JPS5850189A - タ−ビンホイ−ルとタ−ビンシヤフトとの接合方法およびその装置 - 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】 この発明は半径流型ター−チャージャあるいは小型ガス
タービンを構成するタービンホイールとターくンシャフ
トとを接合する方法およびその方法を実施するための装
置に関し、特にタービンホイールとタービンシャフトと
を摩擦圧接する方法および装置に関するものである。

エンジンＯ排気ガスのエネルギ回収の丸めに用いられて
いる半径ｆＩＬｍターがチャージャあるいは小型ガスタ
ービンを構成しているタービンシャツＦア、センブリは
、通常、高温の排気ガスに晒もされるタービンホイール
を、高価な耐熱合金を用いてｐストフック法によ）精密
鋳造するとともに、得られた鋳造品を後工程で研磨加工
することに゛よシ造シ、一方、タービンシャフトを軸受
特性の良い鋼材で造シ、そして上記のようにして造られ
たタービンホイールとタービンシャフトとを溶接して一
体化し九構成とされている。

ところで、前記タービンホイールとタービンシャフトと
を接合する方法として、タービンホイールとタービンシ
ャフトとの素材が前述し良ように異なっていることから
、摩擦圧接法が多用されてお如％従来から行なわれてい
るその異体的方法を示せば以下Ｏ通シである・ 第１１１１にいし第３図はタービンホイルｌとタービン
シャフトｚとの従来の接合方法の一例を説明すゐ九めＯ
ものでありて、タービンホイールｌはそｏｙｓ＊ｓｏ外
周部管チャック４で把持するとともに、接合時の推力を
受けるための押棒５をタービンホイールｌの先端ｍｓに
当接させ、さらに接合時にタービンシャフト２から受け
る回転力によ〉タービンホイールｌが回転しないように
するため、断面が角形をなすよう形成した先端部７にグ
レート虐を恢め合わせ、他方タービンシャフト２は他の
チャ、り９によｐ把持する。この状態でタービンホイー
ルｌとタービンシャフト鵞との少なく一方を他方Ｋｔｊ
してチャック４，９と共に（タービンホイール１を回転
させる場合に祉チャ、り４および押棒Ｓ１グレート８と
共Ｋ）相対的に回転させ、かつタービンホイールｌの背
面中心部にタービンシャフト２の先端部を押し付け、亀
って両者を摩擦圧接する。

しかるに、上述した従来の方法では、前記各チャック、
４．９が所期位置に設ゆられているので、タービンホイ
ールｌとタービンシャフト２とが規定通９造られていれ
ば、両者はチャ、り４．９によりて把持することにより
同一軸線上に位置決めされるのであるが、タービンホイ
ールｌは九とえ精密鋳造されえものであるといえども、
鋳造時の変形ヤワ、タスからなる模型に基づいた鋳造用
鋳型のわずかな狂い等が原因となって羽根３の真円度が
若干狂う場合があり、またタービンホィール１０背面中
心部すなわち圧接面１０や先端１ｉ６に中心軸１１に対
する直角度の狂いがある場合には、圧接時の推力がター
ビンホイールｌを傾ける力として作用するととになるの
で、前記羽根３が変浄してタービンホイールｌが傾いて
しまう場合があシ、そのため前述した従来の接合方法で
は、タービンホイールｌとタービンシャフト２とをその
中心軸線がずれた状態に接合してしまう場合があっ良、
このように同軸度に狂いを生じたタービンシャツＦア、
センブリは、接合作業完了後に、第４図に示すようにタ
ービン９形状中心を出し易いタービンホイールｌの背面
および中心がス部１１の外周−を基準としてタービンホ
イールｌの先端面６シよびタービンシャ７）２の後端１
ｉＫ中心大１２．１３を形成し、これら中心部１２．１
３を介して上記構成０タービンシャフトア、センブリを
適宜の切削装置に取付け、その状鯵てタービンシャフト
２を切削すれば、タービンホイールｌとタービンシャフ
ト２の同軸度を許容値以内にすることができると同時に
１タービンホイールｌの背面側＞ｚび中心がス部１１が
、タービンホイールｌの全重量の大半を占めているので
イニシャルアンバランスをある穏度少なくすることがで
きる。

