JPH05504178A - 孔なしハブコンプレツサホイールを備えるターボチヤージヤコンプレツサホイール装置 - 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】 孔なしハブコンプレッサホイールを備えるターボチャーシャコンプレツサホイー ル装置（技術分野） 本発明はターボチャージャのコンプレッサホイール等の改良およびホイール疲れ 寿命を延ばすよう設計されたコンプレッサホイール装置に関する３、特に本発明 はコンプレッサホイールがターボチャージャ等に容易に組込可能な孔なしハブタ イプの改良遠心コンプレッサホイールに関する。

（背景技術） 一般に遠心コンプレッサホイールはターボチャージャ等に使用されており、コン プレッサホイールには輪郭が流体力学的に有効な一連のインペラ羽根が包有され 、インペラ羽根は中央ホイールハブ部に支承され、ハブ部自体は共に回転可能に 回転シャフトに装着されることは当業者には周知である。

例えばターボチャージャでは、周知の如くホイールのハブ部にシャフトを貫通す る軸方向に延びる中央開口部が形成され、ネジ山付きのナツトがコンプレッサホ イールのノーズ端部においてシャフトに取り付けられシャフトの肩部に対し、あ るいはシャフトと共に回転可能な半径方向に拡大された他の構造体に対しハブ部 が堅固に保持される１１回転可能なシャフトによりコンプレッサホイールがある 方向に駆動され、羽根を介して空気が導入され、コンプレッサハウシングの渦巻 き形チャンバ内で高圧をもって半径方向外側へ放出される一圧縮空気は次にハウ シングから燃焼エンジンの空気取込マニホルドへ供給され、燃料と混合されて燃 焼されることも周知の通りである。

近年コンプレッサの技術あるいは設計の改良によりコンプレッサの自立および流 量範囲が次第に増加され、過渡応答特性がより迅速となっている。例えば、ター ボチャージャのコンプレッサホイールは周知であり、インペラ羽根は複合された 複雑な曲線を描き、最適な動作効率あるいは流量の範囲となるよう構成される。

このように複雑な羽根形状は鋳造工程によって最適に経済的に得られ、この場合 ホイールの７１１部および羽根はエンジンの過渡動作状態において比較的低い慣 性を有し、迅速にホイールを加減速できるよう選定されるアルミニウム若しくは アルミニウム合金のような軽量材料によって一体成形されることが望ましい。

一方この一般的なタイプの鋳造コンプレッサホイールは比較的疲れ寿命が短いの で、動作中疲れによる故障がホイールに生じ好ましくない。更に詳述するにコン プレッサホイールが１００．００Ｏｒｐｍ以上の速度で回転されると、鋳造アル ミニウム材料は特に最大ホイール直径のハブ部領域で半径方向に相対的高い引張 荷重を受け、コンプレッサホイールの１１１部領域は高速で回転するホイール質 量を支承する必要がある。この引張荷重のインパクトは特にコンプレッサホイー ルが比較的高速・高速サイクル環境下で、例えば最新ターボチャージャにおける 作動状態では厳しくなる、上述したように、コンプレッサホイールのハブ部領域 には正常時に回転可能にシャフトを受容する中央開口部のような大きな穴を具備 させる必要があり、中央開口部はハブ部領域において疲れ障害を引き起こす大き な応力発生源として働いてしまう、っこの疲れにより金属くず（ｄｒｏｓｓ）、 間隙、鋳造工程中に起きる含有物等の冶金的欠陥が重複して生じコンプレッサホ イールのハブ部領域に集中する問題がある。

鋳造コンプレッサホイールの改良は孔なしハブ部を設けることにより、従来のシ ャフトの開口部により生じる応力発生場所を除いたコンプレッサホイールを形成 することになる。

このようなコンプレッサホイール構成は理論的には疲れ寿命を延長し得るが、別 種の重要な構成上の問題があった。

例えば、孔なしハブ部を備えたコンプレッサホイールには通常、孔なしハブ部か ら同軸に延び回転可能なシャフトのネジ山端部に付設可能なる内部ネジ山スリー ブが包有される。。

ネジ山スリーブはホイールの最大直径に相当する平面とノーズ端部との間の軸方 向スパンに沿って遠心コンプレッサホイール内に内部開口部を持つ要のないよう 形成される９、ターボチャージャ等の軸方向の不都合な寸法の増大を避けるため 、ネジ山スリーブは回転可能なシャフトに直接付設可能にコンプレッサ１５ツタ プレート内の隣接開口部に貫通させて取り付けられ、１個あるいはそれ以上の密 封リングがバックプレートに対し気密にスリーブの周囲に支承される。一方スリ ーブの螺着を含む各種部材の組み立てまたはバックプレートの開口部内での１以 上の密封リングの取り付けが大幅に異なる。

