JP2008519933A - コンプレッサホイール - Google Patents

Abstract

【解決手段】
回転可能なシャフト(８)への取り付けから構成された中心ハブ(21)から延びる複数のブレード(20)と、背面(25)とを具えているコンプレッサホイールが開示されている。コンプレッサホイール背面(25)の表面の一領域には、残留圧縮応力の層(26、27)が形成されている。

Description

本発明はコンプレッサホイールに、及び回転シャフトに取り付けられたコンプレッサホイールのアセンブリに関するものである。特に、しかし限定することなく、本発明はターボチャージャのコンプレッサホイールアセンブリに関するものである。

ターボチャージャは、大気より高い圧力(ブースト圧力)で内燃機関の吸気口に空気を供給するための周知の装置である。従来のターボチャージャは、タービンハウジング内に回転可能なシャフトに取り付けられた排気ガス駆動のタービンホイールを本質的に具えている。該タービンホイールの回転により、前記シャフトの他端に取り付けられたコンプレッサホイールがコンプレッサハウジング内で回転する。コンプレッサホイールはエンジンの吸気マニフォールドに圧縮空気を送り、これによってエンジンパワーを増大させる。シャフトは、タービン及びコンプレッサホイールハウジング間に接続された中央のベアリングハウジング内に設置されたジャーナル及びスラストベアリングに支持されている。

従来のコンプレッサホイールは、中心ハブから延びる複数のブレードを具えている前面と後面(ターボチャージャ産業内で一般的に「背面」と呼ばれている)とを具えている。中心ハブには、ターボチャージャシャフトの一端を受け入れるための孔が設けられている。

コンプレッサホイールを製造するためにアルミニウム合金が一般的に用いられているが、幾つかの用途、特に、より高い動作温度を有する高圧力比のコンプレッサには、チタン合金、セラミック又は超合金が好まれることがある。自動車産業にとっては、鋳造が費用効果のため好まれる製造の方法である。或いは、ソリッドビレットから機械加工によってコンプレッサホイールを形成してもよい。

上述の如く、ターボチャージャシャフトは従来、タービン及びコンプレッサホイールハウジング間に接続された中央のベアリングハウジング内に設置された、適切な潤滑システムを含むジャーナル及びスラストベアリングによって支持されている。従来のターボチャージャ設計において、シャフトは、コンプレッサハウジングバックプレート、又はオイルシールプレートにおける適切な通路を通過してベアリングハウジングからコンプレッサハウジングに至り、ベアリングハウジング内には前記プレートに隣接してスラストベアリングアセンブリが設置されている。コンプレッサハウジングへのオイル漏れを防止するため、オイル制御装置(ターボチャージャ産業内で多くの場合「オイルスリンガ」と呼ばれている)を含むシールアセンブリをこのようなスラストベアリングアセンブリに組み込むことが普通である。オイルスリンガはシャフトと共に回転する部品であり、シャフトから、特にベアリングハウジングからコンプレッサハウジングへの通路からオイルを飛ばすための径方向に延びる表面を具えている。スラストベアリング及びシーリングアセンブリの周囲に設置された環状のスプラッシュチャンバが、潤滑システム内での再循環のためにオイルを収集する。オイルスリンガは、個別部品であっても、スラストベアリング及び／又はシーリングアセンブリの一部のような他の部品の構成要素であってもよい。

ターボチャージャ性能に対する現代の要求により、所定の寸法のターボチャージャからの空気流を増加させることが必要とされ、例えば１００,０００ｒｐｍを超える回転速度の増加につながっている。速度の増加により、コンプレッサの回転慣性質量を減少させるため、アルミニウム及びチタン合金のような軽量材の使用が望ましくなっている。しかしながら、速度の増加は結果として、過渡動作条件でコンプレッサホイールに加えられる負荷を増加させることにもなっている。

