JPH05248428A - 気体軸受け装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 気体軸受け装置のベアリングクリアランスの
精密な管理をはかること。 【構成】 気体軸受け装置において、軸１０と軸受け３
０をセラミックで形成し、軸受け３０のラジアル軸受け
部３２とスラスト軸受け部３４を一体化するとともに、
軸受け３０をハウジング８から弾性支持した。また、軸
１００のラジアル軸部１１２とスラスト軸部１１４を一
体化してもよい。上記セラミック化によりベアリングク
リアランスが少なくなり、ラジアル、スラスト軸受け部
の一体化により、ベアリングクリアランスの管理が容易
になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気体軸受け装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】軸を回転中に軸受けから浮かして気体膜
を介して支持する軸受けは、いわゆる気体軸受けとして
知られている。気体軸受けは、通常の油膜を介して軸を
支持する軸受けと異なり、オイル消失やオイルの熱劣化
の問題を伴なわないため、高温部位の軸受け、たとえば
ガスタービンやターボチャージャの軸受けへの利用が検
討されている（たとえば、実開平２−１０７８１９号公
報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、気体軸受け
は、軸と軸受け間に極めて薄い気体の膜を形成して軸を
浮上させるものであるから、軸と軸受け間のクリアラン
ス管理が重要となる。とくに、高温部位への適用におい
ては、低温時にクリアランスを最適に設定しておいて
も、高温時にはクリアランスが変化するので、クリアラ
ンスの管理が難しい。たとえば、上記実開平２−１０７
８１９号公報は、軸を金属から、軸受けをセラミックか
ら形成したものを示しているが、金属の方がセラミック
より熱膨張率が大のため、高温時にクリアランスが小に
なってしまうという問題が生じる。

【０００４】また、気体軸受け装置がラジアル軸受け部
のみでなくスラスト軸受け部を有する場合は、両方の軸
受け部のクリアランスを同時に良好に維持することは難
しい。

【０００５】また、軸が軸受けから浮上る迄は、軸が軸
受けに直接接触し、摺動するから、摩耗等が問題にな
る。摩耗を軽減するためには、軸や軸受けの表面にメッ
キを施したり表面硬化処理を施すことが有効である。し
かし、高温になると、メッキ層や表面硬化層とそれより
内部の未硬化部との熱膨張率の違いからメッキ層や表面
硬化層が剥離し、摺動面が荒れるという問題が生じる。

【０００６】本発明の目的は、高温になってもクリアラ
ンスの管理が容易でかつ摺動面の荒れも生じない気体軸
受け装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、次の気体軸受け装置によって達成される。すなわ
ち、軸と軸受けとハウジングを有し、前記軸はラジアル
荷重がかかるラジアル軸部とスラスト荷重がかかるスラ
スト軸部を有し、前記軸受けはラジアル荷重を受けるラ
ジアル軸受け部とスラスト荷重を受けるスラスト軸受け
部を有し、前記ラジアル軸部、スラスト軸部、ラジアル
軸受け部、スラスト軸受け部をセラミックから形成し、
前記ラジアル軸受け部と前記スラスト軸受け部とを一体
化し、前記軸受けを前記ハウジングから弾性支持した気
体軸受け装置。

【０００８】

【作用】上記気体軸受け装置では、軸も軸受けもセラミ
ックから形成されているので、セラミックの熱膨張率は
金属の熱膨張率に比べて小さいため、高温時になっても
クリアランスの変化が少なく、クリアランスの管理が容
易である。セラミックから成る軸受けは、セラミックと
金属の熱膨張率の違いによるセラミック軸受け損傷防止
のために金属のハウジングに弾性支持されるが、この弾
性支持によってラジアル軸受け部とスラスト軸受け部が
別個の動きをすると各々の部位のクリアランス管理が難
しくなる。しかし、本発明では、軸受けのラジアル軸受
け部とスラスト軸受け部とが互いに一体化されているた
め、動いても互いに同期して動き、クリアランス管理が
容易になる。

【０００９】軸と軸受けの摺動面に関しては、軸も軸受
けもセラミックから成るので、表面の剥離の問題はな
く、かつ高温に強いので、摺動面の荒れは生じない。

【００１０】

【実施例】以下、本発明に係る気体軸受け装置の望まし
い実施例を、図面を参照して説明する。図１から図４ま
では、車両等に搭載されるターボチャージャ（過給機）
に適用された、本発明の第１実施例に係る軸受け装置を
示している。図１において、高温の排気ガスで駆動され
るタービンホイール２と、低温の空気を圧縮してエンジ
ンに供給するコンプレッサのインペラ４とは、互に一体
に回転するように、軸１０を介して連結されている。軸
１０は軸受け３０によって気体膜を介して回転自転自在
に支持される。軸１０、軸受け３０は、ラジアル荷重と
スラスト荷重の両方を支持できる構造となっている。軸
受け３０は、スプリング（たとえば、板ばね）６を介し
て、金属製のハウジング８に弾性支持されている。

【００１１】軸１０は、ラジアル荷重がかかる軸部１２
とスラスト荷重がかかるスラスト軸部１４を有する。軸
１０のうち、ラジアル軸部１２とスラスト軸部１４は、
セラミックから構成されている。

【００１２】さらに詳しくは、軸１０は、セラミック製
または金属製のタービンホイール２に一体製造または接
合によって一体化された、セラミック製のラジアル軸部
１２と、インペラ４に一体化された金属製のインペラ軸
部１６と、インペラ軸部１６に取付けられたセラミック
製のプレート状のスラスト軸部１４とを有する。ラジア
ル軸部１２は、タービンホイール２からの熱伝導を抑え
るように、中空とされている。インペラ軸部１６は、ラ
ジアル軸部１２と、たとえばロー付等により接合され
る。スラスト軸部１４は、インペラ軸部１６にインペラ
４とナットにより共締めされる。

【００１３】軸１０のラジアル軸部１２の外周部には、
図３に示すように、軸１０が回転したときに軸方向外側
から軸方向内側に気体を巻込んで送り、中央の土手１８
またはその近傍に圧力の高い気体膜を形成する、動圧発
生用の溝２０が土手１８の両側に形成されている。

【００１４】また、スラスト軸部１４の両側面には、図
４に示すように、軸１０が回転したときに外周側から内
周側に気体を巻込んで送り内周部位に圧力の高い気体膜
を形成する、動付発生用の溝２２が形成されている。

【００１５】一方、軸受け３０は、ラジアル荷重を受け
るラジアル軸受け部３２と、スラスト荷重を受けるスラ
スト軸受け部３４とを有する。スラスト荷重が図１の左
右の両方向にかかるときは、もう一つのスラスト荷重受
け部材３６が設けられる。

【００１６】ラジアル軸受け部３２、スラスト軸受け部
３４、スラスト荷重受け部材３６は、セラミックから構
成されている。また、ラジアル軸受け部３２とスラスト
軸受部３４とは、互いに一体とされている。スラスト荷
重受け部材３６は、スラスト軸受け部３４の外周部位か
ら軸方向に延びる円筒状延設部３８にスナップリング４
０により固定されている。

【００１７】ラジアル軸受け部３２は、軸１０のラジア
ル軸部１２の外周側に位置し、軸１０が回転したとき
に、溝２０により、ラジアル軸部１２とラジアル軸受け
部３２間に圧力の高い気体膜が形成されて、軸１０はラ
ジアル軸受け部３２から浮上って、回転自在となる。

【００１８】また、スラスト軸受け部３４およびスラス
ト荷重受け部材３６は、軸１０のスラスト軸部１４の軸
方向両側に位置し、軸１０が回転したときに、溝２２に
より、スラスト軸部１４の両側に圧力の高い気体膜が形
成されて、軸１０は軸方向にスラスト軸受け部３４から
離れ、回転自在となる。

【００１９】ラジアル軸部１２の溝２０への気体の供給
を円滑にするために、ハウジング８には、軸受け３０の
タービンホイール２側端部近傍に連通路４２が形成さ
れ、かつ、ラジアル軸受け部３２のコンプレッサインペ
ラ４側端部近傍に、軸部１０に連通路４４、４６が形成
されるとともに、ラジアル軸受け部３２の中央部近傍
に、軸部１０に連通孔４８が、ラジアル軸受け部３２に
連通孔５０が形成されている。

