JP2016536499A - 排ガスターボチャージャ - Google Patents

Abstract

排ガスターボチャージャは、タービンホイールを有するタービンと、コンプレッサホイールを有するコンプレッサとを備える。タービンホイールと、コンプレッサホイールとは、軸受ハウジング内で回転可能に軸支されたシャフトを介して相互に結合されている。軸受は、好適にはタービンホイールとコンプレッサホイールとの間に配置されている。コンプレッサホイールとタービンホイールとの間に、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する手段が設けられており、軸方向で固定する手段は、コンプレッサホイールの破裂に際して、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとの、タービンへ向かう軸方向移動を阻止する。シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する手段は、構成要素を備え、この構成要素は、シャフトに結合されている、またはシャフトに組み付けられていて、かつハウジング内で軸方向に位置固定されている。軸方向の固定のためのこの構成要素は、組付け時に、本発明によれば、シャフトにねじ被せられる。そのために前述の構成要素は、雌ねじ山を有する。雌ねじ山に適合するように、シャフトは、逃げ溝を有する、対応する雄ねじ山を備え、逃げ溝は、シャフトに対する構成要素のねじ被せを可能にする。この場合、構成要素の雌ねじ山の最小の内径は、シャフトの雄ねじ山の最大の外径よりも小さい。

Description

本発明は、過給式の内燃機関用の排ガスターボチャージャの分野に関する。

本発明は、タービンホイールとコンプレッサホイールとを有する排ガスターボチャージャに関する。タービンホイールとコンプレッサホイールとは、シャフトを介して互いに結合されており、コンプレッサホイールとタービンホイールとの間に、コンプレサホイールの破裂に際して、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する手段が設けられている。

背景技術
内燃機関（エンジン）の出力向上のために、今日では、標準的に、内燃機関の燃焼室に燃焼（爆発、膨張）行程のための空気を供給するコンプレッサと、内燃機関の排ガス路に排ガスタービンとを有する排ガスターボチャージャが使用される。内燃機関の過給により、燃焼室（シリンダ）内の空気−燃料量が増大させられ、ゆえに内燃機関の目立った性能向上が得られる。そのために使用される排ガスターボチャージャは、標準的に、コンプレッサホイールとタービンホイールとから成るロータと、シャフト軸受と、流れを案内するハウジング部分（コンプレッサハウジング、タービンハウジング）と、軸受ハウジングとから構成されている。

内燃機関の全負荷運転時には、排ガスターボチャージャにおいて、タービンホイールおよびコンプレッサホイールの先端直径のところに極めて高い周速度が達成される。排ガスターボチャージャの最大許容ロータ回転数は、ホイールサイズ、ジオメトリおよび使用される材料の強度値の関数である。一般的に、回転する構成要素は、極めて高い遠心力荷重に、ひいては高い材料応力にさらされる。材料組織における欠陥箇所は、場合によりコンプレッサホイールまたはタービンホイールの破裂をもたらすおそれがあり、一部で、回転する構成要素を囲繞するハウジング部分の重大な結果を伴う。排ガスターボチャージャの封じ込め構想は、原則的に、全ての破片が外側ハウジングの内側に引き留められ、過給機の周辺を危険にさらすことがないように設計しなければならない。

コンプレッサホイールの破裂によるコンプレッサホイール破損に際して、ターボチャージャロータにおいて制動モーメントが消失し、それとともに、そこで自由に駆動するタービンが過剰回転数に加速され、自然破裂回転数に至ると故障する。ラジアルタービンの自然破裂に際して、２種類の破裂の間で区別が成される。

ハブ破裂の場合、タービン羽根を含む全てのハブボディが複数の破片に分解し、この場合、瞬間的にタービンの全ての回転エネルギが解放される。より大きな遠心力で外側へはじき飛ばされる破片は、囲繞しているハウジング部分を著しく破損し、破片は、最もひどい場合にはこれを打ち抜くことすらあり、これによりターボチャージャの周辺を危険にさらすことがある。

他方、タービンは、これが羽根の破裂により故障するように設計することができる。この場合、タービン羽根は、根元領域で、ハブボディに対して破損し、これに対してタービンホイールのホイールハブは損傷なく保持され、引き続き回転し、囲繞しているハウジング部分における摩擦によりはじめて制動される。羽根の破裂時に最初の瞬間ではタービン羽根がホイールハブから外されているだけなので、さしあたり羽根の運動エネルギ部分だけが周囲に放出される。回転の停止中、残りの回転エネルギ、つまりハブにおける部分は、前述の摩擦によりハウジングに放出される。