従って、コンプレッサホイールが所望の回転速度で動作することができると共に、その意図された寿命の全体を通じて十分な信頼性を有するということを確実にするため、それに対する負荷及び疲労効果を考慮することが重要である。解析により、ハブ孔はコンプレッサホイールの中の受ける応力が高い領域であることが示されている。例えば、米国特許番号６,１６４,９３１において開示されているように、ハブ孔の内周部で残留圧縮応力を生成することによって表面欠陥を減少させるように該孔を処理すればよいということが提案されている。米国特許番号６,４８１,９７０において開示されている他の手法は、ハブ孔の所定のプレストレッシングを与えるような寸法の締まり嵌めインサートを設けることによって径方向の孔の応力を減少させることである。

しかしながら、このような提案にもかかわらず、出願人は依然として問題となるコンプレッサホイールの故障を発見した。特に、出願人は、予想外に大きな数の初期のコンプレッサホイールの故障を発見した。

上記問題を除去又は緩和することが本発明の目的である。

本発明によれば、回転軸を有すると共に、該軸から略放射状に、そして円盤状支持体の一面から略軸方向に延びる複数のブレードを具え、前記支持体の反対面がホイール背面を形成しているコンプレッサホイールにおいて、前記背面の少なくとも一部に、該背面の表面より下の深さまで延びる残留圧縮応力の層が設けられているコンプレッサホイールが提供される。

出願人は、初期故障を含め、驚くほど大きな割合のコンプレッサホイールの故障が、コンプレッサホイール背面上の亀裂発生のために起こるということを発見した。このような亀裂はその後、伝播して致命的故障という結果に至る。このような故障は、コンプレッサホイールの背面は事実、コンプレッサホイールの中の受ける応力が比較的低い領域であるということを示しているコンプレッサホイールの応力解析と合わないので予想外である。

出願人は、背面に起因する故障の発生において特に重要であると思われる２つの要因を特定した。

製造品質は、コンプレッサホイールの３Ｄ欠陥を最小にするように慎重に制御される。しかしながら、驚くべきことに、出願人は今、製造品質要件の外側にあるとは通常みなされないであろう、見たところは軽微で些細な２Ｄ表皮欠陥でさえ、コンプレッサホイールの初期故障のおそれを増大させるということを発見した。

第２に、多くの故障が、コンプレッサ背面とオイルスリンガ部品との間の界面で発生する亀裂によって生じていた。これらの故障は、オイルスリンガの外径によって背面上に残された窪みの外径で起こると思われる。これらの故障は、加えられる半径方向応力のために最初は前方へ向かってインペラに入り込む周上の亀裂形成によって特徴づけられる。周方向応力が優勢になると、この亀裂は方向を変えて半径方向に大きくなり続け、破壊が起きるに至り、最終的にコンプレッサホイールの分裂という結果になる。

原則として、少なくとも幾つかの故障モードは、コンプレッサホイール設計の変更によって補償することができる。例えば、背面を長くすることは、ハブ孔でピーク応力から接触応力を分離することによって応力を再分配し、スリンガ界面での故障を軽減するのに役立つと思われる。しかしながら、背面を長くすれば、他の圧縮／ターボチャージャ機能の再設計が必要となるが、これは費用がかかり、多くの場合、コンプレッサの全体寸法への制約のため可能でない。

この明細書の冒頭部において述べたように、残留圧縮応力の層の形成により様々な材料において疲労寿命を改善できるということが知られている。しかしながら、出願人によって特定された故障モードは「疲労」関連の故障として普通は考えられないであろう。例えば、これらの故障は、コンプレッサホイールの寿命におけるどのような点でも起こり得て、実際、初期故障を引き起こすことにおいて特に問題である。しかしながら、出願人は、残留圧縮応力の層の形成が上述した故障モードの効果を減少させることにおいて効果的であることを発見した。一般に、残留圧縮応力の層の形成は、背面における亀裂の形成を抑制し、実際それでも致命的故障を形成、さもなければそれにつながるであろうどのような亀裂の伝播をも妨げることが分かっている。残留圧縮応力層の形成により、何らかの既存の軽欠陥が存在する表面における局部応力が緩和されるようである。これにより、許容可能な製作公差の外側にあるとは通常みなされないであろうが、出願人によって故障につながるであろうことが示されたこのような見たところは些細な事実上二次元の表皮欠陥に対するホイールの感度が減少する。残留圧縮応力の層は、コンプレッサホイールの実質的に全背面を覆っていてもよく、亀裂の形成の可能性が特定の問題であると見られたところにのみ塗布してもよい。

