专利名称：压缩机叶轮与轴的结合构造的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压缩机叶轮与轴的结合构造。
背景技术：
以往，作为压缩空气、增加发动机吸气量的装置，已知有作为涡轮增压机的涡轮机械的压缩装置，这种涡轮机械的压缩装置，利用排出气体的能量，使涡轮及轴旋转，来驱动与轴结合的离心式压缩机叶轮。
图11表示采用以往技术的涡轮增压机111的侧剖面图。涡轮增压机111具有从发动机排出气体获得旋转能量的排气侧部112与利用该旋转能量压缩空气并送往发动机中的吸气侧部113。
涡轮114由从排气流入通道119流进的排出气体获取能量并旋转。在轴123的涡轮114的相反侧、也就是在轴123的前端部侧，安装着通过轴123的、用于压缩空气的离心式压缩机叶轮116。
在空气压缩机叶轮116的中央部，贯通有安装孔125。轴123以很小的间隙配合或过盈配合插入在安装孔125中。通过向轴123前端部形成的外螺纹部140上旋入螺母126，将压缩机叶轮116固定在轴123上。
图12表示采用以往技术的压缩机叶轮116的侧剖面图。压缩机叶轮116的本体部129，具有入口侧圆盘部129A与背面侧圆盘部129B。在本体部129的外侧，设置有多个叶片部118，在本体部129的中心，贯通有安装孔125。
为了实现轻量化，压缩机叶轮116由例如铝合金铸造件等而制成。压缩机叶轮116的转速由于可达数万rpm的高速，所以压缩机叶轮116承受着因高速旋转产生的离心力而受到很强的径向拉应力，有时会导致破损。
众所周知，压缩机叶轮116的破损，特别是易于发生以安装孔125内壁为起点的破损。即，已经明确，压缩机叶轮116上的安装孔125内壁的破损，在压缩机叶轮116的旋转轴的轴向上，在压缩机叶轮116的外圆周部最大的最大外圆周部位130的附近特别容易发生。
为了解决这样的问题，众所周知有诸如专利文献(日本特表平5-504178号公报(第3～5页、图1、2))中所公开的技术。
图13表示专利文献中的压缩机叶轮216的剖面图。没有设置贯通压缩机叶轮216的安装孔242，而是在下部设置了形成有内螺纹的安装孔242。在轴223的前端部254处设置有外螺纹。通过前端部254旋入安装孔242，可将轴223和压缩机叶轮216结合。
但是，即使是如专利文献的技术，在压缩机叶轮的旋转轴的轴向，由于在压缩机叶轮外圆周部为最大的最大外圆周部位的附近设置有安装孔，所以如果转速上升，仍然存在在最大外圆周部位附近发生破损的可能性。
特别是，将具有使用了压缩机叶轮的涡轮增压机的发动机用于例如建筑机械等作业机械的情况下，发动机以短时间间隔在如装载作业那样的高负荷、即高速旋转的状态与几乎没有负荷、即低速旋转的状态之间不断重复切换。
其结果是，加载在压缩机叶轮上的应力振幅增高，进而导致易于发生破损。
而且，近年来，作为降低内燃发动机排出气体中所含氮氧化物(NOx)的对策，被称为EGR(Exhaust Gas Recirculation)的技术被广泛实施。这是一种将发动机排出气体的一部分导回发动机吸气系统使其再循环的技术。
为了实现EGR，必须用因排出气体再循环部分而减少的活塞内的新气体容积来确保燃烧空气，并且必须使涡轮增压机具有更高压力比。也就是说，必须使压缩机叶轮以更高的转速旋转，仅利用原有的技术是不够的，希望有耐久性更高的压缩机叶轮。
发明内容
本发明着眼于上述问题，其目的是提供一种即使是高速旋转也很少发生破损的压缩机叶轮与轴的结合构造。
