JP6278358B2 - 羽根車、及び、羽根車の製造方法 - Google Patents
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Description
ところが、環境保護の観点から、排気量の少ない自動車への志向が高まる中で、小排気量のエンジンの出力を補うために、ターボチャージャの需要が高まっている。その中で、ターボ車特有のいわゆるターボラグの低減が望まれている。
そこで本発明は、繊維強化樹脂で成形される羽根車において、主応力が生じる方向に対応してボス孔の周囲の機械的な強度を向上することを目的とする。
樹脂を射出成形することにより羽根車を成形する場合、その形状から、溶融樹脂は羽根車の回転軸線の方向に沿って射出される。このとき、ボス孔の周囲において、強化繊維は回転軸線の方向に沿って配向されたことになり、回転に伴い生じる主応力に対向する上で、好ましいとは言えない。
そこでなされた本発明の遠心式の羽根車は、羽根車の回転軸線に沿って表裏を貫通し、回転軸線の周りにボス孔が形成されるハブと、ハブの正面から立ち上がる複数のブレードと、を備え、強化繊維が分散された樹脂により構成される羽根車であって、ハブのボス孔の周囲に分散される強化繊維は、ハブの径方向に対して直交する方向に配向されることを特徴とする。
本発明の羽根車において、正面に対向するハブの背面の外側領域に、周囲よりも肉厚を薄くした複数の減肉部が、ハブの周方向に間隔を空けて設けられる。
本実施形態に係る羽根車は、図8に示すようなターボチャージャ1に適用される。
ターボチャージャ1は、排気を受けて回転するタービン羽根車17と、このタービン羽根車17に追従する回転によって吸気及び圧縮をして当該機関のシリンダ(図示略)へと送り込むコンプレッサ羽根車10とを備えている。
コンプレッサ羽根車10とタービン羽根車17とは、ターボチャージャ1の内部に回転可能に軸支されたシャフト19によって一体となって回転するように連結されている。
コンプレッサハウジング20は、コンプレッサ羽根車10の正面側に、吸気を導入するための吸入口21と、コンプレッサ羽根車10の外周に、渦巻き状に延びるコンプレッサ通路23と、を備えている。このコンプレッサ通路23は、コンプレッサ羽根車10の外周部に開口する吐出口22に接続されている。
タービンハウジング30は、タービン羽根車17の外周に、渦巻き状に延びるスクロール通路33を備えている。図示を省略する内燃機関より排出された排気は、このスクロール通路33に導入され、スクロール通路33を通過する過程で回転力を得た排気は、図8に矢印にて示すように、スクロール通路33の内面に形成された導入口32を通じてタービン羽根車17のタービンブレード18へと吹き付けられる。こうして吹き付けられた排気によって、タービン羽根車17が回転される。なお、タービン羽根車17に吹き付けられた排気は、タービン羽根車17の正面側に開口した排出口31を通じて排出される。
コンプレッサ羽根車10は、図1に示すように、図8に示したシャフト19と同軸に設けられる円盤状のハブ11と、ハブ11の一方の面側から各々が立ち上がり、吸気の流路を形成する複数の羽根形状のコンプレッサブレード15と、を備えている。なお、コンプレッサ羽根車10において、コンプレッサブレード15が設けられる側を表(おもて)面11a、その反対側を背面11bと定義する。また、コンプレッサ羽根車10において、回転軸線Cに近い側を内径側とし、遠い側を外径側とする。
ハブ11は、表面11aは、外径側から内径側に向かうのにつれて連続的に突出するように湾曲している。ハブ11は、シャフト19が嵌合されるボス孔12を備えるとともに、ボス孔12の周囲には、コンプレッサ羽根車10の回転軸線Cを取り囲むボス13を備える。
コンプレッサブレード15は、本実施形態では、長翼15aと短翼15bの2種類を備えており、長翼15aと短翼15bは交互に配列されている(図10(a)も参照)。
