JPH0220190Y2 - - Google Patents
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- JPH0220190Y2 JPH0220190Y2 JP1984191479U JP19147984U JPH0220190Y2 JP H0220190 Y2 JPH0220190 Y2 JP H0220190Y2 JP 1984191479 U JP1984191479 U JP 1984191479U JP 19147984 U JP19147984 U JP 19147984U JP H0220190 Y2 JPH0220190 Y2 JP H0220190Y2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cylindrical
- impeller
- cylindrical fitting
- ceramic
- shaft member
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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- Ceramic Products (AREA)
Description
産業上の利用分野
本考案は、内燃機関用ターボ過給機、ガスター
ビン等に使用される軸付きタービン翼車の構造に
係り、特にセラミツク製タービン翼車とこれを支
持する軸部材との相互嵌合構造に関するものであ
る。 従来技術 セラミツクスは、金属に比して耐熱性に優れ、
かつ金属並みの強さを有しており、例えば、近時
注目されている窒化けい素（Si3N4）セラミツク
スの曲げ強度は、常温で90Kgｆ／mm2であるが、
1000℃においてもなお、80Kgｆ／mm2の曲げ強度を
有している。この様に優れた耐熱性を有するセラ
ミツクスは、金属部材に代つて、使用条件の苛酷
な各種機械部品として採用されつつある。 その一例として、内燃機関のターボ過給機で使
用されるタービン翼車を挙げることができる。タ
ーボ過給機は、機関の排気エネルギーを利用して
排気タービンを回し、その動力でコンプレツサー
を駆動することにより、吸入空気または混合気を
予圧する装置であり、タービン翼車は、高温の排
気に晒される部材であるから、これを耐熱性が優
れ、かつ低比重のセラミツクスで形成するのは効
果的である。 解決しようとする問題点 ところが、低温から高温に到る温度変化の大き
な環境に置かれるセラミツク部材は、その熱膨脹
率（α）が金属に比して可なり小さいため、金属
部材との接続関係が問題となる。例えば、窒化け
い素（Si3N4）では、α＝2.6〜4.5×10-6／℃、で
あるのに対し、Cr−Mo鋼では、α＝11.7×
10-6／℃であり、結合状態のセラミツク部材およ
び金属部材が熱変化を受けた時に、両部材間の熱
膨張差によつて、金属部材内に嵌合させたセラミ
ツク部材が離脱ないし破損するおそれがある。 これを具体的に説明すると、第１図は、金属製
軸部材０１の円筒状嵌合部０２内に、セラミツク
製翼車０３の円柱状嵌入部０４を嵌挿し、その嵌
合面間に介在させた鑞材０５をもつて両部材０
１，０３を一体に結合させた状態を示したもので
あるが、前記両部材０１，０３を使用する鑞材０
５の溶融温度以上まで加熱することによつて嵌合
面間に鑞材を浸透供給せしめ、常温にまで放冷す
ると、鑞接された状態にある両部材は、Ａ−Ｂ間
心線方向において、ｌ（α1−α2）ｔ（但し、α1，α2
はそれぞれ金属製軸部材、セラミツク製回転体の
熱膨張率を示し、ｔは鑞接温度と常温との温度差
を示す）に対応する内部応力が発生する。 このｌ（α1−α2）ｔに対応する応力は、Ａ部に
おいて集中的に現れる。すなわち円筒状嵌合部０
２の大きな収縮によつて、Ａ−Ｂ間における円柱
状嵌入部０４の表面層に圧縮応力が生じ、その結
