(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に回転自在に配置され、小径部と大径部とを有し、前記小径部と前記大径部との境界に段差部が形成された回転軸と、
前記回転軸の前記小径部に取り付けられるインペラと、
前記回転軸の軸方向において前記インペラと前記段差部との間に配置されるスラストカラーと、前記ハウジングに取り付けられており、前記スラストカラーを前記軸方向から回転可能に支持するスラストプレートと、を有するスラスト軸受と、
を備えるターボチャージャであって、
前記スラストカラーは、
前記スラストプレートの前記軸方向における前記インペラ側の第１摺動面に対向する第１壁部を有するインペラ側部と、
前記スラストプレートの前記軸方向における前記段差部側の第２摺動面に対向する第２壁部を有する段差部側部と、
前記インペラ側部から前記段差部に向けて前記軸方向に延在し、前記段差部と接触する接触端面を有する筒状部と、
を有しており、
前記インペラと前記インペラ側部と前記筒状部とが一体形成されており、
前記段差部側部は、前記インペラ側部及び前記筒状部とは別体である環状部材を前記筒状部に外嵌することによって構成されていることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記スラスト軸受に供給されたオイルが前記軸方向において前記インペラ側に移動することを抑えるためのシールリングが、前記インペラ側部の外周面に設けられている請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記シールリングは、前記軸方向において、前記インペラと前記第１壁部との間に複数設けられている請求項２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記第１壁部のうち前記スラストプレートの前記第１摺動面と摺接する部分には、耐摩耗処理が施されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のターボチャージャ。
【請求項５】
前記インペラ側部及び前記筒状部の少なくとも一部と、前記回転軸の前記小径部とが、締まり嵌め状態で固定されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンからの排気エネルギーにより過給を行うターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車等のエンジンからの排気エネルギーにより過給を行うターボチャージャが知られている。一般的なターボチャージャでは、回転軸の両端部にタービンインペラ及びコンプレッサインペラがそれぞれ取り付けられており、この他に回転軸をスラスト方向において支持するためのスラスト軸受の構成部品であるスラストカラー等の他部材も回転軸に対して固定されている。例えば特許文献１では、スラストカラーがインペラ（コンプレッサインペラ）とともに回転軸に対してナットにより共締めされる構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１に記載されているような従来のターボチャージャの問題点について、図４を参照しつつ説明する。従来のターボチャージャ１０１では、回転軸１０２の小径部１０２ａと大径部１０２ｂとの境界に段差部１０２ｃが形成されており、スラストカラー１１２及びシールカラー１２２を介して、小径部１０２ａに外嵌されたインペラ１０３が段差部１０２ｃに押し付けられた状態で、ナット１２１が回転軸１０２に締め付けられる。つまり、インペラ１０３、スラストカラー１１１及びシールカラー１２２が、ナット１２１によって共締めされている。
【０００５】
