JPWO2013061357A1

JPWO2013061357A1 - ターボ用アクチュエータ

Info

Publication number: JPWO2013061357A1
Application number: JP2013540494A
Authority: JP
Inventors: 孝通小栗; 宣宏清間; 陽一藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: WO2013061357A1; CN103703224A; JP5710018B2; DE112011105757B4; CN103703224B; DE112011105757T5

Abstract

ターボ用アクチュエータ１は、シャフト２の雄ネジ部２ａを回転子１０の雌ネジ部１０ａに螺合させ、回転子１０の回転運動を直動方向Ｘの直線運動に変換して、シャフト２の先端に連結したターボ側レバー１０５を回動させる。シャフトハウジング１４に一体に形成したボス１４ｂと別体のキャップ１６とがシャフト２を摺動可能に支持し、かつ、レバー１０５の回動変位Ｄに伴うシャフト２の揺動方向Ｙのがたつきを抑制する。よって、シール部材１５が変形せず、シール性を確保できる。

Description

この発明は、ターボチャージャのウェストゲートバルブ開閉用のレバー、ＶＧ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙ）ターボのノズルベーン開閉用のレバー等を駆動するターボ用アクチュエータに関する。

各国とも自動車の排ガスに対する規制を厳しくする中、自動車メータ各社は各国の規制に対応すべく、エンジンの燃料状態改善による排出ガス浄化といった技術開発を行っている。このような技術の一つにターボチャージャがあり、エンジンのダウンサイジングによる燃費向上手段として注目されている。ターボチャージャは、エンジンからの排気ガスによってタービンを回転させ、タービンと同軸上にある圧縮機を駆動して吸気を圧縮し、その圧縮空気をエンジンに供給する構成である。圧縮空気は容積流量が同じでも質量流量が増加するので、エンジンの出力を下げることなく排気量を小さくすることができる。従って、エンジンを小型化でき、パワーが必要な時（坂道、高速走行時）はターボで過給する。

このような、エンジンのダウンサイジング化を実現する手段としてのターボチャージャは、従来用途のターボチャージャに比べ、過給圧を精密にコントロールする必要がある。そこで、過給圧を制御するターボ用アクチュエータとして、弁開度を高精度に制御可能な電制駆動式アクチュエータを用いる傾向にある（例えば、特許文献１参照）。

図５に示すように、上記特許文献１に係るアクチュエータは、ハウジング１００の端部に嵌挿されたブッシュ１０２が円柱状のシャフト１０１を直動方向Ｘに摺動可能に支持し、ブッシュ１０２に隣接して嵌挿されたシール部材１０３がハウジング１００とシャフト１０１との隙間をシールする構成である。
このアクチュエータをターボチャージャに搭載する場合、シャフト１０１の端部にロッド１０４が連結され、ロッド１０４の先端とレバー１０５の一端がピン軸１０６により屈曲自在に取り付けられる。このレバー１０５の他端側の支点１０７は、図６に示す排気バイパス通路１０８内のウェストゲートバルブ１０９に接続されている。図６に示すように、排気タービン上流側のエンジンから排気通路１１０へ排気ガスが流れて排気タービンへ導入されるが、一部の排気ガスを排気タービン下流側へ逃がして過給圧を制御する目的で、排気通路１１０にウェストゲート１１１を開設する。このウェストゲート１１１から排気バイパス通路１０８に流れた排気ガスは、排気タービンを迂回して下流側へ導入される。このとき、シャフト１０１の直動によりレバー１０５を支点１０７を中心に回動させることで、ウェストゲートバルブ１０９を回動させてウェストゲート１１１を開閉し、過給圧を制御する。

特開２０１０−２７０８８７号公報

従来のターボ用アクチュエータは以上のように構成されているので、レバー１０５が回動する際には回動先端側の位置が変位量Ｄ（図５に示す）だけ変位し、ロッド１０４およびシャフト１０１が揺動方向Ｙに揺動する。そのため、シャフト１０１の揺動によりブッシュ１０２が押圧されて変形およびがたつきが生じ、このブッシュ１０２にシール部材１０３が押圧されてシール性能に偏りが生じるという課題があった。

