JP2011163266A - 可変ノズル構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安全なノズルベーンの回転を確保しつつ、高い効率を有する過給機を安定して生産できる、可変ノズル構造の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、段付きピンを介してシュラウドリングとハブリングとを互いに対向させ且つ段付きピンの段部の長さに応じた間隔を形成しつつ連結し、シュラウドリングとハブリングとの間に複数のノズルベーンを回転自在に配置した可変ノズル構造の製造方法であって、シュラウドリングとハブリングとの対向方向での複数のノズルベーンの翼幅をそれぞれ測定する測定工程と、測定工程での測定結果に応じて段部の長さ調整を行う調整工程とを有する、という方法を採用する。
【選択図】図５

Description

本発明は、可変ノズル構造の製造方法に関するものである。

特許文献１には、内燃機関から導かれる排気ガスの運動エネルギーを利用して、内燃機関に圧縮した空気を供給し、内燃機関の性能を向上させる過給機が開示されている。この過給機は、排気ガスが導入されるタービン部に可変ノズル構造を備えている。可変ノズル構造は、互いに対向して配置された一対の円板（いわゆるシュラウドリング及びハブリング）の間に、複数のノズルベーンが回転自在に設けられた構造となっている。複数のノズルベーンを同期して回転させて、その向きを変化させることにより、タービン部の中央部に設けられたタービンインペラに向かう排気ガスの流路幅を変化させることができる。流路幅を変化させることで、例えば内燃機関からの排気ガスの流量が少ない場合（内燃機関の作動回転数が低い場合）であっても、タービンインペラを回転させることができる。すなわち、内燃機関の低回転域から高回転域までの広い範囲に亘り、内燃機関の性能を向上させることができる。

特開２００６−１２５５８８号公報

しかしながら、上述した従来技術には、以下のような課題が存在する。
一対の円板は複数の段付きピンによって互いに連結されている。そして、一対の円板の間隔は、段付きピンの段部長さに応じて設定されている。段付きピンの段部長さ及びノズルベーンの翼幅は、それぞれ所定の加工精度内で成形されている。ここで、ノズルベーンの翼幅よりも段付きピンの段部長さが短くなると、ノズルベーンの翼端が一対の円板に強く接触してしまい、安全且つ円滑なノズルベーンの回転が確保できなくなる。そのため、ノズルベーンの翼幅における加工精度の上限値は、段付きピンの段部長さにおける加工精度の下限値よりも小さく設定されている。すなわち、ノズルベーンの翼幅が最大となり、段付きピンの段部長さが最小となったときにも、ノズルベーンの翼端が一対の円板に強く接触しないように設定されている。

上述したように、段付きピンの段部長さ及びノズルベーンの翼幅は、それぞれ所定の加工精度内で成形されている。そのため、段付きピンとノズルベーンとの組み合わせによっては、ノズルベーンの翼幅に比べて一対の円板の間隔が広くなりすぎる場合があった。このような場合には、ノズルベーンの翼端と円板との間に大きな隙間が形成され、この隙間を介して排気ガスが漏出し、過給機の効率が低下するという課題があった。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、安全なノズルベーンの回転を確保しつつ、高い効率を有する過給機を安定して生産できる、可変ノズル構造の製造方法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、段付きピンを介してシュラウドリングとハブリングとを互いに対向させ且つ段付きピンの段部の長さに応じた間隔を形成しつつ連結し、シュラウドリングとハブリングとの間に複数のノズルベーンを回転自在に配置した可変ノズル構造の製造方法であって、シュラウドリングとハブリングとの対向方向での複数のノズルベーンの翼幅をそれぞれ測定する測定工程と、測定工程での測定結果に応じて段部の長さ調整を行う調整工程とを有する、という方法を採用する。
本発明では、測定工程によって測定された複数のノズルベーンの翼幅に応じて、段付きピンにおける段部の長さ調整を行っている。すなわち、安全なノズルベーンの回転に必要な段付きピンの段部長さを確保しつつ、ノズルベーンの翼幅と一対の円板の間隔とをより近づけることが可能となる。

