JP2005172098A - ターボチャージャの軸受装置 - Google Patents

ターボチャージャの軸受装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 組み立て工数及び部材の加工コストを減少させるとともに、軸受をハウジング内で簡単に配置できるターボチャージャ軸受装置を提供する。
【解決手段】 ターボチャージャＴの回転軸３１の中途部をハウジングＨ内で回転自在に支持するターボチャージャ用軸受装置１において、内輪軌道２ａが形成されたほぼ円筒状の内輪２の両端部に、外輪軌道３ａが形成された一対の外輪３等を設けることで、２つのアンギュラ軸受Ａ，Ａが構成された軸受ユニットとする。また、各外輪３，３の間に互いに隙間を設けつつ一対のスリーブ６，６を設け、当該スリーブ６，６の外周面にハウジングＨ及び外輪３，３に対する相対回転を規制する係合部１５，９を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車のターボチャージャの回転軸を回転自在に支持する軸受装置に関する。
昨今、省燃費、低排出ガスの自動車が求められており、そのためにターボチャージャを搭載する自動車が増加している。このターボチャージャの回転軸をハウジング内で回転自在に支持するために転がり軸受（以下軸受という）が使用されている。このような軸受の使用環境は、超高回転、超高加減速、超高温と非常に過酷であり、なおかつ高い回転精度が必要である。そのためには、軸受に適正な予圧を付与することが不可欠である。そのため、軸受に定圧予圧を付与することが適している。その定圧予圧を付与するために、外輪と内輪をそれぞれ備えた軸受２個の間にスペーサーと予圧を付与するためのばねを組み込んでいたが、部品点数が多くなり、組み立て工数が多くなっていた。
このため、組み立て工数を減少させるターボチャージャ用軸受装置として、筒状体の両端部に２つの内輪軌道を形成することで、２つの内輪を互いに一体化するとともに、この内輪に対し当該内輪軌道に対向する外輪軌道が形成された外輪を一対設け、さらにこの外輪の間に予圧を付与するためのばねを設けたものが既に提案されている（例えば特許文献１）。
実用新案登録公報第２５７７０１１号公報（図１）
しかしながら、上記のターボチャージャ用軸受装置（特許文献１に記載の過給器用軸受装置）では、鋼材からなる外輪をハウジングの内形状に合わせ、かつ、ばねを受ける部分や油孔を備えた複雑な形状に形成するのに手間がかかり加工コストが嵩んでしまう。また、ハウジングに対して外輪の回り止めが充分にされておらず、軸受がハウジング内で適正に配置されなかったり、油孔がずれてしまうおそれがある。
本発明は、このような実情に鑑み、組み立て作業を簡易にするとともに、軸受をハウジング内で簡単に配置することができ、低コストで製造できるターボチャージャの軸受装置を提供することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するために次の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明は、ターボチャージャの回転軸をハウジング内で回転自在に支持するターボチャージャ用軸受装置であって、前記回転軸の外周面に嵌合し、両端部近傍の外周面に内輪軌道が形成されたほぼ円筒状の内輪と、前記回転軸の軸方向に互いに離間して前記ハウジングに取り付けられ、内周面に前記内輪軌道に対向する外輪軌道が形成された一対の外輪と、前記内輪の各内輪軌道と、各外輪の外輪軌道との間に転動自在に配置される複数の転動体と、互いに隙間を設けつつ前記両外輪の間に介装され、前記軸方向で互いに対向する一対のスリーブであって、外周面に前記ハウジング及び外輪に対する相対回転を規制する係合部が形成されている一対のスリーブと、この両スリーブの間に介装され、各スリーブを介して前記外輪を前記回転軸の軸方向外方に付勢して軸受に予圧を付与するばねと、が備えられていることを特徴とするものである。