また、上記特許文献１ではハウジング１００とブッシュ１０２の線膨張係数が異なると、エンジンの熱で高温になった場合にハウジング１００とブッシュ１０２の間に隙間が生じてがたつくという課題もあった。
さらに、上記特許文献１では、シャフト１０１の径を拡大した肩部をブッシュ１０２に衝突させることによって、異常動作時のシャフト１０１の直動を規制する構成になっているため、衝突の力によりブッシュ１０２がシール部材１０３を変形してシール性を損なう場合があった。また、衝突の力により、ブッシュ１０２とシール部材１０３がハウジング１００から抜け出る可能性もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ターボ側レバーの回動に伴うシャフトの揺動を抑制すると共に、シール性を損なわずに摺動可能に支持するターボ用アクチュエータを提供することを目的とする。

この発明のターボ用アクチュエータは、固定子と、固定子の内側に回転可能に配置され、中心に設けた穴に雌ネジ部が形成された回転子と、一端部に雌ネジ部に螺合する雄ネジ部、他端部に円柱形状の円柱部、その間の外面を変形した回り止め部が形成され、回転子の回転を軸方向の直線運動に変換して直線移動するシャフトと、回転子から突出するシャフトを内包し、回り止め部に係合してシャフトの回転を防止する回り止めガイド部、およびシャフトの円柱部を摺動可能に支持する第１摺動支持部が形成されたシャフトハウジングと、シャフトハウジングに嵌挿され、シャフトハウジングとシャフトの円柱部との隙間を塞ぐシール部材と、シャフトハウジングに固定され、第１摺動支持部との間にシール部材を挟持すると共に、シャフトの円柱部を摺動可能に支持する第２摺動支持部とを備えるものである。

この発明によれば、シャフトの円柱部を摺動可能に支持する摺動支持部を２箇所設けてシャフトの荷重を受けるようにしたので、ターボ側レバーの回動に伴うシャフトの揺動を抑制することができる。また、第１摺動支持部をシャフトハウジングと一体に形成したので、変形およびがたつきを防止することができ、さらに、この第１摺動支持部に隣接するシール部材の変形を防止できるようになるので、シール性を損なわずにシャフトを摺動可能に支持することができる。

この発明の実施の形態１に係るターボ用アクチュエータの構成を示す断面図である。図１に示すシャフトの構成を示す外観斜視図である。シャフトとシャフトハウジングの構成を示す断面図であり、図３（ａ）は図１に示すI−I矢視、図３（ｂ）はII−II矢視、図３（ｃ）はIII−III矢視である。図１に示すシャフトハウジングの先端部を拡大した断面図である。従来のターボ用アクチュエータのシャフトとレバーを繋ぐリンクジョイント構造を示す図である。図５に示すレバーに取り付いたウェストゲートバルブを示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１に示すターボ用アクチュエータ１は、主に、ターボチャージャ側のレバー１０５を駆動するシャフト２と、このシャフト２を直動方向Ｘへ直線移動させるモータ部３とを備える。なお、シャフト２の先端側には、ロッド１０４を取り付け、ロッド１０４の先端にレバー１０５を屈曲自在に取り付けて、直動方向Ｘの移動量に応じてウェストゲートバルブ１０９（図６に示す）の弁開度を制御する。

モータ部３として、図１の例ではブラシ付きモータを使用する。このモータ部３の内部には、固定子４と、この固定子４に巻回されたコイル５とが設けられ、モールド成型によりモータハウジング６に固定されている。また、モータハウジング６には、コイル５に電源を供給するブラシ７と、ブラシ７に電源を供給する電源供給端子８と、シャフト２の位置を検出するポジションセンサ９等も配置されている。

固定子４の内部には、回転子１０と、この回転子１０に装着されたＮＳ着磁されたマグネット１１と、ブラシ７に当接摺動することによりコイル５へ通電するコミュテータ１２とが回転可能に設けられている。回転子１０とマグネット１１は、ベアリング１３により回転可能に支持され、回転子１０の中心に設けた穴には雌ネジ部１０ａが形成されている。

