(57)【要約】【課題】チタン構成部材を有するターボ過給機を提供する。【解決手段】本発明の開示はターボ過給機を含む。ターボ過給機は、チタンアルミニドを含むタービンと、チタンを含むシャフトとを含む。単一の継手はタービンをシャフトに連結する。【選択図】図１
2006105144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ過給機であって、
チタンアルミニドを含むタービンと、
チタンを含むシャフトと、
前記タービンを前記シャフトに連結する単一の継手と
を備えるターボ過給機。
【請求項２】
単一の継手が、摩擦溶接継手、電子ビーム溶接継手またはレーザ溶接継手の少なくとも１つを含む請求項１に記載のターボ過給機。
【請求項３】
ターボ過給機を製造する方法であって、
チタンアルミニドを含むタービンを製造するステップと、
チタンを含むシャフトを製造するステップと、
単一の継手で前記タービンと前記シャフトとを接合するステップと
を含む方法。
【請求項４】
接合するステップが、摩擦溶接、電子ビーム溶接またはレーザ溶接の少なくとも１つから選択される方法によって実行される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
作業機械であって、
動力源と、
動力源に動作可能に連結された排気システムと、
排気システム内に配置されたターボ過給機であって、
チタンアルミニドを含むタービンと、
チタンを含むシャフトと、
摩擦溶接、電子ビーム溶接またはレーザ溶接の少なくとも１つでタービンを前記シャフトに連結する単一の継手と
を含むターボ過給機と
を備える作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、エンジン用のターボ過給機、より詳しくは、チタンから製作された１つ以上の構成部材を含むターボ過給機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ過給機は、追加の空気をエンジンシリンダに供給することによってエンジン動力を増大できる。圧縮機に連結された排気ガス駆動タービンを使用して、追加の空気を生成することが可能である。しかし、ターボ過給機タービンが適切な回転速度を発生する間に生じるターボ過給機ラグが問題である場合がある。ターボ過給機ラグを低減するための１つの方法は、タービンと、それに取り付けられたシャフトとを含むターボ過給機の回転部の重量を減少させることである。
【０００３】
チタンアルミニドは、ターボ過給機タービンを製造するために使用可能な軽量で強固な材料を構成する。しかし、チタンアルミニドを使用することにより、鋼で製造されることが多いターボ過給機シャフトへのタービンの接合が面倒になることがある。チタンアルミニドおよび鋼は異なる熱膨張特性を有し、またチタンアルミニドと鋼との材料界面で望ましくない相変態を引き起こす可能性がある。したがって、大きな温度変化を経験する用途、例えばターボ過給機構成部材のために使用される場合、チタンアルミニドおよび鋼は、互いに直接接合するのに不適切であることがある。
【０００４】
チタンアルミニドタービンを鋼製シャフトに接合する１つの方法は、２００１年９月１８日にグエン・ディン（Ｎｇｕｙｅｎ−Ｄｉｎｈ）に交付された（特許文献１）に開示されている。この方法は、チタンアルミニドタービンと鋼製シャフトとの間に配置される中間層材料の使用について説明している。（特許文献１）の方法では、中間層材料がチタンアルミニドタービンおよび鋼製シャフトの両方に溶接される。したがって、（特許文献１）の方法はタービンとシャフトとの間に適切な連結を提供し得るが、溶接を２回行わなければならず、また追加の材料を使用しなければならないので、製造に対して相当の時間およびコストが付加されることがある。（特許文献１）は、鋼製シャフトが、ターボ過給機ラグを増大させることがある大きな重量をターボ過給機に加えるという点で、追加の課題を提示している。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，２９１，０８６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の開示は、従来技術に存在する課題または不都合の１つ以上を克服することに向けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の開示の一形態はターボ過給機を含む。ターボ過給機は、チタンアルミニドを含むタービンと、チタンを含むシャフトとを含む。単一の継手はタービンをシャフトに連結する。
【０００８】
本発明の開示の第２の形態は、ターボ過給機を製造する方法を含む。本方法は、チタンアルミニドを含むタービンと、チタンを含むシャフトとを用意するステップを含む。本方法はまた、単一の継手でタービンをシャフトに接合するステップを含む。
【０００９】
本発明の開示の第３の形態は作業機械である。作業機械は、動力源、それに動作可能に連結された排気システム、およびターボ過給機を含む。ターボ過給機は、チタンアルミニドを含むタービンと、チタンを含むシャフトとを含む。単一の継手はタービンをシャフトに連結する。
【００１０】
本明細書に組み込まれかつその一部を構成する添付図は、本開示の模範的な実施形態を示しており、記載した説明と共に、本開示の原理を説明するために役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、動力源５と排気システム７とターボ過給機９とを含む本発明の開示の作業機械３のブロック図を示している。ターボ過給機９は、図２と図３に示したように、タービン１１とシャフト１３と単一の継手１５とを含む。ターボ過給機９は、動力源５のパワー出力を増大し得る。
