CN102003228B - 轴承隔件和壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴承隔件和壳体。一种典型的中心壳体旋转组件包括涡轮机叶轮(260)；压缩机叶轮(240)；中心壳体(210)，所述中心壳体包括沿孔轴线从压缩机端延伸至涡轮机端的通孔(215)和处在与所述孔轴线正交的平面中且与所述孔相邻的凹部(217)；被定位在所述孔中的轴承组件(230)，所述轴承组件包括键槽(233)；和防旋转部件(280)，所述防旋转部件被座置在所述凹部中且至少部分地被座置在所述键槽中以便限制所述轴承组件在所述孔中的旋转。本发明还披露了多种其它典型装置、系统、方法等。

Description

轴承隔件和壳体
技术领域
本文披露的主题主要涉及用于内燃机的涡轮机械，且特别地，本发明涉及用于将轴承组件定位在涡轮增压器的孔中的技术。
背景技术
常规的涡轮增压器通常要依靠中心壳体旋转组件(CHRA)，所述中心壳体旋转组件包括被附接到轴上的涡轮机叶轮和压缩机叶轮，所述轴可旋转地受到位于中心壳体的孔中的轴承组件的支承。典型的轴承组件或轴承套筒包括外座圈和内座圈，所述外座圈和所述内座圈被构造以便接收轴，其中所述外座圈和所述内座圈通过滚动元件如滚珠轴承而分开。
在绝大多数CHRA中，所谓“定位机构”限制了轴承组件在中心壳体的孔中进行的移动。多种常规的定位机构依靠沿径向将定位销插置在轴承组件的外座圈的开口中，这种机构限制了轴承组件的径向和/或轴向移动且限制了外座圈的旋转，但仍允许内座圈自由地自转。此外，这种机构允许轴承组件在一定程度上进行径向移动，这通常是在被限定的间隙内进行的，在操作过程中，所述间隙内填充有润滑剂，从而形成用于减震和降噪的“挤压膜(squeezefilm)”。在这样的CHRA中，可选择径向自由度和轴向自由度以便具有特定大小或根据不同目标而具有多种大小。
这种依靠径向定位销对轴承组件进行定位的定位机构会带来多种问题。例如，在涡轮增压器的操作过程中，会产生相当大的轴向载荷，这种载荷会将涡轮增压器的轴和相关的部件推向涡轮增压器CHRA的压缩机端或涡轮机端，这进一步地会从轴承组件被传递至径向定位销。这些力使销强度成为重要的设计因素。另一问题涉及部件的轴向堆叠(例如：CHRA的部件如何良好地堆叠在一起，以及这种堆叠会如何影响操作和磨损)。一般说来，依靠径向定位销的定位机构并未带来轴向堆叠方面的优点；实际上，销和外座圈开口的本质特征决定了会产生可能不利的几何学问题和操作问题。
更通常而言，定位机构，如上述径向销定位机构可被描述为“键/键槽对”，所述键/键槽对包括凸出部件(键)和凹进部件(键槽)，所述凸出部件和所述凹进部件进行作用以便对轴承组件的外座圈进行定位。在这种基于键/键槽的定位机构中，键部件与键槽部件之间的摩擦接触应该保持较低(1)以便允许轴承组件在径向平面中(即，在其挤压膜内)自由移动并且(2)限制键槽部件之间的磨损。
此外，在CHRA中，为使效率最大化且为了降低功率损耗，应该将部件之间的摩擦接触降至最低限度。对于涡轮增压器而言，功率损耗的一个来源是轴承系统。正如本文所述地那样，多种典型的定位机构会减少或减轻与依靠径向销的定位机构相关的问题。例如，通过减少摩擦，这些典型机构可以降低功率损耗并由此提高涡轮增压内燃机的效率和性能。
附图说明
通过以下具体实施方式并结合附图，所属领域技术人员将更透彻地理解本文所述的多种方法、装置、系统、布置等，及其等效方式，其中：
图1是涡轮增压器和内燃机的示图；
图2是沿由线A-A限定的平面的一种典型涡轮增压器的剖切透视图，所述涡轮增压器包括用于轴承组件的外座圈的防旋转机构；
