JP2011069364A - 排ガスターボチャージャー - Google Patents

Abstract

【課題】
外側ハウジング（２）を有する排ガスターボチャージャーであって、この外側ハウジング（２）中にローターハウジング（５）が配置されており、この外側ハウジング（２）が、排ガスターボチャージャーのタービンウィール（４）の軸受ハウジングへの固定のために設けられた軸受フランジ（３）と溶接されている排ガスターボチャージャーを提供することである。
【解決手段】
軸受フランジ（３）が、外側で周囲を巡るウェブ（１３）を備えており、このウェブ（１３）を介して外側ハウジング（２）が軸受フランジ（３）と溶接されており、このウェブ（１３）が、その自由な端部と向かい合った側に広がった基礎部分（１９）を有していることにより解決される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念にある特徴を有する排ガスターボチャージャーに関する。

燃料消費削減を達成するために、自動車のための内燃機関は、ますますターボチャージャーによって過給される。しかしながら排ガス装置の重量そのものも燃料消費に影響がある。それゆえターボチャージャーは、可能な限り少ない重量を有するようしなければならない。これと対立して、ターボチャージャーは、その使用中に著しく高い機械的負荷と、特に高い熱負荷とにさらされ、これらは頑丈な構造を要求することとなる。ターボチャージャーの耐久年限への本質的影響は、熱的に誘引される応力が有する。

特許文献１には、排ガスを導く部材と、支えるまたは密閉する外側の構造を分離することが提案される。ターボチャージャーの排ガスを導く部材が極めて高い熱負荷にさらされ、作動中にそれらが赤々と熱せられている間、密閉する外部の構造の熱的負荷は低い。ただし外側ハウジングは、特にターボチャージャーの軸受ハウジングへの接続部の領域で、とても高い負荷を受ける。排ガスターボチャージャーの外側ハウジングまたは外側システムは、通常、型形成された薄板シェルから形成されている。これらは通常、融接によって軸受フランジと溶接される。この軸受フランジは、排ガスターボチャージャーをタービンウィールの軸受ハウジングに固定するために使用される。軸受ハウジングが軸受（機能）を維持するよう冷却されている間、よって軸受フランジも軸受ハウジングに直接接触していることにより良好に冷却されている間、相当の熱量が外側ハウジングを介して軸受フランジに伝達される。軸受フランジの内部における高い温度勾配の箇所は、排ガスターボチャージャーの内部ハウジングまたは外側ハウジングの薄板構造への継ぎ目の近傍にある。しかしながらまさにこの領域は、融接過程によって、形状的および材料技術的に弱められている。極度の負荷のもと、この箇所に疲労現象が発生する。

ドイツ国特許出願 第10022052号公開明細書

このため本発明の課題は、型成型された（geformt）薄板構造からなる外側ハウジングを有するターボチャージャーであって、軸受フランジ内に低い温度勾配が起こるよう、外側ハウジングと軸受フランジの間の接続領域が熱的視点において最適化されているものを提案することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する排ガスターボチャージャーによって解決される。

下位の請求項は、有利な改良形を示す。

本発明に係る排ガスターボチャージャーは、軸受フランジが、外側で周囲を巡るウェブを備えており、このウェブを介して外側ハウジングが軸受フランジと溶接されている点において際立っている。このウェブは、その自由な端部と向かい合った側に広がった基礎部分を有している。この基礎部分の広がりは、外側ハウジングを介してもたらされる熱量を、広がっている断面積によって、軸受フランジのがっしりとしたベースボディへと移すことができるという作用をする。ウェブは、なだらかにまたは基本的に丸められて、軸受フランジのベースボディに移行しているべきである。ウェブの断面変化は、好ましくは連続的にか、または小さな不連続のみを有して行われ、高い温度勾配が可能な限り回避される。

しかしながら同時にウェブは、その壁部厚さに関して、融接接続が、ウェブと外側ハウジングに可能な限り同等の熱をもたらすよう、外側ハウジングの壁部厚さと合わせられているべきである。よってウェブの壁部厚さは、好ましくは外側ハウジングの壁部厚さの0.9倍から1.3倍の範囲にある。この記載は、ウェブと外側ハウジングの互いに溶接される部分に関する。壁部厚さが互いに合わされていることによって、ウェブも外側ハウジングも融接の際につり合いを超えて極度に溶かされることが無い。ウェブと外側ハウジングの壁部厚さを合わせることによって、溶接影響範囲の適合も行われ、このことは最適化された熱の移行に通じ、溶接接続において少ない材料技術上の阻害をもたらす。熱によって引き起こされる疲労現象は抑えられる。

