JP2018151030A - スラスト軸受装置及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト軸受装置において、負荷能力を実際に回転軸に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図る。【解決手段】回転軸１４に固定されるスラストスリーブ４１及びスラストリング４２と、スラストスリーブ４１及びスラストリング４２の外周部に所定隙間Ｓを空けて設けられる各フランジ部５２，５４と、外周部がハウジング１５に支持されて内周部が所定隙間Ｓに配置されるスラスト軸受２３と、回転軸１４にスラスト荷重が作用したときにフランジ部５２，５４が変形することでフランジ部５２，５４とスラスト軸受２３との接触面積を増加させる変形部とを設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、タービンとコンプレッサとが回転軸により連結されて構成される過給機において、回転軸を回転自在に支持すると共に、回転軸の軸方向に作用するスラスト荷重を受け止めるスラスト軸受装置、このスラスト軸受装置が適用される過給機に関するものである。

排気タービン過給機は、コンプレッサとタービンとが回転軸により一体に連結され、このコンプレッサ及びタービンがハウジング内に回転自在に収容されて構成されている。そして、排気ガスがハウジング内に供給され、タービンを回転することで回転軸が駆動回転し、コンプレッサを回転駆動する。コンプレッサは、外部から空気を吸入し、羽根車で加圧して圧縮空気とし、この圧縮空気を内燃機関などに供給する。

このような排気タービン過給機において、回転軸は、ハウジングに対してジャーナル軸受とスラスト軸受により回転自在に支持されている。従来のスラスト軸受装置は、回転軸の外周部に固定されたスラストスリーブ及びスラストリングと、外周部がハウジングに固定されて内周部がスラストスリーブとスラストリングの間に嵌合するスラスト軸受とにより構成されている。そのため、回転軸の軸方向の一方側に作用するスラスト荷重は、スラストスリーブを介してスラスト軸受が受け止め、回転軸の軸方向の他方側に作用するスラスト荷重は、スラストリングを介してスラスト軸受が受け止める。

このようなスラスト軸受装置としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開２０１３−００２５５９号公報

一般的に、過給機の回転数の上昇に伴ってスラスト荷重が上昇するものであり、このとき、低回転域での上昇率が高くて高回転域での上昇率が低いものと考えられていた。即ち、回転数の上昇に対するスラスト荷重の変動をグラフで表すと、上に凸形状となるような曲線形で表すことができる。ところが、実際には、低回転域での上昇率が低くて高回転域での上昇率が高いものであり、回転数の上昇に対するスラスト荷重の変動をグラフで表すと、下に凸形状となるような曲線形となる。そのため、設計時における回転数に対するスラスト荷重の変動と、実際の回転数に対するスラスト荷重の変動の差があり、スラスト軸受装置の負荷能力が実際に回転軸に作用する荷重に適応していないおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、負荷能力を実際に回転軸に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図るスラスト軸受装置及び過給機を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明のスラスト軸受装置は、回転軸に固定される筒部材と、前記筒部材の外周部に前記回転軸の軸方向に所定隙間を空けて設けられる円板形状をなす一対のフランジ部と、外周部がハウジングに支持されて内周部が前記所定隙間に配置されるスラスト軸受と、前記回転軸の軸方向の一方側に荷重が作用したときに前記フランジ部または前記スラスト軸受が変形することで前記フランジ部と前記スラスト軸受との接触面積を増加させる変形部と、を備えることを特徴とするものである。

従って、回転軸にスラスト荷重が作用すると、変形部により筒部材のフランジ部またはスラスト軸受が変形することで、フランジ部とスラスト軸受との接触面積を増加することとなる。即ち、スラスト荷重の変動に応じて軸受有効面積が変化することとなり、軸受負荷能力を実際に回転軸に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図ることができる。

本発明のスラスト軸受装置では、前記フランジ部と前記スラスト軸受の対向する一方の面に外径側が前記スラスト軸受側に位置して内径側が前記フランジ部側に位置するリング形状をなす傾斜面が設けられることを特徴としている。

従って、フランジ部またはスラスト軸受に傾斜面を設けることで、回転軸に作用するスラスト荷重の上昇に応じて筒部材のフランジ部またはスラスト軸受の変形量が大きくなり、傾斜面とフランジ部またはスラスト軸受との接触面積が増加することとなり、スラスト荷重の変動に応じて軸受有効面積を適正に変化させることができる。

本発明のスラスト軸受装置では、前記傾斜面は、前記フランジ部における前記スラスト軸受に対向する面に設けられ、外径側に比べて内径側が前記スラスト軸受から離間することを特徴としている。

従って、フランジ部における前記スラスト軸受に対向する面に傾斜面を設けることで、スラスト軸受の形状を変更することなく、容易に傾斜面を設けることができる。

本発明のスラスト軸受装置では、前記変形部は、前記筒部材と前記フランジ部との連結部にリング形状をなして設けられ、前記回転軸の軸方向における厚さが前記フランジ部における前記回転軸の軸方向における厚さより薄く設定される薄肉部であることを特徴としている。

従って、変形部を薄肉部とすることで、回転軸にスラスト荷重が作用したとき、筒部材のフランジ部を容易に変形させてスラスト軸受との接触面積を増加させることができ、構造の簡素化を図ることができる。

本発明のスラスト軸受装置では、前記筒部材は、前記回転軸の外周部に軸方向に直列に固定されるスラストスリーブとスラストリングであることを特徴としている。

従って、筒部材を既存のスラストスリーブとスラストリングにすることで、部品点数の増加を防止してコストの増加を抑制することができると共に、回転軸の軸方向の一方側及び他方側のスラスト荷重に対して対応することができる。

本発明のスラスト軸受装置では、前記傾斜面は、前記スラスト軸受における前記フランジ部に対向する面に設けられ、内径側に比べて外径側が前記スラスト軸受から離間することを特徴としている。