図２は、シャフト２の外観斜視図である。図１および図２に示すように、シャフト２の一端側は回転子１０の中心に設けた穴に挿入される。シャフト２の他端側は、モータ部３から外部に突出してロッド１０４に直結され、ターボチャージャ側のレバー１０５に連結されることになる。なお、図示例では、シャフト２とロッド１０４をボルトとナットで締結して一体化するが、これに限定されるものではなく、ロッド１０４を介さずにシャフト２をレバー１０５に連結してもよい。
シャフト２の一端側の外周面には、回転子１０の雌ネジ部１０ａに螺合する雄ネジ部２ａが形成されている。また、シャフト２の中央部には、このシャフト２の外周面を変形して回り止め部２ｂと抜け止め部２ｃとが形成され、抜け止め部２ｃより先端側には円柱形状の円柱部２ｅが形成されている。図示例では、シャフト２の径を拡大して抜け止め部２ｃにし、さらに拡大部分を断面長尺状にして２箇所の平面部分を設け、これら平面部分をそれぞれ回り止め部２ｂにする。また、抜け止め部２ｃの端面角部を丸めて曲面２ｄにする。

回転子１０から突出した部分のシャフト２は、シャフトハウジング１４に収容されている。このシャフトハウジング１４は、モータハウジング６の一端側に固定されている。また、シャフトハウジング１４の回転子１０に近い側には、シャフト２の回り止め部２ｂに係合してシャフト２の回転を防止する回り止めガイド部１４ａが形成され、反対側にはシャフト２を直動方向Ｘに摺動可能に支持するボス（第１摺動支持部）１４ｂが形成されている。また、ボス１４ｂに隣接してＯリング等のシール部材１５が嵌挿され、さらにこのシール部材１５に隣接してキャップ（第２摺動支持部）１６が溶着等によりシャフトハウジング１４に固定されている。このキャップ１６とボス１４ｂとでシール部材１５を挟持することにより、シャフトハウジング１４に対してシール部材１５を保持する。また、キャップ１６とボス１４ｂそれぞれの円形の穴にシャフト２の円柱部２ｅを挿通して円柱部２ｅを摺動可能に支持する。

図３は、シャフト２とシャフトハウジング１４の構成を示す断面図であり、図３（ａ）は図１のI−I矢視、図３（ｂ）はII−II矢視、図３（ｃ）はIII−III矢視である。
図３（ａ）に示すように、シャフトハウジング１４を断面長穴状にして２箇所の直線部分を設けて、これら直線部分を回り止めガイド部１４ａにする。回り止め部２ｂが回り止めガイド部１４ａを摺動することにより、回転子１０の回転に合わせてシャフト２が回転運動するのを規制し、シャフト２が直動方向Ｘへ移動することをサポートする。また、抜け止め部２ｃの端面を曲面２ｄにしたので、抜け止め部２ｃが回り止めガイド部１４ａを摺動するときに磨耗を軽減させることができる。
図３（ｂ）に示すように、回り止めガイド部１４ａにシャフト２の円柱部２ｅが位置しているときは、長穴の両側に隙間が生じている。
図３（ｃ）に示すように、シャフトハウジング１４の先端側では、ボス１４ｂの断面円形の穴に、シャフト２の円柱部２ｅを挿通して、直動方向Ｘへ摺動可能に支持する。

次に、ターボ用アクチュエータ１の動作を説明する。
ターボ用アクチュエータ１に電圧が印加されると、固定子４に巻回されたコイル５に電流が流れ、複数の極に分極された固定子４がＮＳ磁化する。それにより、ＮＳ着磁されたマグネット１１の装着された回転子１０が回転し、雌ネジ部１０ａに螺合している雄ネジ部２ａが駆動力を受けて、シャフト２が回転子１０の外へ突出する方向へ移動する。このとき、シャフト２の回り止め部２ｂがシャフトハウジング１４の回り止めガイド部１４ａを摺動するので、シャフト２が回転することなく直動方向Ｘへ直線移動する。すると、シャフト２に直結したロッド１０４がレバー１０５の一端を押圧するので、レバー１０５が支点１０７を中心に回動してウェストゲートバルブ１０９（図６に示す）を開弁する。

閉弁時は、回転子１０を上記とは逆方向に回転させる。すると、雌ネジ部１０ａと螺合している雄ネジ部２ａが駆動力を受けて、シャフト２が回転子１０内へ後退する。このとき、シャフト２の回り止め部２ｂがシャフトハウジング１４の回り止めガイド部１４ａを摺動するので、シャフト２が回転することなく直動方向Ｘへ直線移動する。シャフト２に直結したロッド１０４も後退するので、レバー１０５は支点１０７を中心に上記とは反対方向へ回動してウェストゲートバルブ１０９（図６に示す）を閉弁する。

