JP4595758B2

JP4595758B2 - ターボチャージャ

Info

Publication number: JP4595758B2
Application number: JP2005261969A
Authority: JP
Inventors: 孝佳北田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: CN1928334B; DE102006000452A1; DE102006000452B4; JP2007071177A; CN1928334A

Description

この発明は、ターボチャージャに係り、特に、コンプレッサインペラを電動機で駆動可能な電動機付ターボチャージャに関する。

従来、例えば特許文献１には、コンプレッサインペラを電動機で駆動可能な電動機付ターボチャージャが開示されている。このターボチャージャは、コンプレッサインペラとタービンインペラとを連結する連結軸を備えている。タービンインペラは、その連結軸の一端に固定されている。また、連結軸には、タービンインペラ側から、電動機の回転子、連結軸より線膨張係数の高いカラー、およびコンプレッサインペラの順で、これらの部材が組み込まれる。そして、これらの部材が組み込まれた状態で、コンプレッサインペラ側からナットによる締め付けが行われ、これらの部材がナットによる軸力で互いに押し付けられるように固定されている。このような構成によって、上記従来のターボチャージャでは、ターボチャージャが高熱となる状況下において、ナットが緩むのを防止している。

実開平３−１３４３１号公報特開昭６３−２４８９２６号公報特開昭６３−２６６１２６号公報

ターボチャージャにおいて、連結軸におけるコンプレッサインペラとタービンインペラとの間には、例えば上記従来技術における電動機の回転子などの中間部材が配置されることがある。そのような中間部材が例えば電動機の回転子の場合、連結軸上に配置される回転子には、通電時に回転モーメントが作用する。このため、回転子をナット等の固定部材によって十分な軸力で確実に締め付ける必要がある。しかしながら、ナット等の締め付けトルクを不用意に増大させると、連結軸に軸曲がりが生じてしまう可能性があり、また、それに伴い、連結軸が高速回転する際に、振動が増大してしまうことにもなる。

その一方で、連結軸は、ターボチャージャの良好な応答性を確保する観点からは、出来るだけ細いものとすることで軽量化がなされていることが望ましい。従って、中間部材を確実に固定する目的で、より大きな軸力に耐えられるように連結軸全体の径を増加させることとすると、回転部分の重量の増加を招くことになり、上記の応答性の要求を満たすことができなくなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、回転部分の重量増を最小限に抑えつつ、連結軸の軸曲がりを生じにくくさせながら固定部材の緩みを確実に防止することのできるターボチャージャを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、コンプレッサインペラとタービンインペラとを連結する連結軸を備え、当該連結軸上における前記コンプレッサインペラと前記タービンインペラとの間に中間部材が配置されるターボチャージャであって、
前記連結軸は、前記タービンインペラが一端に固定された大径部と、当該大径部に比して径の小さな小径部とを有し、
前記連結軸の前記小径部上に形成された第１ネジ部と、
前記連結軸の前記大径部上に形成された第２ネジ部と、
前記第１ネジ部と噛み合わされ、前記コンプレッサインペラを、前記大径部の他端との間で固定する第１固定部材と、
前記第２ネジ部と噛み合わされ、前記中間部材の少なくとも１つを前記タービンインペラとの間で固定する第２固定部材と、
を備え、
前記少なくとも１つの中間部材は、前記第１固定部材によって前記コンプレッサインペラが固定される際の軸力よりも大きな軸力で、前記第２固定部材によって固定されることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記第２固定部材により固定される前記少なくとも１つの中間部材は、回転子であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記回転子は、当該回転子の磁石を覆うように設けられ、前記連結軸に比して線膨張係数の高い磁石保持部材を備え、
前記磁石保持部材が、前記第２固定部材と前記タービンインペラとの間に介在していることを特徴とする。

第１の発明によれば、連結軸における熱源（タービン）から近い側の部位を大径としているため、そのような大径部上に配置される中間部材を、軸曲がりを抑制しつつ、十分な軸力で固定することができる。そして、熱源から遠い側の小径部上に配置されるコンプレッサインペラは、熱源から離れた大径部の他端を基準として連結軸に固定されるため、熱による影響が受けにくくなる。このため、コンプレッサインペラを固定するための軸力が小さくて済む。このため、コンプレッサインペラを固定する部分の径が小さくても、軸曲がりが生じにくくなる。このように、本発明によれば、回転部分の重量増を最小限に抑えつつ、連結軸の軸曲がりを生じにくくさせながら固定部材の緩みを確実に防止することができる。

第２の発明によれば、連結軸において、通電時に電動機が発する熱を受けて高温になり易い部位に組み込まれる回転子を、コンプレッサインペラと別の第２固定部材によって固定しているため、電動機が発する熱の影響をも排除して、より確実に固定部材の緩みを防止することができる。

第３の発明によれば、高温時には、磁石保持部材が連結軸に比してより大きく伸びるため、第２固定部材が発生させる軸力の低下を効果的に防止することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるターボチャージャ１０の構成を説明するための断面図である。図１に示すように、本実施形態のターボチャージャ１０は、コンプレッサインペラ１２とタービンインペラ１４とを連結する連結軸１６を備えている。連結軸１６は、ターボチャージャ１０中央のセンタハウジング１８の内部において、軸受２０、２２によって回転自在に支持されている。