ラジアルタービンの自然破裂回転数でのラジアルタービンの羽根の破裂に際して、通常、羽根脱落後に、残留エネルギが、破裂していないハブボディ内に留まる。この場合、シャフトが軸方向で固定されていて、ターボチャージャハウジングから軸方向で抜け出てガス排出管路に達し得ないことが重要である。タービンのガス排出管路において自由回転する構成部材は所望されない。というのも、自由回転する構成部材は制御不能であり、排ガス管路の破損の原因となり得るからである。

欧州特許出願公開第１３５３０４１号明細書において、排ガスターボチャージャが公知であり、この排ガスターボチャージャでは、タービンホイールに結合されたシャフトに、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する手段が配置されている。固定手段は、コンプレッサホイールの破裂に際して、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとの、タービンへ向かう軸方向移動を阻止する。固定手段は、たとえばスナップリングであり、このスナップリングは、シャフトの溝に配置されていて、組み込まれた状態で、ハウジング部分と相俟って、シャフトに対する軸方向ストッパを形成する。

しかし、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する追加的な部分は、組付けに係る手間の増大を意味する。スナップリングの場合、さらに自動化が極めて難しく、手動で案内しなければならない。

独国特許出願公開第１０２００８０５６０５８号明細書および独国特許出願公開第１０２００８０５６０５９号明細書において、ターボチャージャシャフトに対するコンプレッサホイールの結合部が公知であり、この結合部では、それぞれコンプレッサホイールとシャフトとの間に、シャフトにねじ被せられた構成要素が設けられている。この構成要素により、コンプレッサホイール破損に際して、シャフトと、タービンホイールの、シャフトに取り付けられたハブボディとの、タービン側への抜出しを阻止することができる。この構成要素は、組付け状態で、ねじ山を介してシャフトに結合されていて、かつ軸方向ストッパを介してシャフトに緊締されている。

発明の概要
本発明の根底を成す課題は、コンプレッサホイール破裂に際して、シャフトと、タービンホイールの、シャフトに取り付けられたハブボディとの、タービン側へ向かう抜出しを阻止することができ、かつシャフトおよびタービンホイールの簡単な組付けおよび組外しを可能にする固定装置を、排ガスターボチャージャのシャフトに設けることである。

排ガスターボチャージャは、タービンホイールを有するタービンと、コンプレッサホイールを有するコンプレッサとを備える。タービンホイールと、コンプレッサホイールとは、軸受ハウジング内で回転可能に軸支されたシャフトを介して相互に結合されている。軸受は、好適にはタービンホイールとコンプレッサホイールとの間に配置されている。コンプレッサホイールとタービンホイールとの間に、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する手段が設けられており、この軸方向で固定する手段は、コンプレッサホイールの破裂に際して、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとの、タービンへ向かう軸方向移動を制限するまたは阻止する。

本発明によれば、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する手段は、構成要素を備え、この構成要素は、シャフトに結合されるまたはシャフトに組み付けられ、かつハウジングにおける軸方向ストッパにより、タービン側へ向かう軸方向の移動自由度が制限されている。この軸方向の固定のための構成要素は、組付け時に、本発明によれば、シャフトに螺合させられる。そのために前述の構成要素は、雌ねじ山を有する。雌ねじ山に適合するように、シャフトは、対応する雄ねじ山を備える。この雄ねじ山は、シャフトに対する構成要素の螺合を可能にする。この場合、構成要素の雌ねじ山の最小の内径は、シャフトの雄ねじ山の最大の外径よりも小さい。

本発明によれば、シャフトにおける雄ねじ山は、タービン側の端部で、逃げ溝を有するので、構成要素は、シャフトに組み付ける際に、組付け状態でねじ山の設けられていない逃げ溝に位置するまで、軸方向に雄ねじ山を越えて螺入させることができる。続いて、構成要素は、シャフトにおける雄ねじ山にコンプレッサホイールをねじ被せることにより、コンプレッサホイールとシャフトにおける軸方向ストッパとの間で緊締される。これにより、組付け状態で、コンプレッサホイールと軸方向ストッパとの間に緊締する際にねじ山領域における引掛かりが阻止される。しかも破裂に際して、コンプレッサホイールがねじ山から外れるものであるが、構成要素におけるねじ条（雌ねじ山）がシャフトにおけるねじ条（雄ねじ山）と係合して、軸受ハウジング部分とともに、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールの、タービンへ向かう軸方向移動を阻止する。

選択的に、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定するために使用される構成要素は、シールリングであってよい。このことは、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定するための別の部品が不要になり、したがって組付けに係る手間が低減されるまたは自動化を高めることができるという利点を有する。