果Ａ部に引張り応力が発生する。それ故、嵌合長
ｌが大き過ぎると、両部材０１，０３が回転する
際に翼車０３の円柱状嵌入部０４に生ずる曲げ応
力とも相俟つて、円柱状嵌入部０４がＡ部におい
て破断することになる。 逆に、嵌合長ｌが円筒状嵌合部０２の孔径Ｄに
比して短か過ぎると、鑞接による接合面が不足し
て、セラミツク製翼車０３が、軸部材０１から容
易に離脱して終うことになる。 また金属製軸部材０１の円筒状嵌合部０２の先
端内周面とセラミツク製翼車０３の嵌入部０４の
基部外周面との間に大きな間隙があつて、その間
に鑞材０５が存在せず、円柱状嵌入部０４に接す
る部位における円筒状嵌合部０２の厚さは同一で
あるため、円柱状嵌入部０４に対し略一定の中心
方向圧縮応力が働き、これよりも翼車０３の本体
側には、その中心方向圧縮応力が全く働かず、そ
の境界部Ａで中心方向圧縮応力の分布が急激に変
化し、その結果、セラミツク製翼車０３に曲げ荷
重が加わつた場合に、円柱状嵌入部０４がＡ部に
おいて破断し易い。 課題を解決するための手段および作用効果 本考案はこのような難点を克服したセラミツク
製翼車と金属製軸部材の相互嵌合構造の改良に係
り、金属製軸部材の円筒状嵌合孔内に、セラミツ
ク製翼車の円柱状嵌入部を嵌挿し、鑞材を用いて
両部材を一体に嵌着する構造において、前記円筒
状嵌合孔と円柱状嵌入部の軸心線方向の嵌合長
（ｌ）、および該円筒状嵌合孔の径（Ｄ）が、 条件式：0.4≦ｌ／Ｄ≦1.0 を満足し、前記セラミツク製翼車の本体と円柱状
嵌入部とは隣接し、該セラミツク製翼車の円柱状
嵌入基部は翼車本体に接近するにつれて漸次太く
なつて翼車本体内側端面に滑らかな曲面で接続
し、前記金属製軸部材の円筒状嵌合孔の内周面は
その先端開口縁に接近するにつれて漸次広くなつ
て前記セラミツク製翼車の円柱状嵌入基部の外周
面と略同一形状に形成され、前記金属製軸部材の
円筒部はその先端開口縁に接近するにつれて薄く
形成されたことを特徴とするものである。 本考案では、前記したように前記金属製軸部材
の円筒状嵌合孔内に、セラミツク製翼車の円柱状
嵌入部を嵌挿し、鑞材を用いて両部材を一体に嵌
着する構造において、前記円筒状嵌合孔と円柱状
嵌入部の軸心線方向の嵌合長（ｌ）、および該円
筒状嵌合孔の径（Ｄ）が、0.4≦ｌ／Ｄ≦1.0を満
たすように構成しており、金属製軸部材の嵌合部
長さが短く、温度変化に伴うその伸縮量が少ない
ため、セラミツク製翼車の円柱状嵌入部に過度の
引張り応力が作用することがなく、該セラミツク
製翼車の耐久性が向上する。 しかも、円筒状嵌合孔の径（Ｄ）を、嵌合長
（ｌ）と同等、またはそれ以上にしたため、嵌合
長（ｌ）を小さくしたにもかかわらず、嵌合面
（すなわち接合面）を十分大きく確保することが
でき、セラミツク製翼車の離脱が防止される。 また本考案においては、前記セラミツク製翼車
の本体と円柱状嵌入部とは隣接しているため、翼
車の回転時に首振り現象が起こりにくく、この首
振り現象による軸部の折損が未然に防止される。 さらに本考案においては、前記セラミツク製翼
車の円柱状嵌入基部は翼車本体に接近するにつれ
て漸次太くなつて翼車本体内側端面に滑らかな曲
面で接続するため、応力の集中が避けられ、応力
集中による円柱状嵌入基部の破損が阻止される。 さらにまた本考案においては、前記金属製軸部
材の円筒状嵌合孔の内周面はその先端開口縁に接
近するにつれて漸次広くなつて前記セラミツク製
翼車の円筒状嵌入基部の外周面と略同一形状に形
成され、前記金属製軸部材の円筒部はその先端開
口縁に接近するにつれて薄く形成されているた
め、前記金属製軸部材の円筒部より前記セラミツ
ク製翼車の円柱状嵌入部への熱膨張差による軸中
心に向う半径方向圧縮応力は前記金属製軸部材の
円筒先端開口縁に接近するにつれて漸次減少し、
前記半径方向圧縮応力分布の急激な変化による破
断が未然に防止され、強度および耐久性が大巾に
向上する。 実施例 第２図は、窒化珪素製翼車１０およびこれを支
