JP2012137099A

JP2012137099A - ターボ過給機

Info

Publication number: JP2012137099A
Application number: JP2012096474A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Tabata; 正和田畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: JP5408283B2

Abstract

【課題】ホイールとシャフトとの接合部分に発生する応力集中を従来より低減することが可能なターボ過給機を提供する。
【解決手段】回転軸線ＣＬ回りに回転自在に設けられるシャフト２と、複数のブレード４を有するとともにシャフト２と同軸に設けられるタービンホイール３とを備え、タービンホイールに設けられて回転軸線ＣＬ上に形成された穴部５にシャフト２に設けられて回転軸線ＣＬ上に配置された挿入部６が嵌め込まれ、穴部５の入口外周にて溶接されてタービンホイール３とシャフト２とが一体化されているターボ過給機１Ａにおいて、挿入部６の先端の中央には、軸線方向ＣＬ内側に凹む凹部１１が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のブレードを有するホイールと、ホイールと同軸に設けられて先端がそのホイールと溶接されて一体化されるシャフトとを備えたターボ過給機に関する。

シャフトにホイール（ロータとも呼ばれる。）が嵌め込まれて一体化しているターボ過給機が知られている。このようなターボ過給機に設けられるタービンホイールとして、例えば回転軸線方向に突出する軸部を有するセラミックロータと、先端にセラミックロータの軸部が同軸に嵌合する凹部を有する金属シャフトとを備え、凹部を形成する周壁が先端に向かって肉薄に形成されているとともにその周壁の先端と対向するセラミックロータの部分がテーパされたものが知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開平８−２５４１０２号公報特公平３−３５２６５号公報

ターボ過給機に設けられるタービンホイールとして、ホイールとシャフトとを金属で作成し、これらを溶接で一体化させるものが知られている。このようなタービンホイールにおいても、特許文献１のタービンホイールのようにホイール及びシャフトの一方に設けた突出部分を他方の凹部に嵌め込み、その後ホイールとシャフトとを溶接で一体化させるものが知られている。この際、溶接はホイールとシャフトとの接合部分のうち外部から見える部分に行われる。そのため、凹部と突出部との接合部分のうち凹部の底部付近は溶接されず、その部分がスリットとして残る。この場合、タービンホイールの高速回転時にスリットの端面で応力集中が発生する。

そこで、本発明は、ホイールとシャフトとの接合部分に発生する応力集中を従来より低減することが可能なターボ過給機を提供することを目的とする。

本発明のターボ過給機は、所定の回転軸線回りに回転自在に設けられるシャフトと、複数のブレードを有するとともに前記シャフトと同軸に設けられるホイールと、を備え、前記ホイール及び前記シャフトの一方に設けられて前記回転軸線上に形成された穴部に前記ホイール及び前記シャフトの他方に設けられて前記回転軸線上に配置された挿入部が嵌め込まれ、前記穴部の入口外周にて溶接されて前記ホイールと前記シャフトとが一体化されているターボ過給機において、前記穴部の内周面、及び前記挿入部の外周面の少なくともいずれか一方には、前記穴部と前記挿入部とが接触する接触面から半径方向に後退した後退部が設けられ、前記後退部を含む領域又は前記後退部の近傍の領域に前記ホイールと前記シャフトとを溶接する溶接部が設けられている（請求項１）。

本発明のターボ過給機によれば、穴部の内周面及び挿入部の外周面の少なくともいずれか一方に半径方向への後退部を設け、この後退部を含む領域又は後退部の近傍の領域に溶接部を設けたので、後退部により穴部と挿入部とを溶接する溶接部の端部におけるスリットの幅を広げることができる。そのため、この溶接部の端部の形状が幅の狭い、いわゆるスリットではなくなる。これにより溶接部端部への応力集中を低減できるので、ホイールとシャフトとの接合部分に発生する応力集中を低減することができる。

本発明のターボ過給機においては、前記穴部の内周面、及び前記挿入部の外周面の少なくともいずれか一方には、周方向に全周に亘って形成される溝部が前記後退部として設けられていてもよい（請求項２）。この場合、穴部に嵌め込むべき挿入部の長さを確保しつつ挿入部と穴部との接触面積を低減することができる。そのため、穴部に嵌る挿入部の長さが不足してホイールがシャフトに対して傾くことを抑制しつつ高速回転時における応力集中を低減できる。

本発明のターボ過給機において、前記穴部には、その入口から順に内径が前記挿入部の外径より大きい大径部と、前記挿入部が嵌る位置決め部と、が設けられ、前記大径部が前記後退部であってもよい（請求項３）。このように穴部に大径部を設けることにより、ホイールの高速回転時に挿入部が大径部の内周面を押すことを防止できる。そのため、高速回転時における応力集中を低減できる。

以上に説明したように、本発明のターボ過給機によれば、ホイールの高速回転時に挿入部が穴部の内面を押す力を低減できるので、ホイールとシャフトとの接合部分に発生する応力集中を従来より低減することができる。

