JP2592502Y2 - Joint structure of ceramic shaft and metal ring - Google Patents
Joint structure of ceramic shaft and metal ringInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本考案はセラミックシャフトと金
属リングとの接合構造に関し、特に、セラミック製のタ
ーボチャージャロータやガスタービンロータ等の部品に
おけるセラミックシャフト（シャフト部）と、金属リン
グとの接合構造に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a joint structure between a ceramic shaft and a metal ring, and more particularly, to a joint between a ceramic shaft (shaft portion) and a metal ring in a component such as a ceramic turbocharger rotor or a gas turbine rotor. Regarding the structure.
【０００２】[0002]
【従来の技術及び考案が解決しようとする課題】近年、
自動車部品を始めとする種々の機械部品において、金属
部品に代わってセラミック製のものが広く使用されるよ
うになってきた。たとえば、セラミック製のターボチャ
ージャロータやガスタービンロータ等が開発され、一部
実用化されている。2. Description of the Related Art
In various mechanical parts including automobile parts, ceramic parts have been widely used instead of metal parts. For example, turbocharger rotors, gas turbine rotors, and the like made of ceramics have been developed and partially put to practical use.
【０００３】このようなセラミック部品は金属部品のよ
うに溶接により他の部品と接合することはできないの
で、嵌合等により他の金属部品と接合することが行われ
ている。たとえば、セラミック部品の軸部（以下セラミ
ックシャフトと呼ぶ）を金属製のリングまたはスリーブ
内に嵌入して両者を接合する方法が一般に採用される。
セラミックシャフトと金属リングとを接合する場合に
は、あらかじめ金属リングの内径をセラミックシャフト
の外径よりやや小さく製作しておき、焼ばめや冷しば
め、あるいは、圧入等の方法により両者を接合する。以
上の接合方法のうち、簡単でかつ無理なく両者を接合す
るには焼きばめが良い。[0003] Since such a ceramic component cannot be joined to another component by welding like a metal component, it has been joined to another metal component by fitting or the like. For example, a method of fitting a shaft part (hereinafter, referred to as a ceramic shaft) of a ceramic component into a metal ring or sleeve and joining them together is generally adopted.
When joining a ceramic shaft and a metal ring, make the inside diameter of the metal ring slightly smaller than the outside diameter of the ceramic shaft in advance, and fit them together by shrink fitting, cold fitting, or press fitting. Join. Of the above joining methods, shrink fitting is preferable for joining both easily and without difficulty.
【０００４】ところで、図７に模式的に示すように、セ
ラミックシャフト71を円筒状の（軸方向に内径が変化し
ない）金属リング72に嵌入して両者を接合すると、金属
リング72のシャフト挿入側の端部付近で、セラミックシ
ャフト71に大きな応力集中が発生することが知られてい
る。この応力集中は主としてセラミックシャフト71の半
径内方向への圧縮応力であり、図７に併せて描いたグラ
フからわかるように、セラミックシャフト71と金属リン
グ72との接触端部（点Ａの付近）において最も大きな圧
縮応力がみられる。また、焼きばめにより金属リング72
をセラミックシャフト71に装着した場合、金属リング72
の冷却に伴って金属リング72が軸方向（図７における縦
方向）にも収縮するため、図７の点Ａ付近において、軸
方向の下方にセラミックシャフト71の表面を引っ張る応
力（図７の矢印ｆで示す引張応力）が発生する。このた
め、セラミックシャフト71の特に点Ａ付近において強度
が大きく低下する傾向がみられ、問題となっていた。As shown schematically in FIG. 7, when a ceramic shaft 71 is fitted into a cylindrical metal ring 72 (the inner diameter of which does not change in the axial direction) and joined together, the metal shaft 71 It is known that a large stress concentration occurs on the ceramic shaft 71 near the end of the ceramic shaft 71. This stress concentration is mainly a compressive stress in the radial inward direction of the ceramic shaft 71, and as can be seen from the graph drawn together with FIG. 7, the contact end portion between the ceramic shaft 71 and the metal ring 72 (near point A). , The largest compressive stress is seen. The metal ring 72
Is mounted on the ceramic shaft 71, the metal ring 72
The metal ring 72 also contracts in the axial direction (longitudinal direction in FIG. 7) with the cooling, so that the stress pulling the surface of the ceramic shaft 71 downward in the axial direction near the point A in FIG. f). For this reason, the strength of the ceramic shaft 71, especially near point A, tends to be greatly reduced, which has been a problem.
【０００５】なお、特開昭58−223675号には、セラミッ
クシャフトの接合構造において、上述したようなセラミ
ックシャフトの強度の低下を緩和する目的で、セラミッ
クシャフトと接合する金属製のスリーブ部（金属リング
に相当する）の開口近傍の内壁面を外方に向かって広が
るような滑らかなテーパ面とした接合構造が開示されて
いる。しかしながら、本考案者等の研究によれば、この
構造ではテーパ面が金属リングの内壁面の開口近傍にの
み限定されているため（すなわち、図７に示す接合構造
と実質的に同一となるため）、セラミックシャフトにか
かる圧縮応力及び引張応力の緩和が十分ではなく、セラ
ミックシャフトの破損等を防止するのが困難であること
がわかった。Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-223675 discloses a metal sleeve portion (metal) for joining a ceramic shaft in a ceramic shaft joining structure for the purpose of alleviating the above-mentioned decrease in strength of the ceramic shaft. (Corresponding to a ring) is disclosed, in which an inner wall surface in the vicinity of an opening is formed to have a smooth tapered surface so as to spread outward. However, according to the study of the present inventors, in this structure, the tapered surface is limited only to the vicinity of the opening of the inner wall surface of the metal ring (that is, the structure is substantially the same as the joining structure shown in FIG. 7). ) It was found that the compression stress and the tensile stress applied to the ceramic shaft were not sufficiently relaxed, and it was difficult to prevent the ceramic shaft from being damaged.
