JP2016176332A - タービン軸および過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトとインペラの圧入を可能とし、シャフトとインペラの軸心の位置を高精度に合わせることで、バランス調整が容易となる。【解決手段】タービン軸１７は、シャフト８と、シャフトの一端側に設けられたタービンインペラ９と、シャフト、および、タービンインペラのいずれか一方に設けられた突出部２０と、他方に設けられた圧入穴９ｂと、突出部の外周面２０ｂ、および、圧入穴の内周面１８ａのいずれか一方に設けられ、シャフトの径方向に突出し、突出部の外周面、および、圧入穴の内周面のいずれか他方に当接する当接部２０ｃと、突出部が圧入穴に圧入された、シャフトとタービンインペラが接合される接合部２１と、を備え、当接部が、突出部の外周面、または、圧入穴の内周面に当接する部位は、突出部の外周面と圧入穴の内周面の対向部位よりも、シャフトの軸方向の長さが短い。【選択図】図２

Description

本発明は、シャフトの一端にインペラが接合されたタービン軸および過給機に関する。

従来、シャフトの一端にタービンインペラが接合されたタービン軸が、ベアリングハウジングに軸支された過給機が知られている。タービン軸のうち、シャフトの他端にはコンプレッサインペラがナット締めされ、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラを回転させるとともに、このタービンインペラの回転によって、シャフトを介してコンプレッサインペラを回転させる。こうして、過給機は、コンプレッサインペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに供給する。

シャフトとタービンインペラには、一方にタービン軸の軸方向に窪んだ挿入穴が設けられ、他方にタービン軸の軸方向に突出し、挿入穴に嵌合する突出部が設けられている。例えば、特許文献１では、タービンインペラに形成された挿入穴に、シャフトに形成された突出部を挿入している。そして、挿入穴の開口が形成される端面と、この端面に対向し、突出部の基端から径方向外側に延在する部位とが溶接されている。

特開２００２−２３５５４７号公報

従来のタービン軸においては、挿入穴の内径に対し、突出部の外径を小さく形成し、寸法公差があったとしても、突出部を挿入穴に確実に挿入できるように、余裕を持たせている。その結果、突出部を挿入穴に挿入しても、シャフトの径方向に隙間が生じ、シャフトの軸心とタービンインペラの軸心の位置がずれた状態で溶接される可能性がある。そうすると、タービン軸のアンバランスが過大となって、バランス調整が困難となってしまう場合があった。

この解決方法として、挿入穴の内径に対し、突出部の外径を僅かに大きく形成し、挿入穴に突出部を圧入することで、シャフトの軸心とタービンインペラの軸心の位置ずれを抑制することが考えられる。しかし、タービンインペラの材質は固く弾性変形し難いため、挿入穴および突出部の寸法のバラつきが寸法公差の範囲内であっても、圧入力が過大となって強度を損ねたり、突出部が挿入穴の内周面に引っかかってしまう、所謂かじりが生じたりしてしまう可能性があることから、圧入は困難であった。

そこで、本発明の目的は、シャフトとインペラの圧入を可能とし、シャフトとインペラの軸心の位置を高精度に合わせることで、バランス調整が容易となるタービン軸および過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のタービン軸は、シャフトと、シャフトの一端側に設けられたインペラと、シャフト、および、インペラのいずれか一方に設けられた、シャフトの軸方向に突出する突出部と、シャフト、および、インペラのいずれか他方に設けられた、シャフトの軸方向に窪んだ圧入穴と、突出部の外周面、および、圧入穴の内周面のいずれか一方に設けられ、シャフトの径方向に突出し、突出部の外周面、および、圧入穴の内周面のいずれか他方に当接する当接部と、突出部が圧入穴に圧入された状態で、シャフトとインペラが接合される接合部と、を備え、当接部が、突出部の外周面、または、圧入穴の内周面に当接する部位は、突出部の外周面と圧入穴の内周面の対向部位よりも、シャフトの軸方向の長さが短いことを特徴とする。