图3是沿由线B-B限定的平面的图2所示涡轮增压器的端视图，所述涡轮增压器包括防旋转机构；图3还示出了防旋转机构的一个变型实例；
图4是沿由线A-A限定的平面的图2所示涡轮增压器的剖视图和沿图2中的线C-C限定的平面的放大剖视图，所述涡轮增压器包括防旋转机构；
图5是沿由线D-D限定的平面的涡轮增压器的剖视图和板的剖视图，所述板具有防旋转机构的一体的键部件；
图6是图5所示板的平面视图和侧视图；
图7是沿图7中的线E-E限定的平面的图5所示涡轮增压器的轴承组件的平面视图和剖视图；
图8是图6所示板和图7所示轴承组件的平面视图和侧视图；和
图9是板和轴承组件的平面视图和侧视图，其中该板包括键槽且该轴承组件包括键。
具体实施方式
涡轮增压器常常用于提高内燃机的输出。参见图1，常规的系统100包括内燃机110和涡轮增压器120。内燃机110包括罩住一个或多个燃烧室的发动机组118，所述燃烧室操作性地驱动轴112。如图1所示，进气端口114提供了使空气流至发动机组118的流动路径，而排气端口116则提供了使排气从发动机组118排出的流动路径。
涡轮增压器120用于从排气中提取能量并将能量提供给进入的空气，所述进入的空气可与燃料结合而形成燃烧气体。如图1所示，涡轮增压器120包括空气入口134、轴122、压缩机124、涡轮机126、壳体128和排气出口136。由于壳体128被设置在压缩机124与涡轮机126之间，因此该壳体可被称作中心壳体。轴122可以是包括多个部件的轴组件。
参见涡轮机126，这种涡轮机可选地包括可变几何单元和可变几何控制器。该可变几何单元和可变几何控制器可选地包括一些特征，例如与市场上可买到的可变几何涡轮增压器(VGT)相关的那些特征。市场上可买到的VGT例如包括GARRETTVNTTM和AVNTTM涡轮增压器，所述涡轮增压器使用多个可调节的轮叶来控制通过涡轮机的排气流量。一种典型的涡轮增压器可采用废气门技术作为替代可变几何技术的另一种可选技术或相结合地采用这两种技术。
图2示出了典型的涡轮增压器200的剖面透视图，图中示出了由线A-A限定出的平面、由线B-B限定出的平面和由线C-C限定出的平面。A-A平面是图2所示视图的剖面，而图3示出了B-B平面的视图，图4示出了C-C平面的视图。
涡轮增压器200提供了用于描述本文所披露的多种典型装置、方法、系统等的非限制性实例。涡轮增压器200包括中心壳体210、轴220、轴承组件230、压缩机部段240、涡轮机部段260和定位机构，所述定位机构包括板270和防旋转部件280。
压缩机部段240包括罩住压缩机叶轮242的压缩机壳体241，所述压缩机叶轮包括轮毂243和叶片244。涡轮机部段260包括罩住涡轮机叶轮262的涡轮机壳体261，所述涡轮机叶轮包括轮毂263和叶片264。如图所示，压缩机叶轮242和涡轮机叶轮262被可操作地连接至轴220。轴220可由多个部件制成，所述多个部件形成了单个可操作的轴单元。压缩机叶轮240、涡轮机叶轮260和轴220具有与轴线Z大体上重合的旋转轴线。中心壳体210包括孔215，所述孔被构造以便接收轴承组件230，所述轴承组件进而接收轴220并允许轴220围绕轴线Z旋转。
如图2的实例所示，中心壳体210包括润滑剂路径以便允许润滑剂流向轴承组件230和流动离开该轴承组件。具体而言，壳体210包括润滑剂入口212和润滑剂出口216。介于润滑剂入口212与润滑剂出口216中间的是限定出一条或多条润滑剂流动路径的多个特征。轴向润滑剂路径213被构造以便沿中心壳体210的孔215将润滑剂从润滑剂入口212引向开口。正如所构造地那样，润滑剂可在中心壳体210内流动(例如进入轴承组件230)并最终经由润滑剂出口216(例如在重力作用下)从壳体中被排出。
