JPH0672616B2 - 鋼シャフト複合アルミニウム合金ローター - Google Patents

鋼シャフト複合アルミニウム合金ローター

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JPH0672616B2 JP62097965A JP9796587A JPH0672616B2 JP H0672616 B2 JPH0672616 B2 JP H0672616B2 JP 62097965 A JP62097965 A JP 62097965A JP 9796587 A JP9796587 A JP 9796587A JP H0672616 B2 JPH0672616 B2 JP H0672616B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアルミニウム合金ローターと鋼シヤフトを接合
させた複合構造のローターに関する。
〔従来の技術〕
鋼あるいは鉄系焼結材ローターと、該ローターの軸中心
の貫通孔に鋼シヤフトを挿入して接合させた鋼シヤフト
鋼ローター又は鋼シヤフト鉄系焼結材ローターがコンプ
レツサー等の用途に広く使用されている。
しかしながら、最近ではコンプレツサーの軽量化が要望
されており、これに対してはローターを鉄系材料からア
ルミニウム合金に換えた鋼シヤフト複合アルミニウム合
金ローターが有望と考えられる。この場合、ローターと
シヤフトの接合が問題であり、従来の鋼シヤフト鋼ロー
ターのような単なる焼ばめ等では強度的に不充分であ
る。
そこで、鋼シヤフト複合アルミニウム合金ローターのロ
ーターとシヤフトを接合する手段として以下のような方
法が検討された； （１）ローターの貫通孔にシヤフトを挿入して電子ビー
ム溶接等により溶接する溶接法。
（２）ローターの貫通孔にシヤフトを挿入してロウ材に
より接合するロウ付け法。
（３）加熱したローターの貫通孔にシヤフトを圧入する
焼き嵌め法。及び （４）ローターの貫通孔に冷却したシヤフトを圧入する
冷やし嵌め法。
しかし、上記した従来公知の接合方法にはいずれも欠点
が存在していた。即ち； （１）溶接法では、例えば電子ビーム溶接の場合、ロー
ターとシヤフトの一部しか溶接できないので強固な接合
が得られず、生産性に劣り、しかも溶接の熱のためにロ
ーターのアルミニウム合金中の結晶粒及び析出粒が粗大
化して材料特性を劣化させる。
（２）ロウ付け法では、生産性に劣るうえ、アルミニウ
ム合金と鋼とを十分な強度で接合できるロウ材がなく、
ローターとシヤフトが熱膨張係数の差によつて使用中に
脱離することがある。
（３）焼き嵌め法では、アルミニウム合金ローターの接
合面が熱により劣化するため、圧入代を大きくとつても
強固な接合を得難い。及び （４）冷やし嵌め法では、やはり強固な接合が困難であ
る他、液体窒素等の冷媒によりシヤフトを冷却するため
設備コストが高く、生産性に劣る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は、上記した従来の事情に鑑み、アルミニウム合
金ローターと鋼シヤフトとを強固に接合した鋼シヤフト
複合アルミニウム合金ローターを提供せんとするもので
ある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の鋼シヤフト複合アルミニウム合金ローターは、
第１図に示すように、アルミニウム合金からなり軸中心
に貫通孔２を有するローター１と、該貫通孔２でロータ
ー１と接合する接合面の一部に凹凸部４、５を軸方向に
沿つて設けた鋼シヤフト３とからなり、鋼シヤフト３の
凹凸部４、５は接合面の外周に沿いほぼ均等な間隔で交
互に並んだ複数の凹部４と凸部５からなっていて、凹部
４と凸部５の高低差が50〜300μｍで、凸部５の外周の
直径が前記ローター１の貫通孔２の内径よりも50〜100
μｍだけ大きく、且つ鋼シヤフト３の凹凸部４、５を除
く部分はローター１の貫通孔２に該部分を挿入すれば圧
入密着状態となり得る外径に形成してあり、この鋼シヤ
フト３の凹凸部４、５をローター１の貫通孔２に圧入嵌
合せしめたものである。
〔作用〕
鋼シヤフト３の凸部４の外径は、第１図に示すように圧
入前のローター１の本来の貫通孔２（点線で表示）の内
径よりも50〜100μｍだけ大きいので、凹凸部4,5をロー
ター１の貫通孔２に圧入することによつて、鋼シヤフト
３の凹凸部4,5に沿つてアルミニウム合金製のローター
１の貫通孔２内周面が凹凸に変形し、これらが互いに噛
み合つて強固に嵌合する。特に、ローター１を数百℃に
加熱して圧入する焼き嵌め法により嵌合すれば、貫通孔
２内周面が軟化するのでシヤフト３の凹凸部4,5に沿つ
て変形し易くなる。
