JP2019078363A - スラスト軸受およびターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油がランド部からテーパ部に流入する際の急激な圧力低下を抑制可能なスラスト軸受およびターボチャージャを提供することを課題とする。【解決手段】スラスト軸受４は、油膜を介して相手側部材５３に摺接する摺動面４０ｆ、４０ｒを備え、回転軸５０に作用する軸方向のスラスト荷重を支持する。摺動面４０ｆ、４０ｒは、テーパ部Ｂとランド部Ｃとを有する複数のパッド部Ａを有する。パッド部Ａは、周方向および径方向に対して傾斜する方向に延在する。周方向に隣り合う一対のパッド部Ａ間において、上流側のパッド部Ａのランド部Ｃの下流端Ｐｃと、下流側のパッド部Ａのテーパ部Ｂの上流端Ｐｂと、は周方向に連続していない。【選択図】図５

Description

本発明は、回転軸に作用する軸方向のスラスト荷重を支持するスラスト軸受およびターボチャージャに関する。

例えば特許文献１に示すように、スラスト軸受の摺動面は、油膜を介してスラストカラーに摺接している。スラスト軸受の摺動面には、複数のパッド部が、周方向に連なって形成されている。複数のパッド部は、各々、テーパ部とランド部とを備えている。潤滑油は、上流側から下流側に向かって、複数のパッド部を通過する。潤滑油がランド部を通過する際、所定の負荷容量（許容荷重）を有する油膜が形成される。

国際公開第２０１６／０６３３４０号パンフレット

上流側のパッド部のランド部から下流側のパッド部のテーパ部に移行する際、スラスト軸受とスラストカラーとの間の隙間幅は、急激に拡張する。このため、潤滑油の流路断面積も急激に拡張する。したがって、ランド部からテーパ部に潤滑油が流入する際、潤滑油の圧力は急激に低下し、負圧が発生してしまう。前述したようにランド部には、所定の負荷容量を有する油膜が形成されている。テーパ部流入時に負圧が発生すると、当該負圧により、ランド部から油膜形成用の潤滑油が引き込まれてしまうおそれがある。このため、ランド部の油膜の圧力が低下してしまうおそれがある。そこで、本発明は、潤滑油がランド部からテーパ部に流入する際の急激な圧力低下を抑制可能なスラスト軸受およびターボチャージャを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のスラスト軸受は、油膜を介して相手側部材に摺接する摺動面を備え、回転軸に作用する軸方向のスラスト荷重を支持するスラスト軸受であって、前記摺動面の周方向における、潤滑油の流動方向上流側を上流側、流動方向下流側を下流側として、前記摺動面は、テーパ部と、前記テーパ部の前記下流側に連なるランド部と、を有する複数のパッド部を有し、前記パッド部は、周方向および径方向に対して傾斜する方向に延在し、周方向に隣り合う一対の前記パッド部間において、前記上流側の前記パッド部の前記ランド部の下流端と、前記下流側の前記パッド部の前記テーパ部の上流端と、は周方向に連続していないことを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明のターボチャージャは、前記スラスト軸受を備えるターボチャージャであって、前記相手側部材は、前記回転軸に配置されるスラストカラーであることを特徴とする。

本発明のスラスト軸受およびターボチャージャによると、周方向に隣り合う一対のパッド部間において、上流側のパッド部のランド部の下流端と、下流側のパッド部のテーパ部の上流端と、が周方向に連続していない。このため、上流側のランド部から下流側のテーパ部に移行する際、潤滑油の流路断面積が急激に拡張しにくい。したがって、潤滑油がランド部からテーパ部に流入する際の急激な圧力低下を抑制することができる。

本発明のターボチャージャの一実施形態であるターボチャージャの軸方向断面図である。 図１の枠ＩＩ内の拡大図である。 本発明のスラスト軸受の一実施形態であるスラスト軸受の透過前面図である。 同スラスト軸受の斜視図である。 図３の円Ｖ内の拡大図である。 図５のＶＩ−ＶＩ方向断面図である。 図７（Ａ）〜図７（Ｂ）は、その他の実施形態（その１〜その２）のスラスト軸受の前側の軸受側摺動面の部分前面図である。

以下、本発明のスラスト軸受およびターボチャージャの実施の形態について説明する。

＜ターボチャージャの構成＞
まず、本実施形態のターボチャージャの構成について説明する。なお、以降の図において、前後方向は本発明の「軸方向」に対応している。図１に、本実施形態のターボチャージャの軸方向断面図を示す。図１に示すように、本実施形態のターボチャージャ１は、ジャーナル軸受３と、スラスト軸受４と、回転部５と、ベアリングハウジング９０と、コンプレッサハウジング９１と、タービンハウジング９２と、を備えている。

