説明

可変容量ターボチャージャ及びその製造方法

【課題】摺動部の摩耗が生じても異常摩耗を防止できる可変容量ターボチャージャ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】タービン21のノズルベーン30の翼角度を調整するクランク軸24Cとそのクランク軸24Cを支持するブッシュをタービンハウジング26外に備えた可変容量ターボチャージャにおいて、クランク軸24Cにより支持される支持部に、ポリアミドイミド樹脂中に二硫化モリブデン粒子とグラファイトを分散させた皮膜10を形成したものである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、タービンに翼角度可変のノズルベーンを備えた可変容量ターボチャージャに係り、特にそのノズルベーンの翼角度を調整するノズル翼角度調整機構のクランク軸の耐摩耗性を向上させた可変容量ターボチャージャ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
車両用ディーゼルエンジンには、ターボチャージャが装着されているが、一般的には固定容量(コンベンショナル)のターボチャージャが使われている、しかし、2011年より規制が強化される北米や欧州の規格に適用するために、固定容量に代えて、可変容量ターボチャージャ(VNT、VGTと呼ばれている)の採用が決定されている。
【0003】
この車両用ディーゼルエンジンに装着される従来の可変容量ターボチャージャは、特許文献1,2に示されるようにタービン側にノズルベーンを設けて排ガス流量を制御するもので、これを図7〜図9により説明する。
【0004】
図9に示すように可変容量ターボチャージャ20は、タービン21とコンプレッサ22をベアリングハウジング29で連結し、そのタービン21にタービン容量可変機構24が設けられて構成される。
【0005】
タービン21は、タービンインペラ25と、タービンインペラ25を囲み、排ガスが導入されるタービンハウジング26とからなり、コンプレッサ22は、コンプレッサインペラ27と、コンプレッサインペラ27を囲み、吸気が導入されるコンプレッサハウジング28とからなる。タービンインペラ25とコンプレッサインペラ27とはターボ軸23で連結され、ターボ軸23がベアリングハウジング29内に収容されると共にベアリングハウジング29内に設けた軸受部(図示せず)で軸承される。
【0006】
タービン容量可変機構24は、図7〜図9に示すように、タービンハウジング26のノズルスロート部26aの円周方向に沿って適宜間隔で翼角度可変に設けられた多数のノズルベーン30と、これらノズルベーン30をリンクプレート31を介して連結されたノズル翼角度調整リング32と、そのノズル翼角度調整リング32の溝32aに係合し、ノズル翼角度調整リング32を回動するためのクランクレバー33と、そのクランクレバー33に連結され、タービンハウジング26外に延出されるクランク軸34Cと、ベアリングハウジング29に設けられクランク軸34Cを回転自在に支持するブッシュ34Bと、延出されたクランク軸34Cに連結され、クランク軸34Cを回転するためのコントロールリンク35と、そのコントロールリンク35を駆動するモータからなる駆動装置36とからなる。
【0007】
コントロールリンク35は、図8に示すように、駆動装置36に連結された第1駆動レバー37と、クランク軸34Cに連結された第2駆動レバー38と第1及び第2駆動レバー37,38を連結するリンクピン39a,39bを備えたコントロールロッド40とからなる。
【0008】
このタービン容量可変機構24によるノズルベーン30の翼角度調整は、図9に示すように、駆動装置36が所定角度回転することで、コントロールロッド40が往復移動し、これによりクランク軸34が所定角度回転すると共にクランクレバー33が回動して、ノズル翼角度調整リング32が所定角度回転し、これにより、リンクプレート31を介してノズルベーン30の翼角度が調整され、タービンハウジング26からノズルスロート部26aを介してタービンインペラ25に流入する排ガスの流入角とその容量が調整されることで、タービンインペラ25の回転速度を可変することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開平05−296053号公報
【特許文献2】特開2004−270472号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
