WO2012057012A1 - 回転軸の軸受方法及び装置 - Google Patents

回転軸の軸受方法及び装置 Download PDF

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floating bearing
bearing
rotating shaft
floating
movement restricting
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西田　英朗
白石　隆
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三菱重工業株式会社
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    • F01D25/18—Lubricating arrangements
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    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers

Definitions

  • the present invention relates to a bearing method and apparatus capable of reducing vibration and noise caused by vibration with a high-speed rotating shaft using a floating bearing, such as a rotating shaft of a turbocharger.
  • the small turbocharger is a high-speed rotation and light-load rotation shaft system, so that vibration is likely to occur and there is a problem of noise caused by the generated vibration. As the rotating shaft rotates at a higher speed, vibration increases and noise is more likely to occur.
  • a bearing device for a rotary shaft of a turbocharger there are a floating bearing and a rolling bearing.
  • the floating bearing is a bearing device in which the bearing bush supporting the rotating shaft is floated, an oil film is formed on the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side of the bearing bush, and the bearing bush is rotated with the rotating shaft. .
  • the vibration of the rotating shaft transmitted to the bearing bush can be attenuated by the damping effect of the oil film. If there is a difference in rotational speed between the rotating shaft and the bearing bush, a shear resistance is generated between the rotating shaft and the bearing bush due to the oil film.
  • the floating bearing by rotating the bearing bush, the relative rotational speed between the rotating shaft and the bearing bush can be reduced, and the shear resistance of the bearing bush with respect to the rotating shaft can be reduced. Therefore, the floating bearing can reduce the power loss of the turbocharger and has a high ability to absorb the whirling vibration of the rotating shaft.
  • the rotational speed of the bearing bush increases, the bearing bush causes self-excited vibration due to the oil film pressure, and noise problems still occur.
  • Patent Documents 1 to 3 disclose the configuration of a turbocharger provided with such a floating bearing.
  • a general configuration of the turbocharger will be described with reference to a configuration example disclosed in Patent Document 3.
  • the exhaust turbine 102 and the compressor 104 are integrally coupled via a turbine shaft 106.
  • the turbine shaft 106 is rotatably supported by an exhaust turbine side floating bearing 110 and a compressor side floating bearing 112 housed in a bearing housing 108 at two locations near the center.
  • the compressor side housing and the exhaust turbine side housing are not shown.
  • a thrust load S which is the difference between the thrust force in the direction of the central axis C applied to the exhaust turbine 102 and the thrust force applied to the compressor 104, is directed toward the right side (exhaust turbine 102 side) in the figure.
  • the thrust bearing 114 is sandwiched between an exhaust turbine side thrust collar 116 and a compressor side thrust collar 118 whose inner periphery is fixed to the turbine shaft 106.
  • the thrust bearing 114 slidably contacts the bearing housing 108 and supports the thrust load S while rotating together with the turbine shaft 106.
  • the turbine shaft 106 rotates about the central axis C.
  • Oil supply passages 120, 122, and 124 are formed in the bearing housing 108, and lubricating oil is supplied to the exhaust turbine side floating bearing 110 and the compressor side floating bearing 112 through these oil supply passages.
  • the exhaust turbine side floating bearing 110 and the compressor side floating bearing 112 are provided with a plurality of oil supply holes 126 and 128 in the radial direction, respectively.
  • Lubricating oil is supplied between the inner circumferential surface and the inner circumferential surface.
  • a ring-shaped retaining ring 130 is fitted and fixed in a ring-shaped groove formed on the inner peripheral surface of the bearing housing 108.
  • the exhaust turbine-side floating bearing 110 is sandwiched between the boss portion 102a of the exhaust turbine 102 and the retaining ring 130, and movement in the turbine axial direction is restricted.
  • a ring-shaped retaining ring 130 is fitted and fixed in a ring-shaped groove formed on the inner peripheral surface of the bearing housing 108.
  • the compressor-side floating bearing 112 is sandwiched between the retaining ring 132 and the compressor-side thrust collar 118, and movement in the turbine axial direction is restricted.
  • the exhaust turbine-side floating bearing 110 and the compressor-side floating bearing 112 receive shearing force from the lubricating oil filled on the inner and outer peripheral sides due to the oil film pressure and are lower than the turbine shaft 106. It rotates with the turbine shaft 106 by rotation.
  • the rotation of these floating bearings facilitates the flow of the lubricating oil and reduces the relative rotational speed with the turbine shaft 106. Since the relative rotational speed can be reduced, the shear resistance of these floating bearings with respect to the turbine shaft 106 can be reduced, the power loss of the turbocharger can be reduced, and the whirling vibration of the rotary shaft can be absorbed.
  • Patent Documents 1 to 3 disclose means for reducing vibrations of the turbocharger and noise generated thereby.
  • the noise reduction means disclosed in Patent Document 1 is a floating bearing disposed on the exhaust turbine side, which is heavier than the compressor, and pays attention to the fact that self-excited vibration of the oil film increases, and the exhaust turbine side floating bearing rotates.
  • a semi-floating bearing structure is provided with a restricting rotation stopper. Thereby, the self-excited vibration of the oil film of the exhaust turbine side floating bearing is suppressed, and the generation of noise is suppressed.
  • By restricting the rotation the amount of oil supply is reduced, so the heat generation amount is increased in the exhaust turbine side floating bearing, but by making the cross-sectional area of the oil supply passage supplying oil to the exhaust turbine side floating bearing larger than the compressor side, The amount of oil supply is secured and the cooling effect is enhanced.
  • the noise reduction means disclosed in Patent Document 2 accommodates the difference between the inner diameters of the housings that accommodate the compressor-side floating bearings and the inner diameters of the housings that accommodate the exhaust turbine-side floating bearings.
  • the outer diameter of the compressor-side floating bearing and the outer diameter of the exhaust turbine-side floating bearing are different from each other. This causes a difference in the natural frequency between the compressor-side floating bearing and the exhaust turbine-side floating bearing, causing them to vibrate differently, and changing the turbocharger vibration mode from the cylindrical vibration mode to the conical vibration mode.
