CN101676522A - 保持轴承系统的锥形销 - Google Patents

Abstract

保持轴承系统的锥形销，用于将涡轮机轴承定位在壳体的内腔。本发明的示例性定位机构包括：具有销轴线的锥形销，其中锥形销包括锥形壁部分和销部分以定位涡轮机轴承；球；和座，设置在壳体中并且延伸在壳体的开口和壳体的内腔之间，座具有座轴线，其中座包括柱形表面和锥形表面。根据这种机构，锥形销在座中的设置使锥形销沿座轴线就座并抵接锥形表面，并且球在座中的设置使球沿座轴线就座并抵接柱形表面。因此，球相对于锥形销的对准允许从球沿销轴线传递力给锥形销。还公开了其它不同的示例性工艺。

Description

保持轴承系统的锥形销

技术领域

【0001】本发明总体涉及轴承系统，用于涡轮机械例如内燃机用涡轮增压器。

背景技术

【0002】涡轮机械依靠涡轮机将流体能量转换成机械能。在多数构造中，涡轮机连接于由一个或多个轴承支撑的轴，其中在涡轮机从流体流汲取能量时轴随着涡轮机转动。对于废气涡轮机，轴的转速可以超过100,000rpm。这种转速对轴承系统提出了很高的要求，尤其是润滑和冷却。通常使用流体例如天然或合成机油进行润滑及冷却。为了保证用于润滑和冷却的充分流体流动，必须将轴承系统内部件之间的间隙保持在严格界限内。

【0003】各种因素影响轴承系统内的间隙。这些因素包含加工精度、材料属性、组装工艺等。如果不能重复和精确加工部件，间隙就会从部件到部件以及总体上从组件到组件产生偏差。另外，如果材料属性允许不能接受的磨损，就会产生碎屑，随着时间流逝间隙就会变化。此外，如果组装工艺引入偏差，从组件到组件的间隙就会变得不能接受。

发明内容

【0004】由于轴承系统的质量对运行和寿命具有显著影响，研发可以改进质量的结构布置、材料和组装工艺是至关重要的。在此描述的各种示例性结构布置、材料和工艺力求提高质量同时任选地降低成本(例如制造、运行、维护等)。

附图说明

【0005】当结合附图来参照下面的详细描述时，会更加充分理解在此描述的各种结构布置、工艺等及其等同物，其中：

【0006】图1是用于内燃机的现有涡轮增压器系统的简化示意图。

【0007】图2是适用于图1的内燃机的具有示例性轴承系统的组件的剖视图。

【0008】图3是图2的组件的一部分的放大剖视图。

【0009】图4是图2和图3所示示例性锥形销的侧视图和顶视图。

【0010】图5是图2和图3的组件的中央壳体的示例性开口的剖视图。

【0011】图6是用于组装轴承系统的示例性方法的方块流程图。

具体实施方式

【0012】附图所示各种方法任选实施于合适的控制和/或计算环境，例如上位概念的计算机可执行指令如程序模块，由计算机和/或其它计算设备执行。通常，程序模块包含指令、路由、程序、目标、部件、数据结构等。可以使用一个或多个计算机可读介质来存储这类信息。一个或多个机器可以至少部分地被编程或以其它方式被指令以执行在此描述的各种方法的部分或全部。

【0013】在此处的一些流程图中，各种算法动作被汇总在各个“方块”中。这类方块描述具体的动作或判定，其随着过程前进被实施或执行。当采用控制器(或等同物)时，在此提出的流程表提供了用于“控制程序”或软件/硬件的基础，其可以被这种控制器(或等同物)使用以控制设备和/或系统。这样，各种过程可以作为存储在存储器中的机器可读指令被实施，当被处理器执行时，其完成方块中示出的各种动作。另外，各种图包含的各个“方块”任选是设备和/或系统的结构元件。例如，“控制器方块”任选包含作为结构元件的控制器。