对于定位机构而言，涉及该定位机构的四个部件或特征：(1)中心壳体210的止挡件211，所述止挡件被定位在孔215的涡轮机端处；(2)被附接到中心壳体210上的板270，所述板被定位在孔213的压缩机端处；(iii)中心壳体210中的凹部(参见图3和图4)；和(iv)防旋转部件280，所述防旋转部件可沿轴承组件的外座圈的长度被定位在多个位置中的任何位置处。在图2所示的实例中，图中示出的防旋转部件280被定位在孔215的压缩机端处并与轴承组件230的压缩机端相邻，其中该防旋转部件280的至少一部分被座置在中心壳体210的凹部中。
图3示出了从B-B平面观察到的涡轮增压器200的视图。特别是，图3示出了中心壳体210、中心壳体210中的凹部217、轴220、轴承组件230和防旋转部件280。轴承组件230包括外座圈232、内座圈234和滚动元件236。在图3所示视图中，图中示出了轴向润滑剂路径213和孔215以及四个孔口，以便接收螺栓或类似部件，从而将板270附接到中心壳体210上。
在图3所示实例中，外座圈232包括带切口的部分或键槽部分233，所述部分与防旋转部件280的键部分协同作用。如图所示，中心壳体210具有位于孔215的压缩机端处的带斜面的边缘，且凹部217被定位在与孔215相邻的位置处。防旋转部件280被座置在凹部217中，所述凹部被构造以便限制防旋转部件280的旋转。特别是，凹部217和防旋转部件都具有椭圆形形状，其中凹部217的椭圆形形状在横向尺寸上略大于防旋转部件280的相应尺寸，这使得在允许进行一些移动的同时，限制了防旋转部件280在凹部217中的过度移动。
在图3所示实例中，防旋转部件280具有外半径Rc和宽度Wc，而凹部217具有外半径RR和宽度WR。如图所示，凹部217的这些2D尺寸超过了防旋转部件280的那些尺寸。尽管图3示出了本文所述的一种特定的构型和形状，但也可使用其它构型和形状(参见例如实例290)。图3所示实例还示出了轴220的旋转轴线与防旋转部件280的旋转轴线之间的偏移量。在该实例中，被凹部217接收的防旋转部件280限制了外座圈232围绕轴220的旋转轴线进行的旋转。外座圈232的旋转量可全部或部分地取决于一种或多种因素，例如凹部217的尺寸、防旋转部件280的尺寸、键槽233的尺寸等。
在图3所示实例中，在键槽233与防旋转部件280的边缘之间存在一个或多个接触点。进一步地，在防旋转部件280与例如中心壳体210的轴向壁部之间存在一个或多个接触点，所述轴向壁部限定出凹部217。在图3所示实例中，防旋转部件280与中心壳体210之间的接触抵消了外座圈232与防旋转部件280之间的接触所施加的力。进一步地，具有如图3所示构造的防旋转部件280可限制外座圈232沿顺时针或逆时针方向的旋转。为了达到这种目的，防旋转部件280可在座置于凹部217中时进行旋转(例如围绕轴线沿顺时针方向或逆时针方向进行旋转)。
作为移动受限的键，防旋转部件280在被至少部分地座置于外座圈232的键槽部分233中时，限制了外座圈232的旋转移动。因此，上面的特征限制了轴承组件230在中心壳体210的孔215中的旋转，而无需使用径向定位销。进一步地，当防旋转部件280被板270覆盖时，防旋转部件280所接收到的轴向推力(如果存在的话)可被传送至板270。特别是，根据键槽233的深度、凹部217的深度与防旋转部件280的厚度之间的关系，使得可能确保不会有太大的轴向推力被传送至防旋转部件280。在这种构型中，防旋转部件280对CHRA的部件的轴向堆叠没有或几乎没有产生有害效应。