当接部は、シャフトの周方向に環状に形成されてもよい。

当接部は、シャフトの径方向外側に突出するように湾曲していてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の過給機は、過給機本体と、過給機本体内に回転自在に収容され、シャフトの一端にタービンインペラが接合されたタービン軸と、タービン軸におけるシャフトの他端に設けられたコンプレッサインペラと、を備える過給機であって、タービン軸は、シャフト、および、タービンインペラのいずれか一方に設けられた、シャフトの軸方向に突出する突出部と、シャフト、および、タービンインペラのいずれか他方に設けられた、シャフトの軸方向に窪んだ圧入穴と、突出部の外周面、および、圧入穴の内周面のいずれか一方に設けられ、シャフトの径方向に突出し、突出部の外周面、および、圧入穴の内周面のいずれか他方に当接する当接部と、突出部が圧入穴に圧入された状態で、シャフトとタービンインペラが接合される接合部と、を備え、当接部が、突出部の外周面、または、圧入穴の内周面に当接する部位は、突出部の外周面と圧入穴の内周面の対向部位よりも、シャフトの軸方向の長さが短いことを特徴とする。

当接部は、シャフトの周方向に環状に形成されてもよい。

当接部は、シャフトの径方向外側に突出するように湾曲していてもよい。

本発明によれば、シャフトとインペラの圧入を可能とし、シャフトとインペラの軸心の位置を高精度に合わせることで、バランス調整が容易となる。

過給機の概略断面図である。 本実施形態のタービン軸を説明するための説明図である。 変形例を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機Ｃの概略断面図である。以下では、図に示す矢印Ｌ方向を過給機Ｃの左側とし、矢印Ｒ方向を過給機Ｃの右側として説明する。図１に示すように、過給機Ｃは、過給機本体１を備えて構成される。この過給機本体１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の左側の一端面に締結ボルト３によって固定されるタービンハウジング４と、ベアリングハウジング２の右側の一端面に締結ボルト５によって固定されるコンプレッサハウジング６と、を備えている。

ベアリングハウジング２には、過給機Ｃの左右方向に貫通する軸受孔２ａが形成されており、この軸受孔２ａに設けられた軸受７によって、シャフト８が回転自在に軸支されている。シャフト８の左端部（一端）にはタービンインペラ９（インペラ）が一体的に固定されており、このタービンインペラ９がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、シャフト８の右端部（他端）にはコンプレッサインペラ１０が一体的に固定されており、このコンプレッサインペラ１０がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング６には、過給機Ｃの右側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸気口１１が形成されている。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６とが連結された状態では、これら両ハウジング２、６の対向面によって、空気を昇圧するディフューザ流路１２が形成される。このディフューザ流路１２は、シャフト８（コンプレッサインペラ１０）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ１０を介して吸気口１１に連通している。

また、コンプレッサハウジング６には、ディフューザ流路１２よりもシャフト８の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路１３が設けられている。コンプレッサスクロール流路１３は、不図示のエンジンの吸気口と連通するとともに、ディフューザ流路１２にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ１０が回転すると、吸気口１１からコンプレッサハウジング６内に空気が吸気されるとともに、当該吸気された空気は、コンプレッサインペラ１０の翼間を流通する過程において遠心力の作用により増速され、ディフューザ流路１２およびコンプレッサスクロール流路１３で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

タービンハウジング４には、過給機Ｃの左側に開口するとともに不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口１４が形成されている。また、タービンハウジング４には、流路１５と、この流路１５よりもシャフト８（タービンインペラ９）の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路１６とが設けられている。タービンスクロール流路１６は、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導かれる不図示のガス流入口と連通するとともに、上記の流路１５にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路１６に導かれた排気ガスは、流路１５およびタービンインペラ９を介して吐出口１４に導かれるとともに、その流通過程においてタービンインペラ９を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ９の回転力は、シャフト８を介してコンプレッサインペラ１０に伝達されることとなり、コンプレッサインペラ１０の回転力によって、上記のとおりに、空気が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

図２は、本実施形態のタービン軸１７を説明するための説明図である。図２（ａ）に示すように、タービン軸１７は、シャフト８とタービンインペラ９で構成され、シャフト８の一端（図２（ａ）中、左端部）にタービンインペラ９が接合されている。

