JP2005090587A - 回転体の回転軸及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 超硬合金などの高ヤング率材料をより少なく用いて製造することのできる高剛性の回転体の回転軸を提供することである。
【解決手段】 軸受により支承される回転体の回転軸であって、少なくとも前記軸受から前記回転体までの間の部位がその他の部位よりもヤング率が高く構成されていることを特徴とする回転体の回転軸。また、前記軸受から前記回転体までの間の部位における表層部は、マトリックス金属中に硼化物、炭化物、窒化物のうち少なくとも１種の硬質粒子が分散している複合材料で構成されていることを特徴とする回転体の回転軸。
【選択図】 図１
【解決手段】 軸受により支承される回転体の回転軸であって、少なくとも前記軸受から前記回転体までの間の部位がその他の部位よりもヤング率が高く構成されていることを特徴とする回転体の回転軸。また、前記軸受から前記回転体までの間の部位における表層部は、マトリックス金属中に硼化物、炭化物、窒化物のうち少なくとも１種の硬質粒子が分散している複合材料で構成されていることを特徴とする回転体の回転軸。
【選択図】 図１
Description
本発明は、軸受により支承される回転体の回転軸に関する。
従来、騒音低減と過給圧向上を目的として、騒音低減用軸受と過給圧向上用軸受とによってシャフトを支承するターボチャージャーが知られている（特許文献１参照）。このターボチャージャーによれば、シャフトの高速回転時の振れを抑制できるので、コンプレッサホイールとコンプレッサハウジングとのクリアランスを小さくし、かつ、コンプレッサホイールとコンプレッサハウジングとの干渉を防止することができる。
このように、高速回転する回転体を備えた機器、例えば、上述したターボチャージャー、モーター、コンピュータに内蔵されるハードディスクなどの機器では、回転体を支持する回転軸の剛性を高めることが強く望まれている。回転軸の剛性を高めれば、その回転軸の高速回転時における振れやたわみをさらに抑制できるので、回転体とその回転体を収容するハウジング部材との接触干渉等に起因する種々の不具合を防止できるからである。そして、このような理由から、回転軸の材料として、例えば超硬合金やサーメットなどの高いヤング率を有する材料を選定することが考えられている。
しかしながら、超硬合金やサーメットなどは高価な材料であり、しかも硬質粒子を含有するので切削加工性が悪く、回転軸の材料としては採用しづらいという問題がある。
しかしながら、超硬合金やサーメットなどは高価な材料であり、しかも硬質粒子を含有するので切削加工性が悪く、回転軸の材料としては採用しづらいという問題がある。
本願発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超硬合金などの高ヤング率材料をより少なく用いて製造することのできる高剛性の回転体の回転軸を提供することである。
前記課題を解決するために、特許請求の範囲の各請求項に記載した発明が構成される。
本願の第１の発明は、軸受により支承される回転体の回転軸であって、少なくとも前記軸受から前記回転体までの間の部位がその他の部位よりもヤング率が高く構成されていることを特徴とする回転体の回転軸である。この回転軸によれば、回転体と軸受との間の部位における剛性が高められるので、回転体の高速回転時における振れやたわみを防止することができる。また、この回転軸によれば、他の部位と比較して高い剛性が必要とされる部位にのみ高ヤング率材料が用いられているので、高い剛性を有する回転体の回転軸をより安価に製造することができる。
本願の第１の発明は、軸受により支承される回転体の回転軸であって、少なくとも前記軸受から前記回転体までの間の部位がその他の部位よりもヤング率が高く構成されていることを特徴とする回転体の回転軸である。この回転軸によれば、回転体と軸受との間の部位における剛性が高められるので、回転体の高速回転時における振れやたわみを防止することができる。また、この回転軸によれば、他の部位と比較して高い剛性が必要とされる部位にのみ高ヤング率材料が用いられているので、高い剛性を有する回転体の回転軸をより安価に製造することができる。
