JP6294555B1 - Aluminum alloy floating metal bearing - Google Patents
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Abstract
【課題】軸受けロスを軽減させるという課題を解決すべく、比重の小さなアルミニウムを利用して軸受けの軽量化を図り、回転の追従性を高めるとともにターボラグを減少させ、自励振動の抑制と、ノイズによる騒音の低減を図ることを課題とするものである。【解決手段】すべり軸受けの素材に、重量比において、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、その他各々の合計およびそれ以外の残部がアルミニウム（Ａｌ）から組成されるアルミニウム合金製とし、吸気側と排気側の双方のフローティングメタルベアリングの受け部となるベアリングハウジングに一体構造として軸受けされる構成を採用した。【選択図】図１In order to solve the problem of reducing bearing loss, the weight of the bearing is reduced by using aluminum with a small specific gravity, the followability of rotation is improved, the turbo lag is reduced, self-excited vibration is suppressed, and noise is reduced. It is an object to reduce noise due to the above. The material of the sliding bearing is silicon (Si), iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), magnesium (Mg), zinc (Zn), titanium (Ti), etc. in weight ratio. The total of each and the rest other than that are made of aluminum alloy composed of aluminum (Al), adopting a structure that is supported as an integral structure in the bearing housing that is the receiving part of both the intake side and exhaust side floating metal bearings did. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、滑り軸受けに関し、詳しくは、自動車用の排気タービン式ターボチャージャーのタービンシャフトの軸受けに軽量なアルミニウム合金を素材とするフローティングメタルベアリング技術に関するものである。 The present invention relates to a sliding bearing, and more particularly, to a floating metal bearing technology using a lightweight aluminum alloy as a material for a turbine shaft bearing of an exhaust turbine turbocharger for automobiles.
自動車用排気タービン式ターボチャージャーは、空気の密度を高め、より多くの酸素を燃焼室に送ることで、大気圏の中でも酸素濃度の低い高度の飛行を可能とする航空機技術から、自動車の内燃機関に用いる過給装置として転用された技術である。自動車用排気タービン式ターボチャージャーは、開発当初から現在に至るまでの間に多くの変遷を経て現在に至っており、開発当初の目的は出力の向上であり、１９７３年に自動車に最初に排気タービン式ターボチャージャーを搭載したＢＭＷ社の２００２ターボは、約３０％もの出力向上を果たしての登場であり、日本ではその後、ＤＯＨＣ（ダブルオーバーヘッドカムシャフト）との組み合わせ、インタークーラーによる更なる高出力化、タービンブレードのセラミックス化、タービンシャフトにボールベアリングを採用するなど、自動車メーカーで高出力競争が繰り広げられたという時代背景がある。 Automobile exhaust turbine turbochargers are used to increase the density of air and send more oxygen to the combustion chamber, enabling aircraft to fly to the internal combustion engine of automobiles, enabling high-level flight with low oxygen concentration in the atmosphere. It is a technology diverted as a supercharging device to be used. The exhaust turbine type turbocharger for automobiles has reached the present through many transitions from the beginning of development to the present, and the purpose of the initial development is to improve the output. BMW's 2002 turbo equipped with a turbocharger appeared to increase output by about 30%. In Japan, it was later combined with DOHC (double overhead camshaft), further increased output by an intercooler, turbine blade There is a background of high-power competition among automakers, such as the use of ceramics and ball bearings for turbine shafts.
このように、排気タービン式ターボチャージャーに関する技術は高められてきたが、近年のニーズは、化石燃料枯渇化の回避や排出ガスによる環境への影響や、環境負荷低減に目が向くようになり、ヨーロッパを中心とした小型ディーゼルエンジンや、我が国で進められている小排気量ガソリンエンジンに適合する適し、低回転域から加給可能な排気タービン式ターボチャージャーの開発が急務な現状である。 In this way, technologies related to exhaust turbine type turbochargers have been enhanced, but in recent years, the need for fossil fuel exhaustion, the environmental impact of exhaust gas, and the reduction of environmental impact have come to the fore. There is an urgent need to develop an exhaust turbine turbocharger suitable for small diesel engines, mainly in Europe, and small-displacement gasoline engines being promoted in Japan.
通常、排気タービン式ターボチャージャーは、内燃機関から排出される排気ガスを動力として利用するため、排気側インペラには、８００℃を超える超高温の燃焼ガスにさらされ、軸受けにも係る排気ガスからの伝熱により温度は上昇し、温度の上昇と下降が繰り返されるなど、温度変化も激しく、また、２０万回転にも達する程の超高速回転に耐えなければなないという、常に過酷な環境に耐えられるようため、その素材の選択には十分な検討が必要である。 Normally, an exhaust turbine type turbocharger uses exhaust gas discharged from an internal combustion engine as power, so the exhaust side impeller is exposed to an ultra-high temperature combustion gas exceeding 800 ° C. The temperature rises due to heat transfer, and the temperature rises and falls repeatedly, and the temperature changes drastically. In addition, it must be able to withstand ultra-high speeds that reach 200,000 revolutions. In order to be able to withstand, the selection of the material requires careful consideration.
更にまた、滑り軸受けは加減速時の摩擦抵抗が大きく、アクセルを開けてから吸気圧上昇までの過給の追従性はボールベアリングに比して劣り、そのため過給のタイムラグが生じる問題や、必要以上にアクセルを踏み込んでしまうことによる燃費の低下を招く場合がある。なお、追従性能が求められる一部の競技車両等では、接触による軸受けロスの低いボールベアリングを使用するもあるが、タービンシャフト周りの回転体による慣性モーメント増加に起因した振動やコスト面での問題を有している。 Furthermore, sliding bearings have a large frictional resistance during acceleration / deceleration, and the followability of supercharging from opening the accelerator to the intake pressure rise is inferior to that of ball bearings. There is a case where fuel consumption is reduced due to depression of the accelerator. In some racing vehicles that require tracking performance, ball bearings with low bearing loss due to contact may be used, but there are vibration and cost problems caused by increased moment of inertia due to the rotating body around the turbine shaft. have.
また、タービンシャフトは、通常、吸気側と排気側の外側、若しくは内側の２か所に浮動型のベアリング、又はボール型のベアリングによって軸支されるものが多いが、係る二つのベアリングが、軸芯に対してずれが生じないよう加工しなくてはならない。係る加工精度に狂いが生じると振動や騒音の原因となる。そこで、一部の排気タービン式ターボチャージャーでは、二つのボールベアリングを一体化してベアリングハウジングの軸受け部に備える構成のものも登場している。係る構成によれば、軸芯がぶれることなく、振動の抑制が図られるものと考えられる。しかしながら、ボールベアリングでは軸周りの回転体に生じる慣性モーメントが大きくなり、自励振動が発生するという問題が生じ、これを原因としてノイズの発生が生じるという問題が解決されていない。 In addition, turbine shafts are usually supported by floating bearings or ball bearings at two locations on the outside and inside of the intake side and exhaust side. It must be machined so that it does not deviate from the core. If a deviation occurs in the machining accuracy, vibration and noise are caused. Thus, some exhaust turbine turbochargers have a configuration in which two ball bearings are integrated into a bearing portion of a bearing housing. According to such a configuration, it is considered that the vibration is suppressed without the shaft core being shaken. However, in the ball bearing, the moment of inertia generated in the rotating body around the axis increases, and there is a problem that self-excited vibration occurs, and the problem that noise is generated due to this problem has not been solved.
なお、従来からも、前記の問題を解決すべく、本発明者以外からも種々の技術提案がなされている。例えば、発明の名称を「ターボチャージャー」とする技術が開示されている（特許文献１参照）。具体的には、「タービンとコンプレッサとを連結したシャフトと、前記シャフトを回動可能に支持する軸受部を有する軸受ハウジングと、前記シャフトと前記軸受部との間に介装されるすべり軸受と、を具備するターボチャージャーであって、前記軸受部はアルミニウム系材料で形成され、前記シャフトは鉄鋼材料で形成され、前記すべり軸受は銅系材料で形成される、ターボチャージャー。」が公開され公知技術となっている。しかしながら、特許文献１に記載の技術は、本発明の課題であるアルミニウム合金製を用いることによる軽量化を解決するに至っていない。 Conventionally, various technical proposals have been made by a person other than the present inventor in order to solve the above problem. For example, a technique in which the name of the invention is “turbocharger” is disclosed (see Patent Document 1). Specifically, “a shaft connecting a turbine and a compressor, a bearing housing having a bearing portion that rotatably supports the shaft, and a slide bearing interposed between the shaft and the bearing portion, , Wherein the bearing portion is made of an aluminum-based material, the shaft is made of a steel material, and the sliding bearing is made of a copper-based material. It has become a technology. However, the technique described in Patent Document 1 has not yet solved the weight reduction due to the use of an aluminum alloy that is the subject of the present invention.