コンプレッサインペラ１２は、センタハウジング１８に隣接するコンプレッサハウジング２４の内部に配置されており、また、タービンインペラ１４は、センタハウジング１８の他方に隣接するタービンハウジング２６の内部に配置されている。本実施形態のターボチャージャ１０は、また、センタハウジング１８の内部に、コンプレッサインペラ１２を強制的に駆動し得る電動機２８を備えている。

連結軸１６は、大径部１６aと、この大径部１６aよりも径が小さい小径部１６bを有している。大径部１６a一端には、タービンインペラ１４が溶接等によって固定されている。より具体的には、連結軸１６におけるタービンインペラ１４に近い側の部位が大径部１６aとなっており、コンプレッサインペラ１２が組み込まれる側の部位が小径部１６bとなっている。大径部１６aと小径部１６bとの境界は、段差を有して径が切り換わるように構成されており、その境界部には、連結軸１６の軸線に対して直交する平面部１６cが設けられている。

連結軸１６の大径部１６aには、タービンインペラ１４側の端部に、径方向に突出したフランジ部１６dが形成されている。大径部１６aには、タービンインペラ１４側から順に、スリーブ３０、および電動機２８の回転子３２が組み込まれている。大径部１６aには、平面部１６cの近傍に、ネジ部１６eが設けられている。スリーブ３０および回転子３２は、スリーブ３０がフランジ部１６dに当接した状態で、ネジ部１６eと噛み合わされる大型ナット３４によって回転子３２側から締め付けられることで、連結軸１６に対する位置が固定される。

スリーブ３０は、上述した軸受２０と連結軸１６との間に組み込まれている。スリーブ３０の表面には、高周波焼入れ等の熱処理が施されている。回転子３２は、磁石３２aとその磁石３２aを覆うように形成された磁石保持管３２bとによって構成されている。磁石保持管３２bには、連結軸１６よりも線膨張係数の高い部材が用いられている。より具体的には、この磁石保持管３２bが、スリーブ３０および大型ナット３４に対して、それぞれ接しており、これにより、スリーブ３０と大型ナット３４との間の位置が規定されている。

連結軸１６の小径部１６bには、平面部１６c側から順に、スリーブ３６、スラストカラー３８、シールリングカラー４０、およびコンプレッサインペラ１２が組み込まれている。小径部１６bには、その先端部の近傍に、ネジ部１６fが設けられている。これらのスリーブ３６、スラストカラー３８、シールリングカラー４０、およびコンプレッサインペラ１２は、スリーブ３６が平面部１６cに当接した状態で、ネジ部１６fと噛み合わされる小型ナット４２によってコンプレッサインペラ１２側から締め付けられることで、連結軸１６に対する位置が固定される。スリーブ３６は、上述した軸受２２と連結軸１６との間に組み込まれている。スリーブ３６の表面には、スリーブ３０と同様の熱処理が施されている。

尚、スラストカラー３８は、連結軸１６の軸方向の移動を規制するスラスト軸受４４に係合する部材であり、シールリングカラー４０は、軸受２２を潤滑するオイルがセンタハウジング１８側からコンプレッサハウジング２４側に流出するのを防ぐためのシールリング４６を収納するための部材である。シールリング４６は、タービンインペラ１４側の端部にも配置されている。また、センタハウジング１８には、回転子３２を覆うように固定子４８が組み込まれている。固定子４８は、ステータコア５０とコイル巻き線部５２とによって構成されている。センタハウジング１８の内部には、通電時に発熱する固定子４８を冷却するために、固定子４８を取り囲むように水通路５４が設けられている。更に、センタハウジング１８には、軸受２０、２２にオイルを供給するためのオイル供給通路５６と、そのオイルをセンタハウジング１８から排出するためのオイルドレーン通路５８とが設けられている。

以上説明した通り、本実施形態のターボチャージャ１０における連結軸１６では、コンプレッサインペラ１２と回転子３２とを別々のナットで締め付けるようにしている。回転子３２には、通電時に回転モーメントが作用するので、ナットによる軸力を大きくしたいという要求がある。上記の構成では、小径部１６aに比して径の大きい大径部１６b側に回転子３２を組み込むこととし、大型ナット３４によって締め付けている。このため、連結軸１６の軸曲がりを抑制しつつ、十分な軸力で回転子３２を連結軸１６に固定することができる。また、大型ナット３４によって軸力を上げられることにより、タービン側から受ける排気ガスの熱の影響により、連結軸１６が熱膨脹する際の大型ナット３４の緩みを低減することができる。

また、上記の構成では、コンプレッサインペラ１２は、連結軸１６上において、熱源（タービン）からの位置が遠い平面部１６cを基準として組み付けられている。このため、熱による影響を受けにくくすることができ、小径部１６aにおける熱膨張による伸びが小さくなる。更に、大きな軸力で締め付けたい回転子３２とは別の小径部１６a側に組み付けられている。これらの要因によって、小型ナット４２の締め付けトルクが小さくて済むようになる。