本願の第２の発明は、上記第１の発明において、少なくとも軸受から回転体までの間の部位における表層部は、マトリックス金属中に硼化物、炭化物、窒化物のうち少なくとも１種の硬質粒子が分散している複合材料で構成されていることを特徴とする回転体の回転軸である。このような回転軸は、表層部を例えばプラズマやレーザなどの高エネルギ熱源により溶融し、その溶融した表層部中に硬質粒子を含有させることによって製造することができる。したがって、高い剛性を有する回転体の回転軸を後加工によって製造することができる。この場合、例えば超硬合金などの切削加工性の悪い材料を加工する必要がないというメリットがある。
本願の第３の発明は、エンジン排気により回転駆動されるタービンホイールと、そのタービンホイールと回転軸を介して連結されるコンプレッサホイールと、前記回転軸を支承する軸受とを有するターボチャージャーであって、前記回転軸は、少なくとも前記軸受から前記コンプレッサホイールまでの間の部位がその他の部位よりもヤング率が高く構成されていることを特徴とするターボチャージャーである。なお、この発明において、前記「軸受」とは、前記回転軸を回転可能に支承する軸受であって、前記回転体に最も近い側に配置されている軸受のことを指している。
この発明によれば、他の部位と比較して高い剛性が必要とされる部位にのみ高ヤング率材料が用いられているので、高い剛性を有する回転軸を備えたターボチャージャーをより安価に製造することができる。また、この発明によれば、高速回転時における回転軸の振れやたわみが防止されるので、圧縮エアの過給率が高く、しかも騒音の低いターボチャージャーを実現することができる。
この発明によれば、他の部位と比較して高い剛性が必要とされる部位にのみ高ヤング率材料が用いられているので、高い剛性を有する回転軸を備えたターボチャージャーをより安価に製造することができる。また、この発明によれば、高速回転時における回転軸の振れやたわみが防止されるので、圧縮エアの過給率が高く、しかも騒音の低いターボチャージャーを実現することができる。
本願の第４の発明は、上記第３の発明において、回転軸は、少なくとも軸受からコンプレッサホイールまでの間の部位における表層部が、マトリックス金属中に硼化物、炭化物、窒化物のうち少なくとも１種の硬質粒子が分散している複合材料で構成されていることを特徴とするターボチャージャーである。このような回転軸は、表層部を例えばプラズマやレーザなどの高エネルギ熱源により溶融し、その溶融した表層部中に硬質粒子を含有させることによって製造することができる。したがって、高い剛性を有するコンプレッサホイールの回転軸を後加工によって製造することができる。この場合、例えば超硬合金などの切削加工性の悪い材料を加工する必要がないというメリットがある。
本願の第５の発明は、軸受により支承される回転体の回転軸の製造方法であって、少なくとも前記軸受から前記回転体までの間の部位における表層部を高密度エネルギ熱源により溶融する工程と、その溶融した表層部に硬質粒子あるいは硬質粒子を析出させる材料を添加する工程と、を有することを特徴とする回転体の回転軸の製造方法である。この発明によれば、高速回転時における振れやたわみの少ない回転体の回転軸をより安価に製造することができる。また、回転軸の表層部を溶融させるための熱源として、例えばレーザやプラズマなどの高密度エネルギ熱源を用いるので、溶融状態の制御が容易であり、回転軸の表層部の溶融池の撹拌力が大きいので、回転軸の表層部に硬質粒子を均一に分散させることができるという効果がある。
本発明によれば、超硬合金などの高ヤング率材料をより少なく用いて製造することのできる高剛性の回転体の回転軸を提供することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施の形態における回転体の回転軸は、エンジン排気により回転駆動されるタービンホイールと、そのタービンホイールと回転軸を介して連結されるコンプレッサホイールとを備え、前記コンプレッサホイールの回転力によりガソリン燃焼用の圧縮エアをシリンダ内に送り込むターボチャージャーに適用されるものである。
本実施の形態における回転体の回転軸は、エンジン排気により回転駆動されるタービンホイールと、そのタービンホイールと回転軸を介して連結されるコンプレッサホイールとを備え、前記コンプレッサホイールの回転力によりガソリン燃焼用の圧縮エアをシリンダ内に送り込むターボチャージャーに適用されるものである。
図１は、本実施の形態におけるターボチャージャー１０の断面図である。