持する金属製回転軸２０を断面で示しており、該
翼車１０を−線方向から見た形状を第３図に
示している。回転軸２０は、主軸部２２と、これ
に連なる円筒部２４とで形成され、円筒部２４の
大部分、すなわち先端側壁部２６は、低膨張率
（α＝5.7〜6.2×10-6／℃）のコーバル（Ni23〜
30wt％、Co17〜30wt％、Mn0.6〜0.8wt％、残部
Fe）（商標名）製であつて、Cr−Mo鋼（JIS
SCM435）製の主軸部２２と一体に形成された主
軸側壁部２８に対して摩擦溶接により一体に接合
されている。 そして、円筒部２４に対して、翼車１０の円柱
条軸部１２が密嵌され、鑞材４０によつて接合さ
れている。この接合は、主軸部２２に穿設された
開孔３０内に、予め鑞材を装入しておき、翼車１
０と、回転軸２０を組合わせた状態で全体を鑞材
の溶融温度以上に加熱し、鑞材を嵌合面間に浸透
させることによつて達成される。 翼車１０および回転軸２０が、以上の様に組合
わされた部材において、その嵌合長ｌおよび円筒
部２４の内径Ｄの異なるサンプル１，２，３，…
…11を作成（表１参照）し、各サンプルを、回転
軸２０を支軸として高速回転させ、目標回転数Ｎ
＝No rpmに達するまでに異常が発生するか否か
を調べた。表１の第３欄に、各サンプルのｌ／Ｄ
値を示し、第５欄に、発生した異常の内容を、第
４欄に、異常発生時の回転数Nrpmと、異常発生
のない場合の回転数（目標回転数No）とを示し
ている。第４図は、前記第３欄、第４欄に示す
値、ｌ／Ｄと回転数（Nrpm）との関係をグラフ
として示したものである。
ビン等に使用される軸付きタービン翼車の構造に
係り、特にセラミツク製タービン翼車とこれを支
持する軸部材との相互嵌合構造に関するものであ
る。 従来技術 セラミツクスは、金属に比して耐熱性に優れ、
かつ金属並みの強さを有しており、例えば、近時
注目されている窒化けい素（Si3N4）セラミツク
スの曲げ強度は、常温で90Kgｆ／mm2であるが、
1000℃においてもなお、80Kgｆ／mm2の曲げ強度を
有している。この様に優れた耐熱性を有するセラ
ミツクスは、金属部材に代つて、使用条件の苛酷
な各種機械部品として採用されつつある。 その一例として、内燃機関のターボ過給機で使
用されるタービン翼車を挙げることができる。タ
ーボ過給機は、機関の排気エネルギーを利用して
排気タービンを回し、その動力でコンプレツサー
を駆動することにより、吸入空気または混合気を
予圧する装置であり、タービン翼車は、高温の排
気に晒される部材であるから、これを耐熱性が優
れ、かつ低比重のセラミツクスで形成するのは効
果的である。 解決しようとする問題点 ところが、低温から高温に到る温度変化の大き
な環境に置かれるセラミツク部材は、その熱膨脹
率（α）が金属に比して可なり小さいため、金属
部材との接続関係が問題となる。例えば、窒化け
い素（Si3N4）では、α＝2.6〜4.5×10-6／℃、で
あるのに対し、Cr−Mo鋼では、α＝11.7×
10-6／℃であり、結合状態のセラミツク部材およ
び金属部材が熱変化を受けた時に、両部材間の熱
膨張差によつて、金属部材内に嵌合させたセラミ
ツク部材が離脱ないし破損するおそれがある。 これを具体的に説明すると、第１図は、金属製
軸部材０１の円筒状嵌合部０２内に、セラミツク
製翼車０３の円柱状嵌入部０４を嵌挿し、その嵌
合面間に介在させた鑞材０５をもつて両部材０
１，０３を一体に結合させた状態を示したもので
あるが、前記両部材０１，０３を使用する鑞材０
５の溶融温度以上まで加熱することによつて嵌合
面間に鑞材を浸透供給せしめ、常温にまで放冷す
ると、鑞接された状態にある両部材は、Ａ−Ｂ間
心線方向において、ｌ（α1−α2）ｔ（但し、α1，α2
はそれぞれ金属製軸部材、セラミツク製回転体の
熱膨張率を示し、ｔは鑞接温度と常温との温度差
を示す）に対応する内部応力が発生する。 このｌ（α1−α2）ｔに対応する応力は、Ａ部に
