WO2013099600A1 - 過給機のスラスト軸受装置 - Google Patents

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lubricating oil
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林　慎之
鈴木　浩
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三菱重工業株式会社
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    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers

Definitions

  • the present invention relates to a thrust bearing device of a supercharger configured to suppress outflow of lubricating oil supplied to a thrust bearing to the outer peripheral side by centrifugal force generated by rotation of a rotating shaft.
  • a thrust bearing is provided for the purpose of stopping the movement of the rotary shaft in the thrust direction.
  • a thrust bearing a bearing having a simple structure such as a tapered land thrust bearing is often used.
  • centrifugal force acts on the lubricating oil radially outward of the rotating shaft. Therefore, the outflow of the lubricating oil to the outer peripheral side increases.
  • a thrust collar which is disposed to face the thrust bearing and applies a thrust force to the thrust bearing, is fixed to the rotational shaft of the turbocharger. Since it is usually difficult to manufacture the thrust collar parallel to the thrust bearing without error, the gap may be enlarged in the outer peripheral region of the facing surface of the thrust bearing and the thrust collar. When the rotational speed of the rotating shaft is high and a large centrifugal force is acting on the lubricating oil, if there is an enlarged gap on the outer peripheral side of the opposing surface, a large amount of lubricating oil flows out from this gap, and the load capacity of the thrust bearing May decrease extremely.
  • Patent Document 1 discloses a thrust bearing device for an exhaust turbocharger.
  • the thrust bearing device includes a turbine wheel and a compressor wheel fixed to the rotary shaft, a turbine side thrust collar and a compressor side thrust collar fixed to the rotary shaft, and the two thrust collars fixed to the bearing housing. And a thrust bearing which is in sliding contact from both sides and receives a thrust load applied to the rotation shaft.
  • Patent Document 2 discloses a tapered land thrust bearing provided in a fluid machine such as a water wheel or a pump.
  • Patent Document 2 proposes a thrust bearing which promotes the formation of a lubricating oil film and increases the load bearing capability of the thrust bearing.
  • the tapered land thrust bearing is configured of an inclined surface in which the deepest portion is connected to the groove and a horizontal surface connected to the upward end of the inclined surface.
  • the boundary between the inclined surface and the horizontal surface is inclined with respect to the radial direction. That is, the outflow direction of the lubricating oil is the direction of the resultant of the rotational speed vector of the thrust collar rotating with the rotation shaft and the speed vector of the centrifugal force generated in the lubricating oil by the rotation.
  • the boundary line is inclined such that the radially outer region is opposite to the rotational direction so as to suppress the outflow of the lubricating oil.
  • FIGS. 8 to 10 show a supercharger thrust bearing device as an intermediate technology (unknown) considered by the present inventors before reaching the present invention.
  • a turbine side thrust collar 106 is extended in a direction orthogonal to the axial direction (radial direction) and engaged with a step 104 formed on a rotating shaft 102.
  • the compressor side thrust collar 108 is fixed to the rotary shaft 102 by a pressing member 110 which is fitted to the rotary shaft 102 so as to face the turbine side thrust collar 106.
  • a thrust bearing 112 having a diameter larger than that of the thrust collars 106 and 108 and extending in the direction orthogonal to the axial plane (radial direction) is interposed.
  • the two thrust collars 106 and 108 rotate in the direction of the arrow a together with the rotary shaft 102, and the thrust bearing 112 is fixed to a bearing housing (not shown).
  • the thrust force applied to the rotating shaft 102 is received by the thrust bearing 112 via the two thrust collars 106 and 108, thereby stopping the movement of the rotating shaft 102 in the thrust direction.
  • the thrust bearing 112 is provided with an oil passage 112a for supplying lubricating oil r to the sliding contact surface with the two thrust collars 106 and 108.
  • the thrust bearing 112 is connected to a tapered surface 114, which is an inclined plane that forms an upward slope toward the downstream side in the rotational direction a of the rotating shaft 102, and an upward slope end of the tapered surface 114.
  • a land surface 116 which forms the same plane as the outer peripheral side flat surface of the thrust bearing 112.
  • the step 118 and the boundary 120 formed between the tapered surface 114 and the land surface 116 are radially directed.
  • the centrifugal force b acts radially outward by the rotation of the rotating shaft 12.
  • the rotating shaft of the turbocharger rotates at a high speed, for example, reaching 200,000 rpm, so that a large centrifugal force acts on the lubricating oil. Therefore, as disclosed in Patent Document 2, even if the boundary between the inclined surface and the horizontal surface is inclined such that the radially outer region is opposite to the rotation direction, the thrust bearing It is difficult to sufficiently suppress the outflow of the lubricating oil.
  • the present invention is a simple and inexpensive means to suppress the outflow of lubricating oil from the thrust bearing by the action of the centrifugal force by the rotation of the turbocharger, and maintain the load bearing ability of the thrust bearing high.
  • the purpose is a simple and inexpensive means to suppress the outflow of lubricating oil from the thrust bearing by the action of the centrifugal force by the rotation of the turbocharger, and maintain the load bearing ability of the thrust bearing high.
