JP2747939B2

JP2747939B2 - 過給機

Info

Publication number: JP2747939B2
Application number: JP2221636A
Authority: JP
Inventors: 孝哉吉川; 昇石田
Original assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Current assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Priority date: 1990-08-22
Filing date: 1990-08-22
Publication date: 1998-05-06
Anticipated expiration: 2013-05-06
Also published as: DE69111938T2; EP0472170B1; JPH04103805A; EP0472170A3; EP0472170A2; US5174733A; DE472170T1; DE69111938D1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、セラミック製のタービン羽車と、金属製の
回転軸とを凸部と凹部とによって接合し、ナットの締め
付け力が回転軸を支持する転がりベアリングのインナー
レースを介して凹部を押さえ付ける構造を備えた過給機
に関し、ターボチャージャやガスタービンに用いて好適
なものである。

［従来の技術］燃焼エネルギーを用いて燃焼用の空気を圧送する過給
機の一例として、ターボチャージャが知られている。

従来のターボチャージャには、応答性に良くするため
に、セラミック製のタービン羽車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、焼嵌めが用いられている。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。

また、ターボチャージャの低速走行時の応答性を改善
するために、回転軸の軸受け構造を、滑り軸受けから第
４図に示すように、転がり軸受け101、102へ変更した技
術も知られている。この転がり軸受け101、102は、ター
ビン羽車103側のインナーレース101aと、コンプレッサ
羽車104側のインナーレース102aとの間に、スペーサ105
を配した構造を有する。そして、コンプレッサ羽車104
を挿入した側の回転軸106の端部にナット107を締付け、
ナット107の締付け力によって、２つのインナーレース1
01a、102a、スペーサ105、コンプレッサ羽車104が、ナ
ット107と凹部108との間に挟まれて回転軸106に固着さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］ナット107の締付け力は、凹部108に当接するインナー
レース101aが凹部108を第４図の矢印Ｄ方向へ押さえ付
ける力を発生するとともに、回転軸106を第４図の矢印
Ｅ方向へ引っ張る力を発生する。

つまり、ナット107の締付けトルクによって、インナ
ーレース101aに当接する凹部108の受け面と、回転軸106
との間Ｆに応力が発生する。そして、ナット107の締付
けトルクが大きくなると、凹部108の底面が回転軸106に
引っ張られて、凹部108が変形して回転軸106がナット10
7側へ移動する。

このため、ナット107の締付けトルクを大きくして
も、ナット107と凹部108との間で、２つのインナーレー
ス101a、102aやスペーサ105、コンプレッサ羽車104を締
付ける十分な力が得られなかった。

また、凹部108の底面と、インナーレース101aに当接
する凹部108の当り面との距離によっては、凹部108がタ
ービン羽車103を保持する力が弱くなる。凹部108がター
ビン羽車103を保持する力が弱くなると、使用時にター
ビン羽車103に加わる力によって、タービン羽車103にバ
ランス変化が生じてしまう。

本発明の目的は、ナットと凹部との間で、インナーレ
ースやコンプレッサ羽車を十分に締付けるとともに、タ
ービン羽車のバランス変化が生じない過給機の提供にあ
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、本発明の過給機は、次
の技術的手段を採用する。

過給機は、端部に凸部を備えたセラミック製のタービ
ン羽車と、前部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さえ付
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、この回転軸の中間部分を回転自在に支持
する転がり軸受けと、前記回転軸の他端の周囲に装着さ
れるコンプレッサ羽車と、前記回転軸の他端の周囲に形
成されたオネジ部に締付けられ、前記凹部との間で前記
転がり軸受けのインナーレースおよび前記コンプレッサ
羽車を挟み付けるナットとを備える。

そして、前記凹部の底面と前記凹部の前記インナーレ
ースに当接する当り面との距離l mmと、前記ナットの締
め付けによる前記回転軸の軸方向の引張り力P kgとの関
係が、l/P≧0.002を満足する。

［作用および発明の効果］回転軸の軸方向の引張り力やP kgが大きくなっても、
引張り力P kgの増加分、凹部の底面と凹部のインナーレ
ースの当り面との距離l mmを、l/P≧0.002を満足するよ
うに設けることによって、凹部の変形を妨げる。

この結果、ナットと凹部との間で、インナーレースや
コンプレッサ羽車を十分に締付けることができる。

また、凹部の底面と凹部のインナーレースの当り面と
の距離l mmが長くなることにより、凹部が凸部を保持す
る保持力が増し、過給機を長期使用しても、タービン羽
車の回転バランスの変化を抑えることができる。

［実施例］次に、本発明の過給機をターボチャージャに適用した
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図はターボチャージャの要部断面図、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は、例えば窒化珪素を主体とするセラ
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を嵌め合わせる凹部12を備えた軸で、凸部11の外周
が凹部12の内周によって内側へ押さえ付けられることに
よって接合されている。本実施例では、この接合の一例
として焼嵌めを採用してる。なお、凹部12は、インコロ
イ製で、クロム・モリブテン綱製の軸と電子ビームによ
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、凹部11の外径より
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13、14を備え
る。２つのボールベアリング13、14のインナーレース1
5、16の間には、筒状のスペーサ17が配されていてお
り、２つのインナーレース15、16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18を介して回転軸４に装着され、回
転軸４の端部をオネジ部にナット19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19を締
付けることにより、ナット19と凹部12との間に、２つの
インナーレース15、16、スペーサ17、インナーオイルシ
ール18、コンプレッサ羽車５が挟まれ、ナット19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18は、外周に取り
付けられたアウターオイルシール20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。

