JPS59128902A - タ−ボチヤ−ジヤ用ロ−タ - 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】 本発明はエンジン過給用のターボチャージャに関するも
のであり、特にそのロータの構造に関するものである。

この種のロータは、回転軸の一端部にインペラ、他端部
にタービンホイールを備え、エンジンの排気ガスによっ
て回転させられるものであり、タービンホイールは最高
９００°Ｃにも及ぶ高温にさらされつつ１０００００〜
１６０（＋００ｒｐｍ程度の高速で回転することになる
。

そのため、タービンホイールを高温度、耐酸化性に優れ
た耐熱材料で製作する必要があることは勿論であるが、
タービンホイールと回転軸とを一体化する構造について
も、高温下の苛酷な環境に耐え得るものとすることが要
求され、またできる附り一体化が容易な構造であること
が望まれる。

しかし従来では、そのようなことを共に満足する構造は
なかなか見い出せないのが実情であった。

本発明はこのような事情を背景に、タービンホイールと
回転軸との一体化構造が高温に対する信頼性に優れ、且
つそれらの一体化も容易であるターボチャージャ用ロー
タを提供することを目的として為されたものである。

その目的を達成するために本発明に係るロータは、■一
端部にコンプレッサ用インペラが固設され、他端部に軸
心を中心とする締着用ねじ穴が設けられた回転軸と、■
中心部に貫通孔が形成されるとともに、その中心部が上
記回転軸の他端部に軸まわりの回転およびその回転軸の
一端部側への軸方向移動が不能に係合させられた弾性変
形可能な円板状の弾性Ｎｐ材と、■中心部に形成された
貫通孔と上記弾性部材の外周部と当接する当接部とを備
えた耐熱材料製のタービンホイールと、■−ヒ記弾性部
材を弾性変形させつつそのタービンホイールおよび弾性
部材の各貫通孔を通して一ヒ記締着用ねし穴に虫甲合さ
れることにより、その弾性部材の外周部とタービンホイ
ールの当接部のと間に係止下所定の面圧が先住した状態
でタービンホイールを上記回転軸の他端部に締着する締
着ポルトとを含んご構成される。

このようなターボチャージャ用ロータにおいては、使用
時に各部材の熱膨張量に差が生じても、その差が弾性部
材の弾性変形によって吸収され、タービンホイールの当
接部と弾性部材の外周部との間には常に適正な面圧が確
保され得、従って高温下においてもタービンホイールと
回転軸の他端部との締着状態が弾性部材を介して安定に
維持されるのである。しかも、両者の締着が締着ボルト
を利用して行われるため、溶接や圧接、圧入等に比べて
それらの一体化が容易であり、また一体化について材料
的な制約を受けないから、タービンホイールをセラミッ
クス製とすることも可能となり、そのようにすれば、タ
ービンホイールひいては、ロータの軽量化、コスト低減
化が達成され得る。

以下本発明の一実施例を示す図面に基づいて詳細に説明
する。

本実施例のターボチャージャは軸受部２の右側にタービ
ン部４を備え、左側にコンプレッサ部６を備えている。

軸受部２には、回転軸８、タービンホイール１０、弾性
部材１２及びインペラ１３から成るロータ１４が回転可
能に支承されており、タービン部４においては、ケーシ
ング１Ｇの入口１８から供給され出口２０から排出され
るエンジンの排気ガスによってタービンホイール１０に
回転動力が与えられ、この動力によってコンプレッサ部
６のインペラ１３が回転駆動されてケーシング２２の入
口２４がら空気を吸入し、吸気通路２６を経てエンジン
の吸気管へ圧縮空気を供給する。

ケーシング１６．２２及び軸受本体２８は図には便宜上
−・体のものとして描かれているが、実際にはいくつか
に分割して製作されることは勿論である。

回転軸８ば左端部にやや小径のインペラ取付部３０を備
えており、この取付部３０にインペラ１３が嵌合され、
ナツト３２によって固定されている。回転軸８はまた右
端面から軸心に沿って穿設された深穴３４を備えており
、その結果、インペラ取付部３０を除く部分はかなり薄
肉な中空構造とされている。深穴３４の開口部、すなわ
ち回転軸８の右端部には、締着用ねじ穴を形成するナン
ド３６が設けられている。ナンド３６は回転軸８の外径
とほぼ同じ大きさを有し、内端面に形成された円形の嵌
合突起３８が深穴３／ｌの開口部に嵌合されることによ
り、回転軸８の中心線に対してそのねじ穴４０の中心線
が合わせられ、かつ着座部分にレーザビーム溶接等のひ
ずみの少ない溶接が施されて回転軸８と一体化されζお
り、一体化されてしまえば回転軸８の一部を構成する部
材となる。このナツト３６は、回転軸８の中空部分を補
強する機能をも有しており、さらに、その外（ｕｌＪ面
が弾性部材１２を係合させる保合部としての役割を果た
している。

