JP2014202152A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転にも充分対応可能で、かつ、生産性が良いターボチャージャを提供すること。【解決手段】タービンホイール２０と、コンプレッサホイール４０と、両者を連結して軸受ハウジング１１内に回転自在に軸支されるロータシャフト１０と、を備えるターボチャージャ１において、ロータシャフト１０は高剛性材料からなり、ロータシャフト１０とタービンホイール２０との間には、両者を連結するとともに、外周面に溝部３１を有するジョイントカラー３０が介在しており、ジョイントカラー３０は、ロータシャフト１０よりも剛性の低い材料からなることを特徴とするターボチャージャ１とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャに関する。

自動車等に搭載されるターボチャージャは、コンプレッサホイールとタービンホイールとがロータシャフトを介して接続され、排ガスによってタービンホイールを回転させることにより、コンプレッサホイールを強制的に回転させて、吸入した空気を圧縮して内燃機関へ向かって吐出するように構成されている。

上記ロータシャフトの一端部には、タービンホイールが接合される接合部が形成されている。タービンホイールの軸芯上には上記ロータシャフトの一端部が挿入される挿入部が形成されており、両軸芯が一致するように上記一端部が上記挿入部に挿入されて互いに接合されている。さらに、ロータシャフトの一端側の外周面には、スリンガ部、シールリング組付部などの溝部が切削加工により形成されている（特許文献１）。

特開２００２−２３５５４７号公報 特開２００１−５９１４６号公報

近年、ターボチャージャの性能向上のために、コンプレッサホイール及びタービンホイールの高速回転を可能とすることが求められている。しかし、高速回転化させるには、危険速度を考慮する必要がある。危険速度とは、ロータシャフトの回転数がその固有振動数に一致し若しくはその固有振動数の整数倍となる時の回転数をいう。ロータシャフトを軸回転させた場合に、ロータシャフトに撓みや捻りが生じると、ロータシャフトは原形に復帰しようとして、ロータシャフトの原形を中心に周期的な振動（変形）を繰返す。ロータシャフトの回転数が危険速度に近づくと、いわゆる共振状態となって、その振幅が次第に大きくなる。これに伴って、振動騒音も大きくなる。さらにその振幅がロータシャフトの弾性限界を超えるとロータシャフトに非可塑性変形が生じて、ターボチャージャの破損を招く。したがって、かかる振動騒音の増大化及び破損を防ぎつつ、高速回転を可能とするには、ロータシャフトの固有振動数を大きくして、危険速度を大きくすることが考えられる。

ロータシャフトの固有振動数は、その剛性や質量に基づいて定まる値であることから、固有振動数の引き上げのためには、ロータシャフトの材質を従来のＳＣｒ４０、ＳＣＭ３５などの鋼材に替えて、より剛性の高い材料（超高剛性材料）とすることが考えられる。これにより、ロータシャフトの固有振動数が大きくなり、高速回転化が可能となるからである。

ロータシャフトの材質として採用可能な超高剛性材料として、特許文献２において、鉄を主成分とするマトリックス相中に４Ａ族（チタン族）元素のホウ化物を主成分とする強化相が分散した鉄基複合材料が開示されている。かかる超高剛性材料は、従来のロータシャフトの材質よりも高い剛性を有する。しかしながら、上記超高剛性材料は剛性に優れるが、それゆえ、被削性が非常に悪い。そのため、ロータシャフトの材質として上記超高剛性材料を採用すれば、切削や転造によってロータシャフトに溝部を形成する際に、例えば、加工装置の刃具寿命が極端に短くなったり、施工に非常に時間と手間を要したりするなどして、生産性が非常に悪くなるという問題が生じる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、高速回転にも充分対応可能で、かつ、生産性が良いターボチャージャを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、タービンホイールと、コンプレッサホイールと、両者を連結して軸受ハウジング内に回転自在に軸支されるロータシャフトと、を備えるターボチャージャにおいて、
上記ロータシャフトは高剛性材料からなり、
上記ロータシャフトと上記タービンホイールとの間には、両者を連結するとともに、外周面に溝部を有するジョイントカラーが介在しており、
該ジョイントカラーは、上記ロータシャフトよりも剛性の低い材料からなることを特徴とするターボチャージャとする（請求項１）。