図１に示すように、ターボチャージャー１０は、図示しない排気通路内に設置されてエンジン排気により回転駆動されるタービンホイール１２と、そのタービンホイール１２と回転軸１４を介して連結されるコンプレッサホイール１６とを備えている。コンプレッサホイール１６は、コンプレッサハウジング１８内に収容されており、図示しない吸気通路を介して流入した燃焼用エアが、このコンプレッサハウジング１８内においてコンプレッサホイール１６により圧縮されてシリンダ内に送り込まれる。なお、コンプレッサホイール１６が、本発明にいう「回転体」に対応している。
図１に示すように、ターボチャージャー１０は、図示しない排気通路内に設置されてエンジン排気により回転駆動されるタービンホイール１２と、そのタービンホイール１２と回転軸１４を介して連結されるコンプレッサホイール１６とを備えている。コンプレッサホイール１６は、コンプレッサハウジング１８内に収容されており、図示しない吸気通路を介して流入した燃焼用エアが、このコンプレッサハウジング１８内においてコンプレッサホイール１６により圧縮されてシリンダ内に送り込まれる。なお、コンプレッサホイール１６が、本発明にいう「回転体」に対応している。
回転軸１４は、例えばＳＣＭ４１５（クロムモリブデン鋼）などの鋼材により棒状に形成された部材である。この回転軸１４は、軸受ハウジング２２に収容された２つの軸受２０ａ，２０ｂによって回転可能な状態で支承されている。この軸受２０ａ，２０ｂの外周面と軸受ハウジング２２との間には隙間（外径クリアランス）が設定されており、この軸受２０ａ，２０ｂの内周面と回転軸１４の外周面との間にも隙間（内径クリアランス）が設定されている。そして、これら２つの軸受２０ａ，２０ｂには、油供給孔２４ａを介してオイルが供給されており、回転軸１４及び軸受ハウジング２２との間に油膜を形成することのできるフローティングベアリングを構成している。これにより、高速回転する回転軸１４を円滑に支承できるようになっている。
また、回転軸１４は、図１に示すように、軸受ハウジング２２側からコンプレッサホイール１６側に向けてその外径が段差状に細くなるように形成されている。この回転軸１４の段差状の部分には円筒状のカラー２６が設けられており、このカラー２６によって回転軸１４の軸方向への移動が規制されている。また、このカラー２６には、油供給孔２４ｂを介して潤滑用のオイルが供給されており、このカラー２６のさらにコンプレッサホイール１６側には、オイルシール２７が設けられてオイルが封入されている。
本実施の形態における回転軸１４は、軸受２０ａからコンプレッサホイール１６までの間の部位、すなわち、図１中の矢印Ｂに示す範囲の部位が他の部位よりもヤング率が高く構成されている。これにより、回転軸１４の軸受２０ａからコンプレッサホイール１６までの部位における剛性が高められており、回転軸１４の高速回転時における振れやたわみが防止されている。この回転軸１４の製造方法について以下詳細に説明する。
図２は、回転軸１４の製造方法を模式的に示す図である。
図２に示すように、回転軸１４は、プラズマ溶融装置３０によってその軸方向の矢印Ｂに示す範囲における表層部が溶融される。そして、その溶融された表層部中に硬質粒子が添加されてヤング率が高められている。
プラズマ溶融装置３０は、回転軸１４との間に発生させたプラズマアークによりその回転軸１４の表層部を溶融し、その溶融池中に硬質粒子を噴射し添加する装置である。プラズマ溶融装置３０は、このプラズマ溶融装置３０を回転軸１４の軸方向に沿って移動させることのできる図示しない可動受台に設置されている。回転軸１４の表層部を溶融する際には、回転軸１４を軸周りに自転させながらプラズマ溶融装置３０をその回転軸１４の軸方向に移動させる。これにより、回転軸１４の表層部をほぼ均一の厚みで溶融させることができる。
プラズマ溶融装置３０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法と呼ばれることがある）を用いてもよいし、非移行性プラズマアーク（プラズマ溶射法と呼ばれることがある）を用いてもよい。また、プラズマ熱源に限らず、熱集中度の高いものであれば、例えばレーザを熱源とした溶融装置を用いることもできる。これらの熱集中度が高い溶融装置を用いることにより、回転軸１４の表層部をほぼ均一の厚みで溶融させることができる。また、これらの溶融装置は、溶融池の撹拌力が大きいので、回転軸１４の表層部中にほぼ均一に硬質粒子を分散させることができる。
図２に示すように、回転軸１４は、プラズマ溶融装置３０によってその軸方向の矢印Ｂに示す範囲における表層部が溶融される。そして、その溶融された表層部中に硬質粒子が添加されてヤング率が高められている。