また、発明の名称を「フローティングメタルを備えた軸受け」とする技術が開示されている（特許文献２参照）。具体的には、「回転軸の外周との間に第１摺動面隙間を有するとともに、軸受車室の内周との間に第２摺動面隙間を有するように設けられているフローティングメタルを備えた軸受において、中心を一致させて該回転軸に直交する平面で切った切り口での前記第１摺動面隙間と第２摺動面隙間の少なくとも１つが、周上一定でなく、複数個の漸減から成る形状になっており、かつ、該摺動面隙間に給油する給油孔がその隙間の最大の個所に設けられていることを特徴とする、フローティングメタルを備えた軸受」が公開され公知技術となっている。しかしながら、特許文献２に記載の技術は、本発明の課題であるアルミニウム合金製を用いることによる軽量化を解決するに至っていない。 Further, a technique is disclosed in which the name of the invention is “bearing provided with a floating metal” (see Patent Document 2). Specifically, “a floating metal provided so as to have a first sliding surface gap between the outer periphery of the rotating shaft and a second sliding surface gap between the inner periphery of the bearing casing. The at least one of the first sliding surface gap and the second sliding surface gap at a cut surface cut along a plane perpendicular to the rotation axis with the center aligned is not constant on the circumference, and a plurality of `` Bearings with floating metal, characterized in that the shape is composed of a gradual decrease and the oil supply hole for supplying oil to the sliding surface gap is provided at the largest part of the gap '' It is a well-known technique. However, the technique described in Patent Document 2 has not yet solved the weight reduction due to the use of an aluminum alloy that is the subject of the present invention.
また、発明の名称を「ターボチャージャー用のスラストベアリングの製造方法およびターボチャージャー用のスラストベアリング」とする技術が開示されている（特許文献３参照）。具体的には、「ターボチャージャー用のスラストベアリングの製造方法において、圧粉芯材を得る工程と、圧粉芯材を金型内に供給する工程と、圧縮成形する成型工程とを有し、オイルの流路を形成し、圧粉成型体を形成する工程であり、焼結工程を有し、金属粉末に相当する部分が接合しており、摺動性および耐摩耗性に優れることを特徴とするターボチャージャー用のスクラスベアリングの製造方法。」が公開され公知技術となっている。しかしながら、特許文献３に記載の技術は、本発明の課題であるアルミニウム合金を用いることによる軽量化を解決するに至っていない。 In addition, a technique is disclosed in which the title of the invention is “a method of manufacturing a thrust bearing for a turbocharger and a thrust bearing for a turbocharger” (see Patent Document 3). Specifically, "in the method for producing a thrust bearing for a turbocharger, a step of obtaining a dust core material, a step of supplying the dust core material into a mold, and a molding step of compression molding, It is a process of forming a flow path of oil and forming a compacted body, has a sintering process, and the part corresponding to the metal powder is joined, and is characterized by excellent slidability and wear resistance "A method for producing a class bearing for a turbocharger." However, the technique described in Patent Document 3 has not yet solved the weight reduction caused by using the aluminum alloy, which is the subject of the present invention.
なお、既に生産され実用化されているフローティングメタルベアリング中には、回転体の慣性モーメント低減と軸振動の提言を狙って、タービンホイールにチタンアルミニウム合金製を用いたものや、インペラおよびタービンシャフトにマグネシウム合金製を用いたものがある。これらは、回転体の回転モーメントを４２％低減し、更に軸の曲げ共振回転数を４４％上昇させることに成功した技術が商品化されている。しかしながら、軸受そのものにアルミニウム合金を用いたものは無く、回転体の一部として回転するベアリングメタルの軽量化についてはいまだに鋼合金製等のものが用いられている現状であり、より軽量なアルミニウム合金製のフローティングメタルベアリングの登場が期待されている。 Of the floating metal bearings that have already been produced and put into practical use, a titanium-aluminum alloy turbine wheel is used for impellers and turbine shafts, with the aim of reducing the moment of inertia of the rotating body and proposing shaft vibration. Some are made of magnesium alloy. These technologies have been commercialized in which the rotational moment of the rotating body is reduced by 42%, and the bending resonance rotational speed of the shaft is increased by 44%. However, there are no bearings that use an aluminum alloy, and the weight of the bearing metal that rotates as a part of the rotating body is still being used. Floating metal bearings are expected to appear.
本発明は、前記の軸受けロスを軽減させるという課題を解決すべく、比重の小さなアルミニウムを利用することで軸受けの軽量化を図り、回転の追従性を高めるとともにターボラグを減少させることに着目し、他方で、鋳鉄や他の非鉄金属の合金等と比較して耐熱性、耐摩耗性が低いというアルミニウムの特性から、従来高温下で使用される排気タービン式ターボチャージャーに用いる軸受けの素材としては、選択しにくかったという現状があり、これらを解決した排気タービン式ターボチャージャー用メタルベアリングとして利用可能な技術の提供を課題とするものである。 In order to solve the above-mentioned problem of reducing the bearing loss, the present invention aims to reduce the weight of the bearing by using aluminum with a small specific gravity, to increase the followability of rotation and reduce the turbo lag, On the other hand, because of the characteristics of aluminum, which is lower in heat resistance and wear resistance compared to cast iron and other non-ferrous metal alloys, etc., There is a current situation that it was difficult to select, and it is an object to provide a technology that can be used as a metal bearing for an exhaust turbine turbocharger that solves these problems.
また、一般にタービンシャフトにフローティングメタルベアリングを採用する場合では、シャフトの回転が高速になるため、自励振動が発生しやすいという問題が存在している。この点にいては対し本発明者は、制振効果の高いフローティングメタルベアリングに関して、軸受けの等角等方位置に真円度が異なる部分を設けた滑り軸受けを開発してすでに特許化をはかっている。係る技術を更に高めるためにも前記メタルベアリングの課題であったアルミニウム合金を利用することによる軽量化の実現を可能とする技術との組み合わせにより相乗効果が期待でき、より課題の解決に資するものであるといえる。 Further, in general, when a floating metal bearing is used for a turbine shaft, there is a problem that self-excited vibration is likely to occur because the shaft rotates at a high speed. In this regard, the present inventor has already developed and patented a sliding bearing in which a part having a different roundness is provided at the equiangular isotropic position of the bearing with respect to a floating metal bearing having a high vibration damping effect. Yes. In order to further enhance this technology, a synergistic effect can be expected by combining it with the technology that enables weight reduction by using the aluminum alloy, which was a problem of the above-mentioned metal bearings. It can be said that there is.
本発明は、排気タービン式ターボチャージャーのタービンシャフトの吸気側と排気側を一体的に軸受けする滑り軸受けであって、その素材が重量比において、ケイ素（Ｓｉ）：１０．０〜１１．５％、鉄（Ｆｅ）：０．５０％以下、銅（Ｃｕ）：２．０〜３．０％、マンガン（Ｍｎ）：０．１０％以下、マグネシウム（Ｍｇ）：０．２０〜０．５０％、亜鉛（Ｚｎ）：０．１０％以下、チタン（Ｔｉ）：０．１０％以下、その他各々０．１０％以下であってその他の合計が０．１５％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）から組成されるアルミニウム合金製である構成を採用した。 The present invention is a sliding bearing that integrally supports an intake side and an exhaust side of a turbine shaft of an exhaust turbine type turbocharger, the material of which is silicon (Si): 10.0 to 11.5% in weight ratio Iron (Fe): 0.50% or less, Copper (Cu): 2.0 to 3.0%, Manganese (Mn): 0.10% or less, Magnesium (Mg): 0.20 to 0.50% Zinc (Zn): 0.10% or less, Titanium (Ti): 0.10% or less, other 0.10% or less each other, 0.15% or less in total, the balance being aluminum (Al) The composition made of the aluminum alloy to be composed was adopted.
