JP6572725B2 - トルクコンバータおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体を介して動力を伝達する流体式のトルクコンバータ、特にインペラブレードを持つトルクコンバータおよびその製造方法に関する。

車両に搭載されるトルクコンバータは、流体を介して、エンジンの動力をトランスミッションに伝達する。トルクコンバータは、タービンブレードと、ステータブレードと、インペラブレードとを備えており、ステータブレードは、所望の流体の流れがインペラブレードの入口に流入するよう、流体を制御する。

図１１（ａ）に示すように、従来のトルクコンバータはステータブレード１１の間隔が狭かったため、流体がステータブレード１１の形状に沿いやすく、流体を制御しやすかった。しかしながら、同図（ｂ）に示すように、近年のトルクコンバータは、製造工程を容易にするために、ステータブレード１１の間隔が広くなってきている。そのため、１つのステータブレード１１と隣接するステータブレード１１との中間付近では、ステータブレード１１の形状に沿わない流体の流れも生じる。

そのため、インペラブレードは好ましくない方向に流れる流体を受けることとなり、結果としてインペラブレードには高い強度が要求されることとなる。強度が高いインペラブレードを実現するためには、インペラブレードの板厚や材質等に制約があり、製造コストが高くなってしまう。
トルクコンバータの強度に関して、特許文献１〜３が知られている。

特許文献１には、インペラブレード内周側のインペラシェルに対する圧入部の一部に切り欠き部を設け、インペラブレードをインペラシェルに圧入した後、インペラブレードの切り欠き部にインペラシェルの肉が乗るようにかしめることにより、インペラブレードとインペラシェルとの結合力を強固にすることが開示されている。

特許文献２には、インペラブレードのタブに突起を設け、この突起をインペラシェルの凹部に当接させることで、インペラブレードのインペラシェルに対する位置決めおよび固定を確実に行うことが開示されている。

特許文献３には、インペラシェルにスリット状の挿通孔を形成し、インペラブレードに挿通片を形成し、挿通片を挿通孔に挿通させることで、インペラシェルへの固定状態にばらつきが生じるのを抑えることが開示されている。

特開平１−３０７５６５号公報 特開平１１−２３０４号公報 特開２０１３−１５５８５７号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載のものはいずれも製造コストが高くなるという問題がある。具体的には、特許文献１では、インペラブレードをインペラシェルに圧入した後、インペラブレードの切り欠き部にインペラシェルの肉が乗るようにかしめる工程を追加する必要がある。特許文献２では、タブに突起を形成する工程が追加で必要である。特許文献３では、インペラブレードに挿通片を形成する工程が追加で必要である。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、製造コストを抑えることができるトルクコンバータおよびその製造方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、流体を介して動力を伝達する流体式のトルクコンバータであって、動力伝達元に接続され、前記動力伝達元の動力によって回転されるシェルと、前記シェルの内面に固定され、前記シェルとともに回転することで前記流体に流れを生じさせるインペラブレードと、動力伝達先に接続され、前記流体の流れによって回転されるタービンランナと、を備え、前記インペラブレードは、入口角度が０度以下であり、かつ、前記流体が入る入口部の少なくとも一部が前記インペラブレードの回転方向側に向かって曲がっている、トルクコンバータが提供される。

インペラブレードの入口部の少なくとも一部がインペラブレードの回転方向側に向かって曲がっているため、入口部の負圧面に流体が当たることとなり、入口部に加わる応力を低減できる。よって、インペラブレードに要求される強度が低くなり、製造コストを抑えることができる。

前記インペラブレードにおける前記流体の入口部のうち、前記シェルに固定される外側エッジは屈曲点を持たないのが望ましい。
これにより、入口部が曲がっていない場合と比べても、性能がほとんど劣化しない。

一実施形態として、前記シェルの内側に設けられた環状のコアを備え、前記インペラブレードは、前記シェルに固定される外側エッジと、前記コアと接触する凹部と、を有しており、前記流体の流れから見て、前記凹部の入口側端部と、前記外側エッジの入口側端部とを結ぶ直線を境に曲がっていてもよい。

別の実施形態として、前記シェルの内側に設けられた環状のコアを備え、前記インペラブレードは、前記シェルに固定される外側エッジと、前記コアと接触する凹部と、を有しており、前記流体の流れから見て、前記凹部の入口側端部と、前記外側エッジの入口側端部との間の所定点と、前記凹部の入口側端部とを結ぶ直線を境に曲がっていてもよい。

