特許第6312979号(P6312979)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6312979
(24)【登録日】2018年3月30日
(45)【発行日】2018年4月18日
(54)【発明の名称】過給機
(51)【国際特許分類】
   F02B 39/14 20060101AFI20180409BHJP
   F02B 39/00 20060101ALI20180409BHJP
   F16C 17/02 20060101ALI20180409BHJP
   F16C 17/18 20060101ALI20180409BHJP
   F16C 33/10 20060101ALI20180409BHJP
【FI】
   F02B39/14 B
   F02B39/14 F
   F02B39/00 K
   F16C17/02 Z
   F16C17/18
   F16C33/10 Z
【請求項の数】1
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2012-197550(P2012-197550)
(22)【出願日】2012年9月7日
(65)【公開番号】特開2014-51939(P2014-51939A)
(43)【公開日】2014年3月20日
【審査請求日】2015年7月22日
【審判番号】不服2017-102(P2017-102/J1)
【審判請求日】2017年1月5日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社IHI
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大谷 友美
(72)【発明者】
【氏名】采浦 寛
(72)【発明者】
【氏名】高橋 和臣
(72)【発明者】
【氏名】草野 智嗣
【合議体】
【審判長】 冨岡 和人
【審判官】 西山 智宏
【審判官】 八木 誠
(56)【参考文献】
【文献】 特開平9−242553(JP,A)
【文献】 特開昭61−272422(JP,A)
【文献】 特開平7−139363(JP,A)
【文献】 実開昭58−122092(JP,U)
【文献】 特開2010−24999(JP,A)
【文献】 特開2012−145121(JP,A)
【文献】 実開昭57−48367(JP,U)
【文献】 国際公開第2007/013143(WO,A1)
【文献】 特開2010−138757(JP,A)
【文献】 特開2009−243365(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02B39/00-39/16
F01D25/16
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
過給機本体と、
一端にタービンインペラが設けられ、他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸と、
前記過給機本体内に形成された軸受孔と、
前記軸受孔に対して、前記タービン軸の軸方向および回転方向の移動が規制された状態で前記軸受孔内に設けられ、該タービン軸が挿通される挿通孔を有し、該挿通孔の内周面が軸受面となるセミフローティングメタルと、
前記過給機本体の外部から内部に貫通し、前記セミフローティングメタルに潤滑油を供給する供給路と、
前記セミフローティングメタルの外部から内部に貫通し、前記供給路から供給された前記潤滑油を、該セミフローティングメタルの内部に流通させる油路と、
を備え、
前記油路の入口端と、前記供給路の出口端とは、前記タービン軸の径方向に一部が重なって位置し、その重なっている部分の面積である重なり面積は、前記油路の入口端の面積と前記供給路の出口端のうち小さい方の面積である基準面積に対して、20%以上60%以下の大きさであることを特徴とする過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、すべり軸受として機能するセミフローティングメタルを備える過給機に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、一端にタービンインペラが設けられ他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸が、ベアリングハウジングに回転自在に保持された過給機が知られている。こうした過給機をエンジンに接続し、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラを回転させるとともに、このタービンインペラの回転によって、タービン軸を介してコンプレッサインペラを回転させる。こうして、過給機は、コンプレッサインペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに過給する。
【0003】
