JP2007205311A - Vgsタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリにおいて可変翼を回動自在に保持するタービンフレーム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のタービンフレーム2は、可変翼1を回動自在に保持する軸受孔25を有し、この軸受孔25には、軸部12に接触する支持規制部28と、軸部12に接触しない非支持部29とが形成され、支持規制部28のみを軸部12と接触させ、可変翼1を回動自在に保持するようにし、摩耗粉が生じても非支持部29に収容できるようにしたことを特徴とする。また、支持規制部28は、非支持部29を挟んでその両側に形成されることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
しかしながら、回動接触部のうち一部分を接触させて可変翼を保持する発想は、必ずしも可変翼(軸部)に限定されるものではなく、軸受孔においても採り得る構造である。特に、タービンフレームを幾つかの部材を組み合わせて形成する場合には(これをフレーム要素とする)、軸受孔の径寸法が異なる部位で、異なるフレーム要素を適用すれば、容易に接触部と非接触部とを有した上記軸受構造が採り得る。しかも、各フレーム要素に軸受孔を形成するには、孔開け加工だけで済み、これを開孔後に組み合わせれば段差付きの軸受孔になるため、極めて量産性に優れており、本発明の開発に至ったものである。
すなわち請求項1記載の発明によれば、可変翼を回動自在に保持する軸受孔に、軸部と接触しない非支持部を設けるため、可変翼の回動による摩擦力を低減できる。また、可変翼が高温、排ガス下で回動を繰り返す間に摩耗粉が生じても、非支持部によって受ける(収容する)ことができ、可変翼を長期にわたって円滑且つ確実に回動させることができる。
本発明は、VGSタイプのターボチャージャ(VGSユニット)において可変翼を回動自在に保持するタービンフレームに関し、特にその軸受孔に係るものである。タービンフレームの軸受孔は、従来、可変翼軸部と全体的に接触して回動自在に保持するのが一般的であったが、本発明では、軸受孔に段差を形成し、軸部との接触を部分的なものとし、これにより回動に伴う摩擦力を抑え、また摩耗粉が生じた場合には軸受孔の段差に収容できるようにし、長期にわたって可変翼を安定的に回動させ得るようにしたものである。
なお、本発明の説明にあたっては、まずタービンフレーム2を組み込んだVGSタイプのターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリASについて概略的に説明し、その後、タービンフレーム2について詳細に説明する。
更にまた、翼部11には、軸部12との境界部(接続部)に、軸部12より幾分大径の鍔部13が形成される。なお鍔部13の底面(座面)は、翼部11の端面と、ほぼ同一平面上に形成され、この平面が可変翼1をタービンフレーム2に取り付けた際の座面となり、排気タービンTにおける幅方向(翼幅hの方向)の位置規制を図る作用を担っている。
両持ちタイプの可変翼1Aは、基本的には片持ちタイプの可変翼1の形態を踏襲するものであり、大きな相違点は、上述したように翼部11の両側に軸部12を有する点である。ここで、双方の軸部12を区別して示す場合には、その軸長に因み、便宜上、長軸部12aと短軸部12bと称して区別する。因みに、このような両持ちタイプの可変翼1Aは、片持ちタイプのものに比べ、可変翼1Aの作動安定性(回動安定性)や強度等を向上させ得る点で有効である。
フレームセグメント21は、その周縁部分に、可変翼1の軸部12(長軸部12a)を受け入れる軸受孔25が等配されて成るものである。また、このフレームセグメント21の外周部には、後述する可変機構3が設けられる。
また保持部材22は、図1に示すように中央部分が開口された円板状に形成されている。
