JP5157813B2

JP5157813B2 - ターボ過給機

Info

Publication number: JP5157813B2
Application number: JP2008268539A
Authority: JP
Inventors: 正和田畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: JP2010096115A

Description

本発明は、複数のブレードを有するホイールと、ホイールと同軸に設けられて先端がそのホイールと溶接されて一体化されるシャフトとを備えたターボ過給機に関する。

シャフトにホイール（ロータとも呼ばれる。）が嵌め込まれて一体化しているターボ過給機が知られている。このようなターボ過給機に設けられるタービンホイールとして、例えば回転軸線方向に突出する軸部を有するセラミックロータと、先端にセラミックロータの軸部が同軸に嵌合する凹部を有する金属シャフトとを備え、凹部を形成する周壁が先端に向かって肉薄に形成されているとともにその周壁の先端と対向するセラミックロータの部分がテーパされたものが知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開平８−２５４１０２号公報特公平３−３５２６５号公報

ターボ過給機に設けられるタービンホイールとして、ホイールとシャフトとを金属で作成し、これらを溶接で一体化させるものが知られている。このようなタービンホイールにおいても、特許文献１のタービンホイールのようにホイール及びシャフトの一方に設けた突出部分を他方の凹部に嵌め込み、その後ホイールとシャフトとを溶接で一体化させるものが知られている。この際、溶接はホイールとシャフトとの接合部分のうち外部から見える部分に行われる。そのため、凹部と突出部との接合部分のうち凹部の底部付近は溶接されず、その部分がスリットとして残る。この場合、タービンホイールの高速回転時にスリットの端面で応力集中が発生する。

そこで、本発明は、ホイールとシャフトとの接合部分に発生する応力集中を従来より低減することが可能なターボ過給機を提供することを目的とする。

本発明のターボ過給機は、所定の回転軸線回りに回転自在に設けられるシャフトと、複数のブレードを有するとともに前記シャフトと同軸に設けられるホイールと、を備え、前記ホイール及び前記シャフトの一方に設けられて前記回転軸線上に形成された穴部に前記ホイール及び前記シャフトの他方に設けられて前記回転軸線上に配置された挿入部が嵌め込まれ、前記穴部の入口外周にて溶接されて前記ホイールと前記シャフトとが一体化されているターボ過給機において、前記挿入部の先端の中央には、軸線方向内側に凹む凹部が設けられ、前記凹部は、前記ホイールと前記シャフトとが一体化された後も中空である（請求項１）。

本発明のターボ過給機によれば、挿入部の先端に凹部を設けたので、その先端の径方向への剛性を低減できる。従って、ホイールとシャフトとの接合部分に発生する応力集中を低減することができる。

本発明のターボ過給機の一形態において、前記凹部は、その底部が前記ホイールと前記シャフトとが溶接されている部分に達するように設けられていてもよい（請求項２）。この場合、溶接によりスリットが発生する部分の内側に凹部を設けることができる。そのため、ホイールとシャフトとの接合部分に発生する応力集中をさらに低減できる。

以上に説明したように、本発明のターボ過給機によれば、ホイールとシャフトとの接合部分に発生する応力集中を従来より低減することができる。

図１は、本発明の一形態に係るターボ過給機の一部を示している。このターボ過給機１Ａは、車両用内燃機関に取り付けられる周知のものである。ターボ過給機１Ａは、シャフト２と、タービンホイール３とを備えている。なお、図１はシャフト２及びタービンホイール３の断面を示している。シャフト２及びタービンホイール３は、それぞれ金属材料にて形成されている。シャフト２は、回転軸線ＣＬ回りに回転自在にターボ過給機１Ａの不図示のハウジングに支持されている。タービンホイール３は、シャフト２の一端に一体回転可能かつ軸線方向に分離不能に取り付けられている。タービンホイール３は、排気を受けるための複数のブレード４と、シャフト２の一端が嵌め込まれる穴部５とを備えている。穴部５は、回転軸線ＣＬ上に形成されている。シャフト２とタービンホイール３とは、シャフト２の一端が穴部５に嵌め込まれ、その後穴部５の入口外周で溶接されることにより一体化されている。なお、溶接としては例えば電子ビーム溶接が用いられる。