上記ターボチャージャによれば、ロータシャフトは高剛性材料からなるため、固有振動数を引き上げることができる。そのため、振動騒音及び破損を防ぎつつ、タービンホイール及びコンプレッサホイールを高速回転することができる。さらに、ジョイントカラーはロータシャフトよりも剛性が低い材料からなるため、ジョイントカラーはロータシャフトに比べて被削性がよい。そのため、ジョイントカラーの外周面に溝部を容易に形成しつつ、ロータシャフトの高剛性化を可能とする。

さらに、上記ターボチャージャによれば、ロータシャフトは高剛性材料からなるため、ロータシャフトの撓みや捻じれの発生が低減される。これにより、動作音の低減ができることに加え、各ホイール及びロータシャフトの回転に対する動的バランスの調整が容易となる。

また、ロータシャフトは高剛性材料からなるため、ロータシャフトの軸径を従来よりも小さくすることができる。これにより、ロータシャフトの軸受部などにおけるフリクションを低減することができるとともに、ロータシャフトのイナーシャル（慣性モーメント）を低減できる。また、ロータシャフトの軽量化を図ることもでき、これによってもロータシャフトのイナーシャルを低減できる。これらの結果、ターボチャージャのレスポンス向上が図られる。

以上のごとく、本発明によれば、高速回転にも充分対応可能で、かつ、生産性が良いターボチャージャを提供することができる。

実施例１における、ターボチャージャの断面図。 図１の一部拡大図。

上記ターボチャージャは、自動車等において、内燃機関に圧縮空気を供給することに使用することができる。

上記ロータシャフト及びジョイントカラーの剛性は、これらを形成する材質の縦弾性係数（ヤング率）により、比較することができる。ジョイントカラーの材質として、ロータシャフトの材質のヤング率よりも小さいヤング率を有する材質を採用することができる。ロータシャフトの材質としては、例えば、ヤング率が３００ＧＰａ以上、好ましくは３００ＧＰa〜６００ＧＰａのものを採用することができる。また、ジョイントカラーの材質としては、例えば、ヤング率が１８０ＧＰａ〜２２０ＧＰａ、好ましくは１９０ＧＰａ〜２１０ＧＰａのものを採用することができる。この場合には、タービンホイール及びコンプレッサホイールの高速回転を可能としつつ、必要な剛性が確保できる。ジョイントカラーの材質としては、例えば、従来のロータシャフトの材質として採用されているＳＣｒ４０、ＳＣＭ３５などの鋼材を採用することができる。

上記ターボチャージャにおいて、上記溝部は、スリンガ部及びシールリング組付部の少なくとも一方であることとすることができる（請求項２）。この場合には、スリンガ部及びシールリング組付部の少なくとも一方を容易に形成することができ、生産性が向上する。なお、ジョイントカラーの外周面には、スリンガ部及びシールリング組付部の両方が形成されていてもよいし、いずれか一方のみが形成されていてもよい。

上記ターボチャージャにおいて、上記ロータシャフトと上記ジョイントカラーとは溶接されていることとすることができる（請求項３）。この場合には、ロータシャフトとジョイントカラーを圧入や焼き嵌め等によって接合する場合に比べて、両者を確実に接合できるため、ターボチャージャの信頼性が高まる。

上記ターボチャージャにおいて、上記ロータシャフトの一端の第１端部には、上記タービンホイールが上記ジョイントカラーを介して連結され、上記ロータシャフトの他端の第２端部には、上記コンプレッサホイールが圧入又は焼き嵌めにより接合されていることとすることができる（請求項４）。この場合には、ロータシャフトとコンプレッサホイールとの接合部において、被削性の悪い高剛性材料からなるロータシャフトに対して、ねじ切り加工などをする場合に比べて加工が少なくて済むため、生産性がさらに向上する。

上記ターボチャージャにおいて、上記ロータシャフトは、チタンホウ化物分散型高剛性鋼からなることとすることができる（請求項５）。この場合には、ロータシャフトが超高剛性を有するため、ロータシャフトの固有振動数が高い値となることから、タービンホイール及びコンプレッサホイールを充分に高速回転させることができる。また、ロータシャフトの撓みや捻じれの発生が充分に低減されることから、動作音を充分低減でき、各ホイール及びロータシャフトの回転に対する動的バランスの調整が一層容易となる。さらに、ロータシャフトの軸径をより小さくできることから、ロータシャフトの軸受部などにおけるフリクションを充分に低減でき、ロータシャフトのイナーシャルを充分に低減できる。また、ロータシャフトをより軽量化できるため、ロータシャフトのイナーシャルを充分に低減できる。これらの結果、ターボチャージャのレスポンスが一層向上する。