  • a thrust bearing device for a turbocharger comprises: a turbine wheel and a compressor wheel fixed to a rotating shaft; A turbine side thrust collar and a compressor side thrust collar fixed to the rotating shaft; A thrust bearing device for a supercharger, comprising: a thrust bearing fixed to a bearing housing, a thrust bearing slidingly contacting the two thrust collars from both sides in the thrust direction, and receiving a thrust load applied to the rotating shaft, An oil passage formed in the two thrust collars or the thrust bearings so as to supply lubricating oil between radial sliding contact surfaces in an axial orthogonal direction formed by the two thrust collars and the thrust bearings; A gap for forming a lubricating oil film between the sliding surfaces in the radial direction which is the direction orthogonal to the axis; The gap in which the lubricating oil film is formed is formed such that the lubricating oil outflow resistance at the radially outer portion is larger than that at the radially inner portion.
  • the above-described configuration is adopted for the sliding contact surface formed by the two thrust collars and the thrust bearing.
  • an inclined surface provided on one of the sliding contact surfaces to form a storage space for lubricating oil and forming an upward slope in the circumferential direction of the rotation axis, and an upward slope end of the inclined surface
  • an oil film pressure forming structure in which a flat surface parallel to the opposite surface is alternately arranged in the circumferential direction of the rotation axis.
  • the lubricating oil supplied from the oil passage to the sliding contact surface enters the inclined surface to form an oil film.
  • the lubricating oil rotates in the direction of rotation of the rotating shaft, enters the upslope of the inclined surface and gradually increases the oil film pressure, and reaches a maximum pressure in a parallel plane continuously connected to the end of the upslope. Therefore, the oil film pressure on the sliding contact surface can be kept high.
  • the upslope of the inclined surface is formed toward the downstream side in the rotation direction. Also, when the oil film pressure forming structure is formed in two thrust collars, the upslope of the inclined surface is made to form an upslope toward the upstream side in the rotational direction.
  • At least one of the sliding contact surfaces is inclined so as to approach radially outward with respect to the opposing surface, and a gap between the sliding surfaces is directed radially outward. It is good to be configured to decrease gradually.
  • the lubricating oil outflow resistance of the radially outer portion of the gap becomes larger than that of the radially inner portion. Therefore, the outflow of the lubricating oil from the gap can be suppressed, and the oil film pressure in the gap can be kept high.
  • the oil spill control structure can be manufactured simply and at low cost.
  • a land portion having parallel opposing surfaces in which the gap between the sliding surfaces closest to each other at the inclined portion is maintained in the entire radial direction is formed outside the inclined portion. Good.
  • a step is formed at a radially outer portion of a sliding contact surface between the thrust bearing and the thrust collar, and a gap formed between the sliding contact surfaces be bent by the step.
  • a bent portion can be formed at the radially outer portion of the lubricating oil film formed between the sliding contact surfaces by this step.
  • a portion of the thrust bearing projecting radially outward from the two thrust collars is formed to be thicker than the inner portion, and a step is formed on the boundary between the projecting portion and the inner portion on both surfaces of the thrust bearing
  • the step may be arranged to cover at least a part of the outer peripheral end faces of the two thrust collars. Due to the step, the lubricating oil outflow resistance at the radially outer portion of the gap becomes larger than that at the radially inner portion. Therefore, the outflow of the lubricating oil flowing in the outer peripheral direction can be suppressed by the centrifugal force, and the oil film pressure between the sliding contact surfaces can be held high. In this configuration, only the thrust bearing needs to be provided with a step, so that simpler and less expensive processing can be achieved.
  • the lubricating oil outflow resistance at the radially outer portion of the gap formed between the sliding contact surfaces formed by the two thrust collars and the thrust bearing is larger than the radially inner portion.
  • the lubricating oil flowing out of the gap toward the outer peripheral direction can be suppressed by the centrifugal force, and the oil film pressure between the sliding contact surfaces can be kept high.
  • the load bearing capacity of the thrust bearing is improved, so that the thrust bearing can be miniaturized accordingly, and the power loss of the turbocharger due to the friction between the thrust collar and the thrust bearing can be reduced.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line B-B in FIG. 8;
  • FIG. 1 is an overall cross-sectional view of an exhaust turbocharger 10 incorporating the thrust bearing device of the present embodiment.
  • illustration of the turbine housing and the compressor housing is omitted.
  • the rotation shaft 12 is disposed along the center axis O, and a turbine wheel 14 having a plurality of turbine blades 16 protruding in the radial direction is fixed to an end of the rotation shaft 12.
  • a screw 18 is provided at the other end of the rotating shaft 12, and the compressor wheel 20 is inserted from the screw 18, and the compressor wheel 20 is fixed to the screw 18 by a nut 24.
  • the compressor wheel 20 has a plurality of compressor blades 22 protruding in the radial direction.
  • the rotating shaft 12 is supported by the bearing housing 28 by means of journal bearings 26 at two points of the central portion between the compressor wheel 20 and the turbine wheel 14. Then, the turbine moving blade 16 is rotated by the exhaust gas flowing in from the turbine housing (not shown), and the turbine wheel 14, the rotating shaft 12 and the compressor wheel 20 are rotated about the central axis O of the turbocharger.
  • the thrust load F which is the difference between the axial force of the turbine wheel 14 and the axial force of the compressor wheel 20, moves to the right of the figure (the direction of the turbine wheel 14).
  • the action direction of the thrust load F may work in the opposite direction to the arrow in FIG. 1 depending on the magnitude of the inlet pressure of the turbine wheel 14 and the outlet pressure of the compressor wheel 20.
  • the turbine side thrust collar 42 and the compressor side thrust collar 44 are fixed to the rotating shaft 12, and the thrust bearing 46 is disposed between these two thrust collars.