１つの好ましい実施形態において、残留圧縮応力の層は、使用中、コンプレッサホイールアセンブリの一構成要素と連結するコンプレッサホイールの背面の少なくとも一部を覆っている。前記構成要素は例えば、オイルスリンガのようなオイル制御装置を通常含んでいるスラストベアリングアセンブリの構成要素で構成されてもよい。

この実施形態は、オイルスリンガとコンプレッサホイールとの界面で発生する故障を防止することにおいて例えば有利である。亀裂形成及び伝播を抑制することに加え、残留圧縮層は、オイルスリンガの外径での窪みのおそれを減少させるが、これはさもなければ亀裂発生のおそれを増大させることがある。

残留圧縮応力の層を形成するときに出願人が認識した１つの問題は、背面の幾つかの領域は必要とされる機械力を受けて変形しやすいということである。例えば、背面は、コンプレッサホイールの外縁で、又は背面の輪郭領域で変形することがある。従って、好ましい実施形態において、背面の少なくとも１つの選択された領域において残留圧縮応力の層の大きさを減少させ、該選択された領域におけるホイールの変形を防止する。

コンプレッサホイールは使用中、回転可能なシャフトに取り付けられることになる。該シャフトとホイールとの間の遷移領域は、残留圧縮応力の層が形成された領域で構成してもよい。例えば、ホイールを例えば摩擦溶接によってシャフトに溶接してもよく、ホイールとシャフトとの間の遷移領域はフィレット半径を具えている。

従って、本発明の他の態様は、シャフトに溶接されて軸を中心に回転するコンプレッサホイールであって、前記軸から略放射状に、そして円盤状支持体の一面から略軸方向に延びる複数のブレードを具え、前記支持体の反対面がホイール背面を形成しているコンプレッサホイールを具え、前記溶接の領域において前記背面とシャフトとの間に遷移領域が形成され、該遷移領域には、前記背面の表面より下の深さまで延びる残留圧縮応力の層が設けられているコンプレッサホイールアセンブリを提供する。

本発明は、致命的故障に対する抗力が増大したコンプレッサホイールであって、回転軸を有すると共に、該軸から略放射状に、そして円盤状支持体の一面から略軸方向に延びる複数のブレードを具え、前記支持体の反対面がホイール背面を形成しているコンプレッサホイールを製造する方法において、前記背面の少なくとも一部は、該背面の表面より下の深さまで延びる残留圧縮応力の層を形成するように処理される方法も提供する。

残留圧縮応力の層は、好ましくは冷間加工技術を前記領域に適用することによって形成される。残留圧縮応力の層を形成するための幾つかの冷間加工技術は、様々な材料の疲労寿命を改善することで知られていて、バニシング、ショットピーニング、重力ピーニング及びレーザ衝撃ピーニングを含む。本発明者は、これらの方法が本発明に従う圧縮応力の層を形成することにも有用であることを発見した。本発明の好ましい実施形態において、圧縮応力の層はローラバニシングによって誘起される。

本発明の好ましい実施形態において、前記層は、２００μｍのオーダーの深さが普通である先行技術に記載の疲労問題に対処するときの通常の場合より大きな深さで形成されている。本発明の好ましい実施形態において、前記層は、最大、更には平均の深さが３００μｍより大きく形成されている。好ましくは、前記層は、少なくとも５００μｍの深さを有する。他の好ましい実施形態において、前記層は更に深く、最大深さが８００μｍ、更には１ｍｍより大きくてもよい。

