JP2011085114A

JP2011085114A - 過給機

Info

Publication number: JP2011085114A
Application number: JP2009240776A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Isotani; 知之磯谷; Akira Sato; 佐藤　　明; Takuya Kajita; 卓弥梶田
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-19
Also published as: JP5421057B2

Abstract

【課題】タービンハウジングの薄肉化と、温度上昇に伴ってタービンハウジングに生じる熱変形の各部の影響を緩和することを課題とする。
【解決手段】過給機１００は、ベアリングハウジング６と、タービンハウジング１０を備えている。タービンハウジング１０は、板金により成形され、厚さ３ｍｍ以下の薄肉部であるスクロールシェル２を備える。また、タービンハウジング１０は、このタービンハウジング１０とベアリングハウジング６とを連結するための連結フランジ４を有している。連結フランジ４は、温度上昇に伴う前記タービンハウジングに生じる熱変形を吸収するスリット９ａを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、過給機に関する。

従来、排気系部品の低熱容量化等を目的として板金等を用いて薄肉化されたタービンハウジングを備えた過給機が知られている。ところが、薄肉化されたタービンハウジングは、機械的剛性が低下しやすい。このため、タービンハウジングが変形し、ターボ性能の低下、タービンハウジングの破損、ベアリングハウジングの破損を招くおそれがある。
これらの問題を解決すべく、ベアリングハウジング側フランジと、ノズル壁面フランジと、これらを相互連結するための柱状連結部とを備えたタービンハウジングが提案されている（特許文献１）。

特開２００８−１０６６６７号公報

しかしながら、前記特許文献１の提案は、さらなる改良の余地を有していた。特に、タービンハウジングの温度上昇に伴う熱変形の各部への影響についてはさらなる改良の余地があると考えられる。

そこで、本発明は、タービンハウジングの薄肉化と、温度上昇に伴ってタービンハウジングに生じる熱変形の各部の影響を緩和することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書開示の過給機は、ベアリングハウジングと、当該ベアリングハウジングが連結されると共に、少なくとも一部に薄肉部を有するタービンハウジングと、を備え、前記タービンハウジングは、当該タービンハウジングと前記ベアリングハウジングとを連結するための連結フランジを有し、当該連結フランジは、温度変化に伴う前記タービンハウジングに生じる熱変形を吸収する熱変形吸収手段を備えたことを特徴とする。ここで、熱変形吸収手段は、前記連結フランジに設けられたスリットとすることができる。本明細書における、薄肉部とは、肉厚が３ｍｍ以下の部分を指す。

このような熱変形吸収手段を設けることにより、タービンハウジングの熱変形に伴うベアリングハウジングへの影響を緩和することができる。例えば、タービンハウジングの変形によってベアリングハウジングに生じる応力を緩和することができる。ベアリングハウジングに生じる応力が緩和されると、ベアリングハウジングに生じる変形、破損が抑制される。また、熱変形吸収手段が設けられることによってタービンハウジングに生じる変形が許容される。これによりタービンハウジング自体に生じる応力も緩和される。

熱変形吸収手段として、前記連結フランジに設けられたスリットは、連結フランジの外周部に設けられることが望ましい。スリットは、前記連結フランジの外周壁面に開口部を有するようにすることができる。また、連結フランジに設けられたスリットは、前記ベアリングハウジングが位置する側の前記連結フランジの側壁面に開口部を有するようにすることができる。

このようなスリットの配置は、温度上昇に伴うタービンハウジングの熱変形の態様を考慮したものである。連結フランジは、タービンハウジングに設けられている。そして、連結フランジは、タービンハウジングとベアリングハウジングとを連結するものである。このため、連結フランジは、タービンハウジングのベアリングハウジング側に位置する。また、連結フランジは、タービンハウジングの外周縁部に環状に配置される。ベアリングハウジングが連結されるこのような連結フランジに対し、タービンハウジングの熱変形は、連結フランジの外周縁をベアリングハウジング側へ倒すように作用する。

そこで、このような熱変形の影響を緩和するようにスリットの開口部を設ける。熱変形が発生したときに、開口部が閉じるように変形するスリットであれば、熱変形分を吸収することができる。この結果、温度上昇に伴ってタービンハウジングに生じる熱変形の各部の影響を緩和することができる。

