WO2015015599A1 - 低振動形フローティングメタルベアリング - Google Patents

低振動形フローティングメタルベアリング Download PDF

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    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers

Definitions

  • the present invention relates to a bearing technology. More specifically, the present invention relates to a bearing bearing surface in a sliding bearing.
  • the present invention relates to a low-vibration floating metal bearing technology that exhibits a high centering effect up to the rotation region and that can prevent noise from being generated due to the vibration-suppressing effect.
  • bearings play a major role and are important factors that determine the performance and accuracy of products.
  • a bearing that supports high-speed rotation at high temperatures and high loads must maintain a certain level of performance even under severe conditions.
  • bearings are roughly divided, they are divided into sliding bearings and rolling bearings, and the one that suits the usage conditions and purpose is selected, but depending on the product, both may be used properly even in the same part of the same product. .
  • a floating metal bearing and a ball bearing are properly used for a bearing of a turbine shaft of an exhaust turbocharger used in an internal combustion engine of an automobile.
  • ball bearings have many advantages in terms of performance, such as friction, the ball bearing turbine requires a lot of oil, and an orifice is installed in the banjo bolt of the oil line to reduce the amount of oil. Failure to do so will cause problems due to excessive oil volume.
  • some turbines have a rotational speed exceeding 200,000 rpm and receive high-temperature exhaust gas (800-900 °C) directly, so oil is more likely to deteriorate than natural intake, which is more severe than oil-controlled ball bearings.
  • floating metal bearings are more economical in terms of manufacturing costs and running costs.
  • the exhaust turbine type turbocharger can greatly improve the output even with a small displacement, especially because it is compatible with a diesel engine, so recently, an eco-car that combines a gasoline engine and a turbocharger with a small displacement, Clean diesel, which combines a diesel engine with reduced exhaust gas and a turbocharger, has begun to attract attention as well as hybrid and EV.
  • floating metal bearings which have few problems such as cost and oil management, will improve performance characteristics such as friction characteristics and durability similar to ball bearings from the social situation such as environment and resources. This is where it is desired.
  • the sliding bearing still has a big problem that noise such as noise is easily generated with respect to the ball bearing. The problem of removing noise and the like from a material that slides at high speed cannot be solved overnight.
  • significant improvements have been made in the technical field of floating bearings due to the development of floating technology, but it is still not sufficient.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 are both in common with the purpose of reducing the noise of the present invention in order to suppress the generation of noise.
  • the centering effect of the metal by the dynamic pressure is that the dynamic pressure is Since it acts on the entire circumference of the floating metal bearing, the centering effect is weak compared to the present invention. This is because even if rotation starts from the time when the shaft is stopped, the cross-sectional area of the flow-in channel is small, so that a large flow velocity difference does not occur.
  • turbocharger bearing structure has a large number of parts such as a thrust bearing, a radial bearing, a plurality of bushes, and further an air pressurizing mechanism. It can be said that the cost is severe. In addition, there is no suggestion or description about the configuration for removing noise.
  • the inventors of the present application have been reviewing various processing conditions such as surface roughness and roundness, and even if high-precision roundness characteristics and surface roughness characteristics are improved, noise generation, that is, Due to the fact that it was difficult to suppress the occurrence of vibration that caused the noise, it is not possible to suppress the occurrence of vibration by changing the roundness of the inner surface of the bearing hole in a polygonal manner. Based on this idea, the present invention was completed as a result of repeated experiments with various roundness changes.
  • the present invention provides a sliding bearing in which a narrow flow path and a wide flow path are gently connected by changing the clearance amount between the surface of the bearing hole with different fluid lubrication conditions (the clearance amount between the shaft surface and the inner surface of the bearing hole).
  • the present invention adopts means characterized in that it is the low vibration type floating metal bearing described in the above, characterized in that the number of oil supply holes drilled in the equiangular direction is six. You can also
  • the low-vibration type floating metal bearing According to the low-vibration type floating metal bearing according to the present invention, a plurality of regions having different fluid lubrication conditions from the shaft center to an isometric isotropic position (by changing the clearance amount between the shaft surface and the inner surface of the bearing hole, High centering effect from low rotation range to high rotation range by applying inner surface processing that equidistantly and isotropically connects multiple narrow flow channels and wide flow channels) In order to make it difficult for improper vibrations and self-excited vibrations to occur, it is possible to suppress the generation of noise caused by these.
  • the low vibration type floating metal bearing according to the present invention although it is a sliding bearing, it exhibits excellent performance functions such as friction characteristics and durability similar to a ball bearing, and at the same time, it is necessary for a ball bearing or the like. There is no need for hydraulic control and management and other special parts.
