JP2018028377A - ターボチャージャー用玉軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑特性を悪化させずにラトリングノイズを低減させたターボチャージャー用玉軸受ユニットを提供すること。【解決手段】実施形態のターボチャージャー用玉軸受ユニットは、内輪と、外輪と、もみ抜き保持器とを備える。もみ抜き保持器は、前記内輪と前記外輪との間に設けられ、玉を転動可能に保持するポケットが周方向に複数形成されている。ここで、前記ポケットの直径は、前記玉の直径の１．０３倍以上１．０７倍以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャーの回転軸を支持するターボチャージャー用玉軸受ユニットに関する。

ターボチャージャー用玉軸受ユニットにおいて、回転軸が高速回転から停止に至る過程で、回転軸が低速回転状態になる。かかる状況において、保持器のポケットの中で転動体が振動し、低速回転時に発生する、保持器のポケット内周面と転動体との衝突によって発生するノイズ、いわゆるラトリングノイズが生じる。例えば、ハードディスクドライブ装置のスピンドルモータ用軸受装置においては、回転速度が上がるにつれて生じる騒音・振動の低減のために、冠型保持器のポケット径（Ｄｐ）と玉径（Ｄｗ）の比Ｄｐ／Ｄｗを限定して、ポケットと転動体との間の隙間を小さくする方法が知られている。

特開２００３−４９８３０号公報

しかし、かかる方法における保持器は冠型保持器であるので、ポケットと転動体の間の隙間を小さくしてもポケットの開口側から潤滑剤が入り込むことが可能であった。しかしながら、ターボチャージャー用玉軸受に用いられるもみ抜き保持器では、ポケットの周囲が冠型保持器のように開口していないため、ポケットと転動体との間の隙間が小さいと、かかる隙間に潤滑油が入り込むことが阻害され、潤滑特性が悪化する問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、潤滑特性を悪化させずにラトリングノイズを低減させたターボチャージャー用玉軸受ユニットを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットは、軸方向に離間して形成された一端側外輪軌道面と他端側外輪軌道面とを内周面に有する円筒状の外輪と、前記一端側外輪軌道面に対向する第１の内輪軌道面を有する第１の内輪と、前記他端側外輪軌道面に対向する第２の内輪軌道面を有する第２の内輪と、前記一端側外輪軌道面と前記第１の内輪軌道面との間に配置された複数の玉を保持する第１のもみ抜き保持器と、前記他端側外輪軌道面と前記第２の内輪軌道面との間に配置された複数の玉を保持する第２のもみ抜き保持器と、を備える。前記第１のもみ抜き保持器及び前記第２のもみ抜き保持器の少なくともいずれかにおいて、前記玉を転動可能に保持するポケットが周方向に複数形成され、前記ポケットの直径は、前記玉の直径の１．０３倍以上１．０７倍以下である。そして、前記ポケットの内周面の一部には、もみ抜き保持器の半径方向に沿って溝が形成されている。

本発明の一態様によれば、潤滑特性を悪化させずにラトリングノイズを低減させる。

図１は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットが備え付けられる自動車用ターボチャージャーの概観を示す図である。 図２は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットがハウジングに組み込まれた状態の概観を示す図である。 図３は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットの詳細を示す三面図である。 図４は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットの有する保持器の構造について説明する図である。 図５は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットの有する保持器の構造について説明する図である。 図６は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係るノイズレベルについて説明する表である。 図７は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係るノイズレベルについて説明するグラフである。 図８は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係る接触荷重について説明する表である。 図９は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係る接触荷重について説明するグラフである。 図１０は、実施形態に係る保持器のポケットの内周面に形成される溝について説明する図である。 図１１は、実施形態に係る保持器のポケットの内周面に形成される溝の別の例について説明する図である。

以下、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニット及びターボチャージャーについて図面を参照して説明する。

（実施形態）
図１は、ターボチャージャー用玉転がり軸受ユニットが備え付けられる一般的な自動車用ターボチャージャーの概観を示す図である。図１において、矢印１は、外部からターボチャージャーに流入する空気の流れを表す。回転軸７には、矢印２で示されるエンジンのシリンダー５から排出された排気ガスにより高速回転するタービン８が図１における右側端部に設けられている。図１における回転軸７の左側端部にはコンプレッサー３が設けられている。矢印２は、シリンダー５から燃焼後に排出される排気ガスの流れを表す。また、ターボチャージャー用転がり軸受ユニット７０は、回転軸７を回転自在な状態で支持するターボチャージャー用玉転がり軸受ユニットを表す。図１において、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０を支持するハウジングは図示を省略している。