インペラ１０３は、約２０万ｒｐｍ程度の高速で回転するため、回転時のバランスを高精度に保つ必要がある。そのためには、インペラ１０３が回転軸１０２に対し直角となるように組み付けられることが重要である。しかしながら、回転軸１０２の段差部１０２ｃとインペラ１０３との間には、スラストカラー１１２及びシールカラー１２２といった別部材が存在しているため、従来のターボチャージャ１０１では、インペラ１０３の組付精度を確保することが困難であるという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、回転軸に対するインペラの組付精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ハウジング内に回転自在に配置され、小径部と大径部とを有し、前記小径部と前記大径部との境界に段差部が形成された回転軸と、前記回転軸の前記小径部に取り付けられるインペラと、前記回転軸の軸方向において前記インペラと前記段差部との間に配置されるスラストカラーと、前記ハウジングに取り付けられており、前記スラストカラーを前記軸方向から回転可能に支持するスラストプレートと、を有するスラスト軸受と、を備えるターボチャージャであって、前記スラストカラーは、前記スラストプレートの前記軸方向における前記インペラ側の第１摺動面に対向する第１壁部を有するインペラ側部と、前記スラストプレートの前記軸方向における前記段差部側の第２摺動面に対向する第２壁部を有する段差部側部と、前記インペラ側部から前記段差部に向けて前記軸方向に延在し、前記段差部と接触する接触端面を有する筒状部と、を有しており、前記インペラと前記インペラ側部と前記筒状部とが一体形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るターボチャージャでは、軸方向においてインペラと回転軸に形成された段差部との間に配置されるスラストカラーのうち、スラストプレートの軸方向におけるインペラ側の第１摺動面に対向する第１壁部を有するインペラ側部と、インペラ側部から段差部に向けて軸方向に延在し、段差部と接触する接触端面を有する筒状部とが、インペラと一体形成されている。つまり、インペラと段差部との間には、インペラと一体形成されたインペラ側部及び筒状部が存在するだけで、他の別部材が存在しないので、回転軸に対するインペラの組付精度を向上させることが可能となる。
【０００９】
また、前記段差部側部は、前記インペラ側部及び前記筒状部とは別体である環状部材を前記筒状部に外嵌することによって構成されていると好適である。
【００１０】
このように、段差部側部を他の部位とは別体とすることで、段差部側部の材料選択等に関する自由度が向上し、段差部側部の設計を最適化しやすくなる。
【００１１】
また、前記スラスト軸受に供給されたオイルが前記軸方向において前記インペラ側に移動することを抑えるためのシールリングが、前記インペラ側部の外周面に設けられていると好適である。
【００１２】
図４に示すように、従来のターボチャージャ１０１においても、スラスト軸受１０７に供給されたオイルがインペラ１０３側に移動することを抑えるためのシールリング１１８が設けられることがある。このシールリング１１８を保持するためのシールカラー１２２は、インペラ１０３やスラストカラー１１２とは別に設けられているため、インペラ１０３と段差部１０２ｃとの間に存在する部材が増えることにより、インペラ１０３の組付精度を低下させる要因となっていた。そこで、上述のように、本発明では、スラストカラーを構成するインペラ側部の外周面にシールリングを設けるようにすることで、シールカラーが不要となり、インペラの組付精度を低下させることなく、インペラ側にオイルが漏れることを抑えることができる。
【００１３】
さらに、前記シールリングは、前記軸方向において、前記インペラと前記第１壁部との間に複数設けられていると一層好適である。
【００１４】
このように、シールリングを複数設けることで、インペラ側にオイルが漏れることをより効果的に抑えることができる。
【００１５】
また、前記第１壁部のうち前記スラストプレートの前記第１摺動面と摺接する部分には、耐摩耗処理が施されていると好適である。
【００１６】
インペラの材料は、加工性等を考慮して、比較的柔らかいアルミ材等が採用されることがある一方、スラストプレートの材料は、耐摩耗性等を考慮して、高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ材）等の鋼材が採用されることが多い。本発明では、スラストカラーのインペラ側部は、インペラと同じアルミ材等で構成されることになるため、アルミ材等より硬いスラストプレートが接触する箇所が摩耗するおそれがある。そこで、上述のように、第１壁部のうちスラストプレートの第１摺動面と摺接する部分に耐摩耗処理を施しておくことで、スラストカラーの摩耗を抑制することができる。
