JP2011137379A - インペラ取付構造及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機１の圧力比及び回転数を十分に高めて、車両用過給機１の性能向上を図ること。
【解決手段】ロータ軸９の一端部にロータ軸９の構成材料と異なる構成材料からなる取付軸４３が同軸上に一体的に連結され、取付軸４３がコンプレッサホイール１９の貫通穴５３に挿通可能であって、取付軸４３の先端雄ねじ部５５にコンプレッサホイール１９をロータ軸９側へ押圧する締結ナット５７が螺合して設けられていること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用過給機等の過給機におけるロータ軸にコンプレッサインペラを取付けるためのインペラ取付構造等に関する。

一般的な車両用過給機の概略構成、一般的な車両用過給機におけるインペラ取付構造等について図５を参照して説明する。ここで、図５は、一般的な車両用過給機の模式図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図５に示すように、一般的な車両用過給機１０１は、ベアリングハウジング１０３を備えており、このベアリングハウジング１０３には、ロータ軸（タービン軸）１０５が複数のベアリング（一対のラジアルベアリング１０７及び一対のスラストベアリング１０９）を介して回転可能に設けられている。また、ベアリングハウジング１０３の前側（一側）には、コンプレッサハウジング１１１が設けられており、このコンプレッサハウジング１１１内には、コンプレッサインペラ１１３が設けられてあって、このコンプレッサインペラ１１３は、ロータ軸１０５の前端部（一端部）に一体的に連結されている。更に、ベアリングハウジング１０３の後側（他側）には、タービンハウジング１１５が設けられており、このタービンハウジング１１５内には、タービンインペラ１１７が設けられてあって、このタービンインペラ１１７は、ロータ軸１０５の後端部（他端部）に一体的に連結されている。

従って、タービンハウジング１１５内に取り入れた排気ガスがタービンインペラ１１７側へ供給されると、排気ガスのエネルギーによってタービンインペラ１１７を回転させることができ、コンプレッサインペラ１１３をロータ軸１０５を介して連動して回転（換言すれば、一体的に回転）させることができる。これにより、コンプレッサハウジング１１１内に吸入した空気を圧縮して、エンジンに供給される空気を過給することができる。

ロータ軸１０５にコンプレッサインペラ１１３を取付けるためのインペラ取付構造１１９の構成は、次のようになる。

即ち、ロータ軸１０５の前端側（一端側）には、取付軸１２１が縮径して形成されており、この取付軸１２１は、ロータ軸１０５の一部を構成するものである。また、取付軸１２１は、コンプレッサインペラ１１３におけるコンプレッサホイール（コンプレッサハブ）１２３の中央部に形成した貫通穴１２５に嵌挿可能であって、取付軸１２１の先端側には、雄ねじ部１２７が形成されている。そして、取付軸１２１の雄ねじ部１２７には、コンプレッサホイール１２３をロータ軸１０５の段差部Ｂ側へ押圧する六角形の締結ナット１２９が螺合して設けられている。

従って、取付軸１２１をコンプレッサインペラ１１３におけるコンプレッサホイール１２３の貫通穴１２５に挿通させる。そして、締結ナット１２９を締め付けて、コンプレッサホイール１２３をロータ軸１０５の段差部Ｂ側へ押圧する。これにより、ロータ軸１０５にコンプレッサインペラ１１３を取付けることができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。

特開２００４−８４５９１号公報 特開平１０−３３１６５３号公報

ところで、近年、車両用過給機１０１の性能向上の要請に応じて、コンプレッサインペラ１１３は高圧力比・高回転化する傾向にある。一方、コンプレッサインペラ１１３が高圧力比・高回転化すると、それに伴い、コンプレッサハウジング１１１内の温度が高くなり、取付軸１２１とコンプレッサインペラ１１３との熱膨張差によって、取付軸１２１における段差部Ｂと締結ナット１２９の間の部分（換言すれば、取付軸１２１の被締結部分）に作用する軸力が増大する。

しかし、一般的な車両用過給機１０１に用いられるロータ軸１０５の構成材料は、通常、ベアリング１０７，１０９との相性等から鋼材に限定されており、ロータ軸１０５の一部である取付軸１２１の許容軸力を大きく設定することができない。そのため、一般的な車両用過給機１０１にあっては、コンプレッサインペラ１１３の圧力比及び回転数、換言すれば、車両用過給機１０１の圧力比及び回転数を十分に高めることができず、車両用過給機１０１の性能向上を図ることが容易でないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のインペラ取付構造及び過給機を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、過給機におけるロータ軸にコンプレッサインペラを取付けるためのインペラ取付構造において、前記ロータ軸の一端部に同軸上に一体的に連結され（一体的に設けられ）、前記ロータ軸の構成材料と異なる構成材料からなり、前記コンプレッサインペラにおけるコンプレッサホイール（コンプレッサハブ）の中央部に形成した貫通穴に挿通可能であって、先端側に先端雄ねじ部が形成された取付軸と、前記取付軸の前記先端雄ねじ部に螺合して設けられ、前記コンプレッサホイールを前記ロータ軸側へ押圧する締結ナットと、を備えたことを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、ブラケット等の介在部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。

