JPH06173602A - セラミック製回転体と金属製回転体との接合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミック製回転体の連結軸部と金属製回転
体の連結穴とが嵌合する嵌合部における応力を小に抑え
つつ嵌合力を十分に確保するとともに、シールリング溝
の深さを大とする。 【構成】 金属製回転体２１の軸端部２３に、セラミッ
ク製回転体２７の連結軸部２８が嵌合される連結穴２６
を形成し、金属製回転体２１の軸端部２３の外周に、半
径方向外方に膨出しシールリング溝３３を有する保持部
３２を設け、保持部３２と金属製回転体２１の軸端部２
３との間に、少なくとも連結軸部２８と連結穴２６との
嵌合範囲で周方向に延びる間隙Ｓを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミック製回転体と
金属製回転体との接合構造に関し、とくに嵌合部におけ
る十分な嵌合力および深いシールリング溝を得ることが
可能な接合構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両に搭載されるターボチャージャで
は、急加速時のレスポンスを向上させるため、ロータを
軽量化することが要求されている。ロータを軽量化する
手段の一つとして、タービンをセラミックから構成する
技術が知られている。

【０００３】タービンロータをセラミックで構成した場
合は、コンプレッサ側から延びる金属軸とセラミックか
らなるタービンロータとを確実に接合することが必要と
なる。これに関連する先行技術として、たとえば特開昭
６１−１６２０４号公報、特開昭６２−７８１７２号公
報、特開平３−６５８０２号公報が知られている。

【０００４】図４は、従来のターボチャージャにおける
金属シャフトとセラミックからなるタービンロータとの
接合の一例を示している。図４において、１は金属シャ
フトを示しており、２は金属シャフト１の端部に取付け
られた接合リングを示している。接合リング２は、金属
部材からなり金属シャフト１と溶接によって接合されて
いる。接合リング２には、連結穴３が形成されている。
連結穴３には、セラミックからなるタービンロータ４の
連結軸部５が焼嵌めにより嵌合されている。

【０００５】連結穴３と連結軸部５の嵌合部１０は、金
属シャフト１の注入穴６および接合リングの注入穴７を
介して充填されたロー材によってロー付されている。接
合リング２の外周面には、周方向に延びるシールリング
溝８が形成されている。シールリング溝８には、図示さ
れないシールリングが装着されるようになっている。

【０００６】連結穴３と連結軸部５の嵌合部１０におけ
る嵌合力は、嵌め合い代を同一に設定しても、接合リン
グ２の肉厚大小によって変化する。たとえば接合リング
２の外径を一定とした場合、嵌合部１０の径を大に変化
させると、接合リング２の肉厚が薄くなる分だけ接合リ
ング２が変形しやすくなり、嵌合力が小となる。また、
この状態では接合リング２の変形量が大となるので、接
合リング２に生じる応力は大となる。

【０００７】逆に嵌合部１０の径を小に変化させると、
接合リング２の肉厚が厚くなる分だけ接合リング２が変
形しにくくなり、嵌合力が大となる。この状態では接合
リング２の変形量が小さいので接合リング２に生じる応
力は小となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように接合リング２の肉厚を増加させて嵌合部１０にお
ける嵌合力を高める場合は、セラミックからなるタービ
ンロータ４の連結軸部５に作用する面圧が著しく高くな
り、連結軸部５に発生する引張り応力が高くなってター
ビンロータ４が割れてしまうという問題がある。また、
接合リング２の肉厚を減少させて嵌合部１０における嵌
合力を小さくした場合でも、接合リング２に生じる応力
は高くなるので、この応力によって接合リング２に亀裂
が生じるという問題がある。

【０００９】一方、ガスタービンエンジンの場合は、ガ
ス圧がガス温度が高くなることから、接合リング２のシ
ールリング溝８に装着されるシールリングを大きくした
いという要求があるが、大きなシールリングを装着する
ためにはシールリング溝８の深さを大にしなければなら
ない。シールリング溝８の深さを大にするには、接合リ
ング２の肉厚を大にしなければならず、結果的にタービ
ンロータ４の連結軸部５に生じる引張り応力が高くな
り、上述と同様の問題が生じる。

【００１０】本発明は、上記の問題に着目し、セラミッ
ク製回転体の連結軸部と金属製回転体の連結穴とが嵌合
する嵌合部における応力を小に抑えつつ嵌合力を十分に
確保するとともに、シールリング溝の深さを大とするこ
とが可能な接合構造を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係るセラミック製回転体と金属製回転との接
合構造は、金属製回転体の軸端部に、セラミック製回転
体の連結軸部が嵌合される連結穴を形成し、該金属製回
転体の軸端部の外周に、半径方向外方に膨出しシールリ
ング溝を有する保持部を設け、該保持部と金属製回転体
の軸端部との間に、少なくとも前記連結軸部と連結穴と
の嵌合範囲で周方向に延びる間隙を設けたものから成
る。