「チタンホウ化物（ＴｉＢ_２）分散型高剛性鋼」とは、鉄を主成分とするマトリックス相中に４Ａ族（チタン族）元素のホウ化物を主成分とする強化相が分散した鉄基複合材料をいう。チタンホウ化物（ＴｉＢ_２）分散型高剛性鋼において、強化相は二ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）を主成分とし、マトリックス相以外の非マトリックス相は該二ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）以外のホウ化物および／またはチタン化合物を主成分とする。

（実施例１）
上記ターボチャージャにかかる実施例について、図１及び図２を用いて説明する。
本例のターボチャージャ１は自動車に搭載され、図１に示すごとく、タービンホイール２０と、コンプレッサホイール４０と、両者を連結して軸受ハウジング１１内に回転自在に軸支されるロータシャフト１０とを備える。そして、ロータシャフト１０は高剛性材料からなる。ロータシャフト１０とタービンホイール２０との間には、両者を連結するとともに、外周面に溝部３１を有するジョイントカラー３０が介在している。そして、ジョイントカラー３０は、ロータシャフト１０よりも剛性の低い材料からなる。

上記ターボチャージャ１の構成要素について、以下に詳述する。
図１に示すように、ロータシャフト１０は、軸受ハウジング１１内に収納されている。ロータシャフト１０は軸方向断面形状が円形の棒状部材であって、その中央から一端の第１端部１３までの部分（大径部１０ａ）に対して、中央から他端の第２端部１４までの部分（小径部１０ｂ）はその径が小さくなっている。ロータシャフト１０は大径部１０ａにおいて軸受部１２により、回転自在に軸支されている。ロータシャフト１０は、チタンホウ化物（ＴｉＢ_２）分散型高剛性鋼からなる。その強化相は二ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）を主成分とし、マトリックス相以外の非マトリックス相は該二ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）以外のホウ化物及びチタン化合物を主成分とする。

ジョイントカラー３０は、ＳＣｒ４０製である。図２に示すように、ジョイントカラー３０は略円筒状の筒状部材であって、その内径はロータシャフト１０の第１端部１３の外径よりも若干大きい。筒状のジョイントカラー３０には、ロータシャフト１０の第１端部１３が挿入されている。そして、ジョイントカラー３０における挿入側と反対側の端部３４とロータシャフト１０の第１端部１３のそれぞれの端面が同一平面状に位置するように、両端部１３、３４が揃っている。両端部１３、３４の境界部分１３ａは電子ビーム溶接が施されて、ロータシャフト１０とジョイントカラー３０とが接合されている。

ジョイントカラー３０は、図２に示すように、その外周面において、溝部３１として、スリンガ部３２及びシールリング組付部３３が形成されている。また、ジョイントカラー３０の一端側（タービンホイール２０側）には挿入部３６が形成されている。スリンガ部３２は、図２に示すように、その軸方向の断面形状が湾状の曲面となっており、ジョイントカラー３０の周方向に沿って溝状に形成されている。これにより、スリンガ部３２に到達した潤滑油は、当該曲面に沿って移動する際に、ロータシャフト１０の軸回転によって生じる遠心力が作用することにより、径方向外側に飛散される。

シールリング組付部３３は、ロータシャフト１０の軸方向における断面形状が矩形となっており、ジョイントカラー３０の周方向に沿って溝状に形成されている。シールリング組付部３３は、スリンガ部３２よりも第１端部１３側に形成されており、軸受ハウジング１１の壁面１１ａと対向している。そして、シールリング組付部３３には、その溝形状に沿った環状部材３５がはめ込まれ、軸受ハウジング１１の壁面１１ａとの間がシーリングされている。

挿入部３６は、シールリング組付部３３よりも第１端部１３側に形成されている。挿入部３６の形状は、ロータシャフト１０の軸方向における断面形状がＬ字状となっており、ジョイントカラー３０の周方向に沿って形成されている。これにより、ジョイントカラー３０の端部３４が径方向に段差が形成されて、その外周の径が小さくなっている。