前記ベアリングハウジングは、前記タービンハウジングとの連結時に前記連結フランジに接触する接触部と前記連結フランジとの接触を回避する離隔部とを備えた外周縁部を有する形状とすることができる。接触部は、ベアリングハウジングをタービンハウジングに締結するときに、タービンハウジングに対するベアリングハウジングの位置決めをする。接触部をベアリングハウジングに対し径方向で接触させることによって軸芯を出すことができる。離隔部は、ベアリングハウジングの外周縁部へのタービンハウジングからの熱伝達を緩和する目的で設けられる。ベアリングハウジングへの熱伝達が緩和されれば、ベアリングハウジングの破損を抑制することができる。ベアリングハウジングとタービンハウジングとの締結にボルトを用いた場合、ボルトの周辺は、ボルトの軸力に起因してベアリングハウジングにき裂が発生し易い。このため、離隔部は、ボルトの周辺に設けられるとよりベアリングハウジングの破損抑制により効果的である。

本明細書開示の過給機によれば、タービンハウジングの薄肉化と、温度上昇に伴ってタービンハウジングに生じる熱変形の各部への影響を緩和することができる。

図１は、実施例１の過給機の一部を示した断面図である。図２は、比較例のベアリングハウジングの変形の様子を模式的に示した説明図である。図３は、実施例１の過給機の連結フランジ周辺の拡大断面図である。図４は、他の実施例の過給機の連結フランジ周辺の拡大断面図である。図５は、実施例２のベアリングハウジングと連結したタービンハウジングの側面図である。図６は、実施例２のベアリングハウジングの側面図である。図７は、比較例のベアリングハウジングの側面図である。図８は、図５におけるＡ−Ａ線拡大断面図である。図９は、図５におけるＢ−Ｂ線拡大断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。さらに、断面図においてはハッチング処理が省略されている。

図１は、過給機１００の一部を示した断面図である。図２は、比較例の過給機が備えるベアリングハウジング６の変形の様子を模式的に示した説明図である。この図２は、ベアリングハウジング６とタービンシュラウド１を断面とした状態を示している。図３は、過給機１００の連結フランジ４周辺の拡大断面図である。

過給機１００は、ベアリングハウジング６と、このベアリングハウジング６が連結されると共に、少なくとも一部に厚さ３ｍｍ以下（例えば、１ｍｍ〜３ｍｍ）の薄肉部を有するタービンハウジング１０と、を備えている。
タービンハウジング１０は、このタービンハウジング１０とベアリングハウジング６とを連結するための連結フランジ４を有している。タービンハウジング１０は、タービンシュラウド１と、薄肉のスクロールシェル２を備えている。スクロールシェル２は、薄肉部に相当する。タービンシュラウド１は、端部に出口フランジ３が設けられた円筒状の首部１ａ、この首部１ａに連続する鍔状の肩部１ｂ、この肩部１ｂに連続するスカート部１ｃを有する。スカート部１ｃには、通気孔１ｃ１が設けられている。そして、タービンシュラウド１は、このスカート部１ｃに連続して、径方向に延びる連結フランジ４を有する。連結フランジ４は、環状に拡がっている。そして、連結フランジ４は、その環状の内側にベアリングハウジング６の外周縁部６ａが嵌め込まれるように内周壁４ａを備えている。

スクロールシェル２は、板金により成形されており、タービンシュラウド１に溶接されることにより排気通路５を形成する。より具体的には、スクロールシェル２は、連結フランジ４の外周壁面４ｂ上の溶接部Ｗ１と首部１ａの外周壁面上の溶接部Ｗ２においてそれぞれ全周溶接されることによってタービンシュラウド１に取り付けられている。これによりタービンハウジング１０が形成されている。タービンシュラウド１内には、図１中、参照番号１３が付されたシュラウドが設けられ、さらに、その内側にタービンホイール１１が収納されている。タービンホイール１１が取り付けられたタービンシャフト１２は、ベアリングハウジング６に回転自在に支持されている。