  • the vibration of the rotating shaft is suppressed.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 require major changes in the internal configuration of the turbocharger. Moreover, since the noise reduction means disclosed in Patent Document 1 only uses a conventionally known semi-floating bearing, the noise reduction effect cannot be expected so much. Further, the noise reduction means disclosed in Patent Document 2 also suppresses the vibration of the rotating shaft by changing to the vibration mode of the turbocharger, but the occurrence of the vibration itself cannot be eliminated, and the noise reduction effect is not much. I can't expect it.
  • an object of the present invention is to provide a bearing method and apparatus for a high-speed rotating shaft that can reduce vibration of the high-speed rotating shaft using a floating bearing and noise caused by the vibration. More specifically, an object of the present invention is to provide a bearing method and apparatus for a high-speed rotary shaft that can improve the effect of reducing the vibration caused by the vibration of the turbocharger and the noise caused by the vibration with simple and low-cost means.
  • a bearing method for a rotating shaft is a bearing method in which an oil film is formed between the rotating shaft and the rotating shaft is supported by a floating bearing that rotates with the rotating shaft.
  • a floating bearing arranged so as to be opposed to the side surface of the movement restricting member that generates an acting force in the axial direction (thrust direction) of the rotating shaft and restricts the movement of the floating bearing in the rotating shaft direction.
  • the pressing step includes pressing the side surface, and the vibration suppressing step of reducing the rotation speed of the floating bearing by the frictional force generated between the regulating member and the side surface of the floating bearing, thereby suppressing the vibration of the floating bearing.
  • the method of the present invention Since the self-excited vibration of the floating bearing is likely to occur when the rotational speed of the floating bearing is large, the method of the present invention generates an acting force in the axial direction of the rotating shaft with respect to the floating bearing, and the floating bearing and the movement regulating member The side surfaces are slid in contact with each other and rubbed with each other. Thereby, the effect of reducing the rotational speed of the floating bearing can be enhanced, and the self-excited vibration of the floating bearing can be suppressed. Therefore, the noise caused by the vibration of the rotating shaft and the vibration of the floating bearing can be greatly reduced. In addition, it can be realized by simple and low-cost means that only generates an acting force in the axial direction of the rotating shaft with respect to the floating bearing.
  • the acting force is perforated in the housing, opens toward the outer peripheral surface of the floating bearing, supplies lubricating oil from an oil supply port that is unevenly distributed near one side surface of the floating bearing, and the outer peripheral surface of the floating bearing. It may be generated by making a difference in the oil pressure of the lubricating oil acting on both side surfaces of the floating bearing.
  • vibration and noise of the turbocharger can be reduced by a simple means that only changes the position of the opening of the oil supply hole formed in the housing.
  • the acting force is generated by the lubricating oil flowing into the oil film pressure generating recess having a wedge effect provided on at least one of the opposite side surfaces on the one side surface where the floating bearing and the movement restricting member are opposed to each other. It is good to do. Thereby, vibration and noise of the turbocharger can be reduced by a simple means by simply providing an oil film pressure generating recess on the opposite side surfaces of the floating bearing and the movement restricting member.
  • the acting force is generated by applying an elastic force to the floating bearing with an elastic force generating function provided in a movement restricting member provided on one side of the floating bearing. Good. Thereby, an acting force directed to the other side of the floating bearing can be generated. With this means, it is not necessary to add a new member or equipment separately, and vibration and noise of the turbocharger can be reduced with simple means.
  • the rotating shaft bearing device of the present invention that can be directly used for carrying out the method of the present invention is a rotating shaft bearing comprising an oil film formed between the rotating shaft and a floating bearing that rotates with the rotating shaft.
  • a movement restricting member that is provided on both sides of the floating bearing in the rotation axis direction and restricts the movement of the floating bearing in the rotation axis direction
  • an acting force generating means that generates an acting force in the axial direction of the rotation shaft with respect to the floating bearing are arranged so that the side surfaces of the movement regulating member and the floating bearing face each other, and the side surface of the floating bearing is pressed against the side surface of the one movement regulating member by the acting force generating means, and the movement regulating member and the floating bearing are The rotational speed of the floating bearing is reduced by the frictional force generated between the two.
  • the acting force generating means generates an acting force in the axial direction of the rotary shaft with respect to the floating bearing, and the side surfaces of the floating bearing and the movement regulating member are brought into sliding contact with each other to be rubbed with each other.
  • the rotational speed of the floating bearing can be effectively reduced, and the self-excited vibration of the floating bearing can be suppressed. Therefore, the noise caused by the vibration of the rotating shaft and the vibration of the floating bearing can be greatly reduced.
  • the acting force generating means is configured such that an oil supply port that is formed in the housing and opens toward the outer peripheral surface of the floating bearing is unevenly distributed near one side surface of the floating bearing, and supplies lubricating oil from the oil supply port.
  • the hydraulic pressure of the lubricating oil acting on both axial ends of the rotary shaft of the floating bearing may be different.
  • the acting force generating means is an oil film pressure generating recess having a wedge effect provided on at least one of the opposing side surfaces on the one side surface where the floating bearing and the movement restricting member are opposed to each other,
  • the acting force may be generated by the lubricating oil flowing into the oil film pressure generating recess.
  • the acting force generating means includes an elastic force applying mechanism in which one movement restricting member applies an elastic force to the floating bearing, and the elastic force is applied to the floating bearing by the movement restricting member. There should be. Thereby, an acting force directed to the other side of the floating bearing can be generated. In this way, vibration and noise of the turbocharger can be reduced with simple means.
  • the movement regulating member and the side surface of the floating bearing that are pressed against each other are made of a wear-resistant material, or a wear-resistant surface layer is formed on the side surface.
  • the action is directed to the floating bearing in the axial direction of the rotating shaft.