【００１７】
また、前記インペラ側部及び前記筒状部の少なくとも一部と、前記回転軸の前記小径部とが、締まり嵌め状態で固定されていると好適である。
【００１８】
インペラを回転軸に強固に固定するため、インペラと回転軸とを締まり嵌めすることが考えられる。しかしながら、インペラと回転軸とを締まり嵌めした場合、締結部において、締まり嵌めによる初期引張応力（組付応力）に加えて、外径の大きなインペラの遠心力が作用することで大きな遠心応力が発生し、応力が過大となるおそれがある。そこで、上述のように、インペラよりも外径の小さなスラストカラーのインペラ側部及び筒状部において回転軸を締まり嵌めすることによって、締結部に発生する遠心応力を低減することができ、インペラと回転軸とを良好に固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係るターボチャージャの構成を示す断面図である。
【図２】スラストカラー周辺の拡大図である。
【図３】変形例におけるスラストカラー周辺の拡大図である。
【図４】従来技術のターボチャージャの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本実施形態に係るターボチャージャについて、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るターボチャージャの構成を示す断面図であり、コンプレッサ側の構成を図示したものである。なお、タービン側の構成は基本的に周知の構成であるので、タービン側についての詳細な説明は省略する。
【００２１】
図１に示すターボチャージャ１は、回転軸２の一方の軸端部に取り付けられるコンプレッサインペラ３及び他方の軸端部に取り付けられる不図示のタービンインペラが、ハウジング４内に収容された基本構成を有している。本実施形態では、コンプレッサインペラ３が本発明における「インペラ」に相当するが、タービンインペラが本発明における「インペラ」に相当するように構成してもよい。
【００２２】
回転軸２は、軸端部に形成された小径部２ａと、小径部２ａに隣接し、小径部２ａよりも径が大きな大径部２ｂと、小径部２ａと大径部２ｂとの境界に形成された段差部２ｃとを有する。コンプレッサインペラ３は、回転軸２の小径部２ａに取り付けられる。
【００２３】
ハウジング４は、回転軸２をスラスト方向に支持するスラスト軸受７及び回転軸２をラジアル方向に支持するラジアル軸受８を収容するベアリングハウジング５と、ベアリングハウジング５のコンプレッサ側（図１の左側）に設けられ、コンプレッサインペラ３を収容するコンプレッサハウジング６と、ベアリングハウジング５のタービン側（図１の右側）に設けられ、タービンインペラを収容する不図示のタービンハウジングとから構成される。コンプレッサハウジング６には、コンプレッサインペラ３の軸方向から吸気を供給する円筒状の吸気路９と、コンプレッサインペラ３で圧縮された吸気が排出される渦巻き状のスクロール通路１０とが、それぞれ形成されている。
【００２４】
このように構成されたターボチャージャ１において、不図示のエンジンからの排気のエネルギーによってタービンインペラが回転させられると、この回転動作が回転軸２を介してコンプレッサインペラ３に伝達され、コンプレッサインペラ３が回転する。そうすると、コンプレッサインペラ３の軸方向外側にある吸気路９からコンプレッサインペラ３に吸気が取り込まれ、コンプレッサインペラ３の回転によって吸気が圧縮される。コンプレッサインペラ３で圧縮された吸気は、コンプレッサインペラ３の径方向外側（遠心方向）のスクロール通路１０に吐き出される。
【００２５】
次に、スラスト軸受７について説明する。スラスト軸受７は、スラストプレート１１及びスラストカラー１２を有して構成されており、軸方向においてコンプレッサインペラ３と回転軸２の段差部２ｃとの間に配置されている。スラストプレート１１は、回転軸２の軸方向から見て円環形状又はＵ字形状を有しており、ベアリングハウジング５に対して不図示のボルトで固定されている。以下では、スラストプレート１１のうち、軸方向においてコンプレッサインペラ３側の面を第１摺動面１１ａ（図２参照）と称し、軸方向において段差部２ｃ側の面を第２摺動面１１ｂと称する。
