JP5192497B2 - ターボチャージャ用ロータアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に従ったターボチャージャ用ロータアセンブリに関する。

特許文献１から金属アルミナイド又は高融点チタン合金製の第１の構成部品を鋼製の第２の構成部品と接続する方法が知られている。ここではこの接続は摩擦溶接法によって生成される。含ニッケルのスペーサを使用することで、両方の構成部品が摩擦溶接法によって接着結合される。この接続を特徴づけているのは、２つの接合部である。この方法は、特に金属アルミナイド又は高融点チタン合金製のタービンホイールと鋼製シャフトを備えたターボチャージャのロータアセンブリの製造に用いられる。

金属アルミナイド又は高融点チタン合金から作られたタービンホイールの利点は慣性モーメントの低減にあり、それによってターボチャージャの応答特性が格段に改善される。

独国特許第１０２００５０１５９４７Ｂ３号明細書

本発明の課題は、金属アルミナイド又は高融点チタン合金製のタービンホイールと鋼製のシャフトとを回転耐性が高く耐用年数が長くなるように接続したロータアセンブリを提供することである。

この課題は本発明に従い、請求項１によるターボチャージャ用ロータアセンブリによって解決される。このロータアセンブリは、シャフトと、第１のガス状媒質を膨張させるためのタービンホイールと、第２のガス状媒質を圧縮するためのコンプレッサホイールとを備えている。このタービンホイールは、シャフトを用いてコンプレッサホイールと共回転するように接続され、その際タービンホイールは金属アルミナイド又は耐熱性チタン合金から製造されており、シャフトは特に鋼の材料組成に一致する鉄炭素合金で仕上げられている。本発明に従い、金属アルミナイド又は高融点チタン合金から構成されたタービンホイールは、タービンホイールを回転軸方向に少なくとも部分的に貫通する開口部を備え、その際にタービンホイールは開口部を用いてシャフトを支持するように形成されている。タービンホイールとシャフトとの間の共回転接続は、確動的に、例えば両者をかみ合わせるようにして形成することができる。

本発明に従ったロータアセンブリのタービンホイールとシャフト間の確動的に形成された共回転接続は慣性モーメントを低減し、その結果より優れた応答特性を備えたターボチャージャの動作信頼性を達成する。

１つの実施形態では、共回転接続は少なくとも１つの、シャフトの第２の端部に配置されている押え要素を用いて構成することができる。その際、第１のシャフト端部とタービンホイールの間に確動的な接続が提供されているか、又は第１の端部に別の押え要素が備えられているか、又は第１の端部自身が押え要素の形状に構成されている。有利には、これによって動作条件に合致する確実な確動的な接続が作り出され、その際にシャフトの第１の端部及び／又は第２の端部への力伝達が行われ得る。

さらなる利点と目的にかなった本発明の実施形態は、請求項、図面の説明、図面に開示される。

発明に従ったロータアセンブリの第１の形態の縦断面図である。 発明に従ったロータアセンブリの第２の形態の縦断面図であり、ロータアセンブリのタービンホイールは延長されたカラーを備えている。 発明に従ったロータアセンブリの第３の形態の縦断面図であり、タービンホイールはスリーブとかみ合わせ接続している。 ロータアセンブリの第４の形態の縦断面図であり、タービンホイールは絶縁スリーブと絶縁シムを備えている。 ロータアセンブリの第５の形態の縦断面図であり、シャフトはタービンホイールに確動的に支持されている。

図において同じ構成部品又は同じ作用を及ぼす構成部品には同一の符号が付してある。

図１には発明に従ったロータアセンブリ１の第１の形態の縦断面図が示されている。このロータアセンブリ１は、燃焼用空気を吸入し圧縮するためのコンプレッサホイール２と、排ガスを膨張させるためのタービンホイール３と、コンプレッサホイール２とタービンホイール３とを共回転接続する、回転軸５を備えたシャフト４とを具備している。

ロータアセンブリ１は、特にターボチャージャのために備えられており、ターボチャージャはロータアセンブリ１と回転可能に支持されたハウジングを備えている。このハウジングは、空気導入区間、排ガス導入区間、軸受区間を備え、コンプレッサホイール２は空気導入区間に、タービンホイール３は排ガス導入区間に、シャフト４は軸受区間に回転可能に支持されている。

ターボチャージャは内燃エンジンの出力を上昇させるために用いられる。通常、内燃エンジンは吸気管と排気管を備えており、空気導入区間は吸気管に、排ガス導入区間は排気管に配置されている。内燃エンジンの作動中、タービンホイール３は内燃エンジンの排ガスが供給された結果として回転運動を行い、シャフト４の助けによりコンプレッサホイール２も同様に回転し、その結果コンプレッサホイールが燃焼用空気を吸入して圧縮する。

タービンホイール３は金属アルミナイド又は耐熱性チタン・アルミニウム合金から作られている。この原材料の利点は、熱膨張が小さいことのほかに、その有利な強度密度比にある。つまり、密度が低い状態で高い強度を示す。例えば通常の原材料ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標） ７１３Ｃから製造されたタービンホイール３と比べて、タービンホイール３の質量は約半分に低減され得る。そのため、ターボチャージャの応答特性を特徴づけるロータアセンブリ１の慣性モーメントが大きく低減される。

