(57)【要約】【課題】焼き嵌めによってタービンシャフトに組み付けられるコンプレッサインペラをタービンシャフトに安定的に着座させることを可能にしたターボチャージャを提供する。【解決手段】焼き嵌めによってタービンシャフト４１に組み付けられるコンプレッサインペラ３１の貫通孔３２の内径寸法は、タービンホイール側の端部の内径寸法Ｓ１が最も小さく設定されている。これにより、コンプレッサインペラ３１の焼き嵌め時には、コンプレッサインペラ３１の冷却に伴って、そのタービンホイール側の端部とタービンシャフト４１の外面との間が、高い面圧で嵌め合わされることになる。このため、その後の熱収縮におけるコンプレッサインペラ３１の中心線に沿う方向の熱収縮方向はタービンホイール側の端部に向かう方向となり、コンプレッサインペラ３１の端面３６がタービンシャフト４１に装着されたカラー４５に当接する着座位置から移動することがない。【選択図】図２
2017101641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンホイールと、コンプレッサインペラと、このコンプレッサインペラに形成された貫通孔に挿入されることで、このコンプレッサインペラが一体的に組み付けられたタービンシャフトとを備えたターボチャージャにおいて、
前記コンプレッサインペラの前記貫通孔の内径寸法は、前記タービンホイール側の端部の内径寸法が最も小さく、その他の部分の内径寸法が、このタービンホイール側の端部の内径寸法よりも大きく設定されていることを特徴とするターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車用エンジン等に搭載されるターボチャージャに係る。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に開示されているように、ターボチャージャにあっては、タービンホイールと一体的に設けられたタービンシャフトの一端部にコンプレッサインペラが取り付けられている。このコンプレッサインペラの取り付け作業としては、コンプレッサインペラの中心部に形成された貫通孔にタービンシャフトの一端部を挿入する。この際、タービンシャフトに装着したカラーに、コンプレッサインペラの端面（タービンホイール側の端面）を当接（着座）させておく。そして、タービンシャフトの先端に形成された雄ネジ部にナットを装着することにより、コンプレッサインペラをタービンシャフトから抜け止めした状態で固定する。
【０００３】
また、特許文献１では、焼き嵌め（温嵌め）によって、タービンシャフトの一端部にコンプレッサインペラを組み付けることも開示されている。このような焼き嵌めによってコンプレッサインペラを組み付けた場合には、ターボチャージャの作動時においてコンプレッサインペラの芯ズレ（タービンシャフトとの間での芯ズレ）や位相ズレ（タービンシャフトとの間での回転方向での位相ズレ）が生じ難くなり、振動や騒音の低減が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−９６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したようにタービンシャフトの一端部にコンプレッサインペラを焼き嵌めによって組み付ける場合、一般的には、タービンシャフトにおいてコンプレッサインペラが組み付けられる部分の外径寸法がその軸芯に沿う方向の全体に亘って均一寸法となっている。また、コンプレッサインペラの貫通孔の内径寸法もその中心線に沿う方向の全体に亘って均一寸法となっている。
【０００６】
前記焼き嵌めによってコンプレッサインペラの貫通孔にタービンシャフトを挿入した後、コンプレッサインペラが冷却される際、熱収縮に起因して、このコンプレッサインペラの中心線に沿う方向の長さ寸法が僅かに短くなる。前述したように、前記嵌め合い部分でのタービンシャフトの外径寸法およびコンプレッサインペラの貫通孔の内径寸法はそれぞれ均一であるため、この冷却時には、コンプレッサインペラの全体が中心線に沿う方向で均一に収縮することになる。
【０００７】