スクロールシェル２は、板金により薄肉に成形されているが、スクロールシェル２とタービンシュラウド１とは、一体化された薄肉鋳物によって成形することもできる。この場合、スクロールシェル２に相当する部位の少なくとも一部を薄肉に成形して薄肉部としたり、タービンシュラウド１に相当する部位の少なくとも一部を薄肉に成形して薄肉部としたりすることもできる。本明細書における薄肉部とは、前記のように肉厚が３ｍｍ以下の部分を指す。また、タービンハウジングに含まれるスクロールシェルやタービンシュラウドにおいて、例えば、モノコック構造だけでは十分な強度が得ることができず、柱部等の補強が必要となる場合に、薄肉に成形されている部位は、薄肉部に該当し得る。さらに、本実施例における連結フランジ４のごとく、スリットを設けたり、その他の措置を施したりしなければ強度が確保されない場合に、肉厚が薄い部位は、薄肉部に該当し得る。

次に、ベアリングハウジング６とタービンハウジング１０との連結について詳細に説明する。タービンハウジング１０は、前述の通り、連結フランジ４を有し、連結フランジ４は、内周壁４ａを備えている。ベアリングハウジング６は、その外周縁部６ａを内周壁４ａに接触させるようにして連結フランジ４の内周部に嵌め込む。これにより、ベアリングハウジング６の外周縁部６ａと連結フランジ４とはほぼ面一の状態とされる。そして、連結プレート７が両者の境界線を覆うように押し当てられ、連結ボルト８を用いて連結フランジ４に取り付けられる。これにより、連結プレート７と連結フランジ４とでベアリングハウジング６が挟持され、ベアリングハウジング６とタービンハウジング１０とが連結される。

このようにベアリングハウジング６とタービンハウジング１０との連結に用いられる連結フランジ４は、熱変形吸収手段としてのスリット９ａを備えている。このスリット９ａは、連結フランジ４の外周壁面４ｂに開口部９ａ１を有している。スリット９ａは、連結フランジ４の全周に亘って設けられている。スリット９ａの深さ方向は、タービンハウジング１０の径方向と一致している。スリット９ａは、連結フランジ４の強度と、熱変形の吸収とを考慮して、その幅を０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度に設定することができる。また、その深さを１．０ｍｍ〜６．０ｍｍ程度に設定することができる。
なお、スリット９ａは、場合によっては全周に設けなくてもよい。例えば、ボルト８の周辺等、数カ所に設けるようにしてもよい。

ここで、過給機１００における熱変形について考察する。タービンハウジング１０が熱を帯びると薄肉のスクロールシェル２に熱変形が生じる。この結果、スクロールシェル２は、図３において矢示２１で示す方向に伸びる。また、連結フランジ４自体も伸びようとする。

図２に比較例として示すタービンハウジング１は、連結フランジ１４を備えている。この連結フランジ１４は、本実施例における連結フランジ４と異なりスリットを備えていない。
このように連結フランジが熱変形吸収手段を有さない場合、連結プレート７が装着された連結フランジ１４は、その自由な伸びが拘束される。そして、図２において矢示２２で示すようにベアリングハウジング６側へ倒れ込むように変形する。このような変形を起こす連結フランジ１４は、ベアリングハウジング６に圧縮応力を生じさせる。圧縮応力が生じたベアリングハウジング６にはき裂発生のおそれがある。

これに対し、本実施例の連結フランジ４のようにスリット９ａを設けておけば、スリット９ａがスクロールシェル２の熱変形等に起因するタービンハウジング６への影響を緩和することができる。すなわち、スリット９ａの開口部９ａ１が閉じるように変形して熱変形を吸収することにより、タービンハウジング６への影響を緩和することができる。また、同時にタービンハウジング１０に生じる熱応力も緩和することができる。

スリット９ａは、図４に示すスリット９ｂに変更することもできる。スリット９ｂは、ベアリングハウジング６が位置する側の連結フランジ４の側壁面４ｃに開口部９ｂ１を有している。

このようなスリット９ｂは、スリット９ａと同様に開口部９ｂ１が閉じるように変形してタービンハウジング１０の熱変形を吸収することができる。そして、温度上昇に伴うタービンハウジング１０に生じる熱変形の各部の影響を緩和することができる。

次に、実施例２について、図５乃至図９を参照しつつ説明する。図５は、実施例２のベアリングハウジング２６と連結したタービンハウジング１０の側面図である。図６は、実施例２のベアリングハウジング２６の側面図である。図７は、比較例のベアリングハウジング１６の側面図である。図８は、図５におけるＡ−Ａ線拡大断面図である。図９は、図５におけるＢ−Ｂ線拡大断面図である。

