JP2016500140A - 熱膨張を適応する構成を有するシャフトにねじ込まれたターボチャージャー・インペラー - Google Patents

Abstract

連結されたインペラー及びシャフトを提供する。シャフトは、インペラーの対応するねじ部分上にねじ込むねじを保持するねじ部分を与える第一部分を有する。シャフトはまた、ねじ部分がともにねじ込まれてねじを締め付け、インペラーとシャフトとの間の回転可能に固定された連結をもたらすときに、インペラーの対応する当接面に係合する当接面を与える第二部分を有する。第一部分は、ジョイントで、第二部分に対して回転可能に固定される。シャフトのねじ部分は、シャフトの当接面から第一距離で軸方向に離れて位置する。シャフトのねじ部分は、第一距離より大きい第二距離により、ジョイントから軸方向に離れて位置する。ジョイント及びシャフトのねじ部分は、インペラーの同じ側にある。インペラーは、対応するねじ部分及び対応する当接面を与えるコネクタを有する。コネクタは、インペラーの残部に対して回転可能に固定される。

Description

本発明は、インペラーに連結するためのシャフトに関するものである。

ターボチャージャー・インペラーは一般に、アルミニウム合金からなり、商業的に受け入れられるコストにて、妥当な強度で低い回転慣性をもたらすものである。スチール製のターボチャージャー・シャフトへのインペラーの取り付けは、様々な方法で実現される。たとえば、アルミニウムの相対的な弱さ及び、シャフトの小さな径により、一つの選択肢は、インペラーに、シャフト上に螺合することのできるねじ込み式ソケットを含むスチール製インサートを設けることである。この構成は、シャフトがアルミニウム本体部内に直接的に螺合される連結よりも高いトルクを採用することができる（トルクは、ジョイントを横切って伝えられる力に比例し、それにより、インペラーは、直接的な螺合連結があるものよりも高い圧力比で用いることができる）。

そのようなインサートは通常、焼嵌め（shrink fitting）により、インペラー内に嵌め合わされ、ここでは、インペラーのアルミニウム本体部は、孔内に挿入されるに先立って、たとえば液体窒素を用いてインサートが冷却される間に、スチール製のインサートを受け入れるための孔を膨張させるために加熱される。その結果として得られる干渉連結（interference connection）は、アルミニウムが、その材料特性が影響を受ける前に加熱され得る温度により、またスチールが冷却され得る温度により制限される。

特許文献１では、このタイプのインサートが記載されており、さらに、アルミニウム製のインペラーとインサートとの間の摩擦接触を強化する外側スチール拘束リングを提案している。ターボチャージャーが熱くなるとき、当該リングは、インペラー本体部ほど膨張しないので、インペラーとインサートとの間の把持点は、ターボチャージャーの全作動サイクルの間に、リングの軸方向範囲内に維持され、それにより、インペラーの、インサートに沿って「歩行する」傾向を防止する。その結果として、ターボチャージャーの作動寿命は、拘束リングを有しない従来のターボチャージャーに比して、かなり延ばすことができる。

シャフトを、（たとえば、上述したようなインサートを介して）インペラーに螺合させて連結したとき、シャフト及びインペラー上のねじは自ら締まって、インペラーとシャフトとの間の回転可能に固定した連結をもたらす。

欧州特許第１３９４３８７号明細書

他の選択肢は、インペラーがシャフト上にねじ込まれたときに係合する対応する当接面をインペラー及びシャフトが有するものとし、それにより、ねじを締め付けて、回転可能に固定された連結をもたらすことである。そのような構成では、シャフトのねじ部分は通常、シャフトの当接面から軸方向に離れて位置する。インペラーとシャフトとの間に働く異なる熱膨張効果（differential thermal expansion effects）は、シャフトのねじ部分と当接面との間に、異なる熱ひずみ（differential thermal strain）が設定されることをもたらし得る。このひずみは、インペラー及びシャフトのねじに、望ましくないレベルの応力を生成し得る。

したがって、本発明は、第一側面において、インペラーに連結するシャフトであって、該シャフトが、前記インペラーの対応するねじ部分上にねじ込むねじを保持するねじ部分をもたらす第一部分と、前記ねじ部分がともにねじ込まれて前記ねじを締め付け、前記インペラーと前記シャフトとの間の回転可能に固定された連結をもたらすときに、前記インペラーの対応する当接面に係合する当接面（たとえば、シャフトのショルダー部により与えられる）をもたらす第二部分とを有し、
前記第一部分が、ジョイントにて、前記第二部分に対して回転可能に固定されており、前記シャフトの前記ねじ部分が、前記シャフトの前記当接面から第一距離で軸方向に離れて位置し、前記シャフトの前記ねじ部分が、前記第一距離より大きな第二距離により、前記ジョイントから軸方向に離れて位置するものを提供する。