この際、コンプレッサインペラの端面（タービンホイール側の端面）が、タービンシャフトに装着したカラーから後退し、これらの間に僅かな隙間（中心線に沿う方向の隙間）が生じた状態で、コンプレッサインペラが嵌め合わされることになる。この隙間は、前記ナットをタービンシャフトの先端に装着した状態にあっても残ることがある。
【０００８】
このようにコンプレッサインペラの端面とタービンシャフトのカラーとの間に隙間が生じた状態で、ターボチャージャの作動に伴ってコンプレッサインペラがタービンシャフトとともに高速回転すると、遠心力の作用によって、コンプレッサインペラの貫通孔の内径寸法が大きくなり、この貫通孔の内周面とタービンシャフトの外周面との間の面圧が低くなる。そして、前記隙間が生じていることに起因し、コンプレッサインペラがタービンシャフトに対してその中心線に沿う方向に位置ズレを生じる可能性があり、コンプレッサインペラの回転が不安定になるなどの不具合を招く虞があった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、焼き嵌めによってタービンシャフトに組み付けられるコンプレッサインペラをタービンシャフトに安定的に着座させることを可能にしたターボチャージャを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、タービンホイールと、コンプレッサインペラと、このコンプレッサインペラに形成された貫通孔に挿入されることで、このコンプレッサインペラが一体的に組み付けられたタービンシャフトとを備えたターボチャージャを前提とする。このターボチャージャに対し、前記コンプレッサインペラの前記貫通孔の内径寸法としては、前記タービンホイール側の端部の内径寸法を最も小さくし、その他の部分の内径寸法を、このタービンホイール側の端部の内径寸法よりも大きく設定している。
【００１１】
タービンシャフトにコンプレッサインペラを焼き嵌めによって組み付ける場合、コンプレッサインペラの貫通孔にタービンシャフトを挿入した後、コンプレッサインペラが冷却される際には、コンプレッサインペラの貫通孔の内径が小さくなるように熱収縮する。そして、コンプレッサインペラの貫通孔の内径寸法はタービンホイール側の端部の内径寸法が最も小さく設定されているので、熱収縮の際には、先ず、このタービンホイール側の端部とタービンシャフトの外面との間が高い面圧で嵌め合わされることになる。その他の部分は、未だ面圧が低いため、この部分では、コンプレッサインペラの貫通孔の内面とタービンシャフトの外面との間での相対移動（滑り）が許容された状態にある。このため、タービンホイール側の端部とタービンシャフトの外面との間での相対移動は不能となっており、その後の熱収縮におけるコンプレッサインペラの中心線に沿う熱収縮方向は、前記タービンホイール側の端部に向かう方向となる。従って、コンプレッサインペラの端面（タービンホイール側の端面）がタービンシャフトに対する着座位置（例えばタービンシャフトに装着されたカラーに当接する着座位置）から移動（カラーから後退）してしまうことがない。このため、コンプレッサインペラの組み付けが完了した状態では、コンプレッサインペラの端面がタービンシャフトに良好に着座した状態として得られる。従って、ターボチャージャの作動に伴ってコンプレッサインペラがタービンシャフトとともに高速回転した場合であっても、コンプレッサインペラがタービンシャフトに対してその中心線に沿う方向に位置ズレすることがなくなり、コンプレッサインペラを安定して回転させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、ターボチャージャのコンプレッサインペラに形成されている貫通孔の内径寸法としてタービンホイール側の端部の内径寸法を最も小さく設定している。これにより、焼き嵌め時に熱収縮が生じてもコンプレッサインペラの端面をタービンホイール側に良好に着座させておくことができる。その結果、ターボチャージャの作動時に、コンプレッサインペラがタービンシャフトに対してその中心線に沿う方向に位置ズレすることがなくなって、コンプレッサインペラを安定して回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係るターボチャージャの断面図である。