従って、傾斜面をスラスト軸受におけるフランジ部に対向する面に設けることで、スラスト軸受だけを形状変更すればよく、部品点数の増加を防止して製造コストの増加を抑制することができる。

本発明のスラスト軸受装置では、前記変形部は、前記スラスト軸受の内周部にリング形状をなして設けられ、前記回転軸の軸方向における厚さが前記スラスト軸受の外周部における前記回転軸の軸方向における厚さより薄く設定される薄肉部であることを特徴としている。

従って、変形部を薄肉部とすることで、回転軸にスラスト荷重が作用したとき、スラスト軸受を容易に変形させてフランジ部との接触面積を増加させることができ、構造の簡素化を図ることができる。

本発明のスラスト軸受装置では、前記変形部は、前記スラスト軸受の内周部に前記回転軸の軸方向に変形用隙間を空けて設けられる円板形状をなす一対の変形フランジ部であることを特徴としている。

従って、変形部を変形フランジ部とすることで、回転軸にスラスト荷重が作用したとき、変形フランジ部を容易に変形させてフランジ部との接触面積を増加させることができる。

また、本発明の過給機は、中空形状をなすハウジングと、前記ハウジングに装着される前記スラスト軸受装置と、前記ハウジングに前記スラスト軸受装置により回転自在に支持される回転軸と、前記回転軸における軸方向の一端部に設けられるタービンと、前記回転軸における軸方向の他端部に設けられるコンプレッサと、を備えることを特徴とするものである。

従って、排ガスによりタービンが回転し、回転力が回転軸を介してタービンに伝達されてこのタービンが回転する。このとき、回転軸にスラスト荷重が作用すると、変形部により筒部材のフランジ部またはスラスト軸受が変形することで、フランジ部とスラスト軸受との接触面積を増加することとなる。即ち、スラスト荷重の変動に応じて軸受有効面積が変化することとなり、軸受負荷能力を実際に回転軸に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図ることができる。

また、本発明の過給機は、中空形状をなすハウジングと、前記ハウジングに回転自在に支持される回転軸と、前記回転軸における軸方向の一端部に設けられるタービンと、前記回転軸における軸方向の他端部に設けられるコンプレッサと、前記コンプレッサ背面側と前記ハウジングとの間にリング形状をなして設けられる圧力調整用空間部と、前記コンプレッサの吐出口側空間部と前記圧力調整用空間部との間に設けられる第１シール隙間と、前記圧力調整用空間部と回転軸側空間部との間に設けられる第２シール隙間と、を備えることを特徴とするものである。

従って、吐出口側空間部の圧力が高くなると、コンプレッサを介して回転軸にタービン側へのスラスト荷重が作用し、第１シール隙間が大きくなる一方、第２シール隙間が小さくなり、圧力調整用空間部の圧力が高くなる。圧力調整用空間部の圧力が高くなると、コンプレッサを介して回転軸にコンプレッサ側へのスラスト荷重が作用する。その結果、吐出口側空間部と圧力調整用空間部との差圧によりスラスト荷重を低減することができ、負荷能力を実際に回転軸に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図ることができる。

本発明のスラスト軸受装置及び過給機によれば、負荷能力を実際に回転軸に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図ることができる。

図１は、第１実施形態の排気タービン過給機を表す全体構成図である。 図２は、第１実施形態のスラスト軸受装置を表す断面図である。 図３は、スラスト軸受装置の作用を表す断面図である。 図４は、スラスト軸受装置の作用を表す断面図である。 図５は、過給機回転数に対するスラスト荷重を表すグラフである。 図６は、第２実施形態のスラスト軸受装置を表す断面図である。 図７は、第３実施形態のスラスト軸受装置を表す断面図である。 図８は、過給機回転数に対するスラスト荷重を表すグラフである。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るスラスト軸受装置及び過給機の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の排気タービン過給機を表す全体構成図、図２は、第１実施形態のスラスト軸受装置を表す断面図である。

図１に示すように、排気タービン過給機１１は、主に、タービン１２と、コンプレッサ１３と、回転軸１４とにより構成され、これらがハウジング１５内に収容されている。

ハウジング１５は、内部が中空に形成され、タービン１２の構成を収容する第一空間部Ｓ１をなすタービンハウジング１５Ａと、コンプレッサ１３の構成を収容する第二空間部Ｓ２をなすコンプレッサハウジング１５Ｂと、回転軸１４を収容する第三空間部Ｓ３をなすベアリングハウジング１５Ｃとを有している。ベアリングハウジング１５Ｃの第三空間部Ｓ３は、タービンハウジング１５Ａの第一空間部Ｓ１とコンプレッサハウジング１５Ｂの第二空間部Ｓ２との間に位置している。

回転軸１４は、タービン１２側の端部がタービン側軸受であるジャーナル軸受２１により回転自在に支持され、コンプレッサ１３側の端部がコンプレッサ側軸受であるジャーナル軸受２２により回転自在に支持され、且つ、スラスト軸受２３により回転軸１４が延在する軸方向への移動を規制されている。回転軸１４は、軸方向における一端部にタービン１２のタービンディスク２４が固定されている。タービンディスク２４は、タービンハウジング１５Ａの第一空間部Ｓ１に収容され、外周部に軸流型をなす複数のタービン翼２５が周方向に所定間隔で設けられている。また、回転軸１４は、軸方向における他端部にコンプレッサ１３のコンプレッサ羽根車２６が固定されている。コンプレッサ羽根車２６は、コンプレッサハウジング１５Ｂの第二空間部Ｓ２に収容され、外周部に複数のブレード２７が周方向に所定間隔で設けられている。