【０００６】したがって、本考案の目的は、セラミック
シャフトにかかる圧縮応力及び引張応力を緩和し、接合
後であってもセラミックシャフトの破損が生じないよう
なセラミックシャフトと金属リングの接合構造を提供す
ることである。Accordingly, an object of the present invention is to provide a joint structure of a ceramic shaft and a metal ring which relieves the compressive stress and the tensile stress applied to the ceramic shaft and prevents the ceramic shaft from being damaged even after joining. That is.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本考案者等は、セラミックシャフトをはめ込む
金属リングの内壁面を、セラミックシャフトの挿入側に
形成されて挿入側方向に広がる曲率半径の大きなテーパ
面部と、このテーパ面部の奥側にこれとスムーズに連続
して形成された円筒状面部とから形成し、かつ、金属リ
ングにおけるテーパ面部の長さ及びその曲率半径を特定
の大きさとするとともに、セラミックシャフトと金属リ
ングの接合時の接触端を前記テーパ面部内に位置させる
ように金属リングの形状を設定すれば、セラミックシャ
フトにかかる圧縮応力及び引張応力が緩和され、セラミ
ックシャフトの強度低下を防止できることを見出し、本
考案に想到した。Means for Solving the Problems In view of the above object, as a result of intensive studies, the present inventors have found that the inner wall surface of a metal ring into which a ceramic shaft is fitted has a curvature formed on the insertion side of the ceramic shaft and extending in the direction of the insertion side. It is formed of a tapered surface portion having a large radius and a cylindrical surface portion formed smoothly and continuously on the back side of the tapered surface portion, and the length and the radius of curvature of the tapered surface portion in the metal ring are specified. In addition, if the shape of the metal ring is set so that the contact end at the time of joining the ceramic shaft and the metal ring is located within the tapered surface portion, the compressive stress and the tensile stress applied to the ceramic shaft are reduced, and the ceramic shaft They found that strength reduction could be prevented, and came to the present invention.
【０００８】すなわち、セラミックシャフトを金属リン
グに嵌め合わせて接合する本考案の接合構造は、前記金
属リングの内壁面に、前記セラミックシャフトの挿入側
に形成されて前記挿入側方向に広がるテーパ面部と、前
記テーパ面部の奥側にこれとスムーズに連続して形成さ
れた円筒状面部とが形成されており、前記テーパ面部の
軸線方向の長さＬ1 と、前記金属リングのセラミックシ
ャフト挿入側端部から前記セラミックシャフトと前記金
属リングとの接触面の最奥端部までの長さＬとの比が１
／２≦Ｌ1 ／Ｌ＜１となるように前記テーパ面部が形成
されており、接合前の前記金属リングの縦断面における
前記テーパ面部の曲率半径Ｒと、接合前の前記円筒状面
部の内径Ｄとの比Ｒ／Ｄが15以上であり、前記セラミッ
クシャフトと前記金属リングとの接合時の前記セラミッ
クシャフト挿入側の両者の接触端は、前記テーパ面部内
に位置していることを特徴とする。That is, the joint structure of the present invention in which the ceramic shaft is fitted to the metal ring and joined is provided on the inner wall surface of the metal ring with a tapered surface formed on the insertion side of the ceramic shaft and expanding in the insertion side direction. A cylindrical surface portion formed smoothly and continuously with the tapered surface portion is formed on the inner side of the tapered surface portion, and the axial length L 1 of the tapered surface portion and the ceramic shaft insertion side end of the metal ring are formed. The ratio of the length L to the innermost end of the contact surface between the ceramic shaft and the metal ring is 1
/ 2 ≦ L 1 / L <1. The radius of curvature R of the tapered surface in the longitudinal section of the metal ring before joining, and the inner diameter of the cylindrical surface before joining. A ratio R / D to D is 15 or more, and a contact end of both the ceramic shaft insertion side when the ceramic shaft and the metal ring are joined is located in the tapered surface portion. I do.
【０００９】[0009]
【実施例】以下図面を参照して本考案を詳細に説明す
る。図１は本考案の一実施例によるセラミック部材と金
属部材との接合構造を示す部分断面図であり、セラミッ
クロータ１と金属リング部23を有する金属部材２との接
合構造を示している。セラミックロータ１は羽根部11と
円柱状のシャフト部（以下これをセラミックシャフトと
呼ぶ）12とを有し、このセラミックシャフト12に金属部
材２が接合している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial sectional view showing a joint structure between a ceramic member and a metal member according to an embodiment of the present invention, and shows a joint structure between a ceramic rotor 1 and a metal member 2 having a metal ring portion 23. The ceramic rotor 1 has a blade portion 11 and a cylindrical shaft portion (hereinafter referred to as a ceramic shaft) 12, and a metal member 2 is joined to the ceramic shaft 12.