そして、これらフレームセグメント21と保持部材22とによって挟み込まれた可変翼1を、常に円滑に回動させ得るように、両部材間の寸法が、ほぼ一定(概ね可変翼1の翼幅h程度)に維持されるものであり、一例として軸受孔25の外周部分に、四カ所設けられたカシメピン26によって両部材間の寸法が維持される。ここで、このカシメピン26を受け入れるためにフレームセグメント21及び保持部材22に開口される孔をピン孔27とする。
回動リング31は、長円形状の突起(これを駆動部33とする)を具えるとともに、伝達体32は、U字状の受動部34を具え、このU字状受動部34の内側に、突起状駆動部33を受け入れて、回動リング31からの回動を伝達体32に伝える。つまり、突起状駆動部33の外側と、U字状受動部34の内側とが、互いに回転滑り接触(係合)を行うことによって、回動リング31の回動を伝達体32に伝えている。
また、伝達体32には、可変翼1の基準面15(軸部12)を受け入れる挿入孔35が形成され、可変翼1は、軸部12がこの挿入孔35に適宜の角度で嵌め込まれた後、カシメ等によって締結(接合)される。これにより伝達体32が、回動リング31の作用を受けて一定角度振られると、可変翼1も適宜の角度回動するものである。
なお、複数の可変翼1を取り付けた初期状態において、これらを周状に整列させるにあたっては、各可変翼1と伝達体32とが、ほぼ一定の角度で取り付けられる必要があり、本実施例においては、主に可変翼1の基準面15が、この作用を担っている。
本実施例では、上述したように、フレームセグメント21(タービンフレーム2)を、複数のフレーム要素21nを組み合わせて形成する、いわゆる分断構成を採る。このフレーム要素21nは、材種、厚さ、表面改質処理、熱処理、形状のうち、少なくとも一つを異ならせた異種仕様のものを複数、組み合わせてフレームセグメント21を形成するものである。なお、ここで「形状(を異ならせたフレーム要素21n)」とは、分類上の形(かたち)や外観的な状態が相違するものを全て包含するものとする。このため、分類上、同じ形を有する部材であっても、その大きさが異なるもの、例えば径寸法が異なる二つの円形部材等は、同じ板厚であっても、形状を異ならせたフレーム要素21nとなる。
また、複数のフレーム要素21nを締結するにあたっては、上述したようにカシメピン26を利用した締結(カシメ)が可能であるし、他にもピン圧入やブレージング加工等による締結も可能である。
更にまた、上記「経済性」とは、製造コスト、材種コスト、製品コスト(フレームセグメント21)などを総合的に含むものである。なお、量産性と経済性とは、概ね比例の関係にあり、全く異別のものではない。このため量産性を考慮すれば、自ずと経済性も向上するものである。
なお、表1では、両面のフレーム要素21a、21cを同じ材種とする組み合わせを例示したが、本実施例では必ずしもこれに限定されるものではなく、例えばA−B−Cなど3ピースを全て異なる材種とする選択も可能である。もちろん、全てのフレーム要素21nの材種を異ならせる選定は、3ピースに限るものではなく、4ピース以上の場合においても採用できる構成である。
また、切削要否が「(ほぼ不要)」と括弧書きされているのは、3ピースの場合は、板厚が薄くなったことに因み、塑性加工で所望形状に加工できることが多く、そのために切削加工をほとんど要しないためである。
具体的な厚さ比率としては1:1:1、1:2:1、1:3:1に設定した3例を挙げた。ここで、フレームセグメント21の全体の肉厚を12mmとした場合、各厚さ比率のそれぞれのピース厚(板厚)は、以下のように示される。
1:1:1⇒4mm、4mm、4mm
1:2:1⇒3mm、6mm、3mm
1:3:1⇒2.4 mm、7.2 mm、2.4 mm
ここで、表2では1:3:1の塑性加工性が低下しており、表中、「△〜×」と記載されている。これは、適切な加工厚さ、例えば1:1:1の4mmから外側ピースも内側ピースも板厚が大きくずれて、金型や加工条件の変更の必要性が生じることと、内側ピースが厚くて金型やプレス機への負荷が過大になるためである。また、熱膨張率、熱伝導率、剛性が低下しているのも(表中「△〜×」)、やはり大きな板厚差が影響している。その一方で、1:3:1の量産性が「◎」となっており、これは外側ピースの板厚が、1:3:1で一番薄くなる(2.4 mm)ため、表面改質処理における一回の処理量が増大し、能率的に処理が行える(量産性の向上)ためである。
