CN101644185A

CN101644185A - 无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器

Info

Publication number: CN101644185A
Application number: CN200910092292A
Authority: CN
Inventors: 黄若
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2010-02-10

Abstract

本发明涉及一种无内圈的混合陶瓷球轴承涡轮增压器，包括压气机壳、压气机背盘、涡轮壳、轴承体、涡轮转子、混合轴承；混合轴承包括安装于涡轮增压器轴承体内孔中的外圈、涡轮转子轴、混合轴承陶瓷球、保持架。混合轴承外圈包括设置有外滚道的左外圈和右外圈，涡轮转子轴并列设置有与外滚道相对应的两个内滚道，内滚道和外滚道之间设置混合轴承陶瓷球，陶瓷球由保持架定位，在左外圈和右外圈之间设置有隔套。两个外圈、两个保持架、两排陶瓷球、两片组合式隔套与涡轮转子轴组成一个角接触、背靠背、大跨度的组合式混合陶瓷球轴承。本发明适用于各种用途的活塞式发动机，包括车辆、工程机械、农业机械、船舶、电站、航空等用途的柴油机与汽油机。

Description

无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种发动机的涡轮增压器，尤其涉及一种无内圈的混合陶瓷球轴承涡轮增压器。

背景技术

节能减排、科学发展是当今人类面临的重要问题。涡轮增压技术能够大幅度提高活塞式发动机功率、减少排气污染、改善经济性能，是内燃机技术主要发展方向之一。涡轮增压器的效率等于涡轮效率、压气机效率与机械效率的乘积。其中提高涡轮和压气机效率的技术已经趋于成熟，提高幅度有限，相对而言，机械效率还有较大的提升空间，采用滚动轴承、空气轴承、电磁轴承等代替目前广泛使用的浮动轴承，可以降低机械损失、提高机械效率。但在增压器上应用空气轴承与电磁轴承还有很多技术问题需要研究解决。

涡轮增压器的轴承经历了从滚动轴承到滑动轴承、浮动轴承，再到滚动轴承的发展过程。滚动轴承、主要是滚珠轴承即球轴承，由于具有(1)高达95％～99％的机械效率，可以提高现有浮动轴承增压器的总效率2％～8％，从而提高发动机性能，节约能源；(2)油膜阻力小，启动快、可以改善增压器的瞬态响应性，从而提高发动机加速性能；(3)对润滑油要求较低(润滑油供油压力为0.1～0.3MPa、温度为0～90℃)，减轻了增压器漏油倾向、减少了发动机机油消耗，改善了发动机排放污染；并可短时间断油，从而提高增压器可靠性；(4)双排、背靠背式角接触球轴承能够承受双向轴向载荷，故可以取消增压器的止推轴承，简化轴承-转子系统轴向布置结构。

但是，与目前涡轮增压器广泛应用浮动轴承相比较，应用球轴承将加大涡轮增压器轴承系统径向尺寸，使增压器尺寸增大、重量增加；同时，在一定的技术水平下，一定的旋转直径对应一定的轴承极限转速，较大的旋转直径对应较小的极限转速，因此，球轴承涡轮增压器应尽可能减小轴承旋转直径，从而提高增压器极限转速、提高增压器可靠性。对有内圈球轴承涡轮增压器，减小内圈、外圈直径受到增压器转子轴直径的约束；减小内圈、外圈径向厚度受到结构强度的约束，而球直径大小受轴承优化设计的约束。所以进一步减小涡轮增压器球轴承旋转直径可能性很小。现有的球轴承涡轮增压器为有内圈结构，如专利200510093692.X混合陶瓷球轴承涡轮增压器，其DN值(轴承节圆直径D与转速N的乘积)已达到2.2×10⁶～3.0×10⁶mm·r/min，在同样的DN值下，采用无内圈轴承结构，能够提高轴承的极限转速约15％。

发明内容

本发明在于提供一种无内圈、组合式混合陶瓷球轴承，通过取消内圈，减小滚动体的旋转半径，实现提高极限转速，简化增压器轴承系统结构，减小增压器轴承系统径向尺寸和减轻涡轮增压器体积与重量的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，包括压气机壳、压气机背盘、涡轮壳、轴承体、涡轮转子、混合轴承；混合轴承包括混合轴承外圈、涡轮转子轴、混合轴承陶瓷球、混合轴承保持架。

所述的压气机壳为无叶扩压器涡壳、可变进口几何截面结构或可调扩压器叶栅结构；涡轮壳为无叶涡轮壳、可变涡轮喷嘴环结构或可变涡轮壳截面结构；轴承体为油冷却轴承体或水冷却轴承体；涡轮转子包括涡轮叶轮与转子轴，涡轮叶轮为径流式或混流式结构。

