JP5502759B2 - エグゾーストターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明はシャフト、特に、請求項１の前提部分に示されている種類の、エグゾーストターボチャージャのタービンホイールを備えるシャフトと回転部品との接合に関する。さらに、本発明は、請求項７の前提部分に基づく、このような種類の接合方法に関する。

エグゾーストターボチャージャのエグゾースト側タービンでは、シャフトとタービンホイール（両方とも金属素材からなる）との接合は、通常、溶接接合又ははんだ付けによって行われる。

しかし、問題となるのは、シャフトとタービンホイール間の接合が質的に十分適切に行われるように、シャフト又はタービンホイール両方の素材ペアを互いに適合させなければならないことである。とはいえ、この場合、タービンホイールをできるだけ熱的負荷に耐える材料から製造する必要がある一方で、シャフト自体は、通常の、タービンホイールとは反対に低コストの素材から製造できるという対立がしばしば生じる。

本発明の課題は、シャフトと回転部品、特にタービンホイールとを、とりわけ有利な方法で接合することのできる、冒頭に述べた種類の接合及び方法を提供することである。

この課題は、本発明に基づいて、請求項１又は７の特徴を備える接合、及びこうした接合を行うための方法によって解決される。本発明の適切かつ重要な発展形態を備える有利な実施形態は、従属請求項に示されている。

シャフトと回転部品、特にエグゾーストターボチャージャとの接合を特に有利に行うため、請求項１に基づく接合では、シャフトと回転部品（タービンホイール）とを間接的に接合する中間部品が取り付けられている。この場合、中間部品と回転部品とは、ポジティブ結合及び／又は摩擦結合、特にリベット結合、によって接合される。別の表現を用いれば、本発明に基づいて、シャフトと回転部品、特にタービンホイールとを直接接合するのではなく、むしろ、中間部品を介して接合するが、その際、中間部品及び回転部品は、ポジティブ結合及び／又は摩擦結合によって接合される。このことによって、例えば、１つには中間部品と回転部品、特にタービンホイールとを、もう１つには中間部品とシャフトとを、とりわけ有利に接合できるように中間部品を形成することが可能となるか、又はそのような種類の素材を使用することが可能となる。

例えば、チタン・アルミニウム（ＴｉＡｌ）とスチールのような組合せの接合は極めて難しいか、溶接又ははんだ付けすることが全くできないため、部品を相互に固定するためには、こうしたポジティブ結合がとりわけよく適合する。この場合、本発明の別の実施形態において、中間部品と回転部品、特にタービンホイールとを接合するリベットが、回転部品の残片（端片）として形成されている場合は、特に有利であり、この残片は、次に、例えば適切な押込み加工用工具によってリベットに変形され、中間部品をポジティブ結合によって回転部品に保持する。しかし、同様に、回転溶接又は同様の方法により、回転部品又はタービンホイールの中にリベットを固定することも、回転部品の素材がこれを許容するものである場合は、考えられるであろう。

本発明の特に有利な実施形態では、例えば、中間部品を熱耐性かつ溶接可能な素材、特にニッケル合金製にすることにより、作動中に高温となるタービンホイールと中間部品とを極めて有利に接合できるようなっている。タービンホイール自体が熱負荷に耐えるように、タービンホイールを特に熱耐性又は高温耐性の素材から製造することができる。これには、特にチタン・アルミニウム（ＴｉＡｌ）が適合している。

これに加えて、溶接可能な素材、特に調質鋼からなるシャフトと中間部品とを接続できるようにするため、この好ましい方法に従って、中間部品は、熱耐性に形成されるばかりではなく、さらに溶接可能な素材からできている。

本発明のもう１つの実施形態における好ましい方法では、中間部品が溶接接合、特に摩擦溶接又はＥＢ溶接（すなわち電子ビーム溶接法）によってシャフトと接合されている。特に、接合する部品の直径に関して、半径方向の外側に位置する溶接接合の場合、摩擦溶接によって、極めて有利な加熱が生じるため、中間部品が特に確実にシャフトと接合される。

特に有利であるのは、タービンホイールと中間部品との材料組合せ及び構造が、加熱の際に、場合によっては部品の熱膨張が異なることにより接合強度が向上するか、又は少なくとも減少しないようになっていることである。

本発明に基づいて説明されている接合と関連して、先行して説明されている利点は、同様に請求項６に基づく方法に当てもはまる。このことは、さらに、１つの実施形態において、まず中間部品が回転部品（タービンホイール）とポジティブ結合、特にリベット結合によって接合されることによって特徴づけられる。この場合は、特に、熱間リベットの接合技術が適している。ここに説明されている方法のバリエーションにおける第２のプロセス段階では、次に、中間部品がシャフトと溶接され、これによって回転部品（タービンホイール）とシャフトとの間接接合が実現する。