【図２】コンプレッサインペラの着座部分を拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用エンジンに搭載されたターボチャージャに本発明を適用した場合について説明する。
【００１５】
−ターボチャージャの全体構成−
図１は、本実施形態に係るターボチャージャ１の断面図である。このターボチャージャ１は、図示しないエンジンの排気ガスのエネルギを利用して吸気を過給する過給機である。
【００１６】
ターボチャージャ１には、エンジンの排気管に連結されたタービンハウジング２、および、エンジンの吸気管に連結されたコンプレッサハウジング３が設けられている。タービンハウジング２の内部にはタービンホイール２１が収容されており、このタービンホイール２１が排気ガスの流れを受けて回転する。
【００１７】
コンプレッサハウジング３の内部にはコンプレッサインペラ３１が収納されている。このコンプレッサインペラ３１は、その中心部に貫通孔３２が形成されており、この貫通孔３２にタービンシャフト４１の一端側が挿通されている。このタービンシャフト４１において、コンプレッサインペラ３１が嵌め合わされる部分の外径寸法は、その軸芯に沿う方向の全体に亘って均一寸法となっている。コンプレッサインペラ３１は、後述するようにタービンシャフト４１に焼き嵌め（温嵌め）によって組み付けられている。また、タービンシャフト４１には、このタービンシャフト４１上でのコンプレッサインペラ３１の位置を決めるためのカラー４５が装着されている。つまり、コンプレッサインペラ３１がタービンシャフト４１に組み付けられた状態では、このコンプレッサインペラ３１におけるタービンホイール２１側の端面がカラー４５に当接（着座）されることで、タービンシャフト４１上でのコンプレッサインペラ３１の位置が決定される。また、このタービンシャフト４１の一端に形成された雌ネジにはナット５が装着され、これにより、コンプレッサインペラ３１は、タービンシャフト４１から抜け止めされた状態でタービンシャフト４１に固定されている。
【００１８】
一方、タービンシャフト４１の他端には溶接などによってタービンホイール２１が固定されており、このタービンホイール２１が回転するとコンプレッサインペラ３１も回転して、吸気を圧縮しながら送り出す過給動作を行うようになっている。
【００１９】
即ち、タービンハウジング２には、タービンホイール２１の収容室２２の外周を囲んで排気ガスの導入路２３（スクロール通路２３）が形成されており、排気通路からの排気ガスの流れをタービンホイール２１に向けて導入する。この排気ガスの流れを受けてタービンホイール２１が回転し、そのブレードの間を通過する際に膨張した排気ガスは、収容室２２に連通する排出口２４から排出される。
【００２０】
一方、コンプレッサハウジング３には、収容室３３に収容されたコンプレッサインペラ３１と対向するように吸入口３４が形成され、ここから吸い込まれた空気がコンプレッサインペラ３１の回転によってその外周側に送り出される。コンプレッサハウジング３の外周側には導出路３５（スクロール通路３５）が形成されており、前記のようにコンプレッサインペラ３１から送り出される空気が圧縮されて、スクロール通路３５に沿って吸気通路へ送り出される。
【００２１】
それらタービンハウジング２およびコンプレッサハウジング３の間にはベアリングハウジング４が配設されて、両者を連結一体化するとともに、２つのラジアルベアリング４２，４３によってタービンシャフト４１を回転自在に支持している。ベアリングハウジング４には、エンジンの冷却水が流れる水路４４が形成されている。
【００２２】
なお、本実施形態にあっては、タービンシャフト４１およびコンプレッサインペラ３１の材料は、焼き嵌めを考慮し、線膨張係数の異なる材料となっている。例えば、タービンシャフト４１は鋼製であり、コンプレッサインペラ３１はアルミニウム製である。
【００２３】
−コンプレッサインペラの貫通孔−
本実施形態の特徴は、前記コンプレッサインペラ３１に形成されている貫通孔３２の内径寸法にある。
【００２４】