  • an oil film is formed between the rotating shaft, and in the rotating shaft bearing device provided with the floating bearing that rotates with the rotating shaft, provided on both sides of the rotating bearing in the rotating shaft direction,
  • a movement restricting member for restricting movement of the floating bearing in the rotational axis direction; and an acting force generating means for generating an acting force directed to the floating bearing in the axial direction of the rotating shaft.
  • FIG. 1 is a front sectional view of a floating bearing according to a first embodiment of the method and apparatus of the present invention. It is sectional drawing of the front view of the floating bearing which concerns on 2nd Embodiment of this invention method and apparatus. It is a front view of the bearing bush which concerns on the said 2nd Embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a cross section and a hydraulic pressure distribution along line AA in FIG. 3. It is explanatory drawing which shows another cross-sectional structure corresponded in FIG. It is front sectional drawing of the floating bearing which concerns on 3rd Embodiment of this invention method and apparatus. It is a perspective view of the spring member which comprises the floating bearing of FIG. It is front sectional drawing which shows the example of a general structure of a turbocharger.
  • FIG. 1 A first embodiment of the apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a floating bearing 16 is disposed between the outer peripheral surface 12 a of the turbine shaft 12 and the inner peripheral surface 14 a of the bearing housing 14.
  • two floating bearings 16 are disposed on the exhaust turbine side and the compressor side.
  • the floating bearing 16 is disposed on the exhaust turbine side.
  • the floating bearing 16 has a short cylindrical cylindrical shape, and its inner peripheral surface 16a faces the outer peripheral surface 12a of the turbine shaft 12 with a gap, and its outer peripheral surface 16a also faces the inner peripheral surface 14a of the bearing housing 14 with a gap. is doing.
  • Both side surfaces 16c and 16d of the floating bearing 16 form flat surfaces parallel to each other.
  • the floating bearing 16 has a plurality of oil supply holes 18 in the circumferential direction that are directed in the radial direction and penetrate the inner peripheral surface 16a and the outer peripheral surface 16b.
  • disk-shaped retaining rings 20 a and 20 b are fitted and fixed in concave grooves formed in the bearing housing 14.
  • the side surface 22a of the retaining ring 20a faces the right side surface 16c of the floating bearing 16 with a gap
  • the side surface 22b of the retaining ring 20b faces the left side surface 22b of the floating bearing 16 with a gap.
  • the bearing housing 14 is provided with an oil supply hole 24 for supplying lubricating oil to the inner gap of the bearing housing 14.
  • the opening 24a of the oil supply hole 24 provided in the bearing housing 14 is disposed in the vicinity of the inside of the retaining ring 20a.
  • the lubricating oil is supplied from the oil supply hole 24, and the lubricating oil is supplied between the inner peripheral surface 14 a of the bearing housing 14 and the outer peripheral surface 16 b of the floating bearing 16. Part of the lubricating oil is supplied between the inner peripheral surface 16 a of the floating bearing 16 and the outer peripheral surface 12 a of the turbine shaft 12 through the oil supply hole 18.
  • the turbine shaft 12 rotates at a high speed in the direction of arrow a about the central axis C. Oil films are formed between the bearing housing 14 and the floating bearing 16 and between the floating bearing 16 and the turbine shaft 12.
  • the shear force of the oil film acts on the floating bearing 16, and the floating bearing 16 rotates in the same direction as the turbine shaft 12 (arrow a direction) at a lower rotational speed than the turbine shaft 12.
  • Lubricating oil supplied from the oil supply hole 24 to the vicinity of the inside of the retaining ring 20a flows into the gap between the retaining ring 20a and the side face 22a and the gap between the side face 22b and the retaining ring 20b. Since the opening 24a is disposed in the vicinity of the retaining ring 20a, a hydraulic pressure higher than that of the latter gap is generated in the former gap. Due to the pressure difference, an acting force F in the direction of an arrow parallel to the central axis C acts on the floating bearing 16. With this acting force F, the floating bearing 16 is pushed toward the retaining ring 20b, and the side face 16d of the floating bearing 16 is pushed against the side face 22b of the retaining ring 20b.
  • the floating bearing 16 is made of a copper alloy having good wear resistance, and the retaining rings 20a and 20b are made of steel. If the side surface 16d and the side surface 22b are further subjected to a surface treatment having better wear resistance, such as DLC (diamond-like carbon) coating, the wear on the side surfaces is suppressed, and the life of the floating bearing 16 and the retaining ring 20b is extended. it can.
  • a surface treatment having better wear resistance such as DLC (diamond-like carbon) coating
  • the self-excited vibration of the floating bearing 16 can be suppressed by reducing the rotational speed of the floating bearing 16.
  • the vibration of the turbocharger 10A and the noise caused by the vibration can be greatly reduced.
  • this can be achieved by a simple and low-cost means by simply changing the arrangement of the oil supply holes 24, and it is not necessary to install new members or devices.
  • the opening 30 a of the oil supply hole 30 provided in the bearing housing 14 is arranged at a position facing the opening of the oil supply hole 18 of the floating bearing 16. That is, the opening 24 a of the oil supply hole 24 is located at the center of the floating bearing 16. This arrangement is the same as a conventional turbocharger.
  • a plurality of (five) concave grooves 32 are formed in the side surface 22 a of the floating bearing 16 in the circumferential direction.
  • a land portion 34 having the same height as that of the side surface 22 a other than the groove 32 is formed between the grooves 32.
  • the cross-sectional shape of the concave groove 32 forms a tapered surface 32a whose bottom surface becomes shallower toward the upstream side in the rotational direction (arrow a direction) of the floating bearing 16.
  • the side surface 22b is a conventional flat surface.
  • Other configurations of the present embodiment are the same as those of the first embodiment, and the same reference numerals are given to the same configurations.
  • the lubricating oil r flowing into the concave groove 32 is directed in the direction of the arrow indicated by the broken line, flows through the tapered surface 32a, and the land portion 34.