  • An outer peripheral side of the thrust bearing 46 is fixed to the bearing housing 28.
  • the thrust load F acting on the rotating shaft 12 is received by the thrust bearing 46 via the thrust collar 42 or 44 and stops the movement of the rotating shaft 12 in the thrust direction.
  • the thrust bearing device 40A is composed of these members.
  • the bearing housing 28 is provided with oil passages 30, 32 and 34 for supplying lubricating oil to the journal bearings 26 and 26 and the thrust bearing device 40A.
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of the thrust bearing device 40A.
  • the thrust bearing 46 has a disk shape, and the oil passage 48 communicating with the oil passage 34 provided in the bearing housing 28 is slightly inclined with respect to the axial orthogonal direction (radial direction) or the axial orthogonal direction It is drilled.
  • the turbine side thrust collar 42 has an L-shaped cross section, and the outer periphery has a circular shape, and is engaged with a step 12 a formed on the rotating shaft 12.
  • the compressor-side thrust collar 44 has a disk shape and is fixed to the rotating shaft 12 by a cylindrical pressing member 50.
  • the opposite surface to the thrust bearing 46 is thrust so that the clearance c between the two thrust collars 42 and 44 and the sliding contact surface formed in the radial direction on the outer peripheral surface side of the thrust bearing 46 gradually narrows toward the outer peripheral side. It inclines toward the bearing 46 side. That is, the size of the clearance c is such that: base region clearance c1> peripheral end clearance c2.
  • the gap c is shown exaggeratingly more than in fact (the same applies to FIGS. 5 to 7 described later).
  • the thrust bearing 46 is provided with a tapered surface 52 formed of an inclined plane having an upward slope along the downstream side of the rotational direction a of the rotation shaft 12 and an upward slope end of the tapered surface 52.
  • a land surface 54 which is flush with the outer peripheral flat surface 60 of the thrust bearing 46 and is parallel to the facing surface of the compressor-side thrust collar 44, is formed.
  • the step 56 and the boundary line 58 formed between the tapered surface 52 and the land surface 54 are inclined with respect to the radial direction.
  • the step 56 and the boundary line 58 are directed in the reverse direction with respect to the rotation direction a as it goes outward. That is, as shown in FIG. 3, the boundary line 58 is directed in the direction in which the angle ⁇ between the central axis and the circumferential direction of the concentric circle is acute.
  • Such a shape formed on the surface facing the compressor side thrust collar 44 of the thrust bearing 46 is also formed on the surface facing the turbine side thrust collar 42.
  • the lubricating oil r is supplied from the oil passage 48 to the gap c between the thrust collars 42 and 44 and the thrust bearing 46. Since the gap c is configured to be gradually narrowed toward the radial outer side, the lubricating oil outflow resistance in the radial direction outer portion of the gap c becomes larger than that in the radial direction inner portion. Therefore, even if a centrifugal force acts on the lubricating oil r due to the rotation of the thrust collars 42 and 44, it is possible to suppress the lubricating oil r from flowing out from the gap c to the outer peripheral side.
  • the load bearing capacity of the thrust bearing 46 is improved. Accordingly, the risk of damage caused by the thrust collars 42 and 44 and the thrust bearing 46 coming into contact with each other can be reduced, and the size of the thrust bearing device 40A can be reduced by the increased load capacity.
  • the boundary layer of the lubricating oil r formed on the surfaces of the thrust collars 42, 44 also rotates.
  • the velocity vector of this boundary layer is Vt.
  • the boundary layer is subjected to centrifugal force by rotation to generate a velocity vector Vr perpendicular to the rotation direction a. Therefore, the boundary layer flows outward at a velocity vector V from the tangential direction of the rotation axis 12.
  • the boundary line 58 is directed in the direction in which the angle ⁇ between the central axis and the circumferential direction of the concentric circle is acute, the lubricating oil r flows radially outward from the outer peripheral side outlet of the gap c. Can be suppressed.
  • the outer peripheral sides of the thrust collars 42, 44 are inclined toward the thrust bearing 46.
  • both side surfaces of the thrust bearing 46 may be inclined toward the thrust collars 42, 44 on the outer peripheral side.
  • You may The oil film pressure forming structure formed on the thrust bearing 46 and including the inclined surface 52 and the land surface 54 may be formed on the surfaces of the thrust collars 42 and 44 in sliding contact with the thrust bearing 46.
  • a thrust bearing device 40B of this embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except for the configuration described below. That is, the thrust collars 42 and 44 form a land portion 62 forming a plane parallel to the surface of the thrust bearing 46 on the outer peripheral side of the inclined portion having the inclined surface with respect to the outer peripheral surface (radial surface) of the thrust bearing 46 64 are formed.
  • the outer peripheral side outlet has a minimum clearance c2 with the thrust bearing 46, but the land portions 62, 64 maintain the minimum clearance c2 in the radial direction.
  • the thrust collars 42, 44 have the lands 62, 64, the oil film pressure can be maximized by the lands 62, 64. Therefore, the outflow suppressing effect of the lubricating oil r can be further enhanced, and the load bearing ability of the lubricating oil r can be further enhanced as compared with the first embodiment.
  • the thrust bearing 46 and the thrust collars 42, 44 do not have inclined surfaces as in the first embodiment or the second embodiment, and are directed in the direction perpendicular to the rotation shaft 12 Are arranged.
  • the gap between the outer peripheral surface (radial surface) of the thrust bearing 46 and the radial sliding surfaces of the thrust collars 42 and 44 forms a step toward the axial direction of the rotary shaft 12 at the radial outer portion.