このようにして、インペラーとシャフトとの間に働く異なる熱膨張効果により生成されるいくらかの異なる熱ひずみは、他の場合に比して、シャフトのより長い距離にわたって（すなわち、第二距離にわたって）適応することができる。それにより、シャフトのねじ及びインペラーのねじ部分における応力は低減され得る。

次に、この発明の第一側面の選択的な特徴を詳細に述べる。これらは、単独で、又は、それらが矛盾のない範囲において任意の組合せで適用することができる。

前記シャフトは、前記インペラーに連結されたときに、前記ジョイント及び前記シャフトの前記ねじ部分が、前記インペラーの同じ側にあるように構成することができる。

前記シャフトの前記第一部分は、スタッドもしくは締め付けボルトのような細長い部材とすることができ、これは、前記シャフトの前記第二部分内に形成された中央キャビティ内に位置し、そこから突出する。前記シャフトの前記ねじ部分は、前記細長い部材の突出端部に設けることができ、また、前記ジョイントは、たとえば前記キャビティ内で、前記細長い部材の反対側の端部にあるものとすることができる。

しかしながら、他の選択肢は、前記シャフトの前記第二部分が、前記シャフトの前記第一部分上に保持されるスリーブである。前記シャフトの前記当接面は、（たとえば、シャフトのねじ部分の隣接する）前記スリーブの一端部にあるものとすることができ、また、前記ジョイントは、（たとえば、シャフトのねじ部分から離れた）前記スリーブの他端部にあるものとすることができる。

前記ジョイントは、前記第二部分に対して前記第一部分を回転可能に固定する任意の適切な連結、たとえば、ねじ連結、スプライン連結又は、他のタイプの係止連結等とすることができる。実際には、第一及び第二部分は、一体として形成されることが可能であるが、一般には、別体として二個の部分を形成することが好都合であり、そしてそれらは、ジョイントで回転可能に固定される。

本発明の第二側面は、第一側面に従うシャフトに連結されたインペラーを提供し、このインペラーは、対応するねじ部分及び、対応する当接面を有する。

次に、この発明の第二側面の選択的な特徴を詳細に述べる。これらは、単独で、又は、それらが矛盾のない範囲において任意の組合せで適用することができる。

シャフトは、インペラーに直接的に螺合させて連結することができる。しかしながら、より典型的には、インペラーは、対応するねじ部分及び、対応する当接面をもたらすコネクタを有し、該コネクタは、インペラーに対して回転可能に固定される。すなわち、コネクタは、別体、すなわち、インペラーの残部とは一体ではないものとして形成することができ、そしてこれは、インペラーの残部に対して回転可能に固定される。しかしながら、コネクタそれ自体は、一体として形成することができる。コネクタのフランジ部分は好適には、対応する当接面をもたらし得るものとする。コネクタのねじ部分により支持されるねじは、コネクタに嵌合されるヘリコイル構造により保護されるものとすることができる。コネクタの材料は、シャフトの材料よりも強くないものとすることができるので、ヘリコイル構造は、コネクタのねじへの損傷を防止することができる。コネクタは、その半径方向外側表面に、周方向油切り構造（a circumferential oil thrower formation）とともに形成し、又はそれを支持することができる。

インペラーは、（たとえば、非貫通穴の形態をなすことができる中央凹部を有する）シャフト側ハブ延長部（hub extension）を有するものとすることができ、ここでは、シャフトの第一部分のねじ部分は、インペラーの対応するねじ部分上にねじ込むことができる。前述のコネクタの表面は、ハブ延長部の表面に摩擦により連結することができる。コネクタの表面とハブ延長部の表面との間のかかる摩擦連結は、使用時に、シャフトとインペラーとの間の実質的に全てのトルクを伝達することができる。

従って、たとえば、インペラーが、シャフト側ハブ延長部を有することができ、また、コネクタの内向き表面は、（たとえば、圧入又は焼嵌めにより）ハブ延長部の半径方向外側表面と摩擦によって連結することができる。コネクタの内向き表面とハブ延長部の半径方向外側表面との間の摩擦連結は、使用時に、シャフトとインペラーとの間の実質的に全てのトルクを伝達することができる。コネクタの内向き表面は、ほぼシリンダー状の形状をなすものとすることができる。内向き表面に摩擦により連結するインペラーのシャフト側ハブ延長部の半径方向外側表面は、それに対応して、ほぼシリンダー状とすることができる。シャフト側ハブ延長部は、中央凹部を有することができ、また、コネクタは、その凹部内に挿入することができる。このようにして、コネクタのねじ部分は、中央凹部内に位置させることができ、これは、軸方向に小型な構成を可能にする。中央凹部は、非貫通穴（すなわち、端面を有するもの）とすることができる。