また別の実施形態として、前記シェルの内側に設けられた環状のコアを備え、前記インペラブレードは、前記シェルに固定される外側エッジと、前記コアと接触する凹部と、を有しており、前記流体の流れから見て、前記凹部の入口側端部と、前記外側エッジの入口側端部とを結ぶ曲線を境に曲がっていてもよい。

望ましくは、前記流体を前記インペラブレードに導くステータブレードを備え、前記ステータブレードからの流体の少なくとも一部は、前記インペラブレードの負圧面に当たる。

本発明の別の態様によれば、流体を介して動力を伝達する流体式のトルクコンバータにおけるインペラブレードの製造方法であって、前記インペラブレードの、前記流体が入る入口部における入口角度と、前記流体が出る出口部における出口角度を定め、前記入口角度および前記出口角度に応じて、前記入口部と前記出口部とを接続する形状を定め、前記入口角度が０度以下である場合に、前記入口部の少なくとも一部を前記インペラブレードの回転方向側に曲げる、インペラブレードの製造方法が提供される。

インペラブレードの入口部の少なくとも一部がインペラブレードの回転方向側に向かって曲げるため、入口部の負圧面に流体が当たることとなり、入口部に加わる応力を低減できる。

インペラブレードの入口部の少なくとも一部がインペラブレードの回転方向側に向かって曲がっているため、製造コストを抑えることができる。

トルクコンバータ１００の子午断面図。 図１のＡ−Ａ断面からポンプインペラ３の方向を見た図。 コア３ｂとインペラブレード３ａとの関係を模式的に示す図。 ステータブレード５ａおよびインペラブレード３ａ，３ａ’と、流体の流れとの関係を模式的に示す図。 図３（ａ），（ｂ）に示すインペラブレード３ａに加わる応力を示すシミュレーション結果。 本実施形態に係るインペラブレード３ａの設計思想を説明する図。 ステータホイール５からポンプインペラ３への流体の流れを模式的に示す図。 図３（ａ）に示す通常のインペラブレード３ａを有するトルクコンバータ１００の性能と、図３（ｂ）に示す本実施形態に係るインペラブレード３ａを有するトルクコンバータ１００の性能とを示すシミュレーション結果。 インペラブレード３ａの第１変形例。 インペラブレード３ａの第２変形例。 従来のトルクコンバータにおけるステータブレード１１を模式的に示す図。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、トルクコンバータ１００の子午断面図である。同図では、トルクコンバータ１００の上半分のみを図示している。トルクコンバータ１００は、その左側に設けられたエンジン（不図示）と、その右側に設けられたトランスミッション（不図示）との間で、オイルなどの流体を介して動力を伝達する流体式のトルクコンバータである。

トルクコンバータ１００は、フロントカバー１と、シェル２と、ポンプインペラ３と、タービンランナ４と、ステータホイール５とを備えている。

フロントカバー１は動力伝達元であるエンジンンの出力軸（不図示）に接続されている。シェル２はフロントカバー１と溶接などによって固定されている。フロントカバー１およびシェル２の内側はオイルなどの流体で満たされている。

ポンプインペラ３はシェル２の内面に固定された複数のブレード（以下、インペラブレード３ａという）を有する。タービンランナ４はポンプインペラ３と対向して設けられ、やはり複数のブレード（以下、タービンブレード４ａという）を有する。タービンランナ４は動力伝達先であるトランスミッションの入力軸（不図示）に接続されている。ステータホイール５は、ポンプインペラ３とタービンランナ４との間に設けられ、やはり複数のブレード（以下、ステータブレード５ａという）を有する。

トルクコンバータ１００の概略動作は次の通りである。エンジンの出力軸が回転することにより、フロントカバー１、シェル２およびインペラブレード３ａが、図１の一点鎖線を回転軸線として回転される。インペラブレード３ａの回転による遠心力によって、内部の流体に、インペラブレード３ａからタービンブレード４ａに向かう流れが生じる。そして、流体の流れによりタービンブレード４ａが回転され、タービンランナ４に接続されたトランスミッションの入力軸が回転する。ステータホイール５は、タービンランナ４からの流体の流れをポンプインペラ３の回転方向に沿うように転換することで、エンジンの動力を増幅させる。

このようにして、エンジンの動力が、トルクコンバータ１００におけるフロントカバー１、シェル２、ポンプインペラ３、流体およびタービンランナ４を介してトランスミッションに伝達される。
本実施形態の特徴はインペラブレード３ａの形状にあり、これについて通常のインペラブレードと比較しながら説明する。

