JP2010242561A - ロータの製造方法、ロータ及びターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】製造に伴う手間やコストを削減しつつ、高い精度を有するロータの製造方法、ロータ及びターボチャージャを提供する。
【解決手段】本発明は、回転翼７と軸６とが接続されたロータ５の製造方法であって、軸６の一端部に設けられる嵌合凸部６１が挿入される凹部と、該凹部の内周面から嵌合凸部６１の径よりも中心側に突出する調整部とを有する、回転翼７を成形する回転翼成形工程と、調整部における中心側の端部によって形成される嵌合凹部の位置及び径を調整する調整工程と、嵌合凹部に嵌合凸部６１を嵌合し、回転翼７と軸６とを一体的に接続する接続工程とを備えるという方法を採用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータの製造方法、ロータ及びターボチャージャに関する。

従来から、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーを利用して、エンジンに圧縮された空気を過給するターボチャージャが用いられている。また、このようなターボチャージャでは、排気ガスが流動することで回転する回転翼（いわゆるタービンインペラ）と軸とが一体的に接続されたロータが使用されている。
ロータは、排気ガスの流動によって高速で回転する（例えば、１０万ｒｐｍ以上）。そのため、回転翼の回転中心と軸の軸中心とがずれた状態では、ロータの回転中心におけるバランスが不均一となり、ロータの回転時に振動等を発生させる虞がある。さらに、その振動等が原因となって、タービン効率の低下やターボチャージャ及びロータの破損を引き起こす虞もある。

そこで、特許文献１には、凹部を有する回転翼と、凸部を有する軸とを成形し、凹部に凸部を嵌合させた後に、凹部及び凸部以外の箇所で回転翼と軸とを溶接により接続することで、ロータを製造する方法が開示されている。
特許文献１に開示されている方法では、凹部の中心位置は、回転翼の回転中心と同一軸上に配置され、かつ、凹部の径は、凸部の径に対応する大きさで形成されている。したがって、溶接による接続後には、回転翼の回転中心と軸の軸中心とを略同一軸上に合わせ込むことができた。

特開平７−２８６５２８号公報

しかしながら、凹部の位置及び径、並びに、凸部の径の成形精度には限度があることから、凹部と凸部との間には一定の隙間（クリアランス）が生じ、該クリアランスの範囲で回転翼の回転中心と軸の軸中心との間でのずれが生じる場合があった。そのため、ロータの回転中心における高いバランスを確保するには、回転翼と軸との接続時又は接続後において所定の補正作業等が発生してしまい、ロータの製造に関する手間やコストが増加してしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、製造に伴う手間やコストを削減しつつ、高い精度を有するロータの製造方法、ロータ及びターボチャージャを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、回転翼と軸とが接続されたロータの製造方法であって、軸の一端部に設けられる嵌合凸部が挿入される凹部と、該凹部の内周面から嵌合凸部の径よりも中心側に突出する調整部とを有する、回転翼を成形する回転翼成形工程と、調整部における中心側の端部によって形成される嵌合凹部の位置及び径を調整する調整工程と、嵌合凹部に嵌合凸部を嵌合し、回転軸と軸とを一体的に接続する接続工程とを備えるという方法を採用する。
このような方法を採用する本発明では、回転翼成形工程で、凹部の中心側に突出する調整部を成形し、調整工程で、調整部の中心側の端部を調整して、嵌合凹部の位置及び径を調整する。そのため、一度の加工で嵌合凹部を成形する場合に比べ、調整工程での調整代が小さくなることから、高い精度で嵌合凹部の位置及び径を調整することが可能となる。

また、本発明は、調整部が軸の軸周り方向に関して複数設置されているという方法を採用する。
このような方法を採用する本発明では、調整部が上記軸周り方向で延在し、例えば環状に形成されている場合に比べ、調整工程での調整代が小さくなることから、高い精度で嵌合凹部の位置及び径を調整することが可能となる。

また、本発明は、調整部が軸の軸周り方向に関して略等間隔で複数設置されているという方法を採用する。
このような方法を採用する本発明では、調整部が上記軸周り方向に関して略等間隔で複数設置されているため、軸周り方向での回転に関するバランスが均一化し、ロータ回転時の振動等が減少する。

また、本発明は、回転翼成形工程で形成される調整部の、軸の軸方向に略直交する面での断面形状は、中心側に対向する略山型状に形成されているという方法を採用する。
このような方法を採用する本発明では、調整工程での調整部分が調整部の山型状の先端部に限定されるため、調整代が小さくなり、高い精度で嵌合凹部の位置及び径を調整することが可能となる。