また、本発明は、排気タービン式ターボチャージャーのタービンシャフトの吸気側と排気側を一体的に軸受けする滑り軸受けであって、その素材が重量比において、ケイ素（Ｓｉ）：９．５〜１１．５％、鉄（Ｆｅ）：０．５０％以下、銅（Ｃｕ）：４．０〜５．０％、マンガン（Ｍｎ）０．３％以下、マグネシウム（Ｍｇ）０．４０〜０．８０％、亜鉛（Ｚｎ）０．５％以下、チタン（Ｔｉ）０．２％以下、その他各々０．１０％以下であってその他の合計が０．１５％以下、残部がアルミニウム（Ａｌ）から組成されるアルミニウム合金製である構成を採用することもできる。 Further, the present invention is a sliding bearing that integrally supports an intake side and an exhaust side of a turbine shaft of an exhaust turbine type turbocharger, the material of which is silicon (Si): 9.5-11. 5%, iron (Fe): 0.50% or less, copper (Cu): 4.0-5.0%, manganese (Mn) 0.3% or less, magnesium (Mg) 0.40-0.80% Zinc (Zn) 0.5% or less, Titanium (Ti) 0.2% or less, and each other 0.10% or less, the other total is 0.15% or less, and the balance is composed of aluminum (Al). It is also possible to adopt a configuration made of an aluminum alloy.
また、本発明は、軸受け穴の表面に真円度を変化させることにより流体潤滑条件の異なる領域を軸芯から等角等方的に複数連続して備えた構成を採用することもできる。 The present invention can also employ a configuration in which a plurality of regions having different fluid lubrication conditions are equilaterally and isotropically provided from the shaft core by changing the roundness on the surface of the bearing hole.
また、本発明は、前記流体潤滑条件の異なる領域が６個である構成を採用することもできる。 In addition, the present invention may employ a configuration in which there are six regions with different fluid lubrication conditions.
本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングによれば、素材にアルミニウム合金製にすることにより、従来の銅系と比較して比重が約三分の一であることから軽量化を実現でき、回転物の慣性力を低減しレスポンスの向上とターボラグの減少を図ることを可能とするという優れた効果を発揮する。 According to the floating alloy bearing made of aluminum alloy according to the present invention, the weight can be reduced by making the material made of aluminum alloy because the specific gravity is about one-third compared with the conventional copper system, and the rotation It exhibits an excellent effect of reducing the inertial force of the object, making it possible to improve the response and reduce the turbo lag.
また、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングによれば、近年開発された一体型ボールベアリングでは解決できていない問題を解決できるという優れた効果を発揮するものである。即ち、一体型ボールベアリングでは、軸芯周りの回転体に生じる慣性モーメントが大きくなり、自励振動が発生し易く、これを原因としたノイズの発生についても解決できていないものといえ、本発明では、アルミニウム合金化することによって軽量化が図られた結果と、軸芯周りの慣性モーメントの少ないフローティングメタルベアリングを用いたことから、自励振動も起こりにくく、軸芯がブレない一体型の長所を引き出す構成となっているからである。 Moreover, according to the floating alloy bearing made of aluminum alloy according to the present invention, an excellent effect that a problem that cannot be solved by a recently developed integrated ball bearing can be solved. That is, in the integrated ball bearing, the moment of inertia generated in the rotating body around the axis increases, so that self-excited vibration is likely to occur, and it can be said that the generation of noise caused by this has not been solved. Then, because of the weight reduction achieved by using an aluminum alloy and the use of a floating metal bearing with a small moment of inertia around the shaft core, self-excited vibration is unlikely to occur and the shaft core does not shake. It is because it is the structure which pulls out.
また、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングによる前記の効果と、本発明者が既に特許化をはかっている、振動の抑制に関する技術との結合により、相互の効果が相乗的に発揮され、高性能排気タービン式ターボチャージャーの提供を可能とする優れた効果を発揮するものである。 In addition, the effect of the aluminum alloy floating metal bearing according to the present invention and the technology related to vibration suppression, which the inventor has already patented, have mutually synergistic effects, It exhibits an excellent effect that enables the provision of a high-performance exhaust turbine turbocharger.
本発明は、排気タービン式ターボチャージャー１０用のタービンシャフトメタルベアリングに比重の小さなアルミニウム合金を利用し軽量化を図ることでタービンの回転レスポンスの向上とターボラグの減少、並びに振動の抑制を可能としたことを最大の特徴とするものである。以下、図面及び表に基づいて説明する。但し、係る図面や表に記載された形状や構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の創作として発揮する効果の得られる範囲内で変更可能である。 The present invention makes it possible to improve the rotational response of the turbine, reduce the turbo lag, and suppress vibration by using a low specific gravity aluminum alloy for the turbine shaft metal bearing for the exhaust turbine turbocharger 10 to reduce the weight. This is the biggest feature. Hereinafter, description will be made based on the drawings and tables. However, the present invention is not limited to the shapes and configurations described in the drawings and tables, and can be changed within a range where an effect exerted as a creation of the technical idea of the present invention can be obtained.
図１は、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１の概略を説明する説明図であり、図１（ａ）は、本発明に係る一体型のフローティングメタルベアリング２０の全体構成を説明する全体説明図であり、図１（ｂ）は、本発明に係るスラストカラー２２を示すＡ−Ａ’断面図であり、図１（ｃ）は、本発明に係るフローティングメタルベアリング２０を示すＢ−Ｂ’断面図であり、図１（ｄ）は、本発明に係るスラストベアリング２１を示すＣ−Ｃ’断面図である。 FIG. 1 is an explanatory view for explaining an outline of an aluminum alloy floating metal bearing 1 according to the present invention, and FIG. 1 (a) is an overall view for explaining an entire structure of an integrated floating metal bearing 20 according to the present invention. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ showing the thrust collar 22 according to the present invention, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line BB showing the floating metal bearing 20 according to the present invention. 1 is a cross-sectional view, and FIG. 1D is a cross-sectional view taken along the line CC 'showing a thrust bearing 21 according to the present invention.
タービンシャフト３１の軸受けに用いられる滑り軸受けは、通常と同様にフルフローティングメタルベアリング２０、スラストベアリング２１、又はスラストカラー２２から構成されている。 The sliding bearing used for the bearing of the turbine shaft 31 includes a full floating metal bearing 20, a thrust bearing 21, or a thrust collar 22 as usual.
スラストベアリング２１は、タービンシャフト３１に加わる空気圧力、ガス圧量や振動による軸方向の力を支える軸受けであり、排気圧は大きくても１．５ｋｇｆ／ｃｍ２（１５０ｋＰａ）程度であるため、スラストベアリング２１に係る圧力はそれほど高いものではなく、本発明に係るアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２製の機械的特性で十分対応可能であることから、フローティングメタルベアリング２０と併せて排気タービン３０の軽量化を図ることが望ましい。 The thrust bearing 21 is a bearing that supports the axial force due to the air pressure, gas pressure amount and vibration applied to the turbine shaft 31, and the exhaust pressure is about 1.5 kgf / cm 2 (150 kPa) at most. The pressure applied to the bearing 21 is not so high, and the mechanical characteristics made of the aluminum alloys AA1 and AA2 according to the present invention can be sufficiently used. Therefore, the exhaust turbine 30 can be reduced in weight together with the floating metal bearing 20. It is desirable.
スラストカラー２２は、従来の別個型滑り軸受けで用いられるものもあるが、本発明に係る一体型のアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１では、スラストカラー２２は不要である。 The thrust collar 22 may be used in a conventional separate type sliding bearing, but the integral collar aluminum alloy floating metal bearing 1 according to the present invention does not require the thrust collar 22.
フローティングメタルベアリング２０は、円筒状の軸受けで内外周の軸とベアリングハウジング４０とのクリアランスを維持して接し、回転自在である。また、内外集の油膜でダンピング効果が高く、相対速度も低くなり高速軸受けに適しているといえる。そこで本発明は、これらの問題を解決するとともに、今後益々増加するであろう、ダウンサイジングされる小排気量の内燃機関を搭載するエンジンのターボ化に必要な技術といえる。 The floating metal bearing 20 is a cylindrical bearing that is in contact with the inner and outer peripheral shafts while maintaining a clearance between the bearing housing 40 and is rotatable. In addition, the oil film collected inside and outside has a high damping effect, and the relative speed is also low, which can be said to be suitable for high-speed bearings. Therefore, the present invention can be said to be a technique necessary for turbocharging an engine equipped with an internal combustion engine with a small displacement to be downsized, which will solve these problems and will increase more and more in the future.