例えば、特許文献1では、ベアリングハウジングの軸受孔に、ラジアル荷重とスラスト荷重を受ける軸受として機能するセミフローティングメタルが設けられている。セミフローティングメタルは、タービン軸が挿通される挿通孔を有する環状部材であって、挿通孔の内周面がすべり面となってラジアル荷重を受けている。ベアリングハウジングとセミフローティングメタルそれぞれには、互いに連通して油路となる孔が設けられ、ベアリングハウジングの外部から供給された潤滑油がセミフローティングメタルの内部に流通し、すべり面に潤滑油が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2007−23858号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、セミフローティングメタルは、フルフローティングメタルに比べ、自励振動(ホワール振動)を抑制し易いものの、タービン軸の回転抵抗による機械損失(メカロス)が大きい。メカロスは、主に、セミフローティングメタルの内周面に導かれた潤滑油の回転抵抗によって生じることから、その油量を抑制してメカロスを低減することが望まれる。
【0006】
しかし、単にベアリングハウジングに潤滑油を供給する際の供給圧(油圧)を小さくすると、セミフローティングメタルの内周面以外に供給される油量も減少し、潤滑油による冷却や摩擦低減の機能が低下してしまう。また、セミフローティングメタルの内周面に潤滑油を導く孔の径を小さくすると、潤滑油に異物が含まれている場合に、異物が詰まってしまうおそれがある。
【0007】
本発明の目的は、油圧の低下や孔の細径化を伴うことなく潤滑油の油量を調整し、セミフローティングメタルのメカロスを低減することが可能となる過給機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明の過給機は、過給機本体と、一端にタービンインペラが設けられ、他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸と、前記過給機本体内に形成された軸受孔と、前記軸受孔に対して、前記タービン軸の軸方向および回転方向の移動が規制された状態で前記軸受孔内に設けられ、該タービン軸が挿通される挿通孔を有し、該挿通孔の内周面が軸受面となるセミフローティングメタルと、前記過給機本体の外部から内部に貫通し、前記セミフローティングメタルに潤滑油を供給する供給路と、前記セミフローティングメタルの外部から内部に貫通し、前記供給路から供給された前記潤滑油を、該セミフローティングメタルの内部に流通させる油路と、を備え、前記油路の入口端と、前記供給路の出口端とは、前記タービン軸の径方向に一部が重なって位置し、その重なっている部分の面積である重なり面積は、前記油路の入口端の面積と前記供給路の出口端のうち小さい方の面積である基準面積に対して、20%以上60%以下の大きさであることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、油圧の低下や孔の細径化を伴うことなく潤滑油の油量を調整し、セミフローティングメタルのメカロスをフルフローティングメタルのメカロス以下に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】過給機の概略断面図である。
図2図1のベアリングハウジング内部の部分拡大図である。
図3】供給路の出口端と、油路の入口端の位置関係を説明するための説明図である。
図4】オーバーラップ量とセミフローティングメタルの内部油量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0015】
図1は、過給機Cの概略断面図である。以下では、図1に示す矢印F方向を過給機Cの前側とし、矢印R方向を過給機Cの後側として説明する。図1に示すように、過給機Cは、過給機本体1を備えて構成される。この過給機本体1は、ベアリングハウジング2と、ベアリングハウジング2の前側に締結機構3によって連結されるタービンハウジング4と、ベアリングハウジング2の後側に締結ボルト5によって連結されるコンプレッサハウジング6と、が一体化されて形成されている。
【0016】
ベアリングハウジング2のタービンハウジング4近傍の外周面には、ベアリングハウジング2の径方向に突出する突起2aが設けられている。また、タービンハウジング4のベアリングハウジング2近傍の外周面には、タービンハウジング4の径方向に突出する突起4aが設けられている。ベアリングハウジング2とタービンハウジング4は、突起2a、4aを締結機構3によってバンド締結して固定される。締結機構3は、突起2a、4aを挟持する所謂Gカップリングで構成される。
【0017】
ベアリングハウジング2には、過給機Cの前後方向に貫通する軸受孔2bが形成されており、この軸受孔2bに設けられたセミフローティングメタル20によって、タービン軸7が回転自在に軸支されている。タービン軸7の前端部(一端)にはタービンインペラ8が一体的に固定されており、このタービンインペラ8がタービンハウジング4内に回転自在に収容されている。また、タービン軸7の後端部(他端)にはコンプレッサインペラ9が一体的に固定されており、このコンプレッサインペラ9がコンプレッサハウジング6内に回転自在に収容されている。
【0018】