本発明に従うコンプレッサホイールは、多くの様々な用途を有することができるが、特にターボチャージャに組み込むことに適している。従って、好ましい実施形態は、回転可能なシャフトに取り付けられてコンプレッサハウジング内で回転する本発明のコンプレッサホイールと、前記回転可能なシャフトの他端に取り付けられてタービンハウジング内で回転するタービンホイールとを具えているターボチャージャを提供する。

本発明の他の有利で好ましい特徴は下記の説明から明らかになるであろう。

次に、添付の図面を参照して、本発明の具体的な実施形態を単に例として説明する。

まず図１を参照すると、これは従来の求心型ターボチャージャの基本構成要素を示している。該ターボチャージャは、中央のベアリングハウジング３を介してコンプレッサ２に接合されたタービン１を具えている。該タービン１は、タービンホイール５を収容するタービンハウジング４を具えている。同様に、コンプレッサ２は、コンプレッサホイール７を収容するコンプレッサハウジング６を具えている。タービンホイール５及びコンプレッサホイール７は、ベアリングハウジング３内のベアリングアセンブリ９に支持されている共通のシャフト８の両端に取り付けられている。

タービンハウジング４には、排気ガス入口10及び排気ガス出口11が設けられている。該入口10は、入って来る排気ガスを、タービンホイール５を包囲している環状の入口チャンバ12に導く。排気ガスは、タービンを通り、タービンホイール５と同軸である円形の出口開口を介して出口11に流れ込む。タービンホイール５の回転によりコンプレッサホイール７が回転し、これが軸方向の入口13を通して空気を吸い込み、環状の出口ボリュート14を介して圧縮空気をエンジン吸気口に送る。

更に詳細にコンプレッサホイールアセンブリを参照すると、図１及び２に示す如く、コンプレッサホイールは、シャフト８の一端を受け入れるための貫通孔23が設けられた中心ハブ21から延びる複数のブレード20を具えている。コンプレッサは、機械加工された輪郭が設けられていてもよい背面25を含む。該背面の輪郭は、コンプレッサにおける応力条件を最適化するように設計されている。

シャフト８は、タービンホイール７の先端から僅かに延び、コンプレッサホイールの先端28を圧迫してスラストベアリング及びオイルシールアセンブリ24に対してコンプレッサホイール７を固定するナット22を受け止めるためにねじ切りされている。或いは、コンプレッサホイールは、米国特許番号４,７０５,４６３に開示されたようないわゆる『孔なし』コンプレッサホイールであってもよい。このコンプレッサホイールアセンブリでは、比較的短いねじ孔のみがコンプレッサホイールに設けられ、短かくしたターボチャージャシャフトのねじ端を受け入れている。スラストベアリング／オイルシールアセンブリの詳細は異なっていてもよく、本発明の理解にとって重要ではない。要するに、ナット17によって加えられた締付力によって、コンプレッサホイール７がシャフト８上で滑ることが防止されている。

好ましい実施形態に従って、コンプレッサホイール背面の少なくとも一部に残留圧縮応力の層を作成し、ホイールの中の加えられる応力が比較的低いこの領域で起こる初期故障の発生を減少させる。

幾つかの実施形態において、圧縮残留応力の層27は、背面25の実質的に全体を覆うように形成されている。しかしながら、他の実施形態においては、使用中、スラストベアリング及びオイルシールアセンブリ24と接触する背面25の領域を覆うように圧縮残留応力の層26を形成するのみで十分であることがある。このような実施形態は、スリンガ界面領域でのコンプレッサホイールの故障を克服するのに好まれることがある。図３を参照して、出願人は、スリンガ24が背面上に僅かな窪みを形成し、その後その窪みの外径で亀裂30が発生すると思われることに注目した。亀裂は最初、背面における周上の亀裂として生じるが、これが加えられる半径方向応力のために前方へ向かってインペラに入り込み、亀裂がコンプレッサ孔と平行して伝播することになる。周方向応力が優勢になると、亀裂は方向を変え、その亀裂は半径方向に伝播して破壊が起きるという結果に至る。出願人は、最終的な破壊が起こるとコンプレッサホイールは２以上(通常は３)の略同様の寸法の断片に分かれるということを発見した。