尚、ローター１とシヤフト３との強固な嵌合を得るため
には、鋼シヤフト３の凹部５と凸部４の高低差が50〜30
0μｍであつて、凸部４の外周直径がローター１の貫通
孔２の直径よりも50〜100μｍ（圧入代に相当する）だ
け大きいことが必要である。鋼シヤフト３の凸部４と凹
部５の高低差及び鋼シヤフト３の凸部４の外周直径とロ
ーター１の貫通孔２の内径の差が上記範囲より小さい
と、ローター１がアルミニウム合金製であるために凹凸
部4,5との噛み合わせがはずれ易く、鋼シヤフト３に凹
凸部４、５を設けた効果が殆どなくなり、通常の圧入の
場合と余り変わらない接合強度しか得られない。又逆
に、上記範囲より大きいと、圧入時にローター１の内周
面に凹凸部４、５によるむしれが発生し、良好な噛み合
わせが得られなくなるので、やはり十分な接合強度を得
ることが出来ない。
ローター１を構成するアルミニウム合金は熱膨張係数が
21×10-6／℃以下、特に19×10-6／℃以下であることが
望ましい。その理由は、ローター１の熱膨張係数が上記
の値をこえると鋼シヤフト３の熱膨張係数との差が大き
くなり、熱サイクルを受けたときに接合面で緩みが発生
する危険があるからである。
また、ローターとして使用するアルミニウム合金として
は、上記の熱膨張係数低いことと共に、ベーン、サイド
プレート等との摩擦が問題となるため、耐摩耗性が必要
である。また、ローターには使用中に変形を生じない程
度の強度と剛性が要求される。
以上のようなローターに要求される諸条件を各種アルミ
ニウム合金について検討してみる。
アルミニウム合金を製法別に分類すると、鋳造材、展伸
材（押出材）及び粉末押出材に分けられる。Siを含まな
い2000系、5000系、7000系等のAl合金展伸材は強度は高
くても熱膨張係数が大きく、耐摩耗性にも乏しい、そこ
で、熱膨張係数及び耐摩耗性の点からSiを含むAl−Si合
金が好ましいと考えられるが、高Siになると通常の鋳造
材ではSiの偏析のために高強度にすることが難しく、Si
含有量としても20％程度までである。また、鋳造Al−Si
合金の押出材は、Si含有量が多い場合には強度等の面か
らSi粒子が30μｍ以下に細かく均一になるように複雑な
処理を行なう必要があり、その場合でもSi含有量は高々
20％までである。
他方、最近開発された粉末押出材は、急冷凝固した合金
粉末を用いるため、合金元素を多量に添加することが可
能であり、結晶粒及び析出粒が微細化し、偏析のない均
一な組織のアルミニウム合金が得られる。例えばAl−Si
合金の場合、Si含有量が35％まで可能であり、特にその
化粧粒及び析出粒の大きさが30μｍ以下のAl−Si合金が
強度及び剛性が高く、熱膨張係数が低く、且つ耐摩耗性
も良好でるから、ローター材料として最も適当なアルミ
ニウム合金といえる。
以上の各アルミニウム合金とローターに要求される諸特
性との関係を定性的に示すと次の表のようになる。
具体的にローター材料としてのアルミニウム合金を例示
すれば、粉末押出材のAl−Si−Fe系合金、Al−Si−Fe−
Ni系合金、Al−Si系合金及びAl−Fe系合金等がある。ま
た、シヤフト材料としては炭素鋼、又はクロム鋼製の低
合金鋼がある。
〔実施例〕
参考例 シヤフトに凹凸部を設けることによるすべりトルク向上
の効果を、各種のローター材料について検討した。
第１表に示す２種類の粉末押出で作成したAl合金（イ）
（ロ）、およびAC9B鋳造Al合金（ハ）、A5052Al合金
（ニ）、A4032Al合金（ホ）を用いて第２図に示す外径7
0mm、内径（貫通孔の直径）▲18mm-0.030 -0.042▼及び
幅16mmのローター（テストピース）１を作成した。
一方、焼き入れしたクロム鋼（Hv＝730）を用いて、第
２図（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧入代７又は凹凸部
４、５を有し且つそれ以外の部分はローターの貫通孔に
その部分を挿入すれば圧入密着状態となり得るように設
定された外径18mm±0.004のシヤフト３を夫々作成し
た。但し、シヤフト（ａ）は圧入代のない直棒であり、
シヤフト（ｂ）は接合面全面に圧入代７を有し、シヤフ
ト（ｃ）は接合面全面に幅方向に凹凸部4,5を有する。
これらのローター１とシヤフト３とを第２表に示す組合
せ及び接合方法で接合し、複合ローターを製造した。
尚、溶接及びロウ付けは接合目の周縁部６のみであり、
その他は従来と同様のローター１を加熱する焼き嵌め法
か若しくはシヤフト３を冷却する冷やし嵌め法により圧
入して接合した。
得られた各複合ローターについて、ローター１を固定し
てシヤフト３を回転する際のすべりトルク（kg−ｍ）を
測定し、結果を第３表に示した。