图3还示出了典型的防旋转机构290，其中防旋转部件296(键)包括弯曲边缘(例如凸起的边缘)且其中轴承291包括外座圈292，所述外座圈具有弯曲边缘293(例如限定出键槽的凹入边缘)。进一步地，机构290包括凹部297，所述凹部的形状(例如边界)用以防止或限制防旋转部件296的旋转。在图3所示实例中，防旋转机构可被认为包括键/键槽对。
正如本文所描述地那样，典型的防旋转机构包括与外座圈相关联的特征和另一互补特征，其中这两个特征用作键与键槽对以便限制外座圈的旋转。
图4示出了图2所示涡轮增压器200的其中一些部件的剖面图(沿A-A平面)和防旋转部件280沿图2所示C-C平面的放大剖面图。
在C-C平面视图中，如图所示的防旋转部件280包括头部部分282和轴部分284。在图4所示实例中，头部部分282被座置于凹部217中，而轴部分284被座置于轴向孔218中。正如本文所描述地那样，轴部分284可以松散配合、紧密压配合、螺纹配合等方式配合在轴向孔218中。
正如C-C平面视图所示地，板270覆盖了防旋转部件280的头部部分282的至少一部分。正如所提到地那样，如果防旋转部件280接收到了轴向推力，则这些推力可被传送至板270(例如，所述板可被称作盖板)。
尽管图2、图3和图4的视图中并未示出，但板270可包括孔口，从而使得允许使用螺栓或类似物将板270附接到中心壳体210上。如图4所示，被称作压缩机叶轮板的另一板250被座置在板270上。在如图4所示的实例中，止推环255被设置在压缩机板250与定位板270之间。如图所示，止推环250可接收来自轴220(或内座圈234)的轴向推力并将这些力传递至压缩机板250。外座圈232所接收到的推力可被传递至定位板270，所述定位板被附接到中心壳体210上。同样地，在多种构型中，防旋转部件280所接收到的轴向推动可以是最小限度的或可被降低至最小限度。
如图4的C-C平面所示，外座圈232的键槽特征233并未妨碍外座圈232的内表面的滚道。
正如本文所述地那样，另一种典型的防旋转机构依靠板，所述板包括或承载着一个或多个防旋转键，所述键用以被轴承组件外座圈中的一个或多个相应的键槽(例如切口)接收。图5示出了典型的CHRA500的多个部件的剖面视图，所述部件包括中心壳体510、轴520、轴承组件530、止推环555和板570。中心壳体包括止挡件511(所述止挡件例如为开口，所述开口的弧度或直径小于外座圈的外径)、润滑剂入口512、润滑剂井513、孔515和润滑剂出口516。轴承组件530包括外座圈532、内座圈534和被设置在其间的多个滚动元件536，这使得内座圈534可自由地自转。如图所示，可以多部件内座圈形式存在的内座圈534接收轴520，所述轴在涡轮机端(右侧)处被附接到涡轮机叶轮上且在压缩机端(左侧)处被附接到压缩机叶轮上。
在图5所示实例中，止挡件511和板570用以沿轴向将轴承组件530定位在中心壳体510的孔515中。特别是，止挡件511限制了外座圈532在孔515的涡轮机端处的轴向移动，而板570限制了外座圈532在孔515的压缩机端处的轴向移动。在沿由线D-D限定的平面的剖面视图中，板570被示作经由螺栓590而附接到中心壳体510上，所述螺栓经由板570的孔口572被插入中心壳体510内。中心壳体510可包括多个开口，所述开口具有螺纹特征或其它特征以便接收螺栓590或其它附接部件(参见例如图3所示实例中的项目219)。
图6、图7和图8示出了与板570相关联的防旋转机构的详图。具体而言，图6示出了板570的特征、图7示出了轴承组件530的特征，且图8示出了板570的特征与轴承组件530的特征是如何协同作用从而限制轴承组件530的外座圈532的旋转的。