ベアリングハウジング９０の内部には、油路９０１ａ、９０１ｂと、軸受収容部９０２ａ、９０２ｂと、が形成されている。油路９０１ａ、９０１ｂには、潤滑油が流れている。前側または後側から見て、軸受収容部９０２ａは、ベアリングハウジング９０の径方向中心部に配置されている。軸受収容部９０２ｂは、軸受収容部９０２ａの前側に配置されている。

ジャーナル軸受３は、円筒状を呈している。ジャーナル軸受３は、軸受収容部９０２ａに収容されている。スラスト軸受４は、軸受収容部９０２ｂに収容されている。スラスト軸受４については、後で詳しく説明する。コンプレッサハウジング９１は、ベアリングハウジング９０の前側に配置されている。タービンハウジング９２は、ベアリングハウジング９０の後側に配置されている。

回転部５は、ベアリングハウジング９０に対して、回転可能である。回転部５は、回転軸５０と、コンプレッサインペラ５１と、タービンインペラ５２と、スラストカラー５３と、カラーターボシールリング５４と、を備えている。

回転軸５０は、ベアリングハウジング９０を前後方向に貫通している。回転軸５０は、ジャーナル軸受３により、径方向外側から、回転可能に支持されている。図２に、図１の枠ＩＩ内の拡大図を示す。図２に示すように、スラストカラー５３は、回転軸５０の外周面に配置されている。スラストカラー５３は、筒部５３０と、前後一対のフランジ部５３１ｆ、５３１ｒと、を備えている。筒部５３０は、前後方向に延在する円筒状を呈している。前側のフランジ部５３１ｆは、筒部５３０の前端から径方向外側に張り出している。フランジ部５３１ｆの後面には、軸側摺動面５３２ｆが配置されている。後側のフランジ部５３１ｒは、筒部５３０の後端から径方向外側に張り出している。フランジ部５３１ｒの前面には、軸側摺動面５３２ｒが配置されている。スラストカラー５３は、スラスト軸受４により、前後方向から、回転可能に支持されている。

図１に示すように、カラーターボシールリング５４は、回転軸５０の外周面に配置されている。カラーターボシールリング５４は、スラストカラー５３の前側に配置されている。コンプレッサインペラ５１は、回転軸５０の前端に取り付けられている。タービンインペラ５２は、回転軸５０の後端に連なっている。すなわち、回転軸５０は、コンプレッサインペラ５１とタービンインペラ５２とを連結している。

＜スラスト軸受の構成＞
次に、本実施形態のスラスト軸受の構成について説明する。図３に、本実施形態のスラスト軸受の透過前面図を示す。図４に、同スラスト軸受の斜視図を示す。図３に示す角度は、回転軸５０の軸心Ｇ周りの中心角である。軸受側摺動面４０ｆの周方向（軸心Ｇを中心とする周方向）における、潤滑油の流動方向上流側を「上流側」、流動方向下流側を「下流側」とする。中心角は、真下位置を０°として、上流側から下流側に向かって、図３における時計回り方向に進角する。

図２〜図４に示すように、スラスト軸受４は、筒部５３０の径方向外側に環装されている。スラスト軸受４は、前側のフランジ部５３１ｆと、後側のフランジ部５３１ｒと、の間に配置されている。スラスト軸受４は、前側から見て馬蹄状（下向きに開口するＣ字状）を呈している。

スラスト軸受４は、摺動部４０と、非摺動部４１と、油路４２と、を備えている。摺動部４０の前面には、軸受側摺動面４０ｆが配置されている。軸受側摺動面４０ｆは、前側の軸側摺動面５３２ｆに、油膜を介して摺接している。摺動部４０の後面には、軸受側摺動面４０ｒが配置されている。軸受側摺動面４０ｒは、後側の軸側摺動面５３２ｒに、油膜を介して摺接している。軸受側摺動面４０ｆ、４０ｒは、本発明の「摺動面」の概念に含まれる。軸受側摺動面４０ｆ、４０ｒについては、後で詳しく説明する。

非摺動部４１は、摺動部４０の径方向外側に配置されている。非摺動部４１は、スラストカラー５３に摺接していない。油路４２は、ベアリングハウジング９０の油路９０１ａと、軸受側摺動面４０ｆ、４０ｒと、を繋いでいる。油路４２を介して、潤滑油は、油路９０１ａから軸受側摺動面４０ｆ、４０ｒに供給される。

