JP5407814B2

JP5407814B2 - ベーン整列装置

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Publication number: JP5407814B2
Application number: JP2009273443A
Authority: JP
Inventors: 雄一三浦; 義治金島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: JP2011117320A

Description

本発明は、ベースリング部材に円周方向に等間隔に形成した複数の支持穴に回転可能に支持された複数枚のベーンをベースリング部材の軸心に対して同じ方向を向くように整列するベーン整列装置に関する。

可変容量型ターボチャージャに用いられる可変ベーンユニットは、可変容量型ターボチャージャのタービンインペラ側へ供給される排気ガスのガス流路面積を可変するものであって、同心状に対向しかつ一体的に連結した一対のベースリング部材と、一対のベースリング部材の間に等間隔に配設されかつベースリング部材の軸心に平行な軸心周りに回転可能な複数枚のベーンと、いずれかのベースリング部材に設けられかつ複数枚のベーンの回転動作を同期させる同期機構とを備えている（特許文献１参照）。そして、通常、可変ベーンユニットを組み立てる際には、複数枚のベーンを同期機構に連結できるように、適宜のベースリング部材に等間隔に形成した複数の支持穴にそれぞれ回転可能に支持された複数枚のベーンの内側に整列治具をハンドリング（移送）して、複数枚のベーンをベースリング部材の軸心に対して同じ方向を向くように整列している。

特開２００８−１８４９７１号公報

ところで、一般に、ロボットによって整列治具のハンドリングを高精度に行うことは容易でなく、通常、人手によって整列治具のハンドリングは行われている。そのため、複数枚のベーンの整列時間が長くなって、複数枚のベーンの整列作業が煩雑化するという問題がある。なお、前述の問題は、可変容量型ターボチャージャの可変ベーンユニットにおける複数枚のベーンを整列する場合だけでなく、その他種々の複数枚のベーンを整列する場合にも生じるものである。

そこで、本発明は、前述の従来の問題点を解決することができる、新規な構成のベーン整列装置を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、ベースリング部材に円周方向に等間隔に形成した複数の支持穴に回転可能に支持されかつ重心位置が回転中心よりも外端側に寄った複数枚のベーンを前記ベースリング部材の軸心に対して同じ方向を向くように整列するベーン整列装置において、支持フレームに軸心周りに回転可能に設けられ、前記ベースリング部材をセット可能な回転テーブルと、前記回転テーブルを回転させて、複数枚の前記ベーンに遠心力を付与する回転アクチュエータと、を具備したことを要旨とする。

ここで、本発明のベーン整列装置の整列対象は、前述のように、重心位置が回転中心よりも外端側に寄った複数枚のベーンに限られ、ベーンの内端長さ（ベーンの回転中心から内端までの長さ）とベーンの外端長さ（ベーンの回転中心から外端までの長さ）の長短は問わない。

なお、本願の明細書又は特許請求の範囲において、「ベーン」には、可変ベーンユニットにおけるベーンの他に、種々なベーンが含む意であって、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、介在部材等を介して間接的に設けられたことを含む意である。

本発明の特徴によると、前記ベースリング部材を前記回転テーブルにセットする。そして、前記回転アクチュエータの駆動により前記回転テーブルを回転させて、複数枚の前記ベーンに遠心力を付与する。これにより、前述の整列治具を用いることなく、遠心力の作用によって複数枚の前記ベーンを前記ベースリング部材の軸心に対して同じ方向を向くように整列することができる。

本発明によれば、前記整列治具を用いることなく、遠心力の作用によって複数枚の前記ベーンを前記ベースリング部材の軸心に対して同じ方向を向くように整列できるため、前記整列治具のハンドリング等、人手による作業を極力減らして、複数枚の前記ベーンの整列時間を短縮して、複数枚の前記ベーンの整列作業の能率を高めることができる。

図３におけるI-I線に沿った断面図であって、可変ベーンユニットの一部を省略している。図３におけるII-II線に沿った断面図であって、可変ベーンユニットの一部を省略している。本発明の実施形態に係るベーン整列装置の平面図であって、可変ベーンユニットの一部を省略している。本発明の実施形態に係るノズル及びサイドノズルに対するエア配管回路の構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転テーブルの平面図である。本発明の実施形態に係るベーン整列装置の動作を示す模式的な平面図である。図７（ａ）は、本発明の実施形態に係るベーン整列装置におけるノズルによるエアの噴出動作を示す図、図７（ａ）は、本発明の実施形態に係るベーン整列装置におけるノズルによるエアの吸引動作を示す図である。図８（ａ）は、可変ベーンユニットの組立作業中における、複数枚のベーンの第２ベーン軸に伝達レバーを取付ける前の状態を示す斜視図、図８（ｂ）は、可変ベーンユニットの組立作業中における、複数枚のベーンの第２ベーン軸に伝達レバーを取付けた後の状態を示す斜視図である。図１１におけるIX-IX線に沿った図である。本発明の実施形態に係る可変ベーンユニットの背面図である。本発明の実施形態に係る可変ベーンユニットを装備したターボチャージャの部分断面図である。