一方、ネジ山スリーブが同一の軽量材料で形成されるコンプレッサホイールと一 体鋳造される場合、スリーブの構造的な硬度が不十分となり、密封リングの不必 要な摩耗を生じっ＼支承することになる。米国特許第４．７０５．４６３号に開 示される別の構成によれば好適な硬質な支承材料で作られた別個のスリーブが孔 なしハブホイールに溶接されるが、これは平衡上大きな問題が生じ且つ溶接熱を 受けるのでハブ部内がまた別途の新たな応力発生部となり好ましくない１゜従っ て、孔なしハブを有するコンプレッサホイールがターボチャージャシャフトに対 し容易に組立可能であり、コンプレッサバックプレー１・の開口部を貫通する流 路が密封されたターボチャージャのコンプレッサホイールの改良および孔なしハ ブタイプのホイール装置が望まれていた６１本発明によれば、これらの条件が満 足され更にこれらに関連した利点を有する。

（発明の開示） 本発明によれば、孔なしハブ部を有する遠心コンプレッサホイールを備えたター ボチャージャに使用可能なコンプレッサホイール装置が提供される。コンプレッ サホイールには一体鋳造され内部にネジ山を形成した取付スリーブが包有され、 取付スリーブは孔なし゛ハブ部から同軸に延びターボチャージャ等の回転可能な シャフトに螺合可能に設けられる１、取付スリーブおよびシャフトはスラストカ ラースペーサと組合せられ、スラストカラースペーサにはコンプレッサハックプ レートの開口部を貫通する取付スリーブの流路を密封する装置が包有される１゜ 本発明の好ましい実施例によれば、コンプレッサホイールはアルミニウム若しく は良好に選択されたアルミニウム合金材料から鋳造により作られ、孔なしハブ部 が流体力学的な輪郭の一連のインペラ羽根と組み合わせて形成され、羽根は全体 として比較的大きな直径の円形のホイールベースディスクと小さな直径のホイー ルのノーズ部との間に延びる５、取付スリーブはコンプレッサホイールと一体鋳 造され、ホイールのノーズ部と反対方向にハブ部から同軸に延びる。取付スリー ブには内部開口部が形成され、開口部は浅い平滑壁の円筒状の入口領域と入口領 域に連続するネジ山領域とにより区画される。

コンプレッサホイールはシャフト端部のネジ山連結部により回転可能なターボチ ャージャシャフトのネジ山端部において取付スリーブのネジ山領域内へ迅速かつ 容易に取り付けられ得る。この取付は構成により、シャフト上の円筒状のランド 部が取付スリーブの浅い円筒状の入口領域内へ移動され、プレス嵌めされて着座 される。スラストカラースペーサは取付スリーブの端部および回転可能なシャフ トに形成される半径方向に拡大された肩部により夫々形成される軸方向に対向し た肩部間に配設される。当業者には周知のようにスラストカラースペーサによっ て、ターボチャージャのハウジングに対しシャフトおよびコンプレッサホイール が軸方向の所望の位置に固定される。

スラストカラースペーサにはほぼ環形で軸方向に長手の密封フランジが具備され 、密封フランジは取付スリーブを中心に同心に且つ離間されてコンプレッサホイ ールへ軸方向に延びる。この密封フランジは好適な硬度に選択された支承材料で 作られコンプレッサハックプレートの開口部内に軸方向に延びる。少な（とも１ 個の密封リングが密封フラッジ内の外側で開口する溝内に受容され、開口部内で バックプレートが接触されて取付スリーブの貫通する通路が密封される。

本発明の他の特徴と利点は本発明の一実施例の構成を示す添付図面に沿う以下の 詳しい説明から明らかとなろう。

（図面の簡単な説明） 第１図は本発明の新規な特徴を具現化したコンプレッサホイール装置を含むター ボチャージャの縦断面図、第２図はほぼ第１図の円で囲んだ領域２に相当する拡 大部分縦断面図、第３図は第１図および第２図のコンプレッサ装置に使用される スラストカラースペーサの好ましい構造を示す斜視図である。

（発明を実施するための最良の形態） 第１図に１例としてのターボチャージャ１０が示されており、ターボチャージャ １０の改良されたコンプレッサホイール装置１２は穴のないハブのコンプレッサ ホイール１４を有する。コンプレッサホイール装置１２はコンプレッサホイール １４を回転可能なターボチャージャシャフト１６に迅速且つ容易に取付可能に設 けられ、ホイール連結構造体の通路を密封する改良された密封装置がコンプレッ サーバックプレート２０内の開口部１８を貫通して配設されている。