可能な限り変わらない温度勾配を実現するために、基礎部分の幅が、ウェブの自由な端部からの増加する距離とともに増加することが意図されている。増加は好ましくは連続的に行われ、このことは特に丸められた移行部によって達成される。しかしながら、複数段とされた移行部領域が設けられ、軸受フランジのベースボディへの基礎部分が段階的に広くなっているということも、本発明の範囲から除外されるものでない。製造技術上の観点からは２−４段が、すでに十分である。

ウェブは、本発明にしたがい排ガスターボチャージャーの外側で周囲を巡って配置されているべきである。外側とは、軸受フランジの半径方向外側と理解される。ウェブは、特に、ウェブの両側にチャネルが形成されるよう形成される。内部ハウジングの方を向いたチャネル内に外側ハウジングは入り込む。特に、外側ハウジングが薄板シェルから形成されるとき、上部シェルおよび下部シェルが互いに向かい合ってチャネル内に入り込むことが可能である。チャネルによって、製造公差が補われる。そのうえ外側ハウジングは、溶接過程の間、チャネル内で案内されている。

このような配置において、外側ハウジングは、軸方向においてウェブに接してこれと溶接されている。この場合ウェブおよび軸受フランジは、その接続部分において軸受フランジの半径方向を指し示している。軸受フランジの軸方向は、ターボチャージャーのタービンウィールの回転軸と重なる。半径方向は、軸方向に対して直角である。

ウェブと外側ハウジングがその接続部分においてそれぞれ軸受フランジの軸方向を指し示しているとき、これらは、シリンダーカバー表面（Zylindermantenflachen）に類似して互いに接し合っている。ウェブの接続部分は、この場合、軸受フランジのベースボディに対して間隔をあけて延びている。この場合、ウェブは、半径方向に及ぶ接続部分を有しており、この接続部分は基礎部分に対して角度を有している。９０°の角度が重要である。他の角度も可能である。

基礎部分は、軸受フランジへの丸められた移行部を有することがある。ウェブの角度を有するバリエーションでは、角度付けは切断によらない変形（spanlose Umformung）により行われ、基礎部分から接続部分への移行部領域には、丸められた移行部が同様に生じる。

本発明に係る排ガスターボチャージャーにおいて、内部ハウジングは別体の部材として形成可能であり、流動媒体により（stoffschluessig）、形状結合的に（formschluessig）、または摩擦保持により（Kraftschluessig）接続される。つまり、内部ハウジングは軸受フランジと、例えばビード溶接されるか（verboerdelt）、かみ込ませるか（verklemmt）、または溶接されている。内部ハウジングが、軸受フランジと一体に形成されていることもまた可能である。この場合構造上の理由から、外側ハウジングが、上部シェルおよび下部シェルからなり、これらが内部ハウジングにかぶせられており、内部ハウジングと間隔をおいて配される軸受フランジのウェブと溶接される。

内部ハウジングが、外側ハウジングに対して間隔をあけて軸受フランジと接続されていると、基本的に有利であると考えられる。これによって、外側ハウジングからおよび内部ハウジングから軸受フランジにもたらされる熱量が分配されるので、望ましくない高い温度勾配が、軸受フランジへの接続領域に至らないこととなる。特に内部システムからの熱が、外側ハウジングに直接伝達されず、ここから軸受フランジの溶接影響範囲へも伝達されない。

溶接接続部を介してウェブが外側ハウジングと接続されており、この溶接接続部が隅肉溶接として、ウェブの正面か、外側ハウジングの正面に延びると目的にかなっている。それぞれ半径方向を指し示す外側ハウジングと軸受フランジの接続部分において、ウェブの半径方向を向いた正面を、外側ハウジングの外側と溶接することは目的にかなっている。ウェブと外側ハウジングがその接続部分において、軸受フランジの軸方向を指し示している他の場合では、外側ハウジングの正面を、この場合半径方向外側を巡るウェブの外側に溶接することは目的にかなっている。