プラズマ溶融装置３０は、回転軸１４との間に発生させたプラズマアークによりその回転軸１４の表層部を溶融し、その溶融池中に硬質粒子を噴射し添加する装置である。プラズマ溶融装置３０は、このプラズマ溶融装置３０を回転軸１４の軸方向に沿って移動させることのできる図示しない可動受台に設置されている。回転軸１４の表層部を溶融する際には、回転軸１４を軸周りに自転させながらプラズマ溶融装置３０をその回転軸１４の軸方向に移動させる。これにより、回転軸１４の表層部をほぼ均一の厚みで溶融させることができる。
プラズマ溶融装置３０の熱源としては、移行性プラズマアーク（ＰＴＡ法と呼ばれることがある）を用いてもよいし、非移行性プラズマアーク（プラズマ溶射法と呼ばれることがある）を用いてもよい。また、プラズマ熱源に限らず、熱集中度の高いものであれば、例えばレーザを熱源とした溶融装置を用いることもできる。これらの熱集中度が高い溶融装置を用いることにより、回転軸１４の表層部をほぼ均一の厚みで溶融させることができる。また、これらの溶融装置は、溶融池の撹拌力が大きいので、回転軸１４の表層部中にほぼ均一に硬質粒子を分散させることができる。
本実施の形態において、回転軸１４の表層部に添加する硬質粒子としては、硼化物、炭化物、窒化物からなる群より選択される少なくとも１種の硬質粒子を用いることができる。例えば、硼化チタン（ＴｉＢ２）、硼化鉄（ＦｅＢ２）、硼化ニオブ（Ｎｂ２Ｂ）、硼化クロム（Ｃｒ３Ｂ）などの硬質粒子を採用することができる。また、炭化物の硬質粒子として、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化モリブデン（Ｍｏ２Ｃ）、炭化タンタル（ＴａＣ）などの硬質粒子を採用することができる。また、窒化物の硬質粒子として、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化硼素（ＢＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化バナジウム（ＶＮ）などの硬質粒子を採用することができる。
硬質粒子のヤング率は、５００ＧＰａ以上であることが好ましい。硬質粒子のヤング率がこの範囲にあると、回転軸１４の剛性の明確な向上が認められるからである。
硬質粒子のヤング率は、５００ＧＰａ以上であることが好ましい。硬質粒子のヤング率がこの範囲にあると、回転軸１４の剛性の明確な向上が認められるからである。
また、回転軸１４の表層部中に硬質粒子を分散させるためには、表層部の溶融池に直接的に硬質粒子を添加するのではなく、溶融池に添加された後に化学反応が生じて硬質粒子が析出するように成分の配合がしてある１種あるいは２種以上の原料粉末を添加するようにしてもよい。例えば、硬質粒子を析出させるための原料粉末として、以下の原料粉末を添加することができる。
（１）硼化鉄の粉末と、チタン鉄合金の粉末とを混合した原料粉末。この場合、硬質粒子として硼化チタンが析出する。
（２）モリブデン鉄合金の粉末と、高炭素鉄合金（炭素工具鋼ＳＫ３など）の粉末とを混合した原料粉末。この場合、硬質粒子として炭化モリブデンが析出する。
（３）チタン鉄合金の粉末と、高炭素鉄合金（炭素工具鋼ＳＫ３など）の粉末とを混合した原料粉末。この場合、硬質粒子として炭化チタンが析出する。
（１）硼化鉄の粉末と、チタン鉄合金の粉末とを混合した原料粉末。この場合、硬質粒子として硼化チタンが析出する。
（２）モリブデン鉄合金の粉末と、高炭素鉄合金（炭素工具鋼ＳＫ３など）の粉末とを混合した原料粉末。この場合、硬質粒子として炭化モリブデンが析出する。
（３）チタン鉄合金の粉末と、高炭素鉄合金（炭素工具鋼ＳＫ３など）の粉末とを混合した原料粉末。この場合、硬質粒子として炭化チタンが析出する。
回転軸１４の表層部に硬質粒子を添加することにより、表層部が金属マトリックス中に硬質粒子が分散している高ヤング率の複合材料により構成され、内層部が通常の金属材料（ＳＣＭ４１５）で構成された２層構造を有する回転軸１４を得ることができる。本発明の方法によると、回転軸１４の表層部が高密度エネルギ熱源により溶融されて硬質粒子が添加されているので、この２層構造の境界部が微視的に観察した場合に連続的に形成されている回転軸１４を得ることができる。したがって、この２層構造の境界部における剪断強度や剥離強度が高い回転軸１４を得ることができる。
