JPH04103806A - 回転接合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミック製の回転体と、金属製の回転軸と
を凸部と凹部とによって接合した回転接合体に関し、タ
ーボチャージャやガスタービンに用いて好適な技術であ
る。

［従来の技術］ 従来技術の一例として、排気ガスエネルギーを用いてエ
ンジンの出力を向上させるターボチャージャを用いて説
明する。

従来のターボチャージャには、応答性を良くするために
、セラミック製のタービン別車（回転体）を用いたもの
がある。このセラミック製のタービン別車を支持する回
転軸は、金属よりなり、タービン別車と回転軸との接合
の一例として、焼嵌めが用いられている。焼嵌めは、タ
ービン別車の凸部に、回転軸の端部に設けられた凹部を
加熱して嵌め合わせ、凹部の熱収縮によってタービン別
車と回転軸とを接合する技術である。

［発明が解決しようとする課題］ 焼嵌めを行うために、金属製の凹部の熱膨張率は、セラ
ミック製の凸部の熱膨張率より大きく設けられる。この
ため、焼嵌めを行って熱収縮した四部によって、四部と
凸部との接合部分に、引張応力が発生し、タービン調車
と回転軸との接合強度が低下してしまう。

そして、四部と凸部との接合部分の引張応力によってタ
ービン調車と回転軸との接合強度が低下した状態では、
ターボチャージャの長期の使用にあなつり、タービン調
車の回転バランスが変化する可能性を有していた。

そこで、従来では、凹部の外周に溝を形成し、上記の接
合強度の低下を防ぐ対策が成されていた。

しかるに、この対策は、設計上の大きな制約となってい
た。

また、凹部と凸部との間に緩衝材としてろう材を設ける
技術も知られている。しかるに、この技術は、ろう材を
凹部の内周あるいは凸部の外周に均一に形成するために
施されるメツキ処理や、不要なメツキを削り取る加工技
術によって製造コストが高くなってしまう。

さらに、凹部の底面と凸部の端面との間に、隙間を開け
る技術が提案されている。しかるに、この技術は、隙間
を一定に管理するのが困難であった。

本発明の目的は、セラミック製の凸部が金属製の凹部の
内周で内側に押し付けられることによって接合される凸
部と四部との接合強度を、簡単な技術で、しかも低いコ
スＩ−で高くできる回転接合体の提供にある。

１課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明の回転接合体は、
次の技術的手段を採用する。

回転接合体は、端部に凸部を備えたセラミック製の回転
体と、前記凸部に嵌め合わされる凹部を一端に備え、前
記凸部の外周を前記凹部の内周で内側に押し付けること
によって前記凹部内に前記凸部を固着する金属製の回転
軸とを備える。

そして、回転接合体は、前記四部に嵌め合わされる凸部
の外径寸法りと、前記凹部の角部の最低肉厚をとの関係
が、０．０５≦ｔ／Ｄ≦０２を満足するように設けられ
る。

を満足するように設けられることによって、凹部が回転
体を支持する十分な強度を看する。

［作用コ 凹部の内側に凸部の外周を押さえ付けて凹部と凸部との
接合を行なったものは、温度変化によって四部が収縮す
ると、あるいは凸部が膨張すると、凸部の端部が凹部の
底部を押し付け、凹部が角部を支点にして引っ張られる
。

このため、最低肉厚ｔと外径寸法りとの関係がｔ／Ｄ≦
０．２を満足するように設けられることによって、凹部
の変形が容易となり、凹部と凸部との接合部分における
引張応力が緩和される。この結果、凸部と凹部とを焼嵌
めによって、大きな接合強度を得ることができる。

しかるに、外径寸法りに対して最低肉厚ｔが薄くなり、
ｔ／Ｄが０，０５よりも小さくなると、回転体を保持す
る凹部の強度が低下し、回転接合体の接合部における剛
性が低下してしまう。このため、最低肉厚ｔと外径寸法
りとの関係が０，０５≦ｔ／Ｄ［発明の効果］ 上記に示したように、角部の最低肉厚ｔを、凸部の外径
寸法りに応じて、適切な範囲内に設ける簡単な技術でタ
ービン調車と回転軸とが強固に接合される。この結果、
従来に比較して設計、制作が容易に行えるとともに、製
造コストを低く抑えることもできる。