まず横軸(下)に要素数をとる。また左側縦軸にプレス加工性をとり、右側縦軸に表面改質処理の処理性をとっている。なお、プレス加工性も処理性も量産性の一種である。また、要素数1は、表1でも説明したが、フレームセグメント21を一つの部材で形成した1ピース仕様を示す(非分断構造)。従って、この要素数1は、主に2ピース〜5ピースのプレス加工性や処理性を示す基準となるものである。
また、グラフに示した一点鎖線(3) は、これらプレス加工性と処理性とをトータル的に勘案し、評価した総合量産性である。なお量産性は、上述したように経済性(コスト)と関係が深いので、左右縦軸の上側にコストをとり、総合量産性の評価を示した。すなわちプレス加工性及び処理性が良好なものは加工し易く、また処理能率も高くなるため、低コスト化の達成につながるものである。
これにより、ある要素数(本模式図では3ピース)において、加工性と表面改質処理能率の両者を勘案したときの量産性(経済性)が最適値を示すことが知見された。
このグラフは、まず横軸(下)に各厚さ比率をとり、左から1:0.5 :1、1:1:1、1:2:1、1:3:1という厚さ比率とする。なお、厚さ比率1:1:1の場合に各フレーム要素21a、21b、21cの板厚が全て同じとなるため、この場合が最もプレス加工が行い易い(最適加工板厚)と考えてグラフを作成した。また、フレームセグメント21全体の板厚(t)を一定にした場合、各厚さ比率の板厚状況を図11に併せ示すとともに、厚さ比率(1:1:1を基準)を表3に示す。
またグラフに示した一点鎖線(3) は、プレス加工性と要求性能とを勘案した総合判定を示す折れ線である。
そして、図11のグラフからプレス加工性と要求性能とを良好にする厚さ比率は、1:1:1あるいは1:2:1程度であることが判る。
〔他の実施例〕
しかしながら、フレームセグメント21は、必ずしもこのような構成に限定されるものではなく、例えば図5に示す3ピースの場合には、中央ピース(フレーム要素21b)が厚肉ワッシャ状(スペーサ)の部材でも構わない。この場合、フレーム要素21bとしては、もともと円管状の長尺部材を適宜の長さに切断して使用することが可能である。
また前記図1〜6の実施例では、保持部材22の板厚が、もともと薄いため、フレームセグメント21のみを分断形成したが、保持部材22についても分断形成することが可能である(図7(a)参照)。
A=Z・(P/HB )・s
ここでPは荷重、HB はブリネル硬さ、sは摩擦距離、Zは接触する原子の一方が他に捕らえられる確率である。
フレーム要素21nの材種、要素数、厚さ比率及び作動条件等が決まればP、HB 、Zは一定と考えられる(特にZは原子レベルの次元である)。このため、摩耗量Aは、接触面積sによって決定され、この接触面積sは、当然、軸受孔25全体を軸部12に接触させる場合(軸受孔25に非支持部29を形成しない場合)よりも、軸受孔25に非支持部29を形成した本発明の場合(支持規制部28のみを軸部12に接触させる場合)の方が小さくなり、従って本発明では摩耗量Aを低減することができる。
なお、図5に示す実施例では、中央に位置させる厚肉ワッシャ状のフレーム要素21bの孔径(内径)を、軸部12よりも大きい寸法のものとし、この径を利用して非支持部29を形成している。
因みに、図7の場合、翼部11を挟んだ両側の軸受孔25a、25bを大きく捉えて一つの軸受孔25と見れば、非支持部29の両側に支持規制部28を形成した状態となっている(請求項2の範囲に包含される)。もちろん、双方の軸受孔25a、25bを個別に見た場合でも、非支持部29と支持規制部28とがともに形成されているので請求項1の範囲に包含される。
更にまた、図7(b)は、図7(a)における非支持部29と支持規制部28との形成位置を入れ換えるとともに、保持部材22を1ピースで形成した実施例である。すなわち図7(b)では、保持部材22において翼部11側に支持規制部28を形成し、その対向側に非支持部29を形成したものである。なお、この図7(b)は、短軸部12bの先端の非支持部29側から異物が混入しない場合に採り得る実施例である。
また図8(b)は、短軸部12bの先端側のみに軸受孔25bに接触する支持規制部28を段差状に形成した例であり、この場合も短軸部12bの翼部11側が非支持部29となり、ここに摩耗粉を受け入れ得るものである。
なお、上記図8に示した軸受孔25bはストレート状に形成(開孔)されており、支持規制部28と非支持部29とは同じ径寸法に形成されている。そして、この軸受構造は、上記図1〜図7までに示された段差付きの軸受孔25とは一見異なるようにみえるが、支持規制部28や非支持部29という名称は形状に因るものではなく、主にその作用上での名称であるため、上記のように称したものである。
1A 可変翼(両軸タイプ)
2 タービンフレーム
3 可変機構
11 翼部
11a 前縁
11b 後縁
12 軸部
12a 長軸部
12b 短軸部
13 鍔部
15 基準面
16 テーパ
21 フレームセグメント
21a フレーム要素
21b フレーム要素
21c フレーム要素
21n フレーム要素(代表)
22 保持部材
22a 保持部材要素
22b 保持部材要素
25 軸受孔
25a 軸受孔(長軸部側)
25b 軸受孔(短軸部側)
26 カシメピン
27 ピン孔
28 支持規制部
29 非支持部
31 回動リング
32 伝達体
33 駆動部
34 受動部
35 挿入孔
h 翼幅
AS 排気ガイドアッセンブリ
G 排気ガス
L 翼弦長
T 排気タービン
Claims (5)
- 軸部と翼部とを具えて成る可変翼を排気タービンの外周位置に複数、回動自在に保持し、
エンジンから排出された比較的少ない排気ガスを、この可変翼によって適宜絞り込み、排気ガスの速度を増幅させ、排気ガスのエネルギで排気タービンを回し、排気タービンに直結されたコンプレッサで自然吸気以上の空気をエンジンに送り込み、低速回転時であってもエンジンが高出力を発揮できるようにしたVGSタイプのターボチャージャに組み込まれるタービンフレームであって、
このタービンフレームは、軸受孔に軸部を受け入れて可変翼を回動自在に保持するものであり、
また、この軸受孔には、軸部に接触する支持規制部と、軸部に接触しない非支持部が形成され、
この支持規制部のみを可変翼の軸部と接触させ、可変翼を回動自在に保持するようにしたことを特徴とする、VGSタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリにおいて可変翼を回動自在に保持するタービンフレーム。 - 前記軸受孔に形成される支持規制部は、非支持部を挟んでその両側に形成されることを特徴とする請求項1記載の、VGSタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリにおいて可変翼を回動自在に保持するタービンフレーム。
- 前記軸受孔が形成されるタービンフレームは、材種、厚さ、表面改質処理、熱処理、形状のうち少なくとも一つを異ならせた異種仕様のフレーム要素を、複数、組み合わせて形成されることを特徴とする請求項1または2記載の、VGSタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリにおいて可変翼を回動自在に保持するタービンフレーム。
- 前記軸受孔が形成されるタービンフレームは、孔径寸法が異なる支持規制部と非支持部とにおいて各々別々のフレーム要素が適用されて成ることを特徴とする請求項1、2または3記載の、VGSタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリにおいて可変翼を回動自在に保持するタービンフレーム。
- 前記支持規制部を構成するフレーム要素については、軸部との摩耗を低減するフレーム要素が選定されることを特徴とする請求項4記載の、VGSタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリにおいて可変翼を回動自在に保持するタービンフレーム。
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