ターボ―チャージャ―は、ターボチャージャーに流入する空気を圧縮してエンジンの燃焼効率を向上させるものである。矢印２に示されているように、エンジンのシリンダー５から排出された排気ガスにより、タービン８の羽根が高速回転する。タービン８の回転は、回転軸７を介してタービン８と同軸上のコンプレッサー３を同じ回転速度で回転させる。ターボチャージャー内に流入する空気は、矢印１で示されているように、コンプレッサー３で圧縮され、密度が増加した状態で、エンジンのシリンダー５へと送り込まれる。これにより、単位時間あたりの空気の呼気量が増加し、燃焼効率が増加する。

図２は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットがハウジングに組み込まれた状態の概観を示す図である。ハウジング６０は貫通孔を有し、その貫通孔に挿入されたターボチャージャー用玉軸受ユニット７０を支持する。ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の詳細については、図３で詳述する。また、回転軸７は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０に回転自在な状態で支持される回転軸である。タービン８は、回転軸７に取り付けられた羽根である。なお、タービン８は、回転軸７の両端のうち、シリンダー５を通過して燃焼された後の気体が排出される側（排気側）に配置されており、空気が流入する吸気側で回転するコンプレッサー３は、図２では図示されていないが、図２において、回転軸７の左側の端部に設けられている。

潤滑剤流入口４０ａは、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の内部を満たす潤滑剤の流入口である。ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の内部を満たす潤滑剤は、ハウジング６０の潤滑剤流入口４０ａから流入し、経路４０ｂ１及び４０ｂ２に分岐する。経路４０ｂ１を通る潤滑剤は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０に設けられた潤滑剤流入孔４０ｃからターボチャージャー用玉軸受ユニット７０内に流入し、潤滑剤排出口４０ｅから流出する。また、経路４０ｂ２を通る潤滑剤は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０に設けられた潤滑剤流入孔４０ｄからターボチャージャー用玉軸受ユニット７０内に流入し、潤滑剤排出口４０ｅから流出する。潤滑剤排出口４０ｅは、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の外輪の外周面であって、例えば、潤滑剤流入孔４０ｃ及び４０ｄと反対側に設けられる。ここで、潤滑剤とは、例えば油（オイル）やグリースである。潤滑剤は、ターボチャージャー用玉軸受ユニットの摩擦及び摩耗の軽減、熱排出による冷却、異物の侵入防止等のために用いられる。ターボチャージャー用玉軸受ユニットの潤滑油としては、例えばスピンドル油、マシン油、タービン油などの鉱油が用いられるが、１５０度以上の高温または−３０度以下の低温になる使用条件では、ジエステル油、シリコン油、フルオロカーボン油などの合成油が用いられても良い。

次に、図３を用いて、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０のより詳細な構造について説明する。図３は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の詳細を示す三面図である。図３の左下の図は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の正面図であり、図３の左上の図は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の上面図であり、図３の右下の図は、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の断面図である。

図３の潤滑剤流入孔４０ｃ、４０ｄ、潤滑剤排出口４０ｅは、それぞれ図２の潤滑剤流入孔４０ｃ、４０ｄ、潤滑剤排出口４０ｅに対応する。潤滑剤流入孔４０ｃから流入した、例えばオイルなどの潤滑剤は、後述する内輪１０ａと外輪３００ａとの間を通過した後、潤滑剤排出口４０ｅから排出される。この潤滑剤の役割としては、摩擦減少や、冷却などが挙げられる。

断面図において、シャフト挿入部７ａは、回転軸７（シャフト）が挿入される部分であり、シャフトを挿入可能なように一端側から他端側に亘る貫通孔になっている。

内輪１０ａ及び内輪１０ｂは、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の内輪を表し、それぞれ外周面に内輪軌道面を有している。内輪１０ａ及び内輪１０ｂは、シャフト挿入部７ａに挿入される回転軸７（シャフト）に固定され、回転軸７が回転するとともに、回転する。内輪１０ａ及び内輪１０ｂは、中空の円筒形状を有する。

