JPH03260330A

JPH03260330A - ターボチャージャのロータ

Info

Publication number: JPH03260330A
Application number: JP5634090A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Tsuzuki; 都築　義彦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1991-11-20

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、内燃機関に過給を行なうターボチャージャ用
のロータであって、特に別体のタービンホイールとシャ
フトとの結合によって製造するロータに関するものであ
る。

〔従来の技術〕

ターボチャージャ用のロータにおいては、タービンホイ
ールとコンプレッサのインペラとをシャフトを介して一
体的に結合する必要があるが、タービンホイールは内燃
機関の排気ガスの高温に曝されるので、耐熱性、耐蝕性
を備える必要からファインセラミックス材（例えばＳｌ
、〜４＋　ＳＩ［＞　、チタン材或いはチタン合金材（
例えばＴｉ　−６Ａβ−４Ｖ）、耐熱鋼材（例えばＦｅ
　；Ｎ＋　Ｃｒ　Ｍｏ系）等が使用されるのに対し、コ
ンプレッサのインペラは耐熱性を必要とせず、軽量、成
形性、加工性、価格等の要求から、アルミニウムを主成
分とする軽合金が使用されるというように、全く性質の
異なったものであることから、全部を同材質とすること
ができないので、両者を結合するシャフトはタービンホ
イールと同じ材質か、あるいはそれに近いものを使用し
、タービンホイールとシャフトを一体に製造するか、あ
るいは別体に製造してもあとで熔接等の方法で一体化し
て、このシャフトの他端に軽合金部のコンプレッサイン
ペラを螺子等によって結合するのが一般的である。

しかしながら、タービンホイールとシャフトを一体に、
勿論同材質で製造することは、チタンやチタン合金材、
耐熱合金材等を使用する場合、高価な材料を多量に使用
することでコストが上昇するし、材料の性質から成形、
加工に困難が伴い、一体の場合はそれが倍加されるので
、タービンロータのように高精度を要するものの製造に
は得策ではないこと、また、ファインセラミックス材は
耐熱性、耐蝕性に優れていて、比較的安価でもあるが、
シャフト部分までセラミックスで一体成形するのは、機
械的強度が小さいこと、焼成時の歪み、高精度の加工が
困難なこと、軸受の難かしさ等の面から問題があり、い
ずれにしてもタービンホイールとシャフトの一体成形、
加工には不利な点が多い。

そこで、タービンホイールとシャフトを別体に成形して
あとで接合するとなると、タービンホイールに適した材
料とシャフトに適した材料とは同一ではないから、異種
材料、たとえばタービンホイールはファインセラミック
ス材でシャフトは耐熱鋼材というような場合は、直接に
熔接することができないから、一般に接合個所が弱点と
なって、ゆるみやガタが生じる心配があり、高速回転す
るターボチャージャ用としては、信頼性に問題がないと
は言えない。

この問題に対処するものとして、本発明者は先に特開昭
６２−１６８６５８号公報に記載された発明を公げにし
ている。この発明を示す第６図及び第７図において、１
はターボチャージャのロータ、２はチタン系材料からな
るシャフト、３はシャフト２の一端にナツト４によって
結合される軽合金の鋳物であるコンプレッサのインペラ
、５はファインセラミックス材からなるタービンホイー
ルで、その一側の有底円穴６には、シャフト２の他端に
設けられた大径部７、小径′Ｂ８、スリット９等を有す
る結合突８１０が挿入されると共に、タービンホイール
５の中心に開口する貫通孔１１には有底円穴６において
シャフト２の端部とタービンホイール５とを結合する結
合金属１２が溶融状態でタービンホイール５の他側まで
流れて頭部１３を形成し、結合金属１２が冷却固化した
後は収縮によって引張り残留応力（ブリテンション）が
発生し、タービンホイール５を両側から締め付けてシャ
フト２と強力に一体化させるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記公開公報所載の従来技術は、ファインセラミックス
からなるタービンホイール５とチタン系材料からなるシ
ャフト２のように、直接に溶接等の接合方法によって一
体化することができないものを結合するために開発され
たものであるが、冷却・固化した結合金属１２には引張
り残留応力（ブリテンション）が作用していて、軸方向
にタービンホイール５を締付けてゆるみを発生させない
ものの、回転方向においては、引張残留応力による軸方
向力に摩擦係数を掛けて得られる摩擦力が、タービンホ
イール５からシャフト２へ伝達されるトルクに対抗する
ことになるから、必ずしも回転方向の結合が強力且つ万
全であるとはいえない。