シャフト２には、タービンホイール３が取り付けられる側から順に、挿入部６、シール部７、及び回転軸部８が設けられている。これら挿入部６、シール部７、及び回転軸部８は、回転軸線ＣＬ上に同軸に設けられている。ターボ過給機１Ａのハウジングには、回転軸部８が回転可能に支持される。シール部７は、挿入部６及び回転軸部８より外径が大きく、その外周面にはシールリングが嵌め込まれるシールリング溝９及びオイルを排除するオイル溝１０がそれぞれ周方向に全周に亘って設けられている。

タービンホイール３の穴部５には、挿入部６が嵌め込まれる。そのため、挿入部６の外径は、穴部５の内径と同じ大きさに設定される。挿入部６の先端面の中央には、軸線ＣＬ方向内側に凹む凹部１１が設けられている。凹部１１は、その底部１１ａが溶接にてシャフト２とタービンホイール３とが結合している部分（以下、溶接部分と称することがある。）Ｍに達するように設けられている。すなわち、凹部１１は、穴部５と挿入部６とが溶接にて結合されずそれらの間にスリットＳが形成されている部分の内側に配置されるように設けられている。なお、スリットＳが形成される部分は、シャフト２及びタービンホイール３の材質や形状、及び溶接方法などに基づいて推定する。そして、凹部１１の深さは、この推定値を参照して設定すればよい。凹部１１の内径は、シャフト２の材料やターボ過給機１Ａの回転数などを考慮し、ターボ過給機１Ａの動作時に凹部１１を形成する周壁１２が破損しないように適宜設定される。

本発明のターボ過給機１Ａによれば、挿入部６に凹部１１を設けたので、周壁１２の径方向への剛性を低減できる。また、凹部１１は、その底部１１ａが溶接部分Ｍに達するように設けられているので、周壁１２の剛性を十分に低減することができる。従ってシャフト２とタービンホイール３との接合部分に発生する応力集中を低減できる。

（第１の参考例）
図２は、本発明の実施の形態と共通の部分を有する第１の参考例に係るターボ過給機１Ｂの一部を示している。図２に示したようにこの参考例では、挿入部６の外周に溝部としての溝２０が設けられている点が本発明の実施の形態と異なる。それ以外は本発明の実施の形態と同じである。そのため、図２において本発明の実施の形態と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。溝２０は、径方向内側に凹むように挿入部６の外周面に周方向に全周に亘って形成されている。溝２０の幅は挿入部６の直径に応じて設定され、例えば直径の５〜１０％の値が設定される。溝２０の深さも同様に挿入部６の直径に応じて設定され、例えば直径の５〜１０％の値が設定される。図２中に拡大して示したようにこの参考例では、溝２０を含む領域に溶接部分Ｍが設けられる。

第１の参考例のターボ過給機１Ｂによれば、挿入部６の外周面に溝２０を設けたので、溝部２０においてスリットＳの径方向の幅を広げることができる。これにより、図２に拡大して示したように溝２０に掛かる溶接部分Ｍの端面の角度θを大きくすることができる。このように溶接部分Ｍの角度θを大きくすることにより、シャフト２とタービンホイール３との接合部分に発生する応力集中を低減できる。また、この参考例では、挿入部６の長さを確保することができるので、穴部５に嵌め込まれる挿入部６の長さが不足することを防止できる。そのため、シャフト２がタービンホイール３に対して傾くことを抑制できる。

なお、溝２０の断面の形状は図２に示した形状に限定されない。例えば、断面が三角形状の溝でもよいし、断面が半円状の溝でもよい。また、溝２０を設ける場所は、挿入部６の外周面に限定されない。例えば、穴部５の内周面に溝２０を設けてもよい。また、挿入部６の外周面及び穴部５の内周面の両方に設けられていてもよい。これらの場合も溝２０を設けた部分のスリットＳの幅を広げることができるので、溶接部分Ｍの端部の角度が大きくなり、応力集中が低減される。そのため、シャフト２とタービンホイール３との接合部分に発生する応力集中を低減できる。