また、本発明のロータは、回転翼と軸とが接続されたロータであって、回転翼は、軸の一端部に設けられる嵌合凸部が挿入される凹部と、該凹部の内周面に設けられ嵌合凸部の径よりも凹部の中心側に突出した形状から径方向外側に調整される調整部とを有し、嵌合凸部は、調整部における中心側の端部によって形成される嵌合凹部に嵌合しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、まず、凹部の中心側に突出する調整部を成形し、次に、調整部の中心側の端部を調整して、該端部によって形成される嵌合凹部の位置及び径を調整する。そのため、一度の加工で嵌合凹部を成形する場合に比べ、調整部における調整代が小さくなることから、高い精度で嵌合凹部の位置及び径を調整することが可能となる。

また、本発明のロータは、調整部が軸の軸周り方向に関して複数設置されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、調整部が上記軸周り方向で延在し、例えば環状に形成されている場合に比べ、調整部における調整代が小さくなることから、高い精度で嵌合凹部の位置及び径を調整することが可能となる。

また、本発明のロータは、調整部が軸の軸周り方向に関して略等間隔で複数設置されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、調整部が上記軸周り方向に関して略等間隔で複数設置されているため、軸周り方向での回転に関するバランスが均一化し、ロータ回転時の振動等が減少する。

また、本発明のロータは、軸の軸方向に略直交する面での調整部の断面形状が、中心側に対向する略山型状に形成されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、調整部分が調整部における山型状の先端部に限定されるため、調整代が小さくなり、高い精度で嵌合凹部の位置及び径を調整することが可能となる。

また、本発明のターボチャージャは、請求項５から８のいずれか一項に記載のロータを備えるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、ロータにおける回転翼及び軸の接続に用いられる、回転翼の嵌合凹部の位置及び径を高い精度で調整することが可能となる。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、回転翼における嵌合凹部の位置及び径を高い精度で調整できることから、回転翼の回転中心と軸の軸中心とを高い精度で合わせ込むことができる。したがって、本発明によれば、少ない手間及びコストで、高精度のロータを製造できるという効果がある。

ターボチャージャＴの全体構成を示す概略図である。 ロータ５の構成を示す概略図である。 タービン軸６の構成を示す概略図である。 タービンインペラ７の構成を示す概略図である。 山型凸部７３の成形及び調整を示す概略図である。 山型凸部７３の変形例を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係るターボチャージャＴの構成を、図１を参照して説明する。
図１は、ターボチャージャＴの全体構成を示す概略図である。なお、図１中の矢印Ｆは前方向を示す。

ターボチャージャＴは、不図示のエンジンから導かれる排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する装置である。
図１に示すように、ターボチャージャＴは、タービンハウジング１と、軸受けハウジング２と、シールプレート３と、コンプレッサハウジング４とが前側より順次配置され一体的に設けられた構成となっている。

軸受けハウジング２には、前後方向で延びるロータ５が複数のベアリング２１を介して回転自在に支持されている。ロータ５は、後述するように、軸状のタービン軸（軸）６と、タービン軸６の前端部に接続されるタービンインペラ（回転翼）７と、タービン軸６の後端部に接続されるコンプレッサインペラ８とを有している。なお、タービンインペラ７はタービンハウジング１内に設置され、コンプレッサインペラ８はコンプレッサハウジング４内に設置されている。

タービンハウジング１は、タービンインペラ７の径方向外側で略環状に形成されるタービンスクロール流路１１と、排気ガスの排気口であるタービンハウジング出口１２とを有している。
タービンスクロール流路１１は、排気ガスを導入するための不図示のガス流入口と連通している。また、タービンスクロール流路１１は、タービンインペラ７の設置箇所を介してタービンハウジング出口１２に連通している。タービンハウジング出口１２は、不図示の排気ガス浄化装置に接続されている。

コンプレッサハウジング４は、後側に開口し不図示のエアクリーナに接続される吸気口４１と、コンプレッサインペラ８の径方向外側で略環状に形成されるコンプレッサスクロール流路４２とを有している。また、シールプレート３とコンプレッサハウジング４との間には、空気を圧縮して昇圧させるディフューザ流路４３がコンプレッサインペラ８の径方向外側で略環状に形成されている。
吸気口４１は、コンプレッサインペラ８の設置箇所を介してディフューザ流路４３に連通しており、ディフューザ流路４３は、コンプレッサスクロール流路４２に連通している。