タービンホイール３は、タービンホイール３を回転軸５方向に少なくとも部分的に貫通する開口部６を備え、その際にタービンホイールはシャフト４をこの開口部を用いて支持するように形成されている。開口部６があるために、ターボチャージャの作動中に生じ、その大きさに応じてタービンホイール３の変形、ひいては破損につながる可能性のある遠心力は、開口部６の接線方向にのみ、その範囲を制限された表面で受け止められる。

通常の原材料（例えばＩＮＣＯＮＥＬ ７１３Ｃ）から製造されたタービンホイール３であれば、本発明に従った実施形態では作動において比較的短い耐用年数を有する。なぜなら、質量が大きいことが原因で、遠心力によって開口部６内に生じた応力により、恒久的な運転を行うためには通常の原材料では強度値が小さすぎるからである。この遠心力は、通常の原材料から製造されたタービンホイール３の場合、遠心力を径方向にも接線方向にも受け止めることができなければならない。さもなければロータアセンブリ１の材料不具合の結果としてターボチャージャの作動が終了してしまいかねないからである。

シャフト４は開口部６内に配置され、同時にタービンホイール３はシャフト４の第１の端部７に配置されており、例えば圧入によって締りばめの形でシャフト４と接続されている。締りばめは、すでに確動的な接続を意味している。なぜなら、シャフト４とタービンホイール３の接続は摩擦力で引き起こされているためである。

コンプレッサホイール２は、シャフト４の第１の端部７と向かい合っている第２の端部８に配置されている。シャフト４上には、タービンホイール３とコンプレッサホイール２との間にスリーブ１０が配置されており、このスリーブはシャフト４の軸受区間で低摩擦軸受けの役割を果たしている。

タービンホイール３とコンプレッサホイール２とを共回転接続するために、シャフト４は第２の端部８に配置されている押え要素９を備え、力伝達は押え要素９の助けによって行われる。

シャフト４は押えネジの形に形成され、その際第１の端部７は別の押え要素の形で、押えネジの頭部を形成している。第２の端部８の押え要素９は、ナットの形に形成される。ナット９への力の作用により、タービンホイール３、シャフト４、スリーブ１０及びコンプレッサホイール２間に共回転接続が形成可能になる。

スリーブ１０は中空シリンダーの形に形成され、スリーブの、タービンホイール３の方を向いて配置されているスリーブ端部に補強部を備えている。この補強部ではスリーブ１０の周囲にリング状の第１の切欠き１１が配置されている。切欠き１１は特にシール要素を支持するために用いられる。

図２に従ったターボチャージャの第２の形態では、タービンホイール３はそのホイール背面１２に延長されたカラー１３を備え、その際カラー１３にはリング状の第１の切欠き１１が配置されている。スリーブ１０は補強部のない単純な円筒形をしている。

第２の形態の利点は、壁厚Ｗの小さいスリーブ１０を形成できるために、ロータアセンブリ１の回転数が高い場合でさえも、ロータアセンブリ１の作動中の発熱によるスリーブ１０の伸びが小さくてすむということにある。加えて、カラー１３への熱負荷が小さいために、タービンホイール３のシャフト４に対するセンタリングが改善されて形成される。

別の実施例では、第１の切欠き１１にリング状キャリア１４がＵ字型溝を持つリングキャリアの形で配置され、その製造はタービンホイール３の製造プロセス、例えば鋳造工程に統合することができる。このリングキャリア１４は摩耗の低減のために備えられており、適切な原材料、例えばセラミックから構成されている。

ターボチャージャの作動を確実なものにするため、ロータアセンブリ１のアンバランスを可能な限り小さくする必要がある。これは、タービンホイール３、シャフト４、コンプレッサホイール２及びスリーブ１０の径方向の位置を相互に保持することによって作り出すことができる。対応するセンタリングは、図３に従った第３の形態によって形成される。タービンホイール３はそのカラー１３のところにセンタリングカラー１５を備えており、その助けによってスリーブ１０を径方向に固定することができる。スリーブ１０内には、センタリングカラー１５の方を向いて配置されたスリーブの端部に第２の切欠き１６が形成され、この第２の切欠きはセンタリングカラー１５と形状的にかみ合って接続することが可能である。

軸受区間の軸受ジャーナルを可能な限り冷えた状態に保つため、タービンホイール３からシャフト４あるいはスリーブ１０への熱伝達を制限することが重要である。タービンホイール３からスリーブ１０への熱伝達を低減するため、ホイール背面１２と反対を向いて配置されているセンタリングカラー１５の第１の面１７とホイール背面１２の方を向いて配置されている第２の切欠き１６の第２の面１８との間にエアギャップ１９が備えられている。