しかし１ｋがら、前述し九接合方法では、得られ九ター
ビンシャフトアッセンブリの同軸度の狂いが比較的大き
くなることがあるから、タービンシャフト２に予め十分
表加工取代を設けておく必要があるうえに、後工程とし
ての切削加工に時間を要し、かつ切削除去し切粉となる
量が多いために材料歩留シが悪く表るなどの問題がある
。

また、前述した従来の接合方法では、接合時に生じる。

同軸度の狂い１後工程の切削加工で修正し得るとしても
、タービンシャフト２の先端１１にターＶンホイールｌ
からの熱伝達を低減するために空満（エアダムと称する
）１４を設けである場合には、回転軸線からのエアダム
１４のずれはそＯｔｔ残ってしまうので、タービンシャ
フトアラセン！りのイニシャルアンバランスが非常に大
半くなる・このようなタービンシャ７トアツセンｆ９の
アンバランスは、最終的には、タービンホイールｌの先
端部７の近傍および背面側をアンバランス分に応じて削
シ取ることによシ修正するのが一般的テするが、タービ
ンホイールｌは前述したように耐熱合金を木材としてい
るために切削が極めて困難であり、しかも切削すべき量
が多く、結局前述し九ようにして生じたイニシャルアン
バランスは完全には修正し切れ危い場合が生じるのが実
情である。

ζＯ発明は１配の事情に鑑みてなされたもので、［１１
１ＯタービンホイールとタービンシャフトとＯ同軸１Ｉ
ｔ−向上させ、かつイニシャルアンバランスを極力低減
することのできる接合方法およびその方法な夾施するた
めの装置を提供することを目的とするものである。

すなわち、この発明の方法・装置は、タービンホイール
を所期の位置に位置決めするにあたり、ターＶンホイー
ルの全重量のうち大半の重量を占めかつ形状中心の比較
的出し易い背面側を基準として位置決めを行なうようＫ
したこと管特徴とするものである・そのためにこの発明
では、タービンホイールの背面および中心２１部の外周
面を基準にして先端面に中心穴を形成しておき、背面も
しくは背面外周部を所定の支え板に接触させた状態で前
記−中心穴を介してタービンホイールを支え板に対して
固定するようにしたのである。このようにすれば、支え
板および中心穴を介して押圧する丸めの抑圧部材のター
ビンシャフトに対する相対位置を予め所期通りに設定し
ておくことによシ、タービンホイールをタービンシャフ
トに対して同軸上に位置決めして固定することができ、
したがって１１合１１０タービンホイールとタービンシ
ャフトとの同軸度を向上することができ、また位置決め
するにあたって、タービンホイールの全重量Ｏうち大半
を占める背Ｉｉｉ＠もしくは中心がス部を基準とするか
ら、換言すれば外形から決まる回転中心が重量中心に可
及的に一致するから、得られるタービンシャフトアッセ
ンブリのイニシャルアンバランスを格段に小さくすゐこ
とができる・以下この発明の実施例を第５図ないし第７
図を参照して説明すゐ、まず、この発明の接合装置の一
実施例について説明すると、第５図祉この発明に係る接
合装置の横断平面図を示し、また第６′図はその縦断側
面図を示しておシ、タービンホイールＩｔ−固定す１九
めの基台２０とタービンシャフト２を把持し１転させる
丸めのチャック２１とが対向して配置されており、その
基台２０にはタービンホイール１を収容するための収容
部２２がチャ、り２１＠に開口して形成されている。そ
の収容部！２の前記チャ、り２１に対向する壁部の中心
部に１チヤ、り２１に把持されたターＶンシャフト３と
中心軸線が一致するよう貫通孔２３が形成され、その貫
通孔２３０基台２ｏの背１１ｉ１１（第５図および第６
図では右側ＷＵ）における開口端に、油圧シリンダ２４
のピストンロッド２Ｂの先端部が固着されている。−ｇ
らに貫通孔２３内にセンタービン雪６が前記チャック２
１に把持されたターＶンシャフト２と中心軸線が一致す
るよう前後動自在に挿入されるとと４に、そのセンター
♂７２・と前記ピストンロッド２５の先端面との間にス
ジリンダ２７が配置されている。そのセンタービン２６
の先端部は前記収容部２２＠に突出するとと４に、その
先端部に球体２８が取付けられてお夛、シたがって前記
センターピン２６はその球体２ｇ！タービンホイールｌ
の先端面に形成した中心穴２９に挿入した状態でタービ
ンホイールｌを押圧するように表っている。