本発明の実施の形態と共通の部分を有する参考例に係るターボ過給機の一部を示す図。本発明の第１の形態に係るターボ過給機の一部を示す図。本発明の第２の形態に係るターボ過給機の一部を示す図。第２の形態に係るターボ過給機の変形例を示す図。

（参考例）
本発明の実施の形態を説明する前に、まずは本発明の実施の形態と共通の部分を有する参考例を説明する。図１は、本発明の実施の形態に対する参考例に係るターボ過給機の一部を示している。このターボ過給機１Ａは、車両用内燃機関に取り付けられる周知のものである。ターボ過給機１Ａは、シャフト２と、タービンホイール３とを備えている。なお、図１はシャフト２及びタービンホイール３の断面を示している。シャフト２及びタービンホイール３は、それぞれ金属材料にて形成されている。シャフト２は、回転軸線ＣＬ回りに回転自在にターボ過給機１Ａの不図示のハウジングに支持されている。タービンホイール３は、シャフト２の一端に一体回転可能かつ軸線方向に分離不能に取り付けられている。タービンホイール３は、排気を受けるための複数のブレード４と、シャフト２の一端が嵌め込まれる穴部５とを備えている。穴部５は、回転軸線ＣＬ上に形成されている。シャフト２とタービンホイール３とは、シャフト２の一端が穴部５に嵌め込まれ、その後穴部５の入口外周で溶接されることにより一体化されている。なお、溶接としては例えば電子ビーム溶接が用いられる。

シャフト２には、タービンホイール３が取り付けられる側から順に、挿入部６、シール部７、及び回転軸部８が設けられている。これら挿入部６、シール部７、及び回転軸部８は、回転軸線ＣＬ上に同軸に設けられている。ターボ過給機１Ａのハウジングには、回転軸部８が回転可能に支持される。シール部７は、挿入部６及び回転軸部８より外径が大きく、その外周面にはシールリングが嵌め込まれるシールリング溝９及びオイルを排除するオイル溝１０がそれぞれ周方向に全周に亘って設けられている。

タービンホイール３の穴部５には、挿入部６が嵌め込まれる。そのため、挿入部６の外径は、穴部５の内径と同じ大きさに設定される。挿入部６の先端面の中央には、軸線ＣＬ方向内側に凹む凹部１１が設けられている。凹部１１は、その底部１１ａが溶接にてシャフト２とタービンホイール３とが結合している部分（以下、溶接部分と称することがある。）Ｍに達するように設けられている。すなわち、凹部１１は、穴部５と挿入部６とが溶接にて結合されずそれらの間にスリットＳが形成されている部分の内側に配置されるように設けられている。なお、スリットＳが形成される部分は、シャフト２及びタービンホイール３の材質や形状、及び溶接方法などに基づいて推定する。そして、凹部１１の深さは、この推定値を参照して設定すればよい。凹部１１の内径は、シャフト２の材料やターボ過給機１Ａの回転数などを考慮し、ターボ過給機１Ａの動作時に凹部１１を形成する周壁１２が破損しないように適宜設定される。

参考例のターボ過給機１Ａによれば、挿入部６に凹部１１を設けたので、周壁１２の径方向への剛性を低減できる。また、凹部１１は、その底部１１ａが溶接部分Ｍに達するように設けられているので、スリットＳが形成される部分の周壁１２の剛性を十分に低減することができる。そのため、タービンホイール３の高速回転時にスリットＳが形成されている部分において周壁１２が穴部５の内面と接触しても凹部１１が無い場合と比較して周壁１２が穴部５の内面を回転の中心側に引っぱる力を低減できる。従ってシャフト２とタービンホイール３との接合部分に発生する応力集中を低減できる。

（第１の形態）
図２は、本発明の第１の形態に係るターボ過給機１Ｂの一部を示している。図２に示したようにこの形態では、挿入部６の外周に溝部としての溝２０が設けられている点が参考例と異なる。それ以外は参考例と同じである。そのため、図２において参考例と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。溝２０は、径方向内側に凹むように挿入部６の外周面に周方向に全周に亘って形成されている。溝２０の幅は挿入部６の直径に応じて設定され、例えば直径の５〜１０％の値が設定される。溝２０の深さも同様に挿入部６の直径に応じて設定され、例えば直径の５〜１０％の値が設定される。そのため、溝２０が本発明の後退部に相当する。図２中に拡大して示したようにこの形態では、溝２０を含む領域に溶接部分Ｍが設けられる。そのため、溶接部分Ｍが本発明の溶接部に相当する。

第１の形態のターボ過給機１Ｂによれば、挿入部６の外周面に溝２０を設けたので、溝部２０においてスリットＳの径方向の幅を広げることができる。これにより、図２に拡大して示したように溝２０に掛かる溶接部分Ｍの端面の角度θを大きくすることができる。このように溶接部分Ｍの角度θを大きくすることにより、シャフト２とタービンホイール３との接合部分に発生する応力集中を低減できる。また、この形態では、挿入部６の長さを確保することができるので、穴部５に嵌め込まれる挿入部６の長さが不足することを防止できる。そのため、シャフト２がタービンホイール３に対して傾くことを抑制できる。