タービンハウジング１５Ａは、タービン翼２５に対して排気ガスの入口通路３１と排気ガスの出口通路３２が設けられている。そして、タービンハウジング１５Ａは、入口通路３１とタービン翼２５との間にタービンノズル３３が設けられており、このタービンノズル３３により静圧膨張された軸方向の排気ガス流が複数のタービン翼２５に導かれることで、タービン１２を駆動回転することができる。コンプレッサハウジング１５Ｂは、コンプレッサ羽根車２６に対して吸入口３４と圧縮空気吐出口３５が設けられている。そして、コンプレッサハウジング１５Ｂは、コンプレッサ羽根車２６と圧縮空気吐出口３５との間にディフューザ３６が設けられている。コンプレッサ羽根車２６により圧縮された空気は、ディフューザ３６を通って排出される。

そのため、この排気タービン過給機１１は、エンジン（図示せず）から排出された排ガスによりタービン１２が駆動し、タービン１２の回転が回転軸１４に伝達されてコンプレッサ１３が駆動し、このコンプレッサ１３が燃焼用気体を圧縮してエンジンに供給する。従って、エンジンからの排気ガスは、排気ガスの入口通路３１を通り、タービンノズル３３により静圧膨張され、軸方向の排気ガス流が複数のタービン翼２５に導かれることで、複数のタービン翼２５が固定されたタービンディスク２４を介してタービン１２が駆動回転する。そして、複数のタービン翼２５を駆動した排気ガスは、出口通路３２から外部に排出される。一方、タービン１２により回転軸１４が回転すると、一体のコンプレッサ羽根車２６が回転し、吸入口３４を通って空気が吸入される。吸入された空気は、コンプレッサ羽根車２６で加圧されて圧縮空気となり、この圧縮空気は、ディフューザ３６を通り、圧縮空気吐出口３５からエンジンに供給される。

上述した排気タービン過給機１１にて、図１及び図２に示すように、第１実施形態のスラスト軸受装置４０は、スラストスリーブ（筒部材）４１と、スラストリング（筒部材）４２と、スラスト軸受２３と、板バネ４３とを備えている。

回転軸１４は、ジャーナル軸受２１，２２に支持される大径部１４Ａと、スラスト軸受２３に支持される小径部１４Ｂとが設けられ、大径部１４Ａと小径部１４Ｂとの間に段付部１４Ｃが設けられている。スラスト軸受２３は、回転軸１４が貫通する貫通孔２３ａが形成された円板形状をなし、各平面側に回転軸１４の軸方向にほぼ直行する受圧面２３Ａ，２３Ｂが設けられている。

スラストスリーブ４１は、回転軸１４における小径部１４Ｂの外周部に周方向及び軸方向に相対移動不能に固定されている。スラストスリーブ４１は、円筒形状をなすスリーブ本体５１と、円板形状をなしてスリーブ本体５１における軸方向の一方側に一体に設けられるフランジ部５２とから構成されている。また、スラストリング４２は、回転軸１４における小径部１４Ｂの外周部に周方向及び軸方向に相対移動不能に固定されている。スラストリング４２は、円筒形状をなすリング本体５３と、円板形状をなしてリング本体５３における軸方向の一方側に一体に設けられるフランジ部５４とから構成されている。そして、スラストスリーブ４１とスラストリング４２は、スリーブ本体５１とリング本体５３が回転軸１４の軸方向に直列に配置され、スリーブ本体５１の一端部とリング本体５３の一端部が当接している。また、スラストスリーブ４１は、スリーブ本体５１の他端部がコンプレッサ羽根車２６の背面２６ａに当接し、スラストリング４２は、リング本体５３の他端部が回転軸１４の段付部１４Ｃの端面に当接している。

回転軸１４の外周部にスラストスリーブ４１とスラストリング４２が直列をなして固定されることで、各フランジ部５２，５４の間に回転軸１４の軸方向に沿う所定隙間Ｓ４が設けられる。スラスト軸受２３は、外周部がベアリングハウジング１５Ｃに固定され、内周部がこの所定隙間Ｓ４に配置されている。板バネ４３は、中心部に貫通孔が設けられた円板形状をなし、外周部がベアリングハウジング１５Ｃに固定され、内周部がスラストスリーブ４１のフランジ部５２に接触している。即ち、板バネ４３は、自身の付勢力によりフランジ部５２を介してスラストスリーブ４１をスラストリング４２側に押圧している。

そして、本実施形態にて、第１実施形態のスラスト軸受装置４０は、回転軸１４の軸方向の一方側に荷重が作用したときに、スラストスリーブ４１及びスラストリング４２の各フランジ部５２，５４が変形することで、各フランジ部５２，５４とスラスト軸受２３との接触面積を増加させる変形部が設けられている。

スラストスリーブ４１は、外周側傾斜面６１と内周側傾斜面６２と頂部６３と薄肉部６４とが設けられている。外周側傾斜面６１は、フランジ部５２におけるスラスト軸受２３に対向する面に設けられ、外周部側に配置されて内径側に比べて外径側がスラスト軸受２３の受圧面２３Ａから離間するようなリング状をなす平坦な傾斜面となっている。内周側傾斜面６２は、フランジ部５２におけるスラスト軸受２３に対向する面に設けられ、内周部側に配置されて外径側に比べて内径側がスラスト軸受２３の受圧面２３Ａから離間するようなリング状をなす平坦な傾斜面となっている。頂部６３は、外周側傾斜面６１と内周側傾斜面６２との間に設けられたリング形状をなす頂点である。この頂部６３は、外周側傾斜面６１と内周側傾斜面６２がスラスト軸受２３の受圧面２３Ａに対してそれぞれ径方向に傾斜していることから、スラスト軸受２３の受圧面２３Ａに接触している。なお、各傾斜面６１，６２は、径方向に湾曲した曲面であってもよい。