前記収容部２２の前記チャ、り２１に対向する壁ｍＫは
、受は座ｌｌｌ３Ｇと回転止め部材としてのトルクグレ
ー）３１とが順次積層され、かつＩルト３２によりて前
記基台２０に固定されている。

受は座板３０は前記センターピ／２６の突出端を貫通盲
せるための°孔と、トルクプレー）３１とＯ接触ｍＫ形
威し九球面受座３３とを有するものであって、その球面
受座３３に半球状軸受部材３４が配置式れ、この軸受部
材３４にタービンホイールｌの先端ＷＨｓｔ面接触させ
ることにより、接合時にタービンホイールＩＫ加わる推
力を前記軸受部材３４および受は座１［３０を介して基
、台２０で受けるようＫなっている・なお、前記軸受１
部材３４に杜、前記センターピン２６Ｃ）突出端を買遇
させるため、咳突出端よシも大径の貫通孔が形成されて
おり、したがって前軸受部材３４はセンターピン２６に
干渉することなく、ある程度の範囲で回動し得るようＫ
ｅりている。ｔた、トルクグレー）３１はその背面側す
なわち受は座板３０側の中央部に前記軸受部材３４０回
動を許容するよう凹部が形成されるとともに、第７図に
示すように、タービンホイール１１２）、ｊｌｉ面が角
形をなす。先端部１を濠め込む角形孔３５が中心部に形
成されたものでアつて、タービンホイールｌの先端部７
ｔその角形孔３５に嵌合させることによ〉、タービンホ
イールｌの回転管阻止するようになつている。

さらに、前記基台２０とチャ、り２１との間に支え１［
３６が、前記チャック２１に把持されたターＶノシャツ
）２および前記センター♂／２６の中心軸１１に直交す
るよう配置されている。この支）板３ｇ１ａ、タービン
ホイールｌの背面（よシ正確には中心がス部ｌｌの背面
）を当接させ良状態で、前記センターピ／２６との間に
タービンホイール１０圧接させる本の、であって、この
支え板３６は前記基台２０を貫通して設けた複数本のロ
ッＰ”８７によって前記油圧シリンダ２４のフランジ板
３８に連結されておシ、したがって支え板３６は油圧シ
リンダ２４を動作させることによ“シ基台２Ｇに対し接
近・離隔するようになりている。

１ｋｊｉＰ１前記支え板３６には、タービンシャフト２
をタービンホイールｌの圧接面１ｏＫｍ接場せるべく挿
通孔３ｇが形成されている。

つぎに上記のように構成された接合装置の動作すなわち
この発明の接合方法について説明する。

まず、精密鋳造されかつ研磨加工が施され良タービン、
ネイールｌの先端ｍ６に、そのタービンホイールｌの背
面および中心ｌス部ｌｌＯ外、周１Ｉｉｔ基準にして中
心穴２９を形成しておく、他方、油圧シリンダ２４を動
作させて基台２０に対して油圧シリンダ！４ｔ！！近さ
せることによシ、その油圧シリンダ２４　Ｋ　ｇ”　ｙ
ド４３７によって連結された前記支え板３６を基台２０
からある程度離隔させておく、そして前記タービンホイ
ールｌを前記収容部２２に挿入し、その先端ＷＵ６に形
成した中心穴２９に前記センターピ／２６の先端部に取
付けた球体２８を差し込むとともに、タービンホイール
１の先端部７をトルクプレ７ト３１の角形孔３５に挿入
し、しかる後油圧シリンダ２４を前記の場合とは逆に動
作させ、ることＫよシ支え板３６を基台２０に接近させ
て、タービンホイールｌの背１ｌｉｔ支え板３６に当接
させ、さらにタービンホイールｌの先端ＷＵ６が前記軸
受部材３４に当接するまでタービンホイー４１を押圧す
る。このようにすれば、センターピン２６とピストン０
．ド２Ｂの先端面との関に配置したスプリング、２７が
圧縮事れるので、タービンホイールｌは千のスプリｙダ
２７０弾性力によシセンタービン２６と支え板３６との
間に挾持・固定される。この場合、前記中心穴２９がタ
ービイホィール１０背面および中心−ス部１１の外周面
を基準として形成され、かつその中心穴２９ｔ−介して
タービンホイールｌをそＯ背−が支え１［３・に幽接し
九律態−押圧・一定するのであるから、タービンホイー
ルｌの背面側および中心？ス部１１がタービンホイール
ｌの全重量のうち大学を占めているえめに、タービンホ
イールｌは実質上その重量中心軸をタービンシャフト２
の中心軸に一致させた状！で位置決めされる。