上記のターボチャージャ軸受装置によれば、１つの円筒状の内輪に２つの外輪などを取り付けることで、２つの軸受を含む軸受ユニットとして構成でき、組み付け工数が減少するとともに、外輪の間に設けたスリーブとハウジング及び当該外輪とが係合することにより、外輪のハウジングに対する相対回転が規制される。また、外輪とは別体の一対のスリーブを両外輪の間に介装し、かつ、両スリーブ間にばねを介装することで、ばね受けの機能を持たせるための複雑な形態を外輪に施す必要がなくなる。このため、外輪の形状を簡単にでき、汎用の外輪の転用も可能である。
また、上記ターボチャージャ軸受装置において、前記スリーブが樹脂からなり、当該スリーブと外輪とがこれらを合わせた状態で一体的に構成されていることが好ましい。例えば、成形金型の一部に、鋼材からなる外輪を予め設置しておき、この成形金型に樹脂を注入する。このようにすることで、外輪とスリーブを合わせた状態で一体的に構成できる。この場合には、スリーブと外輪とを１つの部品としてターボチャージャ軸受装置を組み立てることができるので、組み立てる際の構成部材の数量が減り、組み立て工数が減少する。
また、上記ターボチャージャ軸受装置において、前記スリーブの軸方向内側端部の内周側に、環状に切り欠かれた段差部が形成されていることが好ましい。この場合、凹部の深さ分だけ予圧を付与するばねの長さを長くとることができるので、ばね定数を小さくすることができる。そのため、より安定した適正な予圧を軸受に付与することができる。
さらに、上記ターボチャージャ軸受装置において、前記スリーブの内周面を内輪外周面に近接させ、その隙間を０．５ｍｍ以下とすることによりラビリンスシールを構成してもよい。これにより、グリース潤滑とした場合、転動体の内側にシール部材を設ける必要がないので、ターボチャージャ軸受装置を安価に製作できる。
また、上記ターボチャージャ軸受装置において、前記内輪の内周面に、軸方向の所要範囲で前記回転軸との間に隙間を構成する凹部が形成されていることが好ましい。これにより、回転軸への圧入力を小さくでき、圧入の際の回転軸の圧痕発生を防止できる。この際、圧入力が圧痕発生荷重よりも小さくなるように内輪の内径と回転軸の外径を調製する。
本発明によれば、２つの軸受を含めた軸受ユニットとすることで組み立て作業を簡易にするとともに、一対の外輪の間に介装したスリーブによってばねを受け、かつ、このスリーブにハウジング及び外輪に対する相対回転を規制する係合部を設けることで軸受をハウジング内で簡単に配置しかつ低コストで製造できる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明にかかるターボチャージャ軸受装置１の一実施形態を示す断面図である。図２は、その平面図である。図３は、ターボチャージャ軸受装置１が組み込まれたターボチャージャＴの概略構成を示している。このターボチャージャＴは、排気流路３０を流通する排気により、回転軸３１の一端（図３の右側）に固定したタービン３２を回転させる。回転軸３１の回転は、当該回転軸３１の他端（図３の左側）に固定されたインペラ３３に伝わり、このインペラ３３により吸気流路３７内で吸引された空気が圧縮される。これにより、ガソリン、軽油等の燃料とともに圧縮された空気がエンジンのシリンダ室内に送り込まれる。このようなターボチャージャＴの回転軸３１は、数万〜十数万回／分もの高速で回転し、しかもエンジンの運転状況に応じて回転速度が頻繁に変化する。そのため、回転損失を低減すべくハウジングＨ内に設けられたターボチャージャ軸受装置１によって、回転軸３１をハウジングＨに対し小さな回転抵抗で支持している。
このターボチャージャ軸受装置１は、ターボチャージャＴのハウジングＨの所定箇所に組み込まれ、一端にはタービン３２が、他端にはインペラ３３が取り付けられている回転軸３１の中途部をハウジングＨの貫通孔に対して回転自在に支持するものである。
