JP6469716B2 - 排気ガスターボチャージャーのための軸受装置および排気ガスターボチャージャー - Google Patents

Description

本発明は請求項１の前段に記載した種類の排気ガスターボチャージャーのための軸受装置、および請求項４に記載した排気ガスターボチャージャーに関する。

軸受で軸を支持することに関する問題のひとつに、軸が回転していない静的状態にあるときにも、また軸が回転している動的状態にあるときにも、軸には曲げ変形が発生しているということがある。この軸の曲げ変形は重力により発生し、また軸が回転しているときにはアンバランスによっても発生する。通常、排気ガスターボチャージャーの軸は、その軸の両端部がラジアル軸受で回転可能に支持されている。例えば乗用車用エンジンに装備される排気ガスターボチャージャーのような小型の排気ガスターボチャージャーでは、軸が軽量であるために軸の曲げ変形は一般的に軽微である。しかしながら、そのような小型の排気ガスターボチャージャーでは、回転速度が毎分150,000回転以上の高速回転になるため、アンバランスがあると回転振動や曲げ振動が発生し、最悪の場合には軸とケーシングの一部とが接触することもある。更に、潤滑油の油膜を原因とする低周波数振動であるオイルホワールやオイルホイップという現象が生じる。これらの現象が生じると、ひとつには騒音の発生を引き起こすことになり、またもうひとつにはラジアル軸受の寿命を短縮することになり、ひいては排気ガスターボチャージャーの寿命を短縮することになる。

特許文献１に開示されている排気ガスターボチャージャーは、ロータアセンブリを備えており、そのロータアセンブリは、コンプレッサ羽根車と、タービン羽根車と、コンプレッサ羽根車およびタービン羽根車が一体回転するようにコンプレッサ羽根車をタービン羽根車に連結している軸とを備えている。そのロータアセンブリは、滑り軸受を備えた軸受装置に回転可能に支持され、排気ガスターボチャージャーの軸受部の中に収容されている。その軸受装置は、軸の一方の端部から他方の端部まで、その軸の略々全長に亘って延在する軸受ブッシュを備えており、その軸の両端部には夫々に、滑り軸受の形態のラジアル軸受が形成されている。また、軸受ブッシュの回転を防止するための回転防止手段が形成されている。軸受装置に供給される潤滑油が、オイルホワールやオイルホイップを発生することなく適切に流出するようにするために、軸受ブッシュに一対の切欠き穴が形成されており、それら切欠き穴は２つのラジアル軸受の間に位置している。軸受ブッシュの剛性を確保するために、それら一対の切欠き穴の周縁に夫々に厚肉部が形成されている。軸受ブッシュがこれら厚肉部および切欠き穴を備えることにより、軸受ブッシュの製作コストは増大している。

独国特許第３６ ０１ ０８２ Ｃ２号明細書

本発明の目的は、排気ガスターボチャージャーの軸の準静的支持を可能にした排気ガスターボチャージャーのための軸受装置を提供することにある。本発明のもうひとつの態様は、改良した軸受装置を備えた排気ガスターボチャージャーを提供することにある。

上記目的は請求項１に記載した特徴を備えた排気ガスターボチャージャーのための軸受装置により達成され、また請求項４に記載の排気ガスターボチャージャーにより達成される。その他の請求項は本発明を実施する上で好適且つ重要な構成上の特徴を備えた特に有利な実施の形態を記載したものである。

本発明の第１の態様に関する排気ガスターボチャージャーの軸受装置は、第１軸受中心軸を有する第１ラジアル軸受と、前記第１軸受中心軸と同心的に延在している第２軸受中心軸を有する第２ラジアル軸受とを備えており、前記第１ラジアル軸受および前記第２ラジアル軸受は前記排気ガスターボチャージャーの軸を径方向に支持するように構成されている。