しかしながら、他の選択肢は、インペラーが、中央凹部（たとえば非貫通穴）を有するシャフト側ハブ延長部を有するものとし、また、コネクタが、その凹部に挿入されるものとし、ここで、コネクタの外向き表面が、（たとえば圧入又は焼嵌めにより）ハブ延長部の半径方向内側表面と摩擦によって連結する。コネクタの外向き表面とハブ延長部の半径方向内側表面との間の摩擦連結は、使用時に、シャフトとインペラーとの間の実質的に全てのトルクを伝達することができる。コネクタの外向き表面は、ほぼシリンダー状の形状をなすものとすることができる。外向き表面に摩擦によって連結するインペラーのシャフト側ハブ延長部の半径方向内側表面は、それに対応して、ほぼシリンダー状とすることができる。

この選択肢によれば、インペラーは、シャフトの材料よりも熱膨張係数が大きい材料で形成することができ、また、コネクタは、シャフトの材料の熱膨張係数より大きい熱膨張係数の材料で形成することができる。そのような熱膨張係数の材料でコネクタを形成することにより、インペラーの「歩行」を助長する異なる熱力を軽減することができ、それにより、ジョイントのトルク能力を維持する間に、インペラーの「歩行」のいくらかの傾向を軽減する。コネクタ材料が、シャフトと同様の材料で形成された従来のコネクタのそれよりも高い熱膨張係数を有するので、嵌合時にコネクタが冷却され、かつインペラーが加熱される温度を維持する間に、インペラーとのよりきつい干渉を生み出すため、特に焼嵌めを用いることができる。また、第二距離にわたるシャフトのねじ部分と当接面との間の異なる熱ひずみの適用は、特に、シャフトのねじにおける過剰な応力の問題として有利であり、仮にひずみが第一距離にわたってのみに適用される場合に、コネクタが尖ったものとなり得る。シャフトの第一部分及び第二部分は、ジョイントで回転可能に固定された別体であり、かつ、二つの部分が異なる材料で形成されるとき（典型的には、それらは同じ材料で形成されるが）、シャフトの材料の熱膨張係数は、二つの部分の材料の平均熱膨張係数をとることができる。

コネクタが、シャフトの材料の熱膨張係数より大きい熱膨張係数の材料で形成されるとき、コネクタは、インペラーの材料より大きい強度の材料で形成することができ、および／又は、コネクタは、インペラーの材料より低い熱膨張係数の材料で形成することができる。たとえば、シャフトの二つの部分は、スチール（たとえば、高強度スチール）で形成することができ、これは一般に、約１１×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有し、また、インペラーは、アルミニウム合金で形成することができ、これは一般に、２２．７×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有する。好ましくは、コネクタは、シャフトとの摩耗に耐性がある材料で形成する。コネクタは、たとえば、マグネシウム合金、青銅、黄銅又はステンレス鋼で形成することができる。一般に、コネクタの熱膨張係数の値は、インペラーのそれと等しい又は近いが、インペラーの「歩行」を助長する異なる熱力を軽減させることが望ましい。それ故に、好ましくは、（α_c−α_s）／（α_i―α_s）の値は、０．２より大きく、より好ましくは０．３又は０．４より大きい。ここで、α_cはコネクタの熱膨張係数、α_iはインペラーの熱膨張係数、α_sはシャフトの熱膨張係数である。しかしながら、シャフトの二つの部分の形態にもかかわらず、シャフトのものよりもはるかに大きいコネクタの熱膨張係数のリスクは、その結果として生じる高温でのシャフトの伸張が、シャフトの破損を引き起こし得るということである。それ故に、少なくとも、インペラー及びシャフト用の典型的な材料（それぞれアルミニウム合金及びスチール等）では、好ましくは、（α_c−α_s）／（α_i―α_s）の値は、０．９より小さく、より好ましくは０．８又は０．７より小さい。しかしながら、このことは、（α_c−α_s）／（α_i―α_s）の値を、１以上とすることができることを除外するものではない。特に、（α_i―α_s）の値が減少した場合、（α_c−α_s）／（α_i―α_s）のより高い値は、シャフトの損傷のリスクなしで採用することができる。従って、一つの選択肢は、インペラーを、炭化ケイ素強化アルミニウム合金のような比較的低い熱膨張係数の材料で形成することであり、これは、炭化ケイ素の量に応じて、一般には、１４〜１７×１０^-6／Ｋの範囲の熱膨張係数を有する。そのような場合、コネクタの比較的高い熱膨張係数は、インペラーの「歩行」のいくらかの傾向を軽減することができるだけでなく、コネクタとハブ延長部との間の焼嵌め摩擦連結の創出を補助することもできる。

インペラーは、シャフトの一以上の対応するセンタリング部分に嵌合されるそれぞれの嵌合面を有する一以上のセンタリング部分（これは、インペラーにより直接的に、及び／又はコネクタにより与えられる）を有することができ、シャフトのねじ部分及びシャフトのセンタリング部分は、シャフト軸に沿って分配される。

一般に、インペラーはケーシングを有し、そして、コネクタ及び／又はハブ延長部は、そのケーシングの部分とシールを形成することができる。たとえば、当該シールは、シールリングを含むことができ、これは、ケーシング部分により支持され得るとともに、コネクタ及び／又はハブ延長部の外側表面に形成された対応する周方向凹部により受容され得る。シールリングは、その半径方向内面上に、一以上の環状溝を有することができ、また、凹部は、その溝内に受容される対応する周方向リブを有することができる。他の選択肢は、シールが、ケーシング部分の対向面上に、コネクタ及び／又はハブ延長部がラビリンスを形成する構造のラビリンスシールを含むことである。

本発明の第三側面は、第二側面の連結されたインペラー及びシャフトを有するターボチャージャーを提供する。従って、インペラーは、シャフトの一端部にあるものとすることができ、そして、排気タービンが、シャフトの反対側の端部に接続され得る。

以下に、この発明の更なる選択的な特徴を詳細に述べる。

この発明の実施形態に従うシャフトに接続されたターボチャージャー・インペラーを通る断面図である。 図１のシャフトとインペラーとの間のジョイントの拡大図である。 図１のインペラーのケーシングの部分と、インペラーのハブ延長部との間のシールの拡大概略図である。 インペラーのケーシングの部分と、コネクタのフランジ部分との間のシールの拡大概略図である。 この発明の更なる実施形態に従うシャフトとインペラーとの間のジョイントの断面図を概略的に示す。 この発明の他の実施形態に従うシャフトとインペラーとの間のジョイントの断面図を概略的に示す。 この発明の実施形態に従うシャフトに接続された他のターボチャージャー・インペラーを通る断面図である。

次に、添付図面を参照しつつ、単なる例示を目的として、この発明の実施形態を説明する。

まず図１を参照すると、アルミニウム合金製のインペラー１は、コネクタ３により、二つの部分のスチール製のターボチャージャー・シャフト２に係合されている。インペラーを形成する合金（アメリカ合衆国では記号「２６１８Ａ」により知られている）は、温度が約２００℃以下の使用で比較的高い強度を有し、約２．５ｗｔ％の銅ならびに、少量のマグネシウム、鉄及びニッケルを含むアルミニウムの組成を有する。

インペラー１の合金は、約２２．７×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有し、また、シャフト２のスチールは、１１×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有する。コネクタ３の材料は、好ましくは、（α_c−α_s）／（α_i―α_s）の値が０．２より大きく、より好ましくは０．３又は０．４より大きくなるような熱膨張係数を有する。たとえば、コネクタ３は、マグネシウム合金（約２６×１０^-6／Ｋの熱膨張係数）、青銅（マンガン青銅の２０〜２１×１０^-6／Ｋと同程度の高さであるが、典型的には約１８×１０^-6／Ｋの熱膨張係数）、黄銅（約１８．７×１０^-6／Ｋの熱膨張係数）又は、ステンレス鋼（１６〜１７．３×１０^-6／Ｋの範囲の熱膨張係数）からなるものとすることができる。そのような合金はまた、シャフト２のスチールとの摩耗に耐性を示すことができる。

コネクタ３は、カップ状の形状であり、インペラー１に連結するための外側表面１４と、カップの底を形成するねじ孔１１を有するねじ部分１２と、カップの口の周囲のフランジ部分８とを有する。

シャフト２は、シリンダー状のセンタリング部分５を取り囲む第一ショルダー部４及び、そのセンタリング部分の端部から延びる更なる小径のねじ込み部分７を有するそのインペラー端部に形成される。コネクタ３は、ハブ延長部Ｈに形成された非貫通中央凹部内に挿入され、ハブ延長部Ｈの半径方向内側表面に摩擦によって連結されるコネクタ３の外表面１４を有する。コネクタ３のフランジ部分８は、ハブ延長部Ｈのシャフト側の端面９に対して嵌合して、コネクタ３及びハブ延長部Ｈの相対的な軸方向位置を決定する。フランジ部分８は、その反対側で、ショルダー部４によりシャフト２上に嵌合される。シャフトのセンタリング部分５は、コネクタの対応するセンタリング部分１０内に、近接するが締め付けずに係合して受容される。ねじ孔１１は、シャフトのねじ込み部分７上に嵌合する。ねじ部分１２は、凹部の端部からの小さなクリアランスを有する。