本発明の実施形態について図１から図１１を参照して説明する。

まず、本発明の実施形態に係る可変ベーンユニットの構成等について説明する。

図９から図１１に示すように、本発明の実施形態に係る可変ベーンユニット１は、可変容量型ターボチャージャ３におけるタービンハウジング５内に装備（配設）されており、可変容量型ターボチャージャ３におけるタービンインペラ７に供給される排気ガスのガス流路面積を可変するものである。また、可変ベーンユニット１は、タービンインペラ７を囲むシュラウドリング（第１ベースリング部材）９を備えており、シュラウドリング９には、複数の支持穴１１が等間隔に形成されている。更に、シュラウドリング９に対向する位置には、ベーンリング（第２ベースリング部材）１３が複数の連結ピン１５を介して同心状に設けられており、ベーンリング１３には、複数の支持穴１７が等間隔に形成されてあって、ベーンリング１３の各支持穴１７は、シュラウドリング９の対応する支持穴１１と整合関係にある。

ベーンリング１３におけるシュラウドリング９の反対側には、サポートリング１９が複数の連結ピン１５を介して一体的に設けられており、このサポートリング１９の周縁部は、可変容量型ターボチャージャ３におけるベアリングハウジング２１とタービンハウジング５に狭持されるようになっている。換言すれば、ベーンリング１３は、サポートリング１９を介してベアリングハウジング２１に対して固定され、タービンハウジング５内に配設されるようになっている。

シュラウドリング９とベーンリング１３の間には、複数枚のベーン２３が円周方向に等間隔に配設されており、各ベーン２３は、シュラウドリング９の軸心（換言すれば、ベーンリング１３の軸心）に平行な軸心周りに回転可能である。また、各ベーン２３の一端面には、第１ベーン軸２５が形成されており、各ベーン２３の第１ベーン軸２５は、シュラウドリング９の対応する支持穴１１に回転可能に支持されている。更に、各ベーン２３の他端面には、第２ベーン軸２７が第１ベーン軸２５と同心状に形成されており、各ベーン２３の第２ベーン軸２７は、ベーンリング１３の対応する支持穴１７に回転可能に支持されている。ここで、各ベーン２３は、重心位置Ｇが回転中心（ベーン軸２５，２７の軸心）よりも外端側に寄っている。

ベーンリング１３におけるシュラウドリング９の反対側には、複数枚のベーン２３の回転動作を同期させる同期機構２９が設けられている。

具体的には、ベーンリング１３におけるシュラウドリング９の反対側には、ガイドリング３１が複数本の連結ピン１５を介して同心状に設けられており、このガイドリング３１の外周縁には、径方向外側へ突出した複数の突出片３３が円周方向へ間隔を置いて形成されている。また、ガイドリング３１の複数の突出片３３には、可動リング３５がガイドリング３１の軸心（可動リング３５の軸心）周りに回転可能に配設されており、この可動リング３５の径方向内側の周縁には、複数（ノズル枚数と同数）の係合凹部３７が円周方向に等間隔に形成されている。そして、各第２ベーン軸２７には、伝達レバー３９の基端部が一体的に固定されており、各伝達レバー３９の先端部は、可動リング３５の対応する係合凹部３７に係合してある。なお、可動リング３５の内側には、複数の係合凹部３７の他に、駆動用係合凹部４１が形成されており、可動リング３５の駆動用係合凹部４１は、ベアリングハウジング２１の適宜位置にベーンリング１３の軸心に平行な軸心周りに回転可能に設けられた駆動レバー４３の先端部と係合するようになっている。

ベーンリング１３の適宜位置には、ストッパピン４５がガイドリング３１及びサポートリング１９を貫通して設けられており、このストッパピン４５は、伝達レバー３９に当接して複数枚のベーン２３の開方向の回転動作を規制するものである。

従って、タービンハウジング５内に流入する排気ガスの流量が少ない場合（換言すれば、エンジン回転数が低速域にある場合）には、アクチュエータ（図示省略）によって駆動レバー４３を一方向へ回転させることにより、同期機構２９を作動させつつ、複数枚のベーン２３を絞る方向へ同期して回転させる。これにより、タービンインペラ７側へ供給される排気ガスのガス流路面積を小さくして、排気ガスの流速を高くし、タービンインペラ７の仕事量を十分に確保する。