  • the thrust bearing 46 is formed such that the inner portion is thicker than the outer portion, the steps 72 and 74 are formed on the outer peripheral surface at an intermediate position on the outer peripheral side, and the outer peripheral tip side is formed with a width.
  • the plate thickness is larger at the outer side of the facing surface facing the thrust bearing 46 than at the inner side, and the steps 76, 78 are formed at positions corresponding to the steps 72, 74.
  • the sliding contact surface between the thrust bearing 46 and the thrust collars 42 and 44 has a step facing the thrust bearing 46 along the axial direction of the rotary shaft 12 provided on the outer peripheral side portion of the sliding contact surface. Since the clearance c between the sliding contact surfaces is bent due to the presence, the lubricating oil outflow resistance of the clearance c3 of the step portion becomes larger than the clearance c1 of the root region. Therefore, the lubricating oil r can be suppressed from flowing out from the outer peripheral side outlet. Therefore, the oil film pressure of the lubricating oil r in the gap c can be increased, and the load bearing ability of the lubricating oil r can be improved.
  • the portion of the thrust bearing 46 that protrudes outward in the radial direction from the thrust collars 42, 44 is formed thicker than the inner portion that is the facing surface facing the thrust collars 42, 44.
  • Steps 80 and 82 are formed at the boundary between the projecting portion and the inner portion on both surfaces of the thrust bearing 46.
  • the steps 80 and 82 are arranged to cover one corner of the outer peripheral end faces 42 a and 44 a of the thrust collars 42 and 44.
  • the clearance c is bent at a right angle along the outer peripheral end faces 42a and 44a of the thrust collars 42 and 44 at the outer peripheral end of the thrust collars 42 and 44.
  • the lubricating oil outflow resistance of the outer peripheral end gap c2 becomes the root area gap It is larger than c1. Therefore, the lubricating oil r can be suppressed from flowing out from the outlet of the gap c. Therefore, the oil film pressure of the lubricating oil r in the gap c can be increased, and the load bearing ability of the lubricating oil r can be improved.
  • the configuration of the third embodiment or the fourth embodiment may be combined with the configuration of the first embodiment or the second embodiment.
  • the clearance c between the sliding surfaces in the direction orthogonal to the axis (radial direction) formed between the thrust bearing and the thrust collar by simple and inexpensive means.
