回転軸12とコンプレッサインペラ8とが一体になって回転する。コンプレッサインペラ8が回転すると、コンプレッサインペラ8は、吸入口9を通じて外部の空気を吸入し、スクロール部10を通じて空気を圧縮し、吐出口11から吐出する。吐出口11から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。
電動過給機1は、回転軸12に圧入されて、ハウジング2に対して回転軸12を回転可能に支持する2個の玉軸受(軸受)20を備える。玉軸受20は、回転軸12の先端部12a付近と基端部12b付近とにそれぞれ設けられており、回転軸12を両持ちで支持している。玉軸受20は、たとえば、グリース潤滑式のラジアル玉軸受である。より詳細には、玉軸受20は、深溝玉軸受であってもよく、アンギュラ玉軸受であってもよい。図2に示されるように、玉軸受20は、回転軸12に圧入された内輪20aと、複数の玉20cを介して内輪20aに対して相対回転可能な外輪20bとを含んでいる。
一方の玉軸受20は、コンプレッサインペラ8の背面側(図示右側)に取り付けられている。一方の玉軸受20の外周側には、円筒状の軸受スリーブ(円筒部)21が取り付けられている。図1に示されるように、これらの玉軸受20および軸受スリーブ21が、回転軸12の先端部12aに設けられた軸端ナット16によって、回転軸12に固定されている。一方の玉軸受20の外周側には、円筒状の軸受スリーブ21が配置されている。軸受スリーブ21は、モータハウジング3の軸方向D1の一端側に形成された軸受包囲部23内に圧入されている。
他方の玉軸受20は、回転軸12と端壁4との間に取り付けられている。他方の玉軸受20の外周側には、円筒状の軸受スリーブ(円筒部)22が取り付けられている。軸受スリーブ22は、端壁4の中央でモータハウジング3内に突出するように形成された円筒部(内周面)に圧入されている。他方の玉軸受20と端壁4との間には、円環状のスプリング受け26が設けられている。スプリング受け26は、端壁4中央の円筒部内に配置されたスプリング27によって、軸方向D1の一方に向けて付勢されている。
モータハウジング3は、たとえばアルミニウム製である。これに対し、玉軸受20の内輪20aおよび外輪20bは鉄製である。そのため、玉軸受20とモータハウジング3との間に、炭素鋼などの鉄製であって、玉軸受20と同程度の硬さを有する軸受スリーブ21,22が設けられている。軸受スリーブ21,22は、玉軸受20を外周側から包囲している。これにより、比較的柔らかい材料からなるモータハウジング3に対して、摩耗からの保護が図られている。
回転軸12と、回転軸12に固定されたコンプレッサインペラ8、ロータ部13、玉軸受20およびスプリング受け26とは、ハウジング2内で一体となって回転部を構成しており、上記の軸方向D1の一方に付勢されている。軸受包囲部23の円環部23aが玉軸受20の一端側に対向しており、これにより、軸方向D1における回転部の位置決めがなされている。
続いて、図2および図3(a)を参照して、電動過給機1の軸受構造について詳細に説明する。図2に示されるように、ロータ部13は、回転軸12よりも径方向D2の外方に張り出した回転体である。ロータ部13の外径は、たとえば、玉軸受20の外輪20bの外径よりも大きい。ロータ部13の外径は、たとえば、軸受スリーブ21の内径よりも大きく、軸受スリーブ21の外径よりも小さい。ロータ部13の外径は、軸受スリーブ21の外径より大きくてもよい。回転軸12のうちロータ部13の軸方向D1の一方側端面に対応する位置には、回転軸12よりも多少拡径された円環状の段部12cが形成されている。すなわち、ロータ部13の軸方向D1の一方側端面の内部には、回転軸12の段部12cが配されている。
本実施形態の電動過給機1では、玉軸受20と段部12cの間に、スペーサ(つば部材)30が介在している。スペーサ30は、回転軸12に固定されており、軸方向D1において玉軸受20に隣接している。スペーサ30は、たとえば炭素鋼などの鉄製である。
図3(a)に示されるように、スペーサ30は、玉軸受20の内輪20aに当接する円筒状のボス部31と、ボス部31に連接するつば状部32とを含む。ボス部31の中央部には、回転軸12が貫通する貫通孔30aが設けられている。つば状部32は、円環状をなして径方向D2に延在している。
ボス部31は、軸方向D1の一端側に円環状のボス部第1端面31aを備え、軸方向D1の他端側に円環状のボス部第2端面31bを備える。つば状部32は、軸方向D1の一端側に円環状のつば状部第1端面32aを備え、軸方向D1の他端側に円環状のつば状部第2端面32bを備える。ボス部31の軸方向D1の厚み、すなわちボス部第1端面31aとボス部第2端面31bとの間の距離は、つば状部32の厚み、すなわちつば状部第1端面32aとつば状部第2端面32bとの間の距離よりも大きい。言い換えれば、ボス部31は、つば状部32よりも玉軸受20側に突出している。さらに、ボス部31は、つば状部32よりも段部12c側に突出している。ボス部31の厚みは、たとえば玉軸受20の軸方向D1の長さ(幅)によって決めることができる。つば状部32の厚みは、後述する玉軸受20の取り外し時に必要な強度に基づいて決めることができる。