コネクタ３を冷却してその収縮を引き起こすとともに、インペラーを加熱してハブ延長部Ｈの膨張を引き起こし、そして、フランジ部分８が、ハブ延長部Ｈの端面９に接触するまで、コネクタ３を、ハブ延長部Ｈの中央凹部内に挿入することにより、コネクタ３は、ハブ延長部Ｈ上に係合される。それらの熱サイクルから復帰する上で、コネクタ３及びハブ延長部Ｈは、コネクタ３の外側表面１４及び、ハブ延長部Ｈの半径方向内側表面にわたって摩擦により把持する。外側表面１４は、ハブ延長部Ｈの軸方向長さの多くの部分内に延びるとともに、それに摩擦で接触する。

フランジ部分８の外径は、油捕捉／油切りリングＲが設けられ、これは、本発明のこの実施形態では、フランジ部分８内に機械加工される。しかしながら、他の選択肢としては、リングＲを、別個のコンポーネントとして形成することがある。

コネクタ３が、ハブ延長部Ｈ上に係合された後、シャフト２のねじ込み部分７は、コネクタ３のねじ部分１２上にねじ込まれ、それぞれのセンタリング部分５、１０は、シャフトが、インペラーの軸に一致することを確保する。ねじは、フランジ部分８の反対表面及びショルダー部４が当接するまでねじ込まれ、このことは、ねじの締め付けを引き起こすとともに、インペラー１とシャフト２との間の回転可能に固定された連結をもたらす。

コネクタ３を、中間の熱膨張係数を有する材料で形成することにより、コネクタ３とインペラー１との間の摩擦連結にわたって作用する異なる熱力は、シャフトと同じ熱膨張係数の材料で形成されたコネクタに対して軽減され得ることが有利である。このようにして、インペラーの「歩行」する傾向もまた軽減されることができ、これは、インペラーが、より高いトルクによって駆動されることを許容し、それによって、インペラーの最大圧力比を増加させる。また、ハブ延長部Ｈの中央凹部におけるシャフト２とコネクタ３との間のねじ連結を含むことにより、軸方向に小型な構成が達成される。コネクタ３とインペラーとの間の摩擦連結は、使用時に、シャフト２とインペラー１との間の実質的に全てのトルクを伝達する。さらに、欧州特許第１３９４３８７号明細書に記載されたタイプの拘束リングを、ハブ延長部Ｈに係合させる必要がないので、コネクタ３の係合の間、リグラインド作業を回避することができる。

インペラー１が「歩行する」いくらかの傾向がある場合、これは、フランジ部８と端面９との間に広がる間隔の大きさを測定することにより測定できることが有利である。そのため、フランジ部分８及び端面９は、コネクタ３及びハブ延長部Ｈの相対的な軸方向位置を決定することが好ましい。互いに当接して、それによって相対的な軸方向位置を決定するよう構成することができる他の対の対向構成（たとえば、ねじ部分１２及び凹部の端部等）は、検査（inspection）の影響をあまり受けない。

しかしながら、シャフトよりも大きい熱膨張係数を有するコネクタを使用することは、シャフトのねじ部分７がコネクタのねじ部分１２にねじ込まれるところのねじにおける引張応力の増加をもたらし得る。ねじにおけるその応力を減少させるため、シャフトは、図１のシャフト２とインペラー１との間のジョイントの拡大図である図２によく示されているように、二つの部分で形成される。シャフトのかかる二つの部分は、スチールで形成されて、同一又は近似の熱膨張係数を有する。

非貫通中央キャビティ２２は、シャフトの外側部分２ｂに形成されて、キャビティの底部にねじ２４を有する。シャフトの内側部分２ａは、細長いスタッドの形態をなすものであって、キャビティ内に位置し、そこから突出するスタッドの一端部を有する。内側部分は、その突出端部に、コネクタのねじ部分１２上にねじ込むねじ部分７を有する。内側部分はまた、その反対側の端部に更なるねじ部分２６を有し、これは、キャビティの底部でねじ２４上にねじ込み、シャフトの二つの部分と、回転可能に固定された関係で接続する。内側部分は更に、キャビティの口に、又はその近傍に、キャビティ内でスタッドを心合わせするセンタリング部分２８を有する。スタッドは、キャビティの非貫通端部に、追加の又は代わりのセンタリング部分を有することができる。