硬質粒子を添加する量としては、回転軸１４の断面を見たときに、硬質粒子が分散している複合材料の層の面積比率が、回転軸１４の断面積全体に対して３０％以上となるような量が好ましい。また、硬質粒子が分散している複合材料の層において、硬質粒子の存在比率が体積比率で３０％以上となるような量が好ましい。硬質粒子がこの範囲で存在していると、回転軸１４の明確な剛性の向上が認められる。
例えば、ＳＣＭ４１５からなる回転軸１４の表層部を溶融させ、硬質粒子として硼化チタン（ＴｉＢ２）を供給し溶融池に均一に分散させる。このとき、回転軸１４の断面における複合材料の層が断面積全体に対して３０％以上であり、かつ、複合材料の層における硬質粒子の存在比率が体積比率で３０％以上となるようにすると、この硬質粒子を添加した部分における回転軸１４の見掛け上のヤング率は２３２ＧＰａ以上となり、回転軸１４の剛性の明確な向上が認められるようになる。硼化チタンを析出させる２種の原料粉末（硼化鉄の粉末と、チタン鉄合金の粉末）を添加した場合も同様な効果が認められる。
例えば、ＳＣＭ４１５からなる回転軸１４の表層部を溶融させ、硬質粒子として硼化チタン（ＴｉＢ２）を供給し溶融池に均一に分散させる。このとき、回転軸１４の断面における複合材料の層が断面積全体に対して３０％以上であり、かつ、複合材料の層における硬質粒子の存在比率が体積比率で３０％以上となるようにすると、この硬質粒子を添加した部分における回転軸１４の見掛け上のヤング率は２３２ＧＰａ以上となり、回転軸１４の剛性の明確な向上が認められるようになる。硼化チタンを析出させる２種の原料粉末（硼化鉄の粉末と、チタン鉄合金の粉末）を添加した場合も同様な効果が認められる。
ターボチャージャー１０の過給効率は、コンプレッサハウジング１８とコンプレッサホイール１６間のクリアランスＡ（チップクリアランス）の大きさに影響される。燃焼用エアの過給率が高くかつ低騒音のターボチャージャーを実現するためには、このクリアランスＡをできるだけ小さくしかつコンプレッサハウジング１８とコンプレッサホイール１６とがぶつからないようにする必要がある。本実施の形態における回転軸１４によれば、軸受２０ａからコンプレッサホイール１６までの間の部位のヤング率が高められているので、この回転軸１４の高速回転時における振れやたわみが防止される。これにより、コンプレッサハウジング１８とコンプレッサホイール１６間のクリアランスＡをできる限り小さくし、燃焼用エアの過給率が高く、かつ、低騒音のターボチャージャー１０を実現することができる。
また、本実施の形態における回転軸１４によれば、軸受２０ａ，２０ｂの内周面と回転軸１４の外周面との隙間（内径クリアランス）を極端に小さくする必要がない。なぜならば、回転軸１４の剛性が高められているので、内径クリアランスの極端に小さくしなくても、高速回転時における回転軸１４の振れやたわみを十分に抑制することができるからである。したがって、油供給孔２４ａを介して供給されるオイルに燃焼生成物が混入したり、あるいは、軸受２０ａ，２０ｂに供給されるオイルが途切れたりした場合であっても、軸受２０ａ，２０ｂと回転軸１４との固着や焼き付きが防止される。
また、本実施の形態における回転軸１４によれば、軸受２０ａ，２０ｂの内周面と回転軸１４の外周面との隙間（内径クリアランス）を極端に小さくする必要がない。なぜならば、回転軸１４の剛性が高められているので、内径クリアランスの極端に小さくしなくても、高速回転時における回転軸１４の振れやたわみを十分に抑制することができるからである。したがって、油供給孔２４ａを介して供給されるオイルに燃焼生成物が混入したり、あるいは、軸受２０ａ，２０ｂに供給されるオイルが途切れたりした場合であっても、軸受２０ａ，２０ｂと回転軸１４との固着や焼き付きが防止される。
本実施の形態における回転軸１４によれば、高速回転時における回転軸１４の振れやたわみを防止できるので、軸受ハウジング２２中にオイルを封入しておくためのオイルシール２７の寿命向上を期待できる。
また、本実施の形態における回転軸１４によれば、軸方向における一部の範囲、すなわち、他の部位と比較して高い剛性が必要とされる範囲のみヤング率が高められているので、例えば超硬合金などの高価な材料を多く用いる必要がない。また、切削加工性の悪い超硬合金やサーメットなどの材料を加工する必要がない。これにより、高剛性を有する回転軸１４をより安価に製造できるという効果がある。
なお、上記実施の形態では、回転軸１４の表層部をプラズマ溶融装置３０により溶融し硬質粒子を添加する例を示したが、回転軸１４の一部の範囲におけるヤング率を高める方法としては、他の方法を採用することも可能である。