また、本発明は、ノズルベーンの翼幅の許容上限値と、測定工程で測定された最大幅を有するノズルベーンの翼幅との差をΔＥとし、調整工程では、段部の長さに関する加工基準値をΔＥの量で補正したものを調整基準値として段部の長さ調整を行う、という方法を採用する。

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、安全なノズルベーンの回転に必要な段付きピンの段部長さを確保しつつ、一対の円板とノズルベーンとの隙間をより狭くすることができる。そのため、本発明によれば、安全なノズルベーンの回転を確保しつつ、高い効率を有する過給機を安定して生産できるという効果がある。

可変ノズル構造１の構成を示す断面図である。 可変ノズル構造１の背面図である。 段付きピン５の側面図である。 ノズルベーン６の構成を示す概略図である。 可変ノズル構造１の製造方法を示すフローチャートである。 調整前及び調整後の段付きピン５と、ノズルベーン６との関係を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を、図１から図６を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。また、各図面における矢印Ｆは前方向を示すものとする。

本実施形態に係る可変ノズル構造１の構成を、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、可変ノズル構造１の構成を示す断面図である。
図２は、可変ノズル構造１の背面図である。

図１に示すように、可変ノズル構造１は、不図示の過給機の内部に設けられ、内燃機関から導かれる排気ガスの流量・流速を調整するものである。可変ノズル構造１は、過給機の外殻を構成するタービンハウジング２と軸受ハウジング３との接続部近傍に配置されている。タービンハウジング２の内部には、タービンインペラ４１が前後方向に延びる所定の軸周りで回転自在に設置されている。タービンインペラ４１は、排気ガスの流動によって回転する回転翼である。タービンインペラ４１には、前後方向に延びる軸部材であるタービン軸４２が一体的に接続されており、タービン軸４２は軸受ハウジング３に回転自在に支持されている。可変ノズル構造１は、タービンインペラ４１を囲んで略円環状に形成されており、タービンインペラ４１に導入される排気ガスの流量・流速を調整できる構成となっている。

可変ノズル構造１は、シュラウドリング１１と、ハブリング１２と、段付きピン５と、ノズルベーン６と、ノズル駆動部７とを有している。
シュラウドリング１１及びハブリング１２（以下、「リング１１及び１２」と記載する）は、共に略円環状に形成された板部材であって、所定の間隔をあけて前後方向で対向して設けられている。リング１１及び１２は、共にタービンインペラ４１を囲んで設置されている。リング１１及び１２の間は、排気ガスが流動する流路となっている。なお、シュラウドリング１１は前側に設けられ、ハブリング１２は後側に設けられている。

段付きピン５は、リング１１及び１２を互いに対向させ所定の間隔をあけて一体的に連結するための部材である。段付きピン５は、リング１１及び１２のそれぞれに形成された孔部に圧入されて一体的に接続されており、周方向で間隔をあけて複数（本実施形態では３本）設けられている。また、段付きピン５は、ハブリング１２とノズル駆動部７とを接続するためにも用いられている。

ノズルベーン６は、タービンインペラ４１に導入される排気ガスの流量・流速を調整するための翼部材である。ノズルベーン６は、リング１１及び１２の間に周方向に並んで複数（本実施形態では１１枚）設けられ、複数のノズルベーン６が同期して回転することで、リング１１及び１２の間において排気ガスが流動する流路の幅を調整することができる。

ノズルベーン６は、翼部６１と、第１回転軸６２と、第２回転軸６３とを有している。翼部６１は平面視略矩形に形成されており、その翼面が前後方向に平行する向きで設けられている。第１回転軸６２及び第２回転軸６３は、翼部６１の前後方向での翼端面からそれぞれ突出して設けられる円柱状の軸部材である。第１回転軸６２及び第２回転軸６３は、リング１１及び１２のそれぞれに形成された孔部に貫入して回転自在に支持されている。なお、第２回転軸６３は、ハブリング１２から後方に向けて突出しており、後述する第１リンク部材７４と一体的に連結されている。