次に、本実施形態に係るロータ５の構成を、図２から図４を参照して説明する。
図２は、本実施形態に係るロータ５の構成を示す概略図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は前後方向に沿う所定の面における断面図である。図３は、本実施形態におけるタービン軸６の構成を示す概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図４は、本実施形態におけるタービンインペラ７の構成を示す概略図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は（ｂ）の円筒部７１部分の拡大図である。なお、上記図面中の矢印Ｆは前方向を示す。

ロータ５は、タービンスクロール流路１１を介して導入された排気ガスの流動により回転し、その回転により吸気口４１から導入された空気をディフューザ流路４３に圧送するものである。
図２に示すように、ロータ５は、タービン軸（軸）６と、タービンインペラ（回転翼）７と、コンプレッサインペラ８とを有している。タービン軸６の前端部にはタービンインペラ７が一体的に接続され、タービン軸６の後端部にはコンプレッサインペラ８がナット８１を用いて一体的に接続されている。

タービン軸６は、タービンインペラ７とコンプレッサインペラ８とを一体的に接続するための回転軸である。
図３に示すように、タービン軸６は、前後方向で延びる軸であり、強度の高い材質（例えばクロムモリブデン鋼等）を用いて形成されている。タービン軸６の前端部には、後述するタービンインペラ７の凹部（図４参照）７２に挿入される嵌合凸部６１と、嵌合凸部６１の後側に隣接する段部６２とが設けられている。

嵌合凸部６１は、略円柱状に形成され、その中心軸はタービン軸６の中心軸と同一軸上に配置されている。
段部６２は、嵌合凸部６１の径よりも大きな径を有する略円柱状に形成され、嵌合凸部６１と同じく、その中心軸はタービン軸６の中心軸と略同一軸上に配置されている。段部６２の前方に対向する端面である段部端面６２ａは、略平面状に形成されている。

タービンインペラ７は、タービンスクロール流路１１を介して導入された排気ガスの流動により回転する回転翼であり、高い強度及び耐熱性を有する金属材料（例えばニッケル系やチタン系の合金）を用いて形成されている。
図４に示すように、タービンインペラ７は、略円錐状を呈するベース部材の外周面に複数の翼が周方向で略等間隔に配設された構成となっている。タービンインペラ７の後面部（上記ベース部材の底面）には、タービン軸６との接続に用いられる円筒部７１が設けられている。

円筒部７１は、その中心軸が前後方向と同一方向となる向きで設置されており、その内部はタービン軸６の嵌合凸部６１が挿入される凹部７２となっている。円筒部７１の後方に対向する端面である円筒部端面７１ａは、略平面状に形成されている。
円筒部７１の内周面には、山型凸部（調整部）７３が、凹部７２の中心側に対向しつつ周方向（タービン軸６の軸周り方向）に関して略等間隔で複数設けられており、複数の山型凸部７３は互いに隣接していることから凹部７２は後側から見た場合に菊座形状を呈している。
より詳しくは、山型凸部７３の先端である端部７３ａは、円筒部７１の周方向に沿う略平面状に形成されている。また、複数の端部７３ａによって形成される嵌合凹部７４は、タービン軸６の嵌合凸部６１が隙間なく嵌合できる径となっている。さらに、嵌合凹部７４の中心軸は、タービンインペラ７の回転中心と同一軸上に配置されている。

続いて、本実施形態に係るロータ５の製造方法を、図２及び図５を参照して説明する。
図５は、本実施形態における山型凸部７３の成形及び調整を示す概略図であり、（ａ）はタービンインペラ７の成形時における山型凸部７３の形状を示す概略図、（ｂ）は山型凸部７３の調整後の形状を示す概略図である。

まず、タービンインペラ７を成形する（回転翼成形工程）。
タービンインペラ７を、金属射出成型法（MIM：Metal Injection Molding）を用いて成型する。なお、タービンインペラ７を他の成型法、例えば精密鋳造法（ロストワックス等）を用いて成形してもよい。
図５（ａ）に示すように、タービンインペラ７の成形時における山型凸部７３の調整前端部（端部）７３ｂは、凹部７２の中心側に対向して尖った形状となっており、タービン軸６の嵌合凸部６１の径よりも上記中心側に突出して形成されている。すなわち、複数の調整前端部７３ｂによって形成される調整前嵌合凹部７４Ａは、嵌合凸部６１の径よりも小さい径で形成されている。