【0014】基于在此提出的流程表和其他说明，本领域技术人员会方便地写出这类控制程序。应当理解，在此描述的主题内容不仅包含被编程来执行下述各种动作的设备和/或系统，而且包含用于编程控制器的软件，以及另外的可以体现这类软件的任何计算机可读介质。这类计算机可读介质的实例包括但不限于软盘、硬盘、CD、RAM、ROM、闪存等。

【0015】涡轮增压器经常用于增大内燃机的动力输出。参看图1，现有技术的动力系统100包含内燃机110和涡轮增压器120。内燃机110包含发动机组118，发动机组118容纳一个或多个燃烧室，其有效驱动轴112。吸气口114提供空气至发动机组的流动途径，而排气口116提供从发动机组118的废气的流动途径。涡轮增压器120用于从废气汲取能量并将能量提供给吸入空气。

【0016】如图1所示，涡轮增压器120包含空气入口130、轴122、压缩机级124、涡轮机级126、壳体128和废气出口134。涡轮机级126任选包含可变几何形状单元和可变几何形状控制器。可变几何形状单元和可变几何形状控制器任选包含例如与可商购的可变几何形状涡轮增压器(VGT)相关的特征。可商购的VGT包含例如

VNT^TM和AVNT^TM涡轮增压器，其使用多个可调节叶片来控制流过涡轮机的废气。示例性涡轮增压器可以采用废气门工艺作为可变几何形状工艺的替代或补充工艺。压缩机级124任选包含控制吸入空气流动的特征(例如可变几何形状压缩机)。

【0017】总之，涡轮机级126包含容纳在涡轮机壳体中的涡轮机叶轮(例如参见图2的叶轮226)，压缩机级124包含容纳在压缩机壳体中的压缩机叶轮(例如参见图2的叶轮224)，其中涡轮机壳体和压缩机壳体直接或间接地连接于中央壳体121(也是图2的壳体210)。中央壳体121通常容纳旋转支撑轴122的一个或多个轴承，其任选为多部件轴承。

【0018】图2示出的示例性壳体组件200所包含的壳体210具有压缩机端部202和涡轮机端部204。在这个实施例中，壳体210是涡轮增压器组件的中央壳体例如图1的壳体121。壳体210容纳用于轴承220的示例性轴承定位机构300。在图2的实施例中，机构300依靠定位机构座(socket)302来接收销320和球330。这些特征将在下面详细描述。

【0019】涡轮机叶轮226和轴222可以是单体部件，例如通过将涡轮机焊接至轴来制造。不论使用单体部件或者多个部件结构，都会存在一个或多个密封机构来减少从轴承空间至涡轮机叶轮空间的润滑剂泄露。例如，涡轮机叶轮226包含一对轴向隔开的槽，其中每个槽安放有密封环229。在图2的实施例中，压缩机叶轮224通过隔垫225与轴承220轴向隔开，其包含的槽安放有密封环227。这种密封结构减少了润滑剂朝向压缩机叶轮201的泄露。

【0020】壳体210包含用于轴承220的轴承内腔(bore)212。为了配合示例性定位机构300，轴承220包含孔口(aperture)221来接收定位销320，其延伸进入轴承内腔212。采用这种方式可以限制轴承220在中央壳体210的轴承内腔212内的转动和平移。总之，一旦与壳体210结合配置，轴承220是半浮动的，并且具有从一端到另一端和在轴承220与内腔212之间的间隙内的一定程度的运动自由度。虽然定位机构300包含的特征可以首先限制这种运动，但是注意所需间隙和定位机构的细节能够提供一定的端到端运动，同时保持一定间隙以用于在组件的压缩机端部202处或在组件的涡轮机端部204处轴承220和壳体210之间的径向润滑剂流动。在图2中，在定位销230和轴承220之间可以存在一定的间隙。

【0021】示例性定位机构300的各种特征涉及可靠性。在图2的实施例中，壳体210包含至定位机构座302的开口(opening)206，其用于接收定位销320和球330。如在此所述，定位销320由壳体210的开口206接收，安置在座(或称插口)302中，并且插入轴承220的孔口221。球330随后由开口206接收，安置在座302中，轴向载荷施加于球330以定位和固定定位销320。球330定位在座302中以使施加于球330的载荷基本沿其轴线传递给定位销320。另外，球330可以产生环绕周边的密封，从而防止碎屑进入开口206。这种碎屑可能会影响定位销320(例如其材料、其配合和/或其对准)。

