JP6639263B2 - カップリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスターボチャージャによって過給される内燃機関の技術分野に係る。本発明は、排ガスターボチャージャのロータに補助機械を取り付けるカップリング装置に関する。

高速回転するロータを有する排ガスターボチャージャから、余剰のエネルギを様々な方式で導出することができる。

国際公開第２０１３／１８３０８号には、排ガスターボチャージャを有するシステムが記載されている。そのシステムでは、液圧ポンプが、カップリングを介して、排ガスターボチャージャのロータに接続されている。

欧州特許公開第１９６１９３６号明細書には、いわゆるハイブリッド排ガスターボチャージャが記載されている。そのハイブリッド排ガスターボチャージャでは、電気機械が、カップリングを介して、排ガスターボチャージャに接続されていて、また、電気機械は、発電機として運転される。電気機械が機関として運転されると、カップリングを介して、排ガスターボチャージャにエネルギを供給することができる。

排ガスターボチャージャのロータからカップリングへのトルクの伝達は、好適には、形状接続式の結合を介して行われる。欧州特許公開第１９６１９３６号明細書は、カップリングとコンプレッサ羽根車との間の形状接続式の結合を開示している。

既存の排ガスターボチャージャにエネルギ回復／エネルギ供給のためのシステムを装着すべき場合には、カップリングとロータとの間の、後から製作できる結合部を、ロータの変更なく、特にコンプレッサ羽根車の変更なく実現することが追求されている。

特に、たとえば独国特許出願公開第１０１００９７７号明細書に開示されているように、ねじによりシャフトに取り付けられたコンプレッサ羽根車を備えるロータにおいて、エネルギの供給または排出時にねじ結合部が弛緩されるまたは過剰に締め付けられ、これによりコンプレッサ羽根車とシャフトとの間の結合部の品質が損なわれ得る問題が存在する。

国際公開第２０１３／１８３０８号 欧州特許公開第１９６１９３６号明細書 独国特許出願公開第１０１００９７７号明細書

本発明の課題は、ロータの個々の構成要素の間のねじ結合部を損なわない、排ガスターボチャージャのロータに補助機械を取り付ける、簡単に後付け可能なカップリング装置を提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、排ガスターボチャージャのシャフトに螺合するナットならびにナットに取り付けられるカップリング要素を備える、排ガスターボチャージャのロータに補助機械を取り付けるカップリング装置であって、カップリング装置は、トルクを伝達する手段を備え、トルクを伝達する手段は、排ガスターボチャージャのシャフトからカップリング装置へトルクを伝達するために、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた、トルクを伝達する手段に対応するトルクを伝達する手段と協働可能である。

好適には、カップリング装置のトルクを伝達する手段は、所定の輪郭を有し、輪郭は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた、輪郭に対応する対向輪郭と形状接続式に結合するのに適している。

好適には、カップリング装置のトルクを伝達する手段は、所定の輪郭を有する突出部を備え、輪郭は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた凹みにおける、輪郭に対応する対向輪郭と形状接続式に結合するのに適している。

好適には、カップリング要素のトルクを伝達する手段は、所定の輪郭を有する軸方向凹みを備え、輪郭は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた突出部における、輪郭に対応する対向輪郭と形状接続式に結合するのに適している。

好適には、カップリング要素は、第１の中間部材を介して、ナットに取り付けられており、第１の中間部材は、ナットに取り付けられており、カップリング要素は、第１の中間部材に取り付けられている。

好適には、カップリング装置のトルクを伝達する手段は、第２の中間部材に配置されており、第２の中間部材は、ナットに、または第１の中間部材に、またはカップリング要素に取り付けられている。