外輪３００ａは、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の外輪を表している。外輪３００ａは、ハウジング６０にはめ込まれ、支持される。外輪３００ａは、外周面と内周面を有する単一の円筒部材である。外輪３００ａは、内周面の一端側と他端側に軸方向に離間して配置された外輪軌道面を有している。外輪軌道面は前述の二つの内輪軌道面と対向して複列の軌道を形成する。外輪３００ａの一端側外輪軌道面は、第１の内輪である内輪１０ａが有する内輪軌道面（第１の内輪軌道面）と対向している。また、外輪３００ａの他端側外輪軌道面は、第２の内輪である内輪１０ｂが有する内輪軌道面（第２の内輪軌道面）と対向している。

玉１１ｃは、内輪１０ａと外輪３００ａとの間に設けられた一端側の軌道に配置される。従って、玉１１ｃは、内輪１０ａ及び外輪３００ａの軌道面と点接触する。同様に、玉１１ｅは、内輪１０ｂと外輪３００ａとの間の他端側の軌道に配置される転動体であり、内輪１０ｂ及び外輪３００ａと点接触する。これにより、外輪３００ａは、玉１１ｃ及び１１ｅを通じて、内輪１０ａ、１０ｂ、すなわち回転軸７の荷重を支持することができる一方、玉１１ｃ及び１１ｅは、内輪１０ａ、１０ｂ及び外輪３００ａとの接触が点接触であるから、回転軸７が高速回転しても、内輪１０ａ、１０ｂと外輪３００ａとの間で生じる摩擦が小さい。このように、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０は、回転軸７の荷重を支持しながら、回転軸７を回転自在に支持することができる。

なお、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０に用いられる玉軸受としては、典型的には、ラジアル方向のみならずスラスト方向の荷重を支持するためにアンギュラ軸受が選択される。

保持器２１及び２２は、それぞれ玉１１ｃ及び１１ｅを等間隔に保持するための部材である。保持器２１は、内輪１０ａと外輪３００ａとの間に設けられて複数個の玉１１ｃを保持する。保持器２１は、一端側外輪軌道面と第１の内輪軌道面との間に配置された複数の玉１１ｃを保持する第１のもみ抜き保持器である。

同様に、保持器２２は、内輪１０ｂと外輪３００ａとの間に設けられて複数個の玉１１ｅを支持する。保持器２２は、他端側外輪軌道面と第２の内輪軌道面との間に配置された複数の玉１１ｅを保持する第２のもみ抜き保持器である。

保持器２１及び２２のタイプとしては、例えば鉄鋼や銅合金の材料を切削加工することにより形成されたもみ抜き（削り出し）保持器、鉄板などの部材を型で打ち抜くことにより形成された打ち抜き（プレス）保持器、樹脂を金型に流し込むことにより形成された成型（樹脂）保持器等が挙げられるが、以降では、保持器２１及び２２のタイプとして、もみ抜き保持器を用いた場合について説明する。

図４及び図５は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットが有する保持器の構造について説明する図である。図４は、保持器２１単体の外観図であり、図５は、保持器２１の周囲の部品も含めた外観を表す図である。

図４は、もみ抜き保持器である保持器２１の外観図である。保持器２１には、玉１１ａを転動可能に保持するポケット２１ｃが周方向に複数形成されている。また、ポケット２１ｃに隣接して、潤滑剤を保持するための溝２００ａが形成されている。

図５において、保持器２１の外観が、周囲の部品とともに表されている。図５において、内輪１０ａは図３の内輪１０ａを表し、外輪３００ａは、内輪１０ａの外側に設けられる図３の外輪３００ａを表す。保持器２１は、内輪１０ａと外輪３００ａとの間に設けられ、玉１１ａを転動可能に保持するポケット２１ｃが周方向に複数形成されている。ここでポケット２１ｃの直径は、玉１１ａの直径の１．０３倍以上１．０７倍以下であるのが望ましい。

図５では、保持器２１が、反時計回りに回転する場合について説明する。かかる場合、保持器２１が回転すると、玉１１ａは、ポケット２１ｃの後方（すなわち、ポケット２１ｃにおいて、溝２００ａがない側の内周面）において、ポケット２１ｃと近接する。また、ポケット２１ｃの内周面のうち、玉１１ａが回転時に周方向で近接する範囲の内周面は、玉１１ａの形状に沿った形状である。一方で、玉１１ａが回転時に近接する範囲以外の範囲の内周面の一部には、溝２００ａが形成される。