図２は、コンプレッサインペラ３１の着座位置（カラー４５に当接する位置）の周辺を拡大して示す図である。この図２に示すように、コンプレッサインペラ３１に形成されている貫通孔３２の内径寸法は、前記吸入口３４側（図２における左側）の内径寸法が大きく設定され（タービンシャフト４１の外径寸法よりも大きく設定され）、タービンホイール側の端部（図２における右側の端部）に向かって次第に小さくされている。つまり、貫通孔３２の内面形状はテーパ形状とされている。即ち、貫通孔３２の内径寸法は、この貫通孔３２の中心線に沿う方向（図２における左右方向）に亘って不均一であって、タービンホイール２１側の端部の内径寸法が最も小さく、その他の部分の内径寸法が、このタービンホイール２１側の端部の内径寸法よりも大きく設定されている。
【００２５】
例えば、常温時において、タービンホイール２１側の端部の内径寸法（最も小さく設定されている内径寸法；図２における寸法Ｓ１）は、常温時におけるタービンシャフト４１の外径寸法（コンプレッサインペラ３１が嵌め合わされる部分の外径寸法）よりも所定寸法だけ小さく設定されている（後述する焼き嵌め後にタービンシャフト４１の外面との間で所定値以上の面圧が確保されるように設定されている）。また、吸入口３４側の内径寸法（最も大きく設定されている内径寸法）は、常温時におけるタービンシャフト４１の外径寸法よりも所定寸法だけ大きく設定されている。これら所定寸法は、実験やシミュレーションによって適宜設定される。
【００２６】
−コンプレッサインペラの組み付け作業−
次に、前記コンプレッサインペラ３１をタービンシャフト４１の端部に組み付ける作業について説明する。
【００２７】
この作業では、先ず、コンプレッサインペラ３１を加熱し、このコンプレッサインペラ３１の貫通孔３２の内径寸法を拡大させておく。具体的には、貫通孔３２においてタービンホイール側の端部の内径寸法が、熱膨張によって、タービンシャフト４１の外径寸法よりも僅かに大きくなる程度までコンプレッサインペラ３１を加熱する。このコンプレッサインペラ３１を加熱する手段としては、周知の高周波焼嵌装置等の加熱装置が適用される。
【００２８】
このようにしてコンプレッサインペラ３１を加熱した状態で、このコンプレッサインペラ３１の貫通孔３２にタービンシャフト４１の一端部を挿入する。この際、タービンシャフト４１に装着した前記カラー４５に、コンプレッサインペラ３１の端面３６（タービンホイール２１側の端面）を当接（着座）させておく。
【００２９】
この状態を保持しておくことで、コンプレッサインペラ３１が冷却され、コンプレッサインペラ３１の貫通孔３２の内径が小さくなるように熱収縮する。図２における仮想線は、コンプレッサインペラ３１が冷却される前段階での貫通孔３２の内面位置を表している。そして、コンプレッサインペラ３１の貫通孔３２の内径寸法はタービンホイール２１側の端部の内径寸法が最も小さく設定されているので（前記寸法Ｓ１）、熱収縮の際には、先ず、このタービンホイール２１側の端部とタービンシャフト４１の外面との間が高い面圧で嵌め合わされることになる。その他の部分は、未だ面圧が低いため、この部分では、コンプレッサインペラ３１の貫通孔３２の内面とタービンシャフト４１の外面との間での相対移動（滑り）が許容された状態にある。このため、コンプレッサインペラ３１におけるタービンホイール２１側の端部とタービンシャフト４１の外面との間での相対移動は不能となっており、その後の熱収縮におけるコンプレッサインペラ３１の中心線に沿う方向の熱収縮方向は、前記タービンホイール２１側の端部に向かう方向となる（図２における矢印Ａを参照）。このため、この時点からは、コンプレッサインペラ３１の端面３６をカラー４５に当接させておく力を解除しても、これらの当接状態が維持され、端面３６がカラー４５から後退して隙間が生じてしまうといったことはなくなる。つまり、コンプレッサインペラ３１の端面３６（タービンホイール２１側の端面）がタービンシャフト４１に対する着座位置（タービンシャフト４１に装着されたカラー４５に当接する着座位置）から移動（カラー４５から後退）してしまうことがない。このため、コンプレッサインペラ３１の組み付けが完了した状態では、コンプレッサインペラ３１の端面３６がカラー４５に良好に着座した状態として得られる。
【００３０】