【００１２】
一実施形態では、ターボ過給機タービン１１はチタンアルミニドを含むことが可能であり、またターボ過給機シャフト１３はチタンを含むことが可能である。図３に示したように、ターボ過給機タービン１１とターボ過給機シャフト１３とを単一の継手１５で動作可能に連結し得る。様々な方法で、継手１５を製造することが可能である。例えば、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、抵抗溶接、レーザ溶接、プラズマアーク溶接、電子ビーム溶接、摩擦溶接、ろう付け、半田付け、または他の任意の接合方法を使用して、継手１５を形成してもよい。一実施形態では、継手１５は、摩擦溶接継手、電子ビーム溶接継手またはレーザ溶接継手を含むことが可能である。
【００１３】
排気システム７内に、タービン１１およびシャフト１３を少なくとも部分的に配置し得る。排気システム７の排気ガスにより、タービン１１の回転を引き起こすことが可能である。タービン１１に動作可能に連結されているシャフト１３は、回転するタービンがシャフト１３にトルクを及ぼすときに同様に回転する。次に、シャフト１３は、空気を動力源５に流入させ得るパワーを圧縮機に与えることが可能である。動力源５は、流入された空気の結果として付加動力を発生させることができ得る。
【００１４】
タービン１１は様々な材料から製造できる。一実施形態では、タービン１１は、例えばチタンアルミニドを含む１つ以上の材料から製造し得る。タービン１１に含まれるチタンアルミニドは、いくつかのチタンアルミニド組成物から選択することが可能である。タービン１１に使用するために適切であり得るチタンアルミニドは、例えば、γ−ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ、Ｔｉ3Ａｌ、ＴｉＡｌ3、Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｎｂ−２ＣｒおよびＴｉ2ＡｌＮｂを含む。
【００１５】
シャフト１３も様々な材料から製造できる。一実施形態では、シャフト１３は、例えばチタンまたはチタン合金を含む１つ以上の材料から製造し得る。シャフト１３に含まれるチタンは、精製されるかまたは合金にされる多数のチタン材料から選択することが可能である。チタンは多くの形態に利用可能であるが、シャフト１３に含め得る２種類のチタン材料は、商業的に純粋なチタンおよびチタン合金である。チタン材料は、商業的に純粋なチタンおよびチタン合金の両方に適用される米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）の適切な等級によって特定することが可能である。商業的に純粋なチタン材料の例は等級１、等級２、等級３、または等級４である。商業的に純粋なこれらの材料は、９８重量％よりも大きなチタンである。
【００１６】
シャフト１３に使用可能なチタン合金は、例えば、αチタン合金、ニアαチタン合金、α−βチタン合金およびβチタン合金を含む。一実施形態では、シャフト１３はα−βチタン合金を含み得る。この合金は約９０重量％のチタン、６％重量のアルミニウム、および４重量％のバナジウムであり、またＴｉ−６Ａｌ−４ＶまたはＡＳＴＭ等級５のチタンとしても知られている。他の元素を添加または除去して、合金の機械的特性、耐食性、熱特性、または溶接性を変更してもよい。例えば、還元酸素チタン合金は、強靭性がより高い材料を生成することが可能であり、またパラジウムまたはニッケル添加物は耐食性の向上をもたらすことが可能である。
【００１７】
図４は、本発明の開示の他の実施形態を示している。本実施形態では、スリーブ１７がターボ過給機シャフト１３の少なくとも一部分を覆って位置決めされ得る。スリーブ１７は、チタンの剛性よりも大きな剛性を有する任意の材料から製造してもよい。例えば、一実施形態では、スリーブ１７は鋼を含むことが可能である。
【００１８】
スリーブ１７およびシャフト１３は共に、選択された１組の機械的特性を含み得るアセンブリ１８を形成し得る。これらの特性はスリーブ１７および／またはシャフト１３の材料特性および寸法の関数であり得る。一実施形態では、スリーブ１７がシャフト１３を覆って配置され、アセンブリ１８の剛性を向上させることが可能である。
【００１９】
スリーブ１７は、異なる種類の様々な鋼から製造してもよい。一実施形態では、例えば、米国鉄鋼協会の４１４０鋼（ＡＩＳＩ４１４０）のような中間炭素鋼を使用することが可能である。ＡＩＳＩ４１４０は、開示したスリーブに組み込み得るいくつかの形態に利用可能である。例えば、いくつかの異なる熱処理プロトコルを用いて、ＡＩＳＩ４１４０を熱処理してもよい。熱処理プロトコルを選択して、鋼の硬度、強靭性、剛性、延性、引張強度、降伏強度、被削性、または他の機械的特性を変更することが可能である。
【００２０】
一実施形態では、スリーブ１７は、１つ以上の軸受と係合するために十分に適している材料特性を有する１つ以上の軸受面セクションを含み得る。スリーブ１７は、例えば、１つ以上の軸受面セクションの硬度が向上したまたは耐摩耗性が向上したセクションを含むスリーブ１７の長さに沿って変化する材料特性を有することが可能である。スリーブ１７のセクションを選択的に処理することによってまたはスリーブ１７の長さに沿って材料組成を変更することによって、硬度または耐摩耗性の向上を行ってもよい。一実施形態では、火炎焼入れ、高周波焼入れ、レーザビーム硬化または電子ビーム硬化から選択されるプロトコルを用いて、スリーブ１７のセクションを処理し得る。一実施形態では、スリーブ１７は鋼から製造することが可能であり、また１つ以上の軸受面セクション１７における鋼の炭素含有量を増加または減少させることが可能である。