薄肉部６４は、スリーブ本体５１とフランジ部５２との連結部にリング形状をなして設けられている。薄肉部６４は、回転軸１４の軸方向における厚さが、フランジ部５２における回転軸１４の軸方向における厚さより薄く設定されている。そのため、スラストスリーブ４１は、フランジ部５２にスラスト荷重が作用としたとき、フランジ部５２がスリーブ本体５１に対して薄肉部６４を支点として回転軸１４の軸方向に弾性変形可能となっている。そのため、この薄肉部６４が前述した変形部として機能する。

また、スラストリング４２は、傾斜面６５と頂部６６と薄肉部６７とが設けられている。傾斜面６５は、フランジ部５４におけるスラスト軸受２３に対向する面に設けられ、外径側に比べて内径側がスラスト軸受２３の受圧面２３Ｂから離間するようなリング状をなす平坦な傾斜面となっている。頂部６６は、傾斜面６５の外径側端部に設けられたリング形状をなす頂点である。この頂部６６は、傾斜面６５がスラスト軸受２３の受圧面２３Ｂに対して径方向に傾斜していることから、スラスト軸受２３の受圧面２３Ｂに接触している。なお、各傾斜面６５は、径方向に湾曲した曲面であってもよい。

薄肉部６７は、リング本体５３とフランジ部５４との連結部にリング形状をなして設けられている。薄肉部６７は、回転軸１４の軸方向における厚さが、フランジ部５４における回転軸１４の軸方向における厚さより薄く設定されている。そのため、スラストリング４２は、フランジ部５４にスラスト荷重が作用としたとき、フランジ部５４がリング本体５３に対して薄肉部６７を支点として回転軸１４の軸方向に弾性変形可能となっている。そのため、この薄肉部６７が前述した変形部として機能する。

ここで、上述したスラスト軸受装置４０の作用を説明する。図３及び図４は、スラスト軸受装置の作用を表す断面図である。

そのため、排気タービン過給機１１が停止して回転軸１４の回転が停止しているとき、図２に示すように、スラスト軸受装置４０にて、スラストスリーブ４１は、フランジ部５２の頂部６３だけがスラスト軸受２３の受圧面２３Ａに接触すると共に、スラストリング４２は、フランジ部５４の頂部６６だけがスラスト軸受２３の受圧面２３Ｂに接触している。

そして、排気タービン過給機１１が稼働して回転軸１４が回転し、図３に示すように、回転軸１４に対して軸方向の一方側にスラスト荷重Ｆ１が作用すると、ベアリングハウジング１５Ｃの固定されたスラスト軸受２３に対して、回転軸１４とスラストスリーブ４１とスラストリング４２が同方向に若干移動する。すると、スラストリング４２は、フランジ部５４が薄肉部６７を支点としてスラスト荷重Ｆ１とは逆方向に変形し、傾斜面６５の一部または全部がスラスト軸受２３の受圧面２３Ｂに接触する。即ち、スラストリング４２のフランジ部５４とスラスト軸受２３の受圧面２３Ｂとの接触面積が増加する。つまり、スラスト荷重Ｆ１の上昇に伴ってフランジ部５４の変形量が大きくなることから、傾斜面６５とスラスト軸受２３の受圧面２３Ｂとの接触面積が増加する。そのため、スラスト軸受２３は、スラスト荷重Ｆ１の増加に対して軸受有効面積が増加することから、スラスト荷重Ｆ１の大きさに見合ったスラスト負荷能力が確保される。

一方、図４に示すように、回転軸１４に対して軸方向の他方側にスラスト荷重Ｆ２が作用すると、ベアリングハウジング１５Ｃの固定されたスラスト軸受２３に対して、回転軸１４とスラストスリーブ４１とスラストリング４２が同方向に若干移動する。すると、スラストスリーブ４１は、フランジ部５２が薄肉部６４を支点としてスラスト荷重Ｆ２とは逆方向に変形し、内周側傾斜面６２の一部または全部がスラスト軸受２３の受圧面２３Ａに接触する。即ち、スラストスリーブ４１のフランジ部５２とスラスト軸受２３の受圧面２３Ａとの接触面積が増加する。つまり、スラスト荷重Ｆ２の上昇に伴ってフランジ部５２の変形量が大きくなることから、内周側傾斜面６２とスラスト軸受２３の受圧面２３Ａとの接触面積が増加する。そのため、スラスト軸受２３は、スラスト荷重Ｆ２の増加に対して軸受有効面積が増加することから、スラスト荷重Ｆ２の大きさに見合ったスラスト負荷能力が確保される。

なお、上述の説明にて、図３に示すように、回転軸１４にスラスト荷重Ｆ１が作用すると、スラスト軸受２３によりスラストリング４２のフランジ部５４が変形するが、板バネ４３の付勢力によりスラストスリーブ４１のフランジ部５２も変形するが、スラスト軸受２３の受圧面２３Ａに接触してもしなくてもよい。また、図４に示すように、回転軸１４にスラスト荷重Ｆ２が作用すると、スラスト軸受２３によりスラストスリーブ４１のフランジ部５２が変形するが、スラストリング４２のフランジ部５４は変形してもしなくてもよい。

図５は、過給機回転数に対するスラスト荷重を表すグラフである。従来、図５に実線で表すように、過給機回転数の上昇に伴ってスラスト荷重が上昇し、低回転域での上昇率が高くて高回転域での上昇率が低いものと考えられており、上に凸形状となるような曲線形で表される。ところが、本出願人の実験によると、過給機回転数に対するスラスト荷重が複数の黒点で表され、低回転域での上昇率が低くて高回転域での上昇率が高いものとなり、図５に一点鎖線で表すように、下に凸形状となるような曲線形となった。そのため、本実施形態のスラスト軸受装置４０によれば、前述したように、スラスト荷重の上昇に伴ってフランジ部５２，５４とスラスト軸受２３との接触面積が増加することから、過給機回転数とスラスト荷重との関係は、図５に一点鎖線で表すものとなり、スラスト荷重の大きさに見合ったスラスト負荷能力を確保することができる。