  • the lubricating oil can be prevented from flowing out to the outer peripheral side by the action of the centrifugal force, and the load capacity can be improved.

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Abstract

スラスト軸受装置４０Ａは、回転軸１２に固定されたタービン側スラストカラー４２及びコンプレッサ側スラストカラー４４と、これらのスラストカラー間に配置されるスラスト軸受４６とから構成されている。スラスト軸受４６には、スラスト軸受４６とスラストカラー４２、４４間に形成される摺接面に潤滑油ｒを供給する油路４８が設けられている。スラストカラー４２、４４は、径方向外側がスラスト軸受４６側に傾斜しており、摺接面間の隙間ｃは径方向外側へ行くほど狭められ、根本域隙間ｃ１＞外周端隙間ｃ２となっている。隙間ｃの径方向外側部位の潤滑油流出抵抗が径方向内側部位より大となる。そのため、潤滑油ｒが径方向外側出口から流出するのを抑制できる。

Description

過給機のスラスト軸受装置
　本発明は、スラスト軸受に供給される潤滑油が回転軸の回転により発生する遠心力で外周側に流出するのを抑制するようにした過給機のスラスト軸受装置に関する。
　過給機にはコンプレッサ側とタービン側の圧力差により回転軸にスラスト力が発生する。そのため、スラスト方向への回転軸の移動を止める目的でスラスト軸受を設けている。スラスト軸受はテーパランド型スラスト軸受など、構造が簡単な軸受が用いられる場合が多い。しかし、回転軸の回転速度が速い場合、潤滑油に回転軸の径方向外側へ遠心力が作用する。そのため、外周側への潤滑油の流出が増加する。
　過給機の回転軸には、スラスト軸受と対向配置され、スラスト軸受にスラスト力を付加するスラストカラーが固定されている。スラストカラーは、通常、誤差なくスラスト軸受と平行に製作するのが難しいため、スラスト軸受とスラストカラーとの対向面の外周側領域で隙間が拡大する場合がある。回転軸の回転速度が速く、潤滑油に大きな遠心力が働いている場合、該対向面の外周側に拡大した隙間があると、この隙間から潤滑油が多量に流出し、スラスト軸受の負荷能力が極端に低下するおそれがある。
　特許文献１には、排気ターボ過給機のスラスト軸受装置が開示されている。このスラスト軸受装置は、回転軸に固定されたタービンホイール及びコンプレッサホイールと、回転軸に固定されたタービン側スラストカラー及びコンプレッサ側スラストカラーと、軸受ハウジングに固定されると共に、前記２つのスラストカラーが両側から摺接し、回転軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受とを備えている。
　特許文献２には、水車、ポンプ等の流体機械に設けられたテーパランド型スラスト軸受が開示されている。特許文献２は、潤滑油膜の形成を促進し、スラスト軸受の荷重負荷能力を増大させるスラスト軸受を提案している。このテーパランド型スラスト軸受は、最深部が溝に連設された傾斜面と、傾斜面の上り勾配終端に連設された水平面とで構成されている。そして、傾斜面と水平面との境界線が径方向に対し傾いている。即ち、潤滑油の流出方向は、回転軸と共に回転するスラストカラーの回転速度ベクトルと、回転により潤滑油に発生する遠心力の速度ベクトルとの合力の方向となる。特許文献２では、潤滑油の流出を抑えるように、前記境界線は、径方向外側領域が回転方向と逆向きになるように傾斜している。
　図８～図１０に、本発明者等が本発明に至る前に考えた中間技術（非公知）としての過給機のスラスト軸受装置を示す。図において、このスラスト軸受装置１００は、回転軸１０２に形成された段差１０４に、タービン側スラストカラー１０６が軸直交方向（径方向）に延在させて係止されている。コンプレッサ側スラストカラー１０８は、前記タービン側スラストカラー１０６と対峙させて回転軸１０２に嵌合させた押え部材１１０で、該回転軸１０２に固定されている。２つのスラストカラー１０６，１０８間に、該スラストカラー１０６，１０８より大径で軸直交面内方向（径方向）に延在させたスラスト軸受１１２が介在されている。２つのスラストカラー１０６，１０８は回転軸１０２と共に矢印ａ方向に回転し、スラスト軸受１１２は軸受ハウジング（図示省略）に固定されている。回転軸１０２に加わるスラスト力は、２つのスラストカラー１０６，１０８を介してスラスト軸受１１２で受けることで、回転軸１０２のスラスト方向への移動を止めている。
　スラスト軸受１１２には、２つのスラストカラー１０６，１０８との摺接面に潤滑油ｒを供給する油路１１２ａが設けられている。図１０に示すように、スラスト軸受１１２は、回転軸１０２の回転方向ａの下流側に向かって上り勾配を形成する傾斜平面からなるテーパ面１１４と、テーパ面１１４の上り勾配終端に連設され、スラスト軸受１１２の外周側平面と同一平面を形成するランド面１１６とで構成されている。図９に示すように、テーパ面１１４とランド面１１６との間に形成される段差１１８及び境界線１２０は、径方向に向いている。回転軸１２の回転によって径方向外側へ遠心力ｂが働く。
　この構成では、スラストカラー１０６又は１０８とスラスト軸受１１２との外周側の軸直交方向（径方向）隙間ｃが製作誤差等が原因で拡大していると、潤滑油ｒに大きな遠心力が働いたとき、隙間ｃから潤滑油が多量に流出する。これによって、スラストカラーとスラスト軸受間の油膜圧が低下し、スラスト軸受の負荷能力が極端に低下するおそれがある。
特開２００９－１９７７７２号公報 特開２００６－１８３７０２号公報
　過給機の回転軸は、例えば２０万ｒｐｍにも達する高速で回転するため、潤滑油には大きな遠心力が働く。そのため、特許文献２に開示されているように、傾斜面と水平面との境界線を、径方向外側領域が回転方向と逆向きになるように傾斜させた手段をもってしても、スラスト軸受からの潤滑油の流出を十分に抑えることは困難である。