シャフトの外側部分２ｂは、コネクタのセンタリング部分１０に嵌合してシャフトがインペラーの軸と一致することを確保するセンタリング部分５を有する。外側部分はまた、ショルダー部分４を有し、これは、コネクタのフランジ部分８と当接し、ねじを締め付けるとともに、インペラー１とシャフト２との間の回転可能に固定された連結をもたらす。

この二つの部分の構成により、ねじ部分７からショルダー部分４までの軸方向距離ｄ₁は、ねじ部分７から更なるねじ部分２６におけるシャフトの二つの部分とねじ２４との間のジョイントまでの軸方向距離ｄ₂よりも短い。それにより、コネクタ３とシャフト２との間に生じる任意の異なる熱ひずみは、そうでない場合に比して、より長いシャフトｄ₂にわたって適合されることができる。このようにして、ねじ部分７、１２のねじにおける引張応力を軽減することができる。

図３によく示されているように、インペラー・ケーシングの部分１５及び、ハブ延長部Ｈの外側表面は極めて近接し、インペラー１とケーシングとの間への回転油及び圧力シールの提供に補助する。シールを改善するため、ハブ延長部Ｈは、その外側表面上に凹部１３を有し、これは、一端部で、コネクタの第一コンポーネントのフランジ部分８により囲まれるとともに、ケーシング部分１５により支持されたシールリング１６を受容する。シールリング１６とハブ延長部Ｈとの間の摩耗を軽減するため、ケーシング部分１５は、シールリング１６のシャフト側（図１の右側）に小さな当接面２０を有し、それに対して、シールリング１６が支持される。シールの強化をもたらすため、シールリング１６は、欧州特許出願公開第１１３０２２０号明細書に記載されているように、その半径方向内面上に環状溝１８を有し、また、凹部は、その溝を受け入れる対応する周方向リブ１７を有する。しかしながら、それに代えて、シールリングは、簡素な凹部（すなわち、リブなしのもの）内に受容される簡素なリング（すなわち、溝なしのもの）とすることができる。シールリング１６は、ケーシング部分１５と協同するとともに、アセンブリのシャフト側に潤滑油を、またアセンブリのインペラー側（図１の左側）に圧縮空気を保持することに役立つ。圧縮空気は、インペラー１の本体部、シールリング１６を有するハブ延長部Ｈ及び、インペラー・ケーシングの間に含まれ、その内側で、インペラーアセンブリが、吊り下げベアリング（図示せず）上で回転のために取り付けられる。

図４は、インペラーのケーシングの部分と更なるタイプのコネクタ３のフランジ部分８との間のシールの拡大概略図である。この場合、シールリングにより形成されるシールに代えて、一方側のフランジ部分８及びハブ延長部Ｈならびに、他方側のケーシング部分１５は、ラビリンスシールを形成するべく噛み合う加工溝の各セットを支持する嵌合面１９を有する。

図５は、この発明の更なる実施形態に従うシャフトに連結された図１及び２に示すタイプのコネクタ及びインペラーの断面図を概略的に示し、ここでは、軸方向距離ｄ₂が、軸方向距離ｄ₁よりも増大している。この実施形態では、シャフトの内側部分２ａは延長され、それにより、ダイバーの形態をなすとともに、シャフトの外側部分２ｂの両端部から突出する。それにより、この場合におけるキャビティ２２は、非貫通穴ではなく貫通穴である。またここでは、インペラー１から遠位にあるシャフトの外側部分と、ターボチャージャー排気タービン３２との間の焼嵌め連結３０を示す。

この実施形態では、タイバー２ａの拡大端部３４は、キャビティ２２のタービン端部の口の縁部３６に寄り掛かり、インペラーアセンブリをねじ部分７上にねじ込むことにより、シャフトの外側部分２ｂ内で張力を受ける。キャビティの縁部と拡大端部との間の摩擦接触が、外側部分に対するタイバーの回転の防止に十分でない場合、これらの構成は、回転を防止するに適した噛合構造、たとえばスプライン又はキー等を有することができる。他の選択肢は、タイバーのタービン端部が、シャフトの外側部分に螺合して連結されることである。さらに他の選択肢は、シャフトの二つの部分の間のジョイントが、タービン３２によってもたらされることである。たとえば、タイバーは、タービン内に形成された中央穴を通って突出するべく更に延びることができ、そして、（たとえば、タービンから突出するタイバーのねじ端部上にねじ込むとともに、タービンの側にロックするナットにより）タービンに連結されるものとすることができる。