このように第１実施形態のスラスト軸受装置にあっては、回転軸１４に固定されるスラストスリーブ４１及びスラストリング４２と、スラストスリーブ４１及びスラストリング４２の外周部に所定隙間Ｓ４を空けて設けられる各フランジ部５２，５４と、外周部がハウジング１５に支持されて内周部が所定隙間Ｓ４に配置されるスラスト軸受２３と、回転軸１４にスラスト荷重が作用したときにフランジ部５２，５４が変形することでフランジ部５２，５４とスラスト軸受２３との接触面積を増加させる変形部とを設けている。

従って、回転軸１４にスラスト荷重が作用すると、変形部によりスラストスリーブ４１及びスラストリング４２の各フランジ部５２，５４が変形することで、各フランジ部５２，５４とスラスト軸受２３との接触面積を増加することとなる。即ち、スラスト荷重の変動に応じて軸受有効面積が変化することとなり、軸受負荷能力を実際に回転軸１４に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図ることができる。

第１実施形態のスラスト軸受装置では、スラストスリーブ４１及びスラストリング４２の各フランジ部５２，５４におけるスラスト軸受２３に対向する面にリング形状をなす傾斜面６２，６５を設けている。従って、各フランジ部５２，５４に傾斜面６２，６５を設けることで、回転軸１４に作用するスラスト荷重の上昇に応じてフランジ部５２，５４の変形量が大きくなり、傾斜面６２，６５とスラスト軸受２３との接触面積が増加することとなり、スラスト荷重の変動に応じて軸受有効面積を適正に変化させることができる。

この場合、傾斜面６２，６５をスラストスリーブ４１及びスラストリング４２の各フランジ部５２，５４に設けることで、スラスト軸受２３の形状を変更することなく、容易に傾斜面６２，６５を設けることができる。また、既存のスラストスリーブ４１とスラストリング４２を用いることで、部品点数の増加を防止してコストの増加を抑制することができると共に、回転軸１４の軸方向の一方側及び他方側のスラスト荷重に対して対応することができる。

第１実施形態のスラスト軸受装置では、変形部として、スラストスリーブ４１及びスラストリング４２に薄肉部６４，６７を設けている。従って、変形部を薄肉部６４，６７とすることで、回転軸１４にスラスト荷重が作用したとき、フランジ部５２，５４を容易に変形させてスラスト軸受２３との接触面積を増加させることができ、構造の簡素化を図ることができる。

また、第１実施形態の過給機にあっては、中空形状をなすハウジング１５と、ハウジング１５に装着されるスラスト軸受装置４０と、ハウジング１５にスラスト軸受装置４０により回転自在に支持される回転軸１４と、回転軸１４における軸方向の一端部に設けられるタービン１２と、回転軸１４における軸方向の他端部に設けられるコンプレッサ１３とを設けている。

従って、排ガスによりタービン１２が回転し、回転力が回転軸１４を介してタービン１２に伝達されてこのタービン１２が回転する。このとき、回転軸１４にスラスト荷重が作用すると、変形部によりスラストスリーブ４１及びスラストリング４２の各フランジ部５２，５４が変形することで、各フランジ部５２，５４とスラスト軸受２３との接触面積を増加することとなる。即ち、スラスト荷重の変動に応じて軸受有効面積が変化することとなり、軸受負荷能力を実際に回転軸１４に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図ることができる。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態のスラスト軸受装置を表す断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態において、図６に示すように、スラスト軸受装置７０は、スラストスリーブ（筒部材）７１と、スラストリング（筒部材）７２と、スラスト軸受７３と、板バネ４３とを備えている。

スラストスリーブ７１は、回転軸１４における小径部１４Ｂの外周部に周方向及び軸方向に相対移動不能に固定されている。スラストスリーブ７１は、円筒形状をなすスリーブ本体８１と、円板形状をなしてスリーブ本体８１における軸方向の一方側に一体に設けられるフランジ部８２とから構成されている。また、スラストリング７２は、回転軸１４における小径部１４Ｂの外周部に周方向及び軸方向に相対移動不能に固定されている。スラストリング７２は、円筒形状をなすリング本体８３と、円板形状をなしてリング本体８３における軸方向の一方側に一体に設けられるフランジ部８４とから構成されている。そして、スラストスリーブ７１とスラストリング７２は、スリーブ本体８１とリング本体８３が回転軸１４の軸方向に直列に配置され、スリーブ本体８１の一端部とリング本体８３の一端部が当接している。また、スラストスリーブ７１は、スリーブ本体８１の他端部がコンプレッサ羽根車２６の背面２６ａに当接し、スラストリング７２は、リング本体８３の他端部が回転軸１４の段付部１４Ｃの端面に当接している。

回転軸１４の外周部にスラストスリーブ７１とスラストリング７２が直列をなして固定されることで、各フランジ部８２，８４の間に回転軸１４の軸方向に沿う所定隙間Ｓ４が設けられる。スラスト軸受７３は、回転軸１４が貫通する貫通孔７３ａが形成された円板形状をなし、各平面側に回転軸１４の軸方向にほぼ直行する受圧面７３Ａ，７３Ｂが設けられている。スラスト軸受７３は、外周部がベアリングハウジング１５Ｃに固定され、内周部が所定隙間Ｓ４に配置されている。板バネ４３は、中心部に貫通孔が設けられた円板形状をなし、外周部がベアリングハウジング１５Ｃに固定され、内周部がスラストスリーブ７１のフランジ部８２に接触している。即ち、板バネ４３は、自身の付勢力によりフランジ部８２を介してスラストスリーブ７１をスラストリング７２側に押圧している。