【００２６】
図２は、スラストカラー１２周辺の拡大図であり、回転軸２、コンプレッサインペラ３、スラストプレート１１及びスラストカラー１２のみを図示している。なお、スラストプレート１１は一点鎖線で図示している。スラストカラー１２は、スラストプレート１１の第１摺動面１１ａに対向する第１壁部１３ａを有するインペラ側部１３と、スラストプレート１１の第２摺動面１１ｂに対向する第２壁部１４ａを有する段差部側部１４と、インペラ側部１３から段差部２ｃに向けて軸方向に延在し、段差部２ｃと接触する接触端面１５ａを有する筒状部１５と、を有して構成される。
【００２７】
第１壁部１３ａと第２壁部１４ａと筒状部１５とによって、スラストカラー１２の外周面には環状溝２２が形成されており、この環状溝２２にスラストプレート１１の内縁部が係合した状態で配置されている。このような構成により、回転軸２に作用するスラスト方向の荷重は、第１壁部１３ａがスラストプレート１１の第１摺動面１１ａに摺接することによって、あるいは、第２壁部１４ａがスラストプレート１１の第２摺動面１１ｂに摺接することによって、スラストプレート１１によって支持されることになる。
【００２８】
スラストカラー１２のインペラ側部１３及び筒状部１５は、コンプレッサインペラ３と一体形成されている。インペラ側部１３は、コンプレッサインペラ３の背面から段差部２ｃ側に延出した円筒形状を有している。筒状部１５は、インペラ側部１３からさらに段差部２ｃ側に延出しており、インペラ側部１３よりも径の小さな円筒形状を有している。上述の第１壁部１３ａは、インペラ側部１３及び筒状部１５の境界を形成する段差部となっている。コンプレッサインペラ３、並びに、スラストカラー１２のインペラ側部１３及び筒状部１５の径方向中央部には、回転軸２の軸方向に沿って貫通孔１６が形成されており、この貫通孔１６に回転軸２の小径部２ａが挿入される。
【００２９】
一方、スラストカラー１２の段差部側部１４は、インペラ側部１３及び筒状部１５とは別体である環状部材を筒状部１５に外嵌することによって構成されている。この環状部材１４は、例えば、隙間嵌めによって筒状部１５に外嵌されている。
【００３０】
エンジンが作動すると、不図示の給油路を介して、スラスト軸受７にオイルが供給され、スラストプレート１１とスラストカラー１２との間には油膜が形成され、スラスト軸受７が流体軸受として機能する。このとき、スラスト軸受７に供給されたオイルが、コンプレッサインペラ３側に移動すると、コンプレッサインペラ３の性能が低下するおそれがある。
【００３１】
そこで、本実施形態のターボチャージャ１では、オイルがコンプレッサインペラ３側に移動することを抑制するため、スラストカラー１２のインペラ側部１３の径方向外側にリテーナ１７（図１参照）が設けられている。そして、インペラ側部１３の外周面と、当該外周面に対向するリテーナ１７の対向面との間に、シールリング１８、１９が設けられている。また、リテーナ１７とベアリングハウジング５との間には、Ｏリング２０が設けられている。
【００３２】
図２に示すように、スラストカラー１２のインペラ側部１３の外周面には、シールリング１８、１９を取り付けるための取付溝１３ｂ、１３ｃが形成されている。このように、スラストカラー１２のインペラ側部１３にシールリング１８、１９を設けるようにすることで、図４に示す従来のターボチャージャ１０１で設けられていたシールカラー１２２を省略することができる。
【００３３】
ここで、本実施形態のスラストプレート１１は、耐摩耗性に優れた高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ材）で作製されている。一方、コンプレッサインペラ３（スラストカラー１２のインペラ側部１３及び筒状部１５を含む）は加工性に優れたアルミ材で作製されている。アルミ材はＳＵＪ材よりも柔らかいため、スラストプレート１１が回転軸２をスラスト方向に支持する際に、スラストプレート１１がスラストカラー１２の第１壁部１３ａに接触すると、第１壁部１３ａが摩耗するおそれがある。