本発明の改良されたコンプレッサホイール装置１２には孔なしハブ形のコンプレ ッサホイール１４が好適に採用されており、例えば現在のターボチャージャのｙ ２境下での通常動作中のホイール回転速度範囲が大幅に改良され疲労寿命が延ば される。

この場合コンプレッサホイールＩ４の遠心コンプレッサホイールは比較的狭い小 径ノーズ部２３と大幅に直径が大きく且つほぼ円形状のベースディスク２４との 間に回転軸に沿って延びる中央ハブ２２を有している。中央ハブ２２には流体力 学的に効果的な輪郭を有するインペラ羽根２６が支承され、インペラ羽根２６は 小径ノーズ部２３とベースディスク２４との間で複雑な曲率を有して円滑に掃引 角を持つ。コンプレッサホイール１４はアルミニウム若しくは所定のアルミニウ ム合金のような比較的軽量で比較的慣性力の小さな材料を鋳造することにより形 成することが好ましい。特に第１図に示すように重要な点は小径ノーズ部２３と ベースディスク２４により形成される最大のホイール直径の平面との間で軸方向 に延びる領域内に内部間隙がないことにあり、コンプレッサホイール１８の中央 ハブ２２は孔なしにされる。当業者には周知のように、孔なしタイプのコンプレ ッサホイールを使用することによって、ターボチャージャシャフト１６の貫通に 従来の中央開口部を具備することが避けられる。この場合この中央開口部により 不都合に応力が上昇されてこの応力によりコンプレッサホイールの最大回転速度 が制限され、特に迅速速度サイクルの環境下でホイール疲れ寿命が短くなること が避けられ得る。これは例えば米国特許第４．７０５．４６３号に開示される。

本発明によれば孔なしタイプのハブホイール１４は容易に製造可能であり、比較 的簡単に平衡が取れ且つ高速回転可能に構成され、更に比較的容易にコンパクト なターボチャージャハウジング内にコンプレッサバックプレートを貫通させる部 材通路を効果的に密封して取り付は可能にさせる。

図示のコンプレッサホイール装置１２はほぼ周知の構成と動作のターボチャージ ヤｌＯ内に設けられる。簡単に説明するに特に第１図に示す如く、ターボチャー ジャ１０のタービンホイール２７はエンジン（図示せず）からの排気ガスの１通 路と適合するタービンハウジング２８内に装着される。排気ガスによりタービン ホイール２７が回動され、これに応じていわゆる中央ハウジング３２内の好適な ベアリング３０に支承されたターボチャージャシャフト１６が回転される。中央 ハウジング３２の潤滑油ボート３４およびこれに関連する流路により潤滑油がヘ アリング３０へ循環され、このような潤滑油流路およびヘアリング構成によって 比較的高速にシャフトが回転できる。ターボチャージャシャフト１６自体はコン プレッサホイール１４に連結され、これによりコンプレッサハウジング３６内の コンプレッサホイールが回動される。この回転中、コンプレッサホイール１４に より軸方向吸気部３８を介して外気が導入され、渦室４０内に半径方向に高圧を もって放出される。この圧縮空気はコンプレッサハウシング３６から燃焼エンジ ンの吸気マニホルド等へ送られ燃料と混合されて燃焼される。圧縮空気がエンジ ンに与えられることにより、エンジンの流量が大幅に増加され、これに応じてエ ンジン動作が高性能レベルで行われることになる。

第２図に示すように、孔なしタイプのハブコンプレッサホイール１４の取付スリ ーブ４２はターボチャージャシャフト１６のこれと隣接する端部に螺着可能であ る１、取付スリーブ４２にはコン７Ｌ／ツサホイール１４が一体に鋳造形成され て、コンプレッサホイール１４および取付スリーブ４２は同一の材料で作られ、 回転ホイール軸に対し大幅に且つ正確に平衡をとって取り付けられる。以下に詳 しく説明するが、中央開口部４４は取付スリーブ４２内に形成され、ターボチャ ージャシャフト１６の端部を受容する。−５本発明の重要な実施態様によれば中 央開口部４４の終端部かベースディスク２４の最大ホイール直径の平面に対し軸 方向に離間れている３、従ってコンプレッサホイールは孔なしハブを有し、取付 スリーブは小径ノーズ部２３と反対方向にベースディスク２４から同軸方向に延 びている。