为了达到上述目的，本发明的结合构造，是由压缩机叶轮、轴和套筒构成的结合构造；压缩机叶轮，在其背面中心部设置的凸起的外圆周上形成有外螺纹；在轴的一端形成有外螺纹；在套筒的两端形成有内螺纹，且与压缩机叶轮和轴结合；进而，在压缩机叶轮和轴之间设置有装配部。
另外，也可在压缩机叶轮和套筒之间设置装配部。
另外，也可在轴和套筒之间设置装配部。
另外，也可以在压缩机叶轮和轴上分别设置与套筒对应的装配部。
另外，也可以在压缩机叶轮外螺纹前端的端面与套筒内螺纹终端的端面之间、夹入比压缩机叶轮材质强度更高的板来连接。
另外，外螺纹和内螺纹，当从压缩机叶轮的入口看时，在压缩机叶轮左旋转时为右螺纹、压缩机叶轮右旋转时为左螺纹。
这样，在压缩机叶轮的本体部上，不需要设置用于与轴结合的安装孔或安装穴。而且，在压缩机叶轮与轴之间，由于设置有装配部，所以能够确保同轴度。其结果是，减小了作用在压缩机叶轮上的应力，即使压缩机叶轮高速旋转，也很少发生破损。另外，由于内螺纹在套筒一侧，所以能够增大螺纹尺寸，从而获得高强度的结合。
图1是本发明实施例1的涡轮增压机的剖面图。
图2是实施例1的压缩机叶轮的侧视图。
图3是图2的剖面图。
图4是图1的P部放大图。
图5是表示实施例1的压缩机叶轮的装配顺序的示意图。
图6是表示以往技术中安装孔内径与应力大小一般关系的曲线图。
图7是本发明实施例2的放大图。
图8A和图8B是本发明实施例3的放大图。
图9是本发明实施例4的放大图。
图10是本发明实施例5的放大图。
图11是以往技术中一般的涡轮增压机的侧剖面图。
图12是以往技术中一般的压缩机叶轮的侧剖面图。
图13是以往技术中压缩机叶轮的剖面图。
具体实施例方式
下面，参照附图详细说明本发明的具体实施例。
图1中涡轮增压机11具有从发动机的排出气体获得旋转能量的排气侧部12与利用该旋转能量压缩空气并送往发动机中的吸气侧部13。涡轮增压机11的排气侧部12具有排气侧机壳15和由设有多个叶片部的轴23支撑的涡轮14。
排气侧机壳15具有将排出气体供给涡轮14的排气流入通道19。排气流入通道19，被形成为能够缠绕在涡轮14外周的环状，与发动机排气流路连接，从图中未示出的发动机中排出的气体在发动机排气流路中流动。
排气侧机壳15具有将能量赋予涡轮14后的排出气体排出的排气流出口21。排气流出口21，被形成为大约与涡轮14旋转中心同轴的近似圆筒状。与排气流出口21相反侧的开口部，被排气侧内板22阻塞。
在涡轮14上形成有成为一体的轴23。轴23贯通排气侧内板22，并被轴承24支撑着，可自由旋转。涡轮14一般由镍基超合金、轴23一般由合金钢或碳钢形成。
压缩机叶轮1被收纳在吸气侧机壳17的内部。吸气侧机壳17有向压缩机叶轮16内吸入空气的吸气流入口27。吸气流入口27被形成为大约与压缩机叶轮16旋转中心同轴的近似圆筒状。吸气流入口27相反侧的开口部被吸气侧内板55阻塞。
由压缩机叶轮16赋予了速度能量的空气，通过扩压器56部将速度能量转换成压力能量，通过所形成的能够缠绕在压缩机叶轮16外周部的环状的吸气排出通道28，供给图中未示出的发动机的给气口。
在叶片部18上，有叶片的轴向宽度较长的全叶片18A和相对全叶片18A而言叶片入口从轴向途中开始的中间叶片18，两者交互配置。
如图2和图3所示，本发明的压缩机叶轮16的本体部29为实芯，没有设置安装孔或安装穴。
背面侧圆盘部29B的最后面，一体设置有与本体部29和芯吻合的圆筒部43。而且，在圆筒部43的下端部，设置有具有比圆筒部43直径小的外螺纹的叶轮外螺纹部44，也形成为一体。为了确保与轴23的同轴度，在叶轮外螺纹部44上设置有装配孔44H。
