JP6540281B2

JP6540281B2 - 複列玉軸受

Info

Publication number: JP6540281B2
Application number: JP2015131039A
Authority: JP
Inventors: 下石　元; 元下石; 翔吉田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: JP2017015148A

Description

本発明は、複列玉軸受に関する。本発明は、特に、両端部にタービンとインペラとを支持固定したターボチャージャの回転軸をハウジングの内側に回転自在に支持する複列玉軸受に関する。

排気量を変えずにエンジンの出力を増大させるための過給機として、エンジンに送り込む空気を排気のエネルギにより圧縮するターボチャージャが広く使用されている。図５は、ターボチャージャの一例を示している。このターボチャージャ１は、排気流路２を流通する排気により、回転軸３の一端（図５の右端）に固定したタービン４を回転させる。この回転軸３の回転は、回転軸３の他端（図５の左端）に固定したインペラ５に伝わり、このインペラ５が給気流路６内で回転する。この結果、給気流路６の上流端開口から吸引された空気が圧縮されて、ガソリン、軽油等の燃料と共にエンジンのシリンダ室内に送り込まれる。

回転軸３は、数万〜十数万ｍｉｎ^−１（ｒ．ｐ．ｍ．）もの高速で回転し、しかも、エンジンの運転状況に応じてその回転速度が頻繁に変化するため、回転軸３はハウジング７に対して小さな回転抵抗で支持される必要がある。

そのため、従来、ターボチャージャの回転軸の支持に、複列玉軸受を用いることが提案されている。図５に示すように、複列玉軸受５０は、単一円筒で形成された外輪５１と、タービン４側の第一の内輪５５およびインペラ５側の第二の内輪５８と、タービン４側の第一の保持器６１およびインペラ５側の第二の保持器６２と、を備える。第一の保持器６１には複数の第一の玉６５が転動自在に保持されており、第二の保持器６２には複数の第二の玉６６が転動自在に保持されている（例えば特許文献１、２参照。）。このような複列玉軸受５０によれば、回転軸３をハウジング７に対して小さな回転抵抗で支持することができる。

また、複列玉軸受により回転軸を支持する構成において、タービン側よりもインペラ側で外径が小さくなるように形成された回転軸を用い、タービン側の内輪の内径よりもインペラ側の内輪の内径を小さくすることによって、回転軸の内輪への圧入抵抗を軽減することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１２−９２９３４号公報特開２０１４−９７７９号公報特開２０１４−１２６０８４号公報

ところで、上述したように、ターボチャージャの回転軸は高速回転するため、複列玉軸受の転動体である玉には大きな遠心力がかかる。玉の公転時に作用する遠心力が増大して接触面圧や接触面内のすべり速度が増大すると、発熱や摩擦損失の増加といった問題を引き起こし、寿命低下など軸受性能の低下を招いてしまう虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ターボチャージャの回転軸の高速回転に起因した発熱や摩擦損失を低減可能な複列玉軸受を提供することである。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）両端部にタービンとインペラとを支持固定したターボチャージャの回転軸をハウジングの内側に回転自在に支持する複列玉軸受であって、
単一円筒から形成され、タービン側の第一の軌道面とインペラ側の第二の軌道面とを内径面両端近傍に有する外輪と、
前記回転軸に外嵌され、前記第一の外輪軌道面に対向する第一の内輪軌道面を外径面に有する第一の内輪と、
前記回転軸に外嵌され、前記第二の外輪軌道面に対向する第二の内輪軌道面を外径面に有する第二の内輪と、
前記第一の外輪軌道面と前記第一の内輪軌道面との間を転動可能な複数の第一の玉と、
前記第二の外輪軌道面と前記第二の内輪軌道面との間を転動可能な複数の第二の玉と、
前記第一の玉を周方向に等間隔に保持する第一の保持器と、
前記第二の玉を周方向に等間隔に保持する第二の保持器と、を備える複列玉軸受であって、
前記第二の玉のピッチ円径が、前記第一の玉のピッチ円径よりも小さい、複列玉軸受。
（２）前記第二の玉の径が、前記第一の玉の径よりも小さい、（１）に記載の複列玉軸受。

本発明に係る複列玉軸受によれば、ターボチャージャの回転軸の高速回転に起因した発熱や摩擦損失を低減することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る複列玉軸受の断面図である。ピッチ円径差に対する動トルクの低減率を示すグラフである。ピッチ円径差に対する発熱量の低減率を示すグラフである。本発明の変形例に係る複列玉軸受の断面図である。従来の複列玉軸受が組み込まれたターボチャージャの断面図である。