図２は、図１のＡ−Ａ断面からポンプインペラ３の方向を見た図である。ポンプインペラ３は、環状のコア３ｂと、コア３ｂの周方向に沿ってほぼ等間隔に並んだ複数のインペラブレード３ａとを有し、これらはシェル２の内側に設けられる。インペラブレード３ａのそれぞれは、外側エッジがシェル２の内面に固定されるとともに、内側エッジの一部が湾曲した凹部となってコア３ｂの外側と接触している。以下、図３を用いてインペラブレード３ａについてより詳しく説明する。

図３は、コア３ｂとインペラブレード３ａとの関係を模式的に示す図であり、同図（ａ）は通常のインペラブレード３ａ’、同図（ｂ）は本実施形態に係るインペラブレード３ａを示している。インペラブレード３ａ，３ａ’の回転方向は同図の右向きである。これらの図において、流体は下側（内周側）から入って上側（外周側）から出る。この意味で、インペラブレード３ａの下部を入口部３１とも呼び、上部を出口部３２とも呼ぶ。

インペラブレード３ａ，３ａ’の外郭形状は、上述したようにシェル２に固定される外側エッジＥと、コア３ｂに当接する凹部Ｆとを有する。外側エッジＥの出口側端部Ｐｅｏは、凹部Ｆの出口側端部Ｐｆｏとほぼ直線状で接続される。以上の点は図３（ａ），（ｂ）に共通する。

図３（ａ）に示す通常のインペラブレード３ａ’において、外側エッジＥの入口側端部Ｐｅｉは、凹部Ｆの入口側端部Ｐｆｉともほぼ直線状で接続される。

これに対し、図３（ｂ）に示す本実施形態のインペラブレード３ａにおいては、インペラブレード３ａの入口部３１が回転方向に向かって曲がっている。より詳しくは、インペラブレード３ａは、凹部Ｆの入口側端部Ｐｆｉと、外側エッジＥの入口側端部Ｐｅｉとを結ぶ直線を境にして屈曲しており、同入口側端部Ｐｆｉから先端部Ｐｔが回転方向に向かっている。すなわち、インペラブレード３ａの入口部３１に曲率が急変する箇所がある。

このようにすることで、インペラブレード３ａに要求される強度を低くできることを説明する。

図４は、ステータブレード５ａおよびインペラブレード３ａ，３ａ’と、流体の流れとの関係を模式的に示す図である。図４（ａ）は通常のインペラブレード３ａ’（図３（ａ））を用いた場合の図であり、図３（ａ）の一点鎖線の形状が図４（ａ）のインペラブレード３ａ’の形状に相当する。また、図４（ｂ）は本実施形態に係るインペラブレード３ａ’（図３（ｂ））を用いた場合の図であり、図３（ｂ）の一点鎖線の形状が図４（ｂ）のインペラブレード３ａ’の形状に相当する。

流体は、ステータブレード５ａの入口から出口、インペラブレード３ａの入口から出口、および、タービンブレード４ａの入口から出口の間を循環しているが、図４ではこれを分かりやすく展開してステータブレード５ａおよびインペラブレード３ａ，３ａ’のみを描いたものである。

図４において、回転方向は同図の右向きであり、インペラブレード３ａ，３ａ’の右側の面（回転方向側の面）は流体に圧力を加える正圧面であり、左側の面（回転方向とは反対側の面）は流体から離れる負圧面である。ステータブレード５ａよって、流体の流れはインペラブレード３ａ，３ａ’に導かれる。

図４（ａ）におけるインペラブレード３ａ’の入口角度θｉ’は０度以下である。なお、入口角度とは、回転方向と直交する基準軸と、インペラブレード３ａ’の入口部３１とのなす角であり、基準軸より回転方向側を向いている場合を正の角度とする。ステータブレード５ａによって、流体のほとんどはインペラブレード３ａ’における入口部３１の正圧面に向かう。その結果、正圧面の圧力が高くなり、インペラブレード３ａ’の入口部３１に加わる負荷（すなわち、正圧面の圧力と、負圧面の圧力との差）が大きくなる。そのため、インペラブレード３ａの入口部３１には高い強度が必要となる。