［実施例］ 次に、本発明の回転接合体を、ターボチャージャに適用
した一実施例に基づき、図面を用いて説明する。

（実施例の構成） 第１図および第２図は本発明の実施例を示すもので、第
１図はタービン調車と回転軸の断面図、第２図はターボ
チャージャの断面図を示す。

ターボチャージャ１は、主に、ハウジング２と、タービ
ン別車３が接合された回転軸４と、この回転軸４に固着
されたコンプレッサ別車５と、回転軸４をハウジング２
内で回転自在に支持する支持構造６とから構成される。

ハウジング２は、排気スクロールを形成するタービンケ
ース７と、支持構造６を収納する中間ケース８と、吸気
スクロールを形成するコンプレッサケース９とからなる
３つの分割体で、複数のボルト１０によって固着されて
いる。

タービン別車３（本発明の回転体）は、例えば窒化珪素
（熱膨張率が２．２ｘｌＯ’／’Ｃ）を主体とするセラ
ミック製で、軸心の端部に回転軸４と接合される凸部１
１を備える。

回転軸４は、タービン側の端部にタービン別車３の凸部
１１に嵌め合わされて接合される凹部１２を備えた金属
製の軸体で、凸部１１の周囲が凹部１２の内周に押し付
けられることによって、凸部１１と凹部１２とが接合さ
れている。この接合方法の一例として、本実施例では、
凸部１１と凹部１２とを、焼成めによって接合している
。また、本実施例の凹部１２は、インコロイ製（熱膨張
率が９．４Ｘ　１０−’／’Ｃ）で、クロム・モリブデ
ン綱あるいはニッケル・クロム・モリブデン網製のジャ
ーナル部１３と電子ビームや摩擦圧接によって接合され
ている。焼成めについて、簡単に説明する。凹部１２の
内径は、常温において、凸部１１の外径寸法りより４０
〜５０μｍはど小さく設けられている。そして、凹部１
２を加熱して４脹させ、凸部１１と凹部１２とを嵌め合
わせる。そして、凹部１２の温度が低下すると、熱収縮
によって凸部１１と凹部１２とが強固に接合される。

支持構造６は、２つのボールベアリング１４．１５を備
える。２つのボールベアリング１４．１５のインナーレ
ース１６．１７の間には、筒状のスリーブ１８が配され
ていており、２つのインナーレース１６．１７の間隔を
保っている。

コンプレッサ別車５は、例えばアルミニウム製で、イン
ナーオイルシール１９を介して回転軸４に装着され、回
転軸４の端部のオネジ部にナツト２０を締付けることに
より、回転軸４に固着されている。つまり、ナツト２０
を締付けることにより、ナツト２０と凹部１２どの間に
、２つのインナーレース１６．１１、スリーブ１８、イ
ンナーオイルシール１９、コンプレッサ別車５が挾まれ
、ナツト２０の締付はトルクによってコンプレッサ別車
５が回転軸４に固着される。なお、インナーオイルシー
ル１９は、外周に取り付けられたアウターオイルシール
２１と対を成すもので、潤滑油がコンプレッサケース９
内に流出するのを防ぐものである。

次に、回転軸４の凹部１２について説明する。

この回転軸４の凹部１２の角部１２ａの最低肉厚ｔは、
凸部１１の外径寸法りに応じて設定されており、具体的
には、次式の０．０５≦ｔ／Ｄ≦０．２を満足するよう
に設けられている。

（試験および試験結果） 次に、角部１２ａの最低肉厚ｔと、凸部１１の外径寸法
りとを変化させて行った２つの試験について説明する。

第１試験に用いた試験品は、凹部１２にインコロイ製（
インコロイ９０３）、ジャーナル部１３にニッケル・ク
ロム・モリブデン編製（ＳＮＣＭ−４３９）を用いて両
者を摩擦圧接にて接合し、凹部１２の内部を平滑に加工
した後、７２０℃を８時間、６２０℃を８時間の時効処
理を行い、大気中６００℃にて、凸部１１と凹部１２と
の焼成めを行ったものである。試験には、凸部１１の外
径寸法りを、１０ｕのものと、１２ｕのものを用い、凹
部１２の内径は、常温において、凸部１１の外径寸法り
が１０ｕのとき４０Ｊｉｍ小さく、凸部１１の外径寸法
りが１２ｕのとき５０μｍ小さく設けられている。

そして、第１試験は、−２０℃の冷却から３００℃の加
熱サイクルを４０サイクル行い、ジャーナル部１３を保
持した状態でタービン別車３の頭部に加重を加えて、焼
成めの接合強度を測定したもので、その試験結果を次の
表１に示す。