おいて集中的に現れる。すなわち円筒状嵌合部０
２の大きな収縮によつて、Ａ−Ｂ間における円柱
状嵌入部０４の表面層に圧縮応力が生じ、その結
果Ａ部に引張り応力が発生する。それ故、嵌合長
ｌが大き過ぎると、両部材０１，０３が回転する
際に翼車０３の円柱状嵌入部０４に生ずる曲げ応
力とも相俟つて、円柱状嵌入部０４がＡ部におい
て破断することになる。 逆に、嵌合長ｌが円筒状嵌合部０２の孔径Ｄに
比して短か過ぎると、鑞接による接合面が不足し
て、セラミツク製翼車０３が、軸部材０１から容
易に離脱して終うことになる。 また金属製軸部材０１の円筒状嵌合部０２の先
端内周面とセラミツク製翼車０３の嵌入部０４の
基部外周面との間に大きな間隙があつて、その間
に鑞材０５が存在せず、円柱状嵌入部０４に接す
る部位における円筒状嵌合部０２の厚さは同一で
あるため、円柱状嵌入部０４に対し略一定の中心
方向圧縮応力が働き、これよりも翼車０３の本体
側には、その中心方向圧縮応力が全く働かず、そ
の境界部Ａで中心方向圧縮応力の分布が急激に変
化し、その結果、セラミツク製翼車０３に曲げ荷
重が加わつた場合に、円柱状嵌入部０４がＡ部に
おいて破断し易い。 課題を解決するための手段および作用効果 本考案はこのような難点を克服したセラミツク
製翼車と金属製軸部材の相互嵌合構造の改良に係
り、金属製軸部材の円筒状嵌合孔内に、セラミツ
ク製翼車の円柱状嵌入部を嵌挿し、鑞材を用いて
両部材を一体に嵌着する構造において、前記円筒
状嵌合孔と円柱状嵌入部の軸心線方向の嵌合長
（ｌ）、および該円筒状嵌合孔の径（Ｄ）が、 条件式：0.4≦ｌ／Ｄ≦1.0 を満足し、前記セラミツク製翼車の本体と円柱状
嵌入部とは隣接し、該セラミツク製翼車の円柱状
嵌入基部は翼車本体に接近するにつれて漸次太く
なつて翼車本体内側端面に滑らかな曲面で接続
し、前記金属製軸部材の円筒状嵌合孔の内周面は
その先端開口縁に接近するにつれて漸次広くなつ
て前記セラミツク製翼車の円柱状嵌入基部の外周
面と略同一形状に形成され、前記金属製軸部材の
円筒部はその先端開口縁に接近するにつれて薄く
形成されたことを特徴とするものである。 本考案では、前記したように前記金属製軸部材
の円筒状嵌合孔内に、セラミツク製翼車の円柱状
嵌入部を嵌挿し、鑞材を用いて両部材を一体に嵌
着する構造において、前記円筒状嵌合孔と円柱状
嵌入部の軸心線方向の嵌合長（ｌ）、および該円
筒状嵌合孔の径（Ｄ）が、0.4≦ｌ／Ｄ≦1.0を満
たすように構成しており、金属製軸部材の嵌合部
長さが短く、温度変化に伴うその伸縮量が少ない
ため、セラミツク製翼車の円柱状嵌入部に過度の
引張り応力が作用することがなく、該セラミツク
製翼車の耐久性が向上する。 しかも、円筒状嵌合孔の径（Ｄ）を、嵌合長
（ｌ）と同等、またはそれ以上にしたため、嵌合
長（ｌ）を小さくしたにもかかわらず、嵌合面
（すなわち接合面）を十分大きく確保することが
でき、セラミツク製翼車の離脱が防止される。 また本考案においては、前記セラミツク製翼車
の本体と円柱状嵌入部とは隣接しているため、翼
車の回転時に首振り現象が起こりにくく、この首
振り現象による軸部の折損が未然に防止される。 さらに本考案においては、前記セラミツク製翼
車の円柱状嵌入基部は翼車本体に接近するにつれ
て漸次太くなつて翼車本体内側端面に滑らかな曲
面で接続するため、応力の集中が避けられ、応力
集中による円柱状嵌入基部の破損が阻止される。 さらにまた本考案においては、前記金属製軸部
材の円筒状嵌合孔の内周面はその先端開口縁に接
近するにつれて漸次広くなつて前記セラミツク製
翼車の円筒状嵌入基部の外周面と略同一形状に形
成され、前記金属製軸部材の円筒部はその先端開
口縁に接近するにつれて薄く形成されているた
め、前記金属製軸部材の円筒部より前記セラミツ
ク製翼車の円柱状嵌入部への熱膨張差による軸中
心に向う半径方向圧縮応力は前記金属製軸部材の
円筒先端開口縁に接近するにつれて漸次減少し、