【００１０】金属部材２は、棒状の軸部22とこの軸部22
の端部に設けられた金属リング部23とを有する。詳しく
は後述するが、セラミックロータ１と接合する前の金属
リング部23の内壁面は、セラミックロータ１の挿入側
（図１における上側）に設けられたテーパ面部と、その
テーパ面部の下方に設けられた円筒状面部（ここで円筒
状面部とは、軸方向に内径が変化しない筒状の曲面部を
指す）とからなる。The metal member 2 includes a rod-shaped shaft portion 22 and the shaft portion 22.
And a metal ring portion 23 provided at an end of the metal ring. As will be described in detail later, the inner wall surface of the metal ring portion 23 before being joined to the ceramic rotor 1 is provided with a tapered surface portion provided on the insertion side (upper side in FIG. 1) of the ceramic rotor 1 and provided below the tapered surface portion. (Here, the cylindrical surface portion refers to a cylindrical curved surface portion whose inner diameter does not change in the axial direction).
【００１１】金属リング部23は、棒状の軸部22に同軸的
に取り付けられており、この金属リング部23に接合した
セラミックロータ１と金属部材２の軸部22とは同一の軸
線を有するように接合している。なお、金属部材２にお
いて、金属リング部23は棒状の軸部22の端面に電子ビー
ム溶接等により固着している（図中の直線ｔ1 の部位に
おいて溶接が施されている）が、この固着（溶接）は、
セラミックロータ１と金属リング部23とを接合した後に
行ってもよいし、金属リング部23にセラミックロータ１
のセラミックシャフト12を嵌入する前に行ってもよい。The metal ring portion 23 is coaxially mounted on the rod-shaped shaft portion 22. The shaft portion 22 of the ceramic rotor 1 and the metal member 2 joined to the metal ring portion 23 have the same axis. Is joined to. Incidentally, in the metal member 2, a metal ring 23 (welding at the site of straight t 1 in FIG been subjected) which adhered to and by electron beam welding or the like to the end surface of the rod-shaped shaft portion 22, the fixed (Welding)
This may be performed after the ceramic rotor 1 and the metal ring 23 are joined, or the ceramic rotor 1 may be attached to the metal ring 23.
May be performed before the ceramic shaft 12 is fitted.
【００１２】次に、金属リング部23とセラミックロータ
１のセラミックシャフト12との接合構造についてさらに
詳細に説明する。図２は接合前（セラミックシャフト12
の挿入前）の金属リング部23の形状を示す部分断面図で
あり、図３はこの金属リング部23にセラミックシャフト
12を挿入して接合した状態を示す部分断面図である。な
お、図２には、この金属リング部23に嵌入されるセラミ
ックシャフト12の接合前の輪郭を破線で示している。Next, the joining structure between the metal ring 23 and the ceramic shaft 12 of the ceramic rotor 1 will be described in more detail. Fig. 2 shows before joining (ceramic shaft 12
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the shape of the metal ring portion 23 (before insertion), and FIG.
FIG. 13 is a partial cross-sectional view showing a state in which 12 has been inserted and joined. In FIG. 2, the outline of the ceramic shaft 12 fitted into the metal ring portion 23 before joining is shown by a broken line.
【００１３】まず、図２からわかるように、接合前の金
属リング部23の内壁面は、セラミックシャフト12の挿入
側に形成されたテーパ面部24と、そのテーパ面部24の奥
部に形成された円筒状面部25とを有する。テーパ面部24
は、図２の点Ｐ1 から点Ｐ2までの間において形成され
ており、点Ｐ1 より下方において円筒状曲面部25が形成
されている。First, as can be seen from FIG. 2, the inner wall surface of the metal ring portion 23 before joining is formed in a tapered surface portion 24 formed on the insertion side of the ceramic shaft 12 and in a deep portion of the tapered surface portion 24. And a cylindrical surface portion 25. Tapered surface 24
Is formed between the terms P 1 in FIG. 2 to the point P 2, the cylindrical curved surface portion 25 is formed at the lower than the point P 1.