取付スリーブ４２の中央開口部４４は特にターボチャージャシャフトをコンプレ ッサホイールに対し比較的正確に且つ同軸に付設可能に構成される。更に詳述す るに第２図に示す如く中央開口部４４は浅くて平滑な入口領域４６と、入口領域 ４６と連結され内部に雌ネジを形成した内側ネジ山領域４８とにより区画される 。これらの雌ネジを形成し入口領域４６を正確に寸法法めすることはホイール鋳 造後好適に機械加工することによって行うことが好ましい８、更に好ましい実施 例によれば内側ネジ山領域４８にターボチャージャシャ７Ｆ１６に確実に同軸に 付設するため少なくとも６個のネジ山を有する構成が取られる。

ターボチャージャシャフトＩ６の端部のネジ山部５２上には取付スリーブ４２内 において雌ネジに対し螺合する雄ネジが形成される。重要な点はネジ山部５２が 円筒形のラント部５４に隣接して形成され、ランド部５４の直径が取付スリーブ の平滑壁の入口領域４６内にプレス族め可能な寸法にされることにある。

ランド部５４の直径寸法およびこれに関連するスリーブ入口頭域４６はシャフト ネジ山の最大直径より少なくともオ）ずかに大にされ、シャフトのネジ山部５２ が容易に中央開口部４４内に導入されスリーブネジ山と螺合される。

コンプレッサホイール１４のターボチャージャシャフト１６に対する軸方向の正 確位置は好適なヘアリング材料等で作られたスラストカラースペーサ５６により 調整される。特に第２図および第３図に示す如く、このスラストカラースペーサ ５６には、軸方向に正確なスパンを有する環形カラーセグメント５８とラント部 ５４を近接摺動受容する内側開口部６０とが包有される。環形カラーセグメント ５８は夫々取付スリーブ４２の端部におよびターボチャージヤシャフト１６の半 径方向に拡大された半径方向拡大部６６に形成された軸方向に対向する一対の肩 部６２．６４間に配設される。従って取付スリーブ４２がターボチャージャシャ フト１６に螺合される場合、ラント部５４は入口領域４６にプレス族めされる。

一方取付スリーブ４２のターボチャージャシャフト１６上での螺合の進行はスラ ストカラースペーサ５６のカラーセグメントがこれと対向する肩部６２．６４間 を軸方向に堅固着座されるまで継続せしめられる。二のスラストカラースペーサ ５６には周知のスラストへアリング７０を受容する半径方向外側に開口した環形 溝６８が具備され、スラストヘアリング７０は通常時には回転可能な部材を軸方 向に設置し保持するため中央ハウシンク３２とコンプレッサーバックプレート２ ０との間を軸方向に保持される。

第２図に示すようにスラストへアリング７０によってコンプレッサホイール１４ が配置され、取付スリーブ４２はバックプレートの開口部Ｉ８的に突出される。

この場合本発明の更に別の実施例態様によればスラストカラースペーサ５６に軸 方向に延び、はぼ環形の環形密封フランジ７２がスペーサの一部として形成され 、環形密封フランジ７２は取付スリーブ４２と開口部１８のバックプレートの一 部との間をほぼ同心に離間されてバックプレートの開口部１８内に延びるよう構 成される。少なくとも１個で半径方向外側に開口する？、７４は環形密封フラン ジ７２の外側端部近傍に形成され、標準的な密封リング７６を受容してコンプレ ッサーバックプレート２０に対し密封して密封リンク７６を受容する。従って潤 滑油の中央ハウジング３２内のバックプレートの開口部１８を経る漏れは環形密 封フランジ７２および標準密封リング７６により実質的に防止される６、バック プレートの開口部１８へ流れる傾向にある潤滑油はスラストカラースペーサの一 部として形成され、開口部を有したスリンジャリング７８により半径方向外側へ と好適に移動される。

ここに説明する各種の部材は面倒な手勤行程若しくは近接可視検査の必要なく製 造中に迅速に組立可能に設計されることが好ましい。更に詳述するにターボチャ ージャ１０は通常タービンハウジング２８から上方に突出するターボチャージャ シャフト１６に対し、て一部組み立て、タービンハウシング２８は支承固定装置 （図示せず）に好適に保持される。ターホチャージャシャフト１６はその上に設 置されたコンプレッサーバックプレート２０を僅かに貫通して突出し、スラスト カラースペーサ５６はシャフトの肩部６４と当接してターホチャーシャンヤフト １６を中心に前取て着座される。環形密封フランジ７２をバックプレートの開口 部１８を突出させコンプレッサーバックプレート２０を中央ハウジング３２上に 配置することは、開口部１８をライニングするように延びる環形リップ部８２の 先端縁部に形成される傾斜部８０により容易にされる。次にコンプレッサホイー ル１４は環形密封フランジ７２内のターボチャージャシャフト１６に取付スリー ブ４２を螺入することによって迅速且つ容易に設置可能である。環形密封フラン ジ７２の外側縁部は好適に湾曲あるいは傾斜付けされているので、取付スリーブ の肩部対し顕著に引かれるので部材が正確に確実に嵌められ得る。