前記のトルクはターボチャージャの場合はさほど大きな
値ではないので、普通は問題になる程ではないが、ター
ボチャージャが異常な運転状態、たとえば回転速度の急
変や温度の急上昇などの過酷な状態に長く、あるいはし
ばしば置かれたり、回転方向の振動を受けるときは、タ
ービンホイール５とシャフト２の間に回転方向のずれが
生じることもあり得ると考えられる。

本発明は、タービンホイールとシャフトが軸方向のみな
らず回転方向にも強力に結合されたターボチャージャの
ロータを提供することを解決課題としている。

されているとことを特徴とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によるターボチャージャのロータは、タービンホ
イールと、前記タービンホイールとコンプレッサのイン
ペラとを連結するシャフトと、前記シャフトの延長部分
として一体的に形成され前記タービンホイールの中心孔
に挿通される応力部材と、前記応力部材の一端において
前記シャフトと一体的に形成された抜け止め手段と、同
じく前記応力部材の前記一端において前記シャフトと前
記タービンホイールの一側との間に設けられた回り止め
手段とを備えており、前記応力部材の前記一端は前記タ
ービンホイールの前記一側に対して前記波は止め手段及
び前記回り止め手段によって係合していると共に、前記
応力部材の他端は前記タービンホイールの回転方向とは
逆方向の回転力と軸方向の引張り力とを加えられた状態
で前記タービンホイールの他側に対し金属溶湯の注入・
固化によって軸方向及び回転方向のいずれにも固定〔作
　用〕本発明によるターボチャージャのロータにおいては、応
力部材の一端はタービンホイールの一側に実質的に固着
されると共に、応力部材の他端は、製造の過程において
、タービンホイールの回転方向とは逆方向の回転力を加
えられて捩りをかけられると共に、他の手段によって軸
方向にも伸長された状態で、タービンホイールの他側に
対し、金属溶湯の注入・固化によって結合される。この
ようにして、応力部材には所定の大きさのブリトーショ
ンとブリテンションとの組合わせ応力が発生している。

したがって、シャフトと一体的に形成された抜け止め手
段は、応力部材に蓄えられたブリテンションの応力によ
る軸方向の引張り力によって常にタービンホイールの一
側に強く押し付けられていると共に、回り止め手段が応
力部材に蓄えられたブリトーションの応力による回転力
によって強（係合させられ、つまり、回り止め手段にお
いて、タービンホイールがシャフトに対してその回転方
向に強く押し付けられて、軸方向及び回転方向共に全く
緩みやガタの発生する心配がないように付勢・結合され
る。

その結果、通常考えられる程度の外力や振動等によって
抜け止め手段及び回り止め手段におけるタービンホイー
ルとシャフトの軸方向及び回転方向の結合が解かれるこ
とはなく、両者は始めから一体のものと実質的に同様な
働きをすることになる。

〔実施例〕

第１図〜第４図は第１実施例のターボチャージャのロー
タ及びその一部分と、その製造方法を示す。ターボチャ
ージャのロータ２１は、中心の肉抜きをして軽量化し且
つ材料の節減を図った例えば純金属チタン製の中空シャ
フト２２と、その第１図における左端の螺子部（ローレ
フトでもよい）に跡ぐるみで固定されたアルミニウムを
主成分とする軽合金グイキャスト製のコンプレッサ用イ
ンペラ２３　（２４はそのブレードを示す）、前記シャ
フト２２の他端側にレーザービーム溶接２５によって接
合されたシャフト２２と同材質の継手２６、及びそれに
対して本発明による特殊な手段によって結合された例え
ばファインセラミックス材、あるいはチタン合金材製の
タービンホイール２７等からなっている。

このように、本発明のロータは比較的小さな多くの部分
を結合して組立てられるもので、各部分はそれぞれの作
動条件にもっともふされしい材料を、無駄なく適量だけ
使用することが可能となる。

