JP2004144095A - 圧縮機羽根車アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】　圧縮機羽根車の回転軸に対する回転方向のスリップを簡素な構成で防止し、小径の回転軸でも高速回転に耐えうる圧縮機羽根車アセンブリを提供する。
【解決手段】　圧縮機羽根車アセンブリは、圧縮機羽根車(7)を備え、この圧縮機羽根車(7)は、その中心軸に沿って設けられた貫通穴を通って延在する回転軸(8)に取り付けられている。上記圧縮機羽根車(7)は、回転軸(8)の回転がキー嵌合を介して圧縮機羽根車を回転させるように回転軸(3)にキー固定されている。
【選択図】図３

Description

　本発明は、回転軸に取り付けられる圧縮機羽根車アセンブリに関し、特に、ターボチャージャの圧縮機羽根車アセンブリに関する。

　ターボチャージャは、内燃機関の吸気口に大気圧より高い圧力(ブースト圧力)で空気を供給するための周知の装置である。従来のターボチャージャは、タービンハウジング内に、軸に回転可能に取り付けられて排気ガスで駆動されるタービン羽根車を本質的に備える。タービン羽根車の回転が、上記軸の他端に取付けられた圧縮機羽根車を圧縮機ハウジング内で回転させる。上記圧縮機羽根車は、エンジンの吸気マニフォールドに圧縮空気を送り、これにより、エンジンの出力を増加させる。上記軸は、上記タービンと圧縮機ハウジングの間に接続された中央軸受ハウジング中に配置されたジャーナルおよびスラスト軸受に支承されている。

　従来の圧縮機羽根車は、ターボチャージャ軸の一端を受けるための穴が設けられた中心ハブから延びるブレードの列を備える。上記圧縮機羽根車は、ナットによって上記軸に固定され、このナットは、上記羽根車の穴を貫通して延在する軸の端に螺合して、この羽根車を軸の肩部(または上記軸と共に回転して径方向に延びる別の当接部)に押し付けるように羽根車のノーズ部分の端を押圧する。クランプ力は、羽根車のバランスを崩させ得る軸上での羽根車のスリップを防止するに十分大きいことが重要である。バランスが崩れた羽根車は、少なくとも振動が増大し、それが羽根車の寿命を縮め、最悪の場合破滅的破損をもたらす。

　ターボチャージャの性能に関する最近の要求は、所定寸法のターボチャージャからの増大された空気流を必要とし、その結果、回転速度が例えば100,000rpm超えるまでに増大している。このような高回転速度に適応するため、ターボチャージャの軸受と、従って、ターボチャージャの軸径とは、最小化されなければならない。しかし、比較的小径の軸の使用は、羽根車のスリップを防止するに必要な大きなクランプ力に軸が耐えることができなければならないので、従来の圧縮機羽根車組立アセンブリにおいて問題がある。従って、軸の強度、つまり軸が耐えうるクランプ力は、軸に取り付けられる圧縮機羽根車の質量を制限する。

　上記問題は、ターボチャージャの持続的発展が、従来用いられているアルミニウム合金よりも高密度のチタンなどの高性能材料の使用を要求するので、一層深刻になる。このような材料の大きな慣性は、特に圧縮機羽根車が過渡動作条件下で急激に加速された場合に、圧縮機羽根車がスリップする可能性を増大させる。従来の圧縮機羽根車組立アセンブリに要求されるクランプ力は、軸の耐力を遥かに超えるであろう。
米国特許第4,705,463号

　上述の問題を回避する一つの可能な方法は、米国特許第4,705,463号に開示されるような所謂「穴無し」圧縮機羽根車を用いることである。この圧縮機羽根車アセンブリでは、短くされたターボチャージャ軸のねじが切られた端部を受けるために、圧縮機羽根車に、比較的短いねじが切られた穴のみが設けられている。しかしながら、このようなアセンブリは、圧縮機羽根車と軸との間のねじが切られた接続、および、そのような接続に固有の隙間が、要求される同心の度合いを維持するのを難しくするので、バランスの問題を被り得る。

　本発明の目的は、上記問題を解消、あるいは軽減することにある。

　本発明によれば、回転軸に取り付けられた圧縮機羽根車を備えた圧縮機羽根車アセンブリが提供され、上記回転軸は、圧縮機羽根車の回転軸に沿って設けられた穴を貫通して延在し、上記圧縮機羽根車は、回転軸の回転がキー嵌合を介して圧縮機羽根車を回転駆動するように上記回転軸にキー固定されている。