なお、溝２０の断面の形状は図２に示した形状に限定されない。例えば、断面が三角形状の溝でもよいし、断面が半円状の溝でもよい。また、溝２０を設ける場所は、挿入部６の外周面に限定されない。例えば、穴部５の内周面に溝２０を設けてもよい。また、挿入部６の外周面及び穴部５の内周面の両方に設けられていてもよい。これらの場合も溝２０を設けた部分のスリットＳの幅を広げることができるので、溶接部分Ｍの端部の角度が大きくなり、応力集中が低減される。そのため、シャフト２とタービンホイール３との接合部分に発生する応力集中を低減できる。

（第２の形態）
図３は、本発明の第２の形態に係るターボ過給機１Ｃの一部を示している。なお、図３において上述した参考例又は第１の形態と共通の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図３に示したようにこの形態では、穴部５に入口側から順に大径部３０及び位置決め部３１が設けられている。大径部３０及び位置決め部３１は、回転軸線ＣＬ上に同軸に設けられている。位置決め部３１は、その内径が挿入部６の外径と同じになるように設けられている。挿入部６の先端は、位置決め部３１に嵌め込まれる。これにより、タービンホイール３に対するシャフト２の径方向の位置決めが行われる。大径部３０は、その内径が位置決め部３１の内径より大きくなるように設けられている。大径部３０の内径には、例えば位置決め部３１の内径に対して５〜１０％大きい値が設定される。そのため、大径部３０の内径は、挿入部６の外径よりも５〜１０％大きい。これにより大径部３０においては穴部５の内周面を挿入部６と穴部５の接触面から径方向外側に後退させることができる。そのため、大径部３０が本発明の後退部に相当する。そして、溶接部分Ｍは、この大径部３０の入口近傍の領域に設けられている。

第２の形態のターボ過給機１Ｃによれば、上述した第１の形態と同様に大径部３０においてスリットＳの径方向の幅を広げることができる。そして、図３に示したように溶接部分Ｍの径方向内側において大径部３０とシャフト２との間に形成される角度θを大きくすることができるので、応力集中を低減できる。タービンホイール３に対するシャフト２の径方向の位置決めは、挿入部６が位置決め部３１に嵌ることにより行われるので、シャフト２とタービンホイール３とを同じ回転軸線ＣＬ上に精度良く設けることができる。

図４は、第２の形態のターボ過給機１Ｃの変形例を示している。なお、図４では、穴部５の入口部分を拡大して示している。この変形例では、穴部５から突出する突出部４０がシャフト２の端部に設けられた嵌合穴４１に嵌ることにより、タービンホイール３に対するシャフト２の径方向の位置決めが行われる。突出部４０は、穴部５の底部から入口に向かって延びるように設けられる。また、突出部４０は、回転軸線ＣＬ上に配置される。嵌合穴４１は、シャフト２の先端面の中央に設けられる。嵌合穴４１も回転軸線ＣＬ上に設けられる。

この変形例においても、図３に示した形態と同様に溶接部分Ｍの角度θを大きくすることができるので、シャフト２とタービンホイール３との接合部分に発生する応力集中を低減できる。

本発明は、上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、タービンホイールに挿入部が設けられ、シャフトに穴部が設けられてもよい。上述した各形態はタービンホイールとシャフトとの接合について示したが、これらの接合方法はコンプレッサホイールとシャフトとの接合に適用されてもよい。また、上述した参考例と各形態とは、いくつかを互いに組み合わせて使用してもよい。例えば、挿入部に凹部を設けるとともにその挿入部の外周面に溝部を設けてもよい。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃターボ過給機
２シャフト
３タービンホイール
４ブレード
５穴部
６挿入部
１１凹部
１１ａ底部
２０溝（溝部、後退部）
３０大径部（後退部）
３１位置決め部
ＣＬ回転軸線
Ｍ溶接部分（溶接部）

Claims

所定の回転軸線回りに回転自在に設けられるシャフトと、複数のブレードを有するとともに前記シャフトと同軸に設けられるホイールと、を備え、前記ホイール及び前記シャフトの一方に設けられて前記回転軸線上に形成された穴部に前記ホイール及び前記シャフトの他方に設けられて前記回転軸線上に配置された挿入部が嵌め込まれ、前記穴部の入口外周にて溶接されて前記ホイールと前記シャフトとが一体化されているターボ過給機において、
前記穴部の内周面、及び前記挿入部の外周面の少なくともいずれか一方には、前記穴部と前記挿入部とが接触する接触面から半径方向に後退した後退部が設けられ、前記後退部を含む領域又は前記後退部の近傍の領域に前記ホイールと前記シャフトとを溶接する溶接部が設けられていることを特徴とするターボ過給機。
前記穴部の内周面、及び前記挿入部の外周面の少なくともいずれか一方には、周方向に全周に亘って形成される溝部が前記後退部として設けられている請求項１に記載のターボ過給機。
前記穴部には、その入口から順に内径が前記挿入部の外径より大きい大径部と、前記挿入部が嵌る位置決め部と、が設けられ、
前記大径部が前記後退部である請求項１に記載のターボ過給機。