シヤフトに凹凸部を設けた試料No.7〜10は従来品に比較
してすべりトルクが向上していることがわかる。又、試
料No.8の中でも、ローター１が熱膨張係数21×10-6／℃
以下のアルミニウム合金からなる（イ）〜（ハ）と
（ホ）は、熱膨張係数が23.8×10-6／℃のアルミニウム
合金からなる（ニ）よりも焼き嵌め時の緩みが少ないの
で、一層良好な接合強度が得られることがわかる。
実施例 上記第１表の（イ）及び（ロ）に示す２種類の粉末押出
で作成したアルミニウム合金を用いて第３図に示す外径
と内径が実施例１と同一で幅45mmのローター１を作成し
た。一方、実施例１と同じクロム鋼を用いて外径が実施
例１と同一の第３図の（ｅ）〜（ｇ）に示すシヤフト３
を夫々作成した。但し、シヤフト（ｅ）は接合面の両周
縁部近くにのみ圧入代を有し、シヤウト（ｆ）は接合面
全面に圧入代７を有し、シヤフト（ｇ）は接合面全面に
設けた圧入代の中央部にのみ軸方向に凹凸部4,5を有す
る。尚、シヤフト（ｆ）と（ｇ）において全面に圧入代
を設けた理由は、円周方向荷重及び回転トルクに対する
ローターとシヤフトのセンターを保持するためである。
これらのローター１とシヤフト３とを第４表に示す組合
せで接合し、複合ローターを製造した。尚、接合方法は
全てローター１を200℃で加熱して圧入する焼き嵌め法
によつた。
得られた各複合ローターについて、ローター１を固定し
てシヤフト３を回転する際のすべりトルク（kg−ｍ）を
測定し、結果を第５表に示した。
本発明の試料No.21〜23は従来品及び前記参考例でシヤ
フトに凹凸部を設けた第３表の試料No.7〜10に比較し
て、ローターが同一材質でも飛躍的に高い接合強度を有
していることがわかる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、ローターとシヤフトとを強固に接合し
た鋼シヤフト複合アルミニウム合金ローターを提供する
ことができる。また、ローター材料として粉末冶金法に
より製造した緻密で高強度のアルミニウム合金を使用す
れば、ローターを軽量化することができ、コンプレッサ
ーの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の鋼シヤフト複合アルミニウム合金ロー
ターの断面図である。 第２図はローターとシヤフトの接合方法を説明するため
の図面であり、（ａ）はシヤフトに圧入代のない例、
（ｂ）はシヤフトの接合面に圧入代のある例、（ｃ）は
シヤフトの接合面に凹凸部を設けた例、を夫々示してい
る。 第３図もローターとシヤフトの接合方法を説明するため
の図面であり、（ｅ）はシヤフトの接合面両周縁部に圧
入代を設けた例、（ｆ）はシヤフトの接合面全面に圧入
代を設けた例、及び（ｇ）はシヤフトの接合面全面に設
けた圧入代の中央部にのみ凹凸部を形成した例、を夫々
示している。 １……ローター、２……貫通孔、３……シヤフト、４…
…凸部、５……凹部、７……圧入代
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−88010（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−140911（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルミニウム合金からなり軸中心に貫通孔
    を有するローターと、該貫通孔でローターと接合する接
    合面の軸方向の一部に凹凸部を軸方向に沿って設けた鋼
    シャフトとからなり、鋼シャフトの凹凸部は接合面の外
    周に沿いほぼ均等な間隔で交互に並んだ複数の凹部と凸
    部からなり、凹部と凸部の高低差が50〜300μｍで、凸
    部外周の直径が前記ローターの貫通孔内径よりも50〜10
    0μｍだけ大きく、且つ鋼シャフトの凹凸部を除く部分
    はローターの貫通孔に該部分を挿入すれば圧入密着状態
    となり得る外径に形成してあり、該鋼シャフトの凹凸部
    をローターの貫通孔に圧入嵌合した鋼シャフト複合アル
    ミニウム合金ローター。
  2. 【請求項２】ローターは熱膨張係数が21×10-6／℃以下
    のアルミニウム合金からなることを特徴とする、特許請
    求の範囲第（１）項に記載の鋼シャフト複合アルミニウ
    ム合金ローター。
  3. 【請求項３】ローターは結晶粒及び析出粒の大きさが30
    μｍ以下のアルミニウム合金からなることを特徴とす
    る、特許請求の範囲（１）又は（２）項に記載の鋼シャ
    フト複合アルミニウム合金ローター。
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