ノズル駆動部７は、複数のノズルベーン６を同期して回転させることで、可変ノズル構造１の開度を調整するものである。ノズル駆動部７は、外側ガイド７１と、駆動リング７２と、内側ガイド７３と、第１リンク部材７４と、第２リンク部材７５と、駆動軸７６と、駆動レバー７７とを有している。

外側ガイド７１は、ハブリング１２を支持し且つ駆動リング７２を回転自在に保持するための略環状の部材である（図２参照）。外側ガイド７１の外縁側は、タービンハウジング２と軸受ハウジング３とにより挟持されて保持されている。一方、外側ガイド７１の内縁側は、段付きピン５を介してハブリング１２と一体的に接続されている。すなわち、外側ガイド７１は、リング１１及び１２等をタービンハウジング２及び軸受ハウジング３に連結して支持している。

駆動リング７２は、複数のノズルベーン６を同期して回転させるための略環状の部材であって、外側ガイド７１の径方向内側にその中心軸周りで回転自在に設けられている。駆動リング７２には、第１リンク部材７４の一端部及び第２リンク部材７５の一端部がそれぞれ嵌合する第１凹部７２ａ及び第２凹部７２ｂが形成されている。

内側ガイド７３は、駆動リング７２の径方向内側に設けられ、駆動リング７２を回転自在に保持するための略環状の部材である。内側ガイド７３は、段付きピン５を介してハブリング１２及び外側ガイド７１と一体的に接続されている。内側ガイド７３は、複数の爪部７３ａを有しており、爪部７３ａは、駆動リング７２の後方に臨む面に摺動自在に当接している。よって、駆動リング７２は、外側ガイド７１及び内側ガイド７３から前後方向で挟持されて保持されている。

第１リンク部材７４は、複数のノズルベーン６と駆動リング７２とをそれぞれ連結する部材である。第１リンク部材７４における径方向外側の端部は、駆動リング７２の第１凹部７２ａに摺動自在に嵌合している。一方、第１リンク部材７４における径方向内側の端部は、ノズルベーン６の第２回転軸６３と一体的に接続されている。よって、駆動リング７２が回転することで第１リンク部材７４は揺動し、第１リンク部材７４の揺動により複数のノズルベーン６は同期して回転する。

第２リンク部材７５は、駆動リング７２と駆動軸７６とを連結する部材である。第２リンク部材７５における径方向外側の端部は、駆動リング７２の第２凹部７２ｂに摺動自在に嵌合している。駆動軸７６は、前後方向で延びる軸部材であって、軸受ハウジング３に回転自在に支持されている。駆動レバー７７は、不図示のアクチュエータに接続されるレバー状の部材であって、駆動軸７６の後端部に連結され、アクチュエータの作動により駆動軸７６を回転させるものである。アクチュエータの作動により駆動軸７６が回転し、駆動軸７６と接続される第２リンク部材７５が揺動することで、駆動リング７２が回転する。よって、アクチュエータの作動により、複数のノズルベーン６は同期して回転する。

図２に示すように、第１リンク部材７４は、周方向で間隔を空けて複数設けられている。なお、本実施形態ではノズルベーン６の数は１１枚であるため、第１リンク部材７４及び第１凹部７２ａの数もそれぞれ１１個ずつ設けられている。第２リンク部材７５は、一対の第１リンク部材７４の間に設けられている。

次に、段付きピン５の詳細を、図３を参照して説明する。
図３は、段付きピン５の側面図である。
段付きピン５は、段部５１と、第１軸部５２と、第２軸部５３とを備えている。

段部５１は、略円柱状の軸部であって、リング１１及び１２の間の間隔を設定するためのものである。段部５１の軸方向での長さは、段部長さＬ１となっている。段部５１の両側の端面である第１端面５１ａ及び第２端面５１ｂは、リング１１及び１２にそれぞれ当接している。したがって、リング１１及び１２の間の間隔は、段部５１の段部長さＬ１に設定されている。

第１軸部５２及び第２軸部５３は、第１端面５１ａ及び第２端面５１ｂからそれぞれ突出して設けられる円柱状の軸部材である。第１軸部５２及び第２軸部５３の径は、いずれも段部５１の径より小さく設定されている。第１軸部５２及び第２軸部５３は、リング１１及び１２のそれぞれに形成された孔部に圧入されて一体的に接続されている。なお、第２軸部５３は、ハブリング１２から段部５１の逆側に向けて突出しており、外側ガイド７１及び内側ガイド７３を貫通して設けられている。第２軸部５３の端部には締結部５４が形成され、締結部５４と第２端面５１ｂとによってハブリング１２、外側ガイド７１及び内側ガイド７３が挟持され一体的に連結されている。

次に、ノズルベーン６の詳細を、図４を参照して説明する。
図４は、ノズルベーン６の構成を示す概略図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線視断面図である。

翼部６１の両側の端面である第１翼端面６１ａ及び第２翼端面６１ｂは、互いに対向して設けられ、第１回転軸６２及び第２回転軸６３の軸方向に直交する平面状に形成されている。すなわち、ノズルベーン６がリング１１及び１２の間に設置されたときに、第１翼端面６１ａはシュラウドリング１１に平行し、第２翼端面６１ｂはハブリング１２に平行する向きで設けられている。第１翼端面６１ａと第２翼端面６１ｂとの間の間隔、すなわち翼部６１の幅は、翼幅Ｌ２となっている。翼幅Ｌ２は、上述した段部５１の段部長さＬ１に比べて狭く形成されており、翼幅Ｌ２と段部長さＬ１との差は、安全で円滑にノズルベーン６が回転でき、且つ段付きピン５とノズルベーン６との間の熱膨張の差を考慮して設定されている。

第２回転軸６３の翼部６１との逆側には、第１リンク部材７４に貫入して設けられる貫入部６４が形成されている。貫入部６４は、第２回転軸６３の外周面を切欠部６４ａによって切り欠いた形状となっており、切欠部６４ａは第２回転軸６３の中心軸を挟んでそれぞれ形成されている。また、第１リンク部材７４の貫入部６４が貫入する孔部は、貫入部６４に応じた形状となっており、第１リンク部材７４が揺動するに従い第２回転軸６３が回転するように構成されている。貫入部６４の第２回転軸６３との逆側には、カシメ部６５が形成され、第２回転軸６３とカシメ部６５とにより第１リンク部材７４が挟持されている。

続いて、本実施形態に係る可変ノズル構造１の製造方法を、図５及び図６を参照して説明する。
図５は、可変ノズル構造１の製造方法を示すフローチャートである。
図６は、調整前及び調整後の段付きピン５と、ノズルベーン６との関係を示す概略図であって、（ａ）は調整前における段部５１の長さと翼部６１の翼幅との関係を示し、（ｂ）は調整後における段部５１の長さと翼部６１の翼幅との関係を示している。

可変ノズル構造１の製造方法の概略を、図５を参照して説明する。
まず、シュラウドリング１１、ハブリング１２、段付きピン５及びノズルベーン６等の部材をそれぞれ成形する部材成形工程を実施する（ステップＳ１）。ここで、段付きピン５の段部５１の長さや、ノズルベーン６の翼部６１の翼幅は、それぞれ所定の加工精度内に設定される。

次に、１１枚のノズルベーン６における、翼部６１の翼幅をそれぞれ測定するノズルベーン幅測定工程を実施する（ステップＳ２、測定工程）。

次に、ノズルベーン幅測定工程での測定結果に応じて、段付きピン５の段部５１の長さ調整を行う段付きピン調整工程を実施する（ステップＳ３、調整工程）。段部５１の調整箇所は、第１端面５１ａ及び第２端面５１ｂの少なくともいずれか一方である。

最後に、シュラウドリング１１、ハブリング１２、段付きピン調整工程にて調整された段付きピン５、及びノズルベーン幅測定工程にて翼幅を測定されたノズルベーン６等から可変ノズル構造１を組み立てる組立工程を実施する（ステップＳ４）。
以上で、可変ノズル構造１の製造が完了する。

次に、ノズルベーン幅測定工程及び段付きピン調整工程の詳細を、図６を参照して説明する。
図６（ａ）に示すように、部材成形工程において、段付きピン５が成形されるときの段部５１の加工精度を符号５Ａ_１で示す。段部５１の軸方向での長さは、所定の基準寸法を目標に加工・成形されるが、加工には公差が存在するため、段部５１の長さは加工精度５Ａ_１の範囲内（すなわち上限及び下限との間）で成形される。部材成形工程終了後における段部５１の長さを調整前段部長さＬ１ｐとする。

また、部材成形工程において、ノズルベーン６が成形されるときの翼部６１の加工精度を符号６Ａで示す。すなわち、翼部６１の翼幅は、加工精度６Ａの範囲内で成形される。

上述したように、段付きピン５における段部５１の軸方向での長さによって、リング１１及び１２の間隔が設定される。そして、リング１１及び１２の間にノズルベーン６が配置されるので、リング１１及び１２と翼部６１との間の隙間（クリアランス）は、段部５１の長さと翼部６１の翼幅とによって決定される。この隙間は、安全で円滑なノズルベーン６の回転のために、また段付きピン５及びノズルベーン６の熱膨張の差等も考慮に入れて、一定量以上を確保する必要がある。そのため、段部５１の長さが最も短く（加工精度５Ａ_１における下限）成形され、翼部６１の翼幅が最も広く（加工精度６Ａにおける上限）成形されたとしても、リング１１及び１２と翼部６１との間に最小隙間Ｃｍｉｎが形成されるようにそれぞれの基準寸法が設定されている。

もっとも、段部５１の長さが最も長く（加工精度５Ａ_１における上限）成形され、翼部６１の翼幅が最も狭く（加工精度６Ａにおける下限）成形された場合には、リング１１及び１２と翼部６１との間に最大隙間Ｃｍａｘが形成される。すなわち、段付きピン５とノズルベーン６との組み合わせによっては、リング１１及び１２と翼部６１との間の隙間が大きくなってしまい、その隙間から排気ガスが漏出して過給機の効率を低下させる要因となる。

本実施形態では、１１個のノズルベーン６が用いられており、各ノズルベーン６に便宜上Ｖ１からＶ１１の符号を付けて表す。ノズルベーン幅測定工程では、各ノズルベーン６の翼部６１における翼幅を測定する。ここで、図６には、Ｖ１からＶ１１までの各翼部６１の翼幅の測定結果を棒グラフ状に示している。Ｖ４の翼部６１における翼幅が最も広く、Ｖ６の翼部６１における翼幅が最も狭くなっている。なお、ノズルベーン幅測定工程終了後の状態で、上記段付きピン５及び各ノズルベーン６を用いて可変ノズル構造１を組み立てた場合には、リング１１及び１２と翼部６１との最小の隙間は、Ｖ４での調整前最小隙間Ｃ１ｍｉｎとなり、リング１１及び１２と翼部６１との最大の隙間は、Ｖ６での調整前最大隙間Ｃ１ｍａｘとなる。

また、ノズルベーン幅測定工程では、ノズルベーン６の加工精度６Ａの上限値と、１１個のノズルベーン６のうち最も幅広のノズルベーン６（本実施形態ではＶ４）の翼幅との差を算出し、この差をΔＥとする。

次に、図６（ｂ）に示すように、段付きピン調整工程では、ノズルベーン幅測定工程の測定結果に応じて段付きピン５を調整する。調整する部分は、段部５１の第１端面５１ａ及び第２端面５１ｂの少なくともいずれか一方である。