ターボチャージャ軸受装置１は、図１及び図２に示すように、内輪２と、一対の外輪３、３と、両者の間に転動自在に配置される複数の転動体４と、これら転動体４を保持するための保持器５と、により構成される一対のアンギュラ軸受（以下軸受という）Ａ，Ａと、両外輪の間に介装されている一対のスリーブ６、６と、当該各スリーブ６、６の間に介装され軸受に予圧を付与するばね７とを備えている。このようにして、２つの軸受Ａ，Ａを含む軸受ユニットとして構成している。
次に、ターボチャージャ軸受装置１の各構成部材についてさらに詳細に説明する。ターボチャージャ軸受装置１は、１つの円筒状の内輪２に２つの外輪３，３を取り付けることで、２つの軸受Ａ，Ａを含む軸受ユニットとして構成されたものである。
内輪２は回転軸３１の軸方向（以下軸方向という）を長手方向とするほぼ円筒状に形成されており、その両端部の外周面には所定の曲率半径を有するアンギュラ型の内輪軌道２ａが形成されている。内輪２は、各内輪軌道２ａから軸方向外側に延設される各内輪延設部２ｂと、各内輪軌道２ａから内側へ延設される円筒部２ｃとを有する。各内輪軌道２ａの軸線は斜め内側に向けられている。また、円筒部２ｃは、各内輪延設部２ｂよりも若干薄肉となっている。内輪２の内周面には、軸方向で左右各外輪間にわたって回転軸３１との間に隙間を構成する凹部８が形成されている。この凹部８の存在により内輪２と回転軸３１との接触面積を小さくして、ターボチャージャ軸受装置１を回転軸３１に圧入する際の圧痕発生を防止することができる。
内輪２は、例えば、冷間圧延鋼板などの鋼板を深絞り加工して所定の曲率半径となるように内輪軌道２ａを形成した後、浸炭焼入れ、高周波焼入れなどを含む熱処理を行うことにより製造することができる。
外輪３は内輪２の外周側に２つ設けられ、これら外輪３，３は軸方向に互いに離間して内輪２の両端部の位置に配置されている。外輪３は、内輪２の六分の一位の幅を有し、その軸方向外側端面は、内輪２の軸方方向外側端面と面一になっている。さらに、外輪３は、内輪２の内輪軌道２ａと対向し所定の曲率半径を有するアンギュラ型の外輪軌道３ａと、その外輪軌道３ａから軸方向外側に延設される外輪延設部３ｂと、当該外輪軌道３ａから内側へ延設される外輪円筒部３ｃとを有する。この外輪円筒部３ｃは、外輪延設部３ｂよりも若干厚肉となっている。また、図２に示すように、左右各外輪３の対向する一部には、スリーブ６に形成された後述の突起状の第一係合部９に係合する凹部１０が形成されている。この凹部１０は、第一係合部９に係合できる寸法で形成されている。
外輪３は、例えば、冷間圧延鋼板などの鋼板を深絞り加工して所定の曲率半径となるように外輪軌道３ａを形成した後、浸炭焼入れ、高周波焼入れなどを含む熱処理を行うことにより製造することができる。
複数の転動体４は、所定の球径で外輪３の外輪軌道３ａと内輪２の内輪軌道２ａの間に形成される環状空間１１に転動自在に、保持器５によって所定の間隔に配置されている。なお、これら転動体４は、ステンレス等、各種の鋼材を素材として製作されるものである。保持器５は、前記複数の転動体４を部分的に囲むように構成されている。なお、この保持器５は使用用途により異なるが、鋼材の他、ポリアミド等の各種の樹脂を素材として製作される。保持器５の形式としては、波型やもみ抜き型など任意である。
スリーブ６は、互いに隙間を設けつつ左右各外輪３の間に回転軸の軸方向で対向するようにして一対介装されている。これら各スリーブ６は、外輪３と同径で円筒状に形成され、当該スリーブ６の外周面は、外輪３の外周面と面一となっている。外周面の軸方向外側には、外輪３の凹部１０と係合する突起状の第一係合部９が形成されている。この第一係合部９は、凹部１０に係合しスリーブ６と外輪３との相対回転を規制するものであり、外輪３に回転力が加わった際にそれを規制できる強度を有する寸法で形成されている。なお、この第一係合部９の形状は、角張った形状に限られるものではなく半円柱状等、突出している形状であればよい。また、この第一係合部９を凹部状として、外輪３に突起部を形成してもよい。要するに、スリーブ６と外輪３の相対回転を規制できるように係合できればよい。