オイル供給溝２４は、外周に周設され、複数のオイル供給孔２５を繋ぐ溝でありエンジン側から供給される潤滑油をベアリングハウジング４０との間に油膜を持って保持するとともに浮動性を向上させるために有効な構造である。 The oil supply groove 24 is provided on the outer periphery and connects the plurality of oil supply holes 25 to hold the lubricating oil supplied from the engine side with an oil film between the bearing housing 40 and improve the floatability. This is an effective structure.
オイル供給孔２５は、外周から軸受け穴２６まで軸芯から等角等方位置に複数設けられたオイル供給のための孔部である。該オイル供給孔２５は、６個に配置した構成とすることが望ましい。但し、係る配置数に限定されるものではなく、本発明の技術的要部ともいうべき、流体潤滑条件の異なる領域を存在させることによって、センタリング効果と自励振動の抑制の効果が得られる限り、係る配置数は自由に設定できるものである。 The oil supply holes 25 are holes for oil supply provided in a plurality from the outer periphery to the bearing hole 26 at equiangular positions from the shaft core. The oil supply holes 25 are desirably arranged in six. However, the number of arrangements is not limited to this, and the centering effect and the suppression effect of self-excited vibration can be obtained by the presence of regions having different fluid lubrication conditions, which should be referred to as technical essential parts of the present invention. The number of arrangements can be freely set.
軸受け穴２６の表面には、流体潤滑条件の異なる領域が軸芯から等角等方等距離に複数連続して備えるように内面加工されて成り、該流体潤滑条件の異なる領域は前記略真円の軸受け穴２６の表面において、略真円の軸の表面とのクリアランスによって形成される膜状のオイル流路に、軸芯方向に向かう略凸状の狭い流路が形成されるように真円度を僅かに変化させ、その僅かな膜状の流路で油圧変化を生じさせることで、低回転領域から高いセンタリング効果を発揮し、ノイズ発生を軽減する構成を採用することが望ましい。 The surface of the bearing hole 26 is internally processed so that a plurality of regions having different fluid lubrication conditions are continuously provided at equiangular and isometric distances from the shaft core. The regions having different fluid lubrication conditions are substantially circular. On the surface of the bearing hole 26, a perfect circle is formed so that a substantially convex narrow flow passage in the axial direction is formed in a film-like oil flow passage formed by a clearance from the surface of the substantially perfect shaft. It is desirable to adopt a configuration that exhibits a high centering effect from a low rotation region and reduces noise generation by slightly changing the degree and causing a change in hydraulic pressure in the slight film-like flow path.
図２は、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１を使用する排気タービン３０の構成を説明する構成説明図である。図２に示す通り、排気タービン３０は、排気側インペラ３２、吸気側インペラ３３、タービンシャフト３１、一体型のフローティングメタルベアリング２０で構成されることを示している。 FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the exhaust turbine 30 that uses the aluminum alloy floating metal bearing 1 according to the present invention. As shown in FIG. 2, the exhaust turbine 30 is composed of an exhaust side impeller 32, an intake side impeller 33, a turbine shaft 31, and an integrated floating metal bearing 20.
排気タービン３０は、排気側インペラ３２と吸気側インペラ３３をタービンシャフト３１の両端に配置して固定される回転体である。 The exhaust turbine 30 is a rotating body that is fixed by disposing an exhaust side impeller 32 and an intake side impeller 33 at both ends of the turbine shaft 31.
排気側インペラ３２は、排気ガスのエネルギーを回転運動として吸収するための羽根車であり、タービンシャフト３１を介して反対側の端部に設けられる吸気側インペラ３３へと伝達するものである。係る排気ガスによる動作流体を効率よく吸収して回転運動へと変化させるため、複数の羽根は過給のために適した形状に成形され、また、ガソリンエンジンでは排気ガスの温度が１０００℃を超える場合もあるため、係る温度にも耐えうる素材が必要となる。なお、従来からセラミック素材やチタン合金などが一部の競技車両等で用いられているが、セラミックは耐熱性が優れるものの、割れ等が生じ易く、チタン合金製は高価でコスト的な問題を有している。そこで、本発明では、軸受けにアルミニウム合金を用いることで、回転体の慣性力による過給のレスポンスを向上させることを目的とすることから、同一軸芯上を回転する排気側インペラ３２についても可能な限りの軽量化を図ることが有効である。 The exhaust-side impeller 32 is an impeller for absorbing the energy of the exhaust gas as a rotational motion, and is transmitted to the intake-side impeller 33 provided at the opposite end via the turbine shaft 31. In order to efficiently absorb the working fluid due to the exhaust gas and change it into a rotational motion, the plurality of blades are formed in a shape suitable for supercharging, and in a gasoline engine, the temperature of the exhaust gas exceeds 1000 ° C. In some cases, a material that can withstand such temperatures is required. Conventionally, ceramic materials and titanium alloys have been used in some racing vehicles. Ceramics are excellent in heat resistance, but cracks are likely to occur, and titanium alloys are expensive and have cost problems. doing. Therefore, in the present invention, the use of an aluminum alloy for the bearing aims to improve the response of supercharging due to the inertial force of the rotating body. Therefore, the exhaust-side impeller 32 rotating on the same shaft core is also possible. It is effective to reduce the weight as much as possible.
吸気側インペラ３３は、排気側インペラ３２が排気ガスによって回転させられた回転駆動力により回転し、大気中から流入する自然空気圧力と、流速を増加させて、シリンダー内へ押し込むための羽根車である。なお、タービンは２０万ｒｐｍもの高回転となるため、インペラ３２の羽根の先端付近では音速を超える速度となり、空気抵抗によっても加熱され、係る空気の接触に対する強度も必要である。 The intake-side impeller 33 is an impeller for rotating the exhaust-side impeller 32 by the rotational driving force rotated by the exhaust gas, increasing the natural air pressure flowing from the atmosphere, and increasing the flow velocity and pushing it into the cylinder. is there. Since the turbine has a high rotation speed of 200,000 rpm, the speed near the tip of the impeller 32 blades exceeds the speed of sound, and is heated by air resistance, and the strength against such air contact is also necessary.
すべり軸受けの設計には、使用温度、荷重、すべり速度、相手材材質、トルク、精度、環境、運動形態、期待寿命等の諸条件を明確に把握しておく必要がある。本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１では、軸受材の許容面圧や許容すべり速度を考慮するとともに、使用温度、相手材材質、潤滑条件等の検討が必要であり、 In designing a sliding bearing, it is necessary to clearly understand various conditions such as operating temperature, load, sliding speed, mating material, torque, accuracy, environment, movement form, and expected life. In the floating alloy bearing 1 made of an aluminum alloy according to the present invention, it is necessary to consider the allowable surface pressure of the bearing material and the allowable sliding speed, and to examine the operating temperature, the material of the counterpart material, the lubrication conditions,
面圧Ｐ（Ｐａ）とすべり速度Ｖ（ｍ／ｍｉｎ）の積として表わされるＰＶ値を利用して、軸受材の使用可能な運転許容範囲を判定する。但し、面圧及びすべり速度にも各許容値があり、使用可能な範囲は、面圧と滑り速度でそれぞれに許容値を定めるＰＶ曲線となる。なお、すべり速度Ｖの計算式は、Ｖ＝π×ｄ×ｎＸ１０−３で求められる。 The allowable operating range of the bearing material is determined using the PV value expressed as the product of the surface pressure P (Pa) and the sliding speed V (m / min). However, the surface pressure and the sliding speed also have respective allowable values, and the usable range is a PV curve that determines the allowable values for the surface pressure and the sliding speed. In addition, the calculation formula of the sliding speed V is calculated | required by V = (pi) * d * nX10 < -3 >.
図３は、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１が排気タービン式ターボチャージャー１０に組み込まれた状態の概略説明図であり、タービンシャフト３１の排気側と吸気側を軸受けするベアリングハウジング４０に、一体型のフローティングメタルベアリング２０を組み込んだ状態を示している。 FIG. 3 is a schematic explanatory view of a state in which the aluminum alloy floating metal bearing 1 according to the present invention is incorporated in the exhaust turbine turbocharger 10. The bearing housing 40 that bears the exhaust side and the intake side of the turbine shaft 31 is shown in FIG. The state which integrated the floating metal bearing 20 is shown.