本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、好ましい実施例及び図に基づく以下の説明に示されている。

タービンホイールとして示されている、エグゾーストターボチャージャの回転部品とシャフトとが接合されている側面断面図及び部分的側面断面図とを示す。

図は、タービンホイールとして示されている、エグゾーストターボチャージャの回転部品とシャフトとが接合されている側面断面図及び部分的側面断面図とを示し、この場合、断面で示されたタービンホイールと断面で示されていないシャフトとは、断面で示されている中間部品によって間接的に接合され、その際、中間部品とタービンホイールとの間では、ポジティブ結合がリベット接合の形で実施され、中間部品とシャフトの間では溶接接合が実施される。

図には、このシャフト１０の端部が側面断面図の中に示されており、この端部は、タービンホイール１２の形をした回転部品側を向いている。シャフト１０とタービンホイール１２とは、この場合、エグゾーストターボチャージャ１６のタービン１４の部品である。

個々の部品１０、１２の素材選択は、この場合、それらの熱的負荷に基づいて行われる。このタービンホイール１２又はロータは、金属間層が高強度であり、熱耐性及び耐水性であるチタン・アルミニウム（ＴｉＡl）からできている。さらにＴｉＡｌは、軽量であるという利点がある。

シャフト１０は、ターボチャージャシャフト用の低コストの一般的なスチールからできており、ここでは調質鋼（４２ＣｒＭｏ４）から製造されている。この調質鋼は、溶接に有利である。ここに示されている調質鋼の他に、例えば標準仕様に適するインコネル製シャフトなど、その他の素材によるシャフト１０も考えられる。

シャフト１０とタービンホイール１２の接合は、ここでは、直接的ではなく、中間部品１８を介して間接的に行われている。中間部品１８は、図の中ではタービンホイール１２と同様に断面で示されている。

中間部品１８は、一方で、高温のロータ又はタービンホイール１２と接触しているため、この中間部品は、熱耐性素材、例えばニッケル合金（インコネル）から製造されていることが必要である。この素材は、とりわけ熱耐性であるというばかりでなく、溶接に適しているという特性も有している。

図から、タービンホイール１２がポジティブ結合によって（ここではリベット接合）、中間部品１８と接続されているのが分かる。このために、タービンホイール１２には、中間部品１８又はシャフト１０の方向に突き出している残片２０があり、これは、通常のタービンホイール１２と一体形成されており、鍛造温度まで伝導的に適切に加熱され、次に、適当な押し込み加工用工具によって中間部品１８とリベット留めされる。中間部品１８は、この場合、貫通開口部２２の他に、拡張されている凹部２４を有しており、そのため、貫通開口部２２と凹部２４とは、断面図の中ではＴ型に示されている。リベットに形成された残片２０のヘッド２６は、この場合、凹部２４の内部にあり、タービンホイール１２と中間部品１８との間のポジティブ結合を実施している。この実施例において予定されている伝導加熱の他にも、代替として誘導加熱又はその他の適切な加熱を行うこともできる。

中間部品１８と回転部品１２との間のリベット接合によって実施される純粋なポジティブ結合の他に、これらの部品間のリベット接合によって摩擦結合も実施される。この摩擦結合は、関与する部品の両方の素材がそれぞれ異なる熱膨張を有し、これらの素材が収縮及び膨張することによって生じる。

チタン・アルミニウム（ＴｉＡｌ）は溶接が比較的難しく、ＴｉＡｌとスチールでは熱膨張率の差が極めて大きいことから、前述したポジティブ結合、特にリベット接合によって、作動中に強い応力が溶接シームに生じるおそれのあることが考慮される。一方で、チタン・アルミニウム（ＴｉＡl）は、その低密度及び比較的高い熱耐性により、タービンホイールの素材として、動的に使用するタービンホイールにとりわけ適している。低密度であることから、迅速な加速ができるため、素早いチャージ圧の上昇が可能となる。

さらに、図から、中間部品１８は溶接接合、特に摩擦溶接又は電子ビーム溶接（ＥＢ溶接）によってシャフトと接合されていることが分かる。このことは、中間部品１８（インコネル）もシャフト１０（調質鋼４２ＣｒＭｏ４）も、両方とも溶接可能な素材からできていることによって可能となる。この場合、中間部品１８とシャフト１０とは、これらが外周でのみ相互に接合されるように形成される。このことによって、外周では回転速度を速くすることができるため、例えば、特に有利な摩擦溶接を実施することができる。

さらに、破線２８は、シャフト１０の正面に、該当する切欠き３０が設けられていることを示している。この切欠きは、残片２０のヘッド２６によって占められていない凹部２４のスペースと合わせて、熱スロットルとしてベアリングの役割をする空洞部３２を形成する。従って、特に、タービンホイール１２又は中間部分１８を介することによって、シャフト１０への入熱を小さくすることができる。