本発明の第１の特徴によると、前記ロータ軸の一端部に前記取付軸を同軸上に一体的に連結した状態で、前記取付軸を前記コンプレッサホイールの前記貫通穴に挿通させる。そして、前記締結ナットを締め付けることにより、前記コンプレッサホイールを前記ロータ軸側へ押圧する。これにより、前記ロータ軸に前記コンプレッサインペラを取付けることができる。

ここで、前記ロータ軸の一端部に前記ロータ軸の構成材料と異なる構成材料からなる前記取付軸が同軸上に一体的に連結されているため、前記ロータ軸の構成材料に比べて機械的強度に優れた材料又は前記コンプレッサインペラの構成材料の線膨張係数に近い材料（前記コンプレッサインペラの構成材料の同じ材料を含む）を選択することができる。これにより、前記取付軸の許容軸力を大きく設定したり、前記取付軸と前記コンプレッサインペラとの熱膨張差を抑えて、前記取付軸（前記取付軸の被締結部）に作用する軸力を十分に低減したりすることができる。

本発明の第２の特徴は、エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジンに供給される空気を過給する過給機において、第１の特徴からなるインペラ取付構造を具備したことを要旨とする。

第２の特徴によると、第１の特徴による同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記取付軸の許容軸力を大きく設定したり、前記取付軸に作用する軸力を十分に低減したりすることができるため、前記コンプレッサインペラの圧力比及び回転数、換言すれば、前記過給機の圧力比及び回転数を十分に高めて、前記過給機の性能向上を図ることができる。

図３における矢視部Iの拡大図である。 図１における矢視部IIの拡大図である。 本発明の実施形態に係る車両用過給機の側断面図である。 本発明の実施形態の変形例に係るインペラ取付構造を示す図である。 一般的な車両用過給機の模式図である。

本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図１及び図３に示すように、本発明の実施形態に係る車両用過給機１は、エンジン（図示省略）からの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ものである。そして、車両用過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。

車両用過給機１は、ベアリングハウジング３を具備しており、このベアリングハウジング３内には、一対のラジアルベアリング５及び一対のスラストベアリング７が設けられてあって、複数のベアリング５，７には、前後方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、ロータ軸９が複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けられている。また、ロータ軸９における一対のスラストベアリング７の間には、スラストカラー１１が設けられており、ロータ軸９におけるスラストカラー１１の前側には、油切り１３が設けられている。

ベアリングハウジング３の前側（一側）には、コンプレッサハウジング１５が設けられており、このコンプレッサハウジング１５内には、コンプレッサインペラ１７が設けられている。そして、コンプレッサインペラ１７の構成要素について説明すると、コンプレッサハウジング１５内には、コンプレッサホイール（コンプレッサハブ）１９が設けられており、コンプレッサホイール１９は、ロータ軸９の前端部（一端部）に一体的に連結してある。また、コンプレッサホイール１９の外周面は、コンプレッサインペラ１７の軸方向から径方向外側に向かって延びており、コンプレッサホイール１９の外周面には、複数枚のコンプレッサブレード２１が周方向に間隔を置いて設けられている。

コンプレッサハウジング１５におけるコンプレッサインペラ１７の入口側（コンプレッサハウジング１５の前側）には、空気を吸入する空気吸入口２３が形成されており、この空気吸入口２３は、エアクリーナー（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング１５の間におけるコンプレッサインペラ１７の出口側には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２５が形成されており、このディフューザ流路２５は、空気吸入口２３に連通してある。更に、コンプレッサハウジング１５の内部には、コンプレッサスクロール流路２７がコンプレッサインペラ１７を囲むように形成されており、このコンプレッサスクロール流路２７は、ディフューザ流路２５に連通してある。そして、コンプレッサハウジング１５の適宜位置には、圧縮された空気を吐出する空気吐出口（図示省略）が形成されており、この空気吐出口は、コンプレッサスクロール流路２７に連通してあって、エンジンの吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

