JP2010511120A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

本発明は、ロータシャフト（６）の一方の端部にコンプレッサホイール（９）が取り付けられたコンプレッサ（８）と、接続装置（１４、１５）によってロータシャフト（６）の接続部（１２）に接続可能な固定部（１１）を有するタービンホイール（５）を有するタービンロータ（１０）を備えるタービン（２）とを含むターボチャージャ（１）であって、前記接続装置（１４、１５）を、圧入接続とポシティブ嵌合接続との組み合わせとして設計し、接続部（１２）の断面（Ｑ１、Ｑ１’、Ｑ１’’）が定幅図形形状であるターボチャージャ（１）に関する。

Description

本発明は、請求項１の前段によるターボチャージャ、請求項１１の前段によるタービンロータ、および請求項１３に記載のこのタイプのタービンロータの製造方法に関する。

一般的なタイプのターボチャージャは、欧州特許出願公開第１ ６２１ ７７４Ａ２号明細書から知られている。

本発明の目的は、請求項１の前段による内燃機関用のターボチャージャおよびこのタイプのターボチャージャのタービンロータを提供することにあり、このタービンロータにより、タービンロータとタービンホイールとの間の接続装置を提供することが可能となり、そのタービンホイールは単純な設計を有し、製造が簡単で、同時に強度および耐熱性に関して従来の要求を満たしている。

本発明によるターボチャージャに関しては、この目的は、請求項１の特徴によって達成される。タービンロータ、およびタービンロータの製造方法に関しては、この目的は、請求項１１および１３の特徴によって達成される。

それぞれ独立請求項１、１１および１３を参照する請求項は、本発明の有利な発展形態を含む。

一例として、特にＴｉＡｌ（チタンアルミナイド合金）製のタービンロータ、および具体的には、バルブ鋼またはマルテンサイト鋼、オーステナイト鋼もしくは耐熱鋼などの鋼製のロータシャフトの場合に、本発明に従い、タービンホイールの軸とロータシャフトの軸との相互間の位置合わせを十分に行い、かつタービンホイールからロータシャフトへの熱の伝達を低減させることが可能である。

さらに、本発明によるターボチャージャのまたは本発明によるタービンロータの接続装置が追加的な支援、例えばはんだなどを必要としないことが利点である。

本発明の別の利点に関して、以下のリストについて説明する。
−単純な構成、
−部品数が少数、
−本発明によるタービンロータの個々の部品の単純で確実な準備、
−比較的単純な結合プロセス、
−タービンロータの材料の同様の物理的値を用いること、
−結合作業中の熱の流入が低減されることによる、材料の微細構造における変化の回避、
−タービンロータの部品が、幾何学的に定められていない切削（研削）によって機械加工されることにより、材料が、亀裂を回避するために有利な残留圧縮応力を有する結果、チタンアルミナイド合金への亀裂が回避されること
−予め旋削されたロータシャフトを使用し、その場合、本発明によるロータの２つの構成部品の、間隙の小さい嵌合（ｎａｒｒｏｗ ｆｉｔ）および半径方向の遊びが小さいことにより、研削サイズに既に予め旋削されたロータシャフトを結合可能とし、かつ最善の場合には仕上げ旋削されたロータシャフトを結合できること。これにより、製造コストの削減が強力に図られ、かつこれに加えて、表面に圧縮応力を引き起こす研削により、結合される部品への機械的負荷を削減可能とし、かつこれが接続強度に好ましい結果を有するという別の利点がもたらされる。

本発明のさらなる詳細、利点および特徴は、以下、例示的な実施形態の説明から、添付の図面を参照することにより明らかとなる。

本発明によるターボチャージャの部分的な切欠斜視図を示す。 図１のターボチャージャの一部である本発明によるタービンロータの、ロータシャフトとタービンホイールとの接続前の部分的な切欠側面図を示す。 ロータシャフトとタービンホイールとの接続後のタービンロータの図２に対応する図である。 本発明によるタービンロータの接続装置のジャーナルの断面の異なる変形例である。

図１に、本発明によるターボチャージャ１を部分的な切欠図で示す。

ターボチャージャ１は、排気流入口３と排気排出口４とを含むタービン２を含む。

さらに、ロータシャフト６の一方の端部に締結されたタービンホイール５をタービン２のケーシング内に配置する。

複数のブレード（図１にはブレード７のみ示す）を、タービンケーシング内において排気流入口３とタービンホイール５との間に配置する。

さらに、ターボチャージャ１はコンプレッサ８を有し、コンプレッサ８は、ロータシャフト６の他方の端部に締結されかつコンプレッサ８のハウジングに配置されるコンプレッサホイール９を含む。

当然ながら、本発明によるターボチャージャ１は、ターボチャージャの他の通常の構成部品、例えば軸受ハウジングユニットを備える軸受ハウジングなども全て有するが、本発明の原理を説明するために必要なものではないため、これらを以下説明することはしない。