しかも、多くの部分を一体のものとして製造するのにく
らべて、成形、加工が容易であり、歪みや狂いも少なく
て、高精度に仕上げることができるという利点がある。

なお、シャフト２２と継手２６止はレーザービーム溶接
２５によって一体化されるので、継手２６には耐熱性に
優れるチタン材を使用しても、シャフト２２にはそれよ
り安価な材料を使用することも可能である。

シャフトの継手２６は、部分図である第２図や分解図で
ある第４図に明示され、且つ第１図及び第３図に２点鎖
線で示されている抜け止め手段前回り止め手段の一部と
しての欠円状のフランジ２Ｂ（その切欠きを２９として
示す）、と、その先に細長く伸びる細径部（応力部材）
３０、その先端寄りに形成される螺子部３１、更に、螺
子部３１に続いて形成され後に大部分を切断される舌片
（回転力を加えるための手段）３２等の部分を有する。

シャフトの継手２６に結合するタービンホイール２７は
、継手２６の細径部３０よりも遥かに大径の中心孔３３
、欠円状フランジ２８の切欠き２９を補なう形の突起（
両者が組合わされて回り止め手段となる）３４、螺子部
３１を収容する６角形その他の角形穴３５、ブレード３
６等を備えている。

次にシャフト２２とタービンホイール２７との結合によ
るロータの製造方法について述べる。第３図に示すよう
に、タービンホイール２７は固定台３７の上にボルト３
８等の手段によって取付けられる。中心孔３３には下方
からシャフト２２の先に取付けられた継手２６の細径部
（応力部材）３０が挿通されて中心に位置ぎめされ、シ
ャフト２２自体も図示されない手段によって強力に中心
軸の位置に保持される。

螺子部３１には円環状の洩れ止め３９がねじ込まれて、
細径部３０と中心孔３３との空隙４０に蓋をすると共に
、角形穴３５と螺子部３１との間に形成される隙間に底
をつける。

角形穴３５の上部開口には鎖線で示すホッパー４１が取
付けられて、角形穴３５の中の螺子部３１を鋳ぐるむよ
うに、結合のための金属溶湯４２が注入される。金属溶
湯としては、タービンホイールの材料としてよく用いら
れるＦｅ　；　Ｎｉ　Ｃｒ　Ｍｏ系の高級鋼材等が適し
ている。注入に先立ってシャフト２２の先端の継手２６
、中でも細径部（応力部材）３０は予かしめ強く加熱し
て高温にしておき（十分に膨張させておく）、タービン
ホイール２７も多少加熱しておく。さらに、溶湯４２が
角形穴３５の中で固化する前に、応力部材である細径部
３０の先端の舌片３２には、レンチ４３のような手段に
よって回転力Ｔを加え、細径部３０に所定量の捩りを発
生させておく。

回転力Ｔの方向は、完成後にロータ２１が回転する方向
とは逆向きとする。この場合、螺子部３１の方向は、タ
ービンホイール２７がシャフト２２を回転駆動するとき
に、締まり勝手となる方向に選んでおく。なお、細径部
（応力部材）３０に捩りをかけると共に熱によって膨張
させる代りに、舌片３２をつかむレンチ４３によって捩
りと共に軸方向に機械的な引張力をも加えて、捩りと同
時に伸長もさせるというように構成してもよい。要する
に、本発明の特徴として、シャフト２２の一部となって
いる細径部（応力部材）３０に軸方向のブリテンション
と回転方向のブリトーションの組合わせ応力が作用する
ように設定するということである。

第１実施例の場合、ブリテンションとプリトーションは
、抜け止め兼回り止め手段である欠円状フランジ２８と
、螺子部３１を鋳ぐるみにした溶湯４２の固化したもの
（分解図面の第４図において、角形穴３５の形に鋳込ま
れた角形ブロック４４）との間に作用し、特にプリトー
ションによる回転力は、欠円状フランジ２８の切欠き２
９が突起３４により係止される一方、螺子部３１と一体
化された角形ブロック４４が角形穴３５の中で係止され
ることによって、突起３４を欠円状フランジの切欠き２
９に向って回転方向に強く押し付けることになり、シャ
フト２２とタービンホイール２７との回転方向のガタが
発生しないようになる。