【００１４】ここで、テーパ面部24の軸線に沿った長さ
Ｌ1 と、金属リング部23のシャフト挿入側端部からセラ
ミックシャフト12と金属リング部23の接合時の両者の接
触面の最奥端部までの長さＬとの比Ｌ1 ／Ｌが１／２≦
Ｌ1 ／Ｌ＜１となるようにテーパ面部24が形成されてい
る。また、この縦断面におけるテーパ面部24の曲率半径
Ｒは、金属リング部23の円筒状面部25における内径Ｄと
の比Ｒ／Ｄが15以上となるような大きさに形成されてい
る。これらの範囲の限定理由については後述する。さら
に、テーパ面部24の上端（点Ｐ2 ）における内径は、接
合前のセラミックシャフト12の外径ｄより大きめに設定
されている。一方、テーパ面部24の下端（点Ｐ1 ）にお
ける内径は、接合前のセラミックシャフト12の外径ｄよ
り小さめに設定されている。したがって、セラミックシ
ャフト12と金属リング部23とが接合した場合、セラミッ
クシャフト12と金属リング部23とのシャフト挿入側にお
ける接触端は、このテーパ面部24内に位置することにな
る。Here, the length L 1 along the axis of the tapered surface portion 24 and the innermost portion of the contact surface between the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 when the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 are joined from the shaft insertion side end of the metal ring portion 23. The ratio L 1 / L to the length L to the end is 1/2 ≦
The tapered surface portion 24 is formed such that L 1 / L <1. Further, the radius of curvature R of the tapered surface portion 24 in this vertical cross section is formed so as to have a ratio R / D to the inner diameter D of the cylindrical surface portion 25 of the metal ring portion 23 of 15 or more. The reasons for limiting these ranges will be described later. Further, the inner diameter at the upper end (point P 2 ) of the tapered surface portion 24 is set to be larger than the outer diameter d of the ceramic shaft 12 before joining. On the other hand, the inner diameter at the lower end (point P 1 ) of the tapered surface portion 24 is set smaller than the outer diameter d of the ceramic shaft 12 before joining. Therefore, when the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 are joined, the contact end of the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 on the shaft insertion side is located within the tapered surface portion 24.
【００１５】接合前のセラミックシャフト12の外径ｄと
金属リング部23の円筒状面部25における内径Ｄとの差、
すなわち締めしろＳと、上記内径Ｄとの比（Ｓ／Ｄ）は
0.001 〜0.01とするのがよい。比Ｓ／Ｄをこの範囲内と
することにより、セラミックシャフト12と金属リング部
23とは良好な強度をもって接合し、セラミックシャフト
12から金属リング部23が離脱することはない。なお、締
めしろＳは、金属リング部23の大きさ及び金属リング部
23を構成する材料によって適宜調節するのがよい。The difference between the outer diameter d of the ceramic shaft 12 before joining and the inner diameter D of the cylindrical surface portion 25 of the metal ring portion 23,
That is, the ratio (S / D) between the interference S and the inner diameter D is
0.001 to 0.01 is good. By setting the ratio S / D within this range, the ceramic shaft 12 and the metal ring
23 with good strength, ceramic shaft
The metal ring portion 23 does not come off from 12. The interference S is determined by the size of the metal ring portion 23 and the metal ring portion.
It is better to adjust as appropriate depending on the material constituting 23.
【００１６】また、上記の長さＬと金属リング部23の円
筒状面部25における内径Ｄとの比Ｌ／Ｄは0.4 〜１の範
囲内にあるのがよい。すなわち、金属リング部23の軸方
向の長さはセラミックシャフト12の径に比して比較的短
くなり、もってコンパクトな（軸線に沿った方向に短
な）接合部位となる。The ratio L / D of the length L to the inner diameter D of the cylindrical surface 25 of the metal ring 23 is preferably in the range of 0.4 to 1. That is, the length of the metal ring portion 23 in the axial direction is relatively shorter than the diameter of the ceramic shaft 12, so that a compact (short in the direction along the axis) joint portion is formed.
【００１７】なお、本実施例では、金属リング部23のテ
ーパ面部24よりシャフト挿入側の部分に（点Ｐ2 より上
方に）、小さな曲率半径Ｒ1 を有するもう一つのテーパ
面部26を設けているが、これは、金属リング部23の焼き
ばめ工程におけるセラミックシャフト12の挿入を容易に
するために設けたものであり、必ずしも必要なものでは
ない。したがって、本考案の別な態様として、図２に破
線ｔ2 で示す部位で（テーパ面部24の上端の点Ｐ2 のと
ころで）金属リング部23の上端部を切り取った構造とし
てもよい。[0017] In this embodiment, (above the point P 2) to the portion of the shaft insertion side of the tapered surface portion 24 of the metal ring 23, the provided another tapered surface portion 26 having a small radius of curvature R 1 However, this is provided to facilitate insertion of the ceramic shaft 12 in the shrink-fitting step of the metal ring portion 23, and is not always necessary. Therefore, another aspect of the present invention, may have a structure obtained by cutting the upper end portion of the broken line t at a site indicated by 2 (at the point P 2 of the upper end of the tapered surface portion 24) the metal ring 23 in FIG. 2.
【００１８】上述した構造の金属リング部23を焼きばめ
等によりセラミックシャフト12に嵌めると、図３に示す
ような接合構造となる。図３からわかるように、セラミ
ックシャフト12と金属リング部23とのシャフト挿入側の
接触端Ｐ0 は、金属リング部23のテーパ面部24内（点Ｐ
1 から点Ｐ2 の間）に位置することになる。そして、接
触端Ｐ0 から下方において、金属リング部23はセラミッ
クシャフト12を外側からしっかりと抑え、両者は良好な
強度をもって接合する。なお、この接合部位の温度が多
少高いと、金属リング部23が膨張するので、両者のシャ
フト挿入側の接触端Ｐ0 は点Ｐ1 側に近づく。一方、温
度が低いと両者のシャフト挿入側の接触端Ｐ0 は点Ｐ2
側に近づく。いずれにせよ、接触端Ｐ0 は点Ｐ1 と点Ｐ
2 との間（すなわち、テーパ面部24内）に存在する。When the metal ring portion 23 having the above structure is fitted to the ceramic shaft 12 by shrink fitting or the like, a joint structure as shown in FIG. 3 is obtained. As can be seen from FIG. 3, the contact end P 0 of the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 on the shaft insertion side is within the tapered surface portion 24 of the metal ring portion 23 (point P).