  • the lubricating oil r generates fluid dynamic pressure by the wedge action, and increases the oil film pressure P. Therefore, the oil film pressure becomes larger than that on the side surface 22b side, and a difference in hydraulic pressure occurs between the side surface 22b side. Due to the pressure difference, an acting force F in the direction of an arrow parallel to the central axis C acts on the floating bearing 16. With this acting force F, the floating bearing 16 is pushed toward the retaining ring 20b, and the side face 16d of the floating bearing 16 is pushed against the side face 22b of the retaining ring 20b.
  • the vibration and noise of the turbocharger 10B can be reduced by simple and low-cost means in which the concave groove 32 is provided only on one side surface 22a of the floating bearing 16.
  • FIG. 5 shows another configuration example of the concave groove provided on the side surface 22a of the floating bearing 16.
  • the bottom surface of the concave groove 36 forms a step surface 36a.
  • one retaining ring 20a is constituted by a ring-shaped spring member 40 shown in FIG.
  • the spring member 40 has a square cross section, and is formed such that the end faces 40a and 40b are in contact with each other with a step, thereby having an elastic force.
  • the spring member 40 is disposed in the vicinity of the side surface 22 a of the floating bearing 16 so that the elastic force of the spring member 40 can be applied to the floating bearing 16.
  • Other configurations are the same as those of the second embodiment.
  • a pressure difference is generated between both side surfaces 22 a and 22 b of the floating bearing 16 by the elastic force of the spring member 40. Due to this pressure difference, the side surface 22b of the floating bearing 16 is pressed against the side surface 22b of the retaining ring 20b. Thereby, a frictional force acts between the side surface 16d and the side surface 22b, the rotational speed of the floating bearing 16 is reduced, and the vibration and noise of the turbocharger 10C can be reduced. Further, the vibration and noise of the turbocharger 10C can be reduced by simple and low-cost means in which the retaining ring 20a is configured by the spring member 40.
  • the noise reduction means used in the first to third embodiments can be used in appropriate combination. Thereby, the vibration and noise reduction effect can be further enhanced.
  • vibration and noise of the turbocharger can be reduced by a simple and low-cost means.

Abstract

軸受ハウジング１４の内側で、タービン軸１２の周囲に円筒形状のフローティング軸受１６が配設され、フローティング軸受１６を挟んで２個の止め輪２０ａ、２０ｂが軸受ハウジング１４の内周面に刻設された凹溝に嵌入固定されている。軸受ハウジング１４の内周面１４ａに開口する給油孔２４が止め輪２０ａ寄りに配置されている。給油孔２４から供給される潤滑油は、フローティング軸受１６の側面２２ｂより側面２２ａにより大きな油圧を作用させ、中心軸線Ｃ方向の作用力Ｆが発生する。作用力Ｆによってフローティング軸受１６の側面１６ｄが止め輪２０ｂの側面２２ｂに押圧され、両側面間に発生する摩擦力でフローティング軸受１６の回転速度が低減し、自励振動が抑制される。

Description

回転軸の軸受方法及び装置