ところで、クランク軸34Cとブッシュ34Bは、タービンハウジング26外に設けられるものの、タービンハウジング26の外側雰囲気でも300℃以上の高温に晒されるため、潤滑油による潤滑は不可能であり、ブッシュ34B内をクランク軸34Cが回転すると共に、そのクランク軸34Cの回転時の傾動により、その回転摺動面は、摩擦抵抗が大きくなる問題がある。
【0011】
従来は、ブッシュ34Bとクランク軸34CをSUSで形成し、その摺動面をクロマイズ処理(クロム元素により表面硬化処理)或いは硬化処理として、窒化処理、浸炭処理、DLCコーティング(ダイアモンド・ライク・コーティング)、トリバロイT400合金(登録商標)、ハステロイ(登録商標)などを用いることが提案されている。
【0012】
しかしながら、材料強度を強化しても、高温環境で使用されるため機械的摩擦が避けられず、異常摩耗を防ぐことはできない問題がある。
【0013】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、摺動部の摩耗が生じても異常摩耗を防止できる可変容量ターボチャージャ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記目的を達成するために請求項1の発明は、タービンのノズルベーンの翼角度を調整するクランク軸とそのクランク軸を支持するブッシュをタービンハウジング外に備えた可変容量ターボチャージャにおいて、クランク軸がブッシュに支持される支持部に、ポリアミドイミド樹脂中に二硫化モリブデン粒子とグラファイトを分散させた皮膜を形成したことを特徴とする可変容量ターボチャージャである。
【0015】
請求項2の発明は、タービンのノズルベーンの翼角度を調整するクランク軸とそのクランク軸を支持するブッシュをタービンハウジング外に備えた可変容量ターボチャージャの製造方法において、ポリアミドイミド樹脂を55〜65質量部、二硫化モリブデン粒子を20〜30質量部、グラファイトを1〜10質量部とし、これにバインダを加え、これを前記クランク軸の外周面に塗布した後乾燥させ、これを数回繰り返し、皮膜厚さを30±10μmにした後、これを焼成して皮膜を形成したことを特徴とする可変容量ターボチャージャの製造方法である。
【0016】
請求項3の発明は、前記クランク軸の外周面にクロマイズ処理又は窒化処理を行った後、前記皮膜を形成した請求項3記載の可変容量ターボチャージャの製造方法である。
【発明の効果】
【0017】
本発明は、摺動面に、ポリアミドイミド樹脂中に、二硫化モリブデンとグラファイトを分散させた皮膜を形成することで、高温環境であっても摺動性が高く耐摩耗性に優れたクランク軸とブッシュとすることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の可変容量ターボチャージャのタービン容量可変機構におけるクランク軸とブッシュの一実施の形態を示す図である。
【図2】本発明の可変容量ターボチャージャのタービン容量可変機構を構成するクランク軸とブッシュの摺動面に形成した皮膜の耐摩耗性と摺動性を説明する図である。
【図3】本発明と従来例における耐摩耗試験結果を示す図である。
【図4】従来における摺動面の摩耗を説明する図である。
【図5】タービン容量可変機構におけるクランク軸とブッシュに作用する力を説明する斜視図である。
【図6】図5においてクランク軸とブッシュに作用する力でクランク軸が傾動する状態を説明する図である。
【図7】可変容量ターボチャージャのノズルベーンと翼角度調整リング構造の詳細を示す斜視図である。
【図8】可変容量ターボチャージャのコントロールリンクの詳細を示す斜視図である。
【図9】可変容量ターボチャージャの全体断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0020】
先ず、可変容量ターボチャージャの基本的構成は、図7〜図9で説明したとおりであり、その詳細な説明は省略する。
【0021】
さて、図1は、本発明のタービン容量可変機構におけるノズル翼角度調整リングとクランク軸及びブッシュとコントローリンクを示したものであり、図1(a)はその全体図、図1(b)はノズル翼角度調整リング32とクランクレバー33とクランク軸34Cとブッシュ34Bとコントルロールリンク35の要部組立斜視図を示したものである。
【0022】
図1(a)に示すようにノズル翼角度調整リング32には、クランクレバー33に係合する溝32aが形成される。図1(b)に示すようにクランクレバー33は、ノズル翼角度調整リング32の溝32aに係合する係合ピン33aと、クランク軸34Cの下端を連結するボス部33bを有する。クランク軸34Cはブッシュ34Bにて回転自在に支持され、そのブッシュ34Bが図9で説明したベアリングハウジング29に支持される。