图6示出了图5所示板570的平面视图和侧视图以及作为参考的中心轴线z(参见图5所示轴520的旋转轴线z)。在图6所示实例中，板570包括围绕轴线z跨越角度X的切口、多个孔口572、半径为RN的弧形切口574、半径为R0的开口和围绕轴线z呈角Y被定位的两个键578、578’。
图7示出了图5所示典型轴承组件的侧视图和剖视图。在侧视图中，键槽535和535’被示作位于外座圈532中。在图7所示视图中，键槽535、535’是从外座圈532的外径嵌入的。特别是，嵌入直径(insetdiameter)标示为“DInset”，该直径小于相邻的外径。在图7所示实例中，轴承组件530的相对端并不包括具有嵌入直径的部段。如图5所示，该相对端与中心壳体510的止挡件511协同作用以便限制轴承组件530的轴向移动。
图8示出了板570和轴承组件530的平面视图和侧视图。在图8中，板570的键578、578’中的一个键被示作由轴承组件530的相应的一个键槽或切口535、535’接收。通过这种方式，当轴承组件530被定位在如图5所示的中心壳体510的孔515中时，该轴承组件的外座圈532的旋转受到了限制。
在图5、图6、图7和图8所示的实例中，键可与止推板成一整体，而相应的键槽可与轴承组件的外座圈成一整体。正如结合图7所说明地那样，键槽可从外座圈的外径凹入，从而使得轴承外径(OD)的无中心研磨不会沿外径在滚道附近遇到任何的不连续。如果在无中心研磨操作过程中，在OD上存在不连续的话，则在OD上将形成机加工缺陷且该缺陷随后会被传递至滚道研磨件(该滚道研磨件被对准设置在离开OD的位置处)。
如图7所示，键槽535、535’被定位在用于滚动元件536的滚道的外侧处。由每个键槽535、535’接收到的键可被构造以便避免轴向接触(例如在键槽的轴向壁部处)。在这种实例中，键仅与键槽的一个或多个侧向壁部接触(例如沿方位角方向)。正如本文所描述地，键槽可以是处在轴承组件的外座圈的外径上的底切口且所述键槽的成形方式避免了对滚道(例如，所述滚道以较低的肩部(正面)和较高或“较深”的肩部(背面)为边界)产生妨碍。例如，可由被承载在滚道边缘上(这例如可能是由推力导致产生的)的滚珠形成“滚珠带”。因此，在多个实例中，外座圈中的一个或多个键槽是通过无中心研磨操作形成的，其中一个或多个键槽被定位以便避免出现滚道/滚动元件受损的风险(这种受损例如是由于推力、未对准、配合松散等因素造成的)。正如本文所描述地那样，键槽可以是外座圈的OD浮凸件(这例如是为了与无中心研磨操作实现良好配合)。
图9示出了板970和轴承组件930的平面视图和侧视图。在图9中，板970包括键槽978、978’且轴承组件930的外座圈932包括键935、935’。外座圈932的键935、935’被示作由板970的相应键槽978、978’接收。通过这种方式，当轴承组件930被定位在中心壳体的孔中时，该轴承组件的外座圈932的旋转受到限制。
在多个实例中，板可包括一个或多个键和一个或多个键槽。在多个实例中，轴承的外座圈可包括一个或多个键和一个或多个键槽。在这些实例中，键被键槽接收。本发明提供了多个实例，其中根据键和键槽的数量，一些键槽可在组装时是未填充的。例如，对于具有四个键槽的外座圈和具有两个键的板而言，其中两个键槽在组装时保持未填充状态。在多个实例中，键/键槽对(或多个键/键槽对)为轴承组件在挤压膜阻尼器(例如形成于外座圈与壳体的孔之间)中的径向移动提供了禁止性的自由量。