＜軸受側摺動面の構成＞
次に、本実施形態のスラスト軸受の軸受側摺動面の構成について説明する。前後一対の軸受側摺動面４０ｆ、４０ｒの構成は同じである。以下、代表して、前側の軸受側摺動面４０ｆの構成について説明する。

図５に、図３の円Ｖ内の拡大図を示す。図６に、図５のＶＩ−ＶＩ方向断面図を示す。なお、図５においては、テーパ部Ｂに点線ハッチングを施す。また、図６は、図５に示す中心線Ｈ（テーパ部Ｂの周方向各位置における径方向中心を繋いだ線）に沿った断面図である。

図５に示すように、軸受側摺動面４０ｆは、四つのパッド部Ａを備えている。パッド部Ａは、周方向および径方向に対して傾斜する方向に延在している。具体的には、パッド部Ａは、上流側かつ径方向内側から、下流側かつ径方向外側に、向かう方向（以下、適宜、「スパイラル方向」と称す。）に延在している。パッド部Ａは、テーパ部Ｂと、ランド部Ｃと、昇圧側境界部Ｄと、を備えている。周方向に隣り合う一対のパッド部Ａの境界には、降圧側境界部Ｅが配置されている。周方向に隣り合う一対のパッド部Ａ間において、上流側のパッド部Ａのランド部Ｃの下流端Ｐｃと、下流側のパッド部Ａのテーパ部Ｂの上流端Ｐｂと、は周方向に連続していない。具体的には、下流側のテーパ部Ｂの上流端Ｐｂは、上流側のランド部Ｃの下流端Ｐｃよりも、上流側に配置されている。このため、周方向に隣り合う一対のパッド部Ａ間には、互いのテーパ部Ｂ同士が周方向に連なるテーパ部連続区間が存在している。

図６に示すように、テーパ部Ｂは、中心線Ｈに沿って上流側（回転軸５０の回転方向後側）から下流側（回転軸５０の回転方向前側）に向かって高度（詳しくは、前後方向の高度。以下同じ。）が高くなる、平面状を呈している。テーパ部Ｂの上流部には、油路４２が開口している。

ランド部Ｃは、テーパ部Ｂの下流側に連なっている。ランド部Ｃは、高度が一定の平面状を呈している。昇圧側境界部Ｄは、上流側のテーパ部Ｂと、下流側のランド部Ｃと、の間に配置されている。昇圧側境界部Ｄは、径方向に延在する直線状を呈している。図５に示すように、降圧側境界部Ｅは、上流側のランド部Ｃと、下流側のテーパ部Ｂと、の間に配置されている。降圧側境界部Ｅは、スパイラル方向に延在する曲線状を呈している。

＜スラスト軸受の動き＞
次に、本実施形態のスラスト軸受の動きについて説明する。ターボチャージャ１駆動時において、図２、図３に示すように、潤滑油は、油路９０１ａを介して、油路４２に流入する。油路４２の出口は、前後一対の軸受側摺動面４０ｆ、４０ｒ各々の、三つのパッド部Ａに分岐して開口している。当該出口を介して、潤滑油は、パッド部Ａの上流部（テーパ部Ｂの上流部）に供給される。

図５に矢印Ｙ１で示すように、テーパ部Ｂに供給された潤滑油の一部は、回転軸５０の回転に伴い、スパイラル方向（例えば、中心線Ｈの延在方向）に流動する。潤滑油は、テーパ部Ｂを、径方向に拡がりながら、かつ高度を上げながら、上流側から下流側に向かって流動する。当該流動により、潤滑油の圧力は高くなる。昇圧された潤滑油は、昇圧側境界部Ｄを介して、ランド部Ｃに流入する。ランド部Ｃに流入した潤滑油は、ランド部Ｃを上流側から下流側に向かって流動する。この際、潤滑油は、所定の圧力の油膜を形成する。当該油膜により、軸受側摺動面４０ｆ、４０ｒは、軸側摺動面５３２ｆ、５３２ｒを回転可能に支持している。ランド部Ｃを通過した潤滑油は、軸受側摺動面４０ｆ、４０ｒから流出する。流出した潤滑油は、図１に示す油路９０１ｂを介して、ベアリングハウジング９０の外部に排出される。図５に矢印Ｙ２で示すように、テーパ部Ｂに供給された潤滑油の一部は、ランド部Ｃを通過し、降圧側境界部Ｅを介して、下流側のテーパ部Ｂに流入する。