本発明に係る排ガスターボチャージャーによって、外側ハウジングをウェブに隣接するチャネル内に極めて良好に位置決めすることが可能である。一様な、質としても高い接合プロセスが、少ない熱量流入のみによって実現可能であり、これはおよそ同じ厚さの壁部厚さの接続によって可能であって、その際、壁部厚さは互いに１０−３０％より多くばらついてはいけない。応力ピークの減少によって継続耐久性が改善される。最後に、別のメリットとして、軸受フランジの外側領域における外側ハウジングの接合は、一般的に有利である点が挙げられる。というのはこれによって、接合過程における残留物、特にスパッター（Schweissspritzer）が、タービンハウジングの内部に至ることがあり得ないからである。

本発明を図１から３に表わされた実施例に基づいて以下に詳細に説明する。

タービンハウジングの断面図 外側ハウジングの軸受フランジへの接続領域の詳細図 外側ハウジングの軸受フランジへの接続領域の代替実施形

図１は、排ガスターボチャージャーのタービンハウジング１を示す。タービンハウジング１は、軸受フランジ３と溶接されている外側ハウジング２を有している。軸受フランジ３は、図示の排ガスターボチャージャーを、詳細にはあらわされていない軸受ハウジングに固定するために使用される。この軸受ハウジング内には、タービンウィール４が支承されている。

外側ハウジング２はガスを通さない内部室を画定している。外側ハウジング２の内部には、２つの薄板シェルから形成されるローターハウジング５（Laufradgehaeuse）がある。これら薄板シェルは、ローターハウジング５の外周に互いに溶接されている。外側ハウジング２はまた、２つの薄板シェル８，９からなっており、これら薄板シェル８，９は、この実施例では同様に外周に互いに溶接されている。ローターハウジング５の、図平面内で左側の薄板シェル７は外側ハウジング２の薄板シェル９の支柱部１０にはまり込んでいる。外側ハウジング２およびローターハウジング５の、軸受フランジ３の方をむいたそれぞれの他の薄板シェル６，８は、軸受フランジ３と接続されている。

薄板シェル８は、溶接継ぎ目１１を介して、半径方向において軸受フランジ３のベースボディ１２に対して突き出しているウェブ１３と溶接されている。ウェブ１３は、ローターハウジングの方向にてチャネル１４の前に配置されており、このチャネルにはカラー部分１５が続いており、最後にこのカラー部分にはローターハウジング５の薄板シェル５が正面に、つまり軸方向に接している。この実施例においては薄板シェル６は、軸方向に突き出ている突出部１６を、半径方向外側で取り囲んでいる。これら接続の詳細は、図２から明らかとなっている。

外側ハウジング２の本発明に係る接続において、ウェブ１３の構造は本質的である。ウェブ１３は、基本的に軸方向に広がっているベースボディ１２を越えて半径方向に突出している。ベースボディ１２は、相応して堅牢に形成されている、というのはこれを介して外側ハウジング２とローターハウジング５が、詳細には表わされていない軸受ハウジングと接続されるからである。ベースボディ１２は、軸受フランジ３を軸受ハウジングに固定するための適切な接続部分を備えている。このために半径方向に突出したカラー部分１７が軸受フランジ３の軸受ハウジング側に設けられている。チャネル１８を形成するための、半径方向で周囲を巡るグルーブが、カラー部分１７に続いている。このチャネル１８にはウェブ１３が続いている。ウェブ１３は、よって、両側のチャネル１４，１８の間に存在しており、これらチャネルは、軸方向外側を両カラー部分１５，１７によって境をなされている。したがって断面では、本質的にはＷ形状の外輪郭が生じる。