　本発明は、フローティング軸受を用いた高速回転軸、例えば、ターボチャージャの回転軸等で、振動及び振動に起因した騒音を低減可能な軸受方法及び装置に関する。
　高速回転軸を備えた装置のうち、小型のターボチャージャは、高速回転、軽荷重の回転軸系であるため、振動が発生しやすく、発生した振動によって生じる騒音の問題がある。回転軸が高速回転するほど、振動が大きくなり、騒音が発生しやすい。ターボチャージャの回転軸の軸受装置として、フローティング軸受と転がり軸受とがある。このうち、フローティング軸受は、回転軸を支承する軸受ブッシュを浮動させ、軸受ブッシュの内周面側及び外周面側に油膜を形成し、軸受ブッシュが回転軸と連れ回りする方式の軸受装置である。
　回転軸と軸受ブッシュとの間に油膜があると、油膜のダンピング効果により軸受ブッシュに伝わる回転軸の振動を減衰できる。回転軸と軸受ブッシュ間に回転速度に差があると、油膜により回転軸及び軸受ブッシュ間に剪断抵抗が生じる。フローティング軸受では、軸受ブッシュを連れ回りさせることにより、回転軸と軸受ブッシュとの相対回転速度を低減でき、回転軸に対する軸受ブッシュの剪断抵抗を低減できる。そのため、フローティング軸受は、ターボチャージャの動力損失を低減できると共に、回転軸の振れ回り振動を吸収する能力が高い。しかし、軸受ブッシュの回転速度が大きくなると、軸受ブッシュが油膜圧により自励振動を起し、依然として騒音問題が起こる。
　特許文献１～３には、かかるフローティング軸受を備えたターボチャージャの構成が開示されている。以下、ターボチャージャの一般的な構成を、特許文献３に開示された構成例を参照して説明する。図８において、排気タービン１０２とコンプレッサ１０４とはタービン軸１０６を介して一体に結合されている。タービン軸１０６は、中央寄りの２箇所を軸受ハウジング１０８内に収容された排気タービン側フローティング軸受１１０及びコンプレッサ側フローティング軸受１１２で回転自在に支承されている。なお、コンプレッサ側ハウジング及び排気タービン側ハウジングは、図示を省略されている。
　ターボチャージャ１００においては、排気タービン１０２に加わる中心軸線Ｃ方向のスラスト力と、コンプレッサ１０４に加わるスラスト力との差であるスラスト荷重Ｓが、図の右方（排気タービン１０２側）に向けてタービン軸１２に加わる。スラスト軸受１１４は、内周をタービン軸１０６に固定された排気タービン側スラストカラー１１６及びコンプレッサ側スラストカラー１１８とで挟持されている。スラスト軸受１１４は、タービン軸１０６と共に回転しながら、軸受ハウジング１０８に摺接してスラスト荷重Ｓを支承している。タービン軸１０６は、中心軸線Ｃを中心にして回転する。
　軸受ハウジング１０８に給油通路１２０、１２２及び１２４が穿設されており、これら給油通路を介して排気タービン側フローティング軸受１１０及びコンプレッサ側フローティング軸受１１２に潤滑油が供給される。また、排気タービン側フローティング軸受１１０及びコンプレッサ側フローティング軸受１１２には、夫々半径方向に向けて複数の給油孔１２６及び１２８が穿設されている。これによって、排気タービン側フローティング軸受１１０又はコンプレッサ側フローティング軸受１１２の内周面とタービン軸１０６の外周面との間、及び排気タービン側フローティング軸受１１０又はコンプレッサ側フローティング軸受１１２の外周面と軸受ハウジング１０８の内周面との間に、潤滑油が供給される。
　排気タービン側で、軸受ハウジング１０８の内周面に刻設されたリング状の溝に、リング状の止め輪１３０が嵌入固定されている。排気タービン側フローティング軸受１１０は、排気タービン１０２のボス部１０２ａと、止め輪１３０とに挟まれて、タービン軸方向の移動が規制される。同様に、コンプレッサ側で、軸受ハウジング１０８の内周面に刻設されたリング状の溝にリング状の止め輪１３０が嵌入固定されている。コンプレッサ側フローティング軸受１１２は、止め輪１３２とコンプレッサ側スラストカラー１１８とに挟まれて、タービン軸方向の移動が規制される。
　かかる構成において、タービン軸１０６が回転すると、油膜圧により排気タービン側フローティング軸受１１０及びコンプレッサ側フローティング軸受１１２が、これらの内外周側に満たされた潤滑油から剪断力を受け、タービン軸１０６より低回転でタービン軸１０６と共に連れ回りする。これらフローティング軸受の回転により、潤滑油の流れが促進されると共に、タービン軸１０６との相対回転速度を低減できる。相対回転速度を低減できるので、タービン軸１０６に対するこれらフローティング軸受の剪断抵抗を低減でき、ターボチャージャの動力損失を低減できると共に、回転軸の振れ回り振動を吸収できる。
　フローティング軸受は、図８に示すように、通常、排気タービン側とコンプレッサ側とに夫々設けられる。特許文献１～３のうち、特許文献１及び２は、ターボチャージャの振動を低減し、これによって発生する騒音を低減する手段を開示している。
　特許文献１に開示された騒音低減手段は、コンプレッサより重量が大きい排気タービン側に配設されたフローティング軸受で、油膜の自励振動が大きくなることに着目し、排気タービン側フローティング軸受で回転を規制する回転止め部材を設けたセミ・フローティング軸受構造とする。これによって、排気タービン側フローティング軸受の油膜の自励振動を抑制し、騒音の発生を抑制する。回転が規制されることによって、給油量が低減するため、排気タービン側フローティング軸受では発熱量が大きくなるが、排気タービン側フローティング軸受に給油する給油通路の断面積をコンプレッサ側より大きくすることによって、給油量を確保し、冷却効果を高めるようにしている。
　特許文献２に開示された騒音低減手段は、コンプレッサ側フローティング軸受を収容する部分のハウジングの内径と、排気タービン側フローティング軸受を収容する部分のハウジングの内径とを異ならせ、これら内径の差に対応するように、コンプレッサ側フローティング軸受の外径と、排気タービン側フローティング軸受の外径とを異なる外径とする。これによって、コンプレッサ側フローティング軸受と排気タービン側フローティング軸受との固有振動数に差異を生じさせ、両者を異なる挙動で振動させ、ターボチャージャの振動モードを円筒振動モードから円錐振動モードに変えるようにすることで、回転軸の振動を抑制するようにしている。
特開２００７－２８５２５２号公報 特開２００８－２９１８１０号公報 特開２００９－１９７７７２号公報
　特許文献１及び特許文献２に開示された騒音低減手段は、いずれもターボチャージャの内部構成の大掛かりな変更を必要とする。また、特許文献１に開示された騒音低減手段は、従来公知のセミ・フローティング軸受を採用したに留まるので、騒音低減効果をそれほど期待できない。また、特許文献２に開示された騒音低減手段でもターボチャージャの振動モードに変えることで、回転軸の振動を抑制しているが、振動そのものの発生をなくすことができず、騒音低減効果をそれほど期待できない。