【００１２】

【作用】このように構成されたセラミック製回転体と金
属製回転体との接合構造においては、シールリング溝を
有する保持部と金属製回転体の軸端部との間に、少なく
とも連結軸部と連結穴との嵌合範囲で周方向に延びる間
隙が設けられているので、連結穴と連結軸部との嵌合部
における嵌合力は、保持部の外径の大小に無関係とな
る。

【００１３】したがって、セラミック製回転体の連結軸
部が嵌合される金属製回転体の軸端部の肉厚は、シール
リング溝の深さを全く考慮することなく設定できること
になり、連結穴と連結軸部の嵌合部における嵌合力を十
分に確保することが可能となる。また、保持部の径を大
にしても連結穴と連結軸の嵌合力に影響はないので、保
持部の径を大きくする分だけシールリング溝の深さを大
にすることができる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明に係るセラミック製回転体と
金属製回転体との接合構造の望ましい実施例を、図面を
参照して説明する。

【００１５】図１は、本発明の第１実施例を示してお
り、とくに自動車のエンジンに搭載されるターボチャー
ジャに適用した場合について説明する。図１において、
２１は金属製回転体としての金属シャフトを示してい
る。金属シャフト２１は、図示されない軸受を介してハ
ウジングに回転自在に支持されている。金属シャフト２
１の一方には、図示されない金属製のコンプレッサ（翼
車）が接続されている。

【００１６】金属シャフト２１は、シャフト本体２２と
軸端部としての接合リング２３とから構成されている。
シャフト本体２２と接合リング２３は、共に金属部材か
ら構成されている。シャフト本体２２の端部には、嵌合
穴２４が形成されている。接合リング２３の一方には、
嵌合突起２５が形成されている。シャフト本体２２と接
合リング２３は、嵌合突起２５が嵌合穴２４に嵌合され
た状態で溶接によって接合されている。

【００１７】接合リング２３の嵌合突起２５と反対側に
は、連結穴２６が形成されている。接合リング２３に
は、セラミック製回転体としてのタービンロータ２７が
接合されている。タービンロータ２７は、セラミックか
ら構成されており、一方に軸方向に突出する連結軸部２
８が形成されている。タービンロータ２７の連結軸部２
８は、接合リング２３の連結穴２６に焼嵌めにより嵌合
されている。

【００１８】シャフト本体２２の端部には、嵌合穴２４
と連通する注入口２９が形成されている。接合リング２
３には、一方が嵌合穴２４に開口し、他方が連結穴２６
に開口する貫通穴３０が形成されている。連結軸部２８
と連結穴２６の嵌合部は、注入口２９を介して貫通穴３
０へ充填されたロー材（図示略）によってロー付けされ
ている。

【００１９】ここで、接合リング２３の外径はＤ₁ に設
定されており、連結軸部２８の外径はＤ₂ に設定されて
いる。したがって、接合リング２３の連結軸部２８が嵌
合される部位の肉厚Ｔは、Ｔ＝Ｄ₁ −Ｄ₂ となる。接合
リング２３の肉厚Ｔは、連結軸部２８との嵌合力が十分
でかつ応力が著しく高くならない値に設定されている。

【００２０】接合リング２３の外周面には、半径方向外
方に膨出する保持部３２が固定されている。保持部３２
は金属部材から構成され、たとえば接合リング２３と溶
接によって接合されている。保持部３２と接合リング２
３との間には、連結軸部２８と連結穴２６との嵌合範囲
で周方向に延びる間隙Ｓが設けられている。このよう
に、保持部３２は片方のみで支持される片持ち構造にな
っている。

【００２１】保持部３２には、周方向に延びるシールリ
ング溝３３が形成されている。シールリング溝３３に
は、図示されないシールリングが装着されるようになっ
ている。保持部３２の外径は、Ｄ₃ に設定されている。
シールリング溝３３の深さは、Ｈに設定されている。保
持部３２の外径Ｄ₃ は大に設定されており、これによっ
てシールリング溝３３の深さＨを大にすることが可能と
なっている。

【００２２】つぎに、第１実施例における作用について
説明する。セラミックターボロータの組付けにおいて
は、シャフト本体２２と接合リング２３がたとえば溶接
によって接合される。つぎに、接合リング２３の外周面
に、保持部３２がたとえば溶接によって取付けられる。
これによって、保持部３２と接合リング２３との間に
は、周方向に延びる隙間Ｓが形成される。

【００２３】保持部３２が取付けられると、接合リング
２３の連結穴２６には、セラミックからなるタービンロ
ータ２７の連結軸部２８に焼嵌め（圧入）される。この
場合、保持部３２と接合リング２３との間には隙間Ｓが
設けられているので、接合リング２３の嵌合部分は焼嵌
めによって半径方向外方に何ら拘束されることなく弾性
変形することが可能となる。したがって、保持部３２の
外径Ｄ₃ が大に設定されていても、嵌合部３１の面圧が
過大になることは回避される。