コンプレッサハウジング6には、過給機Cの後側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸気口10が形成されている。また、締結ボルト5によってベアリングハウジング2とコンプレッサハウジング6とが連結された状態では、これら両ハウジング2、6の対向面によって、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路11が形成される。このディフューザ流路11は、タービン軸7(コンプレッサインペラ9)の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ9を介して吸気口10に連通している。
【0019】
また、コンプレッサハウジング6には、ディフューザ流路11よりもタービン軸7(コンプレッサインペラ9)の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路12が設けられている。コンプレッサスクロール流路12は、不図示のエンジンの吸気口と連通するとともに、ディフューザ流路11にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ9が回転すると、吸気口10からコンプレッサハウジング6内に流体が吸気されるとともに、当該吸気された流体は、ディフューザ流路11およびコンプレッサスクロール流路12で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。
【0020】
タービンハウジング4には、過給機Cの前側に開口するとともに不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口13が形成されている。また、タービンハウジング4には、流路14と、この流路14よりもタービン軸7(タービンインペラ8)の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路15とが設けられている。タービンスクロール流路15は、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導かれる不図示のガス流入口と連通するとともに、上記の流路14にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路15に導かれた排気ガスは、流路14およびタービンインペラ8を介して吐出口13に導かれるとともに、その流通過程においてタービンインペラ8を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ8の回転力は、タービン軸7を介してコンプレッサインペラ9に伝達されることとなり、コンプレッサインペラ9の回転力によって、上記のとおりに、流体が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。
【0021】
図2は、図1のベアリングハウジング2内部の部分拡大図であり、図1中、破線の四角で囲われた部分を示す。以下、図2を参照しながら、軸受孔2b内に収容されたセミフローティングメタル20によるタービン軸7の支持構造について説明する。
【0022】
供給路21は、ベアリングハウジング2に設けられた孔であって、ベアリングハウジング2の外部から内部に貫通し、軸受孔2bに配されたセミフローティングメタル20に潤滑油を供給する。
【0023】
セミフローティングメタル20は、タービン軸7の軸方向に貫通する挿通孔20aを有し、当該挿通孔20aにタービン軸7が挿通される環状部材である。また、セミフローティングメタル20には、セミフローティングメタル20の内周面から外周面まで貫通する孔である油路22が形成されている。
【0024】
供給路21のうち、軸受孔2bに開口する出口端21aに対し、タービン軸7の径方向内方に、油路22のうち、セミフローティングメタル20の外周面に位置する入口端22aが位置する。このとき、供給路21の出口端21aと、油路22の入口端22aとは、タービン軸7の径方向に一部が重なっている。入口端22aと出口端21aの位置関係については、後に詳述する。
【0025】
そして、供給路21の出口端21aから吐き出された潤滑油は、一部がセミフローティングメタル20の外周面と軸受孔2bとの隙間に流入し、後述するスラスト軸受面の潤滑やベアリングハウジング2の冷却などの役割を担う。また、残りの潤滑油は、油路22の入口端22aから油路22に流入し、セミフローティングメタル20の内周面に導かれる。
【0026】
セミフローティングメタル20のうち、タービンインペラ8側の内周面には、油路22から流入した潤滑油によって、タービン軸7との間に油膜を保持し、当該油膜圧力によってタービン軸7の径方向の荷重を受けるラジアル軸受面20b(軸受面)が設けられている。
【0027】
同様に、セミフローティングメタル20のうち、コンプレッサインペラ9側の内周面には、油路22から流入した潤滑油によって、タービン軸7との間に油膜を保持し、当該油膜圧力によってタービン軸7の径方向の荷重を受けるラジアル軸受面20c(軸受面)が設けられている。両ラジアル軸受面20b、20cは、タービン軸7の軸方向に離隔している。
【0028】
また、セミフローティングメタル20には、タービン軸7の軸方向に垂直な方向に貫通するピン孔20dが設けられている。そして、ベアリングハウジング2には、軸受孔2bの径方向外側から内側に貫通するとともに、軸受孔2bに収容されたセミフローティングメタル20のピン孔20dに対向する対向孔2cが形成されている。
【0029】