図2に示されるように、スペーサ30のボス部31は、玉軸受20の内輪20aに当接している。つば状部第1端面32aよりもボス部第1端面31aが突出していることにより、つば状部第1端面32aと玉軸受20の外輪20bとの間には、隙間が設けられている。
つば状部32の外径は、軸受スリーブ21の内径よりも小さくなっている。軸受スリーブ21は、玉軸受20から軸方向D1の他方側に突出している。軸受スリーブ21の突出部の内部に、つば状部32が配置されている。軸受スリーブ21の内周面とつば状部32の外周面との間には、細い円環状の隙間gが設けられている。このようにスペーサ30が軸受スリーブ21内に配置され、僅かなクリアランスである隙間gが形成されることで、玉軸受20への空気の通り抜けが抑制されている。
前述したロータ部13は、つば状部32よりも径方向D2の外方に張り出している。つば状部第2端面32bよりもつば状部第2端面32bが突出していることにより、つば状部第2端面32bとロータ部13との間には、間隔Sが設けられている。
なお、他方の玉軸受20とロータ部13との間にも、同様にしてスペーサ30が設けられている。他方の玉軸受20と、軸受スリーブ22と、スペーサ30とにおける構成は上記と同様であるため、説明を省略する。
次に、図4を参照して、回転軸12からの玉軸受20の抜き取り工程について説明する。図4(a)に示されるように、軸受取り外し具40を用意する。軸受取り外し具40は、2分割された半円筒形の筐体が合わさった円筒体41と、円筒体41の上部に設けられて、半円形の板部在が合わさった治具42とを含む。円筒体41の上部と、治具42の中央部には、回転軸12に玉軸受20およびスペーサ30が圧入された状態で、回転軸12が挿通される。ここで、治具42の中央部に設けられた開口の縁部は、上記した間隔Sに配置される。これによって、治具42は、スペーサ30のつば状部32に対して軸方向D1に圧接可能となる。
図4(a)の状態で回転軸12の先端部12aを下方に押し下げると、図4(b)に示されるように、スペーサ30を介して(より詳細にはボス部31と内輪20aとの圧接により)、玉軸受20から回転軸12が抜き取られる。これにより、玉軸受20が容易に取り外される。他方の玉軸受20についても、上記と同様の手順で取り外し可能である。
電動過給機1によれば、回転軸12に取り付けられたスペーサ30は、軸方向D1において玉軸受20に隣接する。スペーサ30のボス部31が玉軸受20に隣接し、つば状部32は、径方向D2に延在する。よって、つば状部32に軸方向D1の外力を加えることで、ボス部31が玉軸受20に押し当てられ、回転軸12に圧入された玉軸受20を容易に取り外すことができる。
または、つば状部32が径方向D2に延在することで、クリアランスは狭くなっており、玉軸受20を通り得る空気の流れが妨げられる。副次的な効果として、玉軸受20に含まれるグリースの持ち去りが抑制され、玉軸受20の長寿命化が図られている。コンプレッサインペラ8の背面側に設けられた玉軸受20では、この効果は顕著である。
図6に示されるように、玉軸受20から突出しない軸受スリーブ50を用い、スペーサ30が設けられない構成では、コンプレッサインペラ8の回転に伴って、空気の流れFが生じやすくなっていた。そのため、玉軸受20に含まれるグリースが運び去られやすくなっており、玉軸受20の耐久性を低下させる要因となっていた。スペーサ30を備える電動過給機1によれば、玉軸受20に含まれるグリースの持ち去りが抑制されている。
電動過給機1によれば、つば状部32が軸受スリーブ21の内部に配置されるため、つば状部32と軸受スリーブ21の内周との隙間gが小さくなっている。よって、玉軸受20を通り得る空気の流れが妨げられる。その結果として、玉軸受20に含まれるグリースの持ち去りの抑制が一層図られている。
電動過給機1によれば、つば状部32とロータ部13との間に設けられた間隔Sに治具42を配置することができ、この治具42を介して、玉軸受20に軸方向の外力を加えやすくなる。よって、径方向D2の外方に張り出すロータ部13が回転軸12に設けられる場合であっても、回転軸12から玉軸受20を容易に取り外すことができる。
電動過給機1によれば、ボス部31が玉軸受20の内輪20aに当接しているため、つば状部32に軸方向D1の外力を加えることで、回転軸12に圧入された内輪20aを回転軸12に対して相対的に移動させやすくなっている。さらには、つば状部32と玉軸受20の外輪20bとの間に隙間が設けられるため、回転軸12の回転に伴ってスペーサ30が回転する場合でも、つば状部32が外輪20bに干渉することが防止されている。