次に、山型凸部７３の調整前端部７３ｂを調整する（調整工程）。
例えばプレス処理等により、調整前端部７３ｂを調整して端部７３ａに変形させる。具体的には、タービン軸６の嵌合凸部６１の径と略同一の径を有する不図示の調整部材を、調整前嵌合凹部７４Ａ内に挿入し、調整前端部７３ｂを径方向外側に押し広げて塑性変形させる。なお、上記調整部材の挿入時において、タービンインペラ７の回転中心と、調整部材の軸中心とを同一軸上に配置しておく。
上記プレス処理を経ることにより、図５（ｂ）に示すように、調整前端部７３ｂは調整され、端部７３ａに変形される。複数の端部７３ａによって形成される嵌合凹部７４は、タービン軸６の嵌合凸部６１が隙間なく嵌合できる径となる。さらに、嵌合凹部７４の中心軸は、タービンインペラ７の回転中心と同一軸上に配置される。

上記回転翼成形工程及び調整工程を用いることにより、一度の加工で嵌合凹部７４を成形する場合に比べ、調整前端部７３ｂの調整代が小さくなる。そのため、高い精度で嵌合凹部７４の位置及び径を調整することが可能となる。
また、本実施形態では山型凸部７３が周方向に関して複数設けられているため、円筒部７１の内周面が周方向で延在した環状に形成されている場合に比べ、調整前端部７３ｂの調整代が小さくなる。

さらに、本実施形態では山型凸部７３が周方向に関して略等間隔で複数設けられているため、タービンインペラ７の回転方向での回転に関するバランスが均一化し、ロータ５の回転時における振動等が減少する。
加えて、回転翼成形工程における山型凸部７３の調整前端部７３ｂは、凹部７２の中心側に対向して尖った形状を呈しており、調整工程での調整を施す部分が山型凸部７３の先端部に限定されるため、調整代が小さくなり、高い精度で嵌合凹部７４の位置及び径を調整することが可能となる。

次に、タービン軸６とタービンインペラ７とを一体的に接続する（接続工程）。
図２（ｂ）に示すように、タービンインペラ７の凹部７２にタービン軸６の嵌合凸部６１を挿入させる。より詳しくは、タービンインペラ７の嵌合凹部７４に、嵌合凸部６１を嵌合させる。嵌合凹部７４は、嵌合凸部６１が隙間なく嵌合できる径となっているため、余分なクリアランスを生じさせることなく嵌合凹部７４に嵌合凸部６１が嵌合する。この状態で、円筒部７１の円筒部端面７１ａと、段部６２の段部端面６２ａとの接触部Ｃを、溶接処理（例えば電子ビーム溶接等）により溶接し、タービン軸６とタービンインペラ７とを一体的に接続する。
ここで、嵌合凹部７４の中心軸はタービンインペラ７の回転中心と同一軸上に配置されているため、タービンインペラ７の回転中心とタービン軸６の軸中心とを高い精度で合わせ込むことができる。

最後に、タービン軸６を複数のベアリング２１を介して軸受けハウジング２に設置した後に、タービン軸６の後端部にコンプレッサインペラ８をナット８１により一体的に接続させる。
以上で、本実施形態に係るロータ５の製造が終了する。

続いて、ターボチャージャＴの過給動作、すなわち、不図示のエンジンから排出される排気ガスの流動によりタービンインペラ７を回転させ、その回転エネルギーによりエンジンに供給される空気を過給する動作について説明する。

エンジンの排気口から排出された排気ガスは、タービンハウジング１のガス流入口を通ってタービンスクロール流路１１へ導入される。そして、排気ガスは、タービンスクロール流路１１からタービンインペラ７の設置箇所に導入される。
排気ガスはその流動によりタービンインペラ７を回転させ、その後、タービンハウジング出口１２より排出される。
なお、タービンインペラ７の回転中心とタービン軸６の軸中心とは高い精度で合わせ込まれており、かつ、複数の山型凸部７３が周方向に関して略等間隔で設けられているため、ロータ５の回転に関するバランスは均一化されており、ロータ５の回転時の振動等が減少する。

タービンインペラ７は、タービン軸６を介してコンプレッサインペラ８と連結されているため、タービンインペラ７が回転することでコンプレッサインペラ８が回転する。
コンプレッサインペラ８の回転により、吸気口４１から導入された空気がディフューザ流路４３に供給される。空気は、ディフューザ流路４３を通ることで圧縮され昇圧される。昇圧された空気は、コンプレッサスクロール流路４２を通ってエンジンの吸気口に供給される。結果として、エンジンに空気を過給し、エンジンの出力を向上させることができる。
以上で、ターボチャージャＴの過給動作が終了する。

したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、タービンインペラ７における嵌合凹部７４の位置及び径を高い精度で調整できることから、タービンインペラ７の回転中心とタービン軸６の軸中心とを高い精度で合わせ込むことができる。したがって、本実施形態によれば、少ない手間及びコストで、高精度のロータ５を製造できるという効果がある。

なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、複数の山型凸部７３は互いに隣接して設けられているが、図６に示すような構成となっていてもよい。図６は、タービンインペラ７における山型凸部７３の変形例を示す概略図であり、（ａ）は第１の変形例を示す概略図、（ｂ）は第２の変形例を示す概略図である。

図６（ａ）に示すように、円筒部７１の内周面に山型凸部７３を３箇所で設けてもよい。この場合の山型凸部７３も、周方向に関して略等間隔に設置されている。山型凸部７３を３箇所設けることで、山型凸部７３によって嵌合凹部７４の位置が一義的に決定される。
また、図６（ｂ）に示すように、山型凸部７３の形状を変更して略扇形を呈する扇形凸部７５を、例えば２箇所で互いに略対向する位置に設置してもよい。

また、上記実施形態では、山型凸部７３は周方向で略等間隔に設けられているが、この要件は絶対ではなく、回転に関するバランスの不均一性を許容できるのであれば、山型凸部７３を互いに異なった間隔で設置してもよい。

また、上記実施形態では、嵌合凸部６１、凹部７２及び嵌合凹部７４は、タービン軸６の軸方向から見たときにいずれも略円形に形成されているが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば略矩形に形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、プレス加工によって山型凸部７３における調整前端部７３ｂの調整を行っているが、この調整に切削加工等を利用してもよい。切削加工等を利用した場合でも、調整前端部７３ｂの調整代が小さくなっていることから、調整後の精度を向上させることができる。

また、上記実施形態では、タービン軸６とタービンインペラ７との接続に本発明の方法が用いられているが、タービン軸６とコンプレッサインペラ８との接続に本発明の方法を用いてもよい。

５…ロータ、６…タービン軸（軸）、６１…嵌合凸部、７…タービンインペラ（回転翼）、７２…凹部、７３…山型凸部（調整部）、７３ａ…端部、７３ｂ…調整前端部（端部）、７４…嵌合凹部

Claims (9)

1. 回転翼と軸とが接続されたロータの製造方法であって、
   前記軸の一端部に設けられる嵌合凸部が挿入される凹部と、該凹部の内周面から前記嵌合凸部の径よりも中心側に突出する調整部とを有する、前記回転翼を成形する回転翼成形工程と、
   前記調整部における前記中心側の端部によって形成される嵌合凹部の位置及び径を調整する調整工程と、
   前記嵌合凹部に前記嵌合凸部を嵌合し、前記回転軸と前記軸とを一体的に接続する接続工程とを備えることを特徴とするロータの製造方法。
2. 前記調整部は、前記軸の軸周り方向に関して複数設置されていることを特徴とする請求項１に記載のロータの製造方法。
3. 前記調整部は、前記軸の軸周り方向に関して略等間隔で複数設置されていることを特徴とする請求項２に記載のロータの製造方法。
4. 前記回転翼成形工程で形成される前記調整部の、前記軸の軸方向に略直交する面での断面形状は、前記中心側に対向する略山型状に形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のロータの製造方法。
5. 回転翼と軸とが接続されたロータであって、
   前記回転翼は、前記軸の一端部に設けられる嵌合凸部が挿入される凹部と、該凹部の内周面に設けられ、前記嵌合凸部の径よりも前記凹部の中心側に突出した形状から径方向外側に調整される調整部とを有し、
   前記嵌合凸部は、前記調整部における前記中心側の端部によって形成される嵌合凹部に嵌合していることを特徴とするロータ。
6. 前記調整部は、前記軸の軸周り方向に関して複数設置されていることを特徴とする請求項５に記載のロータ。
7. 前記調整部は、前記軸の軸周り方向に関して略等間隔で複数設置されていることを特徴とする請求項６に記載のロータ。
8. 前記軸の軸方向に略直交する面での前記調整部の断面形状は、前記中心側に対向する略山型状に形成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のロータ。
9. 請求項５から８のいずれか一項に記載の前記ロータを備えることを特徴とするターボチャージャ。
   
   

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