【0022】虽然图2的实施例示出了在壳体210顶部的定位机构300，但在其它结构布置中，定位机构可以在侧面或底部。另外，示例性组件可以任选包含两个或更多个定位机构(例如一种示例性机构和另一种类型的定位机构、两种示例性机构等)。

【0023】图3示出了图2的定位机构300的放大剖视图。定位机构300依靠设置在壳体210内的座302、定位销320以及球330来维持定位销320相对于壳体210和轴承220的正确对准。

【0024】在图3的实施例中，定位销320包含锥形壁部分323，其与壳体210的座320的相应锥形表面314对准。锥形壁部分323和锥形表面314可以相对平滑以提供增大的接触面积。壁部分323和/或锥形表面314可以可选择地或者另外处理成增大摩擦力(即阻止锥形壁部分323沿锥形表面314的相对运动的力)。

【0025】在图3的实施例中，锥形壁部分323相对于销320的轴线限定(或形成)，并且锥形表面314相对于座320的轴线限定。当组装时，这些轴线对准以使销320的锥形壁部分323和座302的锥形表面314接触，沿从壳体210的开口206至内腔212(例如从销320头部至底部)的方向直径减小。

【0026】如在此所述，沿销320轴线施力能够使销320的锥形壁部分323沿座302的锥形表面314就座。如果需要拆卸，销320可以包含允许从壳体210的座302拧动或拉动销320的一个或多个特征。例如销320可以包含沿其轴线或离开轴线位置(例如不干扰球330施加的轴向力)的螺纹井。一种示例性轴承组件可以允许进入销320底部，在此可以施力以推动销(例如通过轴承220的开口，其可以通过壳体内的开口进入)。

【0027】如图3所示，球330(例如球体)沿座302的柱形表面310就座。在该实施例中，球330的直径和柱形表面310的直径允许球330被插入和压力配合(例如机械干涉配合)以在球330的周边和柱形表面310之间形成密封331。如前所述，密封331可以防止碎屑抵达销320。另外，密封331可以帮助防止润滑剂从壳体210的内腔(或称镗孔)212泄露；注意锥形壁部分323和锥形表面314可以形成密封来防止润滑剂从壳体210的内腔212泄露。因此，销320和/或球330可以密封座302(例如在壳体的开口206和内腔212之间形成密封)。

【0028】在定位机构300中，球300和柱形表面310可以构造成将球330保持在座302中，或它们可以构造成允许取出球330(例如在使销320就座之后)。无论哪种情况，球330可以包含允许从座302取出球330的一个或多个特征(例如螺纹井或其它特征)。

【0029】如在此所述，球330允许传递力至销320。具体来说，根据图3的结构布置，座302的锥形表面314和柱形表面310沿共同的轴线限定，其中球330插入座302允许球330形成沿其轴线与销320的接触333。当力被施加于球330来使销320就座时，这些轴线对准精度更高。

【0030】在图3的实施例中，销320包含大致柱形销部分325，其延伸进入壳体210的内腔212并进入轴承220的孔口221，由此将轴承220定位在内腔212中。这种机构可以改善销320和轴承220之间的垂直程度。这种机构还可以改善壳体铸造可行性，改善组装方面并降低成本。改善销320对轴承220的垂直程度可以降低磨损(例如该机构帮助维持部件之间的正确表面接触)。如前所述，轴承220经常要经受极端条件，包括高温和强力。示例性定位机构330改善了销320和轴承220之间的关系并因此允许轴承220以更确切的位置运行，这又能够帮助维持间隙，维持润滑剂流动并总的来说降低磨损。

【0031】图4示出了图2和3的锥形销320的侧视图和顶视图。针对不同部分321、322、323、324和325来描述销320。还针对半径、表面和轴向长度或“高度”来描述这些部分。