別の実施例では、コンプレッサホイール２の方を向いて配置されているスリーブ１０の端部は、コンプレッサホイール２の軸受カラー２５と形状的にかみ合って接続されている。

図４に従った第４の形態では、断熱及び／又はセンタリングのために、開口部６内には回転軸５に沿って伸びる中空円筒形状絶縁スリーブ２０が配置されている。この絶縁スリーブ２０は、タービンホイール３と締りばめによって共回転するように接続されている。シャフト４は絶縁スリーブ２０内に収容されている。

リング状の絶縁シム２１がカラー１３とスリーブ１０に配置されていることで、適切な素材を選択した場合に、高温の排ガスが作用するタービンホイール３とスリーブ１０とにさらなる断熱効果が提供される。これによってタービンホイール３と、軸受区間にある、冷たい状態に保持されるべき軸受ジャーナルとの間の熱伝達が、小さい状態に維持される。なぜなら、発明に従ったロータアセンブリ１は、ターボチャージャ内の滑り軸受、玉軸受け又は空気軸受にも適しているので、ロータアセンブリ１の玉軸受け又は空気軸受においては軸受のすきまが非常に小さいために、特に軸受ジャーナルの冷却が重要であるからである。

図５に従った第５の形態では、タービンホイール３とシャフト４が確動的に接続されている。シャフト４はその第１の端部７にネジ山２２を備え、シャフト４は好ましくは伸びボルトの形に形成されている。開口部６は、タービンホイール３内でカラー１３から回転軸５の方へ伸び、タービンホイール３を部分的にのみ貫通するように形成されている。カラー１３と向かい合って配置されている開口部６の第３の端部２３には、タービンホイール３とシャフト４とを確動的に接続するために、かみ合いネジ山２４が備えられている。

Claims (9)

1. ターボチャージャ用ロータアセンブリであって、該ロータアセンブリ（１）は、回転軸（５）を備えたシャフト（４）と、第１のガス状媒質を膨張させるためのタービンホイール（３）と、第２のガス状媒質を圧縮するためのコンプレッサホイール（２）とを具備し、該タービンホイール（３）が該シャフト（４）によりコンプレッサホイール（２）と共回転するように接続されており、該タービンホイール（３）が金属アルミナイド又は耐熱性チタン合金から製造されているロータアセンブリにおいて、
   前記タービンホイール（３）が、該タービンホイール（３）をシャフト回転軸（５）に沿って少なくとも部分的に貫通する開口部（６）を備え、前記タービンホイール（３）が該開口部（６）によって前記シャフト（４）を受容するように形成され、前記タービンホイール（３）と前記シャフト（４）との間の共回転接続が、前記開口部（６）によって確動的に形成され、前記タービンホイール（３）と前記コンプレッサホイール（２）との間に前記シャフト（４）を包囲して前記シャフト（４）の軸受けの役割を果たすスリーブ（１０）が配置されていて、
   前記タービンホイール（３）のホイール背面（１２）には、センタリングカラー（１５）が設けられていて、前記スリーブ（１０）の拡径された端部には、切欠き（１６）が形成されて、前記切欠き（１６）が前記センタリングカラー（１５）の外周面と形状的にかみ合うように接続されて、前記スリーブ（１０）が前記タービンホイール（３）に対して径方向に固定され、
   前記タービンホイール（３）の前記センタリングカラー（１５）の突出端面（１７）と、前記スリーブ（１０）の前記切欠き（１６）の底面（１８）との間にエアギャップ（１９）が形成されることを特徴とするロータアセンブリ。
2. 共回転接続が、前記シャフト（４）の第２の端部（８）に配置された少なくとも１つの押え要素（９）によって形成され、前記シャフト（４）の第１の端部（７）と前記タービンホイール（３）の間にさらなる確動的な接続が形成されるか、又は前記第１の端部（７）がさらなる押え要素（９）を備えるか、又は前記第１の端部（７）が押え要素（９）の形に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のロータアセンブリ。
3. 前記タービンホイール（３）及びコンプレッサホイール（２）に軸方向の張力をかけるため、前記押え要素（９）により力伝達が行われることを特徴とする、請求項２に記載のロータアセンブリ。
4. 前記タービンホイール（３）がホイール背面（１２）にカラー（１３）を備え、前記カラー（１３）の周囲にシール要素を支持するリング状の第１の切欠き（１１）が設けられることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロータアセンブリ。
5. リング状の切欠き（１１）が、カラー（１３）周囲に配置されたリング状のキャリア（１４）に配置されていることを特徴とする、請求項３に記載のロータアセンブリ。
6. 前記開口部（６）内に絶縁スリーブ（２０）が配置され及び／又は前記タービンホイール（３）の前記カラー（１３）と前記スリーブ（１０）との間に絶縁シム（２１）が配設されていることを特徴とする、請求項４又は５に記載のロータアセンブリ。
7. コンプレッサホイール（２）に備えられている軸受カラー（２５）が、該軸受カラー（２５）の方を向いて配置されている前記スリーブ（１０）端部との固定のために確動的に接続されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のロータアセンブリ。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のロータアセンブリを備えたターボチャージャ。
9. 請求項８に記載のターボチャージャを備えた内燃エンジン。

Images