タービンハウジング５０は、排気側インペラ３２を包み、排気ガスの導入部分、及び吐き出し部分とにより構成される部品であり、エンジンからの排気ガスを加速させ、排気側インペラ３２に導く役割を果たすものである。係るタービンハウジング５０は、排気ガスを直接導くため高温下に常にさらされ、耐熱性、放熱性、および熱膨張しにくいなどの特性を有する鋳鉄製のものが一般的に用いられている。 The turbine housing 50 is a component that includes the exhaust-side impeller 32 and is configured by an exhaust gas introduction portion and a discharge portion, and serves to accelerate exhaust gas from the engine and guide it to the exhaust-side impeller 32. is there. The turbine housing 50 is generally made of cast iron that is always exposed to high temperatures to directly guide the exhaust gas, and has characteristics such as heat resistance, heat dissipation, and thermal expansion resistance.
ベアリングハウジング４０は、タービンハウジング５０とコンプレッサーハウジング６０の中心にあって、タービンシャフト３１の軸受けを備え、前記両ハウジングを結合し、支える機能を持つものである。本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１における構成は、吸気側と排気側とを一体化された一つのフローティングメタルベアリング２０をベアリングハウジング４０で軸受けする構成を採用した場合を例示している。 The bearing housing 40 is provided at the center of the turbine housing 50 and the compressor housing 60 and includes a bearing for the turbine shaft 31 and has a function of connecting and supporting the two housings. The configuration of the aluminum alloy floating metal bearing 1 according to the present invention illustrates a case where a configuration in which one floating metal bearing 20 in which the intake side and the exhaust side are integrated is supported by the bearing housing 40 is employed.
コンプレッサーハウジング６０は、吸気側インペラ３３を包み、空気の吸い込み部分および吐き出し部分から構成されて空気を導くとともに、吸気側インペラ３３で与えられた動圧を静圧に変換する機能を有するものである。 The compressor housing 60 encloses the intake-side impeller 33, is configured from an air suction portion and a discharge portion, guides air, and has a function of converting the dynamic pressure applied by the intake-side impeller 33 into a static pressure. .
図１から図３に示されるように、本発明は、外見からは通常のフローティングメタルベアリング２０と何ら変わらないように見えるものである。しかしながら、本発明の技術的要部は、外見から判断できるものではなく、従来使用できなかったアルミニウム合金を改良して利用可能とした点にあり、その構成についての配合比率は表１に示した通りである。 As shown in FIGS. 1 to 3, the present invention appears to be no different from a normal floating metal bearing 20 in appearance. However, the technical main part of the present invention is not able to be judged from the appearance, but is an improved aluminum alloy that could not be used in the past, and the blending ratio for the constitution is shown in Table 1. Street.
表１は、ベースの金属に配合される各種金属の比率を示すもので、本発明に係る請求項１又は２に係る発明をそれぞれ上から順にアルミニウム合金ＡＡ１とＡＡ２として示し、その下方には、従来よりタービンシャフト３１に用いられている銅系合金を示し、比較できるようにしたものである。 Table 1 shows the ratio of various metals to be blended with the base metal. The invention according to claim 1 or 2 according to the present invention is shown as aluminum alloys AA1 and AA2 in order from the top, respectively, and below that, The copper-type alloy conventionally used for the turbine shaft 31 is shown and it can be compared now.
ケイ素（Ｓｉ）は、含有することにより熱による膨張を抑え、耐摩耗性の向上を図るものであり、含有率は９．５Ｗｔ％から１１．５Ｗｔ％の範囲以内であって、より好ましくは１０．０Ｗｔ％から１１．５Ｗｔ％の範囲以内であることが望ましい。 Silicon (Si) suppresses expansion due to heat by containing silicon and improves wear resistance. The content is within a range of 9.5 Wt% to 11.5 Wt%, more preferably 10%. It is desirable to be within the range of 0.0 Wt% to 11.5 Wt%.
鉄（Ｆｅ）は、焼付き防止のために含有する。但し、鉄の含有量を増やすと強度を低下させることになる。含有率は０．５Ｗｔ％以下が望ましい。 Iron (Fe) is contained to prevent seizure. However, when the iron content is increased, the strength is lowered. The content is desirably 0.5 Wt% or less.
銅（Ｃｕ）は、強度を向上させるため含有するまた、更にニッケルを加えることにより、更に強度の向上を可能とする。含有率は２．０Ｗｔ％から５．０Ｗｔ％範囲以内であって、好ましくは２．０Ｗｔ％から３．０Ｗｔ％又は４．０Ｗｔ％から５．０Ｗｔ％の何れかの範囲以内であることが望ましい。 Copper (Cu) is contained to improve the strength. Further, nickel can be further added to further improve the strength. The content is within a range of 2.0 Wt% to 5.0 Wt%, preferably within a range of 2.0 Wt% to 3.0 Wt% or 4.0 Wt% to 5.0 Wt%. .
マンガン（Ｍｎ）は、アルミニウムの耐蝕性をそのままに強度を向上させることができ、更にマグネシウム（Ｍｇ）の含有によりその強度の向上を高めるものである。含有率は０．３Ｗｔ％以下の範囲以内であって、より好ましくは０．１Ｗｔ％以下であることが望ましい。 Manganese (Mn) can improve the strength while maintaining the corrosion resistance of aluminum as it is, and further increases the strength by containing magnesium (Mg). The content is within the range of 0.3 Wt% or less, and more preferably 0.1 Wt% or less.
マグネシウム（Ｍｇ）は、含有することにより強度と耐蝕性を向上することが出来る。但し、冷間加工のままでは経年変化により強度が落ちるため安定化処理を行う。特に高温で使用する排気タービン式ターボチャージャー１０においては、応力腐食割れの問題があるため、軟質材の髭右が必要となる。更に、マグネシウム（Ｍｇ）とケイ素（Ｓｉ）を一定の含有比で含有すると、熱処理による時効硬化に寄与する。含有率は０．２Ｗｔ％から０．８Ｗｔ％の範囲以内であって、好ましくは０．２Ｗｔ％から０．５Ｗｔ、熱処理することによりアルミニウム合金中最も高強度の合金となる。含有率は０．５Ｗｔ％％又は０．４Ｗｔ％から０．８Ｗｔ％の何れかの範囲以内であることが望ましい。 By containing magnesium (Mg), strength and corrosion resistance can be improved. However, if cold working is used, the strength decreases due to aging, so stabilization is performed. In particular, in the exhaust turbine turbocharger 10 used at a high temperature, there is a problem of stress corrosion cracking, and therefore, a soft material is required. Furthermore, when magnesium (Mg) and silicon (Si) are contained in a certain content ratio, it contributes to age hardening by heat treatment. The content is within the range of 0.2 Wt% to 0.8 Wt%, and preferably 0.2 Wt% to 0.5 Wt, and by heat treatment, the alloy has the highest strength among aluminum alloys. The content is preferably within a range of 0.5 Wt% or 0.4 Wt% to 0.8 Wt%.
亜鉛（Ｚｎ）は、マグネシウム（Ｍｇ）とともに含有し以下であって、より好ましくは０．１Ｗｔ％以下であることが望ましい。 Zinc (Zn) is contained together with magnesium (Mg) or less, more preferably 0.1 Wt% or less.
チタン（Ｔｉ）は、結晶粒微細化や機械的性質向上、或いはＡｌ−Ｃｕ系合金などで、引け割れ防止を図ることが出来る。但し、含有量が過剰になると溶湯粘性が増加するという問題が生じる。含有率は０．２Ｗｔ％以下の範囲以内であり、より好ましくは０．１Ｗｔ％以下であることが望ましい。 Titanium (Ti) can prevent cracking by crystal grain refinement, mechanical property improvement, or Al—Cu alloy. However, when the content is excessive, there arises a problem that the melt viscosity increases. The content is within the range of 0.2 Wt% or less, and more preferably 0.1 Wt% or less.
本発明に係るアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２は、上記の組成である。従来の滑り軸受けに用いられる金属としては、ホワイトメタル、銅合金、鋼合金等が使用されてきた。係るホワイトメタルは、室温での耐焼付き性、順応性、埋収性は良好で、静荷重用軸受けに用いるのであれば最適な素材といえる。しかし、高温に晒される排気タービン式ターボチャージャー１０のタービンシャフト３１に用いる軸受けの素材としては限界が低いものであった。 Aluminum alloys AA1 and AA2 according to the present invention have the above composition. As a metal used for a conventional sliding bearing, white metal, copper alloy, steel alloy and the like have been used. Such white metal has good seizure resistance at room temperature, adaptability, and embedding property, and can be said to be an optimal material if used for a bearing for static load. However, the material of the bearing used for the turbine shaft 31 of the exhaust turbine turbocharger 10 that is exposed to high temperature has a low limit.