スリーブとシャフトのネジ山の方向はターボチャージャの動作中自然に締ま得る よう設定されることか好ましい。

本発明のコンプレッサホイール装置の各種の設計変更若しくは改良は当業者には 明らかであろう。従って本発明は上述の説明あるいは添付図面に示す実施例に限 定されず添付のクレームのみに限定される。

鵠　へ へ 箇 ｓｏ　Ｘ！３ 寸　Ｏ ｈ　１へ＾ 一 国際調査報告 ＰＣＴ／［ＪＳ　９０１０２５２４

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．バツクプレート開口部を形成するコンプレッサバックプレートと、ネジ山端 部を有する回転可能なシヤフトと、遠心コンプレツサホイールと、スラストカラ ースペーサと、少なくとも１個の密封リングとを備え、コンプレツサホイールは 一連のインベラ羽根を支承する孔なしハブとハブと一体形成されハブから同軸に 延びる取付スリーブとを有し、取付スリーブには内部ネジ山を有する開口部が具 備され、取付スリーブはバックプレート開口部内へと延び、取付スリーブ開口部 内のネジ山端部はシヤフト端部のネジ山部と螺合され、取付スリーブおよびシヤ フトにはそれぞれシヤフト端部が取付スリーブ開口部内に螺合されるとき軸方向 に対向する第１および第２の肩部が形成され、スラストカラースペーサのカラー セグメントは第１および第２の肩部間に軸方向に配置され、シヤフト端部が取付 スリーブの開口部に螺入されると第１および第２の肩部と当接してコンプレツサ ホイールがシヤフトに対し軸方向に配置され、スラストカラースペーサには更に 環形の密封フランジが包有され、密封フランジはバツクプレートの開口部内で取 付スリーブとバツクプレートとの間で実質的に同心に離間されてバツクプレート 開口部内に軸方向に延び、密封リングは密封フランジとバツクプレートとの間で 実質的に密封して密封フランジに支承されてなるコンプレツサホイール装置。
2. ２．コンプレツサホイールが比較的低い慣性材料で鋳造されて作られてなる請求 項１記載のコンプレツサホイール装置。
3. ３．比較的低い慣性材料がアルミニウム材料でなる請求項２記載のコンプレツサ ホイール装置。
4. ４．シヤフトにはほぼ円筒状のランド部が形成され、ランド部はネジ山端部と第 ２の肩部との間に軸方向に配置され、ランド部の直径サイズは第２の肩部の直径 サイズより小さく、取付スリーブに形成される内部口径部は浅くほぼ平滑な壁か らなる入口領域と雌ネジ山が形成され入口領域と連続される雌ネジ山領域とを有 し、入口領域の直径サイズはカラーセグメントが第１および第２の肩部と当接す るときシヤフトのランド部の少なくとも一部を相対的に密接摺動受容可能に設定 されてなる請求項１記載のコンプレッサホイール装置。
5. ５．第１の肩部はハブと対向して配設される取付スリーブの軸方向端部に形成さ れてなる請求項４記載のコンプレツサホイール装置。
6. ６．ハブは一方の軸方向端部において直径方向に拡大されたベースディスクとこ れと対向する軸方向端部において直径の小さなノーズ部との間を軸方向に延びて なる請求項１記載のコンプレツサホイール装置。
7. ７．密封フランジがスラストカラースペーサのカラーセグメントと一体形成され てなる請求項１記載のコンプレツサホイール装置。
8. ８．バツクプレートには一方の軸方向側部で開口するバツクプレートを囲続し、 バツクプレートの開口部内に密封フランジを容易に受容可能にする傾斜された縁 部が形成されてなる請求項１記載のコンプレツサホイール装置。
9. ９．密封フランジにはカラーセグメントと対向する軸方向端部に配設され、密封 フランジ内に取付スリーブを容易に受容可能にする傾斜された環形縁部が形成さ れてなる請求項１記載のコンプレツサホイール装置。