コンプレッサ羽根車10を繊維強化樹脂により形成するには、強化繊維を含む樹溶融脂を回転軸線Cに沿って射出する。そうすると、ボス孔12の周囲のいわゆるスキン層において、強化繊維Fは射出方向に沿って配向されるので、そのままでは回転軸線Cに沿って配向される。しかし、本実施形態によるコンプレッサ羽根車10は、ボス孔12の周囲を囲むボス13のスキン層に対応する部分について、横断面で捉えると、図1(b)に示すように、強化繊維Fをボス13(ハブ11)の径方向に対して傾斜するように配向させる。図1(b)は、強化繊維Fの傾斜配向の最も典型的な例として、強化繊維Fがボス13の径方向に対して直交する方向に配向されている例を示している。また、縦断面で捉えると、図1(a)に示すように、強化繊維Fは回転軸線Cと直交するように配向される。
繊維強化樹脂は、一般的に、強化繊維が配向する方向と同じ方向に対する機械的な強度(例えば、引張り強度)は高いが、強化繊維の配向方向と直交する方向に対する機械的な強度は低い。したがって、強化繊維を含む溶融樹脂を回転軸線Cに沿って射出しただけでは、強化繊維Fは主応力SPに対して強度の低い回転軸線Cの方向に配向されることになる。そこで、本実施形態は、ボス13における強化繊維Fの配向を、を、主応力SPに対する強度が高くなるように配向させる。図1(b)に示す周方向は、最も好ましい配向の形態であるが、本発明はこれ以外の配向方向を採用することができる。以下、図6及び図7を参照して説明する。
図6(a)は、横断面((a−2))において、強化繊維Fがボス13の径方向に沿って配向されている例を示している。この配向の場合には、強化繊維Fは主応力SPと直交するので、主応力SPに対する強度は低い。本発明は、強化繊維Fがボス13の径方向に沿って配向されるこの形態を含まない。なお、図6(a−1)に示すように、縦断面において、強化繊維Fは回転軸線Cと直交する例を示している。図6(b),(c)も同様である。
次に、図6(b)は、横断面において、強化繊維Fがボス13の径方向に対して傾斜するように配向されている例を示している。この配向の場合には、強化繊維Fは主応力SPと交差するので、主応力SPに対する強度は図6(a)に比べて低い。本発明は、強化繊維Fがボス13の径方向に傾斜して配向されるこの形態を含む。
次に、図6(c)は、横断面において、強化繊維Fがボス13の径方向と直交するように配向されている例を示している。この配向の場合には、強化繊維Fは主応力SPと平行になるので、主応力SPに対する強度は最も高くなる。この形態は、本発明における最も好ましい形態である。なお、本発明において、図6(c)に示す直交による配向は、図6(b)に示した傾斜による配向の一例として捉えることができる。
以上説明したように、本発明は、ボス13の径方向に対して強化繊維Fを傾斜するように配向することによって、主応力SPに対する強度を向上させる。この傾斜の角度は、0°を超え90°(直交)以下の範囲とされるが、傾斜角度が大きくなるほど主応力SPに対する強度が向上するので、好ましくは30°以上、さらに好ましくは50°以上、より好ましくは70°以上とする。
図1及び図6に示す強化繊維Fが周方向に配向される形態は最も好ましい配向の形態であるが、現実には、すべての強化繊維Fが周方向に配向されるとは限らない。
したがって、図6(b)に示すように、ボス13の横断面において、強化繊維Fがボス13の径方向に対して傾斜するように配向されていてもよい。この傾斜配向の場合にも、強化繊維Fは主応力SPと交差するので、主応力SPに対する強度を担保できる。また、周方向に配向される強化繊維Fと傾斜配向される強化繊維Fが混じっていてもよく、本発明は、両者を含めて傾斜配向といい、この傾斜配向される強化繊維Fの頻度が高ければよい。