本発明によれば、前記第１軸受中心軸および前記第２軸受中心軸に対して平行に位置付けられ、且つ、前記第１軸受中心軸および前記第２軸受中心軸から離心量をもって離心して位置付けられている第３軸受中心軸を有する第３ラジアル軸受が備えられている。換言するならば、前記第３軸受中心軸は前記第１軸受中心軸および前記第２軸受中心軸から平行移動して偏位した位置にある。即ち、前記第３ラジアル軸受は前記第１ラジアル軸受および前記第２ラジアル軸受に対して非同心的とされている。そのため、第１ラジアル軸受と第２ラジアル軸受とで支持された軸は、押圧力を受けた状態でこの軸の位置が定まるようになっている。即ち、第３ラジアル軸受から軸に押圧力が作用するようにしてあり、この押圧力を以下の説明では予押圧力と呼ぶ。予押圧力は実質的に径方向に作用してロータアセンブリの重量の不足分を補償する。即ち、軸は第３ラジアル軸受によって単に径方向に支持されるだけではなく、第３ラジアル軸受の第３軸受中心軸が第１軸受中心軸および第２軸受中心軸から離心して位置付けられているために、軸に作用する予押圧力によって軸心方向の中間位置での支持がなされるようになっている。この予押圧力のために、軸は、またひいてはロータアセンブリは、その回転中心軸が、従来の軸受装置の場合の回転中心軸に対して偏心した位置へと偏位し、それによってロータアセンブリは、例えば大型貨物自動車のパワートレインに装備されている排気ガスターボチャージャーのロータアセンブリや、船用ディーゼルエンジンの排気ガスターボチャージャーのロータアセンブリなどのような「大重量の」ロータアセンブリと実質的に同様の挙動を示すようになる。

以上のような軸心方向の間接的な支持について更に付言すると、第１ラジアル軸受および第２ラジアル軸受を備えた従来の軸受装置によって発生する軸の曲げ変形は、通常、軸心方向における第１ラジアル軸受と第２ラジアル軸受との間の中点の位置に発生するのであるが、ここでは第３ラジアル軸受によってそのような軸の曲げ変形に対して径方向の規制が行われ、この規制は予押圧力が軸に作用することによるものであり、発生するはずだった軸の曲げ変形が第３ラジアル軸受によって阻止されるのである。従って軸は、この軸に作用する力によって準静的に支持される。換言するならば、滑り軸受である第３ラジアル軸受を、その軸受中心軸を偏心させて付加することで、付加的な軸受荷重を発生させているのであり、この付加的な軸受荷重は、第１ラジアル軸受および第２ラジアル軸受に作用すると共に第３ラジアル軸受にも作用している。

本発明の利点として、オイルホワールやオイルホイップなどの「潤滑油衝撃現象」が軽減ないし除去され、それによってひとつには、軸の回転に伴う騒音が低減され、もうひとつには、軸受における支持状態の安定性が増すため、本発明に係る軸受装置に支持される軸の寿命が長くなる。

本発明に係る軸受装置のもうひとつの利点として、ラジアル軸受の中で発生し得る軸の傾きが小さくなることがあり、これは軸の曲げ変形の変形量が小さくなるため、その結果としてラジアル軸受の中での軸の傾き角度が格段に小さくなるからである。このことは特に、いわゆる浮動ブッシュ軸受を用いる場合に、大きな利点となる。浮動ブッシュ軸受では、軸と静止側部材である滑り軸受ハウジングとの間に、ブッシュが嵌装され、軸はそのブッシュの中に嵌合されることから、軸とブッシュとの間にも、またブッシュと滑り軸受ハウジングとの間にも油膜が存在する。

本発明に係る軸受装置の１つの実施の形態では、前記第３ラジアル軸受は滑り軸受として構成されている。滑り軸受は、前記軸を支持するための軸受として費用対性能の点で優れた軸受である。

前記第３ラジアル軸受は軸心方向において前記第１ラジアル軸受と前記第２ラジアル軸受との間に配設されているようにすることが好ましい。前記第３ラジアル軸受をこの位置に配設することにより、軸の曲げ変形の変形量をより小さくできるという効果が得られ、それによって、前記第１ラジアル軸受および前記第２ラジアル軸受の中での前記軸の曲げ変形の変形量および傾き角度が大幅に低減される。従ってこの構成は、前記軸を不静定状態で支持することができる、本発明に係る軸受装置の更なる実施の形態を示すものである。