在压缩机叶轮16的叶轮入口部35的外周部上，设置有螺母状加工部16N。螺母状加工部16N上加工出了施加紧固转矩的装卡部，例如螺母状加工或形成两平行面的加工均可，使得用扳手等能把持住该部位。
图4表示了图1的P部放大图。于安装在涡轮14上的轴23的前端部处，设有与轴23同轴的加工成圆筒状的轴圆筒部60。
在轴圆筒部60的更前端，设置有轴外螺纹部46。使轴外螺纹部46的螺纹尺寸与叶轮外螺纹部44的相同，因此，轴外螺纹部46与叶轮外螺纹部44的外径相同。在轴23的前端，具有与轴23同轴的被精密加工成圆筒形的装配圆筒部23H。使得装配圆筒部23H尺寸能以很小的间隙配合或过盈配合插入叶轮外螺纹部44的装配孔44H中。
如图1和图4所示，在套筒49的圆筒部49E上，设置有安装推力轴承48的法兰部49F，而且，套筒49旋转轴的轴向中部的外圆周部，设置有环绕整个周的密封槽50。在套筒49的内圆周部58的轴23一侧，设置有与内圆周部58的轴外螺纹部46相配的轴侧内螺纹53，在压缩机叶轮16一侧，设置有与叶轮外螺纹部44相配的涡轮侧内螺纹部52。
使轴外螺纹部46的螺纹尺寸与叶轮外螺纹部44的相同，因此，套筒49的轴侧内螺纹部53与涡轮侧内螺纹部52的螺纹尺寸相同。即，在套筒49内圆周上设置的内螺纹，可一次加工形成，加工容易，能够获得良好的轴侧内螺纹部53与涡轮侧内螺纹部52的同轴度精度。
如图1和图4所示，轴外螺纹部46与叶轮外螺纹部44，通过设置内螺纹部52、53的套筒49而被连接。
如图4示，轴23的装配圆筒部23H，以很小的间隙配合或过盈配合被插入压缩机叶轮16的装配孔44H中。在套筒49的压缩机叶轮16侧端部的内圆周部58上，与设置在压缩机叶轮16背面处的圆筒部43相对，加工成凹部。在叶轮外螺纹部44的前端，具有与叶轮外螺纹部44同轴的被精密加工成圆筒形的涡轮装配圆筒部44H。在套筒49的压缩机叶轮16侧的端部内径中，设置有涡轮装配孔57。在涡轮16的圆筒部43的端部，设置有涡轮装配圆筒部43H。
涡轮装配圆筒部43H与套筒49的涡轮装配孔57，具有以很小的间隙配合插入的尺寸。因此，能够确保压缩机叶轮16与轴23的同轴度。
在套筒49的圆筒部49E的压缩机叶轮16侧的外周部61上，已被被加工成诸如两平行面或螺母状(未图示)，使得用扳手等能把持住该部位。
在套筒49的密封槽50中，嵌入用FC材料等形成的密封圈51。如果密封圈51受到使其直径缩小的力，则其外圆周部嵌入并压靠在吸气侧内板55的内圆周部上。
在图5中，用流程图表示了将压缩机叶轮16安装到轴23上的顺序。
首先，将在中央部设置有圆形孔的圆板状止推环47、插入被轴承24支撑的轴23中(步骤S11)。
其次，将推力轴承48插入轴承座45中(步骤S12)。在推力轴承48上，设置有通过润滑用油的油路56，润滑油对旋转的套筒49及止推环47与非旋转侧的推力轴承48的接触面进行润滑。
将套筒49旋入轴23中(步骤S13)。这时，用扳手等把持住套筒49的被加工成螺母状的外周部61，将套筒49旋入轴外螺纹部46上。
继而，将吸气侧内板55固定到轴承座45上(步骤S14)。这样，推力轴承48被夹在作为非旋转侧部件的轴承座45与吸气侧内板55之间而被固定。这样，套筒49及止推环47就和轴23一体旋转。
其结果是，通过步骤S13，将固定在非旋转侧部件上的推力轴承48夹在与轴23一体旋转的旋转部件的止推环47和套筒49之间。因此，旋转时作用在轴23上的推力由止推轴承48承受，旋转轴的轴向位置被限制住。