およそ中央に配置されたウェブ１３は広がった基礎部分１９を有している。広がった基礎部分１９は、ウェブ１３の半径方向の高さのおよそ半分くらいから始まっている。広がりは、軸受ハウジング側のチャネル１８の側で二段階に増加している。ウェブ１３の自由な端部の側面が平行に延びているのに対して、チャネル１８の方をむいた、基礎部分１９の側面は、第一の高さ部分では第一の傾斜を設けられ、下方の（半径方向で内側にある）第二の高さ部分では第二の傾斜を設けられており、その際第二の傾斜は、軸方向に関し、第一の傾斜よりも大きい。これによって第一の近似においてアーチ形状が生じる。基礎部分１９の広がりまたはアーチ形状は、軸受ハウジング側のウェブ１３の側面をねらって設けてある、というのはこの領域には特に高い熱負荷がかかるからである。

溶接継ぎ目１１によってウェブ１３の上側の自由端部は、融接過程によって構造変化にさらされる。ウェブ１３の自由な端部は、溶接影響範囲（Schweisseinflusszone）がある。この薄くなっており、かつ同時に、高い温度が溶接付けされた外側ハウジング２から伝達される箇所を、あまりに高い温度勾配から守るために、ウェブ１３の基礎部分１９は広げられて形成されている。外側ハウジング２から導かれる熱は、あまりに高い熱応力を生じることなく、冷却された軸受フランジ３の軸受ハウジングの方向へと導かれる。

チャネル１４もまた重要な役割がある。チャネル１４は、外側ハウジングを軸受フランジ３と溶接する一方で、位置決めサポートとして使用される。そのうえ、チャネル１４によって製造公差が調整されることが可能である。この実施例では、外側ハウジング２は、チャネル１４に少し入り込み、そして、半径方向で突出するカラー部分１５のある程度後方へと入り込む。外側ハウジング２または図１に表わされた薄板シェル８がそれ自身二部品として形成されているので、その結果薄板シェル８の部分パーツがチャネル１４に異なる深さ入り込むことができるということが可能である。外側ハウジング２の一部品としての薄板シェル８において、ウェブはチャネルの制限によってストッパーとしてのみ使用される。カラー部１５は、適当に短く設けられるべきであり、これによって組立てが可能である。

温度勾配を最小化するための別のプラスの影響は、ローターハウジング５が外側ハウジング２から間隔をあけて、軸受フランジ３に固定されていることである。そのうえ、ローターハウジング５のベースボディ１２との接触範囲は、図２に基づき認識可能であるように、比較的大きい。これによって基本的に強く熱的負荷を受けたローターハウジング５は、対応する大きな熱量をベースボディ１２に伝達する。ローターハウジング５のベースボディ１２への固定は、流動媒体により（stoffschluessig）、形状結合的に（formschluessig）、または摩擦保持により（Kraftschluessig）行われることが可能である。

ウェブ１３の壁部厚さＳが外側ハウジングの壁部厚さＤの0.9倍から1.3倍の範囲にあると更に有利である。これによって同じ厚さの部材が互いに溶接され、このことは接合工程を著しく簡単にする。融接の際には、ほぼ同じ大きさの熱量が互いに接続される部材へともたらされ、その結果同様な溶接影響範囲が生じる。

図２の実施例では、外側ハウジング２は、ある程度軸方向内側でウェブ１３に接しているので、溶接継ぎ目１１は、隅肉溶接として形成されている。この実施例では、溶接継ぎ目１１はいわばウェブ１３の正面（＝半径方向外側）を走っている。

図３の実施例においては、軸受フランジ３ａはローターハウジング５ａと一体に形成されている。外側ハウジング２ａは、溶接継ぎ目１１ａを介してウェブ１３ａと溶接されている。このウェブ１３ａは、軸受フランジ３ａのベースボディ１２ａに向かう広がった基礎部分１９ａを有している。特別なのは、ウェブ１３ａが接続部分２０を有しており、この接続部分２０が基礎部分１９に対して９０°、軸受フランジ３ａの軸受ハウジング側の方で角度を有していることである。この実施形では、ウェブ１３ａまたはその接続部分２０は、外側ハウジング２ａの接続部分２１と同様、軸方向Ａを指し示している。図２の実施例と異なり、溶接継ぎ目１１ａはこのバリエーションでは正面、つまり軸受ハウジングを指し示す、ウェブ１３ａの軸方向の面に存在せず、外側ハウジング２の接続部分２１の正面にあるので、溶接継ぎ目１１ａは隅肉溶接として形成されている。この目的のために、外側ハウジング２ａは、ほぼローターハウジング５ａの方向で内側にずらされている。図２の実施例においてのように、接続部分２０，２１の壁部厚さはほぼ同一であるので、同じ厚さの部材が互いに溶接される。軸受フランジ１３ａのベースボディ１２ａにむかって丸められた移行部を有している基礎部分１９ａによって、この実施形においても高い温度勾配は回避されることができる。