図２は、タービンロータ１０のロータシャフト６とタービンホイール５を互いに接続する前の前記タービンロータ１０の部分断面図を示す。

図２に示すように、ロータシャフト６の端部の一方に接続部１２を備える（図２に断面図で示す）。この図から、図２に示す実施形態では、接続部１２は、ロータシャフト６の中心軸Ａに対して横方向に延びる通気孔１３を備える中心ボア１６を有していることが明白である。

タービンホイール５は、一例としてジャーナル１７として構成される固定部を有する。図２にはまた、ジャーナル１７の外周面または側面１４およびボア１６の内周面または内側面１５も示し、これらは一緒に、本発明によれば圧入接続として構成される接続装置を形成する。本発明によれば、ボア１６およびジャーナル１７の寸法は、ロータシャフト６とタービンホイール５を結合するために、ＤＩＮ ＩＳＯ ２８６ Ｔ２に従って構成されるオーバーサイズフィット（ｏｖｅｒｓｉｚｅ ｆｉｔ）をもたらすことができるように与えられる。

一例として、オーバーサイズフィットＨ６／ｒ５が挙げられてもよい。

仕上げ結合されたタービンロータ構成１０が図３から明らかであり、ここで、通気孔１３により、部品が結合されるときに発生するかそうでなければ含有空気であるシーリングエアを、確実に逃がすことができる。

図２および３では、タービンホイール５はジャーナル１７を備え、かつロータシャフト６は、対応して寸法決めされたボア１６を備えるが、これらの部品を逆の構成により、すなわち、ロータシャフト６がジャーナルを有し、かつタービンホイールが対応して構成されたボアを含むことによって接続することもできる。

図４Ａ〜４Ｃは、ジャーナル１７の外面１４に考えられる、異なる断面形状を示す。

図４Ａ〜４Ｃは、定幅図形（ｏｒｂｉｆｏｒｍ）の形状でありかつＱ１、Ｑ１’およびＱ１’’で示す断面図を示す。

この場合、断面Ｑ１は、三角形の定幅図形形状であり、この場合、全ての方向で同じ厚さの形状を示す断面を表す。

断面形状Ｑ１’は、角が丸くされた図４Ａによる定幅図形形状を表す。

一例として、図４Ｃは、五角形の定幅図形形状Ｑ１’’を示す。原理上、他の形状、具体的には、四角形の定幅図形形状なども考えられる。

この断面形状の利点は、力またはトルクの伝達が、圧入嵌めによってだけでなく、追加的なポジティブロック（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｌｏｃｋｉｎｇ）によっても確実となることから分かる。

本発明による方法に関して、以下も参考にされたい。
本発明によるタービンロータ１０は、好ましくは材料ＴｉＡｌ製であり、かつ焼流し鋳造によって製造されたタービンホイール５を含む。次に、ロータシャフト６は、好ましくはバルブ鋼製または耐熱性鋼、マルテンサイト鋼もしくはオーステナイト鋼製である。

上述のタービンロータ１０を製造する本発明による方法は、とりわけ、２つの構成部品５と６との間の接続を、追加的な支援、例えばはんだを使用することなく確立できることを特徴とする。これら部品５、６を接続するために必要な締まり嵌めは、構成部品５、６のサイズおよび負荷に依存する。

好ましくはタービンホイール５のジャーナル１７に必要とされる狭い許容範囲を、研削によって得ることができ、タービンホイール５が、圧入嵌めのその結合面に圧縮応力を有することが可能となり、圧縮応力を、おそらく材料の比較的脆性な挙動に対し伝導できる。

本発明によれば、ロータシャフト６は、ぴったりと嵌合するボア１６を備える。この場合、タービンホイールのジャーナルが、２つの部品５、６を簡単に結合可能とする差込面取り部または斜面１８を有することが好ましい。材料の組み合わせＴｉＡｌ／鋼を、別々に選択することができる；しかしながら、バルブ鋼は、タービンホイール５とロータシャフト６との間で比較的同じ熱膨張係数を生じ、異なる温度においても確実な嵌合が得られるため、好ましい実施形態を示す。

上述したように、圧入嵌めは、ジャーナル１７またはボア１６の２つの相互に当接する周面または側面１４および１５によって得られ、シャフトがボア１６を備える場合、シャフトの周囲を均一に加熱し、かつタービンホイール５のジャーナル１７を、均一に加熱されるシャフトに可能な限り深く挿入する追加的な結合装置を使用することにより、タービンホイール５とロータシャフト６とを結合可能とする。

さらに、この構成では、結合プロセスにおいて双方の構成部品が、例えば、０．１Ｎ／ｍｍ２以上であるがタービンホイール５およびロータシャフト６の降伏応力未満である特定の負荷によって結合されることが有利である。

さらに、結合作業を、例えば不活性ガスまたは還元性ガスの保護雰囲気下において行うことができ、そこでは、結合プロセスにおいて構成部品の一方を、高周波加熱により必要な接続温度まで加熱する。