前記半径方向圧縮応力分布の急激な変化による破
断が未然に防止され、強度および耐久性が大巾に
向上する。 実施例 第２図は、窒化珪素製翼車１０およびこれを支
持する金属製回転軸２０を断面で示しており、該
翼車１０を−線方向から見た形状を第３図に
示している。回転軸２０は、主軸部２２と、これ
に連なる円筒部２４とで形成され、円筒部２４の
大部分、すなわち先端側壁部２６は、低膨張率
（α＝5.7〜6.2×10-6／℃）のコーバル（Ni23〜
30wt％、Co17〜30wt％、Mn0.6〜0.8wt％、残部
Fe）（商標名）製であつて、Cr−Mo鋼（JIS
SCM435）製の主軸部２２と一体に形成された主
軸側壁部２８に対して摩擦溶接により一体に接合
されている。 そして、円筒部２４に対して、翼車１０の円柱
条軸部１２が密嵌され、鑞材４０によつて接合さ
れている。この接合は、主軸部２２に穿設された
開孔３０内に、予め鑞材を装入しておき、翼車１
０と、回転軸２０を組合わせた状態で全体を鑞材
の溶融温度以上に加熱し、鑞材を嵌合面間に浸透
させることによつて達成される。 翼車１０および回転軸２０が、以上の様に組合
わされた部材において、その嵌合長ｌおよび円筒
部２４の内径Ｄの異なるサンプル１，２，３，…
…11を作成（表１参照）し、各サンプルを、回転
軸２０を支軸として高速回転させ、目標回転数Ｎ
＝No rpmに達するまでに異常が発生するか否か
を調べた。表１の第３欄に、各サンプルのｌ／Ｄ
値を示し、第５欄に、発生した異常の内容を、第
４欄に、異常発生時の回転数Nrpmと、異常発生
のない場合の回転数（目標回転数No）とを示し
ている。第４図は、前記第３欄、第４欄に示す
値、ｌ／Ｄと回転数（Nrpm）との関係をグラフ
として示したものである。
【表】
第４図から明らかなように、ｌ／Ｄが0.4〜
1.03の範囲にあれば、サンプルの回転が目標回転
数No rpmに達しても異常は生じないが、その範
囲外（ｌ／Ｄ＜0.4，ｌ／Ｄ＞1.03）では、サン
プルの回転が目標回転数No rpmに達するまで
に、表１（第５欄）に示す異常が生じる。
1.03の範囲にあれば、サンプルの回転が目標回転
数No rpmに達しても異常は生じないが、その範
囲外（ｌ／Ｄ＜0.4，ｌ／Ｄ＞1.03）では、サン
プルの回転が目標回転数No rpmに達するまで
に、表１（第５欄）に示す異常が生じる。
第１図は金属製軸部材およびセラミツク製回転
体の嵌合状態を示す断面図、第２図は本考案の効
果を確認するための試験に使用した内燃機関の過
給機で使用する翼車、軸部材の断面図、第３図は
その−線矢視図、第４図は試験結果を示すグ
ラフである。 １０……翼車、１２……軸部、２０……回転
軸、２２……主軸部、２４……円筒部、２６……
先端側壁部、２８……主軸側壁部、３０……開
孔、４０……鑞材。
体の嵌合状態を示す断面図、第２図は本考案の効
果を確認するための試験に使用した内燃機関の過
給機で使用する翼車、軸部材の断面図、第３図は
その−線矢視図、第４図は試験結果を示すグ
ラフである。 １０……翼車、１２……軸部、２０……回転
軸、２２……主軸部、２４……円筒部、２６……
先端側壁部、２８……主軸側壁部、３０……開
孔、４０……鑞材。
Claims (1)
- 【実用新案登録請求の範囲】 金属製軸部材の円筒状嵌合孔内に、セラミツク
製翼車の円柱状嵌入部を嵌挿し、鑞材を用いて両
部材を一体に嵌着する構造において、 前記円筒状嵌合孔と円柱状嵌入部の軸心線方向
の嵌合長（ｌ）、および該円筒状嵌合孔の径（Ｄ）
が、 条件式：0.4≦ｌ／Ｄ≦1.0 を満足し、前記セラミツク製翼車の本体と円柱状
嵌入部とは隣接し、該セラミツク製翼車の円柱状
嵌入基部は翼車本体に接近するにつれて漸次太く
なつて翼車本体内側端面に滑らかな曲面で接続
し、前記金属製軸部材の円筒状嵌合孔の内周面は
その先端開口縁に接近するにつれて漸次広くなつ
て前記セラミツク製翼車の円柱状嵌入基部の外周
面と略同一形状に形成され、前記金属製軸部材の