ピン23は、ピン孔20dと対向孔2cに挿通された状態で、対向孔2cに不図示の係止手段によって係止されている。こうして、セミフローティングメタル20は、軸受孔2bに対して、タービン軸7の回転方向および軸方向の移動が規制される。
【0030】
また、タービン軸7には、段部7aが設けられている。段部7aは、セミフローティングメタル20のタービンインペラ8側の端面20eにおける挿通孔20aの内径に対し、タービンインペラ8側の部位の外径が大きく、コンプレッサインペラ9側の部位の外径が小さく形成された段である。タービン軸7は、段部7aの外径差によるタービン軸7の軸方向に垂直な面7bに、セミフローティングメタル20の端面20eが当接する位置まで、挿通孔20aに挿通可能となっている。
【0031】
油切り部材24は、タービン軸7の軸方向に貫通する孔24aを有し、当該孔24aにタービン軸7を挿通し、コンプレッサインペラ9の背面に隣接させて、タービン軸7に固定されている。そして、油切り部材24はタービン軸7と一体回転し、ベアリングハウジング2から漏れ出した潤滑油を、タービン軸7の回転による遠心力で径方向に飛散させ、コンプレッサインペラ9の背面まで潤滑油が到達するのを防ぐ。
【0032】
タービン軸7のうち、段部7aよりコンプレッサインペラ9側には、もう一つの段部7cが設けられている。段部7cは、油切り部材24のタービンインペラ8側の端面24bにおける孔24aの内径に対し、タービンインペラ8側の部位の外径が大きく、コンプレッサインペラ9側の部位の外径が小さく形成された段である。
【0033】
そして、油切り部材24は、段部7cにおける、外径が異なる外周面を繋ぐ曲面7dの一部に、端面24bが当接する位置まで、タービン軸7を挿入可能となっている。
【0034】
ここで、セミフローティングメタル20とタービン軸7との組立工程について簡単に説明する。組立工程では、まず、ベアリングハウジング2の軸受孔2bにセミフローティングメタル20を固定する。この状態で、前端部にタービンインペラ8が固定されたタービン軸7を、その後端部から、セミフローティングメタル20の挿通孔20aに挿通する。タービン軸7は、段部7aによる面7bに、セミフローティングメタル20のタービンインペラ8側の端面20eが当接する位置まで、セミフローティングメタル20の挿通孔20aに挿通される。
【0035】
そして、軸受孔2bのコンプレッサインペラ9側に突出した、タービン軸7の後端部から、油切り部材24を挿通する。油切り部材24は、タービン軸7の段部7cによる面7dに、セミフローティングメタル20のコンプレッサインペラ9側の端面20fが当接する位置まで、挿通孔20aに挿通でき、この位置でタービン軸7に固定される。
【0036】
このとき、セミフローティングメタル20の軸方向の長さに対して、段部7aの面7bと油切り部材24の端面24bとの間隔がわずかに大きくなるように設計されている。これにより、タービン軸7が軸方向に移動すると、セミフローティングメタル20のタービンインペラ8側の端面20eが、タービン軸7の段部7aによる面7bに面接触したり、セミフローティングメタル20のコンプレッサインペラ9側の端面20fが油切り部材24の端面24bに面接触したりする。
【0037】
つまり、セミフローティングメタル20は、段部7aおよび油切り部材24を介してタービン軸7のスラスト荷重を受ける。換言すれば、端面20e、20fは、スラスト荷重を受けるスラスト軸受面として機能することとなる。
【0038】
ところで、セミフローティングメタル20は、フルフローティングメタルに比べ機械損失(メカロス)が大きい。メカロスは、主に、セミフローティングメタル20の内周面に導かれた潤滑油の回転抵抗によって生じることから、その油量を抑制してメカロスを低減することができる。本実施形態では、供給路21の出口端21aと、油路22の入口端22aの位置関係によって、内周面に導かれる潤滑油の油量(以下、内部油量と称す)の調整が為される。以下、出口端21aと入口端22aの位置関係について説明する。
【0039】
図3は、供給路21の出口端21aと、油路22の入口端22aの位置関係について説明するための説明図である。図3(a)では、図2のIII(a)線矢視図に関し、供給路21の出口端21aと、油路22の入口端22aのそれぞれの輪郭線のみを示し、図3(b)では比較例における図3(a)に対応する位置の図を示す。また、図3(a)、(b)では、それぞれの輪郭線の内側であって、互いに重なり合う部分をハッチングで示す。
【0040】
図3(b)に示す比較例のように、供給路の出口端Oを示す輪郭線が、油路の入口端Iを示す輪郭線の内側に収まっている場合、供給路の出口端Oから吐き出された潤滑油は、上記のように、一部が、セミフローティングメタルの外周面と軸受孔との隙間に流入するものの、油路の入口端Iにも流入し易い。
【0041】
一方、本実施形態では、上述したように、油路22の入口端22aと、供給路21の出口端21aとは、タービン軸7の径方向に一部重なって位置している。図3(a)には、入口端22aと出口端21aの重複度合いの一例を示す。
【0042】
入口端22aと出口端21aは、タービン軸7の径方向に並んで配され、出口端21aの輪郭線を入口端22aに向けて当該タービン軸7の径方向に投影すると、入口端22a、出口端21aそれぞれの輪郭線で囲まれた部分が、一部重なり合う。