スリーブ６の外周面で軸方向外側から少し内側へ入ったところに径方向内側へ傾く第一テーパー面１２が形成されている。さらに、スリーブ６の内周面で軸方向外側から径方向外側へ傾く第二テーパー面１３が形成されている。そして、スリーブ６の周上で第一テーパー面１２の軸方向中途部から第二テーパー面１３に向けて、所要径を有する油孔１４が貫通形成されている。そして、油孔１４の内周面への貫通出口が内輪軌道２ａの近傍となっている。
さらに、スリーブ６の外周面の軸方向内側には、後述のピン部材３５と係合する切り欠き状の第二係合部１５が形成されている。この第二係合部１５は、左右各スリーブ６周方向の同じ位置で、軸方向で離間した位置に互いに対向して配置されている。第二係合部１５は、左右各第二係合部１５，１５が対向して形成される空間１８にハウジングＨのピン部材３５が係合できるように、当該ピン部材３５に係合できる長さＫ１と、幅Ｋ２と、深さＫ３で形成されている。そのため、左右各第二係合部１５、１５が対向した状態で、軸方向外側の対向する距離Ｍ（図１左右方向）がピン部材３５の幅（図１左右方向）とほぼ同じとなっている。なお、第二係合部１５の形状は、角張った形状に限られるものではなく半円柱状等に刳り抜いた形状など、ピン部材の係合できる形状であればよい。また、この第二係合部１５と前記第一係合部９と油孔１４は、スリーブ６の外周面上で軸方向に直線状に並んでいる。
左右各スリーブ６，６の対向する端面（即ち、各スリーブ６、６の軸方向内側端部の内周面）には、当該スリーブ６にばね７を保持し、これを受け止める環状の段差部１６が形成されている。段差部１６は、コイル状のばね７の直径よりも若干大きい径で円筒状に切り欠かれている。また、段差部１６の幅Ｐ２はスリーブ６の長さの半分よりも少し短くされ、その深さＰ３は、スリーブ６の厚みのほぼ三分の一となっている。左右各スリーブ６、６を互いに対向させた状態でこれら段差部１６、１６によって筒状空間１７が形成され、この筒状空間１７にばね７が装着されている。
以上のように形成されたスリーブ６は、各種の樹脂を成形素材として使用することができる。樹脂を射出成形や圧縮成型などで成形した後、切削加工により所要寸法に仕上げることもできるが、例えば熱可塑性樹脂を使用して射出成形する場合では、外輪３ と一体的に構成することで、組み立て工数を減らすことができる。例えば、成形金型内に予め外輪３を所要箇所に設置しておき、外輪３と成形金型で構成された空間に樹脂を注入することで、外輪３と一体となった部品を製造する。このようにすることで、スリーブ６と外輪３を後から組み付けなくても、最初から一部品として扱うことができる。なお、樹脂には高耐熱性や剛性、耐油性に優れたものが採用される。例えば、エンプラやスーパーエンプラが挙げられ、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、フッ素系樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾールなどが好適である。成形性や原料費、性能の面からは、ポリアミドやポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂を用いるのがよいが、耐熱性の面からはイミド系の樹脂が特に好適である。また、スリーブの素材としてステンレス等各種の金属を使用することもできる。
ばね７は、所定のばね定数を有するコイルばねが使用され、このばね７により、スリーブ６を介して左右各アンギュラ軸受Ａ，Ａに弾発力を付与し、当該アンギュラ軸受Ａ，Ａに予圧を付与している。
ターボチャージャ軸受装置１を組み立てる手順としては、まず、内輪２を準備し、この内輪２に一方（例えば左側）の外輪３などを取り付けて一方の軸受Ａを組む。そして、一方の外輪３の凹部１０に一方のスリーブ６の第一係合部９を係合させつつ（一体成形の場合には不要）当該スリーブ６を組み付ける。次にばね７を装着し、他方（例えば右側）のスリーブ６を組み、このスリーブ６の第一係合部９に他方の外輪３の凹部１０を係合させつつ当該外輪３を取り付ける。次に、この他方の外輪３を軸方向内側へ押しながら保持器５及び転動体４を挿入する。これらを挿入した後、ばね７の弾発力で他方の外輪３を所定の位置に戻す。したがって、対向する左右各スリーブ６、６間の距離は転動体４の直径よりも十分長くとる必要がある。