【００２４】また、接合リング２３における嵌合部３１
の肉厚Ｔは、接合リング２３の外径Ｄ₁ が一定であって
も連結軸部２８の外径Ｄ₂ を変化させることにより任意
に設定できるので、連結穴２６と連結軸部２８との嵌合
力を十分に高めることができる。このように、嵌合部３
１における嵌合力および応力は、外径Ｄ₁ と外径Ｄ₂と
の比率によって決定される。

【００２５】保持部３２の外径Ｄ₃ は、嵌合部３１の嵌
合力および応力と無関係になるので、保持部３２の外径
Ｄ₃ を大に設定することができ、その分だけシールリン
グ溝３３の深さＨを大とすることが可能となる。

【００２６】第２実施例 図２は、本発明の第２実施例を示している。第２実施例
が第１実施例と異なるところは、金属製回転体の端部の
構成のみであり、その他の部分は第１実施例に準じるの
で、準じる部分に第１実施例と同一の符号を付すことに
より、準じる部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明
する。後述する他の実施例も同様とする。

【００２７】第１実施例では、金属シャフト２１の端部
は接合リング２３に形成されていたが、本実施例では接
合リング２３とシャフト本体２２とが一体化されてい
る。金属シャフト２１の軸端部２１ａには、セラミック
からなるタービンロータ２７の連結軸部２８が嵌合され
る連結穴２６が形成されている。金属シャフト２１の外
周面には、注入口２９が穿設されている。注入口２９
は、貫通穴３０を介して連結穴２６の底面部に開口して
いる。

【００２８】このように構成された第２実施例において
は、第１実施例のような接合リング２３が不要になるの
で、金属シャフト２１の構成が簡素化される。

【００２９】第３実施例 図３は、本発明の第３実施例を示している。本実施例で
は、シールリング溝３３を有する保持部３２が金属シャ
フト２１と一体化されている。保持部３２と金属シャフ
ト２１の軸端部２１ａとの間に位置する間隙Ｓは、機械
加工によって形成されている。このように構成された第
３実施例においては、第２実施例のように接合リング２
３が不要となり、かつ金属シャフト２１に対して保持部
３２を接合する必要がなくなる。その他の作用は、第１
実施例に準じる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、つぎの効果が得られ
る。

【００３１】（１）金属製回転体の軸端部に、セラミッ
ク製回転体の軸端部に、セラミック製回転体の連結軸部
が嵌合される連結穴を形成し、金属製回転体の軸端部の
外周に、半径方向外方に膨出しシールリング溝を有する
保持部を設け、この保持部と金属製回転体の軸端部との
間に、少なくとも連結軸部と連結穴との嵌合範囲で周方
向に延びる間隙を設けたので、連結穴への連結軸部への
嵌合時には、金属製回転体の軸端部の嵌合部分を半径方
向外方に何ら拘束されることなく弾性変形させることが
できる。

【００３２】したがって、保持部の外径を大にした場合
でも、嵌合部におけるセラミック製回転体の連結軸部の
面圧が過大になることは回避される。その結果、連結軸
部に生じる引張り応力を小に抑えることができ、引張り
応力に起因するセラミック製回転体の割れが防止するこ
とができる。

【００３３】（２）金属製回転体の軸端部における嵌合
部の肉厚は、セラミック製回転体の連結軸部の外径を変
化させることにより任意に設定できるので、この嵌合部
の肉厚を適宜設定することにより、連結軸部に作用する
応力を低く抑えつつ、連結穴と連結軸部との嵌合力を高
めることができる。

【００３４】（３）保持部の外径は、連結穴と連結軸部
の嵌合力と無関係になるので、保持部の外径を大に設定
することができ、保持部のシールリング溝の深さを大と
することが可能となる。したがって、ガス圧やガス温度
が高くなるガスタービンエンジンにも適用することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るセラミック製回転体
と金属製回転体との接合構造の要部拡大断面図である。

【図２】本発明の第２実施例に係るセラミック製回転体
と金属製回転体との接合構造の要部拡大断面図である。

【図３】本発明の第３実施例に係るセラミック製回転体
と金属製回転体との接合構造の要部拡大断面図である。

【図４】従来のターボチャージャにおける金属シャフト
とセラミック製タービンロータと接合部の要部拡大断面
図である。

【符号の説明】

２１ 金属製回転体としての金属シャフト ２３ 軸端部としての接合リング ２６ 連結穴 ２７ セラミック製回転体としてのタービンロータ ２８ 連結軸部 ３１ 嵌合部 ３２ 保持部 ３３ シールリング溝 Ｔ 連結軸部における嵌合部の肉厚 Ｓ 間隙

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製回転体の軸端部に、セラミック製
   回転体の連結軸部が嵌合される連結穴を形成し、該金属
   製回転体の軸端部の外周に、半径方向外方に膨出しシー
   ルリング溝を有する保持部を設け、該保持部と金属製回
   転体の軸端部との間に、少なくとも前記連結軸部と連結
   穴との嵌合範囲で周方向に延びる間隙を設けたことを特
   徴とするセラミック製回転体と金属製回転体との接合構
   造。