【0023】
クランク軸34Cには、コントロールリンク35の第2駆動レバー38に連結され、第2駆動レバー38にコントロールロッド40のピン39bが設けられる。このピン29bは、第2駆動レバー38に固定して設けられる例を示したが、図8で示したように、第2駆動レバー38に回転自在に嵌合し、コントロールロッド40に固定して設けるようにしてもいずれでもよい。
【0024】
本発明においては、クランク軸34Cの外周面とブッシュ34Bの内周面の摺動面、特にブッシュ34Bの内周面に、耐摩耗性と自己潤滑性を有する皮膜10を形成したものである。
【0025】
またこれら摺動面は、皮膜形成前に、クロマイズ処理や窒化処理を施され、その硬化層の外周面に皮膜10が形成される。
【0026】
この皮膜10の成分は、
(A)ポリアミドイミド樹脂 55〜65質量部
(B)二硫化モリブデン粒子 20〜30質量部
(C)グラファイト 1〜10質量部
(D)顔料(無機質粉末) 5〜15質量部
からなる。
【0027】
(A)ポリアミドイミド樹脂としては、耐熱温度260℃以上の耐熱性があるもので、乾燥ないし焼成前の数平均分子量が、2000〜8000であるものを用いる。
【0028】
(B)二硫化モリブデン粒子は、自己潤滑性に優れた粒子であり、平均粒径は1〜2μmのものを用いる。
【0029】
(C)グラファイトとしては、自己潤滑性に優れると共に、摩耗して皮膜から剥離しても潤滑性を有するので好ましく、平均粒径は1〜2μmのものを用いる。
【0030】
(D)顔料としては、表面がグレー系となる粉末で、炭酸カルシウムなどの白色系無機質粉末を用いる。この無機質粉末は、(B)二硫化モリブデンと(C)グラファイト粒子がポリアミドイミド樹脂中から容易に剥離しないように、これらを樹脂中に固定するために用いる。
【0031】
この(A)〜(D)の成分に溶剤(N−メチル−2−ピロリドン(NMP))を加えて皮膜形成樹脂前駆体とする。
【0032】
この皮膜形成樹脂前駆体をスプレー塗装等にてブッシュ34Bの内周面(或いはクランク軸34Cの外周面)にコーティング膜を形成した後、70〜90℃で20分以上加熱乾燥する。このスプレー塗装と乾燥を3〜5回繰り返し、最終的に30±10μm、好ましくは30μm厚さのコーティング膜を形成した後、230℃±10℃で45±5分焼き付けてコーティング膜を焼成することで皮膜10を形成する。
【0033】
この皮膜10の特性は、
摩擦係数 0.06(代表値)
碁盤目テスト 100/100(JIS K 5400)
鉛筆硬度 5H
耐熱性 約600℃×30分加熱した後も変化なし
であった。
【0034】
また、耐摩耗性試験は、皮膜を施した試験片を、360℃×20時間加熱した後、60℃×90%×100時間湿潤環境に晒した後に試験を行ったもので、約300000回の摺動摩擦に耐えることを確認した。
【0035】
この際の摩耗試験は、試験片にSUS440C球を当て、荷重1kgfをかけ、摺動速度1.5m/sec、摩擦半径16.5、回転数870rpmとし、リンクピンの摩擦係数である0.3に、上昇するまでの回数で測定した。
【0036】
なお、ブッシュ34B(或いはクランク軸34C)は、クロマイズ処理し後に塗装するが、サンドブラスト処理して表面を粗面化して行ってもよい。
【0037】
次に皮膜10の作用を説明する。
【0038】
図5は、タービン容量可変機構におけるクランク軸とブッシュに作用する力を説明する斜視図である。
【0039】
可変容量ターボチャージャの翼角度調整のための駆動リンク中、コントロールリンク35側の第2駆動レバー38側と、ノズル翼角度調整リング32のクランクレバー33には、図示の矢印で示したようにほぼ対向する方向の力が作用する。このため、クランク軸34Cには、図6(a)のようにモーメント荷重が働き、図6(b)に示すようにクランク軸34Cが傾動して、両端部分の面圧が極端に高くなる。このため、回転揺動に伴って、強いエッジ当たりとなり、摩耗が急速にすすみやすい。
【0040】
図4は、皮膜を形成していない従来のブッシュ34Bの内周面とクランク軸34Cの外周面の状態を示している。
【0041】
この従来例においては、図4(a)に示すようにクランク軸34Cの表面は窒化処理をしていてもミクロンオーダの加工荒さが残っており、かつクランク軸34Cの傾動により、さらにエッジロードが負荷され、接触応力が極めて高くなり、接触部分のミクロの破壊が発生し、図4(b)に示すように接触部の硬化層が欠け落ちて破損片34Pとなって摺動面から消失する。このクランク軸34Cとブッシュ34Bは、両端にプレートなどで半閉塞された環境であり、硬度の硬い破損片34Pが長時間滞留する可能性があり、摩耗をさらに進行させてしまう。