別の利点は、従属請求項から明らかである。

以下に本発明によるシールディスク、およびこれに付属する、排ガスターボチャージャ用のシャフトの構成を述べて、例示的な図面に基づいて詳説する。同一作用の構成要素には、異なる図面において、同一の符号が設けられている。

ハウジング内で回転可能に軸支されたシャフトと、シャフトに結合されたター本ホイールと、シャフトに被せ嵌められたコンプレッサホイールとを備える、背景技術による排ガスターボチャージャの概略縦断面図である。 組付け状態で逃げ溝に取り付けられた、ねじ山を有するシールディスクを備える、シャフトと、シャフトに結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する本発明による手段の例示的な態様の側面図である。

発明を実施するための形態
図１は、遠心コンプレッサとラジアルタービンとを備える、背景技術による排ガスターボチャージャを示している。ラジアルタービンは、ハブボディ４と、ハブボディ４に取り付けられた回転羽根３とを有するタービンホイールを備える。タービンホイールは、軸受ハウジング９内でラジアル軸受５，６に回転可能に軸支されたシャフト１に取り付けられている、またはシャフト１と一体的に構成されている。タービンハウジング３０は、タービンホイールを包囲し、流路を画定する。流路は、高温の排ガスを内燃機関からタービンホイールを介して排気装置へ案内する。遠心コンプレッサは、コンプレッサホイール３２を備える。コンプレッサホイール３２は、同様にシャフト１に取り付けられている。コンプレッサハウジング３１は、コンプレッサ側の流路を画定し、通常、複数のハウジング部分から構成されている。

羽根破裂時の排ガスターボチャージャのタービン側の破裂構想に関する、シャフト１と、シャフト１に結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する本発明による手段の第１および第２の実施の形態は、図２および図３に示されて後で説明される装置を備える。

シャフト１と、シャフト１に結合されたタービンホイールとを軸方向で固定する本発明による手段は、雌ねじ山１３１を有する構成要素２と、シャフト１に設けられた雄ねじ山１３２とを備える。構成要素２は、シャフトに組み付けられるので、構成要素２の雌ねじ山１３１とシャフト１における雄ねじ山１３２とが相俟ってねじ結合部１３を形成する。この場合、構成要素２の雌ねじ山１３１の最小の内径は、シャフト１の雄ねじ山１３２の最大の外径よりも小さい。したがって、組付け時に、前述の構成要素２は、シャフト１に螺合させることができる。組付け状態で、構成要素２は、軸方向の固定要素として用いられる。この場合、軸受ハウジング９における軸方向ストッパが、シャフト１の移動を軸方向で制限する。軸方向ストッパは、直接的（つまり構成要素２が破裂時に直接軸受ハウジング９に当接する）または間接的（つまり別の要素、たとえばスラストディスク１１が構成部材２と軸受ハウジング９との間に位置し、したがって構成部材２は破裂時に単に間接的に軸受ハウジング９に当接する）であってよい。

本発明により、軸方向の固定に使用される前述の構成要素は、シールディスク２であってよく、このシールディスク２は、軸受ハウジング９による軸方向のシールディスク２の位置決めおよび位置固定により、軸方向の固定要素の機能を果たす。この場合、シールディスク２は、好適には、硬質材料、たとえば鋼から製造されており、これにより、コンプレッサホイールの破裂に際して、生じる軸方向力を、引留め機能を制限することなく吸収することができる。

図２は、本発明の例示的な実施の形態を表している。この実施の形態は、本発明によれば、雌ねじ山１３１を有するシールディスク２と、シャフト１に設けられた雄ねじ山１３２とから成っている。シャフト１に設けられた雄ねじ山１３２は、例示的な実施の形態では、第１の実施の形態と比べて、シャフト１の軸方向で低減された長さを有し、これにより、雄ねじ山１３２のタービン側の端部に、ねじ山の設けられていない逃げ溝１４が形成され、この逃げ溝１４は、本発明によれば、軸方向に少なくともシールディスク２の厚さに相当する長さを有する。組付け状態で、シールディスク２の雌ねじ山１３１は、前述の逃げ溝１４に位置し、これにより、ねじ条におけるシールディスク２の不都合な引掛かりが排除される。組付け時に、シャフト１は、同様にタービン側から（図２において右側から）、コンプレッサ側へ（左側へ）シールディスク２を通って、シールディスク２のねじ山が完全に逃げ溝１４に位置するまでねじ込まれる。コンプレッサホイール３２を組み付けた後で、シールディスク２は、コンプレッサホイール３２とシャフトにおける軸方向ストッパとの間のプレス結合部にクランプされ、これにより、シールディスク２は、動作状態で、シャフト１に固く結合されている。