  • the centering effect exerts an effect of suppressing the swinging by the dynamic pressure acting so as to always go to the axial center as soon as the rotation starts.
  • rotational resistance is reduced when compared with conventional floating bearings composed of conventional circular shapes.
  • the greatest feature of the present invention is that surface processing is repeated between a narrow channel and a wide channel by changing the clearance between the shaft surface and the inner surface of the bearing hole 40.
  • the narrowest part of the clearance is hereinafter referred to as “narrowest part”, and the widest part is hereinafter referred to as “widest part”.
  • FIG. 1 is an explanatory view for explaining the outline of a low vibration type floating metal 10 according to the present invention
  • FIG. 1A is a perspective view
  • FIG. 1B is a plan view and a side view of one cross section.
  • FIG. 1 at first glance, it looks like a normal floating metal.
  • a plurality of oil supply holes 30 are provided equiangularly.
  • it is also effective to provide an oil supply groove and provide the oil hole “30 in the oil supply groove.
  • FIG. 1 shows six oil supplies.
  • the hole 30 is shown, it is not limited to this number, and is not particularly limited as long as the effect produced from the inner surface shape of the bearing hole 40 to be said to be the main part of the present invention is exhibited. Further, it is not affected by the cross-sectional area of the oil supply hole 30 or other factors.
  • FIG. 2 to 6 show the results of measuring the roundness of the inner surface of the bearing hole 40 according to the present invention.
  • FIG. 2 shows the measurement of the roundness at the center of the outer peripheral edge. Specifically, FIG. 2 shows the result of measuring the position of 4.13 mm inward from one end face.
  • FIG. 3 shows the measurement in the vicinity of the end surface, and specifically, the measurement is made at a position entering 0.88 mm inside from one end surface. Note that the roundness of the opposite end face is the same as that shown in FIG. In all of FIGS. 2 to 6, the measurement magnification is 2000 times.
  • the lines drawn in Fig. 2 and Fig. 6 are JIS B7451, as shown in JIS B7451, the innermost circle has the maximum height and the outermost circle has the maximum depth. The average value of degrees is shown. The roundness up to the maximum height and depth was 4.87 ⁇ m in FIG. 2 and 3.83 ⁇ m near the end face shown in FIG.
  • the metal bearing used for the experiment data is one provided with six oil supply holes 30. However, what is not specified is as described above.
  • Figure 4 shows the pursuit of roundness, and the roundness is 1.28 ⁇ m. It can be seen that the roundness is clearly higher than other figures. However, the vibration meter measurement showed no particular tendency to attenuate vibration.
  • Fig. 5 is intentionally prepared to know the state where the roundness is disturbed, and it is a defective product level that does not reach the quality standard for ensuring quality in normal products. However, it can be seen that there is little influence on problems such as vibration and noise.
  • FIG. 6 shows the roundness when the dynamic pressure generation point is provided with an opening of 120 degrees so as to form a triangular shape which is the largest division for equiangular isometric division. In such a case as well, the occurrence of vibration is suppressed as described above.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a basic idea for vibration reduction.
  • FIG. 7A shows the frequency (G) on the vertical axis and the arithmetic average roughness (Ra) on the horizontal axis.
  • the fact that the round mark at the top of the graph changes horizontally indicates that even if the surface roughness is improved, the vibration that causes noise is not affected.
  • the left surface is Ra0.06, and the right surface is near Ra0.4.
  • the vibration decreases as the change in the vertical axis on the left side of the graph, that is, the increase / decrease of the vibration becomes more polygonal than the circle shape having a high roundness of the circle shape.
  • FIG. 7A shows the frequency (G) on the vertical axis and the arithmetic average roughness (Ra) on the horizontal axis.
  • the fact that the round mark at the top of the graph changes horizontally indicates that even if the surface roughness is improved, the vibration that causes noise is not affected.
  • the left surface is Ra0.06, and
  • the upper left corner has a roundness of 0.8 ⁇ m or less, and the lower right corner has a roundness of 2.5 to 4 ⁇ m.
  • FIG. 8 is a graph using a general Stribeck curve for explaining the lubrication state of the low vibration type floating metal bearing 10 according to the present invention.
  • the graph line drawn with a solid line in FIG. 8 is a Stribeck curve that is commonly used to explain the lubrication state between two surfaces that perform relative motion, and is drawn with a one-dot chain line. It is a virtual curve based on the experimental result of the lubrication state of the low vibration type floating metal bearing 10 according to the present invention. Since the low-vibration type floating metal bearing 10 according to the present invention can reduce the vibration, the fluid friction due to the vibration can be reduced. Therefore, the difference in frictional resistance should also be reduced. Indicates that it exists.
  • centering performance self-centering function
  • the dynamic pressure due to the working fluid accompanying the rotation acts on the entire circumference.
  • the transition to the mixed lubrication region B and the fluid lubrication region C is also considered to proceed in the low rotation region, and the presence of the centering action is indicated as S1.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of the centering property (self-centering function) which is the effect of the present invention.
  • FIG. 9A is a distribution of pressure generated from the Reynolds equation in the wedge-shaped clearance
  • FIG. 9B is always centered because the pressure generated by the rotation acts equally when arranged at the circumferential edge. The pressure toward the head is equal, and the action of suppressing vibrations occurs. This is due to the centering function of the present invention.