＜作用効果＞
次に、本実施形態のスラスト軸受およびターボチャージャの作用効果について説明する。潤滑油には、回転軸５０の回転に伴う遠心力が作用する。このため、図５に矢印Ｙ１で示すように、潤滑油の一部は、パッド部Ａを、スパイラル方向に流動する。この場合、潤滑油は、ランド部Ｃからテーパ部Ｂに流入することなく、径方向外側に流出する。このため、降圧側境界部Ｅの下流側で負圧が発生しても、当該負圧により、ランド部Ｃから油膜形成用の潤滑油が引き込まれてしまうおそれが小さい。したがって、所望の負荷容量を有する油膜を、ランド部Ｃに形成することができる。

また、図５に矢印Ｙ２で示すように、潤滑油の一部は、上流側のパッド部Ａのランド部Ｃから下流側のパッド部Ａのテーパ部Ｂに流入する。仮に、周方向に隣り合う一対のパッド部Ａ間において、上流側のランド部Ｃの下流端Ｐｃと、下流側のテーパ部Ｂの上流端Ｐｂと、が周方向に連続している場合を想定する。図６に示すように、テーパ部Ｂにおいて最も高度が低いのは上流端Ｐｂである。このため、上流側のランド部Ｃから下流側のテーパ部Ｂに移行する際の落差（高低差）が大きい。したがって、潤滑油の流路断面積は急激に拡張することになる。よって、潤滑油がランド部Ｃからテーパ部Ｂに流入する際、急激な圧力低下が発生してしまう。

この点、本実施形態のスラスト軸受４およびターボチャージャ１によると、周方向に隣り合う一対のパッド部Ａ間において、上流側のランド部Ｃの下流端Ｐｃと、下流側のテーパ部Ｂの上流端Ｐｂと、が周方向に連続していない。具体的には、下流側のテーパ部Ｂの上流端Ｐｂは、上流側のランド部Ｃの下流端Ｐｃよりも、上流側に配置されている。このため、上流側のランド部Ｃから下流側のテーパ部Ｂに移行する際の落差が小さい。したがって、潤滑油の流路断面積が急激に拡張しにくい。よって、潤滑油がランド部Ｃからテーパ部Ｂに流入する際、急激な圧力低下が発生しにくい。

また、降圧側境界部Ｅは、スパイラル方向に延在している。この点においても、上流側のランド部Ｃから下流側のテーパ部Ｂに移行する際に、潤滑油の流路断面積が急激に拡張しにくい。よって、潤滑油がランド部Ｃからテーパ部Ｂに流入する際、急激な圧力低下が発生しにくい。

また、図５に示すように、周方向に隣り合う一対のパッド部Ａ間において、上流側のランド部Ｃは、下流側のテーパ部Ｂの径方向外側に配置されている。また、潤滑油には、回転軸５０の回転に伴う遠心力が作用している。このため、上流側（径方向外側）のランド部Ｃから下流側（径方向内側）のテーパ部Ｂに、潤滑油が流入しにくい。したがって、潤滑油がランド部Ｃからテーパ部Ｂに流入する際、急激な圧力低下が発生しにくい。

また、図５に示すように、昇圧側境界部Ｄは、径方向（スラストカラー５３の回転方向に対して直交する方向）に延在している。このため、潤滑油がテーパ部Ｂからランド部Ｃに流入しやすい。

＜その他＞
以上、本発明のスラスト軸受およびターボチャージャの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

図７（Ａ）〜図７（Ｂ）に、その他の実施形態（その１〜その２）のスラスト軸受の前側の軸受側摺動面の部分前面図を示す。なお、図５と対応する部位については同じ符号で示す。図７（Ａ）に示すように、その他の実施形態（その１）のスラスト軸受によると、テーパ部Ｂの径方向外縁ｂは、基部ｂ１と突出部ｂ２とを備えている。基部ｂ１、突出部ｂ２は、各々曲線状を呈している。突出部ｂ２は、基部ｂ１の下流端に連なっている。突出部ｂ２は、基部ｂ１よりも曲率が大きい（曲がり具合がきつい）。このため、突出部ｂ２は、基部ｂ１から径方向外側に膨らんでいる。本実施形態のスラスト軸受によると、図７（Ａ）に矢印Ｙ３で示すように、潤滑油がテーパ部Ｂを流動する際の流動距離、つまり潤滑油を昇圧させるための距離（昇圧距離）を長くすることができる。このため、所望の負荷容量を有する油膜を、ランド部Ｃに形成することができる。