凹部12にインナーレース15に当接する当り面21と、凹
部12の底面22との距離l mmは、ナット19の締付けトルク
P kgに対して決定されており、具体的には、次式の0.00
2≦l/P≦0.2を満足するように設けられている。

0.002≦l/Pとした理由は、下述する実験によって説明
する。

また、l/P≦0.2とした理由を、次に説明する。乗用車
クラスのターボチャージャ１で、ターボチャージャ１の
外径寸法を変化させないようにタービン羽車３および回
転軸４を設計し、0.2＜l/Pとすると、次の不具合があ
る。

イ）距離l mmを0.2Pより長くすれば、凸部11の周囲を覆
う凹部12の接合長αが短くなることにより、凹部12によ
る凸部11の保持力が低下する。

ロ）接合長αを短くすること無く、距離l mmを0.2Pより
長くしても、凸部11と凹部12との接合箇所がタービン側
に近付き、排気熱により接合箇所が高温になり、接合強
度が低下し、バランスに変化が生じ易くなる。

ハ）距離l mmを0.2Pより長く回転軸４側に延ばした場合
では、ベアリングによって支持される長さが短くなり、
100,000rpm以上で回転する回転軸４を安定して保持でき
なくなる。

（試験および試験結果）次に、距離l mmと、締付けトルクPkgっとを変化させ
て行った試験について説明する。

試験に用いたターボチャージャ１は、上記実施例に示
された構成のもので、タービン径が60mm、凸部11の外径
が12mm、凹部12の外径が17mm、２つのインナーレース1
5、16およびスペーサ17の内周に配される部分の回転軸
４の外径が7.5mmのもので、距離l mmと、締付けトルクP
kgとを変化させて耐久試験を行い、タービン羽車３の
頭部と背板部のアンバランス変化量と、背板部のフレ変
化を調べ、その試験結果を表１に示す。

耐久試験は、５分間エンジンをアイドリング運転を行
い、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、５分間エンジンに100％の
負荷を与えてエンジン回転速度を6000rpmの運転を行う
サイクル運転を、５時間連続して行ったものである。

なお、上記の表１に示すアンバランスの変化量は、次
のように測定した。まず、試験前のタービン羽車３と回
転軸４との回転接合体を回転させ、頭部は第３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と
る。この回転バランスのとられた回転接合体をターボチ
ャージャ１に組み付け、耐久試験行なった後、再び回転
接合体をターボチャージャ１から取り出し、再び回転バ
ランスをとる。この時の値（バランスの狂い）がアンバ
ランス量である。また、背板部のフレ変化は、回転接合
体の軸方向を基準とし、耐久試験後に背板部（第３図の
矢印Ｃ部分）の軸方向の変化量を示す。

（実施例の効果） l/P≧0.002を満足するように、回転軸４の軸方向の引
張りP kgに応じた距離l mmとすることによって、回転軸
４の軸方向の引張り力Ｐによる凹部12の変形が防がれ
る。このため、ナット19と凹部12との間に挟まれる２つ
のインナーレース15、16、スペーサ17、インナーオイル
シール18、コンプレッサ羽車５が強固にナット19によっ
て締付けられ、回転軸４に一体化する、また、上記の表１に示したように、ターボチャージャ
１を長期使用しても、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。

（変形例）凸部と凹部の接合の一例としえて、焼嵌めを低起用し
た例を示したが、冷嵌め、圧入、あるいは凸部と凹部と
を加熱した状態で、凸部と凹部との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、他の接合方法を用いて
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、
燃焼によって得られたエネルギーによって吸入空気を加
圧して燃焼室へ送り込む過給機の構造を備えるガスター
ビンに適用しても良い。

インナーレスの幅を広くしてスペーサを廃止しても良
い。

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図はターボチャージャの要部断面図、第２図はターボ
チャージャの断面図、第３図は実験の方法を説明するタ
ービン羽車と回転軸との接合体の要部断面図である。第４図は従来技術を説明するためのターボチャージャの
要部断面図である。図中３……タービン羽車、４……回転軸５……コンプレッサ羽車 11……凸部、12……凹部 13、14……ボールベアリング（転がり軸受け） 15、16……インナーレース 19……ナット、21……当り面 22……底面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】端部に凸部を備えたセラミック製のタービ
ン羽車と、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さえ付けることによ
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、この回転軸の中間部分を回転自在に支持する転がり軸受
けと、前記回転軸の他端の周囲に装着されるコンプレッサ羽車
と、前記回転軸の他端の周囲に形成されたオネジ部に締付け
られ、前記凹部との間で前記転がり軸受けのインナーレ
ースおよび前記コンプレッサ羽車を挟み付けるナットとを備えた過給機において、前記凹部の底面と、前記凹部の前記インナーレースに当
接する当り面との距離l mmと、前記ナットの締め付けによる前記回転軸の軸方向の引張
り力P kgとの関係が、 l/P≧0.002を満足することを特徴とする過給機。