段付きピン調整工程での段付きピン５の加工精度を符号５Ａ_２で表す。調整された段部５１の軸方向での長さは、加工精度５Ａ_２の範囲内で調整される。段付きピン調整工程における段部５１の基準寸法は、部材成形工程における段部５１の基準寸法から、ノズルベーン幅測定工程で算出したΔＥの量を補正して、ΔＥの量だけ短くしたものである。また、段付きピン５の成形時に用いた加工と同様の加工方法を用いて段部５１を調整するため、調整時の加工精度は成形時の加工精度と同様のものである。そのため、基準寸法がΔＥだけ補正されれば、加工精度における下限もΔＥだけ補正され短くなる。なお、加工精度５Ａ_２の上限については、成形時の段付きピン５における段部５１の長さＬ１ｐよりは長くなりえないので、上限はＬ１ｐの長さとなる。したがって、段付きピン調整工程では、段付きピン５の段部５１の軸方向での長さが、上述したような加工精度５Ａ_２の範囲内で調整される。調整後の段部５１の長さをＬ１とする。

ここで、段付きピン調整工程終了後の状態で、調整後の段付きピン５及び翼幅測定済みのノズルベーン６を用いて可変ノズル構造１を組み立てた場合には、リング１１及び１２と翼部６１との最小の隙間は、Ｖ４での調整後最小隙間Ｃ２ｍｉｎとなり、リング１１及び１２と翼部６１との最大の隙間は、Ｖ６での調整後最大隙間Ｃ２ｍａｘとなる。図６に示すように、調整後最大隙間Ｃ２ｍａｘは、調整前最大隙間Ｃ１ｍａｘよりも狭くなっている。そのため、リング１１及び１２と翼部６１との間からの排気ガスの漏出が抑制されることになり、本実施形態の製造方法を用いない場合に比べ、より高い効率を有する過給機を生産することが可能となる。

なお、段付きピン調整工程では、調整後の段部５１は加工精度５Ａ_２の範囲内に設定されるため、加工精度５Ａ_２の下限値で段部５１が調整されることもありえる。この場合のリング１１及び１２と翼部６１との最小の隙間は、Ｖ４との間の隙間である調整時最小隙間ＡＣｍｉｎである。ここで、Ｖ４における翼部６１の翼幅は、ノズルベーン６の加工精度６Ａの上限からΔＥだけ狭くなったものであり、加工精度５Ａ_２の下限は、加工精度５Ａ_１からΔＥだけ短くなったものである。したがって、調整時最小隙間ＡＣｍｉｎは最小隙間Ｃｍｉｎと同一の値となり、段付きピン調整工程において段部５１の長さが加工精度５Ａ_２の下限となったとしても、安全で円滑なノズルベーン６の回転に必要な隙間を確保することができる。

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、安全なノズルベーン６の回転に必要な段部５１の長さを確保しつつ、リング１１及び１２と翼部６１との隙間をより狭くすることができる。そのため、本実施形態によれば、安全なノズルベーンの回転を確保しつつ、高い効率を有する過給機を安定して生産できるという効果がある。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した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設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…可変ノズル構造、５…段付きピン、６…ノズルベーン、１１…シュラウドリング、１２…ハブリング、５１…段部

Claims (2)

1. 段付きピンを介してシュラウドリングとハブリングとを互いに対向させ且つ前記段付きピンの段部の長さに応じた間隔を形成しつつ連結し、前記シュラウドリングと前記ハブリングとの間に複数のノズルベーンを回転自在に配置した可変ノズル構造の製造方法であって、
   前記シュラウドリングと前記ハブリングとの対向方向での、前記複数のノズルベーンの翼幅をそれぞれ測定する測定工程と、
   前記測定工程での測定結果に応じて、前記段部の長さ調整を行う調整工程とを有することを特徴とする可変ノズル構造の製造方法。
2. 請求項１に記載の可変ノズル構造の製造方法において、
   前記ノズルベーンの翼幅の許容上限値と、前記測定工程で測定された最大幅を有する前記ノズルベーンの翼幅との差をΔＥとし、
   前記調整工程では、前記段部の長さに関する加工基準値を前記ΔＥの量で補正したものを調整基準値として、前記段部の長さ調整を行うことを特徴とする可変ノズル構造の製造方法。
   

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