そして、本実施形態にて、第２実施形態のスラスト軸受装置７０は、回転軸１４の軸方向の一方側に荷重が作用したときに、スラスト軸受７３が変形することで、各フランジ部８２，８４とスラスト軸受７３との接触面積を増加させる変形部が設けられている。

スラスト軸受７３は、内周部に回転軸１４の軸方向に変形用隙間Ｓ５を空けて円板形状をなす一対の変形フランジ部９１，９２が設けられている。第１変形フランジ部９１は、第１傾斜面９３と頂部９４と薄肉部９５とが設けられている。第１傾斜面９３は、第１変形フランジ部９１におけるスラストスリーブ７１に対向する面に設けられ、内径側に比べて外径側がスラストスリーブ７１のフランジ部８２の対向面から離間するようなリング状をなす平坦な傾斜面となっている。頂部９４は、第１傾斜面９３の内径側端部に設けられたリング形状をなす頂点である。この頂部９４は、第１傾斜面９３がスラストスリーブ７１に対して径方向に傾斜していることから、スラストスリーブ７１に接触している。

薄肉部９５は、第１変形フランジ部９１の分岐部にリング形状をなして設けられている。薄肉部９５は、回転軸１４の軸方向における厚さが、スラスト軸受７３における回転軸１４の軸方向における厚さより薄く設定されている。そのため、スラスト軸受７３は、第１変形フランジ部９１にスラスト荷重が作用したとき、第１変形フランジ部９１が薄肉部９５を支点として回転軸１４の軸方向に弾性変形可能となっている。そのため、この薄肉部９５が前述した変形部として機能する。なお、薄肉部９５は、第１変形フランジ部９１の内径側端部より薄く形成されている。

また、第２変形フランジ部９２は、第２傾斜面９６と頂部９７と薄肉部９８とが設けられている。第２傾斜面９６は、第２変形フランジ部９２におけるスラストリング７２に対向する面に設けられ、内径側に比べて外径側がスラストリング７２のフランジ部８４の対向面から離間するようなリング状をなす平坦な傾斜面となっている。頂部９７は、第２傾斜面９６の内径側端部に設けられたリング形状をなす頂点である。この頂部９７は、第２傾斜面９６がスラストリング７２に対して径方向に傾斜していることから、スラストリング７２に接触している。

薄肉部９８は、第２変形フランジ部９２の分岐部にリング形状をなして設けられている。薄肉部９８は、回転軸１４の軸方向における厚さが、スラスト軸受７３における回転軸１４の軸方向における厚さより薄く設定されている。そのため、スラスト軸受７３は、第２変形フランジ部９２にスラスト荷重が作用したとき、第２変形フランジ部９２が薄肉部９８を支点として回転軸１４の軸方向に弾性変形可能となっている。そのため、この薄肉部９８が前述した変形部として機能する。なお、薄肉部９８は、第２変形フランジ部９２の内径側端部より薄く形成されている。

そのため、排気タービン過給機１１が停止して回転軸１４の回転が停止しているとき、スラスト軸受装置７０にて、スラスト軸受７３は、各変形フランジ部９１，９２の頂部９４，９７だけがスラストスリーブ７１及びスラストリング７２の各フランジ部８２，８４に接触している。

そして、排気タービン過給機１１が稼働して回転軸１４が回転し、回転軸１４に対して軸方向の一方側（図６にて左方）にスラスト荷重が作用すると、ベアリングハウジング１５Ｃの固定されたスラスト軸受７３に対して、回転軸１４とスラストスリーブ７１とスラストリング７２が同方向に若干移動する。すると、スラスト軸受７３は、第２変形フランジ部９２が薄肉部９８を支点としてスラスト荷重と同方向に変形し、第２傾斜面９６（受圧面７３Ｂ）の一部または全部がフランジ部８４に接触する。即ち、スラストリング７２のフランジ部８４とスラスト軸受７３の受圧面７３Ｂとの接触面積が増加する。つまり、スラスト荷重の上昇に伴って第２変形フランジ部９２の変形量が大きくなることから、第２傾斜面９６（受圧面７３Ｂ）とフランジ部８４との接触面積が増加する。そのため、スラスト軸受７３は、スラスト荷重の増加に対して軸受有効面積が増加することから、スラスト荷重の大きさに見合ったスラスト負荷能力が確保される。

一方、回転軸１４に対して軸方向の他方側（図６にて右方）にスラスト荷重が作用すると、ベアリングハウジング１５Ｃの固定されたスラスト軸受７３に対して、回転軸１４とスラストスリーブ７１とスラストリング７２が同方向に若干移動する。すると、スラスト軸受７３は、第１変形フランジ部９１が薄肉部９５を支点としてスラスト荷重と同方向に変形し、第１傾斜面９３の一部または全部がフランジ部８２に接触する。即ち、スラストスリーブ７１のフランジ部８２とスラスト軸受７３の受圧面２３Ａとの接触面積が増加する。つまり、スラスト荷重の上昇に伴って第１変形フランジ部９１の変形量が大きくなることから、第１傾斜面９３（受圧面７３Ａ）とフランジ部８２との接触面積が増加する。そのため、スラスト軸受７３は、スラスト荷重の増加に対して軸受有効面積が増加することから、スラスト荷重の大きさに見合ったスラスト負荷能力が確保される。

このように第２実施形態のスラスト軸受装置にあっては、回転軸１４に固定されるスラストスリーブ７１及びスラストリング７２と、スラストスリーブ７１及びスラストリング７２の外周部に所定隙間Ｓ４を空けて設けられる各フランジ部８２，８４と、外周部がハウジング１５に支持されて内周部が所定隙間Ｓ４に配置されるスラスト軸受７３と、回転軸１４にスラスト荷重が作用したときにスラスト軸受７３が変形することでフランジ部８２，８４とスラスト軸受７３との接触面積を増加させる変形部とを設けている。