疲労寿命を増加させると共に、腐食疲労及び応力腐食に対する脆弱性を減少させるため、残留圧縮応力の層を誘起する幾つかの方法が開示されてきた。上述の如く、これらの方法を用いて本発明が必要とする残留圧縮応力の層を形成してもよい。本発明はどのような特定の方法にも限定されず、残留圧縮応力の層は、コンプレッサホイールを製造するときに、或いはその後、熱加工又は冷間加工技術の何れかのような別個の工程を適用することによって形成することができるということが理解されるであろう。

バニシングは、バニシングアセンブリの少なくとも１つの要素を十分な力で加工物に対して押圧し、冷間加工(又は塑性変形)によってその材料の表面を変形させるという一般的に用いられている冷間加工技術である。表面の変形により残留圧縮応力の所望の層を作製する。ほとんどの従来の技術において、加工物は、バニシング要素の複数回の通過によって数回変形することになる。ローラバニシングにおいては、バニシングアセンブリ要素として少なくとも１つのローラボール又はバーを利用する。バニシング要素の移動を加工物の三次元輪郭に合致させると共に、加える圧延荷重を制御できるように、制御システムによってバニシング工程を制御する。

バニシング中に加えられる力は、結果として生じる残留応力層形成に影響するので、慎重に制御しなければならない。周知のバニシングツールは、機械的又は静圧的ツールであろう。機械的ツールにおいて、圧延荷重は、予圧ばねを用いて所定レベルに設定することができる。静圧的ツールにおいては、流体圧力設定により圧延荷重を制御する。

ローラバニシングは、本発明に用いるのに特に適しているとみなされる。２つの具体的なローラバニシング技術は、米国特許番号５,８２６,４５３において開示されたような「低塑性バニシング」及び米国特許番号米国６,７５５,０６５に開示されたような「ディープローリング」である。ショットピーニングのような冷間加工技術が通常約２００μｍの深さまで残留圧縮応力層を生成するのに対し、これらのローラバニシング技術は、有利にも、８００μｍ、時には１ｍｍより大きい深さまで比較的深い層を作製する。これらの技術は、必要とされる冷間加工の量を最小にするので好ましいともみなされている。

例として、低塑性バニシングは、残留応力の層を形成するための所望の深さまで材料を変形させるためにちょうど十分な垂直力で１回のみ通過を行なう滑らかな自由圧延球面ツールを利用している。図４を参照すると、前記バニシング装置のツールは、ボール座部42内に配置されたバニシングボール41を有する先端部材40を具えている。ボール座部の表面からボールを離してバニシングボールを自由に回転させることができる十分な圧力で外部のリザーバから潤滑流体44をボール座部42に直接供給すると共に、潤滑流体を加工物50の表面にも供給する。垂直力、圧力及びツール位置は、残留圧縮応力の所望の領域及び大きさを与えるためにコンピュータ制御される。

他の可能な変更は、当業者に容易に明らかであろう。

ターボチャージャ及び従来のコンプレッサホイールアセンブリの主要構成要素を示している従来のターボチャージャ中の軸方向断面図である。 好ましい実施形態に従うコンプレッサホイールアセンブリ中の断面図である。 好ましい実施形態により軽減されると考えられるコンプレッサホイールのオイルスリンガ界面の故障モードを示している概略図である。 本発明で用いることに適したローラバニシングツールを示す図である。

Claims (29)