　本発明は、かかる課題に鑑み、簡易かつ低コストな手段で、過給機の回転による遠心力の作用でスラスト軸受から潤滑油が流出するのを抑え、スラスト軸受の荷重負荷能力を高く維持することを目的とする。
　かかる目的を達成するため、本発明の過給機のスラスト軸受装置は、　回転軸に固定されたタービンホイール及びコンプレッサホイールと、
　該回転軸に固定されたタービン側スラストカラー及びコンプレッサ側スラストカラーと、
　軸受ハウジングに固定されると共に、前記２つのスラストカラーがスラスト方向両側から摺接し、前記回転軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受とを備えた過給機のスラスト軸受装置であって、
　前記２つのスラストカラーと前記スラスト軸受とで形成される軸直交方向である径方向の摺接面間に潤滑油を供給するように該２つのスラストカラー又はスラスト軸受に形成された油路と、
　前記軸直交方向である径方向の摺接面間に潤滑油膜を形成する隙間とを備え、
前記潤滑油膜が形成される隙間は、径方向外側部位の潤滑油流出抵抗が径方向内側部位より大となるように形成としたものである。
　本発明では、２つのスラストカラーとスラスト軸受とで形成される摺接面に、前記構成を採用する。これによって、前記摺接面に形成された隙間で遠心力の作用で外周方向へ流れる潤滑油の流出を抑制できる。そのため、該摺接面間の油膜圧を高く保持できるので、スラスト軸受の荷重負荷能力を向上できる。従って、スラストカラーとスラスト軸受とが接触して損傷するリスクを低減できる。また、スラスト軸受の荷重負荷能力が向上するので、その分スラスト軸受を小型化でき、スラストカラーとスラスト軸受間の摩擦による過給機の動力損失を軽減できる。
　本発明において、前記摺接面を構成する一方の面に設けられ、潤滑油の貯留空間を形成すると共に、回転軸の周方向に上り勾配を形成した傾斜面と、該傾斜面の上り勾配終端に連設され対向面に平行な平面とが回転軸の周方向に交互に配置された油膜圧形成構造を備えているとよい。かかる油膜圧形成構造では、油路から摺接面間に供給された潤滑油は、傾斜面に入り油膜を形成する。潤滑油は、回転軸の回転方向へ連れ回りし、傾斜面の上り勾配に入って徐々に油膜圧を高め、上り勾配終端に連設された平行な平面で最大圧となる。そのため、摺接面の油膜圧を高く保持できる。
　なお、油膜圧形成構造がスラスト軸受に形成される場合、傾斜面の上り勾配を回転方向の下流側に向かって形成するようにする。また、油膜圧形成構造が２つのスラストカラーに形成される場合、傾斜面の上り勾配を回転方向の上流側に向かって上り勾配を形成するようにする。
　本発明において、前記摺接面を構成する少なくとも一方の面が対向面に対して径方向外側に行くほど接近するように傾斜して配置され、該摺接面間の隙間が径方向外側へ向かって漸減するように構成されているとよい。このように、摺接面間の隙間の径方向外側出口を狭めることで、該隙間の径方向外側部位の潤滑油流出抵抗が径方向内側部位より大となる。そのため、該隙間からの潤滑油の流出を抑え、該隙間の油膜圧を高く保持できる。また、油流出抑制構造を簡易かつ低コストに製造できる。
　前記構成に加えて、傾斜して配置される部位の外側に、傾斜部位で最接近した摺接面間の隙間を径方向全域で維持した平行な対向面を有するランド部が形成されているとよい。このランド部を形成することで、前述のように、このランド部で油膜圧を最大限に高めることができる。
　本発明において、スラスト軸受とスラストカラーとの摺接面の径方向外側部位に段差が形成され、該摺接面間に形成された隙間が該段差で曲折された構造であるとよい。この段差によって摺接面間に形成される潤滑油膜に、径方向外側部位で曲がり部を形成できる。これによって、該隙間の径方向外側部位の潤滑油流出抵抗が段差部において径方向内側部位より大となる。そのため、遠心力により外周方向へ流出する潤滑油を抑制でき、摺接面間の油膜圧を高く保持できる。また、摺接面に段差を形成するだけの簡易かつ低コストな加工で済む。
　本発明において、スラスト軸受のうち２つのスラストカラーより径方向外側へ突出する部位が内側部位より板厚に形成され、スラスト軸受の両面で突出部位と内側部位との境界に段差が形成され、該段差が２つのスラストカラーの外周端面の少なくとも一部を覆うように配置されているとよい。該段差により、隙間の径方向外側部位の潤滑油流出抵抗が径方向内側部位より大となる。そのため、遠心力により外周方向へ流れる潤滑油の流出を抑制でき、摺接面間の油膜圧を高く保持できる。この構成では、スラスト軸受のみに段差を設けるだけでよいので、さらに簡易かつ低コストな加工で済む。
　本発明によれば、２つのスラストカラーとスラスト軸受とで形成される摺接面間に形成される隙間の径方向外側部位の潤滑油流出抵抗が径方向内側部位より大となる構成としたので、遠心力により該隙間から外周方向へ流出する潤滑油を抑制でき、該摺接面間の油膜圧を高く保持できる。これによって、スラスト軸受の荷重負荷能力が向上するので、その分スラスト軸受を小型化でき、スラストカラーとスラスト軸受間の摩擦による過給機の動力損失を軽減できる。
本発明の第１実施形態に係る排気ターボ過給機の正面視断面図である。 図１のスラスト軸受装置を示す一部拡大断面図である。 図１中のＣ―Ｃ線に沿う断面図である。 図１中のＤ―Ｄ線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態に係るスラスト軸受装置の断面図である。 本発明の第３実施形態に係るスラスト軸受装置の断面図である。 本発明の第４実施形態に係るスラスト軸受装置の断面図である。 本発明者等が本発明に至る前に考えた中間技術としてのスラスト軸受装置の断面図である。 図８中のＡ―Ａ線に沿う断面図である。 図８中のＢ―Ｂ線に沿う断面図である。
　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）