以下、本発明に係る複列玉軸受の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明の特徴は、両端部にタービン４とインペラ５とを支持固定したターボチャージャ１の回転軸３をハウジング７（図５参照）の内側に回転自在に支持するために用いる複列玉軸受の構造にある。ターボチャージャ１の構造については従来と同様であるので、同等部分に関する図示および説明は省略または簡略にし、以下、本発明の特徴部分を中心に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る複列玉軸受１０の断面図を示す。複列玉軸受１０は、両端部にタービンとインペラとを支持固定したターボチャージャの回転軸を、ハウジングの内側に回転自在に支持するために用いるものであり、外輪１１と、第一の内輪２１と、第二の内輪２５と、を備える。以降、本明細書では、図中右側（すなわち第一の内輪２１側）にタービン、図中左側（すなわち第二の内輪２５側）にインペラが配置されるものとして説明する。

外輪１１は単一円筒から形成されており、図中右側に位置するタービン側の端部近傍において第一の外輪軌道面１３を内径面に有し、図中左側に位置するインペラ側の端部近傍において第二の外輪軌道面１４を内径面に有する。外輪１１は、ターボチャージャのハウジングに内嵌される。

第一の内輪２１は、第一の外輪軌道面１３と対向する第一の内輪軌道面２２を外径面に有する。第一の外輪軌道面１３と第一の内輪軌道面２２との間には、第一の保持器２４によって等間隔に保持された複数の第一の玉１８が転動自在に配置されている。ターボチャージャの回転軸が内嵌される第一の内輪２１の内径面２３は、図中左側に位置するインペラ側内径面２３ｂが、図中右側に位置するタービン側内径面２３ａよりも小径となった段差構造となっている。第一の内輪２１の内径面２３が段差構造を有することにより、回転軸の圧入抵抗を低減でき、回転軸の組み付けを容易にすることができる。

第二の内輪２５は、第二の外輪軌道面１４と対向する第二の内輪軌道面２６を外径面に有する。第二の外輪軌道面１４と第二の内輪軌道面２６との間には、第二の保持器２９によって等間隔に保持された複数の第二の玉１９が転動自在に配置されている。ターボチャージャの回転軸が内嵌される第二の内輪２５の内径面２７は、図中左側に位置するインペラ側内径面２７ｂが、図中右側に位置するタービン側内径面２７ａよりも小径となった、段差構造となっている。第二の内輪２５の内径面２７が段差構造を有することにより、回転軸の圧入抵抗を低減でき、回転軸の組み付けを容易にすることができる。

第二の内輪２５のタービン側内径面２７ａの内径は、隣り合う第一の内輪２１のインペラ側内径面２３ｂの内径と略等しく形成されている。したがって、第二の内輪軌道面２６が形成された第二の内輪２５のインペラ側内径面２７ｂは、第一の内輪軌道面２２が形成された第一の内輪２１のタービン側内径面２３ａよりも小径となっている。

本実施形態においては、第一の内輪２１のタービン側内径面２３ａと第二の内輪２５のインペラ側内径面２７ｂとの内径差に対応して、第二の玉１９のピッチ円径Ｄｉを、第一の玉１８のピッチ円径Ｄｔよりも小さくしている。当該構成によって、運転時の玉公転により第二の玉１９に作用する遠心力が軽減され、第二の玉１９と第二の外輪軌道面１４との間における接触面圧や接触面内の滑り速度を減少できる。これにより、複列玉軸受１０の発熱、および動トルクひいては摩擦損失を低減して、軸受寿命を向上することができる。

また、第二の玉１９のピッチ円径Ｄｉを小さくすることにより、外輪１１の肉厚を図中左側のインペラ側で大きくすることができ、外輪１１の剛性を高めることができる。これにより、ハウジング内での複列玉軸受１０の振動を抑制することができ、騒音を低減することができる。

ここで、本実施形態に係る複列玉軸受１０において、第一の玉１８と第二の玉１９のピッチ円径の差を変化させたときの動トルクの低減率と発熱量の低減率を計算した。ここでは、外輪外径２２ｍｍ、内輪内径８ｍｍ、各列の玉数８個、玉径３．９６９ｍｍであるＳＵＪ２（軸受鋼）製の複列玉軸受に、ラジアル荷重７８Ｎ、アキシアル荷重４９Ｎを負荷し、動粘度１８ｍｍ^２／ｓのオイル潤滑で２０万ｍｉｎ^−１で運転したものとした。そして、第一の玉１８のピッチ円径を１５ｍｍに固定し、第二の玉１９のピッチ円径を１５ｍｍ、１４．５ｍｍ、１４ｍｍ、１３ｍｍ、１２ｍｍ、１１ｍｍ、１０ｍｍに変化させたものとして計算を行った。このとき、第二の内輪２５のインペラ側内径面２７ｂの径も、それぞれ８ｍｍ、７．５ｍｍ、７ｍｍ、６ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍに変化するものとする。