したがって、軸方向に作用するブリテンションの作用と
相まって、シャフト２２とタービンホイール２７との間
には全くガタが生じることはなく、強力に一体化され、
小部分からの組立構造でありながら、あたかも一体品と
同じような頑丈さと固有振動数特性などを備えることに
なる。また、捩りを与えるために細径とした細径部（応
力部材）３０とタービンホイールの比較的大きい中心孔
３３との間の空隙４０は、断熱空間としての有益な作用
をも有し、タービンホイール２７の熱がシャフト２２へ
伝わるのを阻げるのに有効である。そのため、シャフト
２２の耐熱性は比較的に低くてもよいことになる。

溶湯４２が固化した後、突出している舌片３２の余分な
先端部は機械加工によって切り落される。また、固化し
た角形ブロック４４の盛り上り部を適度に研削したりし
て、回転体としてのバランスをとることは言うまでもな
い。

次に第５図に示した本発明の第２実施例を説明する。こ
の場合は第１実施例において採用した角形穴３５は使用
せず、代りに、タービンホイール４５の図における上端
部が、６角形等の角形端部４６となっている。そして固
定台３７の上に取付けられた状態でホッパー４７がター
ビンホイール４５の上に置かれ、その内部には砂型４８
が形成される。レンチ４３によってシャフト２２の延長
部分である細径部（応力部材）３０の先端の舌片３２に
回転力を加えることや、細径部３０を予じめ強く加熱し
て膨張させるか又は軸方向に引張り力を加えて伸長させ
た状態で、金属溶湯４２を注入することは第１実施例の
場合と同様である。

この場合は細径部（応力部材）３０の先端部りに形成さ
れた螺子部４９がタービンホイール４５の角形端部４６
の外にあるが、砂型４８によって形成された空所５０に
溶湯４２が注入されて固化すると、螺子部４９とタービ
ンホイールの角形端部４６が共に鋳ぐるみとなり、完全
に一体化される。なお、５１は溶湯の洩れ止めの円環を
示している。

第２実施例の特徴はタービンホイール４５の第５図にお
ける下端部にもある。レーザービーム溶接２５によって
シャフト２２と一体化されている継手５２は、前述の舌
片（回転力を加えるだめの手段）を有する細径部（応力
部材）３０を備えているほか、テーパ状内面５３を有す
る抜け止め手段としてのフランジ５４を有する。そして
テーパ状内面５３に嵌合するように、タービンホイール
４５の下端部にはテーバ状外面５５が形成されている。

さらに、フランジ５４に設けられた切欠き（図示しない
）には、タービンホイール４５の突起５６が係合してシ
ャフト２２とタービンホイール４５との相対回転を阻止
する回り止め手段を構成する。

細径部（応力部材）３０に引張り力が作用すると、ター
ビンホイール４５の下端のテーパ状外面５５がフランジ
５４のテーパ状内面に嵌入し、突起５６が切欠きに係合
して抜け止めと同時に回り止めされることによって、タ
ービンホイール４５の第５図における下端がシャフト２
２と一体化される。

タービンホイール４５の上端が細径部３０の螺子部４９
と溶湯４２の注入による鋳ぐるみによって結合され、ブ
リテンションとブリトーションの組合わせ応力が作用す
る細径８（応力部材）３Ｇにより、抜け止め手段と回り
止め手段にガタがないように付勢された状態で、シャフ
ト２２のフランジ部５４とタービンホイール４５の下端
が一体化されていることは第１実施例と同じである。第
２実施例の場合は特に、細径部（応力部材）３０を長く
取ることができるから、ブリテンションとブリトーショ
ンによる弾性変形の許容量を大きくとることができる。

これは、細径部３０をあまり細くしなくても軸方向及び
回転方向の必要な弾性変形量が得られるということであ
るから、安全率も径が大きいだけ大きくなる。

〔発明の効果〕

本発明により、タービンホイールとシャフトの結合部分
は、応力部材のブリテンションにより軸方向に強く押付
けられるのみならず、同じ応力部材のブリトーションに
より回転方向にも強く押し付けられるので、あたかも一
体のもののように強力な結合体となる。したがって、通
常考えられる程度の大きな外力や振動等が作用しても、
結合部分に緩みやガタ、ずれ等が生じることがない。