弾性部材１２は全体として円板上を成しているが、その
中心部に絞り加工等によって係合凹部４２が形成され、
この場合はその凹部４２の周壁がナツト３６に合わせて
六角形にされていて、そこがナツト３６に係合させられ
ることによって弾性部材１２の回転軸８に対する軸まわ
りの回転が不能とされ、また係合凹部４２の底部がナツ
ト３６の端面に当接することによって回転軸８に対する
左端側への移動が阻止されている。係合凹部４２の底部
にはナツト３６のねじ穴４０に対応して貫通孔４４が形
成されている。この弾性部材１２は、ばね用鋼（あるい
は実質的にそれと同程度の弾性機能を有する材料）で構
成され、上記のように位置が規制された状態で回転軸８
の瞼心に直角な平面に対面する姿勢に保持されているが
、原形（自然）状態においては係合凹部４２より外周側
の部分が図に示す形状位置より一定量右側に位置し、そ
の外周部は平面研磨仕上げされた円環状の当接面４６と
されている。

弾性部材１２のさらに外側に位置するタービンホイール
１０は、弾性部材１２に対面する例の中央部が空洞４８
とされて、いわばラッパ形状を有している。このタービ
ンホイール１０は通常の耐熱金属材料で製作することも
可能であるが、本実施例ではこれが、例えば５ｉｌＮ４
　、ＳｉＣ等の高温高強度セラミックス材料で構成され
、従って軽量であるとともに高温に対する耐久信頼性が
非常に高く、また中心部が空洞４８とされたシンプルな
形状であるため、量産性よく安価に製作し得る。

そしてタービンホイール１０は、空洞４８が開口する側
の外周部に平面仕上げされた円環状の当接面５０を備え
、この当接面５０が上記弾性部材１２の当接面４６に当
接させられた状態で締着ボルト５２によって回転軸８に
締着されている。

締着ボルト５２は廻り止めワッシャ５４を介して、ター
ビンホイール１０の中心に形成された貫通孔５６および
弾性部材Ｉ２の貫通孔４４に挿通されてナツト３６のね
じ穴４０に岬合され、弾性部材１２の外周部を回転軸８
の左端側に僅かではあるが弾性変形させつつ、タービン
ホイール空洞４８の平面状の底面が弾性部材１２を介し
てナツト３６の端面に当接するまで締め込まれている。

その結果、弾性部材１２がその弾性限界内で適度に変形
した状態となって、外周部の当接面４６とタービンホイ
ール１０の当接面５０との間に所定の面圧が発生した状
態となり、さらに締着ボルトも所謂テンシヮンボルト態
様の作用を為している。

尚、締着ボルト５２部はボルト構成でもナンド構成でも
勿論同様である。

従って、タービンホイール１０に加えられる回転トルク
は測当接面４６．５０に作用する摩擦力によって弾性部
材１２に滑りなく伝達され得るのであるが、本実施例に
おいては、タービンホイール１０の当接面５０に半径方
向に延びる係止溝５８が中心を挟んで対称な２位置に設
けられ、それら係止溝５８に係合するように弾性部＋１
１２の当接面４６に回り止め作用を為す係止突起６０が
設げられて、相互の滑り移動（回転）防Ｉにが図られて
いる。タービンホイール１（）から弾性部＋Ａ４２に伝
達された回転トルクは、さらにすｙ　ｌ□　３６におい
て回転軸８に伝達され、その左端側のインペラ１３に有
効にトルク伝達が行われる。

このように、タービンホイール１０が弾性部材１２の弾
性力を利用して締着ボルト５２により回転軸８に一体化
されているため、溶接や圧入等による場合に比べてその
組付は作業がはるかに容易であり、また上述のようにタ
ービンホイールＩＯのセラミックス化が実現するのであ
る。

ところで、弾性部材１２の近傍は空気によって、また回
転軸８は油によって、それぞれ冷却されている。以下こ
の点について説明する。

前記ケーシング１６には弾性部＋ＡＩ２の近くに空気通
路６２が形成されており、その空気通路６２にはケーシ
ング１６と弾性部材１２との間の空間６４に開口する通
気口６６が設けられている。