　本発明を排気ターボ過給機に適用した第１実施形態を図１～図４に基づいて説明する。図１は本実施形態のスラスト軸受装置を組み込んだ排気ターボ過給機１０の全体断面図である。なお、図１は、タービンハウジング及びコンプレッサハウジングの図示を省略している。図１において、中心軸線Ｏ上に沿って回転軸１２が配置され、回転軸１２の軸端に、径方向に複数のタービン動翼１６が突設されたタービンホイール１４が固着されている。回転軸１２の他端にはネジ部１８が設けられ、ネジ部１８よりコンプレッサホイール２０が嵌挿され、コンプレッサホイール２０はナット２４によってネジ部１８に固定されている。コンプレッサホイール２０は径方向に複数のコンプレッサブレード２２が突設されている。
　回転軸１２は、コンプレッサホイール２０とタービンホイール１４に挟まれる中央部分の２箇所をジャーナル軸受２６、２６で軸受ハウジング２８に支承させている。そしてタービンハウジング（図示省略）から流入する排気でタービン動翼１６が回転し、タービンホイール１４、回転軸１２及びコンプレッサホイール２０が、過給機の中心軸線Ｏを中心に回転する。排気ターボ過給機１０においては、回転軸１２に、タービンホイール１４の軸方向力とコンプレッサホイール２０の軸方向力との差であるスラスト荷重Ｆが図の右方（タービンホイール１４の方向）へ作用する。なお、スラスト荷重Fの作用方向は、タービンホイール１４の入口圧力とコンプレッサホイール２０の出口圧力の大きさによっては図１の矢印と反対方向に働くこともある。
　タービン側スラストカラー４２及びコンプレッサ側スラストカラー４４が回転軸１２に固定され、これら２つのスラストカラーの間にスラスト軸受４６が配置されている。スラスト軸受４６はその外周側が軸受ハウジング２８に固定されている。回転軸１２に働くスラスト荷重Ｆはスラストカラー４２又は４４を介してスラスト軸受４６で受け、回転軸１２のスラスト方向への移動を止めている。これらの部材でスラスト軸受装置４０Ａを構成している。軸受ハウジング２８には、ジャーナル軸受２６、２６及びスラスト軸受装置４０Ａに潤滑油を供給するための油路３０、３２及び３４が設けられている。
　図２はスラスト軸受装置４０Ａの拡大断面図である。図２において、スラスト軸受４６は、円板形状を有し、軸受ハウジング２８に設けられた油路３４に連通する油路４８が軸直交方向（径方向）又は軸直交方向に対してやや斜めに穿設されている。タービン側スラストカラー４２は、Ｌ字形断面を有すると共に、外周は円形を有し、回転軸１２に形成された段差１２ａに係止している。コンプレッサ側スラストカラー４４は、円板形状を有し、円筒形状の押え部材５０によって、回転軸１２に固定されている。
２つのスラストカラー４２及び４４は、スラスト軸受４６外周面側の径方向に形成される摺接面との隙間ｃが外周側に向かって徐々に狭まるように、スラスト軸受４６との対向面がスラスト軸受４６側へ向かって傾斜している。即ち、隙間ｃの大きさは、根本域隙間ｃ１＞外周端隙間ｃ２となっている。なお、図２において、隙間ｃは実際より誇張して図示されている（後述する図５～図７も同様）。
　図４に示すように、スラスト軸受４６には、回転軸１２の回転方向ａの下流側に沿って上り勾配となる傾斜平面からなるテーパ面５２と、テーパ面５２の上り勾配終端に連設され、スラスト軸受４６の外周側平面６０と同一平面を形成し、コンプレッサ側スラストカラー４４の対向面と平行なランド面５４とが形成されている。
　図３に示すように、テーパ面５２とランド面５４間に形成される段差５６及び境界線５８は、径方向に対して傾斜している。段差５６及び境界線５８は、外側へ行くほど回転方向ａに対して逆行する方向に向いている。即ち、図３に示すように、境界線５８は中心軸線と同心円の円周方向との角度θが鋭角となる方向に向いている。スラスト軸受４６のコンプレッサ側スラストカラー４４に対面する面に形成されたかかる形状は、タービン側スラストカラー４２に対面する面にも形成されている。
　本実施形態によれば、スラストカラー４２、４４とスラスト軸受４６との間の隙間ｃに、油路４８から潤滑油ｒが供給される。隙間ｃは径方向外側に向かって徐々に狭まるように構成されているので、隙間ｃの径方向外側部位の潤滑油流出抵抗が径方向内側部位より大となる。そのため、スラストカラー４２、４４の回転により潤滑油ｒに遠心力が働いても、隙間ｃから外周側へ潤滑油ｒが流出するのを抑制できる。そのため、隙間ｃの潤滑油ｒの油膜圧は高く保持されるので、スラスト軸受４６の荷重負荷能力が向上する。従って、スラストカラー４２、４４とスラスト軸受４６とが互いに接触して損傷するリスクを低減できると共に、荷重負荷能力が向上した分スラスト軸受装置４０Ａのサイズを小さくできる。
　また、スラストカラー４２、４４は回転軸１２と共に回転するので、スラストカラー４２、４４の表面に形成される潤滑油ｒの境界層も共に回転する。この境界層の速度ベクトルをＶｔとする。該境界層は回転による遠心力を受け、回転方向ａと直角方向の速度ベクトルＶｒが生じる。そのため、該境界層は回転軸１２の接線方向より外向きに速度ベクトルＶで流れる。本実施形態では、境界線５８は中心軸線と同心円の円周方向との角度θが鋭角となる方向に向いているので、潤滑油ｒが隙間ｃの外周側出口から径方向外側へ流出するのを抑制できる。
　なお、本実施形態では、スラストカラー４２、４４の外周側をスラスト軸受４６側へ傾斜させているが、代わりに、スラスト軸受４６の両側面を外周側でスラストカラー４２、４４側へ傾斜させるようにしてもよい。また、スラスト軸受４６に形成された、傾斜面５２とランド面５４とからなる油膜圧形成構造は、スラスト軸受４６に摺接するスラストカラー４２、４４の表面に形成するようにしてもよい。
（実施形態２）
　次に、本発明を排気ターボ過給機に適用した第２実施形態を図５に基づいて説明する。図５において、本実施形態のスラスト軸受装置４０Ｂは、以下に説明する構成を除いて第１実施形態と同一構成を有している。即ち、スラストカラー４２、４４は、スラスト軸受４６の外周面（径方向面）に対して傾斜面を有する傾斜部の外周側に、スラスト軸受４６の表面と平行な平面を形成するランド部６２及び６４が形成されている。傾斜部では、外周側出口でスラスト軸受４６との間で最小の隙間ｃ２となるが、ランド部６２、６４は、この最小の隙間ｃ２を径方向で維持している。