It will be located between 1 and the point P 2). Then, the lower the contact end P 0, the metal ring 23 firmly suppressed ceramic shaft 12 from the outside, both joined with good strength. Incidentally, when the temperature of the joint portion is slightly higher, the metal ring 23 is expanded, the contact end P 0 of the two shaft insertion side of the approaches to the point P 1 side. On the other hand, the contact end P 0 of the shaft insertion side of both the temperature is low point P 2
Approach the side. In any case, contact end P 0 is the point P 1 and the point P
2 (that is, in the tapered surface portion 24).
【００１９】図３には、セラミックシャフト12に生じる
径内方に向かう圧縮応力の大きさを示すグラフが描かれ
ているが、このグラフからわかるように、セラミックシ
ャフト12と金属リング部23とのシャフト挿入側の接触端
Ｐ0 付近には、大きな応力集中はみられない。また、セ
ラミックシャフト12の金属リング部23との接触面におけ
る引張応力ｆ0 の大きさも小さくなる。これは、以下の
理由によるものと思われる。FIG. 3 is a graph showing the magnitude of the compressive stress generated in the ceramic shaft 12 toward the inside of the diameter. As can be seen from this graph, the relationship between the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 is shown. in the vicinity of the contact end P 0 of the shaft insertion side, a large stress concentration is not observed. Further, the magnitude of the tensile stress f 0 on the contact surface of the ceramic shaft 12 with the metal ring portion 23 is also reduced. This seems to be due to the following reasons.
【００２０】セラミックシャフト12と金属リング部23の
接合工程では、セラミックシャフト12が金属リング部23
内に挿入される時、一時的に、金属リング部23の内径
（円筒状面部の内径Ｄ）がセラミックシャフト12の外径
より相対的に大きくなる（すなわち、焼きばめにおいて
は金属リング部23の内径が大きくなり、一方、冷しばめ
においてはセラミックシャフト12の外径が小さくなる
が、以下、好ましい接合方法である焼きばめの場合を例
にとって説明する）。所定の深さまでセラミックシャフ
ト12を挿入した金属リング部23が冷却していくと、金属
リング部23は径方向及び軸線方向に収縮するが、径方向
の収縮に関しては、上述の通り金属リング部23の内壁面
が上方に広がるテーパ面状となっているために、金属リ
ング部23とセラミックシャフト12との接触ポイントより
下部では締めしろが大きく採られた状態となり、一方、
接触ポイント付近ではいわば締めしろがほとんどない状
態となる。したがって、両者の接触ポイント付近（図３
に示す状態では点Ｐ0 付近）ではセラミックシャフト12
にかかる径内方に向く圧縮応力はほとんど無くなる。In the joining step of the ceramic shaft 12 and the metal ring 23, the ceramic shaft 12 is
When inserted inside, the inside diameter of the metal ring portion 23 (the inside diameter D of the cylindrical surface portion) temporarily becomes relatively larger than the outside diameter of the ceramic shaft 12 (that is, the metal ring portion 23 in shrink fitting). The inner diameter of the ceramic shaft 12 becomes larger while the outer diameter of the ceramic shaft 12 becomes smaller in the cold fitting. However, a case of shrink fitting which is a preferable joining method will be described below as an example). As the metal ring portion 23 into which the ceramic shaft 12 is inserted cools to a predetermined depth, the metal ring portion 23 contracts in the radial direction and the axial direction. Because the inner wall surface has a tapered surface shape that extends upward, a state where a large interference is taken below the contact point between the metal ring portion 23 and the ceramic shaft 12,
Near the contact point, there is almost no interference. Therefore, near the point of contact between the two (Fig. 3
Ceramic shaft 12 in the vicinity of the point P 0) in the state shown in
The compressive stress directed toward the inside in the radial direction is almost eliminated.
【００２１】また、軸線方向（図の縦方向）の収縮に関
しては、上述した通り、金属リング部23の内壁面には上
方に広がるテーパ面部24が形成されているので、接触ポ
イント付近での径内方に向く圧縮応力がほとんどないた
め、金属リング部23が軸線方向に収縮しても金属リング
部23の内壁面がセラミックシャフト12の表面を下方に引
っ張ることがほとんどない。したがって、図３に示すセ
ラミックシャフト12の表面に沿った引張応力ｆ0 はごく
小さなものとなる。以上により、金属リング部23に締め
つけられたセラミックシャフト12の特に点Ｐ0 近傍には
大きな応力はかからず、セラミックシャフト12が破損し
たりすることはない。As for the shrinkage in the axial direction (vertical direction in the figure), as described above, the tapered surface portion 24 extending upward is formed on the inner wall surface of the metal ring portion 23, so that the diameter near the contact point is increased. Since there is almost no inward compressive stress, even if the metal ring 23 contracts in the axial direction, the inner wall surface of the metal ring 23 hardly pulls the surface of the ceramic shaft 12 downward. Therefore, the tensile stress f 0 along the surface of the ceramic shaft 12 shown in FIG. 3 is very small. Thus, large stress in particular the point P 0 vicinity of the ceramic shaft 12 which is clamped to the metal ring 23 does not take, not the ceramic shaft 12 is damaged.