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Abstract

　フローティングメタルベアリングにおいて、低回転領域から高回転領域まで高いセンタリング効果を発揮し、これによる振動抑制効果からノイズの発生を防止すべく、軸受穴の表面に流体潤滑条件の異なる領域（軸の表面と軸受穴の内面とのクリアランス量を変化させることにより、狭い流路と広い流路を穏やかに結ぶ一つの領域）を軸心から等角等方的に複数連続して備える内面加工を施した。

Description

低振動形フローティングメタルベアリング
　本発明は、軸受けの技術に関し、詳しくは、滑り軸受けにおける軸受穴の表面に流体潤滑条件の異なる領域を軸心から等角等方的に複数備える内面加工を施すことによって、低回転領域から高回転領域まで高いセンタリング効果を発揮し、これによる振動抑制効果からノイズの発生を防止することを可能とする低振動形フローティングメタルベアリング技術に関する。
　現代の産業界において、ベアリングの果たす役割は大きく、商品の性能や精度を決める重要な要素となっている。中でも、高温下や高負荷状態で高速回転を支持するベアリングでは、例え過酷な条件下でも一定の性能を維持しなければならない。ベアリングを大別すると滑り軸受けと転がり軸受けに分けられ、使用条件や目的などによって適する方が選択されるわけであるが、製品によっては、同一製品の同一部所においても双方が使い分けられることがある。
　例えば、自動車の内燃機関に用いられる排気タービン式過給機のタービン軸の軸受けには、フローティングメタルベアリングとボールベアリングが使い分けられている。フリクションなどの性能面ではボールベアリングの方が優れる点が多いものの、ボールベアリングタービンだと根本的に必要とするオイル量が多くなり、オイルラインのバンジョーボルト内などにオリフィスを取り付けて油量を抑制しないと、油量過多による諸問題が発生する。また、タービンの回転速度は20万rpmを超えるものもあり、高温の排気ガス（800 - 900℃）を直接受けるため、自然吸気に比べるとオイルが劣化しやすく、オイル管理のシビアなボールベアリングよりも、フローティングメタルが選ばれているものもある。また、製造コストもランニングコストもフローティングメタルベアリングの方が、経済的である。
　また、排気タービン式のターボチャージャーは、小排気量でも大幅な出力向上を図ることでき、特にディーゼルエンジンと相性が良いため、最近、小排気量化されたガソリンエンジンとターボチャージャーを組合せたエコカーや、排出ガスが抑えられたディーゼルエンジンにターボチャージャーを組み合わせたクリーンディーゼルなどが、ハイブリッドやＥＶ同様に注目されはじめている。
　従って、今後は、コストやオイル管理等の問題が少ないフローティングメタルベアリングが、ボールベアリング並みの摩擦特性や耐久性といった性能面の向上が図られることは、環境や資源などの社会的実情からも切に望まれるところである。ただし、滑り軸受けはボールベアリングに対してノイズ等の騒音が発生しやすいという大きな課題を未だに残している。高速で摺動する物質からノイズ等を取り除くという課題は一朝一夕に解決できるものではない。係る問題に対し、滑り軸受けの技術分野においては、フローティング化の技術開発などにより大幅な改善が図られてきたが、未だに十分なものとはいえない。
　このような社会的要望に応えるべく、従来からも種々の技術が提案されてきた。例えば、「一対のホイールを連結するロータリーシャフトを流体軸受によって回転可能に支持するターボチャージャーの軸受構造において、フローティングメタルの回転速度を抑制することにより、ロータリーシャフトのホワール振動に起因する騒音の発生を抑制することのできる軸受構造」（特許文献１参照）や、これと同様なものに「回転軸を一対の流体軸受によって回転可能に支持する軸受構造において、回転軸のホワール振動に起因する騒音の発生を抑制することのできる軸受構造」に関する技術が公知技術となっている（特許文献２参照）。