これにより、連結軸１６の軸曲がりを軽減することができ、回転時の振動を抑えることができる。また、連結軸１６において、コンプレッサインペラ１２を固定する部位（小径部１６b）を、回転子３２を固定する部位（大径部１６a）に比して細くすることが可能となる。以上のように、本実施形態の構成によれば、ターボチャージャ１０における回転部分の重量増を最小限に抑えつつ、連結軸１６の軸曲がりを生じにくくさせながらナット３４、４２の緩みを確実に防止することができる。

連結軸１６における回転子３２の近傍の部位は、熱源となるタービン側に近いのに加え、通電時に固定子４８に発生する熱を受けて高温になり易い。上記の構成では、そのような環境にあり、熱の影響を受け易い部位に配置される回転子３２を、コンプレッサインペラ１２とは別の固定部材によって固定している。このため、電動機２８が発する熱の影響をも排除して、より確実にナット３４、４２の緩みを防止することができる。

また、上記の構成では、回転子３２の磁石保持管３２bが、連結軸１６よりも線膨張係数の高い部材によって構成されている。磁石保持管３２bは、熱源となるタービン側に近く、かつ、通電時に発熱する固定子４８に近いため、高温になり易い。つまり、上記の構成によれば、連結軸１６上に組み込まれる部材であって高温になり易い部材の線膨張係数を連結軸１６よりも高くしている。このため、高温時に磁石保持管３２bが連結軸１６に比してより大きく伸びることで、大型ナット３４が発生させる軸力の低下を効果的に防止することができる。

また、上記の構成では、事前に熱処理を施したスリーブ３０、３６を連結軸１６と軸受２０、２２との間に介在させることとしている。連結軸における軸受により保持される部位には、一般に、耐摩耗性向上のため、高周波焼入れ等の熱処理が施される。このような熱処理が行われる工程では、連結軸を高温にするため、軸曲がりが発生し易い。そのような軸曲がりが生ずると、連結軸とタービンインペラを一体化した状態で回転時のアンバランス量が大きくなり、製品の歩留まりが低下してしまう。これに対し、上記の構成によれば、スリーブ３０、３６が単品である状態で熱処理を行った後に仕上げ加工をするので、連結軸に軸曲がりが生ずるリスクを無くすことができる。

尚、上述した実施の形態１においては、スリーブ３０、回転子３２、スリーブ３６、スラストカラー３８、シールリングカラー４０、およびコンプレッサインペラ１２が前記第１の発明における「中間部材」に、タービンインペラ１４が前記第１の発明における「タービンインペラ」に、コンプレッサインペラ１２が前記第１の発明における「コンプレッサインペラ」に、ネジ部１６fが前記第１の発明における「第１ネジ部」に、ネジ部１６eが前記第１の発明における「第２ネジ部」に、小型ナット４２が前記第１の発明における「第１固定部材」に、回転子３２が前記第１の発明における「中間部材の少なくとも１つ」に、大型ナット３４が前記第１の発明における「第２固定部材」に、それぞれ相当している。
また、磁石保持管３２bが前記第３の発明における「磁石保持部材」に相当している。

本発明の実施の形態１におけるターボチャージャの構成を説明するための断面図である。

符号の説明

１０ターボチャージャ
１２コンプレッサインペラ
１４タービンインペラ
１６連結軸
１６a 大径部
１６b 小径部
１６c 平面部
２８電動機
３０、３６スリーブ
３２回転子
３４大型ナット
３８スラストカラー
４０シールリングカラー
４２小型ナット

Claims

コンプレッサインペラとタービンインペラとを連結する連結軸を備え、当該連結軸上における前記コンプレッサインペラと前記タービンインペラとの間に中間部材が配置されるターボチャージャであって、
前記連結軸は、前記タービンインペラが一端に固定された大径部と、当該大径部に比して径の小さな小径部とを有し、
前記連結軸の前記小径部上に形成された第１ネジ部と、
前記連結軸の前記大径部上に形成された第２ネジ部と、
前記第１ネジ部と噛み合わされ、前記コンプレッサインペラを、前記大径部の他端との間で固定する第１固定部材と、
前記第２ネジ部と噛み合わされ、前記中間部材の少なくとも１つを前記タービンインペラとの間で固定する第２固定部材と、
を備え、
前記少なくとも１つの中間部材は、前記第１固定部材によって前記コンプレッサインペラが固定される際の軸力よりも大きな軸力で、前記第２固定部材によって固定されることを特徴とするターボチャージャ。
前記第２固定部材により固定される前記少なくとも１つの中間部材は、回転子であることを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
前記回転子は、当該回転子の磁石を覆うように設けられ、前記連結軸に比して線膨張係数の高い磁石保持部材を備え、
前記磁石保持部材が、前記第２固定部材と前記タービンインペラとの間に介在していることを特徴とする請求項２記載のターボチャージャ。