所述的混合轴承外圈安装于涡轮增压器轴承体内孔中，包括左外圈和右外圈，左外圈和右外圈分别设置有一个外滚道；所述的涡轮转子轴并列设置有两个内滚道；涡轮转子轴两个内滚道分别与左外圈和右外圈的外滚道面对面，各自的凹面朝着对方；内滚道和外滚道之间设置有混合轴承陶瓷球，所述陶瓷球由内、外滚道与混合轴承保持架定位。

所述的混合轴承还包括位于左外圈和右外圈之间的隔套，隔套通过定位销固定。所述隔套分为上、下两部分，隔套的上半部分设有一个销钉定位孔，通过定位销使得混合轴承在涡轮增压器轴承体上的安装定位，隔套的下半部分设有一个润滑油出油孔，使润滑油流出混合陶瓷球轴承。

两个外圈、两个保持架、两排陶瓷球、两片组合式隔套与涡轮转子轴组成一个角接触、背靠背、大跨度(双排球距离)、组合式混合陶瓷球轴承。

所述左外圈和右外圈上部分别开设有与轴线成锐角的进油孔，其优选角度可在60°～80°之间。左外圈和右外圈由隔套定位，隔套通过定位销固定。定位销设有分别连通于左外圈进油孔和右外圈的进油孔的两个油孔通道。润滑油由轴承体润滑油进口进入定位销内孔，分别经由左外圈和右外圈上部的进油孔进入转子轴上的斜面，溅射到陶瓷球上，对摩擦副进行润滑、冷却。

涡轮增压器还包括密封套，用于安装压气机端密封环，为调整混合轴承支撑跨距，可以取消密封套，相应的密封环安装环槽设置在压气机背盘与转子轴上。

所述的外圈分为左右两部分、隔套分为上下两部分，是为了实现组合式混合陶瓷球轴承的装配，轴承轴向游隙的大小则由选配的隔套长度决定，涡轮增压器轴向移动量为混合轴承的轴向游隙。改变转子轴上两个内滚道相对距离以及相应改变隔套长度，可改变两排陶瓷球的距离，即改变了组合式混合陶瓷球轴承的支承跨距，可以调节轴承刚度，从而适当调整涡轮增压器轴承-转子系统临界转速，使涡轮增压器避开临界转速稳定工作。同时，较大的支承跨距设计，可以减少轴系零件，如取消密封套，简化增压器轴承-转子系统结构；改变转子轴直径的大小也可以调节转子轴的刚度，从而调节轴承-转子系统临界转速，但调节范围有限，因为在保证转子轴抗弯、抗拉强度的前提下，采用较小的直径是实现增压器小型化、结构优化的基本设计准则。

无内圈混合陶瓷球轴承的外圈可采用陶瓷或金属材料，陶瓷材料可选择为氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆。

与现有技术即混合陶瓷球轴承涡轮增压器相比，本发明的有益效果是：

1.无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，将转子轴、陶瓷球、保持架、轴承外圈、隔套装配成一体，既实现了原来混合陶瓷球轴承的全部功能，又减小了轴承-转子系统旋转直径，提高了轴承极限转速，从而提高了涡轮增压器轴承-转子系统可靠性。

2.容易通过改变转子轴上两个内滚道相对距离以及相应改变隔套长度，可改变两排陶瓷球的距离，即改变组合式混合陶瓷球轴承的支承跨距，调节混合轴承刚度，从而适当调整涡轮增压器轴承-转子系统临界转速，使涡轮增压器避开临界转速稳定工作。

3.无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器取消了轴承内圈，简化了轴承-转子系统结构，减小了轴承旋转直径，减轻了轴承-转子系统重量；减小了轴承外圈、轴承体直径，进而减小了涡轮增压器重量；还可以取消密封套，进一步简化轴承-转子系统轴向结构，缩短增压器轴向长度，进一步减小增压器外形尺寸、减轻重量。

4.无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器轴承-转子系统结构设计，降低了轴承零件的加工难度，简化了混合陶瓷球轴承与涡轮转子的装配，能够更好的保证球轴承涡轮增压器的制造质量。

本发明适用于各种用途的活塞式发动机，包括车辆、工程机械、农业机械、船舶、电站、航空等用途的柴油机与汽油机。随着环境保护与节约能源法规日益严格，车用涡轮增压器向小型轻量化，高强化(高效率、高压比、超高速)及电控集成化方向发展，本发明尤其适应于军民用途的车用发动机以及对体积、重量要求严格的航空发动机。