例えば、図１において、回転軸１４の矢印Ｂに示す範囲の部位のみを超硬合金などの高ヤング率材料により形成し、その他の部位をＳＣＭ４１５などの通常の材料で形成する。そして、これら複数の棒状部材を溶接等により軸方向に接合すれば、矢印Ｂに示す範囲のみがヤング率が高く構成された回転軸１４を得ることができる。
また、例えば、図１において、回転軸１４の矢印Ｂに示す範囲の部位のみを他の部位よりも細く形成する。そして、その細く形成された部位の外周部に超硬合金などの高ヤング率材料を接合すれば、矢印Ｂに示す範囲のみが見掛け上ヤング率が高く構成された回転軸１４を得ることができる。あるいは、その細く形成された部位の外周部に、硬質粒子が含有された高ヤング率の複合材料を形成し得る１種あるいは２種以上の材料を溶射により付着させれば、矢印Ｂに示す範囲のみが見掛け上ヤング率が高く構成された回転軸１４を得ることができる。さらに、例えば、図１において、回転軸１４の矢印Ｂに示す範囲の部位に軸方向に沿って複数の溝を形成し、この溝の内部に超硬合金などの高ヤング率材料を接合すれば、矢印Ｂに示す範囲のみが見掛け上ヤング率が高く構成された回転軸１４を得ることができる。
例えば、図１において、回転軸１４の矢印Ｂに示す範囲の部位のみを超硬合金などの高ヤング率材料により形成し、その他の部位をＳＣＭ４１５などの通常の材料で形成する。そして、これら複数の棒状部材を溶接等により軸方向に接合すれば、矢印Ｂに示す範囲のみがヤング率が高く構成された回転軸１４を得ることができる。
また、例えば、図１において、回転軸１４の矢印Ｂに示す範囲の部位のみを他の部位よりも細く形成する。そして、その細く形成された部位の外周部に超硬合金などの高ヤング率材料を接合すれば、矢印Ｂに示す範囲のみが見掛け上ヤング率が高く構成された回転軸１４を得ることができる。あるいは、その細く形成された部位の外周部に、硬質粒子が含有された高ヤング率の複合材料を形成し得る１種あるいは２種以上の材料を溶射により付着させれば、矢印Ｂに示す範囲のみが見掛け上ヤング率が高く構成された回転軸１４を得ることができる。さらに、例えば、図１において、回転軸１４の矢印Ｂに示す範囲の部位に軸方向に沿って複数の溝を形成し、この溝の内部に超硬合金などの高ヤング率材料を接合すれば、矢印Ｂに示す範囲のみが見掛け上ヤング率が高く構成された回転軸１４を得ることができる。
上記実施の形態では、本発明をターボチャージャー１０の回転軸１４に適用する例を示したが、これに限るものではない。本発明は、回転体を備えた他の車両部品の回転軸に適用することができる。例えば、車両部品の一つである電動フューエルポンプの回転軸に適用することができる。
図３は、電動フューエルポンプ４０の断面図である。図３に示すように、電動フューエルポンプ４０は、電動モータ４２と、この電動モータ４２の出力軸である回転軸４４と、この回転軸４４を介して電動モータ４２と連結されるインペラ４６とを備えている。回転軸４４は、軸受４８により回転可能な状態で支承されている。電動モータ４２により回転駆動されるインペラ４６の回転力により、リザーバカップ内に貯留されたガソリン燃料を昇圧させてインジェクタに供給することができる。この電動フューエルポンプ４０において、インペラ４６が、本発明にいう「回転体」に対応している。
回転軸４４は、軸受４８からインペラ４６の間の部位、すなわち、図３における矢印Ｃに示す範囲の部位が、他の部位よりもヤング率が高く構成されている。ヤング率を高くするためには、上記実施の形態で説明したどの方法を用いることもできる。これにより、インペラ４６の高速回転時における回転軸４４の振れやたわみが防止されるので、低騒音でかつ燃料供給効率の高い電動フューエルポンプ４０を実現することができる。この回転軸４４によれば、他の部位よりも高い剛性が必要とされる部位のみヤング率が高められているので、例えば超硬合金などの高ヤング率材料を全体に用いる必要がなく、高剛性の回転軸４４を安価に製造することができる。
図３は、電動フューエルポンプ４０の断面図である。図３に示すように、電動フューエルポンプ４０は、電動モータ４２と、この電動モータ４２の出力軸である回転軸４４と、この回転軸４４を介して電動モータ４２と連結されるインペラ４６とを備えている。回転軸４４は、軸受４８により回転可能な状態で支承されている。電動モータ４２により回転駆動されるインペラ４６の回転力により、リザーバカップ内に貯留されたガソリン燃料を昇圧させてインジェクタに供給することができる。この電動フューエルポンプ４０において、インペラ４６が、本発明にいう「回転体」に対応している。