　係る上記の特許文献1及び特許文献2に記載されている発明は、いずれも騒音の発生を抑制するという目的において本発明のノイズを低減させるという目的と共通する。しかしながら、回転による相対滑り運動によって、潤滑流体膜に圧力（動圧）を発生させ，これによって負荷を支持する流体潤滑方式の軸受において、係る動圧による該メタルのセンタリング効果は、その動圧がフローティングメタルベアリング円周全体に作用するため、本発明と比較するとセンタリング効果が弱い。何故なら、軸の停止時から回転が始まっても、流れ込む流路の断面積が少ないために、大きな流速差が生じないからである。また、これらの先行技術はホワール振動を抑制するために、ブッシュフローティングメタルの回転を抑制するための構造（1つはオイル、１つはアウターブッシュ）ロータリーシャフトが内装するフローティングメタルを回転する軸方向に離間してそれぞれは位置するなど、構造が複雑であり、コスト的にも問題が残っている。
　更に先行する他の技術として、「タービンシャフトをベアリングハウジングにラジアル軸受及びスラスト軸受とブッシュを介して支持してなるターボチャージャにおいて，前記タービンロータ側はベアリングハウジングに保持された１個のラジアル軸受でシャフトを支持し，コンプレッサ側は前記シャフトと前記コンプレッサロータとの間に第１のブッシュ、ベアリングハウジングに固定されたスラスト軸受、第２のブッシュをこの順に挟みこみ、前記第１のブッシュに前記シャフトの外周面及び前記スラスト軸受の内周面の間に延びる円筒部を設け，前記スラスト軸受の前記円筒部に面する内周面に半月油溝を設け，該半月油溝にベアリングハウジング側の油穴からスラスト軸受に設けた油穴を介して潤滑油を供給するターボチャージャの軸受機構」に関する技術が公知技術となっている（特許文献３参照）。
　しかしながら、係る前記のターボチャージャーの軸受構造では、スラスト軸受、ラジアル軸受、複数のブッシュ、更には空気の加圧機構など、部品点数も多く、また、これらを納めるベアリングハウジングとしても、スペース的にもコスト的にも厳しいといえる。
また、ノイズを除去するための構成については何らの示唆も記載もない。
　従って、上記の先行技術によっては、これから求められる。フローティングメタルベアリングに期待される社会的要望に応えられるという解決には至っていない。
特開２００８－１９０４９８号公報 特開２００８－１１１５０２号公報 実用新案登録公報第２５１７５４１号
　そこで、本願発明者は、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が困難であったであった経緯から、軸受け穴の内面における真円度を多角形的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繰り返し実験を行った結果、本発明の完成に至ったものである。
　本発明は、滑り軸受において、軸受穴の表面に流体潤滑条件の異なる領域（軸の表面と軸受穴の内面とのクリアランス量を変化させることにより、狭い流路と広い流路を穏やかに結ぶ一つの領域）を軸心から等角等方的に複数連続して備える内面加工を施すことによって、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ことを特徴とする手段を採用した。
　また本発明は、前記等角等方に穿設されるオイル供給孔の数が6個であることを特徴とする前記に記載の低振動形フローティングメタルベアリングであることを特徴とする手段を採用することもできる。