円筒部はその先端開口縁に接近するにつれて薄く
形成されたことを特徴とするセラミツク製翼車と
金属製軸部材の相互嵌合構造。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1984191479U JPH0220190Y2 (ja) | 1984-12-19 | 1984-12-19 | |
| DE19853545135 DE3545135A1 (de) | 1984-12-19 | 1985-12-19 | Fittingeinheit |
| FR858518882A FR2574783B1 (fr) | 1984-12-19 | 1985-12-19 | Dispositif d'assemblage d'un element ceramique a un element metallique, notamment pour turbo-surcompresseurs de moteurs a combustion interne |
| US06/811,160 US4747722A (en) | 1984-12-19 | 1985-12-19 | Metal-ceramic fitting assembly |
| GB08531265A GB2169058B (en) | 1984-12-19 | 1985-12-19 | Fitting assembly |
| US07/181,839 US4983064A (en) | 1984-12-19 | 1988-04-15 | Metal ceramic fitting assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1984191479U JPH0220190Y2 (ja) | 1984-12-19 | 1984-12-19 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61108329U JPS61108329U (ja) | 1986-07-09 |
| JPH0220190Y2 true JPH0220190Y2 (ja) | 1990-06-01 |
Family
ID=30748918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1984191479U Expired JPH0220190Y2 (ja) | 1984-12-19 | 1984-12-19 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0220190Y2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2572803B2 (ja) * | 1988-03-22 | 1997-01-16 | 日本碍子株式会社 | 金属・セラミックス接合体 |
| DE102008008857B4 (de) * | 2008-02-13 | 2017-06-22 | Daimler Ag | Verbindung einer Welle mit einem Rotationsbauteil |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5995134U (ja) * | 1982-12-15 | 1984-06-28 | 日産自動車株式会社 | セラミツク軸と金属軸との接合構造 |
-
1984
- 1984-12-19 JP JP1984191479U patent/JPH0220190Y2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61108329U (ja) | 1986-07-09 |
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