【００２２】このように、本考案においては、セラミッ
クシャフトにかかる圧縮応力及び引張応力が大幅に緩和
されるので、接合後のセラミックシャフトの破損が生じ
ない。As described above, in the present invention, since the compressive stress and the tensile stress applied to the ceramic shaft are greatly reduced, the ceramic shaft does not break after joining.
【００２３】上述の作用を確実にするためには、テーパ
面部24の曲率半径Ｒと、金属リング部23の円筒状面部に
おける内径Ｄとの比Ｒ／Ｄが15以上となるようにＲを設
定する必要がある。Ｒ／Ｄが15未満ではテーパ面部23の
曲率半径が小さすぎ（曲率が大きすぎ）、そのためセラ
ミックシャフトと金属リング部との接触面積が小さくな
り、良好な接合が行えない。好ましくはＲ／Ｄを30〜15
0 とする。In order to ensure the above operation, R is set so that the ratio R / D of the radius of curvature R of the tapered surface portion 24 to the inner diameter D of the cylindrical surface portion of the metal ring portion 23 is 15 or more. There is a need to. If R / D is less than 15, the radius of curvature of the tapered surface portion 23 is too small (the curvature is too large), so that the contact area between the ceramic shaft and the metal ring portion becomes small, and good joining cannot be performed. Preferably, the R / D is 30 to 15
Set to 0.
【００２４】また、テーパ面部24の軸線に沿った長さＬ
1 と、金属リング部23のシャフト挿入側端部からセラミ
ックシャフト12と金属リング部23の接合時の両者の接触
面の最奥端部までの長さＬとの比Ｌ1 ／Ｌは、上述の通
り１／２≦Ｌ1 ／Ｌ＜１とする。Ｌ1 ／Ｌが１／２未満
であると、両者の接触ポイントＰ0 を必ずしもテーパ面
部内に位置させることができず、セラミックシャフト12
に発生する応力を確実に緩和することが難しい。The length L along the axis of the tapered surface portion 24
1, the ratio L 1 / L of the length L from the shaft insertion side end portion to the deepest end of both of the contact surfaces at the time of joining the ceramic shaft 12 and the metal ring portion 23 of the metal ring 23, above It is assumed that 1/2 ≦ L 1 / L <1. If L 1 / L is less than ２, the contact point P 0 of both cannot always be located in the tapered surface portion, and the ceramic shaft 12
It is difficult to reliably alleviate the stress generated at the time.
【００２５】以上、添付図面を参照して本考案を説明し
たが、本考案はこれに限定されない。たとえば、金属リ
ング部を有する金属部材の形状は種々変更できるし、ま
た、接合するセラミック部材も、図１に示したセラミッ
クロータに限らず種々のセラミック部材とすることがで
きる。Although the present invention has been described with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited thereto. For example, the shape of the metal member having the metal ring portion can be variously changed, and the ceramic member to be joined is not limited to the ceramic rotor shown in FIG.
【００２６】以下、本考案を具体的実施例によりさらに
詳細に説明する。実施例１ 外径27mmで、長さ70mmの円柱状の窒化珪素セラミックシ
ャフト（熱膨張率1.5〜3.5 ×10-6／℃）を準備した。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments. Example 1 A cylindrical silicon nitride ceramic shaft having an outer diameter of 27 mm and a length of 70 mm (a coefficient of thermal expansion of 1.5 to 3.5 × 10 −6 / ° C.) was prepared.
【００２７】また、金属リングとしては、図４に示す形
状を有するNi系合金製のリング（熱膨張率7.5 〜16.5×
10-6／℃）を用いた。ここで、内壁面に設けたテーパ面
部（図４の点Ｐ1 と点Ｐ2 間の面部分）の曲率半径を変
えた複数の金属リングを準備した。金属リングの寸法
は、以下の通りである。 （1)外径 36.5mm （2)円筒状面部における内径 27mm （3)締めしろＳは20℃において174 μｍとなるように設
定した。すなわち、金属リングの円筒状面部における内
径をセラミックシャフトの外径より174μｍだけ小さく
した。 （4)軸方向長さ 22mm （5)テーパ面部（図中の点Ｐ1 から点Ｐ2 までの面）の
曲率半径Ｒは、500 〜2000mm内で変化させた。 （6)テーパ面部（図中の点Ｐ1 から点Ｐ2 までの面）の
軸方向長さは、７〜15mmとした。As the metal ring, a ring made of a Ni-based alloy having a shape shown in FIG. 4 (coefficient of thermal expansion 7.5 to 16.5 ×
10 −6 / ° C.). Here we were prepared a plurality of metal rings with different radii of curvature of the tapered surface portion provided on the inner wall surface (the surface portion between points P 1 and point P 2 in Figure 4). The dimensions of the metal ring are as follows. (1) Outer diameter 36.5 mm (2) Inner diameter 27 mm in cylindrical surface part (3) The interference S was set to be 174 μm at 20 ° C. That is, the inner diameter of the metal ring at the cylindrical surface was made smaller by 174 μm than the outer diameter of the ceramic shaft. (4) the radius of curvature R of the axial length 22 mm (5) tapered surface portion (surface from a point P 1 in Fig. To point P 2) was varied within 500 ~2000mm. (6) the axial length of the tapered surface portion (surface from a point P 1 in Fig. To point P 2) was set to 7 to 15 mm.