図２（ｂ）には、図２（ａ）の破線ＩＩ（ｂ）部分におけるシャフト８の軸心を含む断面構造を抽出して示す。図２（ｂ）に示すように、タービンインペラ９のうち、シャフト８に対向する対向面９ａには、シャフト８の軸方向に窪んだ圧入穴９ｂが形成されている。圧入穴９ｂは、対向面９ａから連続する大径部１８と、大径部１８より内径が小さく大径部１８に対してシャフト８と反対側に連続する小径部１９とを含んで構成される。圧入穴９ｂ（小径部１９）の底面９ｃは、シャフト８の軸方向に垂直な平面形状となっている。

シャフト８のうち、タービンインペラ９に対向する対向面８ａには、シャフト８の軸方向に突出する突出部２０が形成されている。突出部２０は、先端側の端面２０ａが、シャフト８の軸方向に垂直な平面形状となっており、対向面８ａから端面２０ａまでのシャフト８の軸方向の長さ（すなわち、突出部２０の高さ）は、大径部１８におけるシャフト８の軸方向の長さ（すなわち、大径部１８と小径部１９の境界までの圧入穴９ｂの深さ）よりも短い。

そのため、突出部２０が圧入穴９ｂに挿入され、シャフト８の対向面８ａがタービンインペラ９の対向面９ａに当接するまで押し込まれると、圧入穴９ｂの底面９ｃと突出部２０の端面２０ａとの間に空隙が形成される。

この状態で、シャフト８の対向面８ａ、および、タービンインペラ９の対向面９ａの当接部分に対し、シャフト８の径方向外側から、シャフト８の周方向に亘って電子ビームが照射されると、シャフト８の対向面８ａとタービンインペラ９の対向面９ａが溶接される。すなわち、シャフト８の対向面８ａとタービンインペラ９の対向面９ａは、シャフト８とタービンインペラ９を接合する接合部２１となっている。なお、接合部２１に対する接合処理は、電子ビーム溶接に限らず、レーザ溶接やろう付けなどを用いてもよい。

図２（ｃ）には、比較例におけるシャフトＳとタービンインペラＴを示す。シャフトＳには円柱状の突出部Ｓａが形成され、タービンインペラＴに設けられた挿入穴Ｔａに挿入されている。挿入穴Ｔａの内周面Ｔｂに対向する、突出部Ｓａの外周面ＳｂはシャフトＳの軸方向に平行に形成されている。そのため、挿入穴Ｔａの内径に対し、突出部Ｓａの外径を僅かに大きく形成し、挿入穴Ｔａに突出部Ｓａを圧入する場合、突出部Ｓａの外周面Ｓｂと、挿入穴Ｔａの内周面Ｔｂとが面接触して圧入力が過大となることから圧入は困難であった。

図２（ｄ）には、図２（ｂ）の破線ＩＩ（ｄ）部分の抽出図を示す。本実施形態では、図２（ｄ）に示すように、突出部２０の外周面２０ｂに、シャフト８の周方向に亘って環状に形成される当接部２０ｃが設けられている。

当接部２０ｃは、シャフト８の軸方向の中心部が両端側よりも、シャフト８の径方向外側（図２（ｄ）中、上方向）に突出するように湾曲している。すなわち、シャフト８の軸心を含む断面において、当接部２０ｃは、シャフト８の径方向外側に膨らんだ曲面形状となっている。また、突出部２０における当接部２０ｃの外径は、大径部１８（圧入穴９ｂ）の内周面１８ａの内径よりも僅かに大きい。

なお、突出部２０の外周面２０ｂに、シャフト８の径方向に突出する当接部２０ｃが形成される構成は、言い換えれば、突出部２０の外周面２０ｂの外径を、大径部１８の内周面１８ａの内径よりも僅かに大きく形成しつつ、突出部２０の外周面２０ｂに、シャフト８の径方向に窪んだ溝２０ｄ（図２（ｄ）参照）が形成される構成と実質的に同じである。突出部２０の溝２０ｄの外径は、大径部１８の内周面１８ａの内径よりも小さい。

シャフト８の突出部２０が圧入穴９ｂに圧入されると、突出部２０が、大径部１８（圧入穴９ｂ）の内周面１８ａに当接する。このとき、突出部２０の外周面２０ｂと、圧入穴９ｂの内周面１８ａの対向部位のシャフト８の軸方向の長さを、図２（ｄ）中、長さＬで示す。当接部２０ｃが、大径部１８の内周面１８ａに当接する部位のシャフト８の軸方向の長さは、この長さＬよりも短い。