【0043】
このように、投影された入口端22aと出口端21aの輪郭線が一部重なり合う構成においては、供給路21や油路22の孔径や、供給路21に圧入される潤滑油の供給圧(油圧)が同じ場合であっても、セミフローティングメタル20の内部油量が、比較例よりも少なくなる。このことを利用して、油圧の低下や孔の細径化を伴うことなく、セミフローティングメタル20の内部油量を調整することが可能となる。
【0044】
ここでは、入口端22aと出口端21aの輪郭線について、双方が重なり合う部分の面積を重なり面積と称する。また、入口端22aと出口端21aのうち、小さい方(本実施形態では出口端21a)の面積を基準面積として、当該基準面積に対する重なり面積の比率をオーバーラップ量と称する。
【0045】
図4は、オーバーラップ量とセミフローティングメタルの内部油量との関係を示すグラフである。ここでは、オーバーラップ量が100%である、すなわち、従来のセミフローティングメタルの内部油量に対する、オーバーラップ量を任意の値に設定した場合におけるセミフローティングメタル20の内部油量の比率を、油量比率と称する。そして、図4のグラフにおいて、縦軸にオーバーラップ量を示し、横軸に油量比率を示し、凡例を実線aで示す。
【0046】
図4において、実線aで示すように、オーバーラップ量が小さすぎる範囲(例えば、10%未満)を除いて、オーバーラップ量と油量比率は大凡比例関係にある。そのため、例えば、オーバーラップ量を50%に設計すると、油量比率が50%、すなわち、従来に比べて内部油量を半分に抑えることができる。
【0047】
一般的に、従来のセミフローティングメタルに対しフルフローティングメタルは、大凡40%程度メカロスが小さい。すなわち、セミフローティングメタル20で、フルフローティングメタル並みのメカロスの低さを実現するためには、内部油量を40%程度減少させればよいこととなる。
【0048】
そこで、本実施形態では、オーバーラップ量を60%以下とし、油量比率を60%以下に設計している。すなわち、油路22の入口端22aと、供給路21の出口端21aの重なり面積は、基準面積に対して、60%以下の大きさである。
【0049】
そのため、供給路21や油路22の孔径を小さくして異物が詰まり易くなったり、供給路21に圧入される潤滑油の供給圧を変えたために、内部油量以外の油量へ影響を与えてしまったりするといったことなく、セミフローティングメタル20のメカロスをフルフローティングメタルのメカロス以下に低減することが可能となる。
【0050】
また、ベアリングハウジング2やセミフローティングメタル20の寸法公差を踏まえると、供給路21や油路22を流通する潤滑油の油量にもバラつきが生じる。図4中、寸法公差による油量比率のバラつきの上限を一点鎖線bで示し、下限を一点鎖線cで示す。
【0051】
ベアリングハウジング2やセミフローティングメタル20の製造上のバラつきによって、オーバーラップ量と油量比率の関係が一点鎖線bで示す寸法公差の上限の状態となったとき、一点鎖線b上の黒塗りの丸で示すように、オーバーラップ量が67%で油量比率は60%となる。そして、オーバーラップ量が67%以下であれば、油量比率を60%以下に抑えることができる。すなわち、オーバーラップ量を67%以下とすることで、寸法公差の上限の状態となった場合に、セミフローティングメタル20のメカロスをフルフローティングメタルのメカロス以下に低減することを期待できる。
【0052】
また、少なくともオーバーラップ量が20%以上、すなわち、油量比率が20%以上であれば、セミフローティングメタル20のラジアル軸受面20b、20cに焼き付きが生じないことが実験により確認できた。
【0053】
そこで、本実施形態では、オーバーラップ量を20%以上とし、油量比率を20%以上に設計している。すなわち、油路22の入口端22aと、供給路21の出口端21aの重なり面積は、基準面積に対して、20%以上の大きさである。そのため、過給機Cでは、セミフローティングメタル20のラジアル軸受面20b、20cにおける焼き付きを回避することが可能となる。
【0054】
また、ベアリングハウジング2やセミフローティングメタル20の製造上のバラつきによって、オーバーラップ量と油量比率の関係が一点鎖線cで示す寸法公差の下限の状態となったとき、一点鎖線c上の白抜きの丸で示すように、オーバーラップ量が18%で油量比率は20%となる。そして、オーバーラップ量が18%以上であれば、油量比率を20%以上に維持することができる。すなわち、オーバーラップ量を18%以上とすることで、寸法公差の下限の状態となった場合に、セミフローティングメタル20のラジアル軸受面20b、20cにおける焼き付きを回避することを期待できる。
【0055】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【0056】
本発明は、すべり軸受として機能するセミフローティングメタルを備える過給機に利用することができる。
【符号の説明】
【0057】
C …過給機
1 …過給機本体
2b …軸受孔
7 …タービン軸
8 …タービンインペラ
9 …コンプレッサインペラ
20 …セミフローティングメタル
20a …挿通孔
21 …供給路
21a …出口端
22 …油路
22a …入口端
図1
図2
図3
図4