図６は、この発明の他の実施形態に従うシャフト２に連結された図１及び２に示すタイプのコネクタ及びインペラーの断面図を概略的に示す。この実施形態では、シャフトの内側部分２ａは、シャフトの主要部分であって、インペラー１から排気タービン（図示せず）へと延び、この一方で、外側部分２ｂは、内側部分上に支持されたスリーブである。内側部分のねじ部分７は依然として、外側部分から突出する内側部分の端部にある。しかしながら、ここでは、コネクタ３の対応するセンタリング部分１０に嵌合するシャフトのセンタリング部分５は、内側部分２ａ上にある。外側部分は、内側部分上で外側部分を心合わせするそのインペラー端部に、又はそれの近傍に、センタリング部分２８’を有する。

外側部分２ｂのインペラー端部は、コネクタのフランジ８と当接するショルダー部４をなす。外側部分の反対側の端部はねじ２４を有し、これは、内側部分２ａの更なるねじ部分２６上にねじ込み、二つの部分を互いに回転可能に固定するジョイントを形成する。このように、軸方向距離ｄ₁に対する軸方向距離ｄ₂の比は、図１及び２の実施形態のそれと同様とすることができる。

上述した実施形態では、コネクタ３の外向き表面は、ハブ延長部Ｈの半径方向内側表面に摩擦により連結される。しかしながら、他の選択肢は、コネクタの内向き表面とハブ延長部の半径方向外側表面との間に、摩擦連結を作り出すことである。しかしながら、二つの部分のシャフト２の構成及び、インペラーの構成と接続するその方法は、上述した実施形態について説明したものと同じとすることができる。図７は、この発明の実施形態に従う二つの部分のシャフトに接続された他のターボチャージャー・インペラーを通る断面図を示す。シャフト２は、図１及び２に示すものと同じである。しかしながら、ここでは、コネクタ３は、ハブ延長部Ｈに形成された中央凹部内に挿入されるカップ状の形状の挿通部３３、及び、ハブ延長部Ｈの周囲のシリンダー状のスリーブ部分３４を有する。スリーブ部分１４のインペラー側端部における当接部分３１は、ハブ延長部Ｈのインペラー側端面３２に対して嵌合し、スリーブ部分１４及びハブ延長部Ｈの相対的な軸方向位置を決定する。挿通部３３の口の周囲の縁部分３８は、スリーブ部分１４及び挿通部３３を接続する。縁部分３８は、ハブ延長部Ｈのシャフト側端面９からの小さなクリアランスを有するが、その他方側で、ショルダー部４によりシャフト２上に嵌合される。シャフトのセンタリング部分５は、挿通部３３の対応するセンタリング部分１０内に、近接するが締め付けない係合で受容される。挿通部３３の端部はシャフトのねじ込み部分７上に嵌合するねじ孔１１を有するねじ部分１２を形成する。ねじ部分１２は、凹部の端部からの小さなクリアランスを有する。

コネクタ３を加熱してスリーブ部分３４の膨張を引き起こし、そしてスリーブ部分３４を、ハブ延長部Ｈのシリンダー状の外側表面上に滑動させ、ここでは冷却して、摩擦により把持させることにより、スリーブ部分３４は、ハブ延長部Ｈ上に係合される。スリーブ部分３４は、ハブ延長部Ｈの軸方向長さの大部分にわたって延びて、それに摩擦で接触するが、他の変形例では、スリーブ部分３４は、軸方向長さの一部だけにわたって延びることができ、及び／又は、摩擦接触は、スリーブ部分３４とハブ延長部Ｈとの間で、スリーブ部分３４とハブ延長部Ｈとの間のオーバーラップ領域の一部だけにわたって延びることができる。コネクタは、インペラーのアルミニウム合金より低い熱膨張係数を有し、また、それにより、スリーブ部分１４は、温度上昇とともに、ハブ延長部Ｈほど膨張しない。それらの各膨張係数のこの差は、作動時に、インペラーアセンブリが熱くなるに従い、ハブ延長部とスリーブとの間のジョイントは締まり、遠心及び熱応力の影響下で、インペラーとコネクタとの間の相対移動のいくらかの傾向を軽減するとともに、ジョイントのトルク能力を増大させる。

インペラーアセンブリは、次のようにして組み立てられる。コネクタ３を温め、当接部分３１がハブ延長部Ｈの端面３２に接触するまで、スリーブ部分３４を、ハブ延長部Ｈのシリンダー状の外側表面上にスライドさせる。コネクタの挿通部３３を、ハブ延長部Ｈの中央凹部内に挿入する。コネクタが冷えるとき、それによって、スリーブ部分３４とハブ延長部Ｈとの間には、摩擦連結が形成される。しかしながら、コネクタは、クリアランスＣが、中央凹部の側への挿通部３３の接触を防止するようなサイズである。そして、シャフト２のねじ込み部分７を、コネクタのねじ部分１２上にねじ込み、ここでは、それぞれのセンタリング部分５、１０は、シャフトがインペラーの軸と一致することを確保する。ショルダー部４及び縁部分３８の反対側の表面が当接するまで、ねじをねじ込み、このことは、ねじが締まって、インペラー１とシャフト２との間の回転可能に固定される連結をもたらす。