このようにして組み立てられたターボチャージャ軸受装置１は、図３に示すようにターボチャージャＴの所定箇所に組み込まれる。ターボチャージャ軸受装置１の内輪を回転軸３１に嵌合しつつ、当該ターボチャージャ軸受装置１をハウジングＨに嵌挿する。そして、左右各スリーブ６，６の第二係合部１５，１５で形成された筒状空間１８にハウジングＨのほぼ中央部に設けられた所要寸法を有するピン部材３５を係合させる。これにより、ターボチャージャ軸受装置１が位置決めされ、組み込みが完了する。
上記のように、ターボチャージャ軸受装置１は、１つの内輪２に２つの外輪３、３などを取り付けることで、２つの軸受を含む軸受ユニットとして構成されている。軸受ユニットとして扱うことができるので、回転軸３１への組み付け作業時に多数の部品を扱わなくてよく、組み付け工数が減少する。このため、組み付け作業が簡易となる。また、第二係合部１５、１５とピン部材３５が係合することで、ハウジングＨに対してスリーブ６、６の回転及び軸方向の移動が規制され、さら第一係合部９と外輪３の凹部１０が係合することで、スリーブ６、６に対して外輪３、３の回転が規制される。これにより、外輪３のハウジングＨに対する相対回転が規制される。また、上記の各係合により、外輪３などで構成される軸受ＡのハウジングＨに対する位置決めを簡単に行うことができる。
さらに、外輪３とは別体のスリーブ６、６を当該外輪３，３の間に介装し、かつ、両スリーブ６，６間にばね７を介装することで、ばね受けの機能を持たせるための複雑な形態を外輪３に施す必要がなくなる。このため、外輪３の形状を簡単にでき、汎用の外輪３の転用も可能である。
また、内輪２の内周面には軸方向の一定範囲で回転軸３１との間に隙間を構成する凹部８が形成されているので、回転軸３１への圧入力を小さくできる。そのため、圧入の際の回転軸３１の圧痕発生を防止でき、当該回転軸３１を傷つけない。この際、圧入力が圧痕発生荷重よりも小さくなるように内輪２の内径と回転軸３１の外径を調製する。
また油孔１４が内輪軌道２ａの近傍に配置されているので、良好な潤滑効果を得ることができる。さらに、スリーブ６とハウジングＨが第二係合部１５で位置決めされるので、ハウジングＨの給油通路３６（図３）とスリーブ６の油孔１４の位置がずれない。なお、ハウジングＨ内には給油通路３６が設けられており、給油によって上記アンギュラ軸受Ａを冷却するとともに潤滑自在としている。即ち、ターボチャージャＴを装着したエンジンの運転時に潤滑油は、上記給油通路３６の上流端に設けたフィルタにより異物を除去されて、ハウジングＨの内周面とスリーブ６及び外輪３の外周面との間に設けた円筒状の隙間空間に送り込まれる。尚、この隙間空間は、ハウジングＨと外輪３などを隙間嵌にする事により設けている。そして、この隙間空間を潤滑油で満たす事により、スリーブ６及び外輪３の外周面とハウジングＨの内周面との間に全周に亙って油膜（オイルフィルム）を形成し、これらハウジングＨやアンギュラ軸受Ａ，Ａを冷却すると共に、回転軸３１の回転に基づく振動を減衰するオイルフィルムダンパを構成している。そして、隙間空間に送り込まれた潤滑油の一部は油孔１４を通り、内輪２の外周面に向け、径方向外方から斜めに噴出し、アンギュラ軸受Ａ，Ａを冷却及び潤滑（オイルジェット潤滑）する。
また、スリーブ６の成形素材に樹脂を使用することで、複雑な形状でも安価に製作できる。特にスリーブ６と外輪３と合わせた状態で一体的に構成した場合には、ターボチャージャ軸受装置１を組み立てる際の構成部材の数量が減るので、組み立て工数をより減少させることができる。また、スリーブ６を低コストかつ低温仕様とする場合には樹脂を使用し、一方高精度、高温仕様とする場合には金属を使用する。