そのため、上記の比較例に対して、圧入時、大径部１８の内周面１８ａが、突出部２０の外周面２０ｂに当接する面積が小さく抑えられることから、シャフト８やタービンインペラ９に生じる変形が抑えられ、圧入力が抑制されることとなる。そのため、シャフト８とタービンインペラ９の強度を損ねることなく、また、突出部２０が大径部１８の内周面１８ａに引っかかってしまう、所謂かじりが生じなくなって、圧入が可能となる。その結果、シャフト８とタービンインペラ９の軸心の位置ずれが抑制され、タービン軸１７のバランス調整を容易に遂行することが可能となる。

また、当接部２０ｃは、シャフト８の周方向に環状に形成されているため、圧入時において、当接部２０ｃが大径部１８の内周面１８ａに、シャフト８の周方向に全周に亘って接して、圧入力に対する大径部１８の内周面１８ａからの反力を受ける。そのため、シャフト８とタービンインペラ９の相対的な位置がシャフト８の径方向にずれ難く、軸心の位置ずれがさらに抑制される。

また、当接部２０ｃにおけるシャフト８の軸方向の中心側が、径方向外側に突出するように湾曲しているため、当接部２０ｃと大径部１８の内周面１８ａが線接触することとなり、接触面積を小さく抑えて圧入しやすくすることができる。その上、当接部２０ｃと大径部１８の内周面１８ａの接触部分を滑りやすくして、かじりの発生を抑制することが可能となる。また、ここで説明をした湾曲形状には、球面形状が含まれる。

図３は、変形例を説明するための説明図である。図３（ａ）に示す第１変形例においては、突出部３０の外周面３０ｂには、２つの当接部３０ｃが形成されており、それぞれの当接部３０ｃが、大径部１８の内周面１８ａに当接している。このように、当接部３０ｃが２つ（複数）であってもよく、３つ以上であってもよい。

また、図３（ｂ）に示す第２変形例においては、突出部４０の外周面４０ｂに形成された当接部４０ｃは、シャフト８の周方向に湾曲するものの、シャフト８の軸方向に対しては平行となっている。このように、シャフト８の軸心を含む、当接部４０ｃの断面形状は、当接部２０ｃ、３０ｃのような湾曲形状に限定されず、矩形であってもよい。

また、図３（ｃ）に示す第３変形例においては、突出部５０の外周面５０ｂは、シャフト８の軸方向に対して平行となっており、大径部５８の内周面５８ａには、シャフト８の径方向内側に突出し、突出部５０の外周面５０ｂに当接する当接部５８ｂが形成されている。このように、当接部５８ｂが、大径部５８に設けられていてもよい。

また、図３（ｄ）に示す第４変形例においては、シャフト６８のうち、タービンインペラ６９に対向する対向面６８ａには、シャフト６８の軸方向に窪んだ圧入穴６８ｂが形成されており、タービンインペラ６９のうち、シャフト６８に対向する対向面６９ａには、シャフト６８の軸方向に突出する突出部８０が設けられている。

図３（ｅ）には、図３（ｄ）の破線ＩＩＩ（ｅ）部分の抽出図を示す。図３（ｅ）に示すように、突出部８０の外周面８０ｂには、圧入穴６８ｂを構成する小径部７８および大径部７９のうち、大径部７９の内周面７９ａに当接する当接部８０ｃが形成されている。

このように、圧入穴６８ｂをシャフト６８に設け、突出部８０をタービンインペラ６９に設けて、突出部８０の外周面８０ｂに当接部８０ｃを形成してもよい。また、第４変形例において、突出部８０の外周面８０ｂをシャフト６８の軸方向に平行に形成し、大径部７９の内周面７９ａに、突出部８０の外周面８０ｂに当接する当接部を設けてもよい。

上記の第１〜第４変形例のいずれにおいても、当接部が、突出部５０の外周面５０ｂ、または、大径部１８、７９の内周面１８ａ、７９ａに当接する部位は、突出部の外周面と大径部１８、７９の内周面１８ａ、７９ａの対向部位よりも、シャフト８、６８の軸方向の長さが短い。そのため、上記の実施形態と同様、圧入が可能となり、シャフト８、６８とタービンインペラ９、６９の軸心の位置ずれが抑制され、タービン軸１７のバランス調整を容易に遂行することが可能となる。