そして、図示しない空気供給源から冷却用の圧力空気が
、空気取入口６８．空気通路６２およびｊｆｆＩ気口６
６を経て上記空間６４に流入させられ、さらに空気排出
ロア０の側に通気口６６．空気通路６２を通じて導かれ
、その排出ロア０から外部に排出される。弾性部材１２
はこの強制的な空気の流れによって有効に冷却され、そ
れにより弾性部材１２の温度がほぼ一定以内に保たれて
、その弾性力が熱によって不安定になることが防止され
る。

また、この強制空冷がタービン部４自体の温度上昇を低
く抑えることにも寄与している。なお、弾性部材１２に
強度上差しされりない程度に適数の通気口を設けて弾性
部材１２とタービンホイール１０との間の空間にも空気
を流入させるようにすることも可能であり、そのように
すれば弾性部材１２の冷却効果が高められるとともに、
タービンホイール１０をも直接に冷却することができる
。

一方、軸受本体２８は平軸受部７４．７６を介して回転
軸８を回転可能に支承しているが、この平軸受部７４．
７６を潤滑する油が回転軸８を冷却する役割をも果たし
ている。その油は油供給ロア８から軸受本体２８の油室
８０に供給され、ここで平軸受部７４．７６を潤滑する
とともに回転軸８を冷却し、流出口８２がら図示しない
油タンクへ還流させられる。なお回転軸８には、深穴３
４を外部に連通させる連通穴８４が深穴３４の底部から
軸心に沿いつつ左端部に開口するように形成されており
、この連通穴８４も回転軸８の温度上昇を抑えることに
寄与している。

上記のようにロータ１４が空冷及び油冷されるようにな
っているため、高温のタービン部４によってワーク１４
部が加熱されることが有効に防止され得、従って上述の
ようにタービンホイール１０の材質がセラミックスであ
ることと相俟って、またたとえ従来と同様Ｎｉ−Ｃｒ−
Ｃｏ系等の耐熱鋼としても従来より高温の排気ガスで作
動させることができる。高温の排気ガスで作動させるほ
どターボチャージャ付エンジンの熱効率が向上するため
、これは非常に好都合なことである。

さらに本実施例では、タービンホイール１０が空洞４８
を有するセラミックス製とされていることに加え、回転
軸８が中空構造の軸とされているため、ロータ１４全体
としての軽量化が達成され、またインペラ１３をアルミ
ニウム等の軽量材料製のものとすればなおさらである。

しかも回転軸８が薄肉で重量の割に径（ひいては表面積
）が大きくされているから、ヒ記平軸受部７４．７６に
代えて、いわゆるエヤベアリング（空気軸受）を利用し
て回転軸８を回転可能に支承することが容易であり、種
々の利点を有するエヤベアリングを現実に採用する場合
に極め′ζ有利な構造なのである。

なお付言すれば、回転軸８は上記のように中空構造とす
ることがエヤベアリング化のために望ましいのであるが
、だからと言ってそれが必須の要件と言うわけではなく
、強度上の必要性等によって回転軸をほとんど中実のも
のとすることも可能である。その場合には締着用ねし穴
を中実部に直接設けることができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱することなく種々なる変更
・改良を加えた態様で本発明を具現化し得ることはもち
ろんである。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例であるロータを含むターボチャー
ジャの正面断面図である。 ２：軸受部　　　　　　　　４：タービン部６：コンプ
レ・ノ号部　　　　８：回転軸１０：タービンホイール
　　１２：弾性部材１３：インペラ　　　　　　１４；
ロータ３６：ナソト　　　　４０：締着用ねし穴４４部
貫通孔 ５０：タービンホイールの当接面 ５ｚ：締着ボルト　　５６：貫通孔 出願人　　トヨタ自動車株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一端部にコンプレッサ用インペラが固設され、他端部に
   軸心を中心とする締着用ねし穴が設けられた回転軸と、 中心部に貫通孔が形成されるとともに、該中心部が前記
   回転軸の他端部に軸まわりの回転および該回転軸の一端
   部側への軸方向移動が不能に係合させられた弾性変形可
   能な円板状の弾性部材と、中心部に形成された貫通孔と
   前記弾性部材の外周部と当接する当接部とを備えた耐熱
   材料製のタービンホイールと、 前記弾性部材を弾性変形させつつ前記タービンホイール
   および該弾性部材のＩｔｉｆｆｌ孔を通して前記締着用
   ねし穴に軸合されることにより、該弾性部材の外周部と
   該タービンホイールの当接部との間に係止下所定の面圧
   が発生した状態で該タービンホイールを前記回転軸の他
   端部に締着する締着ボルトと を含むことを特徴とするターボチャージャ用ロータ。