JP2510041B2 - 回転接合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミック製の回転体と、金属製の回転軸
とを凸部と凹部とによって接合した回転接合体に関し、
ターボチャージャやガスタービンに用いて好適な技術で
ある。

［従来の技術］ 従来技術の一例として、排気ガスエネルギーを用いて
エンジンの出力を向上させるターボチャージャを用いて
説明する。

従来のターボチャージャには、応答性を良くするため
に、セラミック製のタービン羽車（回転体）を用いたも
のがある。このセラミック製のタービン羽車を支持する
回転軸は、金属よりなり、タービン羽車と回転軸との接
合の一例として、焼嵌めに用いられている。焼嵌めは、
タービン羽車の凸部に、回転軸の端部に設けられた凹部
を加熱して嵌め合わせ、凹部の熱収縮によってタービン
羽車と回転軸とを接合する技術である。

［発明が解決しようとする課題］ 焼嵌めを行うために、金属製の凹部の熱膨張率は、セ
ラミック製の凸部の熱膨張率より大きく設けられる。こ
のため、焼嵌めを行って熱収縮した凹部によって、凹部
と凸部との接合部分に、引張応力が発生し、タービン羽
車と回転軸との接合強度が低下してしまう。

そして、凹部と凸部との接合部分の引張応力によって
タービン羽車と回転軸との接合強度が低下した状態で
は、ターボチャージャの長期の使用にあたり、タービン
羽車の回転バランスが変化する可能性を有していた。

そこで、従来では、凹部の外周に溝を形成し、上記の
接合強度の低下を防ぐ対策が成されていた。しかるに、
この対策は、設計上の大きな制約となっていた。

また、凹部と凸部との間に緩衝材としてろう材を設け
る技術も知られている。しかるに、この技術は、ろう材
を凹部の内周あるいは凸部の外周に均一に形成するため
に施されるメッキ処理や、不要なメッキを削り取る加工
技術によって製造コストが高くなってしまう。

さらに、凹部の底面と凸部の端面との間に、隙間を開
ける技術が提案されている。しかるに、この技術は、隙
間を一定に管理するのが困難であった。

本発明の目的は、セラミック製の凸部が金属製の凹部
の内周で内側に押し付えられることによって接合される
凸部と凹部との接合強度を、簡単な技術で、しかも低い
コストで高くできる回転接合体の提供にある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明の回転接合体
は、次の技術的手段を採用する。

回転接合体は、端部に凸部を備えたセラミック製の回
転体と、前記凸部に嵌め合わされる凹部を一端に備え、
前記凸部の外周を前記凹部の内周で内側に押し付けるこ
とによって前記凹部内に前記凸部を固着する金属製の回
転軸とを備える。

そして、回転接合体は、前記凹部に嵌め合わされる凸
部の外径寸法Ｄと、前記凹部の角部の最低肉厚ｔとの関
係が、0.05≦t/D≦0.2を満足するように設けられる。

［作用］ 凹部の内側に凸部の外周を押さえ付けて凹部と凸部と
の接合を行なったものは、温度変化によって凹部が収縮
すると、あるいは凸部が膨脹すると、凸部の端部が凹部
の底部を押し付け、凹部が角部を支点にして嵌合端に引
張応力が作用する。

このため、最低肉厚ｔと外径寸法Ｄとの関係がt/D≦
0.2を満足するように設けられることによって、凹部の
変形が容易となり、凹部と凸部との接合嵌合端部分にお
ける引張応力が緩和される。この結果、凸部と凹部とを
焼嵌めによって、大きな接合強度を得ることができる。

しかるに、外径寸法Ｄに対して最低肉厚ｔが薄くな
り、t/Dが0.05よりも小さくなると、回転体を保持する
凹部の強度が低下し、回転接合体の接合部における剛性
が低下してしまう。このため、最低肉厚ｔと外径寸法Ｄ
との関係が0.05≦t/Dを満足するように設けられること
によって、凹部が回転体を支持する十分な強度を有す
る。

［発明の効果］ 上記に示したように、角部の最低肉厚ｔを、凸部の外
径寸法Ｄに応じて、適切な範囲内に設ける簡単な技術で
タービン羽車と回転軸とが強固に接合される。この結
果、従来に比較して設計、制作が容易に行えるととも
に、製造コストを低く抑えることもできる。