銅鉛合金、又は鉛青銅合金等は、上記のホワイトメタルに代わって軸受けの素材として研究されたものであり、ホワイトメタル欠点を改善し、更に高い耐摩耗性等を備えることを可能とする金属である。但し、銅をベースに合金化されたものの多くは、銅が軸へ浸透することによる問題があり、係る問題を解決すべく、現在では、表面にコーティングされるようになっているため、コスト高となり、製造工程における手間や時間が大きくなるという問題を有している。 Copper-lead alloy or lead-bronze alloy has been studied as a bearing material in place of the above-mentioned white metal, and can improve white metal defects and provide higher wear resistance. It is. However, many of the alloys based on copper have a problem due to the penetration of copper into the shaft, and at present, the surface is coated to solve such a problem. Thus, there is a problem that labor and time in the manufacturing process are increased.
そこで、比重の小さいアルミニウム合金による軸受けも既に開発されるようになり、すずや鉛の軟質な元素を独立した成分として存在させたＡｌ−ＳＡやＡｌＣｕ等とも使用されるようになってきている。わが国では、合金の技術としてアルミニウムをベースにする合金の技術として、アルミニウム合金を軸受けに用いた場合には強さと軟らかさの両方の特性を兼ね備えさせることが可能で、通常メッキ無しで使用できるという従来製品にはない有利な効果を発揮するものである。係るアルミニウム合金において、すずの含有量を増加させるとともに、耐焼付き性と耐食性に優れるＡｌ−Ｓｎ系合金や、硬質物のケイ素（Ｓｉ）を含有したＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系合金は、耐摩耗性及び耐疲労性が優れ、自動車エンジン用軸受けの主流となり、日本の提案によりＩＳＯ規格に追加された合金の一種でもある。 Therefore, bearings made of an aluminum alloy having a small specific gravity have already been developed, and Al-SA, AlCu, etc., in which a soft element of tin or lead is present as an independent component, have come to be used. In Japan, as an alloy technology based on aluminum as an alloy technology, when an aluminum alloy is used for a bearing, it is possible to have both strength and softness characteristics, and it can be used without plating normally. It exhibits an advantageous effect not found in conventional products. In such an aluminum alloy, while increasing the tin content, the Al-Sn alloy having excellent seizure resistance and corrosion resistance, and the Al-Sn-Si alloy containing hard silicon (Si) are resistant to wear and It is excellent in fatigue resistance, has become the mainstream of bearings for automobile engines, and is a kind of alloy added to the ISO standard by the proposal of Japan.
そこで、高温化における軸受けにも比重の小さなアルミニウム合金を利用できれば、軽量な排気タービン３０を構成することができ、前記追従性の問題や熱伝導などの多くの問題点を解消することができるといえる。しかし、アルミニウム（Ａｌ）の融点は約６６０℃で、再結晶温度も約２００℃と低く、更にクリープ反応を１８０℃で発生させてしまうなど、２００℃付近で使用する排気タービン式ターボチャージャー１０のタービンシャフト３１を軸受けする軸受けには使用できないものであった。 Therefore, if an aluminum alloy having a small specific gravity can also be used for a bearing at a high temperature, a lightweight exhaust turbine 30 can be configured, and many problems such as the followability problem and heat conduction can be solved. I can say that. However, the melting point of aluminum (Al) is about 660 ° C., the recrystallization temperature is as low as about 200 ° C., and a creep reaction is generated at 180 ° C. It cannot be used as a bearing for bearing the turbine shaft 31.
そこで、本発明では、排気タービン式ターボチャージャー１０のタービンシャフト３１付近の潤滑オイルは、１３０℃から１５０℃付近まで上昇することがあるので、軸受けには少なくとも１５０℃程度、望ましくは２００℃程度ではクリープが発生せず、強度や硬さ等の機械的特性が低下しない合金とすることが必要といえる。 Therefore, in the present invention, the lubricating oil in the vicinity of the turbine shaft 31 of the exhaust turbine type turbocharger 10 may rise from 130 ° C. to around 150 ° C., so that the bearing has at least about 150 ° C., preferably about 200 ° C. It can be said that an alloy that does not cause creep and does not deteriorate mechanical properties such as strength and hardness is necessary.
そこで、本発明者は、上記それぞれの問題を全て解消するアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１の素材を研究開発し、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１の完成に至ったものである。 Accordingly, the present inventor has researched and developed a material for the aluminum alloy floating metal bearing 1 that solves all of the above problems, and has completed the aluminum alloy floating metal bearing 1 according to the present invention.
表２は、本発明に係るアルミニウム合金の機械的特性を調査した結果を示すものである。調査対象とした材料は、押し出し材料を室温にて調質（Ｔ６処理）後のものである。調査項目は、引張強さ（ＭＰａ）、０．２％耐力（ＭＰａ）、伸び（％）、並びに硬度（ＨＲＢ）である。 Table 2 shows the results of investigating the mechanical properties of the aluminum alloy according to the present invention. The material to be investigated is the one after extruding the extruded material at room temperature (T6 treatment). The survey items are tensile strength (MPa), 0.2% yield strength (MPa), elongation (%), and hardness (HRB).
調質は、製品を１５０℃及び２００℃で１００時間使用した状態を想定して行なうものであり、Ｔ６処理後に硬度及び引張強さ測定を行ったものである。なお、係るＴ６処理は、アルミニウム合金の機械的性質、強さ、硬さ、及び、機械加工性を向上させるために、人工的に析出時効を行わせる処理を組み合わせた熱処理であり、溶体化・焼入れ・焼もどしを行うものである。 The tempering is performed assuming that the product is used at 150 ° C. and 200 ° C. for 100 hours, and the hardness and tensile strength are measured after the T6 treatment. The T6 treatment is a heat treatment that combines a treatment for artificially performing precipitation aging in order to improve the mechanical properties, strength, hardness, and machinability of the aluminum alloy. Quenching and tempering.
線膨張係数は、クリアランスの設計上必要な材料の特性であり、特定の方向に伸縮する伸縮率を示し、体積の変化に伴って膨張する熱膨張係数とは異なり、形状によって係数が変化する。本発明では、軸受けと軸との間の隙間という特定方向の膨張が問題となるが、アルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２は、それぞれ線膨張係数が２２．２×１０−６／℃と２０．８１０−６／℃となっており、従来品の代表的な銅合金（Ｃ１１００：引張強さ２１５Ｎ／ｍｍ２から３１５Ｎ／ｍｍ２、伸び２％から１０％、硬度８０以下）製のメタルベアリングに用いられていた１７．７×１０−６／℃とする略同等の線膨張係数を有し、最も普及している真鍮製の２０．５×１０−６／℃と同等の膨張特性を示すことから、熱影響によるクリアランス変化が従来の銅合金製や真鍮製の滑り軸受と同様となることを示している。但し、係る数値は、従来から用いられていた真鍮製等の滑り軸受けの相手方となるタービンシャフト３１に対応する膨張特性を考慮したものであって、タービンシャフト３１の素材が変化すれば、その素材に応じてＡＡ１とＡＡ２とを使い分ければよく、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１が利用できることは明らかである。 The linear expansion coefficient is a characteristic of a material necessary for designing the clearance. The linear expansion coefficient indicates an expansion / contraction ratio that expands and contracts in a specific direction. Unlike the thermal expansion coefficient that expands with a change in volume, the coefficient changes depending on the shape. In the present invention, expansion in a specific direction called a gap between the bearing and the shaft becomes a problem, but the aluminum alloys AA1 and AA2 have linear expansion coefficients of 22.2 × 10 −6 / ° C. and 20.810 −6, respectively. It is used for metal bearings made of typical copper alloys (C1100: tensile strength 215N / mm 2 to 315N / mm 2 , elongation 2% to 10%, hardness 80 or less). 17.7 × 10 −6 / ° C. and substantially the same linear expansion coefficient, exhibiting the same expansion characteristics as the most popular brass 20.5 × 10 −6 / ° C. It shows that the clearance change due to the influence is the same as that of conventional plain bearings made of copper alloy or brass. However, such numerical values are based on the expansion characteristics corresponding to the turbine shaft 31 that is the counterpart of the conventional sliding bearing made of brass or the like, and if the material of the turbine shaft 31 changes, that material It is clear that AA1 and AA2 may be properly used according to the above, and the aluminum alloy floating metal bearing 1 according to the present invention can be used.