附图说明

图1为本发明无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器无密封套结构示意图；

图2为本发明无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器含密封套结构示意图；

图3为本发明的隔套结构示意图；

图4为图3中所示隔套A-A线剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1至图4所示，本发明所述的涡轮增压器混合陶瓷球轴承，包括压气机壳9、涡轮壳11、压气机背盘16、轴承体12、定位销5、涡轮转子1、混合轴承；混合轴承包括混合轴承外圈、涡轮转子轴13、混合轴承陶瓷球2、混合轴承保持架6。

所述的混合轴承外圈安装于涡轮增压器轴承体12内孔中，包括左外圈7和右外圈3，左外圈7和右外圈3分别设置有一个外滚道；所述的涡轮转子轴13并列设置有两个内滚道；涡轮转子轴13两个内滚道分别与左外圈7和右外圈3的外滚道面对面，各自的凹面朝着对方；内滚道和外滚道之间设置有混合轴承陶瓷球2，所述陶瓷球2由内、外滚道与混合轴承保持架6定位。

所述的混合轴承还包括位于左外圈7和右外圈3之间的隔套4，所述隔套4分为上、下两部分，隔套4的上半部分设有一个销钉定位孔14，定位销5装设于销钉定位孔14内用以固定隔套4；隔套4的下半部分设有一个润滑油出油孔15，使润滑油流出混合陶瓷球轴承。

所述左外圈7和右外圈3上部分别开设有与轴线成75度角的进油孔。左外圈7和右外圈3由隔套4定位，隔套4由定位销5固定。定位销5带有分别与左外圈7和右外圈3的进油孔相连通的两个油孔。润滑油由轴承体12的润滑油进口进入定位销5的内孔，分别经由左外圈7和右外圈3上部的进油孔进入转子轴13上的斜面，溅射到陶瓷球2上，对摩擦副进行润滑、冷却。

涡轮增压器还包括密封套8，用于安装压气机端密封环，为调整混合轴承支撑跨距，可以取消密封套8，相应的密封环安装环槽设置在压气机背盘16与转子轴13上。

本发明不限于上述实施例，对于本领域技术人员来说，对本发明的上述实施例所做出的任何显而易见的改进或变更都不会超出仅以举例的方式示出的本发明的实施例和所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，包括压气机壳(9)、压气机背盘(16)、涡轮壳(11)、轴承体(12)、涡轮转子(1)、混合轴承；混合轴承包括混合轴承外圈、涡轮转子轴(13)、混合轴承陶瓷球(2)、混合轴承保持架(6)，其特征在于：

所述的混合轴承外圈安装于涡轮增压器轴承体(12)内孔中，包括左外圈(7)和右外圈(3)，左外圈(7)和右外圈(3)分别设置有一个外滚道；所述的涡轮转子轴(13)并列设置有两个内滚道；所述的涡轮转子轴(13)的两个内滚道分别与左外圈(7)和右外圈(3)的外滚道面对面、各自的凹面朝着对方；内滚道和外滚道之间设置有混合轴承陶瓷球(2)，所述陶瓷球(2)由内滚道、外滚道和混合轴承保持架(6)定位；

所述的混合轴承还包括位于左外圈(7)和右外圈(3)之间的隔套(4)，所述隔套(4)通过定位销(5)固定。

2.根据权利要求1所述的无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，其特征在于：所述隔套(4)由上、下两部分组成，隔套(4)的上半部分设有一个用于装设定位销(5)的销钉定位孔(14)，下半部分设有一个润滑油出油孔(15)。

3.根据权利要求1或2所述的无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，其特征在于：所述左外圈(7)和右外圈(3)上部分别开设有与轴线成锐角的进油孔。

4.根据权利要求3所述的无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，其特征在于：所述定位销(5)设有分别连通于左外圈(7)进油孔和右外圈(3)进油孔的两个油孔。

5.根据权利要求4所述的无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，其特征在于：所述涡轮增压器设有用于安装压气机端密封环的密封套(8)。

6.根据权利要求1或2所述的无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，其特征在于：所述涡轮增压器设有用于安装压气机端密封环的密封套(8)。

7.根据权利要求1或2所述的无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，其特征在于：所述的涡轮增压器轴向移动量为混合轴承的轴向游隙。

8.根据权利要求1或2所述的无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，其特征在于：所述的无内圈混合陶瓷球轴承外圈采用金属或陶瓷材料。

9.根据权利要求8所述的无内圈混合陶瓷球轴承涡轮增压器，其特征在于：所述的混合轴承陶瓷球所用陶瓷材料为氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆。