JPH0217123Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は自動車用エンジンの排気ターボ過給機
などにおけるセラミツクス製タービンロータと金
属軸との結合構造に関するものである。

〔従来の技術〕

高温の排気に晒されるタービンロータにセラミ
ツクス材料を用いれば軽量化と加速応答性の向上
を図ることができる。ブレードを有するタービン
ロータとロータ軸を一体的に成形することはその
形状から歪が生じやすく、これを機械加工により
取り除くことは非常に困難であるために、タービ
ンロータとロータ軸とを別個にセラミツクス材料
から成形し、これらをろう付けなどにより結合す
ることが、例えば特開昭55−134701号公報や実開
昭57−89801号公報などに提案されている。しか
し、ロータ軸にセラミツクスを用いることはトル
ク変動に対する靭性など強度の点で十分なものと
は言えない。

そこで、第１図に示すように、金属軸３の端部
にテーパ穴３ａを設ける一方、セラミツクス製タ
ービンロータ１にテーパ軸部１ａを形成し、この
テーパ軸部１ａをテーパ穴３ａの内部へ緩衝部材
２を介してろう付けにより結合したものが提案さ
れている。緩衝部材２としては金属軸３の金属と
セラミツクスとの熱膨張係数の差による熱応力を
除去し得るような特殊な合金が用いられる。しか
し、セラミツクスと金属とのろう付けは、高温下
では結合強度が劣下するために、他に適当な締結
手段が必要とされる。

また、第２図に示すように、金属軸３を段部１
０のところから先端側を小径軸部１１に形成し、
この小径軸部１１をタービンロータ１の軸穴８に
嵌合したうえ、先端側ねじ軸部１２にナツト５を
締め付けてタービンロータ１を段部１０との間に
締め付けるものも提案されているが、金属はセラ
ミツクスに比べて熱膨張係数が大きいために、熱
膨張により小径軸部１１の外径が大きくなると、
タービンロータ１が破壊され、または小径軸部１
１の長さが伸びるとナツト５の締付力がなくなる
という問題がある。

実開昭56−88902号公報に開示されるように、
セラミツクス製ロータのテーパ軸部を、金属軸の
テーパ穴に嵌合し、セラミツクス製ロータを貫通
するボルトを金属軸へ螺合して固定した結合構造
も知られている。しかし、熱膨張による嵌合部の
弛みを実際に除去するものは皿ばねであつて、こ
のような皿ばねは高温下ではばね作用をなさなく
なり、結局嵌合部に弛みが生じるのを免れない。
この技術では、熱膨張率の高い金属軸のテーパ穴
に、セラミツクス製ロータのテーパ軸部を嵌合し
ているので、高温下で嵌合部の弛みが増すばかり
である。

〔考案が解決しようとする問題点〕

本考案の目的は、製作が簡単でかつ十分なトル
ク伝達能力を備え、熱応力による破壊を回避し得
るセラミツクス製タービンロータと金属軸との結
合構造を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本考案の構成はセ
ラミツクス製タービンロータのテーパ穴に、金属
軸に形成したテーパ角の正接が金属軸の熱膨張に
よる軸方向の伸びと径方向の伸びとの割合をなす
テーパ軸部を嵌合し、テーパ穴の小径端に設けた
円筒形軸穴から外端側へ拡がる短いテーパ穴に、
外周面がテーパ状の芯出し座金を嵌合し、金属軸
の先端側小径軸部を円筒形軸穴と芯出し座金に挿
通し、金属軸の先端部にナツトを螺合して締め付
けたものである。

〔作用〕

本考案によると、セラミツクス製タービンロー
タ１のテーパ穴９に、金属軸３のテーパ軸部１４
を嵌合し、セラミツクスと金属との熱膨張量の差
を考慮してテーパ角を決めることにより、高温の
下でテーパ軸部１４が熱膨張しても、テーパ軸部
１４がテーパ穴９の内部で軸方向に抜け出る方向
へ滑るので、金属軸３の軸径の拡大によるテーパ
穴９の破壊が防止されるとともに、テーパ軸部１
４とテーパ穴９との適正な嵌合状態が維持され
る。

〔考案の実施例〕

第３図に示すように、セラミツクスから成形さ
れるタービンロータ１のテーパ穴９の一端側に円
筒形軸穴１３を形成し、円筒形軸穴１３の外端側
に第４図に示すように外端側に拡がるテーパ穴１
５を形成する。

一方、金属軸３にテーパ軸部１４を形成し、こ
れより先端側にナツト５を螺合する小径軸部６を
設ける。タービンロータ１のテーパ穴９に金属軸
３のテーパ軸部１４を嵌合したうえ、小径軸部６
に環状の芯出し座金７を外嵌し、この内端部に形
成した外周面がテーパをなす突壁８をタービンロ
ータ１のテーパ穴１５に嵌合する。金属軸３の先
端部にナツト５の締め付けると、芯出し座金７が
タービンロータ１のテーパ穴１５に当り、テーパ
穴９とテーパ軸部１４との適度な嵌合が達せられ
る。