【００３４】
本実施形態では、第１壁部１３ａの摩耗を抑えるため、第１壁部１３ａのうち少なくともスラストプレート１１の第１摺動面１１ａと摺接する部分に耐摩耗処理を施している。耐摩耗処理として例えばアルマイト処理を採用することができ、段差面１３ａがスラストプレート１１の硬度以上の硬度を有するように耐摩耗処理が施されることが好ましい。なお、スラストカラー１２の段差部側部１４は、コンプレッサインペラ３とは別体であり、コンプレッサインペラ３とは無関係に材料を選択することができる。そこで、段差部側部１４をスラストプレート１１と同等以上の硬度を有する材料（例えばＳＵＪ材）で作製すれば、段差部側部１４の摩耗を抑制することができる。
【００３５】
本実施形態のターボチャージャ１は、スラストカラー１２の筒状部１５の接触端面１５ａを、回転軸２の段差部２ｃに当接させた状態で、ナット２１を回転軸２に締め付けることによって、コンプレッサインペラ３が回転軸２に組み付けられる。しかしながら、この場合、コンプレッサインペラ３と回転軸２とが隙間嵌めされているので、回転中にコンプレッサインペラ３がずれる可能性がある。そこで、コンプレッサインペラ３を回転軸２により強固に固定するために、ナット２１による締結に加えて又は代えて、コンプレッサインペラ３を回転軸２に締まり嵌めしてもよい。
【００３６】
具体的には、回転軸２の小径部２ａのうちスラストカラー１２の領域に挿入される部分の外径を、小径部２ａの他の部分の外径よりも若干大きくするか、或いは、貫通孔１６のうちスラストカラー１２の領域に形成されている部分の内径を、貫通孔１６の他の部分の内径よりも若干小さくした上で、コンプレッサインペラ３と回転軸２とを焼嵌めすればよい。こうすることで、スラストカラー１２のインペラ側部１３及び筒状部１５と、回転軸２の小径部２ａとを、締まり嵌め状態で固定することができる。なお、焼嵌めの代わりに圧入によって、スラストカラー１２のインペラ側部１３及び筒状部１５と、回転軸２の小径部２ａとを、締まり嵌め状態で固定してもよい。
【００３７】
（効果）
本実施形態に係るターボチャージャ１では、軸方向においてコンプレッサインペラ３と回転軸２に形成された段差部２ｃとの間に配置されるスラストカラー１２のうち、スラストプレート１１の軸方向におけるコンプレッサインペラ３側の第１摺動面１１ａに対向する第１壁部１３ａを有するインペラ側部１３と、インペラ側部１３から段差部２ｃに向けて軸方向に延在し、段差部２ｃと接触する接触端面１５ａを有する筒状部１５とが、コンプレッサインペラ３と一体形成されている。つまり、コンプレッサインペラ３と段差部２ｃとの間には、コンプレッサインペラ３と一体形成されたインペラ側部１３及び筒状部１５が存在するだけで、他の別部材が存在しないので、回転軸２に対するコンプレッサインペラ３の組付精度を向上させることが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態では、段差部側部１４は、インペラ側部１３及び筒状部１５とは別体である環状部材を筒状部１５に外嵌することによって構成されているので、段差部側部１４の材料選択等に関する自由度が向上し、段差部側部１４の設計を最適化しやすくなる。
【００３９】
また、本実施形態では、スラスト軸受７に供給されたオイルがコンプレッサインペラ３側に移動することを抑えるためのシールリング１８（１９）が、インペラ側部１３の外周面に設けられている。このように、スラストカラー１２を構成するインペラ側部１３の外周面にシールリング１８（１９）を設けるようにすることで、シールカラーが不要となり、コンプレッサインペラ３の組付精度を低下させることなく、コンプレッサインペラ３側にオイルが漏れることを抑えることができる。
【００４０】
さらに、本実施形態では、シールリング１８、１９は、軸方向において、コンプレッサインペラ３と第１壁部１３ａとの間に複数設けられているので、インペラ側にオイルが漏れることをより効果的に抑えることができる。ここで、図４に示すように、従来のターボチャージャ１０１では、オイルがインペラ１０３側に移動することを効果的に抑えるため、シールカラー１２２の外周面から径方向外側に突出する環状壁１２２ａが設けられることがあった。しかしながら、本実施形態において、このような環状壁を設けると、スラストカラー１２のインペラ側部１３にシールリング１８（１９）を取り付けることができなくなってしまう。そこで、上述のように、シールリング１８、１９を複数設けるようにすることで、環状壁がなくとも、コンプレッサインペラ３にオイルが付着することを効果的に抑えることができる。