　本発明に係る低振動形フローティングメタルベアリングによれば、軸心から等角等方位置に複数の流体潤滑条件の異なる領域（軸の表面と軸受穴の内面とのクリアランス量を変化させることにより、狭い流路と広い流路を穏やかに結ぶ一つの領域）を軸心から等角等方的に複数連続して備える内面加工を施すことによって、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、不正振動や自励振動を起こししにくくするため、これらを原因とするノイズの発生を抑えることができるという優れた効果を発揮する。
　また、本発明に係る低振動形フローティングメタルベアリングによれば、滑り軸受けでありながら、ボールベアリング並の摩擦特性や耐久性といった性能的に優れた機能を発揮すると同時に、ボールベアリング等では必要となる油圧の制御や管理、その他特殊な部品を要することはい。
前記センタリング効果は、回転が始まると同時に常に軸心に向かうように動圧が作用し、揺動を抑制する効果を発揮する。その結果、従来の円形同士から構成される通常のフローティングベアリングと比較した場合、回転抵抗が低減される。
本発明に係るフローティングメタルベアリングの概略説明図である。 本発明に係る軸受け穴の内面形状を示す真円度結果（１）である。 本発明に係る軸受け穴の内面形状を示す真円度結果（２）である。 本発明に係る軸受け穴の内面形状を示す真円度結果（３）である。 本発明に係る軸受け穴の内面形状を示す真円度結果（４）である。 本発明に係る軸受け穴の内面形状を示す真円度結果（５）である。 振動低減のための基本的着想を示す説明図である。 本発明に係る潤滑状態を説明するストライベック曲線のグラフである。 本発明に係るセンタリング機能説明図である。
　本発明は、軸の表面と軸受穴４０の内面とのクリアランス量を変化させることにより、狭い流路と広い流路との間を繰り返す表面加工を施したことを最大の特徴とする。なお、係るクリアランスの最も狭い部分を以下、「最狭部」といい、最も広い部分を以下、「最広部」という。
　図１は、本発明に係る低振動形フローティングメタル１０の概略を説明する説明図であり、図１aは、斜視図である。図１（ｂ）は平面図及び、片断面側面図である。
図１に示されるように、外見からは、一見すると通常のフローティングメタルと何ら変わらない。外周縁中心には、等角等方にオイル供給孔３０が複数設けられている。なお、図示はしていないが、オイル供給溝を周設し、該オイル供給溝に該オイル孔「３０を設けるようにすることも有効である。なお、図１には、６個のオイル供給孔３０が表されているが、この数に限定されるものではなく、本発明の要部とも言うべき軸受穴４０の内径表面形状から生ずる効果が発揮される限りにおいて特に限定されるものではない。また、オイル供給孔３０の断面積やその他の要素によっても左右されるものではない。
　図２から図６は、本発明に係る軸受穴４０の内面の真円度を測定した結果である。また、図2は、外周縁中心の真円度を測定したものであり、具体的には、片端面から内側へ４．１３ｍｍ入った位置を測定した結果を示している。
　図３は、端面付近を測定したものであり、具体的には、片端面から０．８８ｍｍ内側へ入った位置を測定したものである。なお、反対端面の真円度については、図３とほぼ同様の結果となったので、省略する。
尚、図２から図６は、いずれも測定倍率を２０００倍としている。
図２及び図６に描かれている線はJIS　B7451にあるように、最も内側の円が最大高さ、最も外側の円は最大深さであり、その間に表されている円は、真円度の平均値を示したものである。最大高さと最大深さまでの真円度は図２では、４．８７μｍ、図３に示す端面付近は３．８３μｍであった。
なお、係る実験データに使用したメタルベアリングには、6個のオイル供給孔３０が設けられたものを用いている。ただし、これに特定されないのは上述の通りである。
　図4は、真円度を追求したもので真円度が１．２８μｍである。他の図と比較すると明らかに真円度が高いことがわかる。しかし、振動計の測定では特段、振動減衰傾向は見られなかった。