一方、タービンハウジング５内に流入する排気ガスの流量が多い場合（換言すれば、エンジン回転数が高速域にある場合）には、アクチュエータによって駆動レバー４３を他方向へ回転させることにより、同期機構２９を作動させつつ、複数枚のベーン２３を開く方向へ同期して回転させる。これにより、タービンインペラ７側へ供給される排気ガスのガス流路面積を大きくして、タービンインペラ７側へ多くの排気ガスを供給する。

続いて、本発明の実施形態に係るベーン整列装置４７について説明する。

図１から図３に示すように、本発明の実施形態に係るベーン整列装置４７は、前述の可変ベーンユニット１を組み立てる際に用いられ、複数枚のベーン２３の第２ベーン軸２７に伝達レバー３９を取付けることができるように（図６（ａ）（ｂ）参照）、複数枚のベーン２３をシュラウドリング９の軸心（換言すれば、ベーンリング１３の軸心）に対して同じ方向を向くように整列する装置である。ここで、ベーン整列装置４７による整列の対象は、シュラウドリング９の複数の支持穴１１及びベーンリング１３の複数の支持穴１７にそれぞれ回転可能に支持されかつ重心位置Ｇが回転中心（ベーン軸２５，２７の軸心）よりも外端側に寄った複数枚のベーン２３に限られる。

ベーン整列装置４７は、支持フレーム（装置フレーム）４９を具備しており、この支持フレーム４９は、複数本（本発明の実施形態にあっては、４本）の脚５１を備えている。また、支持フレーム４９には、シュラウドリング９を支持する（セット可能な）回転テーブル５３がベアリング５５を介して鉛直な軸心周りに回転可能に設けられている。また、回転テーブル５３の中央には、シュラウドリング９の内周面（内側面）に嵌合可能な円形の嵌合凸部５７が形成されており、回転テーブル５３における嵌合凸部５７の周りには、シュラウドリング９の周縁付近を支持する環状の支持リブ５９が形成されている。

支持フレーム４９の適宜位置には、回転モータ（回転アクチュエータの一例）６１が設けられており、この回転モータ６１は、回転テーブル５３を回転させて、複数枚のベーン２３に遠心力を付与するものである。また、回転モータ６１の出力軸には、主動ギア６３が一体的に設けられており、回転テーブル５３の下部の外周面には、主動ギア６３に噛合した従動ギア６５が一体的に設けられている。なお、回転テーブル５３を回転モータ６１の出力軸に連動連結するために、主動ギア６３及び従動ギア６５の代わりに、主動プーリ、従動プーリ、及びタイミングベルトからなる別の連結機構を用いても構わない。

図１、図４、及び図５に示すように、支持リブ５９の上面には、環状のノズル６７が形成されており、このノズル６７は、複数枚のベーン２３の回転中心（第２ベーン軸２７の軸心）に向かってエアを噴出可能であってかつ複数枚のベーン２３の回転中心側からエアを吸引可能である。また、ノズル６７は、エア供給源としての供給ポンプ６９及びエア吸引源としての吸引ポンプ（真空ポンプ）７１に接続されている。そして、ノズル６７を供給ポンプ６９及び吸引ポンプ７１に接続するための構成は、次のようになっている。

即ち、ノズル６７の底面には、複数の連絡穴７３が形成されており、回転テーブル５３の内部には、回転テーブル５３の径方向へ延びた連絡通路７５が複数の連絡穴７３に連通するように形成されている。また、回転テーブル５３の下面中央（裏面中央）には、ロータリージョイント７７の上端部が連絡通路７５に連通するように設けられており、ロータリージョイント７７の下端部には、エア配管７９の一端部が接続されてあって、このエア配管７９の他端部には、方向制御弁８１における出力ポート８１ａが接続されている。そして、方向制御弁８１における第１入力ポート８１ｂには、エア配管８３の一端部が接続されており、このエア配管８３の他端部には、供給ポンプ６９が接続されている。更に、方向制御弁８１における第２入力ポート８１ｃには、エア配管８５の一端部が接続されており、このエア配管８５の他端部には、吸引ポンプ７１に接続されている。

なお、支持リブ５９の上面に複数の連絡穴７３及び連絡通路７５を介してロータリージョイント７７に連通した環状のノズル６７が形成される代わりに、支持リブ５９の上面にロータリージョイント７７に連通した小孔状の複数のノズル（図示省略）が円周方向に等間隔に形成されるようにしても構わない。