而且，通过步骤S14，当将吸气侧内板55固定到轴承座45上后，密封圈51的外圆周部压靠在吸气侧内板55的内圆周部上。这样，防止了用于润滑轴承24及推力轴承48的润滑油流进压缩机叶轮16背面的空间、即被称为背面室的一侧。
次之，将压缩机叶轮16旋入套筒49上(步骤S15)。这时，如图1所示，用扳手等把持住压缩机叶轮16的叶轮入口部35的螺母状加工部16N与涡轮14的螺母状加工部14N，相互旋入。同时，将轴23的装配圆筒部23H以很小的间隙配合或过盈配合插入压缩机叶轮16的装配孔44H中。从而将压缩机叶轮16与轴23之间结合。
如上说明的那样，根据本发明，在压缩机叶轮16的下部设置有叶轮外螺纹部44。在叶轮外螺纹部44和轴23前端部设置的轴外螺纹部46，通过在两侧设置内螺纹部52、53的套筒49而被连接起来。
这样，即使没有以往技术中的安装孔125或安装穴242，也能实现压缩机叶轮16与轴23的结合，因此，可将压缩机叶轮16作成实芯的。即，向压缩机叶轮16加载的应力变小，即使是以高转速旋转，也很少发生破损。
用图6说明其理由。图6是表示采用以往技术的压缩机叶轮的安装孔内径φ与加载在压缩机叶轮旋转轴轴向的、压缩机叶轮外圆周部为最大的最大外圆周部位的、压缩机叶轮上应力T大小之间关系的曲线图。如图6所示，如果安装孔内径为零，则应力T很小，但在安装孔内径过小的时候，应力T变得非常大。而且，在大于某个内径D时，安装孔内径越大，应力T越大。
也就是说，可以看出，与以往的技术不同，在本发明的没有安装孔的实芯的情况下，应力变小了。
下面，说明实施例2。实施例2与实施例1的P部结构不同。和实施例1相同的部分用同一的符号表示并省去说明。
如图7所示，叶轮外螺纹部44A的螺纹尺寸比轴外螺纹部46的螺纹尺寸大。叶轮外螺纹部44A的前端具有与叶轮外螺纹部44A同轴的、被精密加工成圆筒形的叶轮装配圆筒部44JH。在套筒49A的轴侧内螺纹部53与叶轮侧内螺纹部52A之间设置有套筒装配孔49JH。叶轮装配圆筒部44JH插入套筒49A的套筒装配孔49JH，呈很小的间隙配合。
在套筒49A的内圆周部58A的轴23一侧，设置有与轴外螺纹部46相配的轴侧内螺纹部53，而在套筒49A的压缩机叶轮16A一侧，设置有与叶轮外螺纹部44A相配的叶轮侧内螺纹部52A。使叶轮外螺纹部44A的螺纹尺寸比轴外螺纹部46的螺纹尺寸大。
轴外螺纹部46与叶轮外螺纹部44A，通过设置有叶轮侧内螺纹部52A以及轴侧内螺纹部53的套筒49A被连接在一起。
轴23的装配圆筒部23H，以很小的间隙配合或过盈配合插入压缩机叶轮16A的装配孔44H中，进而，叶轮装配圆筒部44JH，以很小的间隙配合插入套筒49A的套筒装配孔49JH中。即，能够充分地确保压缩机叶轮16A与轴23的同轴度。叶轮装配圆筒部44JH，既可以设置在叶轮外螺纹部44A的前端部外圆周处，也可以设置在叶轮外螺纹部44A的螺纹终端的外圆周处。
压缩机叶轮16A及叶轮外螺纹部44A，由例如铝合金的铸造等而形成。另一方面，轴23及轴外螺纹部46，由铁或铁合金等硬质材料形成。因此，与压缩机叶轮16A一体形成的叶轮外螺纹部44A的直径比轴23前端部设置的轴外螺纹部46的直径大，这样，强度较低的铝合金铸件侧较粗，因而其中的任何一方特别容易破损的情况很少。
下面说明实施例3。实施例3与实施例1的P部结构也不相同。和实施例1相同的部分用同一的符号表示并省去说明。
如图8所示，在轴23B的前端部，具有与轴23B同轴的、被加工成圆筒形的轴圆筒部60。