　本実施形態では、スラストカラー４２、４４がランド部６２、６４を有しているので、ランド部６２、６４で油膜圧を最大限に高くできる。そのため、潤滑油ｒの流出抑制効果をさらに高めることができると共に、潤滑油ｒの荷重負荷能力を第１実施形態と比べてさらに向上させることができる。
（実施形態３）
　次に、本発明の第３実施形態を図６に基づいて説明する。本実施形態のスラスト軸受装置４０Ｃでは、スラスト軸受４６及びスラストカラー４２、４４は、第１実施形態又は第２実施形態のように傾斜面を有せず、回転軸１２に対して直角方向に向けて配置されている。また、スラスト軸受４６の外周面（径方向面）とスラストカラー４２、４４との径方向摺接面との間の隙間部位は、径方向外側部位で回転軸１２の軸線方向に向かう段差を形成している。本実施形態では、隙間ｃの大きさは、根本域隙間ｃ１＝段差部隙間ｃ３＝外周端隙間ｃ２となっている。即ち、スラスト軸受４６は、内側部位が外側部位より板厚が大きく形成され、外周側途中位置で外周両面に段差７２及び７４を形成し、外周先側を挟幅に形成している。一方、スラストカラー４２、４４は、スラスト軸受４６と対峙する対峙面の外側部位が内側部位より板厚が大きく形成され、段差７２、７４に対応する位置に段差７６，７８が形成されている。
　本実施形態では、スラスト軸受４６及びスラストカラー４２、４４間の摺接面では、該摺接面の外周側部位に設けられた、回転軸１２の軸線方向に沿ってスラスト軸受４６に向かう段差の存在により、摺接面間の隙間ｃが曲折するため、段差部隙間ｃ３の潤滑油流出抵抗が根本域隙間ｃ１より大となる。そのため、外周側出口から潤滑油ｒが流出するのを抑制できる。そのため、隙間ｃにある潤滑油ｒの油膜圧を高くすることができ、潤滑油ｒの荷重負荷能力を向上できる。
（実施形態４）
　次に、本発明の第４実施形態を図７に基づいて説明する。本実施形態のスラスト軸受装置４０Ｄでは、スラスト軸受４６のうち、スラストカラー４２，４４より径方向外側へ突出する部位がスラストカラー４２，４４と対峙する対峙面である内側部位より板厚に形成され、スラスト軸受４６の両面で突出部位と内側部位との境界に段差８０及び８２が形成されている。段差８０、８２はスラストカラー４２，４４の外周端面４２ａ、４４ａの一方の角部を覆うように配置されている。これによって、スラストカラー４２、４４の外周端で、隙間ｃはスラストカラー４２、４４の外周端面４２ａ、４４ａに沿って直角に曲折されている。隙間ｃの大きさは、根本域（軸基側の周方向）隙間ｃ１＝外周端（段部）隙間ｃ２である。
　本実施形態によれば、スラストカラー４２、４４のスラスト軸受４６と対峙する外周端で隙間ｃに曲折部（段部）を形成したことにより、外周端隙間ｃ２の潤滑油流出抵抗が根本域隙間ｃ１より大となる。そのため、隙間ｃの出口から潤滑油ｒが流出するのを抑制できる。そのため、隙間ｃにある潤滑油ｒの油膜圧を高くすることができ、潤滑油ｒの荷重負荷能力を向上できる。
　なお、本発明では、第１実施形態又は第２実施形態の構成に、第３実施形態又は第４実施形態の構成を組み合わせてもよい。
　本発明によれば、過給機のスラスト軸受装置において、簡易かつ低コストな手段で、スラスト軸受とスラストカラー間に形成される軸直交方向（径方向）の摺接面間の隙間ｃから、潤滑油が遠心力の作用により外周側に流出するのを抑止し、荷重負荷能力を向上させることができる。

Claims (6)

  1. 　回転軸に固定されたタービンホイール及びコンプレッサホイールと、
    　該回転軸に固定されたタービン側スラストカラー及びコンプレッサ側スラストカラーと、
    　軸受ハウジングに固定されると共に、前記２つのスラストカラーがスラスト方向両側から摺接し、前記回転軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受とを備えた過給機のスラスト軸受装置であって、
    　前記２つのスラストカラーと前記スラスト軸受とで形成される軸直交方向である径方向の摺接面間に潤滑油を供給するように該２つのスラストカラー又はスラスト軸受に形成された油路と、
    　前記軸直交方向である径方向の摺接面間に潤滑油膜を形成する隙間とを備え、
    前記潤滑油膜が形成される隙間は、径方向外側部位の潤滑油流出抵抗が径方向内側部位より大となるように形成としたことを特徴とする過給機のスラスト軸受装置。
  2. 　前記摺接面を構成する一方の面に設けられ、潤滑油の貯留空間を形成すると共に、前記回転軸の周方向に上り勾配を形成した傾斜面と、該傾斜面の上り勾配終端に連設され対向面に平行な平面とが前記回転軸の周方向に交互に配置された油膜圧形成構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の過給機のスラスト軸受装置。
  3. 　前記摺接面を構成する少なくとも一方の面が対向面に対して径方向外側に行くほど接近するように傾斜して配置され、前記摺接面間の隙間が径方向外側へ向かって漸減するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機のスラスト軸受装置。
  4. 　前記傾斜面を形成した部位の外側に、傾斜部位で最接近した摺接面間の隙間を径方向全域で維持した平行な対向面を有するランド部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の過給機のスラスト軸受装置。
  5. 　前記摺接面の径方向外側部位に段差が形成され、該摺接面間に形成された隙間が該段差で曲折された構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機のスラスト軸受装置。
  6. 　前記スラスト軸受のうち前記２つのスラストカラーより径方向外側へ突出する部位が内側部位より板厚に形成され、該スラスト軸受の両面で該突出部位と該内側部位との境界に段差が形成され、該段差が２つのスラストカラーの外周端面の少なくとも一部を覆うように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の過給機のスラスト軸受装置。
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