JP4625035B2 - シャフトアッセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、セラミックコンポーネントおよび金属コンポーネントを有するシャフトアッセンブリに関する。

セラミックシャフトと金属シャフトとの高強度の結合は、種々のコンポーネントで必要とされている。１つの例としては、セラミック一体型ブレードロータであり、エンジンスタータ、ガスタービンエンジン、ターボチャージャおよび他の種類の回転装置に用いられている。ろう付け技術やセラミックと金属の境界を形成する金属化（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）技術に関する周知の技術がかなり存在している。

トルク容量を改善するためにセラミックと金属の結合強度を改善する必要がある。他に、セラミックと金属とを結合する作業中やその後、ろう付け用フォイルの厚さと位置を制御する必要がある。通常では、非常に複雑で、エラーが生じやすいろう付け用固定具が使用されている。加えて、先行技術で必要とされているろう付け温度の正確な制御によって、製造費用を最小限にすることができる。

例示的な構成は、特許文献１に記載されており、セラミックシャフトは、金属シャフトにろう付けされる複数の金属キー（ｍｅｔａｌ ｋｅｙ）を備えている。この種の構成の主な欠点は、金属キーを受けるセラミックシャフトを加工する費用が高いことである。この方法の第２の欠点は、セラミック部分内に加工されたスロットに応力が集中し、応力下で破損する可能性が高まる点である。

金属コンポーネントをセラミックコンポーネントにろう付けする場合には、ろう付け層は、熱膨張の不整合による応力を最小限にする重要な役割を果たす。このような応力は、ろう付け温度から冷却する際に生じる。セラミック部材と金属部材との間の熱膨張率の大きな違いが原因で、このような応力が増大する。一般的に使用される活性金属のろう付け材料は、高い延性を有し、応力が解消するのを助けるが、ろう付け層が非常に薄くなると、実質的な効果は減少する。
米国特許第４，６７９，９６０号

従って、ろう付け材料の厚さを制御する必要がある。他には、セラミック部材と金属部材との間の位置関係を制御する必要もある。シャフトの場合は、セラミックシャフトと金属シャフトが、適正な最終用途のために軸方向に整列する必要がある。このような位置調整をするのに用いられる通常のろう付け用器具は、一定した結果にならない。従って、ほとんどの場合、結合後に、金属部材の研磨もしくは機械加工を必要とする。この付加的な工程によって、製造工程にさらなる費用と時間が費やされる。さらに、結合部のセラミック部分の損傷が、このような加工時に生じることがある。

本発明は、金属部材とセラミック部材との間の結合を改良し、上述の先行技術の欠陥および欠点を回避する。

本発明の実施例により設計された例示的なアッセンブリは、セラミックシャフトと金属シャフトとを含む。一方のシャフトは、端部付近に略円錐状の部分を有する。他方のシャフトは、一方のシャフトの略円錐状の部分を少なくとも部分的に受ける略円錐状のリセスを有する。略円錐状のリセスは、第１の部分を有し、この第１の部分は、略円錐状の部分の対応する部分を直接受ける。このリセスは、第２の部分を有し、この第２の部分は、略円錐状の部分の対応する部分から半径方向に間隔を有する。このリセスの第２の部分は、上記間隔の２倍より大きい軸方向長さを有する。第２の部分内のろう付け用合金が、セラミックシャフトを金属シャフトに結合させる。

一実施例においては、セラミックシャフトが略円錐状の部分を有し、金属シャフトがリセスを有する。

他の実施例においては、第１の部分と第２の部分との間の移行面が、直線的な断面形状を有する。

図１は、金属シャフト１４に結合したセラミックシャフト１２を有するシャフトアッセンブリ１０を概略的に示す。

図２に示されるように、例示的なセラミックシャフト１２は、一方の端部に略円錐部分２０を有する。この実施例においては、略円錐部分２０の端部２２は、切頭円錐形で、円錐部分は、曲線的な外面を有する。セラミックシャフト１２の端部に関する他の略円錐の形状も、本発明の範囲内となる。本発明を利用しようとする当業者であれば、特定の状況における条件を満たす最適な形状を認識することができるであろう。

例示的な金属シャフト１４は、セラミックシャフト１２の略円錐部分２０を少なくとも部分的に受ける略円錐状のリセス３０を有する。例示の実施例においては、このリセス３０は、内側表面を有する第１の部分３２を有する。この内側表面は、セラミックシャフト１２の対応する部分３４を直接受ける。この第１の部分３２は、セラミックシャフト１２を金属シャフト１４に対して軸方向に整列させるように働く。

一実施例においては、リセス３０の第１の部分３２の内側の寸法は、セラミックシャフト１２の部分３４の外側寸法に対応するように設定する。他の実施例においては、第１の部分３２の内側の寸法は、対応する部分３４の外側の寸法よりも僅かに大きい。この後者の実施例においては、ろう付けする間、金属部材とセラミック部材との間の膨張率が異なるので、第１の部分３２は、セラミックシャフト１２がより中心に位置するように働く。