　かくて、本発明によれば、圧縮機羽根車のための駆動力は、回転軸と圧縮機羽根車との間の積極的なインターロック嵌合によって与えられる。圧縮機羽根車は、回転軸の一端に螺合したナットによって回転軸上に保持されるのが好ましい。しかし、本発明では、ナットによって与えられるクランプ力は、回転軸に沿う圧縮機羽根車の軸方向移動だけを防止できれば十分である。しかし、所望ならば、上記クランプ力は、駆動荷重を保証するキー嵌合を助成できれば更に十分である。

　上記圧縮機羽根車は、回転軸に直接または間接的にキー固定されればよい。

　圧縮機羽根車は、羽根車と回転軸の双方に設けられたキー構成に夫々嵌合するキー部材によって、回転軸に直接キー固定されるのが好ましい。キー部材の好ましい形態は、上記回転軸を収容する内部開口を持ち、ナットと圧縮機羽根車との間に回転軸を囲んで配置された駆動ワッシャであり、この駆動ワッシャは、回転軸および圧縮機羽根車の各キー構成に嵌合する内側および外側のキー構成を有する。

　本発明の他の好ましい特徴が、以下の記載から明らかになるであろう。

　本発明の特定の実施形態が、一例にすぎない添付の図面を参照して、述べられる。

　まず、図１は、従来の求心型のターボチャージャの基本的な構成部材を示している。このターボチャージャは、中央の軸受ハウジング３を介して圧縮機２に連結されたタービン１を備える。このタービン１は、タービン羽根車５を収容するタービンハウジング４を備える。同様に、上記圧縮機２は、圧縮機羽根車７を収容する圧縮機ハウジング６を備える。上記タービン羽根車５と圧縮機羽根車７は、上記軸受ハウジング３内の軸受アセンブリ９に支承された共通の軸８の互いに反対側の端に取り付けられている。

　上記タービンハウジング４には、排気ガス入口１０と、排気ガス出口１１が設けられている。上記排気ガス入口１０は、タービン羽根車５を取り巻く環状の入口室１２に、入って来る排気ガスを導く。この排気ガスは、上記タービンを通って、上記タービン羽根車５と同軸の円形をなす出口開口を経て、排気ガス出口１１に流れる。上記タービン羽根車５の回転が、圧縮機羽根車７を回転させ、この圧縮機７が、軸方向入口１３を経て空気を吸い込み、環状の出口渦巻１４を経ててエンジンの吸気口に圧縮空気を供給する。

　圧縮機羽根車アセンブリの詳細を述べると、上記圧縮機羽根車は、上記軸８の一端を受け取る貫通穴が設けられた中央ハブ１６から延在する複数のブレード１５を備える。上記軸８は、上記圧縮機羽根車７のノーズ部分から僅かに延びて、ナット１７を受けるためにねじが切られており、このナット１７は、圧縮機羽根車７をスラスト軸受けおよびオイルシールアセンブリ１８に向けて押し付けるために圧縮機羽根車のノーズ部分を押圧する。上記スラスト軸受／オイルシールアセンブリの詳細は異なってもよく、圧縮機羽根車の取付けの配列を理解するには重要ではない。要は、ナット１７による押し付け力によって、圧縮機羽根車７が軸８に対して滑ることが防止される。

　上述の従来の圧縮機羽根車アセンブリに関連する問題は、本明細書の序文で述べられている。

　図２および図３は、本発明による圧縮機羽根車アセンブリの一例を示している。ターボチャージャ軸２０は、軸２０のねじを切った端部に２つの対向する平面(フラット)を設けることによって変更されている。この平面２１は、例えば軸２０のねじを切った端部を単純に機械加工して作ることができる。圧縮機羽根車２２のノーズ部分は、皿穴をあけて、軸２０を収容する圧縮機羽根車の貫通穴２４の直径よりも大径の凹部２３を形成している。圧縮機羽根車２２のノーズ部分には、周方向に等間隔をあけて４つのリセスつまりスロット２５が設けられ、これらのスロットは凹部２３から半径方向に延びている。