先立って説明したように、レバー１０５の回動変位に伴うロッド１０４の揺動がシャフト２に伝達されるが、シャフト２の円柱部２ｅをボス１４ｂとキャップ１６の２箇所で支持しているので、揺動方向Ｙの荷重をボス１４ｂとキャップ１６で受け、揺動を抑制することができる。そのため、シール部材１５は、シャフト２の揺動方向Ｙの荷重を受けて変形することがなく、シール性を損なうこともない。

図４は、シャフトハウジング１４の先端側を拡大した断面図である。ターボ用アクチュエータ１の異常動作時、シャフト２が開弁状態からさらに外方へ直動した場合、図４に示すように抜け止め部２ｃがボス１４ｂに当接するので、シャフト２がシャフトハウジング１４から抜けることはない。
また、シャフトハウジング１４がモータハウジング６に強固に取り付いているので、ボス１４ｂが抜け止め部２ｃに押されたとしても、このボス１４ｂと一体に形成されているシャフトハウジング１４がモータハウジング６から外れることはない。さらに、ボス１４ｂは、シャフトハウジング１４に一体に形成されているので、抜け止め部２ｃに押されても変形し難い。よって、ボス１４ｂによってシール部材１５が押圧され変形することもない。また、ボス１４ｂが変形し難く、かつ、ボス１４ｂとキャップ１６の２箇所でシャフト２を支持しているので、車両の振動等によるシャフト２のがたつきを抑制できる。

一方、先立って説明した図５に示す従来例のように、ブッシュ１０２をハウジング１００とは別体で構成した場合は、ブッシュ１０２が抜け止め部２ｃに押圧されると変形し、がたつきが生じる可能性がある。また、ターボ用アクチュエータ１は高温になるため、ハウジング１００とブッシュ１０２の線膨張係数が異なる場合もブッシュ１０２にがたつきが生じる。従って、シャフト１０１の揺動を抑制できない。また、抜け止め部２ｃに押圧されてブッシュ１０２がハウジング１００から抜け出しやすい。さらに、抜け止め部２ｃに押圧されたブッシュ１０２が隣接するシール部材１０３を押圧して変形させ、シール性を損なう可能性もある。

以上より、実施の形態１によれば、ターボ用アクチュエータ１は、固定子４と、固定子４の内側に回転可能に配置され、中心に設けた穴に雌ネジ部１０ａが形成された回転子１０と、一端部に雌ネジ部１０ａに螺合する雄ネジ部２ａ、他端部に円柱形状の円柱部２ｅ、その間の外面を変形した回り止め部２ｂが形成され、回転子１０の回転を軸方向の直線運動に変換して直線移動するシャフト２と、回転子１０から突出するシャフト２を内包し、回り止め部２ｂに係合してシャフト２の回転を防止する回り止めガイド部１４ａ、およびシャフト２の円柱部２ｅを摺動可能に支持するボス１４ｂが形成されたシャフトハウジング１４と、シャフトハウジング１４に嵌挿され、シャフトハウジング１４とシャフト２の円柱部２ｅとの隙間を塞ぐシール部材１５と、シャフトハウジング１４に固定され、ボス１４ｂとの間にシール部材１５を挟持すると共に、シャフト２の円柱部２ｅを摺動可能に支持するキャップ１６とを備えるように構成した。このため、ボス１４ｂとキャップ１６の２箇所でャフト２の荷重を受けるようになり、ターボ側レバー１０５の回動に伴うシャフト２の揺動を抑制することができる。また、ボス１４ｂをシャフトハウジング１４と一体に形成したので、ボス１４ｂの変形およびがたつきを防止することができる。これらにより、ボス１４ｂに隣接するシール部材１５の変形を防止でき、シール性を損なわずにシャフト２を摺動可能に支持することができる。

また、シャフトハウジング１４とボス１４ｂを一体成形するようにしたので、部品点数を減らしてコストを削減できる。また、シャフト２の円柱部２ｅをシールするようにしたので、シール部材１５としてＯリング等の汎用部品を用いることができ、コストの上昇を招かない。

また、実施の形態１によれば、シャフト２の径を拡大して、シャフトハウジング１４のボス１４ｂに当接する抜け止め部２ｃを形成し、この抜け止め部２ｃの端面角部を丸めて曲面２ｄにした。このため、シャフト２が直線移動するときにシャフトハウジング１４の回り止めガイド部１４ａに摺動する抜け止め部２ｃの角部で、シャフトハウジング１４側が磨耗することを軽減できる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
また、上記説明では、ターボ用アクチュエータ１がターボチャージャのウェストゲートバルブ開閉用のレバーを駆動する構成にしたが、これに限定されるものではなく、その他にも例えばＶＧターボにターボ用アクチュエータ１を搭載してノズルベーン開閉用のレバーを駆動する構成にしてもよい。