方向制御弁８１は、コントローラ８７に電気的に接続されており、このコントローラ８７は、回転テーブル５３を減速させて停止する減速過程（回転テーブル５３の減速過程）中に、第１連通状態から第２連通状態に切り替えるように方向制御弁８１を制御することができる。なお、第１連通状態とは、方向制御弁８１における出力ポート８１ａを第１入力ポート８１ｂに連通させて、ノズル６７を供給ポンプ６９に連通させた状態のことをいい、第２連通状態とは、方向制御弁８１における出力ポート８１ａを第２入力ポート８１ｃに連通させて、ノズル６７を吸引ポンプ７１に連通させた状態のことをいう。

支持フレーム４９には、サイドノズル８９がブラケット９１を介して設けられており、このサイドノズル８９は、シュラウドリング９の径方向外側から複数枚のベーン２３に向かってエアを噴出可能である。また、サイドノズル８９には、エア配管９３の一端部が接続されてあって、このエア配管９３の他端部には、エア供給源としての供給ポンプ９５が接続されており、換言すれば、サイドノズル８９は、供給ポンプ９５にエア配管９３を介して接続されている。更に、エア配管９３の途中には、連通状態と遮断状態とに切替可能な切替弁９７が配設されており、この切替弁９７は、コントローラ８７に電気的に接続されてあって、コントローラ８７は、回転モータ６１の駆動を開始してから設定時間を経過する時に連通状態から遮断状態に切り替えるように切替弁９７を制御することができる。

支持フレーム４９の外側近傍には、複数枚のベーン２３の外端の位置を同じ仮想の円ＶＣ上に合わせる位置調節機構９９が設けられている。具体的には、支持フレーム４９の外側近傍には、支柱１０１が配設されており、この支柱１０１の上部には、水平移動エアシリンダ（位置調節用水平移動アクチュエータの一例）１０３がブラケット１０５を介して設けられており、この水平移動エアシリンダ１０３は、シリンダ本体１０７と、このシリンダ本体１０７に水平方向へ移動可能に設けられたピストンロッド１０９とを備えている。また、水平移動エアシリンダ１０３におけるピストンロッド１０９の先端には、複数枚のベーン２３の外端に径方向外側から当接可能な当接爪１１１が設けられており、この当接爪１１１は、水平移動エアシリンダ１０３の駆動によって複数枚のベーン２３の外端に当接する当接位置（図１において仮想線で示す位置）と、この当接位置に対して径方向外側へ待避した待避位置（図１において実線で示す位置）との間を移動するようになっている。ここで、水平移動エアシリンダ１０３は、コントローラ８７に電気的に接続されており、コントローラ８７は、前述の機能の他に、回転テーブル５３の減速過程中に、当接爪１１１を待避位置から当接位置へ移動させるように水平移動エアシリンダ１０３を制御することができる。

次に、本発明の実施形態に係るベーン整列装置４７の作用及び効果について説明する。

シュラウドリング９の内周面を回転テーブル５３の嵌合凸部５７に嵌合させて、シュラウドリング９を回転テーブル５３にセットする。そして、図６（ａ）に示すように、回転モータ６１の駆動により回転テーブル５３を回転させて、複数枚のベーン２３に遠心力を付与する。

回転テーブル５３を回転させる直前又は直後に、方向制御弁８１を第１連通状態にすることにより、図７（ａ）に示すように、ノズル６７から複数枚のベーン２３の回転中心に向かってエアを噴出させる。これにより、回転テーブル５３の減速過程前における複数枚のベーン２３の回転抵抗を低減することができる。

また、回転テーブル５３を回転させる直前又は直後に、切替弁９７を連通状態にすることにより、サイドノズル８９よりシュラウドリング９の径方向外側から複数枚のベーン２３に向かってエアを噴出させる。これにより、周方向に隣接関係にあるベーン２３同士が接触したり又はベーン２３の回転中心とシュラウドリング９の軸心を結ぶ線分上にベーン２３の重心Ｇが位置したりしても、遠心力によってベーン２３を確実に回転させることができる。なお、回転モータ６１の駆動を開始してから設定時間を経過する時に、コントローラ８７によって切替弁９７を制御して連通状態から遮断状態に切り替える。

回転テーブル５３の減速過程中に、コントローラ８７によって方向制御弁８１を制御して第１連通状態から第２連通状態に切り替えることにより、図７（ｂ）に示すように、ノズル６７によって複数枚のベーン２３の回転中心側からエアを吸引する。これにより、回転テーブル５３の減速過程における複数枚のベーン２３の回転を規制することができる。