【００４１】
また、本実施形態では、第１壁部１３ａのうちスラストプレート１１の第１摺動面１１ａと摺接する部分には、耐摩耗処理が施されている。したがって、インペラ側部１３がスラストプレート１１よりも柔らかい材料で構成されていても、スラストプレート１１と摺接する部分に耐摩耗処理を施しておくことで、スラストカラー１２の摩耗を抑制することができる。
【００４２】
また、本実施形態において、インペラ側部１３及び筒状部１５の少なくとも一部と、回転軸２の小径部２ａとが、締まり嵌め状態で固定されていると好適である。コンプレッサインペラ３と回転軸２とを締まり嵌めすると、その締結部では、締まり嵌めによる初期引張応力（組付応力）に加えて、外径の大きなコンプレッサインペラ３の遠心力が作用することで大きな遠心応力が発生し、応力が過大となるおそれがある。そこで、上述のように、コンプレッサインペラ３よりも外径の小さなスラストカラー１２のインペラ側部１３及び筒状部１５において回転軸２を締まり嵌めすることによって、締結部に発生する遠心応力を低減することができ、コンプレッサインペラ３と回転軸２とを良好に固定することができる。
【００４３】
［他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。
【００４４】
例えば、上記実施形態では、スラストカラー１２の段差部側部１４として環状部材を別途設けるものとした。しかしながら、環状部材を省略し、図３に示すように、回転軸２の段差部２ｃをスラストカラー１２の段差部側部（第２壁部）として機能させるようにしてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態では、スラストカラー１２のインペラ側部１３の外周面に対向してリテーナ１７が配置されているものとした。しかしながら、インペラ側部１３の外周面に対向してリテーナ１７を設けることは必須ではなく、インペラ側部１３の外周面に対向して、他の部材（例えば、ベアリングハウジング５）が配置されるようにしてもよい。この場合、スラストカラー１２のインペラ側部１３の外周面と、当該外周面に対向する上記他の部材の対向面との間に、シールリング１８（１９）を設けるようにするとよい。なお、シールリングの数は２つに限定されず、適宜変更が可能である。
【００４６】
また、上記実施形態では、第１壁部１３ａのうちスラストプレート１１の第１摺動面１１ａと摺接する部分に対して耐摩耗処理を施すものとした。しかしながら、耐摩耗処理を施す箇所はこれに限定されず、第１壁部１３ａ全体に対して耐摩耗処理を施してもよいし、摩耗するおそれのある他の箇所（例えば、筒状部１５の外周面や、取付溝１３ｂ、１３ｃの側面又は底面等）に耐摩耗処理を施してもよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、従来のターボチャージャ１０１のシールカラー１２２に設けられていた環状壁１２２ａ（図４参照）を省略するものとした。しかしながら、環状壁１２２ａに相当する環状部材を、スラストカラー１２のインペラ側部１３に後付けするようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１：ターボチャージャ
２：回転軸
２ａ：小径部
２ｂ：大径部
２ｃ：段差部
３：コンプレッサインペラ（インペラ）
７：スラスト軸受
１１：スラストプレート
１１ａ：第１摺動面
１１ｂ：第２摺動面
１２：スラストカラー
１３：インペラ側部
１３ａ：第１壁部
１４：段差部側部
１４ａ：第２壁部
１５：筒状部
１５ａ：接触端面
１８、１９：シールリング
【図１】
0006536417.tif 000002
【図２】
0006536417.tif 000003
【図３】
0006536417.tif 000004
【図４】
0006536417.tif 000005