以上のように、この発明に係るターボ用アクチュエータは、シャフトの揺動を抑制し、シール性を損なわずに摺動可能に支持するようにしたので、ターボ側レバーを駆動するターボ用アクチュエータに用いるのに適している。

１ターボ用アクチュエータ、２シャフト、２ａ雄ネジ部、２ｂ回り止め部、２ｃ抜け止め部、２ｄ曲面、２ｅ円柱部、３モータ部、４固定子、５コイル、６モータハウジング、７ブラシ、８電源供給端子、９ポジションセンサ、１０回転子、１０ａ雌ネジ部、１１マグネット、１２コミュテータ、１３ベアリング、１４シャフトハウジング、１４ａ回り止めガイド部、１４ｂボス（第１摺動支持部）、１５シール部材、１６キャップ（第２摺動支持部）、１００ハウジング、１０１シャフト、１０２ブッシュ、１０３シール部材、１０４ロッド、１０５レバー、１０６ピン軸、１０７支点、１０８排気バイパス通路、１０９ウェストゲートバルブ、１１０排気通路、１１１ウェストゲート。

この発明のターボ用アクチュエータは、固定子と、固定子の内側に回転可能に配置され、中心に設けた穴に雌ネジ部が形成された回転子と、一端部に雌ネジ部に螺合する雄ネジ部、他端部に円柱形状の円柱部、その間の外面を変形した回り止め部が形成され、回転子の回転を軸方向の直線運動に変換して直線移動するシャフトと、回転子から突出するシャフトを内包し、回り止め部に係合してシャフトの回転を防止する回り止めガイド部、およびシャフトの円柱部を摺動可能に支持する第１摺動支持部が形成されたシャフトハウジングと、シャフトハウジングに嵌挿され、シャフトハウジングとシャフトの円柱部との隙間を塞ぐシール部材と、シャフトハウジングに固定され、第１摺動支持部との間にシール部材を挟持すると共に、シャフトの円柱部を摺動可能に支持する第２摺動支持部とを備え、シャフトハウジング内のシャフトの径を拡大して、第１摺動支持部に当接する抜け止め部を形成し、当該抜け止め部の端面角部を曲面状にしたものである。

この発明によれば、シャフトの円柱部を摺動可能に支持する摺動支持部を２箇所設けてシャフトの荷重を受けるようにしたので、ターボ側レバーの回動に伴うシャフトの揺動を抑制することができる。また、第１摺動支持部をシャフトハウジングと一体に形成したので、変形およびがたつきを防止することができ、さらに、この第１摺動支持部に隣接するシール部材の変形を防止できるようになるので、シール性を損なわずにシャフトを摺動可能に支持することができる。加えて、シャフトが直線移動するときにシャフトハウジングの回り止めガイド部に摺動する抜け止め部の角部で、シャフトハウジング側が磨耗することを軽減できる。

Claims

固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に配置され、中心に設けた穴に雌ネジ部が形成された回転子と、
一端部に前記雌ネジ部に螺合する雄ネジ部、他端部に円柱形状の円柱部、その間の外面を変形した回り止め部が形成され、前記回転子の回転を軸方向の直線運動に変換して直線移動するシャフトと、
前記回転子から突出する前記シャフトを内包し、前記回り止め部に係合して前記シャフトの回転を防止する回り止めガイド部、および前記シャフトの円柱部を摺動可能に支持する第１摺動支持部が形成されたシャフトハウジングと、
前記シャフトハウジングに嵌挿され、前記シャフトハウジングと前記シャフトの円柱部との隙間を塞ぐシール部材と、
前記シャフトハウジングに固定され、前記第１摺動支持部との間に前記シール部材を挟持すると共に、前記シャフトの円柱部を摺動可能に支持する第２摺動支持部とを備えるターボ用アクチュエータ。
前記シャフトハウジング内の前記シャフトの径を拡大して、前記第１摺動支持部に当接する抜け止め部を形成し、当該抜け止め部の端面角部を曲面状にしたことを特徴とする請求項１記載のターボ用アクチュエータ。