図5および図3(b)を参照して、第2実施形態の電動過給機1について説明する。この電動過給機1では、軸方向D1の他端面が平坦なスペーサ30Aを用いている。これは、たとえば玉軸受20とは異なる型式の玉軸受20A(たとえば、アンギュラ軸受)を用いた場合に、玉軸受20Aが玉軸受20とは異なる寸法を有するためにスペーサの形状が変更されたものである。スペーサ30Aのボス部31Aおよびつば状部32Aは、スペーサ30のボス部31およびつば状部32よりも軸方向D1において薄い。なお、強度確保の観点から、スペーサ30Aの材質をスペーサ30の材質から変更してもよい。たとえば、クロムモリブデン鋼からなるスペーサ30Aとしてもよい。薄型のスペーサ30Aでは、つば状部第2端面32bとつば状部第2端面32bとは面一であり、平坦面をなしている。この場合でも、ボス部31Aとロータ部13との間には、上記と同様の間隔Sが設けられる。
このようなスペーサ30Aを用いた構造によっても、上記した第1実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。
以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られない。たとえば、軸受スリーブ21に対するスペーサ30の配置関係は、上記した態様に限られない。軸受スリーブ21内にスペーサ30が配置されずに、軸受スリーブ21外にスペーサ30が配置されてもよい。軸受スリーブ21の軸方向D1に隣接するようにつば状部32が配置されてもよい。
軸受スリーブ21が設けられず、ハウジングが、軸受スリーブと同様の形状をなす部分を含んでもよい。すなわち、ハウジングと軸受との材料の違いが解決されていれば、軸受スリーブを介することなく、ハウジングと軸受(軸受の外輪)とを接触させてもよい。
軸受は、グリース潤滑式の玉軸受に限られない。たとえば、他の潤滑方式(オイル潤滑等)を採用した玉軸受であってもよい。軸受は、ラジアル軸受に限られず、スラスト軸受であってもよい。
本発明の構造は、軸受が回転軸に圧入された、あらゆる回転機械に適用可能である。たとえば、タービンを備えモータによって回転を補助するタイプの電動過給機に本発明を適用することもできるし、電動過給機以外の一般の過給機に適用することもできる。また、コンプレッサを備える回転機械に限られず、タービンによって発電を行う発電機に本発明を適用することもできる。
本開示のいくつかの態様によれば、回転軸から軸受を容易に取り外すことができる。
1 電動過給機(回転機械)
2 ハウジング
7 コンプレッサ
8 コンプレッサインペラ(インペラ)
12 回転軸
13 ロータ部(回転体)
14 ステータ部
20 玉軸受(軸受)
20A 玉軸受(軸受)
20a 内輪
20b 外輪
20c 玉
21 軸受スリーブ(円筒部)
22 軸受スリーブ(円筒部)
23 軸受包囲部
23a 円環部
30 スペーサ(つば部材)
30A スペーサ(つば部材)
31 ボス部
31A ボス部
32 つば状部
32A つば状部
D1 軸方向
D2 径方向
S 間隔

Claims (5)

  1. ハウジング内で回転可能に支持された回転軸を備える回転機械であって、
    前記回転軸に圧入されて、前記ハウジングに対して前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
    前記回転軸に取り付けられて、前記回転軸の軸方向において前記軸受に隣接するつば部材と、を備え、
    前記つば部材は、前記回転軸が貫通すると共に前記軸受に隣接するボス部と、前記ボス部に連接して前記回転軸の径方向に延在するつば状部とを含む回転機械。
  2. 前記軸受は、グリース潤滑式の玉軸受であり、
    前記ハウジングの内部には、前記軸受を外周側から包囲する円筒部が保持されており、
    前記つば部材の前記つば状部は、前記円筒部の内部に配置されている請求項1に記載の回転機械。
  3. 前記回転軸には、前記つば状部よりも前記径方向の外方に張り出す回転体が設けられており、
    前記つば状部と前記回転体との間には、前記軸方向において間隔が設けられている請求項1または2に記載の回転機械。
  4. 前記軸受は、前記回転軸に圧入された内輪と、複数の玉を介して前記内輪に対して相対回転可能である外輪とを含むラジアル玉軸受であり、
    前記ボス部は、前記つば状部よりも前記軸受側に突出して前記内輪に当接しており、
    前記つば状部と前記外輪との間には、前記軸方向において隙間が設けられている請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転機械。
  5. ハウジングと、
    前記ハウジング内に収容された回転軸と、
    前記回転軸の軸方向の一方側を軸支する軸受と、
    前記軸受の前記軸方向の他方側に隣接するつば部材と、を備え、
    前記つば部材は、
    前記回転軸が貫通すると共に前記軸受に隣接するボス部と、
    前記ボス部に連接して前記回転軸の径方向に延在するつば状部と、
    を含む回転機械。
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