【0032】销320的斜面部分321具有表面s₀、轴向长度Δh₀、上部半径r₀和下部半径r₁。销320的柱形部分322具有表面s₁、轴向长度Δh₁和半径r₁。销320的锥形壁部分323具有表面s₂、轴向长度Δh₂、上部半径r₁和下部半径r₂。销320的颈部分324基本是柱形并具有表面s₃、轴向长度Δh₃和半径r₃。销320的销部分325基本是柱形并具有表面s₄、轴向长度Δh₄、上部半径r₄和下部半径r₅(例如由于斜边其可以小于r₄)。

【0033】锥形壁部分323具有沿销320轴线减小的半径。可以根据Δr和Δh₂来决定锥形壁部分323的锥角，其中Δr＝(r₁-r₂)。在示例性结构布置中，锥形壁部分323的锥角可以是大约30°。座302的锥形表面314也可以具有大约30°的角。

【0034】图5示出了定位机构座302的剖视图。壳体210的开口206可以视作座302的开口。座302包含：柱形表面310，其具有轴向高度Δh_b和半径r_b(其中“b”是“球”的缩写)；至柱形表面312的台阶，其具有轴向高度Δh_h和半径r_h(其中“h”是销头的“头”的缩写)；至锥形表面314的台阶，其具有轴向高度Δh_c和取决于高度的半径r_c(h)；以及柱形表面316，其具有轴向高度Δh_p和半径r_p(其中“p”是销部分的“销”的缩写)。

【0035】如在此所述，用于将涡轮机轴承定位在壳体的内腔内的示例性定位机构包含：锥形销，具有销轴线并且包含锥形壁部分和销部分以定位涡轮机轴承；球；和座，设置在壳体内并且延伸在壳体的开口和壳体的内腔之间，座具有座轴线，其中座包含柱形表面和锥形表面，其中锥形销在座中的设置将锥形销沿座的轴线就座并抵接锥形表面，其中球在座中的设置将球沿座的轴线就座并抵接柱形表面，以及其中球相对于锥形销的对准允许力沿销的轴线从球传递给锥形销。这种机构还包含涡轮机轴承，其中涡轮机轴承具有用于接收锥形销的销部分的孔口。

【0036】如在此所述，在这种机构中，球可以与座的柱形表面形成密封。例如，在球和座的柱形表面之间可以存在大约0.1mm或更小尺寸的干涉配合(例如大约0.05mm)。

【0037】如在此所述，锥形销的锥形壁部分可以相对于销的轴线具有大约10°至大约50°的角(例如大约30°)。总之，该角度允许力的充分传递以及就座；注意其它角度也是可行的。如在此所述，壳体的座可以包含相应的角度。

【0038】如在此所述，用于涡轮增压器的示例性组件包含：轴承，具有纵向轴线，用于沿纵向轴线支撑涡轮增压器轴并且包含孔口，孔口具有垂直于纵向轴线的孔口轴线；壳体，包含接收轴承的内腔和座，其中座延伸在壳体的开口与壳体的内腔之间，座具有垂直于轴承的纵向轴线的座轴线，并且座包含柱形表面和锥形表面；球，沿座轴线设置在座中并抵接座的柱形表面就座；以及锥形销，具有销轴线，沿座轴线设置在座中并抵接座的锥形表面就座，其中锥形销包含由轴承的孔口接收的销部分；其中球在销轴线处接触锥形销以由此允许从球传递力给锥形销。在这种组件中，锥形销将轴承定位在壳体的内腔中。如上所述，轴承可以是半浮动轴承。

【0039】图6示出了示例性方法60的方块图。该方法600包含插入步骤604来将轴承插入壳体的内腔。插入步骤60 4后面伴随有另一个插入步骤608来将锥形销插入壳体的开口。但是也可以在步骤604之前执行步骤608，但通常步骤608跟随步骤604。

【0040】方法600包含又一个插入步骤612来将球插入壳体的开口。插入步骤612之后是施加步骤616来对球施加载荷。施加步骤616用于完成方法600，如完成步骤620所示，销现在设置成定位轴承，由此壳体的开口现在被密封。