選択的に、このクランプ結合部に、たとえばスラストディスク１１のような別の構成要素が配置されていてよい。軸受ハウジング９内で、シールディスク２が、軸受カバー１２と、軸受ハウジングに固く結合されたスラスト軸受７との間に配置されている。スラスト軸受７に、シールディスク２は、タービンへ向かうシャフトの軸方向移動を制限するために当接する。軸方向移動の制限は、別の構成部材を介して行ってもよい。たとえば、シャフト１は、シールディスク２を介して、また軸受ハウジング９におけるスラストディスク１１の当接を介して、軸方向で固定することができる。

１ ターボチャージャシャフト
２ 構成要素／シールディスク
３ タービンホイールの回転羽根
４ タービンホイールのハブボディ
５ タービン側のラジアル軸受
６ コンプレッサ側のラジアル軸受
７ スラスト軸受
８ 軸受ハウジングのフランジ
９ 軸受ハウジング
１１ スラストディスク
１２ 軸受カバー
１３ ねじ結合部
１３１ 構成要素における雌ねじ山
１３２ シャフトにおける雄ねじ山
１４ 逃げ溝
３０ タービンハウジング
３１ コンプレッサハウジング
３２ コンプレッサホイール
３２１ コンプレッサホイールにおける雌ねじ山

Claims (4)

1. 排ガスターボチャージャであって、
   タービンホイール（４）を有するタービンと、コンプレッサホイール（３２）を有するコンプレッサとを備え、
   前記タービンホイール（４）と、前記コンプレッサホイール（３２）とは、軸受ハウジング（９）内で回転可能に軸支されたシャフト（１）を介して相互に結合されており、
   前記コンプレッサホイール（３２）と前記タービンホイール（４）との間に、前記シャフト（１）と、該シャフト（１）に結合された前記タービンホイール（４）とを軸方向で固定する手段が設けられており、軸方向で固定する該手段は、前記コンプレッサホイール（３２）の破裂に際して、前記シャフト（１）と、該シャフト（１）に結合された前記タービンホイール（４）との、タービンへ向かう軸方向移動を制限し、
   前記シャフト（１）と、該シャフト（１）に結合された前記タービンホイール（４）とを軸方向で固定する前記手段は、構成要素（２）を有し、該構成要素（２）は、前記シャフトに取り付けられていて、かつ雌ねじ山（１３１）を有し、
   前記シャフト（１）と、該シャフト（１）に結合された前記タービンホイール（４）とを軸方向で固定する前記手段は、前記シャフト（１）に設けられた雄ねじ山（１３２）をさらに有し、
   前記シャフト（１）と、該シャフト（１）に結合された前記タービンホイール（４）とを軸方向で固定する前記手段は、前記軸受ハウジングにおける軸方向ストッパをさらに有し、
   前記構成要素（２）の前記雌ねじ山（１３１）は、前記シャフト（１）に前記構成要素（２）を組み付ける際に、前記シャフト（１）に設けられた前記雄ねじ山（１３２）とねじ結合部（１３）を形成し、
   前記軸受ハウジングにおける前記軸方向ストッパが、前記コンプレッサホイール（３２）の破裂に際して、前記タービンへ向かう前記構成要素（２）の軸方向移動ひいては前記シャフトの軸方向移動を制限する、
   排ガスターボチャージャにおいて、
   前記シャフト（１）に設けられた前記雄ねじ山（１３２）は、該雄ねじ山（１３２）のタービン側の端部に、逃げ溝（１４）を有し、
   前記構成要素（２）の前記雌ねじ山（１３１）は、組付け状態で、前記雄ねじ山のタービン側で前記逃げ溝（１４）に位置する、
   ことを特徴とする、排ガスターボチャージャ。
2. 前記ねじ結合部（１３）は、多条のねじ山を有する、請求項１記載の排ガスターボチャージャ。
3. 前記構成要素（２）は、シールリングである、請求項１または２記載の排ガスターボチャージャ。
4. 前記シャフト（１）は、前記コンプレッサホイール（３２）を螺合させるための雄ねじ山（１３２）を有し、前記シャフト（１）に設けられた、前記構成要素（２）を螺合させるための前記雄ねじ山（１３２）は、前記コンプレッサホイール（３２）の取り付けにも用いられるのと同一の雄ねじ山（１３２）である、請求項１から３までのいずれか１項記載の排ガスターボチャージャ。

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