好適には、シャフト挿嵌部材をさらに備え、シャフト挿嵌部材の第１の端部は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた凹設部における雌ねじ山に螺入するための雄ねじ山を有し、シャフト挿嵌部材の第２の端部は、ナットを保持するための雄ねじ山を有し、カップリング装置は、相対回動防止要素を備え、相対回動防止要素は、環状に形成されていて、かつシャフト挿嵌部材の第２の端部からシャフト挿嵌部材における突出部まで、シャフト挿嵌部材に沿って案内されており、相対回動防止要素は、雄ねじ山を有し、相対回動防止要素の雄ねじ山は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた凹設部の、雄ねじ山に対応する雌ねじ山に螺入可能である。

好適には、排ガスターボチャージャのシャフトをさらに備え、排ガスターボチャージャのシャフトに、２つの雌ねじ山を有する凹設部が形成されており、第１の雌ねじ山は、シャフト挿嵌部材の第１の端部の領域における雄ねじ山とのねじ結合部のために設けられており、第１の雌ねじ山に対して半径方向外方へ、かつ軸方向でシャフト端部に向けてずらされた第２の雌ねじ山は、相対回動防止要素上に設けられた雄ねじ山とのねじ山結合部のために設けられており、相対回動防止要素は、シャフト挿嵌部材に設けられた突出部において当接するまで、第２の雌ねじ山に螺入されている。

好適には、ねじ山結合部は、それぞれ異なるねじ山ピッチを有する。

カップリング装置を用いて排ガスターボチャージャのロータに結合された補助機械ならびに排ガスターボチャージャを備える過給装置が、好適である。

本発明によれば、複数の個々の部品から構成されたロータにおいて、コンプレッサ羽根車をシャフトに取り付けるナットが作用する。コンプレッサ羽根車自体は、カップリング装置が接触しないままになっている。カップリング装置は、ナットに取り付けられていて、また本発明によれば、シャフトからカップリング要素にトルクを伝達する追加的な手段を有する。このトルクを伝達する手段は、好適には、シャフト端部に設けられた、これに対応する凹部に係合する。この凹部は、たとえばシャフトを固定するためにシャフトにナットをねじ締めする際に必要であり、六角穴として形成されている。これに対応する、トルクを伝達する手段は、六角柱である。この六角柱は、直接にカップリング要素に形成されているか、または間接に中間部材を介してカップリング要素に取り付けられていて、そうして、シャフトとカップリング要素との間の形状接続式の結合部が提供される。

シャフトにおけるコンプレッサ羽根車の螺合による取付けが、シャフトに螺入されたシャフト挿嵌部材を有する、複数部分から成るシャフトを含むとき、本発明によれば、シャフトにおける雌ねじ山とシャフト挿嵌部材における雄ねじ山との間のねじ山結合部が、相対回動防止要素によって、ねじ山結合部の意図しない弛緩に対して確保されている。この場合、相対回動防止要素は、環状の要素として、シャフト挿嵌部材に沿って摺動されていて、その雄ねじ山が当接するまで、シャフトにおける追加的な雌ねじ山に螺入される。選択的に、両方のねじ山結合部は、それぞれ異なるねじ山ピッチを有し、これにより、意図しない弛緩がさらに生じにくくなる。

以下に、図面に基づいて本発明の様々な実施の形態を説明する。

内燃機関と、排ガスターボチャージャと、排ガスターボチャージャに接続された補助機械とを備えるシステムの概略図を示す。 非取付け状態で、排ガスターボチャージャのロータに補助機械を取り付けるカップリング装置の第１の実施の形態を示す。 取付け状態で、図２によるカップリング装置を示す。 非取付け状態で、排ガスターボチャージャのロータに補助機械を取り付けるカップリング装置の第２の実施の形態を示す。 取付け状態で、図４によるカップリング装置を示す。 排ガスターボチャージャのロータに補助機械を取り付けるカップリング装置の第３の実施の形態を示す。 相対回動防止要素を備える、図６によるカップリング装置の部分ＶＩＩの拡大図を示す。 図７によるカップリング装置の相対回動防止要素を示す。 図２によるカップリング装置のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面を１方向からみて示す。