　本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、フローティング軸受を用いた高速回転軸の振動及び該振動に起因した騒音を低減することの出来る高速回転軸の軸受方法及び装置を提供する事を目的とし、より具体的には簡易かつ低コストな手段で、ターボチャージャの振動及び振動に起因した騒音の低減効果を向上させることのできる高速回転軸の軸受方法及び装置を提供することを目的とする。
　かかる目的を達成するため、本発明の回転軸の軸受方法は、回転軸との間に油膜が形成され、該回転軸と連れ回りするフローティング軸受によって回転軸を支持する軸受方法において、フローティング軸受に対して回転軸の軸方向（スラスト方向）に向う作用力を発生させ、フローティング軸受の回転軸方向移動を規制する移動規制部材の側面に対し、該側面に相対するように配置されたフローティング軸受の側面を押し付ける押付工程と、該規制部材及びフローティング軸受の側面間に発生する摩擦力によってフローティング軸受の回転速度を低減させ、フローティング軸受の振動を抑制させる振動抑制工程と、からなるものである。
　フローティング軸受の回転速度が大きいと、フローティング軸受の自励振動が発生しやすいため、本発明方法では、フローティング軸受に対して回転軸の軸方向に向う作用力を発生させ、フローティング軸受及び移動規制部材の側面同士を摺接させ、側面同士で摩擦させる。これによって、フローティング軸受の回転速度の低減効果を高め、フローティング軸受の自励振動を抑制できる。そのため、回転軸の振動及びフローティング軸受の振動に起因した騒音を大幅に低減できる。しかも、フローティング軸受に対して回転軸の軸方向に向う作用力を発生させるだけの簡易かつ低コストな手段で実現できる。
　本発明方法において、前記作用力は、ハウジングに穿設されフローティング軸受の外周面に向かって開口し、フローティング軸受の一方の側面寄りに偏在した給油口から潤滑油を供給し、フローティング軸受の外周面にフローティング軸受の両側面に作用する潤滑油の油圧に差をもたせることによって発生されるものであるとよい。これによって、ハウジングに穿設される給油孔の開口の位置を変えるだけの簡単な手段で、ターボチャージャの振動及び騒音を低減できる。
　本発明方法において、前記作用力は、フローティング軸受と移動規制部材とが相対する一方の側面において、相対する側面の少なくとも一方に設けられくさび効果をもつ油膜圧発生用凹部に流入した潤滑油によって発生するものであるとよい。これによって、フローティング軸受と移動規制部材との相対する側面に、油膜圧発生用凹部を設けるだけの簡単な手段で、ターボチャージャの振動及び騒音を低減できる。
　本発明方法において、前記作用力は、フローティング軸受の一側方に設けられた移動規制部材に具備された弾性力発生機能で、フローティング軸受に弾性力を付加させることによって発生されるものであるとよい。これによって、フローティング軸受の他の側方に向う作用力を発生できる。この手段では、別途新たな部材又は機器類を付加する必要がなく、簡易な手段で、ターボチャージャの振動及び騒音を低減できる。
　また、前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の回転軸の軸受装置は、回転軸との間に油膜が形成され、該回転軸と連れ回りするフローティング軸受を備えた回転軸の軸受装置において、フローティング軸受の回転軸方向両側に設けられ、フローティング軸受の回転軸方向移動を規制する移動規制部材と、フローティング軸受に対して回転軸の軸方向に向う作用力を発生させる作用力発生手段と、を備え、移動規制部材及びフローティング軸受の側面同士が相対するように配置され、作用力発生手段によって一方の移動規制部材の側面にフローティング軸受の側面を押し付け、該移動規制部材とフローティング軸受との間に発生する摩擦力によってフローティング軸受の回転速度を低減するように構成したものである。
　本発明装置では、前記作用力発生手段によって、フローティング軸受に対して回転軸の軸方向に向う作用力を発生させ、フローティング軸受及び移動規制部材の側面同士を摺接させ、側面同士で摩擦させる。これによって、効果的にフローティング軸受の回転速度を低減させ、フローティング軸受の自励振動を抑制できる。そのため、回転軸の振動及びフローティング軸受の振動に起因した騒音を大幅に低減できる。しかも、別途新たな部材又は機器類を付設する必要がなく、簡易かつ低コストで実現できる。
　本発明装置において、前記作用力発生手段が、ハウジングに穿設されフローティング軸受の外周面に向かって開口する給油口をフローティング軸受の一方の側面寄りに偏在させ、該給油口から潤滑油を供給し、フローティング軸受の回転軸の軸方向両端に作用する潤滑油の油圧に差をもたせるようにしたものであるとよい。これによって、前記給油口の位置を変えるだけの簡単な手段で、ターボチャージャの振動及び騒音を低減できる。
　本発明装置において、前記作用力発生手段が、フローティング軸受と移動規制部材とが相対する一方の側面において、相対する側面の少なくとも一方に設けられくさび効果をもつ油膜圧発生用凹部であって、該油膜圧発生用凹部に流入した潤滑油によって前記作用力が発生するものであるとよい。これによって、これによって、フローティング軸受と移動規制部材との相対する側面に、油膜圧発生用凹部を設けるだけの簡単な手段で、ターボチャージャの振動及び騒音を低減できる。
　本発明装置において、前記作用力発生手段が、一方の移動規制部材がフローティング軸受に対して弾性力を付与する弾性力付与機構を備え、該移動規制部材でフローティング軸受に弾性力を付加させるものであるとよい。これによって、フローティング軸受の他の側方に向う作用力を発生できる。このように、簡易な手段で、ターボチャージャの振動及び騒音を低減できる。
　本発明装置において、互いに押し付け合う移動規制部材及びフローティング軸受の側面を形成する部位を耐摩耗性材で構成するか、又は該側面に耐摩耗性の表面層を形成するとよい。これによって、移動規制部材及びフローティング軸受の互いに摺接し合う側面の摩耗を低減し、フローティング軸受を長寿命化できる。