本発明の第２の態様に関する排気ガスターボチャージャーは、コンプレッサ羽根車と、タービン羽根車と、前記コンプレッサ羽根車および前記タービン羽根車が一体回転するように前記コンプレッサ羽根車を前記タービン羽根車に連結している軸とを備えるロータアセンブリを備えており、前記ロータアセンブリは、軸受部の中で軸受装置により回転可能に支持されており、ないしは、前記ロータアセンブリは、軸と、該軸と一体回転するように該軸に連結されたコンプレッサ羽根車と、該軸と一体回転するように該軸に連結されたタービン羽根車とを備えており、そして、前記軸受装置が請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載されたように構成されている。この発明の利点は、ロータアセンブリの軸受装置が改良されたことにより、排気ガスターボチャージャーの騒音の低減並びに排気ガスターボチャージャーの長寿命化が達成されることにある。更に、軸受装置が改良されたことにより、排気ガスターボチャージャーの摩擦エネルギの格段の低減も達成される。これが達成されるのは、排気ガスターボチャージャーの摩擦エネルギにはオイルホワールやオイルホイップなどの現象が強く関与しているのであるが、それら現象が本発明に係る排気ガスターボチャージャーでは抑制されるからである。本発明に係る排気ガスターボチャージャーではこのように摩擦エネルギが改善されて低減されるため、この排気ガスターボチャージャーを連結したエンジンの燃料必要量の低減などが可能となり、それが可能であるのは、本発明に係る排気ガスターボチャージャーが従来の排気ガスターボチャージャーと同等の過給能力を、より少ない排気流量で達成し得るからである。

本発明に係る排気ガスターボチャージャーの１つの実施の形態によれば、前記軸と前記第３ラジアル軸受とはいずれも鋼材料製である。鋼材料は高特性で高強度の材料であるため、これによって長い寿命が得られる。また更に、軸と滑り軸受という互いに摺接する２つの部材の間の摺接特性も優れたものとなるため、摩擦もより低減される。

本発明に係る排気ガスターボチャージャーを製作するための、特に簡明でそれゆえ費用対効果の点で優れたひとつの製造方法は、前記第３ラジアル軸受を前記軸受部に圧入により嵌着するというものである。

本発明の更なる利点、特徴、および細部構成については、以下に示す好適な実施の形態についての説明を参照し、また添付図面を参照することにより明らかとなる。以上の説明中で言及した様々な特徴およびそれら特徴の組合せ、並びに、添付図面に関連した以下の説明中で言及し、および／または、図面中に示すところの、様々な特徴およびそれら特徴の組合せは、それら説明ないし図面に示した通りの組合せで利用し得るばかりでなく、それとは異なる組合せで利用することもでき、また、個々の特徴を単独で利用することも可能なものであって、そのように特徴を利用した場合でも本発明の範囲から逸脱するものではない

本発明に係る軸受装置を備えた本発明に係る排気ガスターボチャージャーのロータアセンブリの概略縦断面図である。 本発明に係る軸受装置の予押圧力の大きさに応じたロータアセンブリの軸の中心軸位置の変化を示す図である。

本発明に係る排気ガスターボチャージャー１のロータアセンブリ２は、そのひとつの実施の形態によれば、図１に示したように構成されている。排気ガスターボチャージャー１は貫通流路として形成された不図示の排気流通部を備えており、排気ガスターボチャージャー１の作動中はこの排気流通部を貫通して気体、通常は排気そのものが流れている。また、ここでの排気とは多くの場合、内燃機関である不図示のエンジンの燃焼生成物であるが、ただしそれに限られない。

排気ガスターボチャージャー１は、貫通流路として形成された不図示の吸気流通部を備えており、また更に、排気流通部と吸気流通部との間に配設された軸受部３を備えている。この軸受部３の中にロータアセンブリ２が回転可能に収容されている。ロータアセンブリ２はコンプレッサ羽根車４とタービン羽根車５とを備えており、それら羽根車は軸６によって互いに一体回転するように連結されている。コンプレッサ羽根車４は、気体、多くの場合は外気を吸入するための吸気流通部における不図示のコンプレッサ羽根車チャンバの中に配設されている。タービン羽根車５は排気流通部の不図示の羽根車チャンバの中に回転可能に収容されている。