図１は、排ガスタービン４とコンプレッサ２とを有する排ガスターボチャージャを備える内燃機関１０の過給装置を概略的に示している。図１では、タービン羽根車およびコンプレッサ羽根車は、排ガスターボチャージャのシャフト３０を介して互いに結合されている。コンプレッサ側で、カップリング５０を介して、補助機械が、排ガスターボチャージャのロータに結合されている。補助機械は、たとえば、排ガスターボチャージャからエネルギを供給するまたは取り出すための電気機械または液圧ポンプである。

図２は、シャフト３０に被せ嵌められたコンプレッサ羽根車２０を備えるアセンブリを示している。このアセンブリは、シャフト端部の雄ねじ山に螺着されたナット３１により、軸方向ストッパに対して固定されている。シャフト３０はその自由端部に凹部を有し、凹部に、典型的には六角穴３２が形成されている。この六角穴は、ナット３１をシャフト３０にねじ締める際に取付工具を保持するのに用いられる。取付工具は、ナット３１が締め付けられる間、シャフトを制止する。本発明によれば、図３に示されているように、左側で切断して図示されたカップリング要素５２は、ナット３１と形状接続式に結合（形状接続式の結合とは、嵌め合いまたは噛み合いなどの部材相互の形状的関係に基づく結合を意味する）される。この結合は、周に沿って分配して配置された複数の固定ねじ５３を、その固定ねじ５３のために設けられた、ナット３１に設けられた孔にねじ締めることにより行われる。中心に、カップリング要素５２は、軸方向に向けられた突出部５４を有する。この突出部５４は、六角穴３２に対応して六角柱として形成されていて、カップリング要素５２とナット３１とを接合するとき、シャフト端部に設けられた凹部３２に形状接続式に結合される。総じて、これら両方の形状接続は、シャフト３０とカップリング要素５２との間の着脱可能な形状接続式の結合をもたらし、この結合は、シャフト３０からカップリング要素５２への最適なトルク伝達に役立つ。カップリング要素５２における軸方向の突出部５４とシャフト端部における凹部３２との間の形状接続式の結合のおかげで、ナット３１とシャフト肩部における軸方向ストッパとの間のコンプレッサ羽根車２０の締付けの役割を担う、ナット３１とシャフト３０との間のねじ山結合部は、カップリング要素へのトルク伝達により損なわれないまま維持される。

選択的に、本実施の形態または後述の記載で提案されるあらゆる別の実施の形態では、シャフト端部における凹部に設けられた六角穴と、カップリング要素における突出部に設けられた六角柱との代わりに、別に成形された、互いに合わせて調整された輪郭を設けてよい。突出部と凹部とは、交換してもよい。または、凹部および突出部は、円錐形に成形してよく、この場合、トルク伝達は、凹部と突出部との間の形状接続によってではなく、圧力が掛けられた力接続（力が伝達されるような接続）によって行われる。これにより、場合により生じる角度のずれも、固定手段５３と、ナットにおける、固定手段５３を保持するために設けられた孔との接合時に補整することができる。互いに一致する輪郭による形状接続式の結合の場合、固定手段５３は、図９に示されたように、周に沿って延在する長孔５１内に配置されていて、この長孔内で所望の位置にシフトすることができる。場合により、固定手段のねじ頭と、カップリング要素の、長孔を有するフランジとの間にワッシャを設けてよく、これにより、長孔を覆い、大面積の面圧を確保することができる。