如在此所述，示例性方法包含：将轴承插入壳体的内腔，其中轴承包含纵向轴线和孔口，孔口具有垂直于纵向轴线的孔口轴线；将锥形销插入壳体的座，其中座延伸至壳体的内腔，并且锥形销包含销轴线和被轴承的孔口接收的销部分；将球插入壳体的座；并且对球施加载荷以由此将锥形销就座在座中并将轴承定位在内腔中。这种方法可以包含对球施加载荷以在球和座之间形成密封。如前所述，由于正确的对准，对球施加载荷可以在沿销轴线的位置将力传递给锥形销。在不同实施例中，在座和球之间可以存在干涉配合以允许座强制保持球。在该实施例中，球将锥形销保持在座中。

【0041】虽然针对具体的结构特征和/或方法逻辑动作描述了示例性方法、设备、系统等，但应当理解，所附权利要求所限定的主题内容并非必须局限于描述的具体特征和动作。相反，具体的特征和动作是作为实施所要求保护的方法、设备、系统等的示例形式而公开。

Claims (15)

1.一种定位机构，用于将涡轮机轴承定位在壳体的内腔中，该定位机构包括：

具有销轴线的锥形销，其中锥形销包括锥形壁部分和销部分以定位涡轮机轴承；

球；和

座，设置在壳体中并且延伸在壳体的开口和壳体的内腔之间，座具有座轴线，其中座包括柱形表面和锥形表面，

其中锥形销在座中的设置使锥形销沿座轴线就座并抵接锥形表面，

其中球在座中的设置使球沿座轴线就座并抵接柱形表面，以及

其中球相对于锥形销的对准允许从球沿销轴线传递力给锥形销。

2.权利要求1的定位机构，还包含涡轮机轴承，其中涡轮机轴承包括用于接收锥形销的销部分的孔口。

3.权利要求1的定位机构，其中球与座的柱形表面形成密封。

4.权利要求1的定位机构，其中在球和座的柱形表面之间存在大约0.05mm的干涉配合。

5.权利要求1的定位机构，其中锥形销的锥形壁部分包括相对于销轴线为大约30°的角度。

6.权利要求1的定位机构，其中座的锥形表面包括相对于座轴线为大约30°的角度.

7.一种用于涡轮增压器的组件，该组件包括：

具有纵向轴线的轴承，用于沿纵向轴线支撑涡轮增压器轴，包括具有孔口轴线的孔口，孔口轴线垂直于纵向轴线；

壳体，包括

接收轴承的内腔；和

座，

其中座延伸在壳体的开口和壳体的内腔之间，座具有垂直于轴承的纵向轴线的座轴线，座包括柱形表面和锥形表面；

球，沿座轴线设置在座中并且抵接座的柱形表面就座；和

具有销轴线的锥形销，沿座轴线设置在座中并且抵接座的锥形表面就座，其中锥形销包括由轴承的孔口接收的销部分；

其中球在销轴线处接触锥形销，由此允许从球传递力给锥形销。

8.权利要求7的组件，其中锥形销将轴承定位在壳体的内腔中。

9.权利要求7的组件，其中球与座的柱形表面形成密封，由此密封座。

10.权利要求7的组件，其中轴承包括半浮动轴承。

11.一种方法，包括：

将轴承插入壳体的内腔，其中轴承包含纵向轴线和孔口，孔口具有垂直于纵向轴线的孔口轴线；

将锥形销插入壳体的座，其中座延伸至壳体的内腔，并且锥形销包括销轴线和被轴承的孔口接收的销部分；

将球插入壳体的座；以及

对球施加载荷以由此将锥形销就座在座中并将轴承定位在内腔中。

12.权利要求11的方法，其中对球施加载荷形成了球与座之间的密封。

13.权利要求11的方法，其中对球施加载荷将力在沿销轴线的位置传递给锥形销。

14.权利要求11的方法，其中在座与球之间存在干涉配合以允许座强制保持球。

15.权利要求14的方法，其中球将锥形销保持在座中。

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