回転軸４４は、軸受４８からインペラ４６の間の部位、すなわち、図３における矢印Ｃに示す範囲の部位が、他の部位よりもヤング率が高く構成されている。ヤング率を高くするためには、上記実施の形態で説明したどの方法を用いることもできる。これにより、インペラ４６の高速回転時における回転軸４４の振れやたわみが防止されるので、低騒音でかつ燃料供給効率の高い電動フューエルポンプ４０を実現することができる。この回転軸４４によれば、他の部位よりも高い剛性が必要とされる部位のみヤング率が高められているので、例えば超硬合金などの高ヤング率材料を全体に用いる必要がなく、高剛性の回転軸４４を安価に製造することができる。
また、上記実施の形態では、回転軸１４の矢印Ｂに示す範囲の部位におけるヤング率が高く構成されている例を示したが、これに限るものではない。本発明は、少なくとも矢印Ｂに示す範囲の部位が、他の部位よりもヤング率が高く構成されればよい。例えば、軸受２０ａからコンプレッサホイール１６を固定するためのナット１９に至るまでの部位におけるヤング率が、軸受２０ａからタービンホイール１２側の部位よりもヤング率が高くなるように構成してもよい。これにより、高い剛性を有する回転軸１４を、超硬合金などの高ヤング率材料をより少なく用いて製造することができる。
本発明は、例えばウオーターポンプなどのその他の車両部品における回転体の回転軸にも適用することができる。また、車両部品に限らず、例えばコンピューターに内蔵されるハードディスクの回転軸に適用することができる。
〔実施例１〕
まず、試験片を製作することにより、回転軸の表層部に硬質粒子を添加することによる剛性向上の効果について試験を行った。
本実施例では、軸径１８ｍｍのＳＣＭ４１５製の丸棒状の回転軸を用いた。この回転軸の表層部を、移行性プラズマ方法によるプラズマ溶融装置を用いて軸方向に沿って長さ１００ｍｍに亘って溶融し、硼化チタンからなる硬質粒子、あるいは、硼化チタンからなる硬質粒子を析出させるための混合粉末を溶融池に添加した。そして、この回転軸の軸方向における硬質粒子が含有された部分について、一方の端部を片持ちの状態で固定し、他方の端部に対して２０ｋｇの荷重を作用させて当該回転軸のタワミ量を測定した。このような試験を、溶融池に添加する硬質粒子あるいは硬質粒子を形成しうる材料の種類、表層部の複合化された部分における硼化チタンの存在比率（体積％）、回転軸の断面積全体に対する表層部の複合化された部分の面積比率（％）の条件を種々変更して、NO.1〜NO.8までの８種類の試験を行った。
以下の表１は、NO.1〜NO.8までの試験の条件及び結果をまとめたものである。NO.1〜NO.7までは、本発明の実施例として実施した試験である。NO.8は、本発明との比較例として実施した試験である。
まず、試験片を製作することにより、回転軸の表層部に硬質粒子を添加することによる剛性向上の効果について試験を行った。
本実施例では、軸径１８ｍｍのＳＣＭ４１５製の丸棒状の回転軸を用いた。この回転軸の表層部を、移行性プラズマ方法によるプラズマ溶融装置を用いて軸方向に沿って長さ１００ｍｍに亘って溶融し、硼化チタンからなる硬質粒子、あるいは、硼化チタンからなる硬質粒子を析出させるための混合粉末を溶融池に添加した。そして、この回転軸の軸方向における硬質粒子が含有された部分について、一方の端部を片持ちの状態で固定し、他方の端部に対して２０ｋｇの荷重を作用させて当該回転軸のタワミ量を測定した。このような試験を、溶融池に添加する硬質粒子あるいは硬質粒子を形成しうる材料の種類、表層部の複合化された部分における硼化チタンの存在比率（体積％）、回転軸の断面積全体に対する表層部の複合化された部分の面積比率（％）の条件を種々変更して、NO.1〜NO.8までの８種類の試験を行った。
以下の表１は、NO.1〜NO.8までの試験の条件及び結果をまとめたものである。NO.1〜NO.7までは、本発明の実施例として実施した試験である。NO.8は、本発明との比較例として実施した試験である。
NO.1〜NO.7の試験結果と、NO.8の試験結果を比較すると、回転軸の表層部を溶融してその表層部中に硬質粒子を含有させることにより、回転軸のタワミ量が減少することが判明した。これにより、本発明による回転軸の剛性向上の効果が確認された。