［実施例］ 次に、本発明の回転接合体を、ターボチャージャに適
用した一実施例に基づき、図面を用いて説明する。

（実施例の構成） 第１図および第２図は本発明の実施例を示すもので、
第１図はタービン羽車と回転軸の断面図、第２図はター
ボチャージャの断面図を示す。

ターボチャージャ１は、主に、ハウジング２と、ター
ビン羽車３が接合された回転軸４と、この回転軸４に固
着されたコンプレッサ羽車５と、回転軸４をハウジング
２内で回転自在に支持する支持構造６とから構成され
る。

ハウジング２は、排気スクロールを形成するタービン
ケース７と、支持構造６を収納する中間ケース８と、吸
気スクロールを形成するコンプレッサケース９とからな
る３つの分割体で、複数のボルト10によって固着されて
いる。

タービン羽車３（本発明の回転体）は、例えば窒化珪
素（熱膨張率が2.2×10^-6/℃）を主体とするセラミック
製で、軸心の端部に回転軸４と接合される凸部11を備え
る。

回転軸４は、タービン側の端部にタービン羽車３の凸
部11に嵌め合わされて接合される凹部12を備えた金属製
の軸体で、凸部11の周囲が凹部12の内周に押し付けられ
ることによって、凸部11と凹部12とが接合されている。
この接合方法の一例として、本実施例では、凸部11と凹
部12とを、焼嵌めによって接合している。また、本実施
例の凹部12は、インコロイ製（熱膨張率が9.4×10^-6/
℃）で、クロム・モリブデン網あるいはニッケル・クロ
ム・モリブデン網製のジャーナル部13と電子ビームや摩
擦圧接によって接合されている。焼嵌めについて、簡単
に説明する。凹部12の内径は、常温において、凸部11の
外径寸法Ｄより40〜50μｍほど小さく設けられている。
そして、凹部12を加熱して膨脹させ、凸部11と凹部12と
を嵌め合わせる。そして、凹部12の温度が低下すると、
熱収縮によって凸部11と凹部12とが強固に接合される。

支持構造６は、２つのボールベアリング14、15を備え
る。２つのボールベアリング14、15のインナーレース1
6、17の間には、筒状のスリーブ18が配されていてお
り、２つのインナーレース16、17の間隔を保っている。

コンプレッサ羽車５は、例えばアルミニウム製で、イ
ンナーオイルシール19を介して回転軸４に装着され、回
転軸４の端部のオネジ部にナット20を締付けることによ
り、回転軸４に固着されている。つまり、ナット20を締
付けることにより、ナット20と凹部12との間に、２つの
インナーレース16、17、スリーブ18、インナーオイルシ
ール19、コンプレッサ羽車５が挾まれ、ナット20の締付
けトルクによってコンプレッサ羽車５が回転軸４に固着
される。なお、インナーオイルシール19は、外周に取り
付けられたアウターオイルシール21と対を成すもので、
潤滑油がコンプレッサケース９内に流出するのを防ぐも
のである。

次に、回転軸４の凹部12について説明する。

この回転軸４の凹部12の角部12aの最低肉厚ｔは、凸
部11の外径寸法Ｄに応じて設定されており、具体的に
は、次式の0.05≦t/D≦0.2を満足するように設けられて
いる。

（試験および試験結果） 次に、角部12aの最低肉厚ｔは、凸部11の外径寸法Ｄ
とを変化させて行った２つの試験について説明する。

第１試験に用いた試験品は、凹部12にインコロイ製
（インコロイ903）、ジャーナル部13にニッケル・クロ
ム・モリブデン網製（SNCM−439）を用いて両者を摩擦
圧接にて接合し、凹部12の内部を平滑に加工した後、72
0℃を８時間、620℃を８時間の時効処理を行い、大気中
600℃にて、凸部11と凹部12との焼嵌めを行ったもので
ある。試験には、凸部11の外径寸法Ｄを、10mmのもの
と、12mmのものを用い、凹部12の内径は、常温におい
て、凸部11の外径寸法Ｄが10mmのとき40μｍ小さく、凸
部11の外径寸法Ｄが12mmのとき50μｍ小さく設けられて
いる。

そして、第１試験は、−20℃の冷却から300℃の加熱
サイクルを４サイクル行い、ジャーナル部13を保持した
状態でタービン羽車３の頭部に加重を加えて、焼嵌めの
接合強度を測定したもので、その試験結果を次の表１に
示す。