ベアリングハウジング３の後側（他側）には、タービンハウジング２９が設けられており、このタービンハウジング２９内には、タービンインペラ３１が設けられている。そして、タービンインペラ３１の構成要素について説明すると、タービンハウジング２９内には、タービンホイール（タービンハブ）３３が設けられており、このタービンホイール３３は、ロータ軸９の後端部（他端部）に一体的に連結されている。また、タービンホイール３３の外周面は、タービンインペラ３１の軸方向から径方向外側に向かって延びており、タービンホイール３３の外周面には、複数枚のタービンブレード３５が周方向に間隔を置いて設けられている。

タービンハウジング２９の適宜位置には、排気ガスを取り入れるガス取入口（図示省略）が形成されており、このガス取入口は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング２９の内部には、タービンスクロール流路３７がタービンインペラ３１を囲むように形成されており、このタービンスクロール流路３７は、ガス取入口に連通してある。更に、タービンハウジング２９におけるタービンインペラ３１の出口側（タービンハウジング２９の後側）には、排気ガスを排出するガス排出口３９が形成されており、このガス排出口３９は、タービンスクロール流路３７に連通してあって、排気触媒（図示省略）に接続可能である。

次に、ロータ軸９にコンプレッサインペラ１７を取付けるためのインペラ取付構造４１の構成について説明する。

図１及び図２に示すように、ロータ軸９の前端部には、ロータ軸９よりも小径の取付軸４３がロータ軸９と同軸上に一体的に連結されており、この取付軸４３は、ロータ軸の構成材料と異なる構成材料からなるものであって、本発明の実施形態にあっては、ロータ軸９に対する取付軸４３の線膨張係数比（（取付軸４３の線膨張係数）／（ロータ軸９の線膨張係数））は、０．７〜１．３である。また、ロータ軸９と取付軸４３を連結するために、ロータ軸９の前端面（一端面）には、円形の嵌合凹部４５がロータ軸９と同軸上に形成されており、ロータ軸９の嵌合凹部４５の底面（奥面）には、ねじ穴４７がロータ軸９と同軸上に形成されている。更に、取付軸４３には、基端側（後端側）から、ロータ軸９のねじ穴４７に螺合可能な基端雄ねじ部４９及びロータ軸９の嵌合凹部４５に嵌合可能な円筒部（ストレート部）５１が順次形成されている。なお、ロータ軸９のねじ穴４７と取付軸４３の基端雄ねじ部４９によってねじ機構が構成される代わりに、ロータ軸９の前端側に形成された雄ねじ部（図示省略）と、取付軸４３の後端面（基端面）に形成されたねじ穴（図示省略）によって別のねじ機構が構成されるようにしても構わない。

取付軸４３は、コンプレッサホイール１９の中央部に形成した貫通穴５３に嵌挿可能であって、取付軸４３の先端側には、先端雄ねじ部５５が形成されている。そして、取付軸４３の先端雄ねじ部５５には、コンプレッサホイール１９をロータ軸９側へ押圧する締結ナット５７が螺合して設けられている。なお、コンプレッサホイール１９と締結ナット５７の間にガスケット等のシール材が設けられるようにしても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

（車両用過給機１全般に関する作用）
ガス取入口からタービンハウジング２９内に取り入れた排気ガスがタービンスクロール流路３７を経由してタービンインペラ３１側へ供給されると、排気ガスのエネルギーによってタービンインペラ３１を回転させることができ、コンプレッサインペラ１７をロータ軸９を介して連動して回転（換言すれば、一体的に回転）させることができる。これにより、空気吸入口２３からコンプレッサインペラ１７側に取り入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路２５及びコンプレッサスクロール流路２７を経由して空気吐出口から吐出することができ、エンジンに供給される空気を過給することができる。

（インペラ取付構造４１に関する作用）
ロータ軸９の前端部に取付軸４３をロータ軸９と同軸上に一体的に連結した状態で、取付軸４３をコンプレッサホイール１９の貫通穴５３に挿通させる。そして、締結ナット５７を締め付けることにより、コンプレッサホイール１９をロータ軸９側へ押圧する。これにより、ロータ軸９にコンプレッサインペラ１７を取付けることができる。

ここで、ロータ軸９の前端部にロータ軸９の構成材料と異なる構成材料からなる取付軸４３がロータ軸９と同軸上に一体的に連結されているため、ロータ軸９の構成材料に比べて機械的強度に優れた材料又はコンプレッサインペラ１７の構成材料の線膨張係数に近い材料（コンプレッサインペラ１７の構成材料の同じ材料を含む）を選択することができる。これにより、取付軸４３の許容軸力を大きく設定したり、取付軸４３とコンプレッサインペラ１７との熱膨張差を抑えて、取付軸４３（取付軸４３の被締結部）に作用する軸力を十分に低減したりすることができる。なお、ロータ軸９の構成材料に比べて機械的強度に優れた材料又はコンプレッサインペラ１７の構成材料の線膨張係数に近い材料は、耐腐食性を有することが望ましい。