　(分離した図４に示される)駆動ワッシャ２６は、軸２０を囲んで凹部２３内に装着されている。駆動ワッシャ２６は、軸２０に設けられた平面２１に嵌合する対向する平面(フラット)２８を備えた非円形の中心穴２７を有する。直径方向に対向する２つのラグ２９は、駆動ワッシャ２６の円形の外周から延び出し、圧縮機羽根車２２のノーズ部分の凹部に設けられた直径方向に対向するスロット２５に嵌合している。駆動ワッシャ２６は、軸２０の端部に螺合する鍔付きナット３０によって所定位置に保持される。

　かくて、圧縮機羽根車２２は、キー部材として働く駆動ワッシャ２６によって軸２０にキー固定される。そして、軸２０と圧縮機羽根車２２は、インターロックされ、必ず一緒に回転する。従って、軸２０が回転するとき、圧縮機羽根車２２はスリップし得ない。このことは、ナット３０によって与えられるクランプ力を当てにする必要をなくし(あるいは少なくとも低減し)、ナット３０は、駆動ワッシャ２６を所定位置に保持して、圧縮機羽根車２２の軸２０に沿う軸方向移動を防ぎさえすれば十分である。しかし、ナット３０によって与えられるクランプ力は、駆動ワッシャ２６のキー作用を補助し、駆動荷重を分担するために当てにすることもできる。

　軸２０と圧縮機羽根車２２とのキー固定の相互連結を、例えば圧縮機羽根車２２の内側とは逆に、圧縮機羽根車２２のノーズ部分に設けることは、圧縮機羽根車２２のノーズ部分が圧縮機羽根車の内側よりも冷たいので、応力による破損の可能性を大きく低減する。

　本発明の上述の実施例の詳細に種々の変更が可能であることが判る。例えば、軸の端部に設けられる平面は、単一または２以上など種々に変更できる。同様に、駆動ワッシャに設けられるラグおよび／または圧縮機羽根車のノーズ部分に設けられるスロットの数は、変更することができる。圧縮機羽根車アセンブリのバランスを助成するために、圧縮機羽根車の幾つかの択一的取り付け角度位置を、少なくとも１つまたは１つ以上設けることが好ましい。また、駆動荷重を分配するために、圧縮機羽根車と駆動ワッシャおよび／またはターボチャージャ軸との間に複数のキー嵌合を設けるのが好ましい。

　駆動ワッシャと軸に設けられるキー構成および圧縮機羽根車は、図示されたものと異なる外形にすることができる。例えば、圧縮機羽根車に、半径方向内側に向いた突起を設け、駆動ワッシャの外周面に、上記突起を収容する凹部を設けることができる。これと択一的に、駆動ワッシャの外周面に、圧縮機羽根車の貫通穴に設けられた(平面部分などの)適切な構成に嵌合する平面を設けることもできる。同様に、駆動ワッシャに設けられる突起と軸に設けられる凹部などのキー嵌合の他の形態を、駆動ワッシャと軸との間に設けることもできる。他の可能な択一例は、当業者にとって容易に自明であろう。

　また、駆動ワッシャ２６に代えてキー部材に異なった形状を用いることができることが判る。例えば、軸および圧縮機羽根車に設けられる各構成を互いに嵌合させるため、複数のキー部材を設けることができる。例えば、軸と圧縮機羽根車の双方に、互いに揃うスロットなどを設け、夫々のキー部材が互いに揃った上記スロットまたは穴の間に延在して、これらのスロットの相対回転を防止するようにもできる。しかし、これらの装置は、キー部材の形態として有利かつ簡素な駆動ワッシャよりも、構造上および組立上複雑になる傾向がある。

　本発明は、分離したキー部材を設けずに、圧縮機羽根車とターボチャージャ軸との間に直接キー固定を設けることによっても実施できることが判る。例えば、圧縮機羽根車の内部貫通穴と軸とに、直接互いに嵌合するキー構成を設けることができる。例えば、圧縮機羽根車のノーズ部分に、半径方向内側に延びて、軸の端部に機械加工された平面または凹部に嵌合する突起を設けることができる。このような装置は、穿孔された貫通穴をもつ圧縮機羽根車よりも、鋳造の貫通穴をもつ圧縮機羽根車により適している。