（第２の参考例）
図３は、本発明の実施の形態と共通の部分を有する第２の参考例に係るターボ過給機１Ｃの一部を示している。なお、図３において本発明の実施の形態又は第１の参考例と共通の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図３に示したようにこの参考例では、穴部５に入口側から順に大径部３０及び位置決め部３１が設けられている。大径部３０及び位置決め部３１は、回転軸線ＣＬ上に同軸に設けられている。位置決め部３１は、その内径が挿入部６の外径と同じになるように設けられている。挿入部６の先端は、位置決め部３１に嵌め込まれる。これにより、タービンホイール３に対するシャフト２の径方向の位置決めが行われる。大径部３０は、その内径が位置決め部３１の内径より大きくなるように設けられている。大径部３０の内径には、例えば位置決め部３１の内径に対して５〜１０％大きい値が設定される。そのため、大径部３０の内径は、挿入部６の外径よりも５〜１０％大きい。これにより大径部３０においては穴部５の内周面を挿入部６と穴部５の接触面から径方向外側に後退させることができる。そして、溶接部分Ｍは、この大径部３０の入口近傍の領域に設けられている。

第２の参考例のターボ過給機１Ｃによれば、上述した第１の参考例と同様に大径部３０においてスリットＳの径方向の幅を広げることができる。そして、図３に示したように溶接部分Ｍの径方向内側において大径部３０とシャフト２との間に形成される角度θを大きくすることができるので、応力集中を低減できる。タービンホイール３に対するシャフト２の径方向の位置決めは、挿入部６が位置決め部３１に嵌ることにより行われるので、シャフト２とタービンホイール３とを同じ回転軸線ＣＬ上に精度良く設けることができる。

図４は、第２の参考例のターボ過給機１Ｃの変形例を示している。なお、図４では、穴部５の入口部分を拡大して示している。この変形例では、穴部５から突出する突出部４０がシャフト２の端部に設けられた嵌合穴４１に嵌ることにより、タービンホイール３に対するシャフト２の径方向の位置決めが行われる。突出部４０は、穴部５の底部から入口に向かって延びるように設けられる。また、突出部４０は、回転軸線ＣＬ上に配置される。嵌合穴４１は、シャフト２の先端面の中央に設けられる。嵌合穴４１も回転軸線ＣＬ上に設けられる。

この変形例においても、図３に示した形態と同様に溶接部分Ｍの角度θを大きくすることができるので、シャフト２とタービンホイール３との接合部分に発生する応力集中を低減できる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、タービンホイールに挿入部が設けられ、シャフトに穴部が設けられてもよい。上述した形態はタービンホイールとシャフトとの接合について示したが、これらの接合方法はコンプレッサホイールとシャフトとの接合に適用されてもよい。また、上述した形態と参考例とは、いくつかを互いに組み合わせて使用してもよい。例えば、挿入部に凹部を設けるとともにその挿入部の外周面に溝部を設けてもよい。

本発明の一形態に係るターボ過給機の一部を示す図。第１の参考例に係るターボ過給機の一部を示す図。第２の参考例に係るターボ過給機の一部を示す図。第２の参考例に係るターボ過給機の変形例を示す図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃターボ過給機
２シャフト
３タービンホイール
４ブレード
５穴部
６挿入部
１１凹部
１１ａ底部
２０溝（溝部、後退部）
３０大径部（後退部）
３１位置決め部
ＣＬ回転軸線
Ｍ溶接部分（溶接部）

Claims

所定の回転軸線回りに回転自在に設けられるシャフトと、複数のブレードを有するとともに前記シャフトと同軸に設けられるホイールと、を備え、前記ホイール及び前記シャフトの一方に設けられて前記回転軸線上に形成された穴部に前記ホイール及び前記シャフトの他方に設けられて前記回転軸線上に配置された挿入部が嵌め込まれ、前記穴部の入口外周にて溶接されて前記ホイールと前記シャフトとが一体化されているターボ過給機において、
前記挿入部の先端の中央には、軸線方向内側に凹む凹部が設けられ、
前記凹部は、前記ホイールと前記シャフトとが一体化された後も中空であることを特徴とするターボ過給機。
前記凹部は、その底部が前記ホイールと前記シャフトとが溶接されている部分に達するように設けられている請求項１に記載のターボ過給機。