残片２０と貫通開口部２２とは、それらの形状を互いに適合させることができる。例えば、それらを円形の断面にすることが考えられるであろう。同様に、タービンホイール１２と中間部品１８との間でより良いトルク伝達を行えるように、それぞれの断面を角のある多角形として形成することもできる。タービンホイール１２は鋳造技術によって製造され、中間部品１８は、例えば鍛造することができるため、このことは、技術的には比較的問題なく可能である。

従って、全体として、ここではシャフト１０とタービンホイール１２とが中間部品１８を介して、間接的に接合が行われていることが分かり、そのため、例えばタービンホイール１２にはチタン・アルミニウム（ＴｉＡl）素材を用いることができる。もう１つの利点は、空洞部３２が熱スロットルとして作られていることである。中間部品１８を使用する場合は、最適な素材選択が可能であり、その際、さらに、接合方法を選択することによって、接合の残留応力を回避することができる。これに加えて、高温耐性のタービンホイール１２とより有利なシャフト１０とが極めて低コストで接合される。もう１つの利点は、チタン・アルミニウム（ＴｉＡｌ）からなるタービンホイール１２の、危険な応力のかかる直接接合が回避されることである。

本接合方法の場合、第１段階において、タービンホイール１２を中間部品１８とリベット留めすることは特に有利である。これによって、残片２０は、例えばまず鍛造温度まで伝導的に加熱され、その後、適切な押し込み加工用工具によって変形される。次の段階では、中間部品１８とシャフト１０とが、適切な溶接方法によって接合される。

電子ビーム接合法を使って中間部品１８とシャフト１０とを上述のように接合する他にも、別のビーム溶接法、例えばレーザー溶接などが接合に適している。

これらの溶接法の代替として、中間部品１８とシャフト１０とをはんだ付け法で接合することも可能である。

Claims (5)

1. シャフトと回転部品を有するエグゾーストターボチャージャ（１６）であって、前記シャフト（１０）と前記回転部品（１２）とを間接的に接合する中間部品（１８）が設けられ、
   熱耐性素材であるＴｉＡｌからできている前記回転部品（１２）が残片（２０）を有し、
   前記中間部品（１８）と前記回転部品（１２）とは、前記回転部品（１２）の前記残片（２０）が、前記中間部品（１８）の一端から前記中間部品（１８）の凹部（２４）に挿入され、前記回転部品（１２）の前記残片（２０）のヘッド（２６）が前記中間部品（１８）の前記凹部（２４）の中に置かれ、前記ヘッド（２６）が前記凹部（２４）の中で加熱、リベット留めされることにより、接合され、
   前記中間部品（１８）と前記シャフト（１０）とは、溶接又ははんだ付けによって、これらが外周でのみ相互に接合されるように形成され、
   前記シャフト（１０）の正面に、切欠き（３０）が設けられ、前記残片（２０）のヘッド（２６）によって占められていない前記凹部（２４）のスペースと合わせて、空洞部（３２）を形成している
   ことを特徴とするエグゾーストターボチャージャ。
2. 前記中間部品（１８）が、熱耐性かつ溶接可能な素材であるニッケル合金からできていることを特徴とする、請求項１に記載のエグゾーストターボチャージャ。
3. 前記シャフト（１０）が、溶接可能な素材からできていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のエグゾーストターボチャージャ。
4. 前記中間部品（１８）が、溶接接合である摩擦溶接又はＥＢ溶接によって前記シャフト（１０）と接合されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエグゾーストターボチャージャ。
5. シャフト（１０）とエグゾーストターボチャージャ（１６）の回転部品（１２）とを接合する方法であり、
   前記シャフト（１０）と前記回転部品（１２）とは、中間部品（１８）によって間接的に相互に接合され、ここで、熱耐性素材であるＴｉＡｌからできている前記回転部品（１２）が残片（２０）を有しており、
   前記中間部品（１８）と前記回転部品（１２）とは、前記回転部品（１２）の前記残片（２０）が、前記中間部品（１８）の一端から前記中間部品（１８）の凹部（２４）に挿入され、前記回転部品（１２）の前記残片（２０）のヘッド（２６）が前記中間部品（１８）の前記凹部（２４）の中に置かれ、前記ヘッド（２６）が前記凹部（２４）の中で加熱、リベット留めされることにより、接合され、
   前記中間部品（１８）と前記シャフト（１０）とは、溶接又ははんだ付けによって、これらが外周でのみ相互に接合されるように形成され、
   前記シャフト（１０）の正面に、切欠き（３０）が設けられ、前記残片（２０）のヘッド（２６）によって占められていない前記凹部（２４）のスペースと合わせて、空洞部（３２）を形成している
   ことを特徴とする方法。

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