进而，在轴圆筒部60的前端，设置有轴外螺纹部46B。使叶轮外螺纹部44B的螺纹尺寸比轴外螺纹部46B的螺纹尺寸大，因此，叶轮外螺纹部44B的外径比轴外螺纹部46B的大。进而，在轴外螺纹部46B的前端，具有与轴23B同轴的被精密加工成圆筒形的轴装配圆筒部23JH。
在套筒49B的轴侧内螺纹部53B与叶轮侧内螺纹部52B之间，设置有轴装配孔49SH。轴装配圆筒部23JH，具有以很小的间隙配合插入套筒49B的轴装配孔49SH中的尺寸。在轴23B的前端，具有与轴23B同轴的被精密加工成圆筒形的装配圆筒部23BH。圆筒部23BH插入叶轮外螺纹部44B的装配孔44BH中，呈很小的间隙配合或过盈配合。
轴装配圆筒部23JH，既可设置在轴外螺纹部46B的前端外圆周处，也可如图8所示，设置在轴外螺纹部46B的终端侧。
在图8中所示的套筒49B的内圆周部58B的轴23B一侧，设置有与轴外螺纹部46B相配的轴侧内螺纹部53B、而套筒49B的在压缩机叶轮16B一侧，设置有与叶轮外螺纹部44B相配的叶轮侧内螺纹部52B。使叶轮外螺纹44B的螺纹尺寸比轴外螺纹部46B的螺纹尺寸大，因此，叶轮侧内螺纹部52B的螺纹尺寸比轴侧内螺纹部53B的螺纹尺寸大。
轴外螺纹部46B与叶轮外螺纹部44B，通过设置有叶轮侧内螺纹部52B以及轴侧内螺纹部53B的套筒49B而被连接在一起。
轴23B的装配圆筒部23BH，以很小的间隙配合或过盈配合插入压缩机叶轮16B的装配孔44BH中，进而，轴装配圆筒部23JH，以很小的间隙配合插入套筒49B的轴装配孔49SH。因此，能够充分确保压缩机叶轮16A与轴23的同轴度。
下面说明实施例4。实施例4是向实施例3中追加了实施例2的套筒和叶轮的装配部的结构。和实施例2、3相同的部分用同一的符号表示并省去说明。
如图9所示，轴23B具有轴圆筒部60、轴外螺纹部46B以及轴装配圆筒部23JH。在套筒49C中，设置有轴装配孔49SH。轴装配圆筒部23JH，具有以很小的间隙配合插入套筒49C的轴装配孔49SH中的尺寸。在轴23B的前端具有装配圆筒部23BH。装配圆筒部23BH，具有以很小的间隙配合或过盈配合插入在叶轮外螺纹部44A的装配孔44H中的尺寸。
在叶轮外螺纹部44A的前端，具有与叶轮外螺纹部44A同轴的、被精密加工成圆筒形的叶轮装配圆筒部44JH。在套筒49C的轴侧内螺纹部53C与叶轮侧内螺纹部52C之间，设置有套筒装配孔49JHC。叶轮装配圆筒部44JH具有以很小的间隙配合插入在套筒49C的套筒装配孔49JHC中的尺寸。
在套筒49C的内圆周部58C的轴23B一侧，设置有与轴外螺纹部46B相配的轴侧内螺纹部53C，而在套筒49C的压缩机叶轮16A一侧，设置有与叶轮外螺纹部44A相配的叶轮侧内螺纹部52C。
轴外螺纹部46B与叶轮外螺纹部44A，通过设置有叶轮侧内螺纹部52C以及轴侧内螺纹部53C的套筒49C而被连接在一起。
轴23的装配圆筒部23BH，以很小的间隙配合或过盈配合插入在压缩机叶轮16的装配孔44H中。进而，轴装配圆筒部23JH，以很小的间隙配合插入在套筒49C的轴装配孔49S中。另外，叶轮装配圆筒部44JH，以很小的间隙配合插入在套筒49C的套筒装配孔49JHC中。因此，能够充分确保压缩机叶轮16A与轴23B的同轴度。
下面说明实施例5。实施例5与实施例3的不同之处在于追加了板70。
如图10所示，轴23D具有轴圆筒部60、轴外螺纹部46D以及轴装配圆筒部23JHD。在套筒49D中设置有轴装配孔49SHD。在轴23D的前端具有装配圆筒部23DH，具有以很小的间隙配合或过盈配合插入在叶轮外螺纹部44D的装配孔44DH中的尺寸。套筒49D设置有轴侧内螺纹部53D和叶轮侧内螺纹部52D。