図7(a)は、図6(c)を再掲したものであり、縦断面((a−1))において、強化繊維Fが回転軸線Cと直交する配向の例を示している。縦断面における強化繊維Fの配向は、これに限らず、図7(b)に示すように、回転軸線Cに対して傾斜してもよい。回転軸線Cと直交する配向も、この回転軸線Cに対して傾斜する配向の一例と捉えることができる。
図7(c)は、強化繊維Fが回転軸線Cと平行になる例を示している。強化繊維Fを含む溶融樹脂を回転軸線Cに沿って射出すると、強化繊維Fは図7(c)に示す配向をなす。
繊維強化樹脂は、スキン層よりも奥に入った部分については、強化繊維Fの配向はランダムになり、傾斜配向される強化繊維Fも相当に含まれる。したがって、当該部分については、このランダムな配向をそのまま利用すればよい。
始めに、コンプレッサ羽根車10を射出成形する際に、通常であればスキン層が形成される領域、つまり、傾斜配向させたい領域に存在する溶融樹脂に、周方向の流れを生じさせる。そうすると、回転軸線Cに沿って配向しようとする強化繊維Fには、ボス13の径方向に傾斜して配向させようとする力が付与される。この力は、典型的にはボス13の周方向に沿うことになる。
また、溶融樹脂を供給するためのスプルーにらせん状の流路を形成して、溶融樹脂に旋回方向の流れを生じさせてから射出することもできる。この例によると、ノズルやスプルーで調整するため、成形品のオリジナル形状が維持でき、後加工等が容易となる。
また、ヘリサート状の別部材をセンターピン42の周囲に配置することでらせん状の流路を形成し、溶融樹脂に旋回方向の流れを発生させることができる。この例によると、センターピン42自体は単純な棒状の形態のものを用いることができる一方、インサート部品はそのまま成形品内に埋め込むため,ボス孔12の加工代を低減できる。
この場合、スキン層Lを除去することを見越して、図2(b)に示すようにコンプレッサ羽根車10のボス孔12の径をスキン層Lの厚さの分だけ小径に設定して成形品を得る。射出成形が完了してから、スキン層Lを切削により除去すれば、多くの強化繊維Fがボス13の径方向に対して傾斜配向されたボス13を得ることができる。
コンプレッサ羽根車10のハブ11の背面11bの主応力SPは、図5(a)に示すように、半径方向の中央領域ACにおいては半径方向に沿い、中央領域ACよりも半径方向の外側領域AOにおいては周方向に沿う。これに対して、ハブ11の背面11bの近傍において、強化繊維Fの配向OFは、図5(b)に示すように、中央領域AC及び外側領域AOともに半径方向に沿う。したがって、外側領域AOにおいては、主応力SPの方向と強化繊維Fの配向方向とが直交するために、主応力SPに対する機械的強度が低い。なお、ここでは、ハブ11の背面11bは平坦面で構成されているものとして説明している。
隣接する減肉領域11cと減肉領域11cの間は、減肉領域11cよりも肉厚が厚いために、減肉部11に対してリブ11eとして機能する。
減肉領域11cとリブ11eを設けた背面11bの外側領域AOにおける主応力SPは、図3(a)に示すように、減肉領域11cにおいては周方向のままであるが、減肉領域11cよりも肉厚が相対的に厚いリブ11eにおいては半径方向に沿う。したがって、外側領域AOのリブ11eにおいては、図5(b)に示した強化繊維Fの配向OFの方向と主応力SPの方向が揃う。一方で、射出する際に、肉厚の薄い減肉領域11cよりもリブ11eに対応する空隙に優先して溶融樹脂が流れるために、周方向に樹脂流れが発生し、減肉領域11cにおける強化繊維Fの配向が主応力SPの方向に近づく。
以上説明したように、リブ11eにおいて強化繊維Fの配向方向と主応力SPの方向が揃うのに加えて、減肉領域11cにおける強化繊維Fの配向OFの方向が主応力SPの方向に近づくことにより、外側領域AOにおける主応力SPに対する機械的強度を向上できる。