タービンホイール２０はニッケル合金製の鋳造部材である。図２に示すように、タービンホイール２０には、ジョイントカラー３０の挿入部３６の外形に沿う凹部２１が形成されている。凹部２１の中心はタービンホイール２０の軸心と一致しており、凹部２１の深さは挿入部３６の軸方向の長さよりも若干大きい。タービンホイール２０とジョイントカラー３０の両者の軸心が一致するように、凹部２１に挿入部３６が挿入されている。そして、凹部２１の縁部２２とジョイントカラー３０との境界部分２２ａにおいて、ジョイントカラー３０とタービンホイール２０とが電子ビーム溶接によって溶接されている。これにより、ジョイントカラー３０を介して、ロータシャフト１０とタービンホイール２０とが連結されている。

タービンホイール２０は、図１に示すように、タービンハウジング２３内に収納されている。タービンハウジング２３には、内燃機関（図示せず）から吐出される排ガスをタービンホイール２０に導くスクロール部２４と、排ガスをタービンハウジング２３の外側に排出する排出口２５が形成されている。

コンプレッサホイール４０は、アルミニウム合金製の鋳造部材である。図１に示すように、コンプレッサホイール４０には、その軸心に軸孔部４２が形成されている。軸孔部４２は断面円形の円柱状の孔であって、ロータシャフト１０の第２端部１４側の小径部１０ｂが挿入されており、焼き嵌めにより、両者が接合されている。すなわち、両者の接合前の状態では、コンプレッサホイール４０は、軸孔部４２がロータシャフト１０の小径部１０ｂの径よりも若干小さい径を有するように形成されている。そして、コンプレッサホイール４０を高温状態とすることにより、その形成材料が膨張するのに伴って、軸孔部４２の径が小径部１０ｂの径よりも大きくなる。その後、拡径した軸孔部４２にロータシャフト１０の小径部１０ｂを挿入し、コンプレッサホイール４０を冷却することにより、その形成材料が収縮するのに伴って、軸孔部４２の内壁がロータシャフト１０の小径部１０ｂに密着し、両者が強固に接合される。これにより、ロータシャフト１０の第２端部１４にコンプレッサホイール４０が接合される。

本例のターボチャージャ１において、ロータシャフト１０はチタンホウ化物（ＴｉＢ_２）分散型高剛性鋼からなり、そのヤング率は約３４５ＧＰａである。また、ジョイントカラー３０はＳＣｒ４０からなり、そのヤング率は約２０５ＧＰａである。よって、ジョイントカラー３０のヤング率は、ロータシャフト１０のヤング率よりも小さく、ジョイントカラー３０はロータシャフト１０よりも剛性が低い材料からなっている。

ロータシャフト１０は、上記ジョイントカラー３０及びコンプレッサホイール４０との接合前に、その外形を完成させることができる。例えば、センタレス研削により、ロータシャフト１０の大径部１０ａ及び小径部１０ｂを作成することができる。これによれば、超高剛性材料からなるロータシャフト１０を、高い成形精度で量産することができる。ロータシャフト１０は、その外形を完成させた後、上述のように、ジョイントカラー３０と接合してタービンホイール３０と連結するとともに、コンプレッサホイール４０と連結する。

次に、上記ターボチャージャ１による作用効果を以下に詳述する。
上記ターボチャージャ１によれば、ロータシャフト１０は高剛性材料からなるため、その固有振動数を引き上げることができる。そのため、振動騒音及び破損を防ぎつつ、タービンホイール２０及びコンプレッサホイール４０を高速回転することができる。さらに、ジョイントカラー３０はロータシャフト１０よりも剛性が低い材料からなるため、ジョイントカラー３０はロータシャフト１０に比べて被削性がよい。そのため、溝部３１であるスリンガ部３２及びシールリング組付部３３を容易に形成することができ、生産性が向上する。このように、ターボチャージャ１は、高速回転にも充分対応可能で、かつ、生産性が高い。

さらに、ターボチャージャ１によれば、ロータシャフト１０は高剛性材料からなるため、ロータシャフト１０の撓みや捻じれの発生が低減される。これにより、従来のターボチャージャよりも動作音を小さくすることができることに加え、タービンホイール２０、コンプレッサホイール４０及びロータシャフト１０の回転に対する動的バランスの調整が容易となる。