タービンホイールｌを上述のように位置決め・固定し九
螢、タービンシャフト２をチャック２１と共に回転させ
つつその先端部をタービンホイール１０圧接面１０に押
し付けることによ）、夕一ビンシャフト２がタービンホ
イールｌに対して摩擦圧接される。仁の場合、タービン
ホイールｌＫ加わる推力は前記半球状軸受部材３４を介
して受は座［３Ｇで受けるととになるが、その軸受部材
３４は球面受座３３に接触し、回動自在となっているか
ら、タービンホイールｌの先端面６が中心軸−に対し正
確に垂直となっていすに若干傾斜してい友としても、軸
受部材３４がタービンホイールｌの先端＠＠の傾斜に対
応して回動し、その結果ｊ−ビンホイー＃ｌを傾けるよ
うに作用する力が生じることはなく、シたがってタービ
ンホイールｌとタービンシャフト２とが各々の中心軸線
管一致させて位置決めされていることと相まって、両者
は所關芯ずれを起こすことなく、正確に接合される。な
お、タービンホイール１はその先端部７を恢合させたト
ルクグレー）３１により摩擦圧接待におけＪ１１回転を
阻止されることは言うまでもない。

以上のようにしてタービンホイールｌとタービンシャフ
ト２とを接合した後、前記油圧シリンダ２！４を動、作
畜せて油圧シリンダ２４と基台２０とｔ相対的に接近嘔
せれば、それに伴りて前配支え板３６が基台２０から離
隔するので、タービンホイール１０挾持・固定が解除さ
れ、タービンホイー＃１ｔタービンシャフト２と共に、
す攻わちタービンシャフトアッセンブリを上記接合装置
から取外すことができる。

こＯようにして得られたターピ”ンシャフトア。

センブリは、タービンホイール１とタービンシャフト２
との同軸度に殆んど狂いがなく、シかもタービンホイー
ルｌｔその背面および中心−ス部１１１基準として位置
決めしたので、換言すればタービンホイールｌを実質上
重量中心を基準として位置決めしたので、イニシャルア
ンバランスが極めて少なく愈る。

′＆シ、上記実施例の装置では、球面受座３３を受は座
１［３０に形成し、その受は座板３（）ｌ基台２０ＫＩ
Ｉ着した構成としたが、これに替え球面受座３３を基台
２０に１ｍ形成した構成としてもよく、ま九セｙタービ
ン鵞６の先端部に球体２８を取付ける替わシに、センタ
ービン２６の先端部を球面としてもよい、またこの発明
では、タービンホイールＩｔタービンシャフト２に対し
て位置決め舎固定すゐ場合、タービンホイールｌの背面
を支え板にｆｉｌｌｙせることに替え、タービンホイー
ルｌの中心−ス部１１の背面側外一部を適宜の支え板で
把持し、同時に中心穴２９に嵌め合わせ丸センタービン
２６で押圧してもよく、このような方式でも前述した実
施例に訃けると同様に、タービンホイールｌの重心を回
転中心に一致畜せ良状態で位置決め・固定することがで
きる。