ここで、溝２００ａは、ポケット２１ｃの中心位置よりも、もみ抜き保持器２１の回転方向側に形成される。また、ポケット２１ｃの内周面と、溝２００ａとは、滑らかに接続されて形成される。

かかる点について、図６〜図１１を用いて説明する。まず、図６〜図９を用いて、ポケット２１ｃの直径が、玉１１ａの直径の１．０３倍以上１．０７倍以下にするのが望ましい点について説明する。

図６及び図７は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係るノイズレベルについて説明する表及びグラフである。図６の上段は、ポケット２１ｃの径を、玉１１ａの径（ボール径）で除した値を示す。また、図６の下段は、ＶＲＭＳ（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｖｏｌｔａｇｅ）で表されるノイズレベルを示す。また、図７は、図６のデータをプロットしたものである。図６及び図７より分かるように、ラトリングノイズは、ポケット径／ボール径の値が大きいほど単調に増加する。特にポケット２１ｃの直径が、玉１１ａの直径の１．０７倍を超えると、ノイズレベルは急激に増大する。従って、ポケット２１ｃの直径は、玉１１ａの直径の１．０７倍以下が望ましい。

なお、図６及び図７に係る試験条件は以下の通りである。同一のボール径で、ポケット径／ボール径の比率を異ならせたもみ抜き保持器２１を組み込んだ複数のターボチャージャー用玉軸受ユニット７０を準備し、それぞれについて、試験を行った。試験では、軸受ユニット７０の一端側からモータの出力軸を押入し、他端側に予圧治具を設けてアキシャル方向に３０Ｎの予圧を印加した。続いて、自社製のノイズセンサを、外輪３００ａの外周面に設置し、回転数６８００ｒｐｍを維持しながらノイズの大きさに対応させた電圧値を０．１秒間隔で１０秒間記録し、ノイズレベルを計測した。

図８及び図９は、実施形態に係るターボチャージャー用玉軸受ユニットに係る接触荷重について説明する表及びグラフである。図８の上段は、ポケット２１ｃの径を、玉１１ａの径(ボール径)で除した値を示す。また、図８の下段は、玉１１ａがポケット２１ｃと接した際、ポケット２１ｃに掛かる最大接触荷重の計算値（Ｎ）である。また、図９は、図８のデータをプロットしたものである。図８及び図９より分かるように、最大接触荷重は、ポケット径／ボール径の値が１に近いほど、顕著に増加する。ポケット２１ｃの直径が、玉１１ａの直径の１．０３倍を下回ると、最大接触荷重が３００Ｎより大きくなり、保持器が損傷する可能性がある。従って、ポケット２１ｃの直径は、玉１１ａの直径の１．０３倍以上が望ましい。

なお、図８及び図９に係る計算条件は以下の通りである。同一のボール径で、ポケット径／ボール径の比率を異ならせたもみ抜き保持器２１を組み込んだ複数のターボチャージャー用玉軸受ユニット７０を想定し、それぞれについて、計算を行った。計算では、回転数４０万ｒｐｍ、アキシャル方向の荷重を８０Ｎ、ラジアル方向の荷重を１３０Ｎ、を条件として与えた。

以上のように、ポケット径／ボール径の比率は、大きすぎれば玉１１ａがポケット２１ｃ内で振動することによりノイズが大きくなり、一方で小さすぎれば最大接触荷重が増大する。従って、ポケット２１ｃの直径が、転動体である玉１１ａの直径の１．０３倍以上１．０７倍以下であるのが望ましい。

続いて、ポケット２１ｃの内周面の一部に形成される溝２００ａの役割について説明する。図１０は、実施形態に係る保持器２１のポケット２１ｃの内周面に形成される溝２００ａについて説明する図である。図１０において、保持器内周面２１ａ及び保持器外周面２１ｂは、それぞれ保持器２１の内周面及び外周面を表す。ポケット２１ｃは、保持器２１の有する一つのポケットを表し、玉１１ａは、ポケット２１ｃに保持される転動体を表す。矢印２３は、保持器２１の回転方向を表す。実施形態では、ターボチャージャー用玉軸受ユニットの場合を想定しているので、保持器２１は、タービン３の回転に伴い、一方向のみに回転する。なお、玉１１ａの回転方向は、保持器２１の回転方向と逆方向の回転方向となる。