在压缩机叶轮16D与轴23D紧固后，使压缩机叶轮16D的圆筒部43D的端面43DT与套筒49D的端面49DT之间无间隙。垫片状的板70被夹紧在叶轮外螺纹部44D的端面44DT与套筒49D的阶梯部49DD之间。板70用比压缩机叶轮16D硬的材料制成，当安装压缩机叶轮16D、施加紧固扭矩时，受压的压缩机叶轮16D一侧的端面变大，因此能够降低挤面压。
而且，在本发明中，在轴23、23B、23D上设置有轴外螺纹部46、46B、46D，向其旋入具有内螺纹部52、52A、52B、52C、52D、53、53B、53C、53D的套筒49、49A、49B、49C、49D。这样，如果与在轴上设置有内螺纹的方式比，叶轮侧内螺纹部52D的螺纹直径可增大，能够提高连接强度。
在套筒49、49A、49B、49C、49D的外圆周部设置有密封槽50，能以紧密的结构密封润滑油。
压缩机叶轮16、16A、16B、16D的外螺纹44、44A、44B、44D、轴的外螺纹部46、46B、46D以及套筒49、49A、49B、49C、49D的内螺纹52、52A、52B、52C、52D、53、53B、53C、53D，当从压缩机叶轮16、16A、16B、16D的入口的吸气流入口27看时，压缩机叶轮16、16A、16B、16D左转时作为右螺纹，而当压缩机叶轮16、16A、16B、16D右转时作为左螺纹，这样，因压缩机叶轮16、16A、16B、16D被急速加速旋转时的惯性力而产生的旋转扭矩向拧紧螺纹方向作用，因而能够防止螺纹松动。
不仅如此，本发明中仅说明了有关涡轮增压机的应用实施例，然而，在诸如小燃气轮机或机械驱动式增压器等其它涡轮机械中也能应用。
权利要求
1.一种压缩机叶轮与轴的结合构造，其特征在于包括压缩机叶轮、轴和套筒，上述压缩机叶轮，在其背面中心部设置的凸起的外圆周上形成有外螺纹，上述轴，在其一端形成有外螺纹，上述套筒，在其两端形成有内螺纹，且与上述压缩机叶轮和上述轴结合，进而，在上述压缩机叶轮和上述轴之间设置有装配部。
2.根据权利要求1所述的结合构造，其特征在于在上述压缩机叶轮和上述套筒之间设置有装配部。
3.根据权利要求1所述的结合构造，其特征在于在上述轴和上述套筒之间设置有装配部。
4.根据权利要求1所述的结合构造，其特征在于在上述压缩机叶轮和上述轴上，对应上述套筒分别设置有装配部。
5.据权利要求1～4中任意一项所述的结合构造，其特征在于进而具有由比上述压缩机叶轮强度更高的材料制造的板，上述压缩机叶轮和上述套筒，将上述板夹在上述压缩机叶轮的上述外螺纹前端的端面与上述套筒的上述内螺纹终端的端面之间而连接。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的结合构造，其特征在于上述外螺纹和上述内螺纹，当从上述压缩机叶轮的入口看时，在上述压缩机叶轮左旋转时为右螺纹，在上述压缩机叶轮右旋转时为左螺纹。
全文摘要
一种压缩机叶轮与轴的结合构造，在压缩机叶轮背面中心部设置的凸起的外圆周上形成外螺纹，在轴的一侧形成外螺纹，由在两端部形成有内螺纹的套筒将压缩机叶轮和轴结合，并在压缩机叶轮和轴之间设置有装配部。这种压缩机叶轮与轴的结合构造，即使在高速旋转的情况下也很少发生破损。
文档编号F02B39/00GK1654827SQ200510007930
公开日2005年8月17日 申请日期2005年2月5日 优先权日2004年2月10日
发明者西山利彦, 杉户博, 饭野任久, 小川哲明, 佐藤弘康 申请人:株式会社小松制作所