　図5は、真円度が乱れた状態を知るために、意図的に用意したものであり、通常の製品では品質確保の品質基準に達しない不良品レベルである。しかし、振動やノイズといった問題には影響が少ないことがわかる。
　図６は、等角等方に分割するには最も大分割となる三角形状となるように、１２０度開きで、動圧発生ポイントを設けた場合の真円度を表している。係る場合も前記同様に振動の発生は抑えられている。
　なお、分割数は六角形状に配置するものが振動発生の抑制に貢献していた。
　図７は、振動低減のための基本的着想を示す説明図である。図７（ａ）は縦軸に振動数（Ｇ）を、横軸には、算術平均粗さ（Ｒａ）を示している。グラフ上部に丸い印が横ばいに変化しているのは表面粗さを向上させても、ノイズの原因となる振動には影響しなかったことを示している。左側の表面はＲａ０．０６であり、右側はＲａ０．４付近である。
他方、グラフ左側の縦軸の変化、即ち振動の増減が○形状の真円度が高い○形状より多角形化していくと振動が減少することがわかる。
図７（ｂ）は、○形状における真円度と表面粗さを高めていくと却って振動が増加する現象を現している。左上が真円度０．８μｍ以下で、右下が真円度２．５から４μｍ］である。
　図８は、本発明に係る低振動形フローティングメタルベアリング１０の潤滑状態を説明するために、一般的なストライベック曲線のグラフを利用したものである。図８に実線で描かれているグラフ線は、相対運動をする２面間における潤滑状態を説明するために、一般によく使用されるストライベック曲線であり、一点鎖線で描かれているのが、本発明に係る低振動形フローティングメタルベアリング１０の潤滑状態を実験結果を根拠とした仮想曲線である。
　本発明に係る低振動形フローティングメタルベアリング１０は、振動を低減することができるため、振動による流体摩擦を軽減できるので、その差分の摩擦抵抗も減少するはずであるので、Ｓ２はその減少分が存在することを示している。また、後記に示す本発明の効果としてセンタリング性（自己求芯機能）の発揮が考えられ、回転に伴う動作流体による動圧が円周全体に作用することから、停止時の境界潤滑領域Ａから混合潤滑領域Ｂ、そして流体潤滑領域Ｃへの移行も低回転領域で進むもと考えられ、そのセンタリング作用の存在をＳ１として示した。
　図９は、本発明の効果であるセンタリング性（自己求芯機能）の説明図である。図９（ａ）は、くさび形すきまにおけるレイノルズ方程式から発生する圧力の分布であり、図９（ｂ）は、これを円周縁部に配置すると、回転により生じた圧力が等しく作用するため常に中心へ向かう圧力が等しく振動を抑え付ける作用が生じる。本発明の効果係るセンタリング機能によるものである。
１０　低振動形フローティングメタルベアリング
２０　オイル供給溝
３０　オイル供給孔
４０　軸受穴
Ｓ１　センタリング作用
Ｓ２　センタリング作用による摩擦減少分
Ａ　境界潤滑領域
Ｂ　混合潤滑領域
Ｃ　流体潤滑領域
Ｐ　動圧
 
 

Claims (2)

  1. 滑り軸受けにおいて、
    軸受穴の表面に流体潤滑条件の異なる領域（軸の表面と軸受穴の内面とのクリアランス量を変化させることにより、狭い流路と広い流路を穏やかに結ぶ一つの領域）を軸心から等角等方的に複数連続して備える内面加工を施すことによって、
    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ことを特徴とする低振動形フローティングメタルベアリング。
     
  2. 前記等角等方に穿設されるオイル供給孔の数が6個であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の低振動形フローティングメタルベアリング。
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