また、上記の実施形態と同様、当接部３０ｃ、４０ｃ、５８ｂ、８０ｃは、シャフト８、６８の周方向に環状に形成されているため、シャフト８、６８の軸心とタービンインペラ９、６９の軸心の位置ずれがさらに抑制される。また、上記の実施形態と同様、当接部３０ｃ、５８ｂ、８０ｃは、シャフト８、６８の軸方向の中心側が、シャフト８、６８の径方向外側に突出するように湾曲しているため、圧入しやすく、かじりの発生を抑制することが可能となる。

また、上述した実施形態および変形例においては、当接部がシャフト８、６８の周方向に亘って環状に形成される場合について説明したが、当接部は、シャフト８、６８の周方向に延在するとともに、部分的に切り欠きがあってもよいし、シャフト８、６８の周方向に複数の当接部が点在していてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、シャフトの一端にインペラが接合されたタービン軸および過給機に利用することができる。

Ｃ 過給機
１ 過給機本体
８、６８ シャフト
９、６９ タービンインペラ（インペラ）
９ｂ、６８ｂ 圧入穴
１０ コンプレッサインペラ
１７ タービン軸
１８ａ 内周面
２０、３０、４０、５０、８０ 突出部
２０ｂ、３０ｂ、４０ｂ、５０ｂ、８０ｂ 外周面
２０ｃ、３０ｃ、４０ｃ、５８ｂ、８０ｃ 当接部
２１ 接合部
５８、７９ 大径部
５８ａ、７９ａ 内周面

Claims (6)

1. シャフトと、
   前記シャフトの一端側に設けられたインペラと、
   前記シャフト、および、前記インペラのいずれか一方に設けられた、該シャフトの軸方向に突出する突出部と、
   前記シャフト、および、前記インペラのいずれか他方に設けられた、該シャフトの軸方向に窪んだ圧入穴と、
   前記突出部の外周面、および、前記圧入穴の内周面のいずれか一方に設けられ、前記シャフトの径方向に突出し、該突出部の外周面、および、該圧入穴の内周面のいずれか他方に当接する当接部と、
   前記突出部が前記圧入穴に圧入された状態で前記シャフトと前記インペラが接合される接合部と、
   を備え、
   前記当接部が、前記突出部の外周面、または、前記圧入穴の内周面に当接する部位は、該突出部の外周面と該圧入穴の内周面の対向部位よりも、前記シャフトの軸方向の長さが短いことを特徴とするタービン軸。
2. 前記当接部は、前記シャフトの周方向に環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン軸。
3. 前記当接部は、前記シャフトの径方向外側に突出するように湾曲していることを特徴とする請求項２に記載のタービン軸。
4. 過給機本体と、前記過給機本体内に回転自在に収容され、シャフトの一端にタービンインペラが接合されたタービン軸と、該タービン軸における該シャフトの他端に設けられたコンプレッサインペラと、を備える過給機であって、
   前記タービン軸は、
   前記シャフト、および、前記タービンインペラのいずれか一方に設けられた、該シャフトの軸方向に突出する突出部と、
   前記シャフト、および、前記タービンインペラのいずれか他方に設けられた、該シャフトの軸方向に窪んだ圧入穴と、
   前記突出部の外周面、および、前記圧入穴の内周面のいずれか一方に設けられ、前記シャフトの径方向に突出し、該突出部の外周面、および、該圧入穴の内周面のいずれか他方に当接する当接部と、
   前記突出部が前記圧入穴に圧入された状態で、前記シャフトと前記タービンインペラが接合される接合部と、
   を備え、
   前記当接部が、前記突出部の外周面、または、前記圧入穴の内周面に当接する部位は、該突出部の外周面と該圧入穴の内周面の対向部位よりも、前記シャフトの軸方向の長さが短いことを特徴とする過給機。
5. 前記当接部は、前記シャフトの周方向に環状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の過給機。
6. 前記当接部は、前記シャフトの径方向外側に突出するように湾曲していることを特徴とする請求項５に記載の過給機。

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