硬度は、フローティングメタルベアリング２０おいては、回転初期に接触し、回転が始まると油膜の上に軸受けが乗ることから、摩擦に対する耐摩耗性おいては有利な構成であり、高い耐久性を得られるという半面、タービンシャフト３１との関係で適宜硬度差が必要である。係る硬度差が少ないと磨耗しやすくなる。そこで、本発明では、従来のターボチャージャー用タービンシャフトジャーナル軸受けに用いられている銅合金、例えばＢＭ−９Ｅ（７５ＨＲＢ）、ＹＺ５Ｘ（７２ＨＲＢ）、Ｐ−３１Ｃ（８３ＨＲＢ）、ＡＴ−３Ｅ（９０ＨＲＢ）、という常温での硬度を有し、本発明ではＡＡ１が７９ＨＲＢ、ＡＡ２が８５ＨＲＢであって、２００℃では多少の硬度の低下は見られるものの、ＡＡ１で６０ＨＲＢ、ＡＡ２で７１ＨＲＢという硬度を有しており、前記銅合金と比較しても十分な性能を維持していることが分かる。 The hardness of the floating metal bearing 20 is in an advantageous configuration in terms of wear resistance against friction because it comes into contact with the initial stage of rotation in the floating metal bearing 20 and the bearing is placed on the oil film when the rotation starts. On the other hand, a hardness difference is necessary as appropriate in relation to the turbine shaft 31. When the hardness difference is small, it becomes easy to wear. Therefore, in the present invention, copper alloys used in conventional turbine shaft journal bearings for turbochargers, such as BM-9E (75HRB), YZ5X (72HRB), P-31C (83HRB), AT-3E (90HRB), In the present invention, AA1 is 79HRB, AA2 is 85HRB, and although a slight decrease in hardness is seen at 200 ° C, it has a hardness of 60HRB for AA1 and 71HRB for AA2. It can be seen that sufficient performance is maintained even when compared with the copper alloy.
なお、引張強さについてもＢＭ−９Ｅ（４９０Ｎ／ｍｍ２）、ＹＺ５Ｘ（２５０Ｎ／ｍｍ２）、Ｐ−３１Ｃ（５９０Ｎ／ｍｍ２）、ＡＴ−３Ｅ（６６０Ｎ／ｍｍ２）と幅があるが、本発明は、２００℃においてＡＡ１は４２６Ｎ／ｍｍ２でＡＡ２が４５８Ｎ／ｍｍ２、１５０℃においてＡＡ１は３５９Ｎ／ｍｍ２でＡＡ２が３９３Ｎ／ｍｍ２であり、この範囲に含まれる引張強さを有している。なお、これは排気タービン式ターボチャージャー１０におけるタービンシャフト３１には、排気ガスから受ける圧力としてラジアル方向の荷重が小さいため、高い引張強さが要求されるものではない。 The tensile strength for even BM-9E (490N / mm 2 ), YZ5X (250N / mm 2), P-31C (590N / mm 2), AT-3E (660N / mm 2) and there is a width, the present invention, AA1 at 200 ° C. is AA1 at 426N / mm 2 AA2 is at 458N / mm 2, 150 ℃ is AA2 is a 393N / mm 2 at 359N / mm 2, have a tensile strength in this range doing. This is because the turbine shaft 31 in the exhaust turbine turbocharger 10 is not required to have high tensile strength because the radial load is small as the pressure received from the exhaust gas.
本発明に係るアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２の加熱状態における機械的特性を、表３に示す。なお、常温での機械的性質については、Ｔ６処理後の調質としてＴ６処理を行っているが、該Ｔ６処理は、アルミニウム合金の機械的性質、強さ、硬さ、及び、機械加工性を向上させるために、人工的に析出時効を行わせる処理を組み合わせた熱処理であり、溶体化・焼入れ・焼もどしを行うもので、製品を１５０℃及び２００℃で１００時間を使用したと想定して行なった実験結果である。 Table 3 shows the mechanical properties of the aluminum alloys AA1 and AA2 according to the present invention in the heated state. As for the mechanical properties at room temperature, T6 treatment is performed as a tempering after the T6 treatment, and the T6 treatment has the mechanical properties, strength, hardness, and machinability of the aluminum alloy. In order to improve, it is a heat treatment that combines the treatment of artificially precipitating aging, and is a solution heat treatment, quenching, tempering, assuming that the product was used at 150 ° C and 200 ° C for 100 hours It is the result of the experiment conducted.
なお、表１に示したアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２から組成される合金を、表２の通りの機械的性質を調査した後、次の手順により高熱下での機械的性質の変化を調べた。具体的には、溶体化処理後に、人工時効硬化処理したものを積極的に冷間加工しないで、調質（Ｔ６（ＪＩＳ規格））した後、その後室温に戻しながら放置し、引張試験片加工後に常温における測定と引張試験器のヒーターで試験温度をそれぞれ１５０℃と２００℃で１００時間加熱し、当該加熱状態での引張試験等を実施した結果を表３に示す。 In addition, after investigating the mechanical properties as shown in Table 2 for the alloys composed of the aluminum alloys AA1 and AA2 shown in Table 1, changes in the mechanical properties under high heat were examined by the following procedure. Specifically, after the solution heat treatment, do not actively cold-process the artificial age-hardened material, temper (T6 (JIS standard)), then leave it to return to room temperature, and process the tensile specimen. Table 3 shows the results of a measurement at normal temperature and a test temperature of 150 ° C. and 200 ° C. for 100 hours using a heater of a tensile tester, and a tensile test and the like in the heated state.
上記の機械的性質の測定結果、常温並びに１５０℃又は２００℃加熱状態における機械的特性の変化から、本発明に係るアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２を使用する排気タービン式ターボチャージャー１０に採用することについて検討する。軸受けが受ける温度はエンジンオイルの温度を上限とすることから、通常１５０℃程度にしか上昇しない。潤滑油温度から、少なくとも１５０℃、望ましくは２００℃における加熱されることはない。従って、係る温度領域において、自励振動及びノイズ発生を生ずることはなく、軽量化にともなったターボラグの軽減、レスポンスの向上を図ることが可能であることを確認することができた。また、１００時間経程度の使用後の磨耗状態については、測定できる範囲での表面粗さや真円度に影響は全く見受けられなかった。 Based on the measurement results of the above mechanical properties and changes in mechanical properties at normal temperature and 150 ° C. or 200 ° C. heating conditions, it is considered to employ the exhaust turbine turbocharger 10 using the aluminum alloys AA1 and AA2 according to the present invention. To do. Since the temperature received by the bearing is limited to the temperature of the engine oil, it usually rises only to about 150 ° C. There is no heating at least 150 ° C., preferably 200 ° C. from the lubricant temperature. Therefore, self-excited vibration and noise are not generated in such a temperature range, and it has been confirmed that the turbo lag can be reduced and the response can be improved as the weight is reduced. Moreover, about the abrasion state after use for about 100 hours, the influence was not seen at all in the surface roughness and roundness in the measurable range.
本発明者は、表面粗さや真円度など、様々な加工条件を見直して行く中で、高精度な真円度特性や表面粗さ特性を向上させても、なかなかタービンからのノイズの発生、即ちそのノイズの原因となる振動の発生を抑えること難しかった経緯から、軸受け穴２６の内面における真円度を多角形的位置に僅かに変化させることで、振動の発生を抑止できるのではないかという着想の下に、真円度を種々変化させて、振動やノイズ発生の有無について実験を繰り返し、振動の発生を軽減できる技術「低振動型フローティングメタルベアリング」（特許文献４参照）（以下、「低振動滑り軸受け」という）を完成させており、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１のアルミニウム合金ＡＡ１、ＡＡ２素材を用いた低振動滑り軸受けとすることによって、相互の技術から生ずる効果を相乗的に発揮させることが可能となる。 The present inventor, while reviewing various processing conditions such as surface roughness and roundness, even if improving the high-precision roundness characteristics and surface roughness characteristics, it is quite easy to generate noise from the turbine, That is, since it was difficult to suppress the occurrence of vibration that causes noise, it may be possible to suppress the occurrence of vibration by slightly changing the roundness on the inner surface of the bearing hole 26 to a polygonal position. Under the concept of “low vibration type floating metal bearing” (refer to Patent Document 4) (hereinafter referred to as patent document 4) (hereinafter, referred to as Patent Document 4). Low vibration using aluminum alloy AA1 and AA2 material of the floating alloy bearing 1 made of aluminum alloy according to the present invention. By the bearing Ri, it is possible to synergistically effective resulting from mutual technology.