１ タービンハウジング
２ 外側ハウジング
２ａ 外側ハウジング
３ 軸受フランジ
３ａ 軸受フランジ
４ タービンウィール
５ ローターハウジング
５ａ ローターハウジング
６ 薄板シェル
７ 薄板シェル
８ 薄板シェル
９ 薄板シェル
１０ 支柱
１１ 溶接継ぎ目
１１ａ 溶接継ぎ目
１２ ベースボディ
１２ａ ベースボディ
１３ ウェブ
１３ａ ウェブ
１４ チャネル
１５ カラー部分
１６ 突出部
１７ カラー部分
１８ チャネル
１９ 基礎部分
１９ａ 基礎部分
２０ 接続部分
２１ 接続部分

Ａ 軸方向
Ｄ 壁部厚さ
Ｒ 半径方向
Ｓ 壁部厚さ

Claims (12)

1. 外側ハウジング（２，２ａ）を有する排ガスターボチャージャーであって、この外側ハウジング（２，２ａ）中にローターハウジング（５，５ａ）が配置されており、この外側ハウジング（２，２ａ）が、排ガスターボチャージャーのタービンウィール（４）の軸受ハウジングへの固定のために設けられた軸受フランジ（３，３ａ）と溶接されている排ガスターボチャージャーにおいて、
   軸受フランジ（３，３ａ）は、外側で周囲を巡るウェブ（１３，１３ａ）を備えており、このウェブ（１３，１３ａ）を介して外側ハウジング（２，２ａ）が軸受フランジ（３，３ａ）と溶接されており、このウェブ（１３，１３ａ）が、その自由な端部と向かい合った側に広がった基礎部分（１９，１９ａ）を有していることを特徴とする排ガスターボチャージャー。
2. 基礎部分（１９，１９ａ）の幅が、ウェブ（３，３ａ）の自由な端部からの増加する距離とともに増加す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ー。
3. ウェブ（１３，１３ａ）の壁部厚さ（Ｓ）が、外側ハウジング（２，２ａ）の壁部厚さ（Ｄ）の0.9倍から1.3倍の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の排ガスターボチャージャー。
4. ウェブ（１３，１３ａ）に直接隣接してチャネル（１４）が形成されており、このチャネル（１４）内に外側ハウジング（２）がかみ込むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
5. 外側ハウジング（２，２ａ）が薄板シェル（８，９）から形成されており、上部シェルおよび下部シェルが互いに向かい合ってチャネル（１４）内に入り込むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
6. ウェブ（１３）が軸受フランジ（３）の半径方向（Ｒ）に突き出ており、外側ハウジング（２）が軸方向においてウェブ（１３）に接してこれと溶接されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
7. ウェブ（１３ａ）と外側ハウジング（２ａ）が、その接続部分（１９，２０）において、軸受フランジ（３ａ）の軸方向（Ａ）を指し示していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
8. ウェブ（１３ａ）が、半径方向（Ｒ）に延びる基礎部分（１９ａ）を有しており、この基礎部分（１９ａ）に対して接続部分（２０）が角度を有していることを特徴とする請求項７に記載の排ガスターボチャージャー。
9. 基礎部分（１３ａ）が、軸受フランジ（３ａ）への丸められた移行部を有することを特徴とする請求項７または８に記載の排ガスターボチャージャー。
10. 内部ハウジング（５ａ）が軸受フランジ（３ａ）と一体に形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
11. 内部ハウジング（５）が、外側ハウジング（２）に対して間隔をあけて軸受フランジ（３）に固定されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。
12. 溶接接続部（１１，１１ａ）を介してウェブ（１３，１３ａ）が外側ハウジング（２，２ａ）と接続されており、この溶接接続部（１１，１１ａ）が隅肉溶接として、ウェブ（１３）の正面か、外側ハウジング（２ａ）の正面に延びることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の排ガスターボチャージャー。

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