また、ロータシャフト１０は高剛性材料からなるため、ロータシャフト１０の軸径を従来よりも小さくすることができる。これにより、ロータシャフト１０の軸受部などにおけるフリクションを低減することができるとともに、ロータシャフト１０のイナーシャルを低減できる。また、ロータシャフト１０の軽量化を図ることもでき、これによってもロータシャフト１０のイナーシャルを低減できる。これらの結果、ターボチャージャ１のレスポンス向上が図られる。

また、上記ターボチャージャ１において、ロータシャフト１０とジョイントカラー３０とは溶接により接合されている。これにより、ロータシャフト１０とジョイントカラー３０を圧入や焼き嵌め等によって接合する場合に比べて、両者を確実に接合できるため、ターボチャージャ１の信頼性が高まる。

また、上記ターボチャージャ１において、ロータシャフト１０の一端の第１端部１３には、タービンホイール２０がジョイントカラー３０を介して連結され、ロータシャフト１０の他端の第２端部１４には、コンプレッサホイール４０が焼き嵌めにより接合されている。これにより、ロータシャフト１０とコンプレッサホイール４０との接合部において、被削性の悪い高剛性材料からなるロータシャフト１０に対して、ねじ切り加工などをする場合に比べて加工が少なくて済むため、生産性がさらに向上する。

上記ターボチャージャ１において、ロータシャフト１０は、チタンホウ化物分散型高剛性鋼からなっている。これにより、ロータシャフト１０が超高剛性を有するため、ロータシャフト１０の固有振動数が高い値となることから、タービンホイール２０及びコンプレッサホイール４０を充分に高速回転させることができる。また、ロータシャフト１０の撓みや捻じれの発生が充分に低減されることから、動作音を充分低減でき、タービンホイール２０、コンプレッサホイール４０及びロータシャフト１０の回転に対する動的バランスの調整が一層容易となる。さらに、ロータシャフト１０の軸径をより小さくできることから、ロータシャフト１０の軸受部などにおけるフリクションを充分に低減でき、ロータシャフト１０のイナーシャルを充分に低減できる。また、ロータシャフト１０をより軽量化できるため、ロータシャフト１０のイナーシャルを充分に低減できる。これらの結果、ターボチャージャ１のレスポンスが一層向上する。

本例では、ロータシャフト１０とコンプレッサホイール４０とを焼き嵌めにより接合したが、これに替えて、ロータシャフト１０の第２端部１４をコンプレッサホイール４０の軸孔部４２に圧入することにより、接合することができる。この場合も、ロータシャフト１０とコンプレッサホイール４０との接合部において、被削性の悪い高剛性材料からなるロータシャフト１０に対して、ねじ切り加工などをする場合に比べて加工が少なくて済むため、生産性が向上する。

１ ターボチャージャ
１０ ロータシャフト
１１ 軸受ハウジング
１３ 第１端部
１４ 第２端部
２０ タービンホイール
２１ 凹部
３０ ジョイントカラー
３１ 溝部
３２ スリンガ部
３３ シールリング組付部
４０ コンプレッサホイール

Claims (5)

1. タービンホイールと、コンプレッサホイールと、両者を連結して軸受ハウジング内に回転自在に軸支されるロータシャフトと、を備えるターボチャージャにおいて、
   上記ロータシャフトは高剛性材料からなり、
   上記ロータシャフトと上記タービンホイールとの間には、両者を連結するとともに、外周面に溝部を有するジョイントカラーが介在しており、
   該ジョイントカラーは、上記ロータシャフトよりも剛性の低い材料からなることを特徴とするターボチャージャ。
2. 請求項１に記載のターボチャージャにおいて、上記溝部は、スリンガ部及びシールリング組付部の少なくとも一方であることを特徴とするターボチャージャ。
3. 請求項１又は２に記載のターボチャージャにおいて、上記ロータシャフトと上記ジョイントカラーとは溶接されていることを特徴とするターボチャージャ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャにおいて、上記ロータシャフトの一端の第１端部には、上記タービンホイールが上記ジョイントカラーを介して連結され、上記ロータシャフトの他端の第２端部には、上記コンプレッサホイールが圧入又は焼き嵌めにより接合されていることを特徴とするターボチャージャ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャにおいて、上記ロータシャフトは、チタンホウ化物分散型高剛性鋼からなることを特徴とするターボチャージャ。

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