図面から理解されるように、円錐状のリセス３０の深さは、このリセス内に受ける略円錐部分２０の長さよりも長い。従って、略円錐部分２０の端部２２とリセス３０の最深部との間に隙間３６が存在する。この隙間３６によって、互いのシャフトの中心合わせがさらに容易になる。

リセス３０は、第２の部分４０を含み、この第２の部分は、セラミックシャフト１２の略円錐部分２０の対応する部分４２から半径方向に間隔を隔てている。第２の部分４０内のろう付け用合金４４が、セラミックシャフト１２を金属シャフト１４に結合する。この実施例においては、ろう付け用合金４４によって、セラミックシャフト１２とリセス３０の第２の部分４０との間の隙間は完全にふさがれる。

この例示的な実施例の１つの利点は、第２の部分４０の内側表面と、対応する部分４２の外側表面と、の間の半径方向の間隔を決定することによって、ろう付け合金４４の厚さを選択でき、かつ精密に制御することができる点である。すなわち、第２の部分４０の半径方向の深さを決めることによって、この例示的な構成は、ろう付け用合金４４の厚さを、精密に制御することができる。

図面から理解されるように、例示的な第２の部分４０は、この第２の部分の半径方向の深さ（図面の右から左への方向）よりも相当に長い軸方向の長さ（軸４８に沿った方向の長さ）を有する。一実施例においては、第２の部分４０の長さは、深さ（第２の部分４０の内側表面と対応する部分４２の外側表面との間の距離）の２倍より大きい。

他の本発明の特徴は、第１の部分３２と第２の部分４０との間の移行面５０が、直線的な形状である点である。例示された実施例においては、移行面５０は、第１の部分３２の表面および第２の部分４０の表面に対してほぼ垂直である。垂直な移行面の利点の１つは、第２の部分４０内にろう付け用合金を維持するように働く点である。

例示的な実施例においては、第１の部分３２は、第２の部分４０の内側表面と平行な内側表面を有する。この実施例においては、リセス３０の各々の内側表面は、シャフトアッセンブリの軸４８に対して角度Ａで一致している。一実施例においては、この角度Ａは、約９〜２０°である。

一実施例においては、略円錐部分２０を備えた窒化ケイ素のセラミックシャフト１２の直径は、０．６２５インチ（１．５９ｃｍ）である。中間層のろう付け用合金４４は、厚さが０．００４インチ（０．０１ｃｍ）のＩｎｃｕｓｉｌ（登録商標）活性金属のろう付け用フォイル層の２つと、これらの間にある厚さが０．０１０インチ（０．０２５ｃｍ）のモリブデンフォイル層と、を含む。セラミックシャフト１２の略円錐部分２０の外側の形状は、中間層に用いられるフォイルの形状と同一である。この実施例の金属シャフト１４は、Ｉｎｃｏｌｏｙ９０９（登録商標）である。この構成においては、約２６０〜２９０Ｉｂｓ‐ｆｔのねじれ強度を有する。

一実施例においては、ろう付け用合金のフォイルが、所望の形状を有するように形成され、リセス３０の第２の部分４０内に配置され、次に、セラミックシャフト１２の円錐部分２０が、リセス３０内に配置される。その後、鉛直方向にシャフトの軸が配置された状態で適宜のろう付け用の炉に入れられ、第１の部分３２と対応する部分３４との間の協調によってシャフトが精密に整列される。

ろう付け温度において、金属シャフトは、セラミックシャフトよりも高い比率で膨張する。金属シャフト１４とセラミックシャフト１２との間の隙間は、第２の部分４０の選択した半径方向の深さ、ならびに、選択した金属材料およびセラミック材料の周知の特性（すなわち膨張率）に基づいて制御される。一実施例においては、ろう付け用合金４４によって満たされる隙間は、約０．００３５インチ（０．００８８９ｃｍ）である。ろう付け用温度では、ろう付け用のフォイルは液体になり、隙間を埋める。

金属シャフト１４は、従来の機械加工技術を用いて、第１の部分３２および第２の部分４０を有する階段状のリセス３０を形成するように機械加工することができる。

図３は例示的な他の実施例を示しており、ここでは、熱膨張のために中間に配置される金属の結合部材６０が、ろう付け用合金４４を用いて、セラミックシャフト１２に結合される。次に、金属シャフト１４は、結合部材６０がセラミックシャフト１２に結合されたのと同様の方法で、結合部材６０に結合される。この実施例においては、中間の結合部材６０は、金属製で、セラミックシャフト１２の略円錐端部分２０を受ける略円錐状のリセス１３０を有する。結合部材６０は、反対側の端部で、シャフト１４の略円錐状のリセス３０内に少なくとも部分的に収容される略円錐部分１２０を有する。

図３の例において示される構成では、上述したように階段状の円錐状の構成を用いて、低い膨張率の合金の結合部材６０をセラミックシャフト１２にろう付けすることができる。そして、次に、この結合部材６０は、結合部材６０と金属シャフト１４との間を結合するために、階段状の円錐状の構成を用いて、金属シャフト１４にろう付けすることができる。一実施例においては、結合部材６０は、ＴＺＭモリブデンを含む。円錐部分２０，１２０のろう付けしない部分３４，１３４は、各々、第１の部分１３２，３２と協働して、セラミックシャフト１２と、結合部材６０と、金属シャフト１４と、を軸方向に整列させる。