ウェルドの発生防止は、深さを調整する以外に、図4(a)に示すように、減肉領域11cの周縁11dの形状を、半径方向を中心にして非対称とすることによってもなし得る。つまり、図4(b)に示すように、半径方向に対して傾斜角の大きい側に優先して樹脂流れFPが生じることにより、ウェルドの発生を防ぐことができる。
以上、ハブ11のボス13及び背面11bの各々の主応力SPを考慮した機械的な強度向上をなし得る構造について説明した。このコンプレッサ羽根車10を含め、長翼15a及び短翼15bを備えるコンプレッサ羽根車10は、繊維強化樹脂を固定金型と可動金型を備える金型に射出することにより製造される。
射出成形機は、型締め装置と可塑化装置を備えている。型締め装置は、固定金型が取り付けられる固定ダイプレートと、可動金型が取り付けられた可動ダイプレートとを備え、型開閉用の油圧シリンダの作動により可動ダイプレートを移動させて可動金型を固定金型に強固に当接さて型締めを行う。可動金型と固定金型からなる金型の内部には、コンプレッサ羽根車10を成形するための空隙であるキャビティが形成される。
可塑化装置は、筒型の可塑化シリンダと、可塑化シリンダの内部に設けられるスクリュと、強化繊維と樹脂原料が投入される供給部と、を備える。供給部は、強化繊維を投入する部分と樹脂原料を投入する部分を個別に設けることもできる。
スクリュを回転させることで樹脂原料を溶融し、型締め装置に保持される金型の内部のキャビティに向けて強化繊維Fが分散された溶融樹脂を射出する。
例えば、強化繊維Fの傾斜配向については、長翼,短翼の二種類のブレードを備える羽根車に限らず、一種類のブレードだけを備える羽根車について適用することができる。ハブ11の背面にげ何く領域を設けることについても、同様である。
また、以上では羽根車としてコンプレッサ羽根車10を例にして説明したが、タービン羽根車、他の羽根車について、本発明を適用することができる。
10 コンプレッサ羽根車
11 ハブ
11a 表面
11b 背面
11c 減肉領域
11d リブ
11f 外周縁
12 ボス孔
13 ボス
15 コンプレッサブレード
15a 長翼
15b 短翼
17 タービン羽根車
18 タービンブレード
19 シャフト
20 コンプレッサハウジング
21 吸入口
22 吐出口
23 コンプレッサ通路
30 タービンハウジング
31 排出口
32 導入口
33 スクロール通路
Claims (3)
- 羽根車の回転軸線に沿って表裏を貫通するボス孔を内側に有するボスを備えるハブと、
前記ハブの正面から立ち上がる複数のブレードと、を備え、
強化繊維が分散された樹脂により構成される羽根車であって、
前記ハブの前記ボス孔の周囲に分散される前記強化繊維は、前記ハブの径方向に対して
直交する方向に配向され、
前記正面に対向する前記ハブの背面の外側領域に、
周囲よりも肉厚を薄くした複数の減肉部が、前記ハブの周方向に間隔を空けて設けられ、
各々の前記減肉部は、
前記周方向に沿う深さが、前記ハブの半径方向を中心にして非対称に形成される、ことを特徴とする遠心式の羽根車。 - 羽根車の回転軸線に沿って表裏を貫通するボス孔を内側に有するボスを備えるハブと、
前記ハブの正面から立ち上がる複数のブレードと、を備え、
強化繊維が分散された樹脂により構成される羽根車であって、
前記ハブの前記ボス孔の周囲に分散される前記強化繊維は、前記ハブの径方向に対して
直交する方向に配向され、
前記正面に対向する前記ハブの背面の外側領域に、
周囲よりも肉厚を薄くした複数の減肉部が、前記ハブの周方向に間隔を空けて設けられ、
各々の前記減肉部は、
前記周方向に沿う幅が、前記ハブの半径方向を中心にして非対称に形成される、ことを特徴とする遠心式の羽根車。 - 隣接する前記減肉部の間は、前記減肉部よりも肉厚が厚いリブとして機能し、前記リブにおいて前記強化繊維の配向方向と主応力の方向が揃う、
請求項1または請求項2のいずれかに記載の遠心式の羽根車。
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