上述した例示的な実施形態と併せて、この発明を説明したが、多くの均等な変更、バリエーションは、この開示を与えられたときに当業者に明らかである。たとえば、コネクタのねじ部分により支持されたねじは、ヘリコイルにより保護されて、シャフトのより強い材料からのコネクタのねじへの損傷を防止することができる。従って、上述したこの発明の例示的な実施形態は、説明のためのものであり、限定するものではないと考えられる。この発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、説明した実施形態への様々な変更がなされ得る。

上述した全ての文献を、参照によりここに組み込む。

Claims (13)

1. 連結されたインペラー（１）及びシャフト（２）であって、前記シャフトが、前記インペラーの対応するねじ部分にねじ込むねじを支持するねじ部分（７）を与える第一部分（２ａ）と、前記ねじ部分がともにねじ込まれて前記ねじを締め付け、前記インペラーと前記シャフトとの間の回転可能に固定された連結をもたらすときに、前記インペラーの対応する当接面に係合する当接面を与える第二部分（２ｂ）とを有し、
   前記第一部分が、ジョイントにて、前記第二部分に対して回転可能に固定されており、前記シャフトの前記ねじ部分が、前記シャフトの前記当接面から第一距離（ｄ₁）で軸方向に離れて位置し、前記シャフトの前記ねじ部分が、前記第一距離より大きい第二距離（ｄ₂）により、前記ジョイントから軸方向に離れて位置し、前記ジョイント及び前記シャフトの前記ねじ部分が、前記インペラーの同じ側にあり、
   前記インペラーが、対応するねじ部分（１２）及び対応する当接面を与えるコネクタ（３）を有し、前記コネクタが、前記インペラーの残部に対して回転可能に固定される、連結されたインペラー及びシャフト。
2. 前記シャフトの前記第一部分が、前記シャフトの前記第二部分に形成された中央キャビティ（２２）に位置するとともに、それから突出する細長い部材であり、前記シャフトの前記ねじ部分が、前記細長い部材の突出端部に設けられるとともに、前記ジョイントが、前記細長い部材の反対側の端部にある、請求項１に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
3. 前記シャフトの前記第二部分が、前記シャフトの前記第一部分上に支持されたスリーブであり、前記シャフトの前記当接面が、前記シャフトの前記ねじ部分に近い前記スリーブの端部にあるとともに、前記ジョイントが、前記シャフトの前記ねじ部分から遠いスリーブの端部にある、請求項１に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
4. 前記インペラーが、シャフト側のハブ延長部（Ｈ）を有し、前記コネクタの内向き表面が、前記ハブ延長部の半径方向外側表面と摩擦により連結する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
5. 前記コネクタの前記内向き表面と、前記ハブ延長部の前記半径方向外側表面との間の摩擦連結が、使用時に、前記シャフトと前記インペラーとの間の実質的に全てのトルクを伝達する、請求項４に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
6. 前記シャフト側のハブ延長部（Ｈ）が中央凹部を有し、前記コネクタが、当該凹部内に挿入される、請求項４又は５に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
7. 前記インペラーが、中央凹部を有するシャフト側のハブ延長部（Ｈ）を有し、前記コネクタが、当該凹部内に挿入されており、前記コネクタの外向き表面（１４）が、前記ハブ延長部の半径方向内側表面と摩擦により連結する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
8. 前記インペラーが、前記シャフトの材料より大きい熱膨張係数を有する材料で形成されており、
   前記コネクタが、前記シャフトの材料の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有する材料で形成される、
   請求項７に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
9. α_cを前記コネクタの熱膨張係数、α_iを前記インペラーの熱膨張係数、α_sを前記シャフトの熱膨張係数としたとき、（α_c−α_s）／（α_i―α_s）の値が、０．２より大きい、請求項８に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
10. （α_c−α_s）／（α_i―α_s）の値が、１以上である、請求項９に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
11. 前記コネクタの前記外向き表面と、前記ハブ延長部の前記半径方向内側表面との間の摩擦連結が、使用時に、前記シャフトと前記インペラーとの間の実質的に全てのトルクを伝達する、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
12. 前記コネクタの前記ねじ部分が、前記中央凹部内にある、請求項６〜１１のいずれか一項に記載の連結されたインペラー及びシャフト。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の連結されたインペラー及びシャフトを有するターボチャージャー。

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