従って、回転軸１４にスラスト荷重が作用すると、変形部によりスラスト軸受７３が変形することで、各フランジ部８２，８４とスラスト軸受７３との接触面積を増加することとなる。即ち、スラスト荷重の変動に応じて軸受有効面積が変化することとなり、軸受負荷能力を実際に回転軸１４に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図ることができる。

第２実施形態のスラスト軸受装置では、傾斜面９３，９６をスラスト軸受７３におけるフランジ部８２，８４に対向する面に設けている。従って、スラスト軸受７３だけを形状変更すればよく、部品点数の増加を防止して製造コストの増加を抑制することができる。

第２実施形態のスラスト軸受装置では、変形部として、スラスト軸受７３の内周部側に薄肉部９５，９８を設けている。従って、変形部を薄肉部９５，９８とすることで、回転軸１４にスラスト荷重が作用したとき、スラスト軸受７３を容易に変形させてフランジ部８２，８４との接触面積を増加させることができ、構造の簡素化を図ることができる。

第２実施形態のスラスト軸受装置では、変形部として、スラスト軸受７３の内周部に変形用隙間Ｓ５を空けて一対の変形フランジ部９１，９２を設けている。従って、変形部を変形フランジ部９１，９２とすることで、回転軸１４にスラスト荷重が作用したとき、変形フランジ部９１，９２を容易に変形させてフランジ部８２，８４との接触面積を増加させることができる。

[第３実施形態]
図７は、第３実施形態のスラスト軸受装置を表す断面図、図８は、過給機回転数に対するスラスト荷重を表すグラフである。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第３実施形態において、図７に示すように、排気タービン過給機１００は、主に、タービン１２（図１参照）と、コンプレッサ１３と、回転軸１４とにより構成され、これらがハウジング１５内に収容されている。

コンプレッサ１３にて、コンプレッサ羽根車２６は、外周部に周方向に沿ってフランジ部１０１が設けられる一方、ベアリングハウジング１５Ｃにおけるディフューザ３６に面する端面にカバー部材１０２が固定されている。カバー部材１０２は、中心部に貫通孔が形成された円板形状をなし、外周部がベアリングハウジング１５Ｃに固定され、内周部がコンプレッサ羽根車２６のフランジ部１０１に対して、所定隙間を空けて回転軸１４の軸方向に重なるように位置している。また、ベアリングハウジング１５Ｃは、コンプレッサ羽根車２６の背面２６ａに対向する位置に凹部１０３が形成されると共に、コンプレッサ羽根車２６の背面２６ａ側に突出する凸部１０４が形成されている。

コンプレッサ羽根車２６の背面２６ａとベアリングハウジング１５Ｃとの間にリング形状をなして圧力調整用空間部Ｐ２が設けられる。また、コンプレッサ１３における圧縮空気吐出口３５（ディフューザ３６）側の吐出口側空間部Ｐ１と圧力調整用空間部Ｐ２との間に第１シール隙間Ｓ１１が設けられている。この第１シール隙間Ｓ１１は、コンプレッサ羽根車２６のフランジ部１０１とカバー部材１０２との間の軸方向隙間である。更に、圧力調整用空間部Ｐ２と回転軸側空間部Ｐ３との間に第２シール隙間Ｓ１２が設けられている。回転軸側空間部Ｐ３は、スラスト軸受装置を構成するスラストスリーブ７１が配置される空間部であり、第２シール隙間Ｓ１２は、コンプレッサ羽根車２６の背面２６ａとベアリングハウジング１５Ｃの凸部１０４との間の軸方向隙間である。

そのため、コンプレッサ１３の回転時に、吐出口側空間部Ｐ１の圧力が高くなると、コンプレッサ１３がタービン１２側に押圧されて回転軸１４に対してタービン１２側へのスラスト荷重が作用する。すると、このスラスト荷重によりコンプレッサ１３がタービン１２側に移動し、第１シール隙間Ｓ１１が大きくなる一方、第２シール隙間Ｓ１２が小さくなる。すると、圧力調整用空間部Ｐ２の容積が減少して圧力が高くなることから、ベアリングハウジング１５Ｃに対してコンプレッサ１３を押圧する圧力が高くなり、回転軸１４に対してコンプレッサ１３側へのスラスト荷重が作用する。すると、このスラスト荷重によりコンプレッサ１３がタービン１２とは逆側に移動し、第１シール隙間Ｓ１１が小さくなる一方、第２シール隙間Ｓ１２が大きくなる。即ち、吐出口側空間部Ｐ１と圧力調整用空間部Ｐ２との圧力変動により第１シール隙間Ｓ１１と第２シール隙間Ｓ１２の大きさが変動し、スラスト荷重を低減することができる。その結果、負荷能力を実際に回転軸１４に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図ることができる。

図８は、過給機回転数に対するスラスト荷重を表すグラフである。従来、図８に実線で表すように、過給機回転数の上昇に伴ってスラスト荷重が上昇し、低回転域での上昇率が高くて高回転域での上昇率が低いものと考えられており、上に凸形状となるような曲線形で表される。ところが、本出願人の実験によると、過給機回転数に対するスラスト荷重が複数の黒点で表され、低回転域での上昇率が低くて高回転域での上昇率が高いものとなり、図８に一点鎖線で表すように、上に凸形状となるような曲線形となった。そのため、本実施形態の排気タービン過給機１００によれば、前述したように、吐出口側空間部Ｐ１と圧力調整用空間部Ｐ２との差圧により回転軸１４に作用するスラスト荷重を低減することができることから、過給機回転数とスラスト荷重との関係は、図８に一点鎖線で表すものとなり、スラスト荷重の大きさに見合ったスラスト負荷能力を確保することができる。