正如本发明所描述地那样，轴承组件的外座圈的特征可用来对外座圈相对于壳体的一个或多个特征的位置进行定位。例如，图5所示轴承组件530包括润滑剂喷射件以便将润滑剂从润滑剂井513引向滚动元件536。在这种实例中，一个或多个键/键槽对可用来对润滑剂喷射件相对于润滑剂井513的位置进行定位。通常情况下，这种定位可被称作方位角定位，该方位角定位在不对称外座圈与壳体之间建立起了关系(例如沿由壳体的孔的纵向轴线限定的方位角方向)。
正如本文所述，图5、图6、图7、图8和图9所示的典型定位机构允许对键和键槽进行高效机加工，所述键和键槽用以限制外座圈的旋转自由度，同时保持低摩擦，从而使得能够在其润滑剂膜内获得径向自由度，并在键/键槽对之间获得有益的耐磨性。
正如本文所描述地那样，一种用于将轴承的外座圈定位在壳体的孔中的典型方法包括将所述轴承插入所述壳体的所述孔中；将板附接到所述壳体上以便至少部分地沿轴向将所述轴承定位在所述壳体的所述孔中；以及通过使沿轴向延伸的键与键槽接触的方式限制所述轴承的所述外座圈在所述壳体的所述孔中的旋转。在这种方法中，所述板可包括所述键且所述轴承可包括所述键槽，或另一种可选方式是，所述轴承的所述外座圈可包括所述键且所述板可包括所述键槽。在这种方法中，所述接触可选地沿方位角方向对所述轴承的所述外座圈的一个或多个润滑剂喷射件相对于所述壳体的润滑剂井的位置进行了定位。在这种方法中，所述板可接收轴向推力，而所述键的轴向端不会与所述键槽的轴向端接触(例如从而避免在所述键和/或键槽上产生磨损)。
尽管本文结合附图和随后的具体实施方式对一些典型的方法、装置、系统、布置等进行了图示和描述，但应该理解：所披露的这些典型实施例并不是限制性的，而是能够在不偏离由以下权利要求书所阐明和限定的精神的情况下对这些实施例作出多种重新布置、变型和替代。

Claims (9)

1.一种中心壳体旋转组件，所述中心壳体旋转组件包括：
涡轮机叶轮(260)；
压缩机叶轮(240)；
中心壳体(210)，所述中心壳体包括
通孔(215)，所述通孔沿孔轴线从压缩机端延伸至涡轮机端，和
凹部(217)，所述凹部处在与所述孔轴线正交的平面中且与所述通孔相邻；
被定位在所述通孔中的轴承组件(230)，所述轴承组件包括外座圈(232)，所述外座圈(232)包括键槽(233)；和
防旋转部件(280)，所述防旋转部件被座置在所述凹部(217)中且至少部分地被座置在所述键槽(233)中，所述防旋转部件(280)能够在所述凹部(217)的平面中旋转以与所述外座圈(232)形成接触并与所述凹部(217)的壁形成接触，以便限制所述轴承组件(230)的外座圈(232)在所述通孔(215)中的旋转。
2.根据权利要求1所述的中心壳体旋转组件，进一步包括被附接到所述中心壳体上的盖板(270)，其中所述盖板覆盖所述防旋转部件的至少一部分。
3.根据权利要求1所述的中心壳体旋转组件，其中所述防旋转部件包括头部部分(282)和轴部分(284)。
4.根据权利要求3所述的中心壳体旋转组件，其中所述中心壳体包括轴向孔(218)，所述轴向孔被构造以便接收所述防旋转部件的所述轴部分。
5.根据权利要求1所述的中心壳体旋转组件，其中所述防旋转部件包括偏离所述孔轴线的旋转轴线。
6.根据权利要求5所述的中心壳体旋转组件，其中所述轴承组件的最大外径与所述防旋转部件的最小横向尺寸之和超过了所述旋转轴线和所述孔轴线之间的偏离量。
7.根据权利要求1所述的中心壳体旋转组件，其中所述凹部包括被定位在所述中心壳体的压缩机端处的凹部。
8.根据权利要求7所述的中心壳体旋转组件，其中所述凹部包括足以将所述防旋转部件座置在所述中心壳体的压缩机端表面轴向内侧的深度。
9.根据权利要求1所述的中心壳体旋转组件，其中所述防旋转部件并不接收来自所述轴承组件的轴向推力。
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