（以下余白） 表１ なお、表１における曲げ強度の測定方法について説明す
る。ジャーナル部１３の周囲を強固に保持した状態で、
タービン別車３の先端（第１図の矢印Ａ参照）を、回転
軸４の軸方向に対して直角に加重を加える。そして、凸
部１１と凹部１２との接合箇所に破壊が生じたとき、接
合部に働いていた応力値を曲げ強度とした。

第２試瞼に用いた試験品は、７２０℃を８時間、６２０
℃を８時間の時効処理を施したインコロイ製（インコロ
イ９０３）の四部１２に、凸部１１を焼成Ｗ＞し、調質
処理を施したりｔコム　モリブデンｍ製（５ＣＨ−４４
０）のジャーナル部１３を四部１２と電子ビーム溶接に
て接合したもので、ジャーナル部１３はＨＲＣ−５０以
上に焼き入れされたものである。なお、実験に用いられ
たタービン別車３の外径寸法は、５０ｍｍのものを使用
した。

そして、第２試験は、５分間エンジンのアイドリング運
転を行い、次に５分間エンジンに５０％の負荷を与えて
エンジン回転速度を２５００ｒｐｍの運転を行い、その
後５分間エンジンに１００％の負荷を与えてエンジン回
転速度を６００Ｏｒｐｍの運転を行うサイクル運転を、
５時間連続して行ない、試験前と試験後のバランスの変
化量を調べたもので、その試験結果を次の表２に示す。

（以下余白） 表２ なお、表２に示すアンバランスの変化は、次のように測
定した。まず、試験前にタービン別車３と回転軸４との
回転接合体を回転させ、頭部は第１図の矢印Ａ部分、費
板部は矢印Ｂ部分を削って回転バランスを取った０次い
で、耐久試験を行った後に回転バランスを取った。

（実施例の効果） 表１に示されるように、ｔ／Ｄ≦０．２のとき、凸部１
１と凹部１２との接合強度が高く、ｔ／Ｄが０２より大
きくなると、引張応力によって接合強度が低下してしま
う。また、表２に示すように、０００５≦ｔ／Ｄのとき
、耐久試験後のバランス変化量が小さく、ｔ／Ｄが０．
０５より小さくなると、凹部１２の強度の低下によって
バランス変化量が大きくなってしまう。

このように、０．０５≦ｔ／Ｄ≦０．２を満足するよう
に設けることによって、タービン別車３と回転軸４とが
強固に接合され、長期使用してもタービン別車３の回転
バランスの変化を抑えることができる。

そして、本発明は、角部１２ａの最低肉厚ｔを、凸部１
１の外径寸法りに応じて、適切な範囲内に設ける簡単な
技術でタービン別車３と回転軸４とが強固に接合される
。この結果、従来に比較して設計、制作が容易に行える
とともに、製造コストを低く抑えることもできる。

（変形例） 接合例の一例として、凸部と凹部とを焼成めによって接
合した例を示したが、冷嵌め、圧入、あるいは凸部と凹
部とを加熱して、凸部と凹部との隙間にろう材を流し込
み、冷却されることによって、凹部がろう材を介して凸
部を押さえ付ける接合方法など、他の接合手段を用いて
も良い。

回転軸４を２種類の金属の接合箇所は、本実施例に限定
されるものではなく、第３図に示すように、凹部１２と
ジャーナル部１３とを接合するなど、他の位置で接合し
ても良い。また、凹部１２とジャーナル部１３とを、１
種類の金属で形成してもよい。

ボールベアリングによって回転軸を支持した例を示した
が、ローラベアリングなど他の転がりベアリングによっ
て回転軸を支持したり、滑りベアリングによって回転軸
を支持させても良い。

本発明をターボチャージャに適用した例を示したが、ガ
スタービンなど、セラミックの回転体と金属の回転軸を
備える他の機器に適用できるものである。

上記実施例に示した材質や数値は、説明のために用いた
ものであって、適宜変更可能なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はタービン別車と回転軸の断面図、第２図はター
ボチャージャの断面図である。 第３図は変形例を示すタービン別車と回転軸の断面図で
ある。 図中　１・・・ターボチャージャ ３・・・タービン別車（回転体）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）端部に凸部を備えたセラミック製の回転体と、前記
   凸部に嵌め合わされる凹部を一端に備え、前記凸部の外
   周を前記凹部の内周で内側に押し付けることによって前
   記凹部内に前記凸部を固着する金属製の回転軸と を備える回転接合体において、 前記凹部に嵌め合わされる凸部の外径寸法Ｄと、前記凹
   部の角部の最低肉厚をとの関係が、 ０．０５≦ｔ／Ｄ≦０．２を満足する ことを特徴とする回転接合体。