なお、表１における曲げ強度の測定方法について説明
する。ジャーナル部13の周囲を強固に保持した状態で、
タービン羽車３の先端（第１図の矢印Ａ参照）を、回転
軸４の軸方向に対して直角に加重を加える。そして、凸
部11と凹部12との接合箇所に破壊が生じたとき、接合部
に働いていた応力値を曲げ強度とした。

第２試験に用いた試験品は、720℃を８時間、620℃を
８時間の時効処理を施したインコロイ製（インコロイ90
3）の凹部12に、凸部11を焼嵌めし、調質処理を施した
クロム・モリブデン網製（SCM−440）のジャーナル部13
を凹部12と電子ビーム溶接にて接合したもので、ジャー
ナル部13はHRC−50以上に焼き入れされたものである。
なお、実験に用いられたタービン羽車３の外径寸法は、
50mmのものを使用した。

そして、第２試験は、５分間エンジンのアイドリング
運転を行い、次に５分間エンジンに50％の負荷を与えて
エンジン回転速度を2500rpmの運転を行い、その後５分
間エンジンに10％の負荷を与えてエンジン回転速度を60
00rpmの運転を行うサイクル運転を、５時間連続して行
ない、試験前と試験後のバランスの変化量を調べたもの
で、その試験結果を次の表２に示す。

なお、表２に示すアンバランスの変化は、次のように
測定した。まず、試験前にタービン羽車３と回転軸４と
の回転接合体を回転させ、頭部は第１図の矢印Ａ部分、
背板部は矢印Ｂ部分を削って回転バランスを修正した。
次いで、耐久試験を行った後に回転バランスを測定し
た。

（実施例の効果） 表１に示されるように、t/D≦0.2のとき、凸部11と凹
部12との接合強度が高く、t/Dが0.2より大きくなると、
引張応力によって接合強度が低下してしまう。また、表
２に示すように、0.005≦t/Dのとき、耐久試験後のバラ
ンス変化量が小さく、t/Dが0.05より小さくなると、凹
部12の強度の低下によってバランス変化量が大きくなっ
てしまう。

このように、0.05≦t/D≦0.2を満足するように設ける
ことによって、タービン羽車３と回転軸４とが強固に接
合され、長期使用してもタービン羽車３の回転バランス
の変化を抑えることができる。

そして、本発明は、角部12aの最低肉厚ｔを、凸部11
の外径寸法Ｄに応じて、適切な範囲内に設ける簡単な技
術でタービン羽車３と回転軸４とが強固に接合される。
この結果、従来に比較して設計、制作が容易に行えると
ともに、製造コストを低く抑えることもできる。

（変形例） 接合例の一例として、凸部と凹部とを焼嵌めによって
接合した例を示したが、冷嵌め、圧入、あるいは凸部と
凹部とを加熱して、凸部と凹部との隙間にろう材を流し
込み、冷却されることによって、凹部がろう材を介して
凸部を押さえ付ける接合方法など、他の接合手段を用い
ても良い。

回転軸４を２種類の金属の接合箇所は、本実施例に限
定されるものではなく、第３図に示すように、凹部12と
ジャーナル部13とを接合するなど、他の位置で接合して
も良い。また、凹部12とジャーナル部13とを、１種類の
金属で形成してもよい。

ボールベアリングによって回転軸を支持した例を示し
たが、ローラベアリングなど他の転がりベアリングによ
って回転軸を支持したり、滑りベアリングによって回転
軸を支持させても良い。

本発明をターボチャージャに適用した例を示したが、
ガスタービンなど、セラミックの回転体と金属の回転軸
を備える他の機器に適用できるものである。

上記実施例に示した材質や数値は、説明のために用い
たものであって、適宜変更可能なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はタービン羽車と回転軸の断面図、第２図はター
ボチャージャの断面図である。 第３図は変形例を示すタービン羽車と回転軸の断面図で
ある。 図中１……ターボチャージャ ３……タービン羽車（回転体） ４……回転軸、11……凸部 12……凹部、12a……角部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】端部に凸部を備えたセラミック製の回転体
   と、 前記凸部に嵌め合わされる凹部を一端に備え、前記凸部
   の外周を前記凹部の内周で内側に押し付けることによっ
   て前記凹部内に前記凸部を固着する金属製の回転軸と を備える回転接合体において、 前記凹部に嵌め合わされる凸部の外径寸法Ｄと、 前記凹部の角部の最低肉厚ｔとの関係が、 0.05≦t/D≦0.2を満足する ことを特徴とする回転接合体。