ここで、溝２００ａが、ポケット２１ｃの内周面の一部に、保持器２１の半径方向に沿って形成されている。より具体的には、図１０に示されているように、溝２００ａは、ポケット２１ｃの中心位置よりも、もみ抜き保持器２１の回転方向側に形成される。換言すると、溝２００ａは、玉１１ａが回転時に周方向で近接する範囲以外の範囲の内周面の一部に形成される。なお、回転時においては、玉１１ａは、図１０に示すように、ポケット２１ｃにおいて、ポケット２１ｃの中心位置に対してもみ抜き保持器２１の回転方向側とは反対側の内周面部分に押しつけられ、この内周面部分においてポケット２１ｃと近接する（回転時の接触部）。この回転時の接触部とは周方向反対側（すなわち、図１０におけるポケット２１ｃの上部）に、潤滑剤を保持するための溝２００ａが保持器２１の半径方向に沿って保持器２１の回転方向側に設けられることで潤滑剤がポケット内に入り込みやすくなり、潤滑特性の向上が図られる。加えて、潤滑特性の向上が図られることで、ターボチャージャー用玉軸受ユニット７０の寿命も増大する。

なお、ポケット２１ｃと溝２００ａの接続部分が滑らかでないと、保持器２１の回転時に接続部分に玉１１ａが接触して保持器２１の破損の原因となることから、玉１１ａが保持器２１の内周面と、溝２００ａとは、曲線や円弧などで滑らかに接続されて形成されるのが望ましい。

以上のように、実施形態に係るーボチャージャー用玉軸受ユニットは、潤滑特性を悪化させずにラトリングノイズを低減させることができる。

実施形態は、これに限られない。一例として、溝２００ａの形状は、図１０に示されたような円弧の形状に限られず、楕円の一部、放物線、双曲線その他の曲線、又は矩形であってもよい。また、形成される溝は１つに限られず、例えば図１１のように、溝２００ｂ及び溝２００ｃの二つの溝が形成されてもよい。また、実施形態は、ポケット径／ボール径の比率を１．０３以上１．０７以下とするもみ抜き保持器が、保持器２１及び保持器２２の双方である場合であっても、保持器２１及び保持器２２のいずれか一方である場合であっても良い。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０ａ、１０ｂ 内輪
３００ａ 外輪
２１、２２ 保持器（もみ抜き保持器）
２１ｃ ポケット
２００ａ 溝

Claims (4)

1. 軸方向に離間して形成された一端側外輪軌道面と他端側外輪軌道面とを内周面に有する円筒状の外輪と、
   前記一端側外輪軌道面に対向する第１の内輪軌道面を有する第１の内輪と、
   前記他端側外輪軌道面に対向する第２の内輪軌道面を有する第２の内輪と、
   前記一端側外輪軌道面と前記第１の内輪軌道面との間に配置された複数の玉を保持する第１のもみ抜き保持器と、
   前記他端側外輪軌道面と前記第２の内輪軌道面との間に配置された複数の玉を保持する第２のもみ抜き保持器と、
   を備え、
   前記第１のもみ抜き保持器及び前記第２のもみ抜き保持器の少なくともいずれかにおいて、
   前記玉を転動可能に保持するポケットが周方向に複数形成され、
   前記ポケットの直径は、前記玉の直径の１．０３倍以上１．０７倍以下である、ターボチャージャー用玉軸受ユニット。
2. 前記ポケットの内周面のうち、前記玉が回転時に前記周方向で近接する範囲以外の範囲の内周面の一部に、溝がもみ抜き保持器の半径方向に沿って形成されている、請求項１に記載のターボチャージャー用玉軸受ユニット。
3. 前記溝は、前記ポケットの中心位置よりも、前記もみ抜き保持器の回転方向側に形成される、請求項２に記載のターボチャージャー用玉軸受ユニット。
4. 前記ポケットの内周面と、前記溝とは、滑らかに接続するように形成された、請求項２に記載のターボチャージャー用玉軸受ユニット。