排気ガスターボチャージャー１の作動中に、タービン羽根車５は排気流通部の中を流れる排気の作用を受けて駆動されており、それによってタービン羽根車５は回転運動をしている。この回転運動が軸６を介してコンプレッサ羽根車４へ伝達され、それによってコンプレッサ羽根車４もタービン羽根車５の回転運動に同期して回転運動をしている。こうして回転運動をするコンプレッサ羽根車４により外気が吸入されて吸気流通部の中で圧縮される。

ロータアセンブリ２の軸６は、第１ラジアル軸受８と第２ラジアル軸受９とを備えた軸受装置７により、軸受部３の中で回転可能に支持されている。更に、軸心方向のおける軸の支持のために、アキシャル軸受１５がコンプレッサ羽根車４の近傍に備えられている。図示例の実施の形態では、第１ラジアル軸受８および第２ラジアル軸受９はいずれも、浮動ブッシュ軸受として構成されている。

第１ラジアル軸受８の第１軸受中心軸１０は、第２ラジアル軸受９の第２軸受中心軸１１に対して同心的に延在するように位置付けられている。排気ガスターボチャージャー１の作動中には、ロータアセンブリの回転軸心１２が第１軸受中心軸１０および第２軸受中心軸１１となるべく一致していることが望ましい。

軸受部３の中に、第３軸受中心軸１４を有する第３ラジアル軸受１３が配設されている。第３ラジアル軸受１３は、第３軸受中心軸１４が第１軸受中心軸１０および第２軸受中心軸１１に対して平行に位置付けられ、且つ、第１軸受中心軸１０および第２軸受中心軸１１から径方向に離心量Ｅをもって離心して位置付けられるようにして、軸受部３の中に収容されている。第３ラジアル軸受１３は、第１ラジアル軸受８と第２ラジアル軸受９との間の、それらふたつのラジアル軸受から等距離の位置に配設されており、換言するならば、第１ラジアル軸受８と第２ラジアル軸受９との間の中点の位置に配設されており、そして予押圧力を発生するように配設されている。

第３ラジアル軸受１３を軸受部３の中の偏心した位置に配設することで、ロータアセンブリ２を準静的に支持するための準静的な支持力を第３ラジアル軸受１３が提供することになる。また、第３ラジアル軸受１３を軸受部３の中にこのように配設することで、第３ラジアル軸受１３を第１ラジアル軸受８および第２ラジアル軸受９に対して同心的に配設した場合と比べて、第１ラジアル軸受８、第２ラジアル軸受９、および第３ラジアル軸受１３の軸受剛性も格段に増大する。

この偏心の大きさを表す離心量Ｅは、いわゆる準静的荷重の大きさの決定要因である。離心量Ｅを大きな値に設定するほど準静的荷重を大きくすることができる。そして、準静的荷重を大きくするほど所謂オイルホワールやオイルホイップをより低減することができる。ただし、準静的荷重は然るべき上限値を超えないようにすべきであり、なぜならば、場合によっては摩擦損失が低下せずに逆に増大することもあるからである。しかしながら、摩擦損失が低下するか増大するかということに対しては、主として排気ガスターボチャージャー１のサイズが大きく影響し、また、排気ガスターボチャージャー１の作動領域、特に速度も大きく影響する。更にその他の要因としては、排気ガスターボチャージャー１に用いられている潤滑剤、特に潤滑油が挙げられる。潤滑油によって粘度が異なるため、離心量Ｅの大きさの設定値は排気ガスターボチャージャー１に用いられている潤滑油にも左右されるのである。それゆえ、特定の排気ガスターボチャージャー１に適した離心量Ｅの最適値は、コンピュータ・シミュレーションにより決定するのがよい。

離心量Ｅの最適値を決定するには、広範な速度領域において（最善をいうならば速度領域の全域に亘って）軸６のサブシンクロナス運動を低減できるような離心量Ｅの値とするのがよく、また特に、軸６のサブシンクロナス運動を完全に排除できるような値とするのがよい。尚、ここで軸６のサブシンクロナス運動というのは、軸６の回転速度（即ち回転周波数）の整数分の一の周波数を有する、軸６の振動運動のことである。