しかしながら、上述したように、ジャーナル１７がロータシャフト６に嵌合され、かつボア１６がタービンホイール５に嵌合される場合、温度を著しく低下させる媒体、例えば液体窒素などを使用して、タービンホイール５のボア１６に嵌合される程度にまで結合装置においてシャフトを冷却できる。

同じく上述した通気孔１３に関しては、少なくとも１つの通気孔だけでなく、複数のそのような通気孔を設けることも可能であることを強調する。

上記の本発明の特徴について記載された説明に加え、本発明の例示的な説明を、図１〜４Ｃにおいて本発明の追加的な開示のために明示的に参照する。

１ ターボチャージャ／排気ターボチャージャ
２ タービン
３ 排気流入口
４ 排気排出口
５ タービンホイール
６ ロータシャフト
７ ブレード
８ コンプレッサ
９ コンプレッサホイール
１０ タービンロータ
１１ 固定部
１２ 接続部
１３ 通気孔
１４、１５ 接続装置＝１１および１２の側面
１６ ボア
１７ ジャーナル
１８ 差込面取り部／斜面
Ｑ１、Ｑ１’、Ｑ１’’ 断面（異なる変形例における定幅図形形状）

Claims (16)

1. −ロータシャフト（６）の一方の端部に取り付けられるコンプレッサホイール（９）を有するコンプレッサ（８）と、
   −接続装置（１４、１５）によって前記ロータシャフト（６）の接続部（１２）に接続可能な固定部（１１）を有するタービンホイール（５）を含むタービンロータ（１０）を有するタービン（２）と
   を含むターボチャージャ（１）において、
   前記接続装置（１４、１５）を、圧入接続とポジティブロック接続との組み合わせで構成し、ここで前記接続部（１２）の断面（Ｑ１、Ｑ１’、Ｑ１’’）を、定幅図形形状として構成することを特徴とするターボチャージャ（１）。
2. 前記固定部（１１）がボア（１６）として構成され、かつ前記接続部（１２）がジャーナル（１７）として構成されることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記固定部（１１）がジャーナル（１７）として構成され、かつ前記接続部（１２）がボア（１６）として構成されることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
4. 定幅図形形状（Ｑ１’）が、円弧三角形として構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
5. 定幅図形形状（Ｑ１’’）が、定幅図形の多角形として構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
6. 前記タービンホイール（５）の材料がＴｉＡｌであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
7. 前記ロータシャフト（６）の材料がバルブ鋼またはマルテンサイト鋼、耐熱性鋼もしくはオーステナイト鋼であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
8. 前記ボア（１６）が通気孔（１３）を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
9. −固定部（１１）を有するタービンホイール（５）と、
   −接続装置（１４、１５）によって前記タービンホイール（５）の前記固定部（１１）に接続可能な接続部（１２）を有するロータシャフト（６）と
   を含むターボチャージャ（１）のタービンロータにおいて、
   −前記接続装置（１４、１５）を、圧入接続とポジティブロック接続との組み合わせとして構成し、ここで前記接続部（１２）の断面（Ｑ１、Ｑ１’、Ｑ１’’）を定幅図形形状として構成することを特徴とするタービンロータ。
10. 請求項２〜７に記載の特徴の少なくとも１つによって特徴付けられる請求項９に記載のタービンロータ。
11. ターボチャージャ（１）のタービンロータ（１０）の製造方法であって、前記タービンロータ（１０）が、接続装置（１４、１５）によってロータシャフト（６）の接続部（１２）に接続可能な固定部（１１）を備えるタービンホイール（５）を有する方法において、
    前記固定部（１１）および前記接続部（１２）の寸法および断面形状を、前記接続装置（１４、１５）として圧入／ポジティブロックの複合接続を確立するように選択することを特徴とする方法。
12. 前記ロータシャフト（６）の前記接続部（１２）がボア（１６）として設計され、かつ前記固定部（１１）がジャーナル（１７）として設計され、ここで、前記ボア（１６）の周囲を均一に加熱し、次にそれを前記ジャーナル（１７）に結合させることにより、圧入嵌めがもたらされることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記固定部（１１）がボア（１６）として設計され、かつ前記ロータシャフト（６）の前記接続部（１２）がジャーナルとして構成され、そのジャーナルは、圧入嵌めをもたらすために、前記ボアと前記ジャーナルとを接合可能とする程度に結合作業前に冷却され、その後、一度前記ジャーナルが加熱されたら接続嵌合がもたらされることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記ボア（１６）が通気孔（１３）を備えることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記ロータシャフト（６）が、予め旋削されるかまたは仕上げ旋削されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記ボア（１６）の深さが、前記ジャーナル（１７）の長さよりも大きく設定され、かつ前記通気孔（１３）が、前記ロータシャフト（６）と前記タービンホイール（５）とが結合された状態において前記ジャーナル（１７）によって覆われない前記ボア（１６）の領域に配置されることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
    

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