即ち、低振動滑り軸受けに係る発明は、低回転領域から高回転領域まで高いセンタリング効果とノイズの発生を抑制する効果が得られるが、係る発明の効果は、回転の開始から発生するものであるため、回転体を構成する部品の一つであるフローティングメタルベアリング２０が軽量化されることで、タービン全体の軽量化も図られることとなり、ターボラグの抑制、レスポンスの向上、自励振動やノイズ等の騒音の発生を抑止することができる。 That is, the invention related to the low vibration sliding bearing can obtain a high centering effect and an effect of suppressing the generation of noise from the low rotation region to the high rotation region, but the effect of the invention occurs from the start of rotation. Therefore, the weight of the floating metal bearing 20 which is one of the components constituting the rotating body is reduced, so that the weight of the entire turbine can be reduced, so that the turbo lag is suppressed, the response is improved, self-excited vibration, noise, etc. Generation of noise can be suppressed.
そこで、本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング１の軸受け穴２６表面に、流体潤滑条件の異なる領域を軸心から等角等距離に複数備え、軸受け穴２６の表面にクリアランスを僅かに変化させ、オイル流路内に軸芯方向に向かう略凸状の狭い膜状の流路を形成することで、油圧変化を生じさせる構成を採用することが望ましい。 Therefore, the surface of the bearing hole 26 of the aluminum alloy floating metal bearing 1 according to the present invention is provided with a plurality of regions having different fluid lubrication conditions at equiangular equidistant from the shaft center, and the clearance is slightly changed on the surface of the bearing hole 26. It is desirable to adopt a configuration that causes a change in hydraulic pressure by forming a substantially convex narrow film-like flow path in the axial direction in the oil flow path.
更に、前記流体潤滑条件の異なる領域が、軸芯に向かう略凸状の狭い膜状流路と、外周方向へ向かう略凹状の広い膜状の流路とを穏やかに結ぶようにクリアランスを変化させた領域とすることも有効である。 Further, the clearance is changed so that the regions having different fluid lubrication conditions gently connect the substantially convex narrow membrane-like channel toward the axial center and the substantially concave wide membrane-like channel toward the outer periphery. It is also effective to set the area.
係る構成の効果であるセンタリング性（自己求芯機能）は、レイノルズ方程式から発生する圧力の分布の通り、真円度が僅かに異なる部分を等角位置の同一円周縁部に配置すると、回転により生じる圧力変化が常に同じ大きさで同一円周上に等間隔で発生するため、その圧力差によりタービンシャフト３１には常に中心に向かう力が発生し、そのセンタリング効果は回転速度が低くても回転と略同時に発生する。そこで、タービンと回転する軸受けの重量を軽量化することができれば、本発明の課題を解決し、レスポンスの向上、ターボラグの軽減、自励振動の抑止、及び振動に起因したノイズの発生を低減する排気タービン式ターボチャージャー１０の提供を図ることが可能となる。 The centering property (self-centering function), which is the effect of such a configuration, can be obtained by rotating a part with slightly different roundness in the same circular peripheral part at the equiangular position as the distribution of pressure generated from the Reynolds equation. The pressure changes that occur are always generated at the same magnitude and at equal intervals on the same circumference. Therefore, a force toward the center is always generated in the turbine shaft 31 due to the pressure difference, and the centering effect rotates even if the rotation speed is low. Occurs almost simultaneously. Therefore, if the weight of the turbine and the rotating bearing can be reduced, the problem of the present invention is solved, the response is improved, the turbo lag is reduced, the self-excited vibration is suppressed, and the noise caused by the vibration is reduced. The exhaust turbine turbocharger 10 can be provided.
上記の構成とすることにより、より軽量で小型化を可能とし、最も問題視していた高温下におけるアルミニウム合金の機械的特性の低下に伴う軸受けとしての性能の低下は見られず、過給のための高回転における振動や騒音を軽減させる効果が発揮していることを、種々の測定結果、並びに実験により確認した。 By adopting the above-mentioned configuration, it is possible to reduce the size with lighter weight, and the deterioration of the performance as a bearing due to the deterioration of the mechanical properties of the aluminum alloy at the high temperature which has been regarded as the most problematic is not seen. Therefore, it was confirmed by various measurement results and experiments that the effect of reducing vibration and noise at high rotation was exhibited.
本発明に係るアルミニウム合金製フローティングメタルベアリングによれば、一体化したことによる低振動化と、軽量化によるレスポンスの向上が図られる排気タービン式ターボチャージャーの提供を可能とする点において、今後の我が国の自動車産業における利用可能性は高いものと思慮されるものである。 According to the aluminum alloy floating metal bearing according to the present invention, it is possible to provide an exhaust turbine type turbocharger that can be reduced in vibration due to integration and improved in response due to weight reduction. The applicability in the automotive industry is considered high.
１ アルミニウム合金製フローティングメタルベアリング
１０ 排気タービン式ターボチャージャー
２０ フローティングメタルベアリング
２１ スラストベアリング
２２ スラストカラー
２４ オイル供給溝
２５ オイル供給孔
２６ 軸受け穴
３０ 排気タービン
３１ タービンシャフト
３２ 排気側インペラ
３３ 吸気側インペラ
４０ ベアリングハウジング
５０ タービンハウジング
６０ コンプレッサーハウジング
ＡＡ１ アルミニウム合金
ＡＡ２ アルミニウム合金
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Aluminum alloy floating metal bearing 10 Exhaust turbine type turbocharger 20 Floating metal bearing 21 Thrust bearing 22 Thrust collar 24 Oil supply groove 25 Oil supply hole 26 Bearing hole 30 Exhaust turbine 31 Turbine shaft 32 Exhaust side impeller 33 Intake side impeller 40 Bearing Housing 50 Turbine housing 60 Compressor housing AA1 Aluminum alloy AA2 Aluminum alloy
Claims (4)
その素材が重量比において、
ケイ素（Ｓｉ）：１０．０〜１１．５％、
鉄（Ｆｅ）：０．５０％以下、
銅（Ｃｕ）：２．０〜３．０％、
マンガン（Ｍｎ）：０．１０％以下、
マグネシウム（Ｍｇ）：０．２０〜０．５０％、
亜鉛（Ｚｎ）：０．１０％以下、
チタン（Ｔｉ）：０．１０％以下、
その他各々０．１０％以下であってその他の合計が０．１５％以下、
残部がアルミニウム（Ａｌ）
から組成されるアルミニウム合金（ＡＡ１）製であることを特徴とするアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング（１）。 A sliding bearing that integrally supports an intake side and an exhaust side of a turbine shaft (31) of an exhaust turbine type turbocharger (10),
The material is in weight ratio,
Silicon (Si): 10.0 to 11.5%,
Iron (Fe): 0.50% or less,
Copper (Cu): 2.0-3.0%,
Manganese (Mn): 0.10% or less,
Magnesium (Mg): 0.20 to 0.50%,
Zinc (Zn): 0.10% or less,
Titanium (Ti): 0.10% or less,
Others are each 0.10% or less, and other total is 0.15% or less,
The balance is aluminum (Al)
An aluminum alloy floating metal bearing (1), which is made of an aluminum alloy (AA1) composed of
その素材が重量比において、
ケイ素（Ｓｉ）：９．５〜１１．５％、
鉄（Ｆｅ）：０．５０％以下、
銅（Ｃｕ）：４．０〜５．０％、
マンガン（Ｍｎ）０．３％以下、
マグネシウム（Ｍｇ）０．４０〜０．８０％、
亜鉛（Ｚｎ）０．５％以下、
チタン（Ｔｉ）０．２％以下、
その他各々０．１０％以下であってその他の合計が０．１５％以下、
残部がアルミニウム（Ａｌ）
から組成されるアルミニウム合金（ＡＡ２）製であることを特徴とするアルミニウム合金製フローティングメタルベアリング（１）。 A sliding bearing that integrally supports an intake side and an exhaust side of a turbine shaft (31) of an exhaust turbine type turbocharger (10),
The material is in weight ratio,
Silicon (Si): 9.5 to 11.5%,
Iron (Fe): 0.50% or less,
Copper (Cu): 4.0-5.0%,
Manganese (Mn) 0.3% or less,
Magnesium (Mg) 0.40 to 0.80%,
Zinc (Zn) 0.5% or less,
Titanium (Ti) 0.2% or less,
Others are each 0.10% or less, and other total is 0.15% or less,
The balance is aluminum (Al)
An aluminum alloy floating metal bearing (1), which is made of an aluminum alloy (AA2) composed of
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