また、NO.1〜NO.7の試験結果を見ればわかるように、複合化部分における硼化チタンの存在量が体積比率で３０％以上であり、かつ、回転軸の断面積全体に対する複合化部分の面積比率が３０％以上である場合には、回転軸のタワミ量が大幅に減少することが判明した。
また、NO.1〜NO.7の試験結果を見ればわかるように、複合化部分における硼化チタンの存在量が体積比率で３０％以上であり、かつ、回転軸の断面積全体に対する複合化部分の面積比率が３０％以上である場合には、回転軸のタワミ量が大幅に減少することが判明した。
〔実施例２〕
次に、本発明をターボチャージャーの回転軸に適用した。
本実施例では、軸径１８ｍｍのＳＣＭ４１５製の丸棒状の回転軸を用いた。この回転軸の表層部を、移行性プラズマ方法によるプラズマ溶融装置を用いて軸方向に沿って長さ１００ｍｍに亘って溶融し、硼化チタンの硬質粒子を析出させるために、硼化鉄（FeB）とチタン鉄合金（FeTi）との混合粉末を溶融池に添加した。このとき、表層部の複合化部分における硼化チタンの存在量が体積比率で３０％であり、かつ、回転軸の断面積全体に対する複合化部分の面積比率が４０％となるように混合粉末の量を調整した。そして、回転軸のコンプレッサホイール側の一端に荷重を作用させてタワミ量を測定したところ、硬質粒子が含有されていない通常のＳＣＭ４１５製の回転軸と比較した場合に、タワミ量を約２０％以上抑制できることが判明した。
次に、本発明をターボチャージャーの回転軸に適用した。
本実施例では、軸径１８ｍｍのＳＣＭ４１５製の丸棒状の回転軸を用いた。この回転軸の表層部を、移行性プラズマ方法によるプラズマ溶融装置を用いて軸方向に沿って長さ１００ｍｍに亘って溶融し、硼化チタンの硬質粒子を析出させるために、硼化鉄（FeB）とチタン鉄合金（FeTi）との混合粉末を溶融池に添加した。このとき、表層部の複合化部分における硼化チタンの存在量が体積比率で３０％であり、かつ、回転軸の断面積全体に対する複合化部分の面積比率が４０％となるように混合粉末の量を調整した。そして、回転軸のコンプレッサホイール側の一端に荷重を作用させてタワミ量を測定したところ、硬質粒子が含有されていない通常のＳＣＭ４１５製の回転軸と比較した場合に、タワミ量を約２０％以上抑制できることが判明した。
１０ ターボチャージャー
１２ タービンホイール
１４ 回転軸
１６ コンプレッサホイール（回転体）
１８ コンプレッサハウジング
２０ａ，２０ｂ 軸受
２２ 軸受ハウジング
２６ カラー
３０ プラズマ溶融装置
４０ 電動フューエルポンプ
４２ 電動モータ
４４ 回転軸
４６ インペラ
４８ 軸受
１２ タービンホイール
１４ 回転軸
１６ コンプレッサホイール（回転体）
１８ コンプレッサハウジング
２０ａ，２０ｂ 軸受
２２ 軸受ハウジング
２６ カラー
３０ プラズマ溶融装置
４０ 電動フューエルポンプ
４２ 電動モータ
４４ 回転軸
４６ インペラ
４８ 軸受
Claims (5)
- 軸受により支承される回転体の回転軸であって、
少なくとも前記軸受から前記回転体までの間の部位がその他の部位よりもヤング率が高く構成されていることを特徴とする回転体の回転軸。 - 請求項１に記載の回転体の回転軸であって、
少なくとも軸受から回転体までの間の部位における表層部は、マトリックス金属中に硼化物、炭化物、窒化物のうち少なくとも１種の硬質粒子が分散している複合材料で構成されていることを特徴とする回転体の回転軸。 - エンジン排気により回転駆動されるタービンホイールと、そのタービンホイールと回転軸を介して連結されるコンプレッサホイールと、前記回転軸を支承する軸受とを有するターボチャージャーであって、
前記回転軸は、少なくとも前記軸受から前記コンプレッサホイールまでの間の部位がその他の部位よりもヤング率が高く構成されていることを特徴とするターボチャージャー。 - 請求項３に記載のターボチャージャーであって、
回転軸は、少なくとも軸受からコンプレッサホイールまでの間の部位における表層部が、マトリックス金属中に硼化物、炭化物、窒化物のうち少なくとも１種の硬質粒子が分散している複合材料で構成されていることを特徴とするターボチャージャー。 - 軸受により支承される回転体の回転軸の製造方法であって、
少なくとも前記軸受から前記回転体までの間の部位における表層部を高密度エネルギ熱源により溶融する工程と、その溶融した表層部に硬質粒子あるいは硬質粒子を析出させる材料を添加する工程と、を有することを特徴とする回転体の回転軸の製造方法。
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