図２は、第一の玉１８と第二の玉１９のピッチ円径差（Ｄｉ−Ｄｔ）に対する動トルクの低減率の計算結果を示すグラフである。図２から明らかなように、ピッチ円径差が大きくなるほど、複列玉軸受１０の動トルクを低減でき、ひいては摩擦損失を低減できる。また、図３は、第一の玉と第二の玉のピッチ円径差（Ｄｉ−Ｄｔ）に対する発熱量の低減率の計算結果を示すグラフである。図３から明らかなように、ピッチ円径差が大きくなるほど、複列玉軸受１０の発熱を低減できる。したがって、軸径による寸法制約の範囲内で、玉ピッチ円径差が好ましくは０．５ｍｍ以上となるように第一の玉と第二の玉のピッチ円径を設定すれば、５％以上の動トルク低減効果および発熱低減効果が得られることがわかる。

このように、本実施形態の複列玉軸受１０によれば、ターボチャージャのインペラ側に位置する第二の玉１９のピッチ円径Ｄｉが、タービン側に位置する第一の玉１８のピッチ円径Ｄｔよりも小さいことにより、第二の玉１９に作用する遠心力を低減することができる。これにより、ターボチャージャの回転軸の高速回転に起因した発熱や摩擦損失を低減し、軸受寿命を向上することができる。

（変形例）
本発明の変形例に係る複列玉軸受を、図４を参照して説明する。尚、外輪１１、第一の内輪２１および第二の内輪２５、第一の保持器２４および第二の保持器２９、ならびに第一の玉１８の構成については上述した実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

図４は本発明の変形例に係る複列玉軸受４０の断面図を示す。本変形例に係る複列玉軸受４０においては、第二の玉３９のピッチ円径Ｄｉが第一の玉１８のピッチ円径Ｄｔよりも小さいことに加え、第二の玉３９の径が、第一の玉１８の径よりも小さい。これにより、運転時に第二の玉３９にかかる遠心力をさらに低減することができ、複列玉軸受４０の発熱や摩擦損失をさらに低減し、軸受寿命をさらに向上することができる。

尚、本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではなく、適宜変更、改良等が可能である。

本発明は、ターボチャージャの回転軸をハウジングの内側に回転自在に支持するために使用される複列玉軸受として好適に利用可能である。

１ターボチャージャ
３回転軸
４タービン
５インペラ
１０複列玉軸受
１１外輪
１３第一の外輪軌道面
１４第二の外輪軌道面
１８第一の玉
１９第二の玉
２１第一の内輪
２２第一の内輪軌道面
２４第一の保持器
２５第二の内輪
２６第二の内輪軌道面
２９第二の保持器
Ｄｔ第一の玉のピッチ円径
Ｄｉ第二の玉のピッチ円径

Claims

両端部にタービンとインペラを支持固定したターボチャージャの回転軸をハウジングの内側に回転自在に支持する複列玉軸受であって、
単一円筒から形成され、タービン側の第一の外輪軌道面とインペラ側の第二の外輪軌道面とを内径面両端近傍に有する外輪と、
前記回転軸に外嵌され、前記第一の外輪軌道面に対向する第一の内輪軌道面を外径面に有する第一の内輪と、
前記回転軸に外嵌され、前記第二の外輪軌道面に対向する第二の内輪軌道面を外径面に有する第二の内輪と、
前記第一の外輪軌道面と前記第一の内輪軌道面との間を転動可能な複数の第一の玉と、
前記第二の外輪軌道面と前記第二の内輪軌道面との間を転動可能な複数の第二の玉と、
前記第一の玉を周方向に等間隔に保持する第一の保持器と、
前記第二の玉を周方向に等間隔に保持する第二の保持器と、を備える複列玉軸受であって、
前記第二の玉のピッチ円径が、前記第一の玉のピッチ円径よりも小さい、複列玉軸受。
前記第二の玉の径が、前記第一の玉の径よりも小さい、請求項１に記載の複列玉軸受。