実施例２の過給機２００が実施例１の過給機１００と異なる点は、ベアリングハウジングの外周縁部の形状である。実施例１のベアリングハウジングの外周縁部は、図７に比較例として示したベアリングハウジング１６と同様に円形の形状を有している。実施例２のベアリングハウジング２６は、図６に示すように、タービンハウジング１０との連結時に連結フランジ４に接触する接触部２６ａ１と連結フランジ４との接触を回避する離隔部２６ａ２とを備えた外周縁部２６ａを有している。また、図８、図９に示すように接触部２６ａ１は、連結フランジ４の内周壁４ａに接触した状態であり、離隔部２６ａ２は、連結フランジ４の内周壁４ａから距離Ｓだけ離隔した非接触の状態である。

接触部２６ａ１は、連結フランジ４の内周壁４ａに接触することによってタービンハウジング１０に対するベアリングハウジング２６の位置決めをする。すなわち、接触部２６ａ１をベアリングハウジング１０に対し径方向で接触させることによって軸芯を出す。

離隔部２６ａ２は、タービンハウジング１０からベアリングハウジング２６への熱伝達を抑制する。離隔部２６ａ２の位置は外周縁部２６ａのどの位置であってもよいが、実施例２では、ボルト８の配置に対応させて設けられている。実施例２における離隔部２６ａ２は、６本のボルト８に対応させて６箇所に設けられている。これにより、ボルト８の軸力に起因してき裂が発生し易い箇所における熱伝達を緩和することができる。熱伝達の緩和により、ベアリングハウジング２６の外周縁部２６ａに生じる応力を緩和し、き裂の発生を抑制し、ひいては破損を抑制することができる。

接触部２６ａ１と離隔部２６ａ２とを備えたベアリングハウジング２６は、図３に示したスリット９ａや図４に示したスリット９ｂを有さないタービンハウジングと組み合わせてもよい。但し、スリット９ａやスリット９ｂといった熱変形吸収手段とともに採用することで、より効果的にタービンハウジング１０に生じる熱変形の各部の影響を緩和することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

上記実施例では、熱変形吸収手段としてスリット９ａやスリット９ｂを採用したが、熱変形吸収手段は、特にこれらのスリット９ａ、９ｂに限定されない。例えば、連結フランジ４の外周壁面４ｂから内部へ向かって貫通する貫通孔等を採用してもよい。このような構成としても、上記実施例と同様の効果を送することができる。このとき、ボルト８の周辺を避けて貫通孔を設ければ、ボルト８の締め込みに支障をきたすこともない。

１…タービンシュラウド
１ａ…首部
１ｂ…肩部
１ｃ…スカート部
１ｃ１…通気孔
２…スクロールシェル
３…出口フランジ
４…連結フランジ
４a…内周壁
４ｂ…外周壁面
４ｃ…側壁面
５…排気通路
６、１６、２６…ベアリングハウジング
７…連結プレート
８…連結ボルト
９ａ、９ｂ…スリット
１０…タービンハウジング
１１…タービンホイール
１２…タービンシャフト
１００、２００…過給機
Ｗ１、Ｗ２…溶接部

Claims

ベアリングハウジングと、
当該ベアリングハウジングが連結されると共に、少なくとも一部に薄肉部を有するタービンハウジングと、を備え、
前記タービンハウジングは、当該タービンハウジングと前記ベアリングハウジングとを連結するための連結フランジを有し、
当該連結フランジは、温度上昇に伴う前記タービンハウジングに生じる熱変形を吸収する熱変形吸収手段を備えたことを特徴とする過給機。
前記熱変形吸収手段は、前記連結フランジに設けられたスリットであることを特徴とした請求項１記載の過給機。
前記熱変形吸収手段は、前記連結フランジに設けられたスリットであり、当該スリットは、前記連結フランジの外周壁面に開口部を有することを特徴とした請求項１記載の過給機。
前記熱変形吸収手段は、前記連結フランジに設けられたスリットであり、当該スリットは、前記ベアリングハウジングが位置する側の前記連結フランジの側壁面に開口部を有することを特徴とした請求項１記載の過給機。
前記ベアリングハウジングは、前記タービンハウジングとの連結時に前記連結フランジに接触する接触部と前記連結フランジとの接触を回避する離隔部とを備えた外周縁部を有することを特徴とした請求項１乃至４のいずれか一項記載の過給機。
前記薄肉部の肉厚は、３ｍｍ以下であることを特徴とした請求項１乃至５のいずれか一項記載の過給機。