（本発明の実施形態の効果）
従って、本発明の実施形態によれば、取付軸４３の許容軸力を大きく設定したり、取付軸４３に作用する軸力を十分に低減したりすることができるため、コンプレッサインペラ１７の圧力比及び回転数、換言すれば、車両用過給機１の圧力比及び回転数を十分に高めて、車両用過給機１の性能向上を図ることができる。

（変形例）
本発明の実施形態の変形例について図４を参照して説明する。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図４に示すように、本発明の実施形態の変形例に係るインペラ取付構造５９は、インペラ取付構造における締結ナット５７の代わりに、コンプレッサホイール１９をロータ軸９側へ押圧する別の締結ナット６１を用いている。そして、締結ナット６１の構成要素について説明すると、コンプレッサホイール１９の先端面に貫通穴５３と同心上に形成した円形の嵌入凹部（挿入凹部の一例）６３には、ナットスリーブ６５が嵌入（挿入の一例）されており、このナットスリーブ６５の内側には、取付軸４３の先端雄ねじ部５５に螺合可能な雌ねじ部６７が形成されている。また、ナットスリーブ６５の先端部には、取付軸４３の先端部を覆う六角形の中実のナットヘッド６９が一体形成されている。ここで、ナットスリーブ６５の基端面（換言すれば、締結ナット６１の座面）は、コンプレッサブレード２１の前縁よりもコンプレッサホイール１９の基端側（後側）に位置してあって、コンプレッサホイール１９の嵌入凹部６３の底面（奥面）に当接するようになっている。

従って、本発明の実施形態の変形例によれば、本発明の実施形態の作用及び効果を奏する他に、ナットヘッド６９によって取付軸４３の先端部を覆っているため、所謂低圧ループ−ＥＧＲ方式によって排気ガスをエンジンに再循環させるようにした場合でも、取付軸４３の先端部が排気ガス環境下に熱暴露されることはなく、取付軸４３の耐久性向上を図ることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

１ 車両用過給機
３ ベアリングハウジング
９ ロータ軸
１５ コンプレッサハウジング
１７ コンプレッサインペラ
１９ コンプレッサホイール
２１ コンプレッサブレード
２９ タービンハウジング
３１ タービンインペラ
４１ インペラ取付構造
４３ 取付軸
４５ 嵌合凹部
４７ ねじ穴
４９ 基端雄ねじ部
５３ 貫通穴
５５ 先端雄ねじ部
５７ 締結ナット
５９ インペラ取付構造
６１ 締結ナット
６３ 嵌入凹部
６５ ナットスリーブ
６７ 雌ねじ部
６９ ナットヘッド

Claims (5)

1. 過給機におけるロータ軸にコンプレッサインペラを取付けるためのインペラ取付構造において、
   前記ロータ軸の一端部に同軸上に一体的に連結され、前記ロータ軸の構成材料と異なる構成材料からなり、前記コンプレッサインペラにおけるコンプレッサホイールの中央部に形成した貫通穴に挿通可能であって、先端側に先端雄ねじ部が形成された取付軸と、
   前記取付軸の前記先端雄ねじ部に螺合して設けられ、前記コンプレッサホイールを前記ロータ軸側へ押圧する締結ナットと、を具備したことを特徴とするインペラ取付構造。
2. 前記ロータ軸の一端面に円形の嵌合凹部が形成され、前記ロータ軸の前記嵌合凹部の底面にねじ穴が形成され、前記取付軸に基端側から前記ロータ軸の前記ねじ穴に螺合可能な基端雄ねじ部及び前記ロータ軸の前記嵌合凹部に嵌合可能な円筒部が順次形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインペラ取付構造。
3. 前記締結ナットは、
   前記インペラハブの先端面に前記貫通穴と同心上に形成した円形の挿入凹部に挿入可能であって、内周面に前記取付軸の前記先端雄ねじに螺合可能な雌ねじ部が形成されたナットスリーブと、
   前記ナットスリーブの先端側に一体形成され、前記取付軸の先端部を覆うナットヘッドとを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインペラ取付構造。
4. 前記ロータ軸に対する前記取付軸の線膨張係数比は、０．７〜１．３であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のインペラ取付構造。
5. エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジンに供給される空気を過給する過給機において、
   請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のインペラ取付構造を具備したことを特徴とする過給機。

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