以上の説明から明らかなようにこの発明の接合方法によ
れば、タービンホイールＯ背面中心部にタービンシャフ
トを摩擦圧１１によ）１１合するにあた）、タービンホ
イールＯ先端面に、背面および中心メス部外馬面を基準
にして中心穴を形成しておき、タービンホイールの背面
を支え板に接触させ良状態で前記・中心穴を介してター
ビンホイール管支え板に対して押圧することによジター
ビンホイールを固定するようにしたから、タービンホイ
ールの背面側および中心２７部が全重量の大半を占める
ためにタービンホイールを実質上重量中心がタービンシ
ャフトの中心軸線に一致するよう位置決めすることがで
き、シ九がってタービンホイールとタービンシャフトと
の同軸度を向上させることができると同時に、得られた
タービンシャフトアッセンブリのイニシャルアンバラン
スを低減することがて暑る・また、この発明の接合装置
によれば、タービンホイールの背面および中心がス部外
周ｍを基準としてタービンホイールの先端面に形成した
中心大管介してタービンホイールを押圧す石ようタービ
ンシャフトと同軸上に配置し九センターピンと、タービ
ンホイールの背面を接触畜せる支え板とを有し、センタ
ーピンと支え板とでタービンホイールを挾持・固定する
ようにし九から、タービンホイールを実質上その重量中
心をタービンシャフトの中心軸線に−Ｗｋ畜せた状蓼に
位置決めすることができ、これに加えタービンホイール
の先端面に面接触する半球状軸受部材と、その軸受部材
を回動自在に支える球面受座とを設けたから、たとえタ
ービンホイールの先端ｒ＃が中心軸線に対して垂直とな
りてぃずに若干傾斜していてモ、摩擦圧接時の推力によ
ってタービンホイールだ傾くことはなく、シたがって接
合開始尚初に設定し良問軸度を保ったｔｔターＶンホイ
ールとタービンシャフトとを接合することができ、その
結果得られたタービンシャ７トア、センブリのイニシャ
ルアンバランスを従来に表〈低減することができる・畜
らに、この発明の接合方法・装置によれば、タービンホ
イールとタービンシャフトと１−接合することによ〕得
られたタービンシャフトアッセンブリのイニシャルアン
バランスを低減することがで自るので、後工程の修正作
業が極めて簡単にな）、を九タービンシャ７）Ｋ予め設
ケておく加工取代を少なくシ、タービンシャフト素材を
細径することができる等の副次的効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は従来の接合方法を説明するための
もＯｅありて、第１図はタービンホイールとタービンシ
ャフトとの各々をチャ、りで把持し良状態を示す断面図
、第２図は把持箇所を示すえめＣタービンホイールの正
面図、第３図は同上面図、第４図はタービンシャフトア
ッセンブリのセンタリング方法を示す断面図、第５図は
この発ｌ！ＩＯ接合装置の一実施例を示す横断面図、第
６図は岡縦ＷｌｔＩｉ図、第７図はトルクグレートを示
す正面図である。 ｌ−・タービンホイール、２・・・タービンシャフト１
ｇ−（タービンホイールの）先端面、７−（タービンホ
イールの）先端部、ｌｏ・−Ｃタービンホイールの）圧
接面、１１−・中心−ス部、２６・−センタービン、ｚ
ｌ−・中心穴、３１・・・トルクグレート、３３−球面
受座、３４−半球状軸受部材、３６・・・支え板。 出願人　　　ト曹夕自動車工業株式会社（ほか１名） 代理人　弁理士　　豊　１）　武　久 （ほか１名） 第１図 第２図 第３図 第４図 ■ 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１，）　　タービンホイールの背面中心部にタービン
   シャフトを摩擦圧接するにあたり、タービンホイールの
   先端面にタービンホイールの中心ｌス部背面およびそＯ
   中心がス部の外周面を基準にして中心穴を形成しておき
   、前記中心がス部の背面を支え板にＩＡ＊＠せ、もしく
   は中心ｌ７部の背面外周部を支え板で把持するとともに
   前記中心穴を介してタービンホイールを前記支え板に向
   けて押圧することによシ、タービンホイールをタービン
   シャフトに対して同軸上に位置決め・固定し、仁の状態
   でタービンホイールとタービンシャフトとの少なくとも
   一方を回転させつつ両者を加圧接触させることによシ接
   合することを特徴とするタービンホイールトタービンシ
   ャフトとの接合方法・（２）　　タービンホイールとタ
   ービンシャフトとを同軸上に位置決めするとともに、タ
   ービンホイールとタービンシャフトとの少なくとも一方
   を回転させることによりタービンホイールの背面中心部
   にタービンシャフトを摩擦圧接するようＫした接合装置
   にかいて、前記タービンホイールｔその背面もしくは背
   面外周部を接触基せて支えるとともにタービンシャフト
   挿通孔を有する支え板と、タービンホイールの背面およ
   び中心−ス部の背面側外周−を基準にしてタービンホイ
   ールの先端面に形成され喪中心穴を介してタービンホイ
   ールを前記支え′４［Ｋ対して固定するよう前記タービ
   ンシャフトと同軸上に配置窟れたセンタービンと、前記
   タービンホイールの先端面に面接触するよう配置され良
   半球状軸受部材と、その半球状軸受部材を回動自在に支
   える球面受座と、前記支え板と前記センタービンとの間
   に固定されたタービンホイールの回転を阻止する回転止
   め部材とを具備してなることを特徴とするタービンホイ
   ールとタービンシャフトとの接合装置・