【００２０】また、スラスト軸部１４の溝２２への気体
の供給を円滑にするために、スラスト軸部１４の外周端
近傍に、ハウジング８に連通孔５２が、スラスト軸受け
円筒状延設部３８に連通孔５４が、それぞれ形成されて
いる。

【００２１】また、エンジンの排気ガスおよび吸気ガス
の洩れを最小にするために、ハウジング８の軸方向両端
近傍部位に、ラビリンスパッキン５６、５８が設けられ
ている。

【００２２】セラミックから成る軸受け３０は、図２に
示すように、金属製のハウジング８から、スプリング６
によって弾性支持されている。スプリング６は、たとえ
ば４枚の板ばねを周方向に並べたものからなり、各板ば
ねの周方向両端はハウジング８に接触し、各板ばねの中
央部で軸受け３０を支持するようになっている。セラミ
クと金属との熱膨張の違いは、板ばねの弾性変形によっ
て逃げられる。

【００２３】つぎに、第１実施例の作用について説明す
る。ターボチャージャにおいて、排気ガスでタービンホ
イール２が駆動され、インペラ４で吸気を圧縮して過給
する。高温の排気ガスの熱が伝わることにより、気体軸
受け装置は高温となる。

【００２４】軸１０が回転すると、溝２０により動圧が
発生して、ラジアル軸部１２はラジアル軸受け部３２か
ら浮上り、無潤滑で回転する。また、溝２２によっても
動圧が発生して、スラスト軸部１４はスラスト軸受け部
３４およびスラスト荷重受け部材３６から離れ、スラス
ト荷重に耐えながら無潤滑で回転する。この場合、気体
軸受けの気体膜は、オイルを潤滑剤とする通常のジャー
ナル軸受けの油膜よりも薄く、ベアリングクリアランス
の高精度の管理が要求される。

【００２５】軸１０および軸受け３０をセラミックとし
たことにより、３つの利点が得られる。第１に、軸１０
と軸受け３０が同質のセラミックであるために同様な熱
膨張となり、常温から定常運転の高温（約１５０℃）ま
で、精巧な管理が要求されるベアリングクリアランスが
ほぼ一定に保たれる。第２に、セラミックは熱膨張係数
が金属の約１／５であり、ベアリングクリアランスの変
化が小さい。さらに、軸１０の熱変形が小さく曲がりが
生じにくく、真直度が悪化せず、精巧なベアリングクリ
アランスが保てる。第３に、セラミック同志は固体接触
時の摩耗が少なく、停止時から高速回転で軸１０が浮上
するまでの固体潤滑に対しても、低摩擦で、摩耗の少な
い良好な特性を発揮する。

【００２６】また、軸受け３０のラジアル軸受け部３２
とスラスト軸受け部３４を一体とし、ラジアル軸受け部
３２で弾性支持したため、次の作用、利点が得られる。
第１に、ラジアル軸受け部３２がセラミックであり、ハ
ウジング８が金属であるため熱変形に差があり、弾性支
持しないと金属の変形がセラック部を変形させ、破壊さ
せるおそれがある。第２に回転時のアンバランスによる
強振力をスプリング６とハウジング８の内周面との間の
摩擦により減衰させ、回転を安定化できる。第３に、ラ
ジアル軸受け部３２のスリーブの弾性支持部が何らかの
外力により傾いた場合にも、スラスト軸受け部３４が一
体のため同様に傾き、軸１０のラジアル軸部１２、スラ
スト軸部１４も同様に傾くので、精巧に管理されたスラ
スト面のクリアランスがそのまま保持され、点当りがな
い。

【００２７】オイルを用いないため、ハウジング８の高
温化が心配されるが、従来採用されているハウジング８
の水冷により問題は生じない。なお、６０はハウジング
水冷用のウォータジャケットである。

【００２８】図５は、本発明の第２実施例に係る気体軸
受け装置を示している。第２実施例が第１実施例と異な
る構造は、軸の構造であり、その他は第１実施例に準じ
るので、準じる部分には第１実施例と同一の符号を付し
て説明を省略し、異なる点についてのみ、以下に説明す
る。