　本発明の適用は、特定の圧縮機羽根車または駆動側軸受アセンブリなどに限られないことが判る。同様に、本発明は、ターボチャージャの圧縮機羽根車への適用に限られず、他の形態の内燃機関の過給機を含む(ベルト駆動の圧縮機羽根車などの)他の用途の圧縮機羽根車にも適用できる。

　本発明の他の可能な変更および適用は、当業者にとって容易に自明であろう。

図１は、ターボチャージャの主要部材を示す従来の圧縮機羽根車アセンブリの軸方向断面図である。 図２は、本発明による圧縮機羽根車アセンブリの断面図である。 図３は、固定ナットとワッシャを取り外した図２の圧縮機羽根車アセンブリのノーズ部分の端面図である。 図４は、図２および図３の圧縮機器羽根車アセンブリの駆動ワッシャの平面図である。

符号の説明

　２０　ターボチャージャ軸
　２２　圧縮機羽根車
　２３　凹部
　２５　スロット
　２６　駆動ワッシャ
　２７　中央穴
　２８　平面(フラット)
　２９　ラグ
　３０　鍔付きナット

Claims (10)

1. 　回転軸に取り付けられる圧縮機羽根車を有する圧縮機羽根車アセンブリにおいて、上記圧縮機羽根車の中心軸に沿って設けられた貫通穴を通って上記回転軸が延在し、この回転軸の回転がキー嵌合を介して上記圧縮機羽根車を回転させるように、上記圧縮機羽根車が上記回転軸にキー固定されている圧縮機羽根車アセンブリ。
2. 　請求項１に記載の圧縮機羽根車アセンブリにおいて、上記回転軸の一端に螺合して上記圧縮機羽根車のノーズ部分を直接または間接的に押圧するナットによって、上記圧縮機羽根車が上記回転軸に保持され、その結果、圧縮機羽根車が、当接部にクランプされて、上記回転軸に沿う軸方向の移動を防がれる圧縮機羽根車アセンブリ。
3. 　請求項２に記載の圧縮機羽根車アセンブリにおいて、上記圧縮機羽根車は、この圧縮機羽根車および上記回転軸に夫々設けられたキー構成に嵌合するキー部材を介して上記回転軸にキー固定される圧縮機羽根車アセンブリ。
4. 　請求項３に記載の圧縮機羽根車アセンブリにおいて、上記キー部材は、上記回転軸を収容する内部穴を有し、上記ナットと圧縮機羽根車の間に上記回転軸を囲んで配置された駆動ワッシャであり、この駆動ワッシャは、上記回転軸および圧縮機羽根車に夫々嵌合する内側および外側のキー構成を有する圧縮機羽根車アセンブリ。
5. 　請求項４に記載の圧縮機羽根車アセンブリにおいて、回転軸の上記キー構成は、回転軸の外周に設けられた１つ以上の平面部分であり、駆動ワッシャの上記キー構成は、駆動ワッシャの内部穴の直線部分である圧縮機羽根車アセンブリ。
6. 　請求項４または５に記載の圧縮機羽根車アセンブリにおいて、圧縮機羽根車の上記キー構成は、圧縮機羽根車の半径方向に延びるスロットであり、駆動ワッシャの外側の上記キー構成は、上記スロットに嵌合する半径方向の突起である圧縮機羽根車アセンブリ。
7. 　請求項１乃至６のいずれか１つに記載の圧縮機羽根車アセンブリにおいて、圧縮機羽根車アセンブリは、圧縮機羽根車のバランスを助成するために、回転軸上の圧縮機羽根車の相対角度位置の指示を可能にする複数のキー構成を、上記圧縮機羽根車および／または上記回転軸に備えている圧縮機羽根車アセンブリ。
8. 　請求項２乃至７のいずれか１つに記載の圧縮機羽根車アセンブリにおいて、上記キー部材は、圧縮機羽根車のバランスを助成するために、回転軸に対する圧縮機羽根車の回転位置の指示を可能にする複数の内側および／または外側のキー構成を備えている圧縮機羽根車アセンブリ。
9. 　請求項４乃至８のいずれか１つに記載の圧縮機羽根車アセンブリにおいて、上記圧縮機羽根車のノーズ部分は、上記駆動ワッシャを収容すべく皿穴があけられている圧縮機羽根車アセンブリ。
10. 　請求項１乃至９のいずれか１つに記載の圧縮機羽根車アセンブリを備えたターボチャージャ。

Images