これに対し、図４（ｂ）におけるインペラブレード３ａの場合、入口角度θｉは０度以下であるが、入口部３１が回転方向に向かって曲がっている。なお、このようなインペラブレード３ａであっても、入口角度θｉは曲がっていないとした場合（言い換えると、出口部３２から曲率が急変する部分を持たず、滑らかであるとした場合）に基づいて定義する。

入口部３１が回転方向側に曲がっているため、ステータブレード５ａからの流体の多くがインペラブレード３ａにおける入口部３１の負圧面に当たる。言い換えると、インペラブレード３ａの入口部３１は、その負圧面にステータブレード５ａからの流体が当たるように曲がっている。その結果、負圧面の圧力が高くなり、インペラブレード３ａの入口部３１に加わる負荷が軽減される。そのため、インペラブレード３ａの入口部３１に要求される強度を下げることができる。

図５は、図３（ａ），（ｂ）に示すインペラブレード３ａに加わる応力を示すシミュレーション結果である。インペラブレード３ａにおける外側エッジＥの出口側端部Ｐｅｏ、凹部Ｆの出口側端部Ｐｆｏ、図３（ａ）における凹部Ｆの入口側端部Ｐｆｉおよび図３（ｂ）における先端部Ｐｔ、外側エッジＥの入口側端部Ｐｅｉに加わる応力を比較している。

図示のように、図３（ａ）における凹部Ｆの入口側端部Ｐｆｉに加わる応力に比べて、図３（ｂ）における先端部Ｐｔに加わる応力を大幅に軽減できていることが分かる。また、外側エッジＥの入口側端部Ｐｅｉに加わる応力も軽減できていることが分かる。

図６は、本実施形態に係るインペラブレード３ａの設計思想を説明する図である。図６（ａ）に示すように、トルクコンバータ１００に要求される性能（例えば、容量係数、効率、トルク比など）に応じて、インペラブレード３ａの入口部３１における入口角度θｉおよび出口部３２における出口角度θｏが定まる。例えば、速度比（タービンランナ４の回転数／ポンプインペラ３の回転数）が低い領域での性能を高くするためには、入口角度θｉが０度以下となる。そして、図６（ｂ）に示すように、入口部３１と出口部３２とが滑らかに接続されるよう中央部の形状が定められる。

図６（ｂ）に示すインペラブレード（の原型）を作製した後、さらに本実施形態では、入口角度θｉが０度以下である場合に、図６（ｃ）に示すように、入口部３１を回転方向に向かって曲げる。このようにしてインペラブレード３ａを設計すると、屈曲点Ｐが生じる。

なお、このようなインペラブレード３ａは、入口角度θｉ’が０度以上であるインペラブレードとは異なる。入口角度θｉが０度以上である場合、図６（ｄ）に示すように、入口部３１’から出口部３２’にわたってすべて滑らかであり、図６（ｃ）に示すような屈曲部は存在しない。

ところで、インペラブレード３ａの入口部３１を曲げることで設計時の性能が得られないことも考えられる。しかしながら、望ましい実施形態では、図３（ｂ）に示すように、インペラブレード３ａの入口部３１において、外側エッジＥの入口側端部Ｐｅｉではインペラブレード３ａを曲げず、コア３ｂ近傍を大きく曲げる。言い換えると、曲がった面は、点Ｐｆｉ，Ｐｔ，Ｐｅｉを頂点とするほぼ三角形となっている。また別の言い方をすると、シェル２と固定された外側エッジＥは屈曲点を持たない。
このようにすることで、曲げない場合と比べても、性能の変化を抑えることができる。その理由を説明する。

図７は、ステータホイール５からポンプインペラ３への流体の流れを模式的に示す図である。ステータホイール５からの流体は主には直進するため、流体は主にインペラブレード３ａのシェル２側に当たり、コア３ｂ側に当たる流体は少ない。そのため、性能を維持するには、インペラブレード３ａの特にシェル２側の形状が重要である。一方で、インペラブレード３ａのコア３ｂ側の形状は相対的には重要ではない。

そのため、図３（ｂ）に示すように、外側エッジＥの入口側端部Ｐｅｉではインペラブレード３ａを曲げないことで、所望の性能を維持できる。

図８は、図３（ａ）に示す通常のインペラブレード３ａ’を有するトルクコンバータ１００の性能と、図３（ｂ）に示す本実施形態に係るインペラブレード３ａを有するトルクコンバータ１００の性能とを示すシミュレーション結果である。速度比ｅ（横軸）に対して、容量係数Ｃおよび効率η（縦軸左側）ならびにトルク比ｔ（縦軸右側）をトルクコンバータ１００の性能として示している。同図から、インペラブレード３ａの入口部３１を曲げてもほぼ性能に影響がなく、性能差を所定値未満とできることが分かる。