スリーブ６、６には段差部１６、１６が形成されているので、各段差部１６の幅Ｐ２＋Ｐ２だけ予圧を付与するばね７の長さを長くとることができ、ばね定数を小さくできる。そのため、より安定した適正な予圧をアンギュラ軸受Ａに付与することができる。
図４は、本発明の第二実施形態にかかるターボチャージャ軸受装置１を示している。
本実施形態のターボチャージャ軸受装置１が第一実施形態の場合と異なる点は、グリース潤滑として油孔１４を廃止し、スリーブ内周面と内輪外周面との間にラビリンスシール２０を構成している点である。
ここでは、スリーブ６に形成されていた油孔１４を廃止するとともに、スリーブ６の内外周面がフラットに形成され、当該内周面を内輪２の外周面に近接させて、その間に０．５ｍｍ以下の隙間Ｓが形成されている。それとともに、外輪３の側面でグリースをシールするシール部材２１を備えている。隙間Ｓを０．５ｍｍ以下としたのは、０．５ｍｍを超える隙間Ｓではラビリンスシール２０を構成することができないからである。このようにすることで、グリース潤滑の場合でも、左右各アンギュラ軸受Ａ，Ａの内側にシール部材２１を設ける必要がないのでターボチャージャ軸受装置１を安価に製作できる。
なお、本発明は、前記した各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、スリーブ６の形状や第一係合部９、第二係合部１５、段差部１６の寸法を変更してもよく、内輪２の内周面に形成された凹部８を狭めたり区切るようにしてもよい。また、油孔１４を第一係合部９と第二係合部１５を結ぶ線上からはずれたところに形成してもよい。
本発明にかかるターボチャージャ軸受装置の第一実施形態を示す断面図である。 同平面図である。 ターボチャージャ軸受装置が組み込まれたターボチャージャの概略構成を示す断面図である ターボチャージャ軸受装置の第二実施形態を示す断面図である。
符号の説明
１ ターボチャージャ軸受装置
２ 内輪
３ 外輪
４ 転動体
６ スリーブ
７ ばね
８ 凹部（内輪）
９ 第一係合部
１０ 凹部（外輪）
１４ 油孔
１５ 第二係合部
１６ 段差部
１７ 筒状空間
２０ ラビリンスシール
３１ 回転軸
３２ タービン
３３ インペラ
３４ ハウジング
３５ ピン部材

Claims (5)

  1. ターボチャージャの回転軸をハウジング内で回転自在に支持するターボチャージャ用軸受装置であって、
    前記回転軸の外周面に嵌合し、両端部近傍の外周面に内輪軌道が形成されたほぼ円筒状の内輪と、
    前記回転軸の軸方向に互いに離間して前記ハウジングに取り付けられ、内周面に前記内輪軌道に対向する外輪軌道が形成された一対の外輪と、
    前記内輪の各内輪軌道と、各外輪の外輪軌道との間に転動自在に配置される複数の転動体と、
    互いに隙間を設けつつ前記両外輪の間に介装され、前記軸方向で互いに対向する一対のスリーブであって、外周面に前記ハウジング及び外輪に対する相対回転を規制する係合部が形成されている一対のスリーブと、
    この両スリーブの間に介装され、各スリーブを介して前記外輪を前記回転軸の軸方向外方に付勢して軸受に予圧を付与するばねと、が備えられていることを特徴とするターボチャージャの軸受装置。
  2. 前記スリーブが樹脂からなり、当該スリーブと外輪とがこれらを合わせた状態で一体的に構成されている請求項１に記載のターボチャージャの軸受装置。
  3. 前記スリーブの軸方向内側端部の内周側に、環状に切り欠かれた段差部が形成されている請求項１または２に記載のターボチャージャの軸受装置。
  4. 前記スリーブの内周面を内輪外周面に近接させ、その隙間を０．５ｍｍ以下とすることによりラビリンスシールが構成されている請求項１〜３のいずれかに記載のターボチャージャの軸受装置。
  5. 前記内輪の内周面に、軸方向の所要範囲で前記回転軸との間に隙間を構成する凹部が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載のターボチャージャの軸受装置。
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