また、図６（ｂ）に示すように、コントローラ８７によって水平移動エアシリンダ１０３を制御して当接爪１１１を待避位置から当接位置に移動させる。これにより、当接爪１１１を複数枚のベーン２３の外端に径方向外側から当接させて、複数枚のベーン２３の外端の位置を同じ仮想の円ＶＣ周上に合わせることができる。

以上により、前述の整列治具を用いることなく、遠心力の作用によって複数枚のベーン２３をシュラウドリング９の軸心に対して同じ方向を向くように整列することができる。

従って、本発明の実施形態に係るベーン整列装置４７によれば、前述の整列治具（［背景技術］参照）を用いることなく、遠心力の作用によって複数枚のベーン２３をシュラウドリング９の軸心に対して同じ方向を向くように整列できるため、整列治具のハンドリング等、人手による作業を極力減らして、複数枚のベーン２３の整列時間を短縮して、複数枚のベーン２３の整列作業の能率を高めることができる。

また、回転テーブル５３の減速過程前における複数枚のベーン２３の回転抵抗を低減しつつ、周方向に隣接関係にあるベーン２３同士が接触したり又はベーン２３の回転中心とシュラウドリング９の軸心を結ぶ線分上にベーン２３の重心Ｇが位置したりしても、遠心力によってベーン２３を確実に回転させることができるため、複数枚のベーン２３の整列不良を極力なくすことができる。

更に、回転テーブル５３の減速過程中に、複数枚のベーン２３の回転を規制しつつ、当接爪１１１を複数枚のベーン２３の外端に径方向外側から当接させて、複数枚のベーン２３の外端の位置を同じ仮想の円ＶＣ周上に合わせているため、複数枚のベーン２３の整列精度を十分に高めることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、ベーン２３の外端に当接可能な当接爪１１１を備えかつ複数枚のベーン２３の外端の位置を同じ仮想の円ＶＣ周上に合わせる位置調節機構９９の代わりに、ベーン２３の内端に当接可能な当接爪を備えかつ複数枚のベーンの内端の位置を同じ仮想の円周上に合わせる別の位置調節機構を用いる等、その他種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

１可変ベーンユニット
３可変容量型ターボチャージャ
９シュラウドリング
１１支持穴
１３ベーンリング
２３ノズル
２３ベーン
２５第１ベーン軸
２７第２ベーン軸
２９同期機構
３９伝達レバー
４７ベーン整列装置
４９支持フレーム
５３回転テーブル
５７嵌合凸部
５９支持リブ
６１回転モータ
６７ノズル
６９供給ポンプ
７１吸引ポンプ
７３連絡穴
７５連絡通路
７７ロータリージョイント
８１方向制御弁
８１ａ出力ポート
８１ｂ第１入力ポート
８１ｃ第２入力ポート
８７コントローラ
８９サイドノズル
９５供給ポンプ
９７切替弁
９９位置調節機構
１０１支柱
１０３水平移動エアシリンダ
１１１当接爪

Claims

ベースリング部材に円周方向に等間隔に形成した複数の支持穴に回転可能に支持されかつ重心位置が回転中心よりも外端側に寄った複数枚のベーンを前記ベースリング部材の軸心に対して同じ方向を向くように整列するベーン整列装置において、
支持フレームに軸心周りに回転可能に設けられ、前記ベースリング部材をセット可能な回転テーブルと、
前記回転テーブルを回転させて、複数枚の前記ベーンに遠心力を付与する回転アクチュエータと、を具備したことを特徴とするベーン整列装置。
前記回転テーブルに設けられ、エア供給源に接続してあって、複数枚の前記ベーンの回転中心に向かってエアを噴出可能なノズルと、を具備したことを特徴とする請求項１に記載のベーン整列装置。
前記ノズルは、エア吸引源に接続され、複数枚の前記ベーンの回転中心側からエアを吸引可能であって、
前記回転テーブルを減速させて停止する減速過程中に、前記ノズルを前記エア供給源に連通させた第１連通状態から前記エア吸引源に連通させた第２連通状態に切り替えるように制御するコントローラと、を具備したことを特徴とする請求項２に記載のベーン整列装置。
エア供給源に接続してあって、前記ベースリング部材の径方向外側から複数枚の前記ベーンに向かってエアを噴出可能なサイドノズルと、を具備したことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のベーン整列装置。
前記ベーンの外端又は内端に当接可能な当接爪を備えてあって、複数枚の前記ベーンの外端又は内端の位置を同じ仮想の円周上に合わせる位置調節機構と、を具備したことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のベーン整列装置。