　本発明方法によれば、回転軸との間に油膜が形成され、該回転軸と連れ回りするフローティング軸受によって回転軸を支持する軸受方法において、フローティング軸受に対して回転軸の軸方向に向う作用力を発生させ、フローティング軸受の回転軸方向移動を規制する移動規制部材の側面に対し、該側面に相対するように配置されたフローティング軸受の側面を押し付ける押付工程と、該規制部材及びフローティング軸受の側面間に発生する摩擦力によってフローティング軸受の回転速度を低減させ、フローティング軸受の振動を抑制させる振動抑制工程と、からなるので、フローティング軸受の回転速度の低減効果を高め、フローティング軸受の自励振動を抑制できる。そのため、回転軸の振動及びフローティング軸受の振動に起因した騒音を大幅に低減でき、しかも、簡易かつ低コストな手段で実現できる。
　また、本発明装置によれば、回転軸との間に油膜が形成され、該回転軸と連れ回りするフローティング軸受を備えた回転軸の軸受装置において、フローティング軸受の回転軸方向両側に設けられ、フローティング軸受の回転軸方向移動を規制する移動規制部材と、フローティング軸受に対して回転軸の軸方向に向う作用力を発生させる作用力発生手段と、を備え、移動規制部材及びフローティング軸受の側面同士が相対するように配置され、作用力発生手段によって一方の移動規制部材の側面にフローティング軸受の側面を押し付け、該移動規制部材とフローティング軸受との間に発生する摩擦力によってフローティング軸受の回転速度を低減するように構成したので、前記本発明方法の同様の作用効果を得ることができる。
本発明方法及び装置の第１実施形態に係るフローティング軸受の正面視断面図である。 本発明方法及び装置の第２実施形態に係るフローティング軸受の正面視断面図である。 前記第２実施形態に係る軸受ブッシュの正面図である。 図３中のＡ－Ａ線に沿う断面及び油圧分布を示す説明図である。 図４に相当する別な断面構成を示す説明図である。 本発明方法及び装置の第３実施形態に係るフローティング軸受の正面視断面図である。 図６のフローティング軸受を構成するバネ部材の斜視図である。 ターボチャージャの一般的な構成例を示す正面視断面図である。
　以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
（実施形態１）
　本発明の装置の第１実施形態を図１に基づいて説明する。図１に示すターボチャージャ１０Ａにおいて、タービン軸１２の外周面１２ａと軸受ハウジング１４の内周面１４ａとの間に、フローティング軸受１６が配置されている。フローティング軸受１６は、図８に示すように、排気タービン側及びコンプレッサ側に２個配設されるが、本実施形態では、排気タービン側に配設されたものとする。フローティング軸受１６は、短軸円筒円筒形状をなし、その内周面１６ａが隙間をもってタービン軸１２の外周面１２ａに対面し、その外周面１６ａが同じく隙間をもって軸受ハウジング１４の内周面１４ａに対面している。フローティング軸受１６の両側面１６ｃ及び１６ｄは、互いに平行な平坦面をなす。
　フローティング軸受１６には、半径方向に向けられ、内周面１６ａ及び外周面１６ｂに貫通する給油孔１８が周方向に複数穿設されている。フローティング軸受１６の両側には、円盤形状の止め輪２０ａ及び２０ｂが軸受ハウジング１４に刻設された凹溝に嵌入固定されている。止め輪２０ａの側面２２ａは、隙間をあけてフローティング軸受１６の右側面１６ｃに対面し、止め輪２０ｂの側面２２ｂは、フローティング軸受１６の左側面２２ｂに隙間をあけて対面している。軸受ハウジング１４には、潤滑油を軸受ハウジング１４の内側隙間に供給する給油孔２４が穿設されている。軸受ハウジング１４に設けられた給油孔２４の開口２４ａは、止め輪２０ａの内側近傍に配置されている。
　かかる構成において、給油孔２４から潤滑油が供給され、潤滑油が軸受ハウジング１４の内周面１４ａとフローティング軸受１６の外周面１６ｂとの間に供給される。潤滑油の一部は、給油孔１８を通ってフローティング軸受１６の内周面１６ａとタービン軸１２の外周面１２ａとの間に供給される。この状態でタービン軸１２が中心軸線Ｃを中心として矢印ａ方向に高速回転する。軸受ハウジング１４とフローティング軸受１６との間、及びフローティング軸受１６とタービン軸１２との間には油膜が形成されている。タービン軸１２が回転すると、油膜の剪断力がフローティング軸受１６に作用し、フローティング軸受１６がタービン軸１２より遅い回転速度でタービン軸１２と同方向（矢印ａ方向）に連れ回りする。
　給油孔２４から止め輪２０ａの内側近傍に供給された潤滑油は、止め輪２０ａと側面２２ａ間の隙間、及び側面２２ｂと止め輪２０ｂ間の隙間に流れ込む。開口２４ａが止め輪２０ａの近傍に配置されているので、前者の隙間で後者の隙間より高い油圧を発生する。その圧力差により、フローティング軸受１６に、中心軸線Ｃと平行な矢印方向の作用力Ｆが働く。この作用力Ｆによってフローティング軸受１６は止め輪２０ｂ側に押され、フローティング軸受１６の側面１６ｄが止め輪２０ｂの側面２２ｂに押圧する。
　これによって、側面１６ｄ及び側面２２ｂ間に摩擦力が働き、フローティング軸受１６の回転速度が低減する。なお、通常、フローティング軸受１６は耐摩耗性が良い銅合金製であり、止め輪２０ａ、２０ｂは鋼製である。側面１６ｄ及び側面２２ｂにさらに耐摩耗性が良い表面処理、例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティング処理等を施せば、これら側面の摩耗を抑え、フローティング軸受１６及び止め輪２０ｂの長寿命化を達成できる。
　このように、フローティング軸受１６の回転速度を低減することで、フローティング軸受１６の自励振動を抑制できる。これによって、ターボチャージャ１０Ａの振動及び振動に起因した騒音を大幅に低減できる。また、既設のターボチャージャ１０Ａと比べて、給油孔２４の配置を変えるだけの簡易な低コストな手段でこれを達成でき、新たな部材や機器類の設置を要しない。
（実施形態２）
　次に、本発明装置の第２実施形態を図２～図５により説明する。図２に示すターボチャージャ１０Ｂは、軸受ハウジング１４に設けられた給油孔３０の開口３０ａを、フローティング軸受１６の給油孔１８の開口に対面した位置に配置している。即ち、給油孔２４の開口２４ａをフローティング軸受１６の中央に位置させている。この配置は従来のターボチャージャと同一である。
　また、本実施形態では、図３及び図４に示すように、フローティング軸受１６の側面２２ａに、周方向に複数（５個）の凹溝３２を刻設している。各凹溝３２間には、凹溝３２以外の側面２２ａと同一高さをなすランド部３４が形成されている。凹溝３２の断面形状は、フローティング軸受１６の回転方向（矢印ａ方向）上流側に向かって、底面が浅くなるテーパ面３２ａを形成している。一方、側面２２ｂは、従来のままの平坦面となっている。本実施形態のその他の構成は、前記第１実施形態と同一であり、同一の構成には同一の符号を付している。