1. 回転軸を有すると共に、該軸から略放射状に、そして円盤状支持体の一面から略軸方向に延びる複数のブレードを具え、前記支持体の反対面がホイール背面を形成しているコンプレッサホイールにおいて、前記背面の少なくとも一部に、該背面の表面より下の深さまで延びる残留圧縮応力の層が設けられているコンプレッサホイール。
2. 前記背面の一部は環状である請求項１に記載のコンプレッサホイール。
3. 前記背面の一部は、コンプレッサホイールの軸から放射状に延びている請求項２に記載のコンプレッサホイール。
4. 前記背面の表面の一部は、該背面の表面の実質的な部分である上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
5. 前記背面の全表面に前記残留圧縮応力の層が設けられている請求項４に記載のコンプレッサホイール。
6. 前記残留圧縮応力の層は、少なくとも３００μｍの最大深さを有する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
7. 前記残留圧縮応力の層は、３００μｍの最小深さを有する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
8. 前記残留圧縮応力の層は、少なくとも５００μｍの最大深さを有する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
9. 前記残留圧縮応力の層は、少なくとも５００μｍの最小深さを有する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
10. 前記残留圧縮応力の層は、少なくとも８００μｍの最大深さを有する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
11. 前記残留圧縮応力の層は、少なくとも８００μｍの最小深さを有する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
12. 前記残留圧縮応力の層は、少なくとも１ｍｍの最大深さを有する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
13. 前記残留圧縮応力の層は、少なくとも１ｍｍの最小深さを有する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
14. 前記残留圧縮応力の層の深さは、前記背面の表面の一部に亘って変化している上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
15. 前記圧縮応力の層を作製するのに必要とされる圧縮力を受けて変形を起こしやすい前記背面の一部の領域において前記深さが最小とされている請求項１５に記載のコンプレッサホイール。
16. 冷間加工技術を前記背面の一部に適用することによって前記残留圧縮応力の層を誘起する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール。
17. 前記冷間加工技術はローラバニシングを含む請求項１６に記載のコンプレッサホイール。
18. シャフトに取り付けられてコンプレッサホイールの軸を中心に回転する上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイールを具えているコンプレッサホイールアセンブリ。
19. 第２の部材が前記シャフトに取り付けられてそれと共にホイール背面の一領域に隣接して回転し、前記残留圧縮応力の層を具えている前記ホイールの一部は少なくとも前記領域を含む請求項１８に記載のコンプレッサホイールアセンブリ。
20. 前記第２の部材はオイルスリンガのようなオイル制御装置で構成されている請求項１９に記載のコンプレッサホイールアセンブリ。
21. 前記第２の部材は、前記シャフトに取り付けられたスラストベアリングアセンブリの構成要素を含む請求項１９に記載のコンプレッサホイールアセンブリ。
22. コンプレッサホイールは前記シャフトに溶接され、該溶接の領域において前記背面とシャフトとの間には遷移領域が形成され、該遷移領域に前記残留圧縮応力の層が設けられている請求項１８乃至２１の何れか１項に記載のコンプレッサホイールアセンブリ。
23. 前記遷移領域はフィレット半径を具えている請求項２２に記載のコンプレッサホイールアセンブリ。
24. シャフトに溶接されて軸を中心に回転するコンプレッサホイールであって、前記軸から略放射状に、そして円盤状支持体の一面から略軸方向に延びる複数のブレードを具え、前記支持体の反対面がホイール背面を形成しているコンプレッサホイールを具え、前記溶接の領域において前記背面とシャフトとの間に遷移領域が形成され、該遷移領域には、前記背面の表面より下の深さまで延びる残留圧縮応力の層が設けられているコンプレッサホイールアセンブリ。
25. 上記請求項の何れかに記載のコンプレッサホイール、又はコンプレッサホイールアセンブリを具えているターボチャージャ。
26. 致命的故障に対する抗力が増大したコンプレッサホイールであって、回転軸を有すると共に、該軸から略放射状に、そして円盤状支持体の一面から略軸方向に延びる複数のブレードを具え、前記支持体の反対面がホイール背面を形成しているコンプレッサホイールを製造する方法において、前記背面の少なくとも一部は、該背面の表面より下の深さまで延びる残留圧縮応力の層を形成するように処理される方法。
27. 前記処理は、冷間加工技術を前記背面の一部に適用することを含む請求項２６に記載の方法。
28. 前記冷間加工技術はローラバニシングを含む請求項２７に記載の方法。
29. 冷間加工技術を適用して前記残留圧縮応力の層を付与する請求項１乃至２５の何れか１項に記載のコンプレッサホイール又はコンプレッサホイールアセンブリを製造する方法。

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