【００２８】なお、本実施例に用いた金属リングでは、
図４に示すように上記のテーパ面部より上方（シャフト
挿入側で点Ｐ2 より上方）に小さな曲率半径のもう一つ
のテーパ面部Ｒ′を設けている。このテーパ面部Ｒ′の
軸方向の長さは、すべての金属リングにおいて４mmとし
た。In the metal ring used in the present embodiment,
It is provided with another tapered surface portion R 'of the small radius of curvature upward (above the point P 2 in the shaft insertion side) than the tapered surface portion as shown in FIG. The axial length of the tapered surface portion R 'was 4 mm for all metal rings.
【００２９】上述した各金属リングをそれぞれ焼きばめ
により上述のセラミックシャフトに接合した。ここで、
セラミックシャフト先端が、金属リングのシャフト挿入
側端部から20mmの深さに達するようにセラミックシャフ
トを挿入した。Each of the above metal rings was joined to the above ceramic shaft by shrink fitting. here,
The ceramic shaft was inserted so that the tip of the ceramic shaft reached a depth of 20 mm from the end of the metal ring on the shaft insertion side.
【００３０】得られたセラミックシャフトと金属リング
との複数の接合体を、それぞれ図５に示すように曲げ強
度試験装置５に設置し、セラミックシャフト12の軸線に
垂直に荷重Ｆを加え、20℃における曲げ強度テストを行
った。荷重Ｆをかけた部位は、セラミックシャフト12と
金属リング23a との接触端Ｐ0 からＬ3 ＝35mm離れた部
位とした。下記の式に基づいて20℃での曲げ強度を測定
した。 σB = Ｆ・Ｌ3 ／〔（π／32）・ｄ3 〕 ここでσB は曲げ強度(kg/mm2 ) であり、Ｆは荷重の大
きさ(kg)であり、Ｌ3は荷重Ｆをかけた部位からセラミ
ックシャフトと金属リングとの接触端Ｐ0 までの距離(m
m)であり、ｄはセラミックシャフトの外径(mm)である。
結果を図６に示す。Each of the plurality of joined bodies of the ceramic shaft and the metal ring obtained was placed in a bending strength test apparatus 5 as shown in FIG. 5, and a load F was applied perpendicularly to the axis of the ceramic shaft 12 at 20 ° C. Was performed a bending strength test. The part to which the load F was applied was a part L 3 = 35 mm away from the contact end P 0 between the ceramic shaft 12 and the metal ring 23a. The bending strength at 20 ° C. was measured based on the following equation. a σ B = F · L 3 / [(π / 32) · d 3] where sigma B is the bending strength (kg / mm 2), F is the magnitude of the load (kg), L 3 is a load distance from the site multiplied by the F until contact end P 0 between the ceramic shaft and the metal ring (m
m) and d is the outer diameter (mm) of the ceramic shaft.
FIG. 6 shows the results.
【００３１】比較例１ 図４に示す点Ｐ1 −点Ｐ2 間をテーパ面部とせず、点Ｐ
1 より下方の円筒状面部を延長した面とした以外は、実
施例１と同様の形状の金属リングを作製した。この金属
リングと、セラミックシャフトとを接合し、実施例１と
同様にセラミックシャフトの曲げ強さを測定した。結果
を図６に示す。COMPARATIVE EXAMPLE 1 The point P 1 -point P 2 shown in FIG.
A metal ring having the same shape as in Example 1 was produced except that the cylindrical surface portion below 1 was extended. The metal ring was joined to a ceramic shaft, and the bending strength of the ceramic shaft was measured in the same manner as in Example 1. FIG. 6 shows the results.
【００３２】比較例２（Ｌ1 ／Ｌ＜１／２の場合） 図４に示す点Ｐ1 から点Ｐ2 までのテーパ面部の曲率半
径を300 mmとした以外は、実施例１と同様の形状の金属
リングを作製した。この金属リングと、セラミックシャ
フトとを接合し、実施例１と同様にセラミックシャフト
の曲げ強さを測定した。結果を図６に示す。 Comparative Example 2 (Case where L 1 / L < １ ／) Same as Example 1 except that the radius of curvature of the tapered surface portion from point P 1 to point P 2 shown in FIG. 4 was 300 mm. A shaped metal ring was fabricated. The metal ring was joined to a ceramic shaft, and the bending strength of the ceramic shaft was measured in the same manner as in Example 1. FIG. 6 shows the results.
【００３３】[0033]
【考案の効果】以上詳述した通り、本考案の金属リング
とセラミックシャフトとの接合構造によれば、セラミッ
クシャフトにかかる圧縮応力及び引張応力が緩和される
ので接合後のセラミックシャフトの破損を確実に防止で
きる。As described in detail above, according to the joint structure of the metal ring and the ceramic shaft of the present invention, the compressive stress and the tensile stress applied to the ceramic shaft are alleviated, so that the damage of the ceramic shaft after joining is ensured. Can be prevented.