　本実施形態では、フローティング軸受１６の側面２２ａに凹溝３２を形成しているため、凹溝３２に流入した潤滑油ｒは、破線で示す矢印方向に向い、テーパ面３２ａを流れてランド部３４に至る。その間に潤滑油ｒはくさび作用で流体動圧を発生して、油膜圧Ｐを高める。そのため、側面２２ｂ側と比べて油膜圧が大きくなり、側面２２ｂ側との間で油圧の差が生じる。その圧力差により、フローティング軸受１６に、中心軸線Ｃと平行な矢印方向の作用力Ｆが働く。この作用力Ｆによってフローティング軸受１６は止め輪２０ｂ側に押され、フローティング軸受１６の側面１６ｄが止め輪２０ｂの側面２２ｂに押圧する。
　これによって、側面１６ｄ及び側面２２ｂ間に摩擦力が働き、フローティング軸受１６の回転速度が低減し、ターボチャージャ１０Ｂの振動及び騒音を低減できる。
　本実施形態によれば、フローティング軸受１６の一方の側面２２ａのみに凹溝３２を設けただけの簡単かつ低コストな手段で、ターボチャージャ１０Ｂの振動及び騒音を低減できる。
　図５は、フローティング軸受１６の側面２２ａに設けられた凹溝の別な構成例を示す。この凹溝３６は、底面が段差面３６ａを形成している。フローティング軸受１６が矢印ａ方向に回転すると、潤滑油ｒは段差の深いほうから浅いほうへ流れ、絞り膜効果で流体動圧を発生して、油膜圧Ｐを高める。そのため、側面２２ｂ側との間で油圧の差が発生し、その圧力差により、フローティング軸受１６に、中心軸線Ｃと平行な矢印方向の力Ｆが働く。
（実施形態３）
　次に、本発明方法及び装置の第３実施形態を図６及び図７により説明する。本実施形態のターボチャージャ１０Ｃは、一方の止め輪２０ａを図７に示すリング形状のバネ部材４０で構成されている。バネ部材４０は、四角断面を有し、端面４０ａ及び４０ｂが段差をもって対接するように形成され、これによって、弾性力をもつことができる。そして、バネ部材４０の弾性力をフローティング軸受１６に付加できるように、バネ部材４０がフローティング軸受１６の側面２２ａの近傍に配置されている。その他の構成は第２実施形態と同一である。
　本実施形態によれば、バネ部材４０の弾性力でフローティング軸受１６の両側面２２ａ、２２ｂ間に圧力差が発生する。この圧力差によってフローティング軸受１６の側面２２ｂが止め輪２０ｂの側面２２ｂに押圧される。これによって、側面１６ｄ及び側面２２ｂ間に摩擦力が働き、フローティング軸受１６の回転速度が低減し、ターボチャージャ１０Ｃの振動及び騒音を低減できる。
　また、止め輪２０ａをバネ部材４０で構成しただけの簡単かつ低コストな手段で、ターボチャージャ１０Ｃの振動及び騒音を低減できる。
　なお、前記第１～第３実施形態で用いた各騒音低減手段は、適宜組み合わせて用いることができる。これによって、振動及び騒音の低減効果を一層高めることができる。
　本発明によれば、簡易かつ低コストな手段で、ターボチャージャの振動及び騒音を低減できる。

Claims (9)

  1. 　回転軸との間に油膜が形成され、該回転軸と連れ回りするフローティング軸受によって回転軸を支持する軸受方法において、
    　フローティング軸受に対して回転軸の軸方向に向う作用力を発生させ、フローティング軸受の回転軸方向移動を規制する移動規制部材の側面に対し、該側面に相対するように配置されたフローティング軸受の側面を押し付ける押付工程と、
    　該移動規制部材及びフローティング軸受の側面間に発生する摩擦力によってフローティング軸受の回転速度を低減させ、フローティング軸受の振動を抑制させる振動抑制工程と、からなることを特徴とする回転軸の軸受方法。
  2. 　前記作用力は、ハウジングに穿設されフローティング軸受の外周面に向かって開口し、フローティング軸受の一方の側面寄りに偏在した給油口から潤滑油を供給し、フローティング軸受の外周面にフローティング軸受の両側面に作用する潤滑油の油圧に差をもたせることによって発生されるものであることを特徴とする請求項１に記載の回転軸の軸受方法。
  3. 　前記作用力は、フローティング軸受と移動規制部材とが相対する一方の側面において、相対する側面の少なくとも一方に設けられくさび効果をもつ油膜圧発生用凹部に流入した潤滑油によって発生するものであることを特徴とする請求項１に記載の回転軸の軸受方法。
  4. 　前記作用力は、フローティング軸受の一側方に設けられた移動規制部材に具備された弾性力発生機能で、フローティング軸受に弾性力を付加させることによって発生されるものであることを特徴とする請求項１に記載の回転軸の軸受方法。
  5. 　回転軸との間に油膜が形成され、該回転軸と連れ回りするフローティング軸受を備えた回転軸の軸受装置において、
    　フローティング軸受の回転軸方向両側に設けられ、フローティング軸受の回転軸方向移動を規制する移動規制部材と、
    　フローティング軸受に対して回転軸の軸方向に向う作用力を発生させる作用力発生手段と、を備え、
    　前記移動規制部材及びフローティング軸受の側面同士が相対するように配置され、前記作用力発生手段によって一方の移動規制部材の側面にフローティング軸受の側面を押し付け、該移動規制部材とフローティング軸受との間に発生する摩擦力によってフローティング軸受の回転速度を低減するように構成したことを特徴とする回転軸の軸受装置。
  6. 　前記作用力発生手段が、ハウジングに穿設されフローティング軸受の外周面に向かって開口する給油口をフローティング軸受の一方の側面寄りに偏在させ、該給油口から潤滑油を供給し、フローティング軸受の回転軸の軸方向両端に作用する潤滑油の油圧に差をもたせるようにしたものであることを特徴とする請求項５に記載の回転軸の軸受装置。
  7. 　前記作用力発生手段が、フローティング軸受と移動規制部材とが相対する一方の側面において、相対する側面の少なくとも一方に設けられくさび効果をもつ油膜圧発生用凹部であって、該油膜圧発生用凹部に流入した潤滑油によって前記作用力が発生するものであることを特徴とする請求項５に記載の回転軸の軸受装置。
  8. 　前記作用力発生手段が、一方の移動規制部材がフローティング軸受に対して弾性力を付与する弾性力付与機構を備え、該移動規制部材でフローティング軸受に弾性力を付加させるものであることを特徴とする請求項５に記載の回転軸の軸受装置。
  9. 　互いに押し付け合う移動規制部材及びフローティング軸受の側面を形成する部位を耐摩耗性材で構成するか、又は該側面に耐摩耗性の表面層を形成したことを特徴とする請求項５～８のいずれかの項に記載の回転軸の軸受装置。
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