図４は、カップリング装置の第２の実施の形態を示している。この図４の形態では、カップリング要素５２は、より大きな半径で、排ガスターボチャージャのロータに結合されている。そのために、コンプレッサ羽根車２０を固く保持するナット３１に、第１の中間部材５５が、上述の図面において示されたように、たとえば周に沿って分配して配置された複数の固定ねじによって取り付けられている。続いて、第１の実施の形態のように、六角柱としての軸方向の突出部がシャフト端部における中心の凹部に導入され、第２の中間部材が、周に沿って分配して配置された複数の固定ねじによって第１の中間部材に取り付けられることにより、別の中間部材５６を介して、シャフト３０と第１の中間部材５５との間の形状接続式の結合部が形成される。最後に、図５に示されているように、カップリング要素５２が、外側に位置する、同様に周に沿って分配して配置された複数の固定ねじを用いて中間部材５５に取り付けられる。これにより、総じていまや３つの形状接続から、シャフトとカップリング要素との間の着脱可能な形状接続式の結合部が生じる。

シャフトが、図６に示されているように、内外に螺合された２つの部分から構成されているとき、このねじ山結合部を固定するために、本発明によれば、相対回動防止要素が使用される。図７によれば、相対回動防止要素３８は、シャフト挿嵌部材３５に被せ嵌められており、シャフト挿嵌部材３５は、一端部が、シャフト３０の中心開口に挿嵌されていて、ねじ山結合部３６を介してねじ締められている。この場合、シャフト挿嵌部材３５をシャフト３０に挿嵌する際に、シャフト挿嵌部材３５は、凹部の底に、当接するまで螺入され、これにより締め付けられる。ねじ回し方向の過剰な回動は、これにより、後の運転時にも阻止される。したがって、このねじ結合部は、別の回動方向で固定するだけでよく、相応のトルクが突発的または持続的に加わるときにねじ結合部の意図しない弛緩が生じない。相対回動防止要素３８は、シャフト挿嵌部材３５を取り付ける際に、その自由端部からシャフト挿嵌部材３５に被せ嵌められ、最終的に、突出部３５１に当接するまで、相対回動防止要素３８における雄ねじ山が、シャフトの自由端部における雌ねじ山に螺入される。

図８に個別に示された相対回動防止要素３８は、別個の、内向きの突出部３８２を有してよく、または、単純に環状に形成されていて、一端面でもって、シャフト挿嵌部材３５における突出部３５１に載置されてもよい。シャフト挿嵌部材３５における突出部３５１が運転時に相対回動防止要素３８に当接し、これにより、軸方向でのシャフト挿嵌部材３５の移動が阻止されていることが、相対回動防止にとって重要である。したがって、シャフト挿嵌部材３５とシャフト３０との間のねじ山結合部３６は、両方の回動方向で緊締されている。このねじ山結合部３６の弛緩は、相対回動防止要素３８がねじ山結合部３７からねじ外されて、軸方向でシャフト挿嵌部材３５に沿ってその自由端部に向かって摺動されると、再び可能である。選択的に、両方のねじ山結合部３６，３７のねじ山は、それぞれ異なるねじ山ピッチを有してよい。

１０ 内燃機関
２ 排ガスターボチャージャのコンプレッサ
２０ コンプレッサ羽根車
３０ 排ガスターボチャージャのシャフト
３１ シャフト（３０）にコンプレッサ羽根車（２０）を取り付けるナット
３２ シャフトにトルクを伝達する手段（六角穴）
３５ シャフト挿嵌部材
３５１ シャフト挿嵌部材における突出部
３６ シャフト挿嵌部材（３５）とシャフト（３０）との間のねじ山結合部
３７ 相対回動防止要素（３８）とシャフト（３０）との間のねじ山結合部
３８ 相対回動防止要素
３８１ 相対回動防止要素（３８）における雄ねじ山
３８２ 相対回動防止要素（３８）における突出部
４ 排ガスターボチャージャのタービン
５０ 排ガスターボチャージャのロータに補助機械を取り付けるカップリング装置
５１ 長孔
５２ カップリング要素
５３ 固定ねじ
５４ カップリング装置にトルクを伝達する手段（軸方向突出部）
５５ 中間部材
５６ トルクを伝達する中間部材
６０ 補助機械（電気機械、液圧ポンプなど）

Claims (10)