【００２１】
一実施形態では、シャフト１３は、その長さに沿って１つ以上の位置で１つ以上の軸受と係合するための軸受面セクションを含み得る。本実施形態では、シャフト１３またはその特定のセクションを処理して、１つ以上の軸受に係合するときに硬度を向上させるかまたは耐摩耗性を向上させることが可能である。他の実施形態では、スリーブ１７およびシャフト１３の両方が１つ以上の軸受面セクションを含んでもよい。
【００２２】
図５は、ターボ過給機タービン１１、ターボ過給機シャフト１３、継手１５およびスリーブ１９を含む本発明の開示の他の実施形態を示している。スリーブ１９は、第１のスリーブセクション２１、第２のスリーブセクション２３、および第３のスリーブセクション２５を有する。スリーブ１９のセクション２１、２３および２５における直径は、スリーブの長さにわたって均一であり得るか、またはスリーブ１９の近くに配置される他の構成部材の形状に従うように増大または減少させることが可能である。
【００２３】
１つ以上の軸受構成部材に合致する直径を用意するために、スリーブ１９の直径を１つ以上の軸受面セクションで増大または減少させてもよい。一実施形態では、スリーブ１９はその両端に軸受面セクションを含むことが可能であり、また軸受面セクションは、１つ以上の軸受構成部材の容積の空間を設けるために選択される直径を有することが可能である。
【００２４】
同様に、シャフト１３とスリーブ１９とを含むアセンブリ２０の重量または機械的特性を変更するために、スリーブ１９の直径を変更してもよい。例えば、図５の実施形態では、第１のスリーブセクション２１および第３のスリーブセクション２５を半径方向に配向される支持リブとして配列することが可能である。代わりに、第１のセクション２１および／または第３のセクション２５を長手方向に配向される支持リブとして配列してもよい。このようにして支持リブを設けることは、剛性および強度をスリーブ１９に用意して、所望の１組の機械的特性を付与するのに役立ち得る。セクション２１と２５はまた、スリーブ１９に対して螺旋パターンで配向することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の開示は、ラグの減少、信頼性の向上および容易な製造を提供し得る軽量のターボ過給機を提供する。このターボ過給機は、ターボ過給機を組み込んでいるすべてのエンジン型式に有用であり得る。
【００２６】
本発明の開示のターボ過給機は、チタンアルミニドを含むタービンを含み、タービンは単一の継手を介して、チタンを含むシャフトに接合される。本発明の開示のチタンシャフトは、鋼製シャフトの使用時に経験されるのと同一の接合の難しさを示さないので、単一の継手を使用して、チタンシャフトをチタンアルミニドタービンに接合することが可能である。本発明の開示の単一の継手は製造時間およびコストを低減し、また中間層材料の必要性を省略することによって信頼性を向上できる。
【００２７】
さらに、本発明の開示は、従来技術で公知の鋼製シャフトと比較してより軽量のターボ過給機シャフトを提供する。本発明の開示の他の形態は、ターボ過給機シャフトに嵌め込むスリーブである。スリーブは、シャフトとスリーブとの組み合わせの機械的特性を制御するために、シャフト材料よりも大きな剛性を有する材料から製作することが可能であり、またスリーブは、軸受構成部材との係合領域における硬度の向上および摩耗に対する抵抗性を付与することが可能である。
【００２８】
開示の範囲から逸脱することなく、開示したシステムおよび方法に様々な修正および変更をなし得ることが当業者には明白であろう。開示したシステムおよび方法の他の実施形態は、本明細書に開示した実施形態の仕様および実施を考慮すれば当業者には明白であろう。仕様および実施例は模範的なものに過ぎないと考えるべきであり、本開示の真の範囲は、特許請求の範囲およびそれらの等価物によって示されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の開示の模範的な作業機械およびターボ過給機を含む作業機械のブロック図である。
【図２】接合される前の本発明の開示の模範的なタービンおよびシャフトの概略図である。
【図３】単一の継手によって連結された後の図２の模範的なタービンおよびシャフトの概略図である。
【図４】シャフトの一部分を覆う模範的なスリーブを有する本発明の開示のタービンおよびシャフトの概略図である。
【図５】シャフトの一部分を覆う模範的なスリーブを有する本発明の開示のタービンおよびシャフトの概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
３  作業機械
５  動力源
７  排気システム
９  ターボ過給機
１１  ターボ過給機タービン
１３  ターボ過給機シャフト
１５  継手
１７  スリーブ
１８  スリーブおよびシャフトアセンブリ
１９  スリーブ
２０  スリーブおよびシャフトアセンブリ
２１  第１のスリーブセクション
２３  第２のスリーブセクション
２５  第３のスリーブセクション
【図１】
2006105144.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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