図７（Ｂ）に示すように、その他の実施形態（その２）のスラスト軸受によると、周方向に隣り合う一対のパッド部間（具体的には、上流側のテーパ部Ｂと、下流側のテーパ部Ｂと、の間）には、堤防部Ｆが配置されている。堤防部Ｆは、ランド部Ｃと同じ高度の壁状を呈している。本実施形態のスラスト軸受によると、図７（Ｂ）に矢印Ｙ４で示すように、下流側（径方向内側）のテーパ部Ｂから上流側（径方向外側）のテーパ部に、潤滑油が漏出するのを抑制することができる。このため、所望の負荷容量を有する油膜を、ランド部Ｃに形成することができる。

図７（Ａ）に示すテーパ部Ｂの径方向外縁ｂは、直線状に延在していてもよい。図５、図６に示すテーパ部Ｂは、周方向に亘って高度が一定（傾斜していない）の平坦部を有していてもよい。平坦部をテーパ部Ｂの上流端Ｐｂ付近に配置し、当該平坦部に油路４２の出口を開設してもよい。図３に示すスラスト軸受４の形状は特に限定しない。スラスト軸受４は馬蹄状でなくてもよい。例えば、スラスト軸受４は無端環状であってもよい。油路４２の出口の位置、配置数は、特に限定しない。油路４２の出口がスラスト軸受４の内周面に開口していてもよい。スラスト軸受４の用途は特に限定しない。ターボチャージャ１から独立してスラスト軸受４を用いてもよい。例えば、スラスト軸受４をスラストワシャとして具現化してもよい。

１：ターボチャージャ、３：ジャーナル軸受、４：スラスト軸受、５：回転部、４０：摺動部、４０ｆ：軸受側摺動面（摺動面）、４０ｒ：軸受側摺動面（摺動面）、４１：非摺動部、４２：油路、５０：回転軸、５１：コンプレッサインペラ、５２：タービンインペラ、５３：スラストカラー、５４：カラーターボシールリング、９０：ベアリングハウジング、９１：コンプレッサハウジング、９２：タービンハウジング、５３０：筒部、５３１ｆ：フランジ部、５３１ｒ：フランジ部、５３２ｆ：軸側摺動面、５３２ｒ：軸側摺動面、９０１ａ：油路、９０１ｂ：油路、９０２ａ：軸受収容部、９０２ｂ：軸受収容部、Ａ：パッド部、Ｂ：テーパ部、Ｃ：ランド部、Ｄ：昇圧側境界部、Ｅ：降圧側境界部、Ｆ：堤防部、Ｇ：軸心、Ｈ：中心線、Ｐｂ：上流端、Ｐｃ：下流端、ｂ：径方向外縁、ｂ１：基部、ｂ２：突出部

Claims (6)

1. 油膜を介して相手側部材に摺接する摺動面を備え、回転軸に作用する軸方向のスラスト荷重を支持するスラスト軸受であって、
   前記摺動面の周方向における、潤滑油の流動方向上流側を上流側、流動方向下流側を下流側として、
   前記摺動面は、テーパ部と、前記テーパ部の前記下流側に連なるランド部と、を有する複数のパッド部を有し、
   前記パッド部は、周方向および径方向に対して傾斜する方向に延在し、
   周方向に隣り合う一対の前記パッド部間において、前記上流側の前記パッド部の前記ランド部の下流端と、前記下流側の前記パッド部の前記テーパ部の上流端と、は周方向に連続していないことを特徴とするスラスト軸受。
2. 周方向に隣り合う一対の前記パッド部間において、前記上流側の前記パッド部の前記ランド部は、前記下流側の前記パッド部の前記テーパ部の、径方向外側に配置されている請求項１に記載のスラスト軸受。
3. 前記テーパ部の径方向外縁は、径方向外側に膨らむ突出部を有する請求項１または請求項２に記載のスラスト軸受。
4. 前記パッド部は、前記テーパ部と前記ランド部との境界に配置されると共に、径方向に延在する昇圧側境界部を有する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のスラスト軸受。
5. 周方向に隣り合う一対の前記パッド部間には、堤防部が配置されている請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のスラスト軸受。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のスラスト軸受を備えるターボチャージャであって、
   前記相手側部材は、前記回転軸に配置されるスラストカラーであるターボチャージャ。

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