図４は、別の実施例を示しており、ここでは、第２の部分４０が、例示の図２の実施例に含まれていた部分と異なる。この実施例では、第２の部分４０´は、リセス３０の開口した端部まで延在していない。この第２の部分４０´は、ろう付け用合金を受けるためにリセス３０内に形成された環状または溝状をなす。一実施例においては、ろう付け用フォイルを含む。他の実施例においては、ろう付け用リングを含む。

例示の実施例は、第２の部分４０´の各々の端部に移行面５０を有する。この実施例においては、移行面５０は直線状で、円錐部分２０に面しているリセス３０の表面に対してほぼ垂直である。

本発明の実施例によって設計した例示的なシャフトアッセンブリの概略的な斜視図。 図１の２‐２線に沿った断面図。 他の例示的な実施例を示す図２と同様な例示的な断面図。 別の実施例の断面図。

符号の説明

１２…セラミックシャフト
１４…金属シャフト
２０…円錐部分
３０…リセス
３２…第１の部分
３６…隙間
４０…第２の部分
４４…ろう付け用合金

Claims (12)

1. 回転装置のシャフトアッセンブリであって、
   セラミックシャフトと、
   金属シャフトと、
   ろう付け用合金と、を含み、
   上記セラミックシャフトが、シャフト端部付近で略円錐部分を有し、上記金属シャフトが上記略円錐部分を少なくとも部分的に受ける略円錐状のリセスを有し、この略円錐状のリセスは、上記略円錐部分の対応する部分を直接受けるように軸方向に関して第１の角度で延在するシャフト係合面を備えた第１の部分と、上記第１の部分から軸を中心として半径方向外側に所定の半径方向間隔を介して上記第１の部分と平行に上記金属シャフトに沿って延びる第２の部分と、上記第１の部分と上記第２の部分との間の、上記第１の角度に対して垂直な直線状の移行面と、を有し、さらに、この第２の部分は、軸方向に関して上記間隔の２倍より大きい長さを有するように上記金属シャフトに沿って延在しており、
   上記ろう付け用合金が、上記第２の部分内に設けられ、上記セラミックシャフトと上記金属シャフトとを結合させる
   ことを特徴とするシャフトアッセンブリ。
2. 上記略円錐状のリセスの第２の部分が、上記移行面と、上記略円錐状のリセスの開口端部と、の間に延在していることを特徴とする請求項１に記載のシャフトアッセンブリ。
3. 上記第２の部分は、上記第１の角度で軸方向に延在する面を有することを特徴とする請求項１に記載のシャフトアッセンブリ。
4. 上記リセスが上記略円錐部分を受けることにより、セラミックシャフトと金属シャフトとを軸方向に整列させることを特徴とする請求項１に記載のシャフトアッセンブリ。
5. 上記第２の部分は、半径方向の深さを有し、上記ろう付け用合金が、上記半径方向の深さと等しい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のシャフトアッセンブリ。
6. 上記ろう付け用合金が、第２の部分を完全に満たし、上記第２の部分と、略円錐部分を有するシャフトの上記対応する部分と、の間の全ての空間を満たすことを特徴とする請求項５に記載のシャフトアッセンブリ。
7. 金属シャフトが、金属製の結合部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のシャフトアッセンブリ。
8. 回転装置のシャフトアッセンブリであって、
   セラミックシャフトと、
   金属シャフトと、
   ろう付け用合金と、を含み、
   上記セラミックシャフトが、端部付近で略円錐部分を有し、上記金属シャフトが上記円錐部分を少なくとも部分的に受ける略円錐状のリセスを有し、この略円錐状のリセスは、上記略円錐部分の対応する部分を直接受けるように軸方向に関して第１の角度で延在するシャフト係合面を備えた第１の部分と、上記第１の部分から軸を中心として半径方向外側に所定の半径方向間隔を介して上記第１の部分と平行に上記金属シャフトに沿って延びる第２の部分と、を有し、かつ、上記第１の部分と上記第２の部分との間の移行面が、上記第１の角度に対して垂直な直線状の断面を有し、
   上記ろう付け用合金が、上記第２の部分内に設けられ、上記セラミックシャフトと上記金属シャフトとを結合させることを特徴とするシャフトアッセンブリ。
9. 上記リセスの第２の部分が、上記移行面と上記リセスの開口端部との間に延在することを特徴とする請求項８に記載のシャフトアッセンブリ。
10. 上記第２の部分が、上記第１の角度で軸方向に延在している面を有していることを特徴とする請求項８に記載のシャフトアッセンブリ。
11. 上記リセスがこのリセス内に略円錐部分を受けることにより、セラミックシャフトと金属シャフトとを軸方向に整列させることを特徴とする請求項８に記載のシャフトアッセンブリ。
12. 上記第２の部分が、軸方向に関して上記の間隔の２倍より大きい長さを有するように上記金属シャフトに沿って延在することを特徴とする請求項８に記載のシャフトアッセンブリ。

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