1. 排ガスターボチャージャのシャフト（３０，３５）に螺合するナット（３１）ならびに該ナットに取り付けられるカップリング要素（５２）を備える、排ガスターボチャージャのロータに補助機械を取り付けるカップリング装置であって、
   当該カップリング装置は、トルクを伝達する手段（５４）を備え、該トルクを伝達する手段（５４）は、排ガスターボチャージャのシャフトから当該カップリング装置へトルクを伝達するために、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた、前記トルクを伝達する手段（５４）に対応するトルクを伝達する手段と協働可能であることを特徴とする、カップリング装置。
2. 当該カップリング装置の前記トルクを伝達する手段（５４）は、所定の輪郭を有し、該輪郭は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた、前記輪郭に対応する対向輪郭と形状接続式に結合するのに適している、請求項１記載のカップリング装置。
3. 当該カップリング装置の前記トルクを伝達する手段は、所定の輪郭を有する突出部を備え、該輪郭は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた凹みにおける、前記輪郭に対応する対向輪郭と形状接続式に結合するのに適している、請求項２記載のカップリング装置。
4. 前記カップリング要素の前記トルクを伝達する手段は、所定の輪郭を有する軸方向凹みを備え、該輪郭は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた突出部における、前記輪郭に対応する対向輪郭と形状接続式に結合するのに適している、請求項２記載のカップリング装置。
5. 前記カップリング要素（５２）は、第１の中間部材（５５）を介して、前記ナット（３１）に取り付けられており、前記第１の中間部材は、前記ナットに取り付けられており、前記カップリング要素は、前記第１の中間部材に取り付けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のカップリング装置。
6. 当該カップリング装置の前記トルクを伝達する手段（５４）は、第２の中間部材（５６）に配置されており、該第２の中間部材（５６）は、前記ナットに、または前記第１の中間部材に、または前記カップリング要素に取り付けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のカップリング装置。
7. シャフト挿嵌部材（３５）をさらに備え、該シャフト挿嵌部材（３５）の第１の端部は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた凹設部における雌ねじ山に螺入するための雄ねじ山を有し、前記シャフト挿嵌部材（３５）の第２の端部は、前記ナット（３１）を保持するための雄ねじ山を有し、当該カップリング装置は、相対回動防止要素（３８）を備え、該相対回動防止要素（３８）は、環状に形成されていて、かつ前記シャフト挿嵌部材の前記第２の端部からシャフト挿嵌部材における突出部（３５１）まで、前記シャフト挿嵌部材に沿って案内されており、前記相対回動防止要素（３８）は、雄ねじ山（３８１）を有し、前記相対回動防止要素の前記雄ねじ山は、排ガスターボチャージャのシャフトに設けられた凹設部の、前記雄ねじ山に対応する雌ねじ山に螺入可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載のカップリング装置。
8. 排ガスターボチャージャのシャフトをさらに備え、前記排ガスターボチャージャの前記シャフトに、２つの雌ねじ山を有する凹設部が形成されており、第１の雌ねじ山は、前記シャフト挿嵌部材（３５）の前記第１の端部の領域における雄ねじ山とのねじ結合部（３６）のために設けられており、前記第１の雌ねじ山に対して半径方向外方へ、かつ軸方向でシャフト端部に向けてずらされた第２の雌ねじ山は、前記相対回動防止要素（３８）上に設けられた前記雄ねじ山（３８１）とのねじ山結合部（３７）のために設けられており、前記相対回動防止要素は、前記シャフト挿嵌部材に設けられた前記突出部（３５１）において当接するまで、前記第２の雌ねじ山に螺入されている、請求項７記載のカップリング装置。
9. 前記ねじ山結合部は、それぞれ異なるねじ山ピッチを有する、請求項８記載のカップリング装置。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載のカップリング装置を用いて排ガスターボチャージャのロータに結合された補助機械ならびに排ガスターボチャージャを備える、過給装置。

Images