【図１】本考案の一実施例によるセラミックロータの軸
部と金属リング部との接合構造を示す概略断面図であ
る。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a joint structure of a shaft portion and a metal ring portion of a ceramic rotor according to an embodiment of the present invention.
【図２】本考案の一実施例による接合前の金属リングの
構造を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a structure of a metal ring before joining according to an embodiment of the present invention;
【図３】金属リング部とセラミックシャフトとの接合構
造を示す部分断面図である。FIG. 3 is a partial sectional view showing a joint structure between a metal ring portion and a ceramic shaft.
【図４】実施例に用いた金属リングの形状を示す断面図
である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a shape of a metal ring used in the example.
【図５】実施例における曲げ強度テストに用いた装置
に、セラミックシャフトと金属リングとの接合体が設置
された状態を示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a joined body of a ceramic shaft and a metal ring is installed in a device used for a bending strength test in Examples.
【図６】実施例及び比較例における曲げ強度テストの結
果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the results of a bending strength test in Examples and Comparative Examples.
【図７】セラミックシャフトと金属リングとの従来の接
合構造を示す概略断面図であり、セラミックシャフトに
かかる応力分布を示すグラフを併せて示す。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a conventional joint structure between a ceramic shaft and a metal ring, and also shows a graph showing a distribution of stress applied to the ceramic shaft.
１ セラミックロータ ２ 金属部材 12 セラミックシャフト 22 軸部 23 金属リング部 23a 金属リング 24 テーパ面部 25 円筒状面部 Ｐ0 金属リング部とセラミックシャフトとの接触端 Ｌ 金属リング部のシャフト挿入側端部から金属リン
グ部とセラミックシ ャフトの接触最奥端までの長さ Ｌ1 テーパ面部の軸方向の長さ Ｒ テーパ面部の曲率半径 Ｄ 金属リング部の円筒状面部における内径DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic rotor 2 Metal member 12 Ceramic shaft 22 Shaft part 23 Metal ring part 23a Metal ring 24 Tapered surface part 25 Cylindrical surface part P 0 Contact end between metal ring part and ceramic shaft L Metal from metal shaft end on shaft insertion side the inner diameter of the cylindrical surface of the ring portion and the curvature radius D metal ring portion of the axial length R tapered surface portion of the length L 1 tapered surface portion to the contact deepest end of the ceramic sheet Yafuto
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭62−54202（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−154641（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 37/02 F16C 3/02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A 62-54202 (JP, U) JP-A 62-15464 (JP, U) (58) Fields surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C04B 37/02 F16C 3/02
Claims (2)
合わせて接合する構造において、前記金属リングの内壁
面には、前記セラミックシャフトの挿入側に形成されて
前記挿入側方向に広がるテーパ面部と、前記テーパ面部
の奥側にこれとスムーズに連続して形成された円筒状面
部とが形成されており、前記テーパ面部の軸線方向の長
さＬ1 と、前記金属リングのセラミックシャフト挿入側
端部から前記セラミックシャフトと前記金属リングとの
接触面の最奥端部までの長さＬとの比が１／２≦Ｌ1 ／
Ｌ＜１となるように前記テーパ面部が形成されており、
接合前の前記金属リングの縦断面における前記テーパ面
部の曲率半径Ｒと、接合前の前記円筒状面部の内径Ｄと
の比Ｒ／Ｄが15以上であり、前記セラミックシャフトと
前記金属リングとの接合時の前記セラミックシャフト挿
入側の両者の接触端は、前記テーパ面部内に位置してい
ることを特徴とするセラミックシャフトと金属リングの
接合構造。1. A structure in which a ceramic shaft is fitted to and joined to a metal ring, wherein a tapered surface formed on an insertion side of the ceramic shaft and extending in the insertion side direction is formed on an inner wall surface of the metal ring; A cylindrical surface portion formed smoothly and continuously with the surface portion is formed on the back side of the surface portion, and the axial length L 1 of the tapered surface portion and the end of the metal ring on the ceramic shaft insertion side of the metal ring. The ratio of the length L to the innermost end of the contact surface between the ceramic shaft and the metal ring is 1/2 ≦ L 1 /
The tapered surface portion is formed such that L <1.
The ratio R / D of the radius of curvature R of the tapered surface portion in the longitudinal section of the metal ring before joining to the inner diameter D of the cylindrical surface portion before joining is 15 or more, and the ratio between the ceramic shaft and the metal ring is A joint structure between a ceramic shaft and a metal ring, wherein a contact end of the ceramic shaft insertion side at the time of joining is located within the tapered surface portion.
金属リングの接合構造において、前記長さＬと前記内径
Ｄとの比Ｌ／Ｄが0.4 〜１であることを特徴とするセラ
ミックシャフトと金属リングの接合構造。2. The joint structure between a ceramic shaft and a metal ring according to claim 1, wherein a ratio L / D of the length L to the inner diameter D is 0.4 to 1. Ring joint structure.
Priority Applications (1)
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| JP1992008168U JP2592502Y2 (en) | 1992-01-28 | 1992-01-28 | Joint structure of ceramic shaft and metal ring |
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| JPH0562540U JPH0562540U (en) | 1993-08-20 |
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