図２は、回転速度を毎分228,000回転としたときの軸６の運動を求めたコンピュータ・シミュレーションの結果を示している。軸６の回転中心軸の運動を示す第１運動曲線１６は、第３ラジアル軸受１３が装備されておらず、第１ラジアル軸受８および第２ラジアル軸受９だけで支持された軸６が、毎分228,000回転で回転しているときに、軸６の回転中心軸が描く運動軌跡を示したものである。第２運動曲線１７で示された軸６の回転中心軸の運動は、第３ラジアル軸受１３が装備されているときのものであり、この運動曲線から明らかなように、たとえ第１軸受中心軸１０および第２軸受中心軸１１からの離心量Ｅが小さく、そのため、付加される予押圧力が小さい場合であっても、軸６の回転中心軸の運動範囲は顕著に減縮されている。そして、予押圧力を大きくするにつれて、即ち、離心量Ｅを大きくするにつれて、運動曲線で示された軸６の回転中心軸が描く運動軌跡は更に小さくなって行く。そして、運動曲線が小さいほど、軸６の振動運動の縮減量は大きい。軸６のオイルホワールやオイルホイップが発生するのは通常、回転速度が高速のときであり、それゆえ以上によって騒音低減および損傷リスクの低減という効果が得られる。

特に望ましいのは、軸６と第３ラジアル軸受１３とをいずれも好適材料である鋼材料製とし、第３ラジアル軸受１３を全周軸受である円筒滑り軸受として構成することである。ただし、大きな衝撃強度と大きな耐摩耗性を有する材料であれば、鋼材料以外の材料を用いてそれらを製作するようにしてもよい。

また別の実施の形態として、第３ラジアル軸受１３をいわゆる二円弧軸受、ティルティングパッド軸受、または多円弧軸受などとして形成してもよい。これらの形態の軸受を用いることによって得られる利点は、オイルホワールやオイルホイップが発生するおそれのある回転速度を、通常の円筒滑り軸受を用いた場合と比べてより高速の回転速度へと移動し得ることにある。

Claims (6)

1. 第１軸受中心軸（１０）を有する第１ラジアル軸受（８）と、前記第１軸受中心軸（１０）と同心的に延在している第２軸受中心軸（１１）を有する第２ラジアル軸受（９）とを備えており、前記第１ラジアル軸受（８）および前記第２ラジアル軸受（９）が排気ガスターボチャージャー（１）の軸（６）を径方向に支持するように構成されている、前記排気ガスターボチャージャーのための軸受装置であって、
   前記第１軸受中心軸（１０）および前記第２軸受中心軸（１１）に対して平行に位置付けられ、且つ、前記第１軸受中心軸（１０）および前記第２軸受中心軸（１１）から離心量（Ｅ）をもって離心して位置付けられている第３軸受中心軸（１４）を有し、前記第３軸受中心軸（１４）は前記第１軸受中心軸（１０）および前記第２軸受中心軸（１１）から平行移動して偏位した位置にある、第３ラジアル軸受（１３）
   を備えることを特徴とする軸受装置。
2. 前記第３ラジアル軸受（１３）は滑り軸受として構成されていることを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
3. 前記第３ラジアル軸受（１３）は、軸心方向において前記第１ラジアル軸受（８）と前記第２ラジアル軸受（９）との間に配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の軸受装置。
4. コンプレッサ羽根車（４）と、タービン羽根車（５）と、前記コンプレッサ羽根車（４）および前記タービン羽根車（５）が一体回転するように前記コンプレッサ羽根車（４）を前記タービン羽根車（５）に連結している軸（６）とを備えて軸受部（３）の中で軸受装置（７）により回転可能に支持されているロータアセンブリ（２）を備える、排気ガスターボチャージャーであって、
   前記軸受装置（７）は請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の軸受装置であることを特徴とする排気ガスターボチャージャー。
5. 前記軸（６）と前記第３ラジアル軸受（１３）とはいずれも鋼材料製であることを特徴とする請求項４記載の排気ガスターボチャージャー。
6. 前記第３ラジアル軸受（１３）は前記軸受部（３）に圧入により嵌着されていることを特徴とする請求項４または請求項５記載の排気ガスターボチャージャー。

Images