なお、インペラブレード３ａの曲げ方には種々のバリエーションが考えられる。図９に示すように、入口部３１におけるコア３ｂ側の一部のみが曲がっていてもよい。すなわち、凹部Ｆの入口側端部Ｐｆｉと、外側エッジＥの入口側端部Ｐｅｉとの間に屈曲点Ｐｃがあり、屈曲点Ｐｃと凹部Ｆの入口側端部Ｐｆｉとを結ぶ直線を境にして屈曲していてもよい。

また、図１０に示すように、凹部Ｆの入口側端部Ｐｆｉと、外側エッジＥの入口側端部Ｐｅｉとを結ぶ曲線を境にして屈曲していてもよい。いずれにしても、入口部３１の少なくとも一部が回転方向側に向かって曲がっていればよく、望ましくは、シェル２と接続される外側エッジＥにおいては曲がっていない。

このように、本実施形態では、入口角度θｉが０度以下であるインペラブレード３ａにおいて、入口部３１が回転方向に向かって曲がっている。そのため、流体の多くがインペラブレード３ａの負圧面に当たり、入口部３１に加わる負荷が小さくなる。結果として、インペラブレード３ａに要求される強度が低くなり、製造コストを抑えることができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１ フロントカバー
２ シェル
３ ポンプインペラ
３ａ インペラブレード
３ｂ コア
３１ 入口部
３２ 出口部
４ タービンランナ
４ａ タービンブレード
５ ステータホイール
５ａ，１１ ステータブレード
１００ トルクコンバータ

Claims (7)

1. 流体を介して動力を伝達する流体式のトルクコンバータであって、
   動力伝達元に接続され、前記動力伝達元の動力によって回転されるシェルと、
   前記シェルの内面に固定され、前記シェルとともに回転することで前記流体に流れを生じさせるインペラブレードと、
   動力伝達先に接続され、前記流体の流れによって回転されるタービンランナと、を備え、
   前記インペラブレードは、入口角度が０度以下であり、かつ、前記流体が入る入口部の少なくとも一部が前記インペラブレードの回転方向側に向かって曲がっている、トルクコンバータ。
2. 前記インペラブレードにおける前記流体の入口部のうち、前記シェルに固定される外側エッジは屈曲点を持たない、請求項１に記載のトルクコンバータ。
3. 前記シェルの内側に設けられた環状のコアを備え、
   前記インペラブレードは、
   前記シェルに固定される外側エッジと、
   前記コアと接触する凹部と、
   を有しており、前記流体の流れから見て、前記凹部の入口側端部と、前記外側エッジの入口側端部とを結ぶ直線を境に曲がっている、請求項１または２に記載のトルクコンバータ。
4. 前記シェルの内側に設けられた環状のコアを備え、
   前記インペラブレードは、
   前記シェルに固定される外側エッジと、
   前記コアと接触する凹部と、
   を有しており、前記流体の流れから見て、前記凹部の入口側端部と、前記外側エッジの入口側端部との間の所定点と、前記凹部の入口側端部とを結ぶ直線を境に曲がっている、請求項１または２に記載のトルクコンバータ。
5. 前記シェルの内側に設けられた環状のコアを備え、
   前記インペラブレードは、
   前記シェルに固定される外側エッジと、
   前記コアと接触する凹部と、
   を有しており、前記流体の流れから見て、前記凹部の入口側端部と、前記外側エッジの入口側端部とを結ぶ曲線を境に曲がっている、請求項１または２に記載のトルクコンバータ。
6. 前記流体を前記インペラブレードに導くステータブレードを備え、
   前記ステータブレードからの流体の少なくとも一部は、前記インペラブレードの負圧面に当たる、請求項１乃至５のいずれかに記載のトルクコンバータ。
7. 流体を介して動力を伝達する流体式のトルクコンバータにおけるインペラブレードの製造方法であって、
   前記インペラブレードの、前記流体が入る入口部における入口角度と、前記流体が出る出口部における出口角度を定め、
   前記入口角度および前記出口角度に応じて、前記入口部と前記出口部とを接続する形状を定め、
   前記入口角度が０度以下である場合に、前記入口部の少なくとも一部を前記インペラブレードの回転方向側に曲げる、インペラブレードの製造方法。

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