その後、タービンシャフト４１の先端に形成された雄ネジ部にナット５を装着することにより、コンプレッサインペラ３１をタービンシャフト４１から抜け止めした状態で固定する。この状態では、コンプレッサインペラ３１の端面３６がカラー４５に、他端面がナット５にそれぞれ当接し、これらカラー４５とナット５との間で挟持された状態でコンプレッサインペラ３１が固定される。
【００３１】
このように、コンプレッサインペラ３１の端面３６がカラー４５に良好に着座した状態で、コンプレッサインペラ３１をタービンシャフト４１に取り付けることができるため、ターボチャージャ１の作動に伴ってコンプレッサインペラ３１がタービンシャフト４１とともに高速回転した場合であっても、コンプレッサインペラ３１がタービンシャフト４１に対してその中心線に沿う方向に位置ズレすることがなくなり、コンプレッサインペラ３１を安定して回転させることができる。その結果、ターボチャージャ１の過給性能を良好に得ることができる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、コンプレッサインペラ３１におけるタービンホイール２１側の端部およびその周辺部のみがタービンシャフト４１に対して高い面圧での圧入部分となるので、コンプレッサインペラの貫通孔の内径寸法が全体に亘って均一になっている従来のものに比べて圧入範囲が狭くなっている。このため、コンプレッサインペラ３１の貫通孔３２にタービンシャフト４１を挿入する際のカジリの発生を抑制できる。
【００３３】
また、コンプレッサインペラ３１におけるタービンホイール２１側の端部は、コンプレッサインペラ３１のディスク部３７となっており、外径寸法が大きくなっている（図１を参照）。この場合、このディスク部３７は、ターボチャージャ作動時における遠心力の影響を受けやすく、他の部分に比べて貫通孔３２の内径寸法が大きくなりやすい。本実施形態では、この遠心力の影響を受けやすい部分（タービンホイール２１側の端部）の内径寸法が他の部分の内径寸法よりも小さくなっているため、遠心力の影響によって内径寸法が大きくなったとしても、この部分での貫通孔３２の内面とタービンシャフト４１の外面との間の面圧が維持され、コンプレッサインペラ３１の着座状態も安定的に維持されることになる。
【００３４】
−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、焼き嵌め時に、コンプレッサインペラ３１の貫通孔３２の内径寸法がタービンシャフト４１の外径寸法よりも大きくなる程度までコンプレッサインペラ３１を加熱していたため、貫通孔３２にタービンシャフト４１の一端部を挿入した際、コンプレッサインペラ３１の端面３６をカラー４５に当接させる力を所定期間だけ（タービンホイール２１側の端部とタービンシャフト４１の外面との間が高い面圧で嵌め合わされるまで）付加しておく必要があった。これに対し、コンプレッサインペラ３１の貫通孔３２の内径寸法がタービンシャフト４１の外径寸法と同等の大きさとなるまでコンプレッサインペラ３１を加熱した場合には、コンプレッサインペラ３１の貫通孔３２にタービンシャフト４１の一端部を挿入した時点で、前記力を付加しなくとも、コンプレッサインペラ３１におけるタービンホイール２１側の端部とタービンシャフト４１の外面との間での相対移動を不能とすることが可能となる。本発明の技術的思想は、この場合も含むものである。
【００３５】
また、前記実施形態では、自動車用エンジンに搭載されたターボチャージャに本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、エンジン以外の機器に搭載されたターボチャージャに対しても適用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、自動車用エンジンに搭載されるターボチャージャのコンプレッサインペラに適用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１      ターボチャージャ
２１    タービンホイール
３１    コンプレッサインペラ
３２    貫通孔
４１    タービンシャフト
【図１】
2017101641.tif 000003
【図２】
2017101641.tif 000004