また、シャフトとタービンホイールを別体とし、更にそ
れらの一部をも別体として組立てることが可能となるか
ら、成形、加工が容易となり、狂いもなく精度を高める
ことができ、しかも、各部分には最適の材料を必要最少
限だけ使用することが可能となり、高性能でありながら
低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１実施例であるターボチャー
ジャのロータの全体構造を示す縦断正面図、第１図（ｂ
）はその一部の側面図、第２図は第１実施例に使用され
るシャフトの形状・構造を示す斜視図、第３図（ａ）は
第１実施例のロータを製造する工程の要部を示す一部切
断正面図、第３図（ｂ）はその一部の上面図、第４図は
第１実施例のロータを分解して示す斜視図、第５図は本
発明の第２実施例であるターボチャージャのロータの要
部と、それを製造する工程の要部を示す一部縦断正面図
、第６図は従来技術によるターボチャージャのロータの
構造を示す縦断正面図、第７図はその要部の形状・構造
を示す斜視図である。１・・・ターボチャージャのロータ、２・・・シャフト、　　　　　３・・・インペラ、４・
・・ナツト、５・・・タービンホイール（従来）、６・・・有底円穴、　　　　　７・・・大径部、８・・
・小径部、　　　　　９・・・スリット、１０・・・結
合突部、　　　　１１・・・貫通孔、１２・・・結合金
属、　　　　１３・・・頭部、２１・・・ターボチャー
ジャのロータ、２２・・・　（中空）シャフト、２３・
・・インペラ、２４・・・ブレード、２５・・・レーザービーム溶接、２６・・・継手、２７・・・タービンホイール（第１実施例）、２８・・
・欠円状フランジ、　２９・・・切欠き、３０・・・細
径部（応力部材）３１・・・螺子部、３３・・・中心孔、３５・・・角形穴、３７・・・固定台、３９・・・洩れ止め、４１・・・ホッパー４３・・・レンチ、４５・・・タービンホイール４６・・・角形端部、４８・・・砂型、５０・・・空所、５２・・・継手、５４・・・フランジ、５６・・・突起。３２・・・舌片、３４・・・突起、３６・・・ブレード、３８・・・ボルト、４０・・・空隙、４２・・・金属溶湯、４４・・・角形ブロック、（第２実施例）、４７・・・ホッパー４９・・・螺子部、５１・・・洩れ止め、５３・・・テーパ状内面、５５・・・テーパ状外面、第１図２２・・・中空シャフト２６・−・継手２７・・・タービンホイール２８・・・欠円状フランジ３０・・・細径Ｂ（応力部材）３２・・・舌片３４・・・突起３５・・・角形穴４４・・・角形ブロック第２図３０・・・細径部（応力部材）３１・・・螺子部３２・・・舌片３９・・・洩れ止め２２・・・中空シャフト２５・・・レーザービーム溶接２６・・・継手２８・・・欠円状フランジ２９・・・切欠き第４図７・・・タービンホイール８・・・欠円状フランツ９・・・切欠き０・・・細径ｆｌ！（応力部材）３１・・・螺子部３２・・・舌片３５・・・角形穴３９・・・洩れ止め第５目（応力部材）　４０・・・細径部７・・・固定台２・・・金属溶湯３・・・レンチ４・・角形ブロック５・・・タービンホイール６・−・角形端部８・・・砂型９・・・螺子部４・・・フランジ５・・・テーバ状外面

Claims

【特許請求の範囲】

１、タービンホィールと、前記タービンホィールとコン
プレッサのインペラとを連結するシャフトと、前記シャ
フトの延長部分として一体的に形成され前記タービンホ
ィールの中心孔に挿通される応力部材と、前記応力部材
の一端において前記シャフトと一体的に形成された抜け
止め手段と、同じく前記応力部材の前記一端において前
記シャフトと前記タービンホィールの一側との間に設け
られた回り止め手段とを備えており、前記応力部材の前
記一端は前記タービンホィールの前記一側に対して前記
抜け止め手段及び前記回り止め手段によって係合してい
ると共に、前記応力部材の他端は前記タービンホィール
の回転方向とは逆方向の回転力と軸方向の引張り力とを
加えられた状態で前記タービンホィールの他側に対し金
属溶湯の注入・固化によって軸方向及び回転方向のいず
れにも固定されていることを特徴とするターボチャージ
ャのロータ。