【0042】
これに対して、本発明は、皮膜10を形成することで、上述した異常摩耗を防止できるようにしたものである。
【0043】
これを図2により説明する。
【0044】
図2は、クランク軸34C(又はブッシュ34B)に形成した皮膜10の断面を拡大した模式図を示している。
【0045】
先ず図2(a)に示すように皮膜10の形成直後は、ポリアミドイミド樹脂11A中に、二硫化モリブデン粒子11Bとグラファイト11Cが分散した状態の皮膜10が形成されたクランク軸34C(又はブッシュ34B)となり、この状態で、ブッシュ34B(又はクランク軸34C)と接した状態となる。
【0046】
このように皮膜10中に二硫化モリブデン粒子11Bとグラファイト11Cを含むことで、摺動面の摺動性は高温下でも良好となる。
【0047】
ここで、クランク軸34Cが傾いているとき、エッジ部34Eでの接触応力が高くなり、図2(b)に示すように、エッジ部分が皮膜10に食い込み、皮膜10か二硫化モリブデン粒子11Bとグラファイト11Cが放出されていき、図2(c)に示すようエッジ部34Eがクランク軸34Bの硬化層と接触することとなるが、皮膜10の固体潤滑性により、緩やかな摺動摩耗により、表面がむしれる摩耗を抑制し(鏡面状の摩耗)を発生させることにより、硬化層や母材のもつ耐摩耗性能を最大限に引き出すことができる。
【0048】
このように、本発明は、クランク軸34Cとブッシュ34Bの摺動面にポリアミドイミド樹脂からなる皮膜10を形成し、その皮膜10が摩耗しても、ポリアミドイミド樹脂に分散させた二硫化モリブデンやグラファイトが固体潤滑材となって、表面荒さの不具合を解消し最終的には摺動面を鏡面加工した状態とすることができる。
【0049】
次に、図3により本発明と従来例1,2のクランク軸34Cとブッシュ34Bを用いて摩耗試験を行った結果を説明する。
【0050】
図3において、本発明と従来例1,2では、クランク軸34Cとブッシュ34Bは、共にSUSで、従来例1,2は窒化層を、共に50μm、本発明では、窒化層50μmに30μmの皮膜を施したものである。
【0051】
試験条件は、加速するための振動加速度を30Gで加振した。この摩耗速度は、実際の3倍程度の加振である。
【0052】
この結果、従来例1,2では、130時間で硬化層(50μm)が摩耗するのに対し、本発明では、摩耗か極めて遅く、3倍の試験時間でも皮膜の1/2程度の摩耗しか発生せず、想定寿命時間は、1142(hr)以上となり、延命効果は従来の8.794倍以上延命できることが確認された。
【符号の説明】
【0053】
10 皮膜
24 タービン容量可変機構
30 ノズルベーン
34C クランク軸
34B ブッシュ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
タービンのノズルベーンの翼角度を調整するクランク軸とそのクランク軸を支持するブッシュをタービンハウジング外に備えた可変容量ターボチャージャにおいて、クランク軸がブッシュに支持される支持部に、ポリアミドイミド樹脂中に二硫化モリブデン粒子とグラファイトを分散させた皮膜を形成したことを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
【請求項2】
タービンのノズルベーンの翼角度を調整するクランク軸とそのクランク軸を支持するブッシュをタービンハウジング外に備えた可変容量ターボチャージャの製造方法において、ポリアミドイミド樹脂を55〜65質量部、二硫化モリブデン粒子を20〜30質量部、グラファイトを1〜10質量部とし、これにバインダを加え、これを前記クランク軸の外周面に塗布した後乾燥させ、これを数回繰り返し、皮膜厚さを30±10μmにした後、これを焼成して皮膜を形成したことを特徴とする可変容量ターボチャージャの製造方法。
【請求項3】
前記クランク軸の外周面にクロマイズ処理又は窒化処理を行った後、前記皮膜を形成した請求項2記載の可変容量ターボチャージャの製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2012−149613(P2012−149613A)
【公開日】平成24年8月9日(2012.8.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−10300(P2011−10300)
【出願日】平成23年1月20日(2011.1.20)
【出願人】(000000170)いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Fターム(参考)】