ここで、テーパ軸部１４とテーパ穴９のテーパ
角θは次のように定められる。500℃を超える高
温下では、タービンロータ１は熱膨張によりテー
パ穴９が第４図に破線で示すように変形する。す
なわち、軸方向の熱膨張により、テーパ穴９と円
筒形軸穴１３との交差部ｂはΔl₂だけ軸方向に移
動する。一方、金属軸３はセラミツクスよりも熱
膨張係数が大きいので、小径軸部６とテーパ軸部
１４との交差部ａはΔl₁だけ軸方向に移動する。
したがつて、タービンロータ１と金属軸３との間
には軸方向の隙間d_L＝Δl(一)−Δl₂が生じ、また径
方向の隙間（Δl₁−Δl₂）sinθが生じる。

第５図に示すように、径方向の熱膨張は小径軸
部６でΔR₁だけ、またタービンロータ１の円筒形
軸穴１３でΔR₂だけ大きくなる。テーパ軸部１４
とテーパ穴９の嵌合部でも同様のことがいえる。
金属軸３がタービンロータ１のテーパ穴９から抜
け出そうとする量d_Rは（ΔR₁−ΔR₂）cosθで表さ
れる。

いま、d_Lとd_Rとが等しければ、軸方向と径方向
との変位は相殺され、熱膨張による影響が解消さ
れる。よつて、テーパ角θを上述の条件を満足す
るように定めれば、熱膨張係数の異なるタービン
ロータ１と金属軸３とが熱膨張しても、テーパ穴
９とテーパ軸部１４との間で軸方向の滑りが生じ
るだけで、テーパ軸部１４の熱膨張によるテーパ
穴９を押し拡げるような力が解消され、常に適正
な嵌合状態が維持される。

〔考案の効果〕

本考案は上述のように、セラミツクス製タービ
ンロータのテーパ穴に、金属軸に形成したテーパ
角の正接が金属軸の熱膨張による軸方向の伸びと
径方向の伸びとの割合をなすテーパ軸部を嵌合
し、テーパ穴の小径端に設けた円筒形軸穴から外
端側へ拡がる短いテーパ穴に、外周面がテーパ状
の芯出し座金を嵌合し、金属軸の先端側小径軸部
を円筒形軸穴と芯出し座金に挿通し、金属軸の先
端部にナツトを螺合して締め付けたものであり、
セラミツクス製タービンロータのテーパ穴に、セ
ラミツクスよりも熱膨張率の大きい金属軸のテー
パ軸部を嵌合するものであるから、高温下で嵌合
部に弛みが生じることがない。

セラミツクス製タービンロータと金属軸とのテ
ーパ嵌合部のテーパ角を規定の値とすることによ
り、金属軸の熱膨張に対し、テーパ軸部がテーパ
穴に沿つて軸方向へ滑り、過大な嵌合力が回避さ
れる。したがつて、テーパ穴が拡開されて破壊す
ることはない。

金属軸の小径軸部をセラミツクス製ロータの円
筒形軸穴と芯出し座金に挿通し、ナツトを締め付
けるだけで、セラミツクス製タービンロータのテ
ーパ穴と金属軸のテーパ軸部との適正な嵌合状態
が維持され、金属軸の機械加工が簡単であり、コ
ストが節減される。

金属軸の熱膨張に対して、芯出し座金を支点と
する金属軸の軸方向移動により、常に適性な嵌合
状態が保持されるので、金属軸の軸方向移動を抑
止するばねが不要であり、熱に対する耐久性と信
頼性が向上される。

【図面の簡単な説明】

第１，２図はそれぞれ従来のセラミツクス製タ
ービンロータと金属軸との結合構造を示す側面断
面図、第３図は本考案に係るセラミツクス製ター
ビンロータと金属軸との結合構造を示す側面断面
図、第４，５図は同要部の熱変形を説明するため
の側面断面図である。 １：タービンロータ、３：金属軸、５：ナツ
ト、７：芯出し座金、９：テーパ穴、１１：小径
軸部、１３：円筒形軸穴、１４：テーパ軸部。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. セラミツクス製タービンロータのテーパ穴に、
   金属軸に形成したテーパ角の正接が金属軸の熱膨
   張による軸方向の伸びと径方向の伸びとの割合を
   なすテーパ軸部を嵌合し、テーパ穴の小径端に設
   けた円筒形軸穴から外端側へ拡がる短いテーパ穴
   に、外周面がテーパ状の芯出し座金を嵌合し、金
   属軸の先端側小径軸部を円筒形軸穴と芯出し座金
   に挿通し、金属軸の先端部にナツトを螺合して締
   め付けたことを特徴とするセラミツクス製タービ
   ンロータと金属軸との結合構造。