【００２９】図５に示すように、第２実施例において
は、軸１００はセラミック部１１０と金属部１０２とか
ら成る。セラミック部１１０は中空で、金属部１０２は
セラミック部１１０を挿通している。セラミック部１１
０は、ラジアル荷重がかかるラジアル軸部１１２とスラ
スト荷重がかかるスラスト軸部１１４とを有する。ラジ
アル軸部１１２とスラスト軸部１１４は一体化されてい
る。このため、ラジアル軸部１１２とスラスト軸部１１
４の直交度は正確に出されており、直角度不良によるベ
アリングの片当りが無くされている。

【００３０】タービンホイール２と軸１００とは別体と
なっており、タービンホイールと軸とを一体のセラミッ
ク体とした場合に比べて、各部材は小型化されて、製作
の容易化がはかられ、成形時の不良率が低くされてい
る。また、タービンホイール２で生じる曲げモーメント
がセラミック部１１０にかからない。タービンホイール
２と軸１００の金属部１０２とは接着により接合されて
いる。

【００３１】セラミック部１１０は、金属部１０２と、
金属部１０２の軸方向端に設けた金属スリーブ１０４に
嵌合されており、セラミック部１１０の半径方向への動
きが規制されている。金属スリーブ１０４とセラミック
部１１０の間には軸方向に板ばね１０６が介装されてお
り、板ばね１０６により押しつけ力によってセラミック
部１１０は軸方向動きを規制されている。また、板ばね
１０６の押しつけ力により、金属部１０２が伸びてもセ
ラミック部１１０は空まわりしない。また、板ばね１０
６の圧力により、セラミック部１１０と金属部１０２の
軸方向熱膨張差を吸収するようになっている。

【００３２】第２実施例の作用については、第１実施例
に準じる作用がある他、軸１００のセラミック部１１０
において、ラジアル軸部１１２とスラスト軸部１１４を
一体化したために、真直度が出、さらにベアリングクリ
アランスが精巧に維持されるという作用がある。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ラジアル軸部、スラス
ト軸部、ラジアル軸受け部、スラスト軸受け部をセラミ
ックとしたので、ベアリングクリアランスを温度変化に
かかわらず、精巧にかつクリアランス変化を小に、維持
でき、かつ良好な摺動面を耐久性良く維持できる。ま
た、軸受けをハウジングに弾性支持し、ラジアル軸受け
部とスラスト軸受け部を一体化したので、セラミック軸
受けをメタルとの熱膨張差による破損を生じずにハウジ
ングに支持でき、しかもラジアル軸受け部とスラスト軸
受け部が同期して動くためベアリングクリアランスの管
理が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る気体軸受け装置の断
面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図３】図１の気体軸受け装置のうちラジアル軸部の部
分側面図である。

【図４】図１の気体軸受け装置のうちスラスト軸部の正
面図である。

【図５】本発明の第２実施例に係る気体軸受け装置の断
面図である。

【符号の説明】

２ タービンホイール ４ インペラ ６ スプリング ８ ハウジング １０ 軸 １２ ラジアル軸部 １４ スラスト軸部 ３０ 軸受け ３２ ラジアル軸受け部 ３４ スラスト軸受け部 ３６ スラスト荷重受け部材 １００ 軸 １０２ 金属部 １１０ セラミック部 １１２ ラジアル軸部 １１４ スラスト軸部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸と軸受けとハウジングを有し、前記軸
   はラジアル荷重がかかるラジアル軸部とスラスト荷重が
   かかるスラスト軸部を有し、前記軸受けはラジアル荷重
   を受けるラジアル軸受け部とスラスト荷重を受けるスラ
   スト軸受け部を有し、前記ラジアル軸部、スラスト軸
   部、ラジアル軸受け部、スラスト軸受け部をセラミック
   から形成し、前記ラジアル軸受け部と前記スラスト軸受
   け部とを一体化し、前記軸受けを前記ハウジングから弾
   性支持したことを特徴とする気体軸受け装置。