第３実施形態の過給機にあっては、中空形状をなすハウジング１５と、ハウジング１５に回転自在に支持される回転軸１４と、回転軸１４における軸方向の一端部に設けられるタービン１２と、回転軸１４における軸方向の他端部に設けられるコンプレッサ１３と、コンプレッサ１３の背面２６ａとハウジング１５との間にリング形状をなして設けられる圧力調整用空間部Ｐ２と、コンプレッサ１３の吐出口側空間部Ｐ１と圧力調整用空間部Ｐ２との間に設けられる第１シール隙間Ｓ１１と、圧力調整用空間部Ｐ２と回転軸側空間部Ｐ３との間に設けられる第２シール隙間Ｓ１１とを設けている。

従って、吐出口側空間部Ｐ１の圧力が高くなると、コンプレッサ１３を介して回転軸１４にタービン１２側へのスラスト荷重が作用し、第１シール隙間Ｓ１１が大きくなる一方、第２シール隙間Ｓ１２が小さくなり、圧力調整用空間部Ｐ２の圧力が高くなる。圧力調整用空間部Ｐ２の圧力が高くなると、コンプレッサ１３を介して回転軸１４にコンプレッサ１３側へのスラスト荷重が作用する。その結果、吐出口側空間部Ｐ１と圧力調整用空間部Ｐ２との差圧によりスラスト荷重を低減することができ、負荷能力を実際に回転軸１４に作用する荷重に適応させることで装置のコンパクト化を図ることができる。

１１，１００ 排気タービン過給機
１２ タービン
１３ コンプレッサ
１４ 回転軸
１５ ハウジング
２１，２２ ジャーナル軸受
２３，７３ スラスト軸受
２４ タービンディスク
２５ タービン翼
２６ コンプレッサ羽根車
２７ ブレード
４０，７０ スラスト軸受装置
４１，７１ スラストスリーブ
４２，７２ スラストリング
４３ 板バネ
５１，８１ スリーブ本体
５２，５４，８２，８４ フランジ部
５３，８３ リング本体
６１ 外周側傾斜面
６２ 内周側傾斜面
６３，６６，９４，９７ 頂部
６４，６７，９５，９８ 薄肉部
６５ 傾斜面
９１ 第１変形フランジ部
９２ 第２変形フランジ部
９３ 第１傾斜面
９６ 第２傾斜面
Ｐ１ 吐出口側空間部
Ｐ２ 圧力調整用空間部
Ｐ３ 回転軸側空間部
Ｓ１１ 第１シール隙間
Ｓ１２ 第２シール隙間

Claims (10)

1. 回転軸に固定される筒部材と、
   前記筒部材の外周部に前記回転軸の軸方向に所定隙間を空けて設けられる円板形状をなす一対のフランジ部と、
   外周部がハウジングに支持されて内周部が前記所定隙間に配置されるスラスト軸受と、
   前記回転軸の軸方向の一方側に荷重が作用したときに前記フランジ部または前記スラスト軸受が変形することで前記フランジ部と前記スラスト軸受との接触面積を増加させる変形部と、
   を備えることを特徴とするスラスト軸受装置。
2. 前記フランジ部と前記スラスト軸受の対向する一方の面に外径側が前記スラスト軸受側に位置して内径側が前記フランジ部側に位置するリング形状をなす傾斜面が設けられることを特徴とする請求項１に記載のスラスト軸受装置。
3. 前記傾斜面は、前記フランジ部における前記スラスト軸受に対向する面に設けられ、外径側に比べて内径側が前記スラスト軸受から離間することを特徴とする請求項２に記載のスラスト軸受装置。
4. 前記変形部は、前記筒部材と前記フランジ部との連結部にリング形状をなして設けられ、前記回転軸の軸方向における厚さが前記フランジ部における前記回転軸の軸方向における厚さより薄く設定される薄肉部であることを特徴とする請求項３に記載のスラスト軸受装置。
5. 前記筒部材は、前記回転軸の外周部に軸方向に直列に固定されるスラストスリーブとスラストリングであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のスラスト軸受装置。
6. 前記傾斜面は、前記スラスト軸受における前記フランジ部に対向する面に設けられ、内径側に比べて外径側が前記スラスト軸受から離間することを特徴とする請求項２に記載のスラスト軸受装置。
7. 前記変形部は、前記スラスト軸受の内周部にリング形状をなして設けられ、前記回転軸の軸方向における厚さが前記スラスト軸受の外周部における前記回転軸の軸方向における厚さより薄く設定される薄肉部であることを特徴とする請求項６に記載のスラスト軸受装置。
8. 前記変形部は、前記スラスト軸受の内周部に前記回転軸の軸方向に変形用隙間を空けて設けられる円板形状をなす一対の変形フランジ部であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のスラスト軸受装置。
9. 中空形状をなすハウジングと、
   前記ハウジングに装着される請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のスラスト軸受装置と、
   前記ハウジングに前記スラスト軸受装置により回転自在に支持される回転軸と、
   前記回転軸における軸方向の一端部に設けられるタービンと、
   前記回転軸における軸方向の他端部に設けられるコンプレッサと、
   を備えることを特徴とする過給機。
10. 中空形状をなすハウジングと、
    前記ハウジングに回転自在に支持される回転軸と、
    前記回転軸における軸方向の一端部に設けられるタービンと、
    前記回転軸における軸方向の他端部に設けられるコンプレッサと、
    前記コンプレッサ背面側と前記ハウジングとの間にリング形状をなして設けられる圧力調整用空間部と、
    前記コンプレッサの吐出口側空間部と前記圧力調整用空間部との間に設けられる第１シール隙間と、
    前記圧力調整用空間部と回転軸側空間部との間に設けられる第２シール隙間と、
    を備えることを特徴とする過給機。

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