CN102071979A - 用于涡轮增压器轴承的定位机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮增压器轴承的定位机构。具体地，一种用于涡轮增压器的示例性半浮动轴承具有：中心轴线，其限定了具有轴向方向、径向方向和角方向的圆柱坐标系；涡轮端；压缩机端；在所述涡轮端与所述压缩机端之间的轴颈表面，所述表面构造成支撑涡轮增压器轴；以及布置在所述涡轮端与所述压缩机端之间的开口，所述开口具有超过轴向尺寸的径向尺寸，以在接收定位销的情况下提供轴承在角方向上绕其中心轴线的运动，并提供轴承在轴向方向上较小的运动。还公开了其它示例性的轴承、布置和方法。

Description

用于涡轮增压器轴承的定位机构
技术领域
本文公开的主要内容总体上涉及涡轮增压器，具体地涉及可减少噪音的用于定位涡轮增压器轴承的机构。
背景技术
已有各种机构用于控制或限制涡轮增压器的噪音。例如，涡轮增压器可装配有致力于衰减噪音的声阻尼机构(例如，噪音屏障、消声器等)。致力于控制或限制一个或多个噪音产生源的其它类型的机构也会提高涡轮增压器性能。例如，当噪音是因转子轴承系统(RBS)的不稳定性而产生时，提高RBS稳定性的机构也会降低由RBS产生的噪音。如本文所述，术语“不稳定性”与转子动力学有关(例如，围绕转子部件周围的流体动力学压力)，而不平衡与部件和组装的部件有关(例如，不平衡的压缩机轮、轴或涡轮机轮)。
一些类型的涡轮增压器噪音与同步振动(SV)有关，而其它类型与非同步振动(NSV)有关，非同步振动包括亚同步振动和超同步振动。同步指的是与例如旋转轴这样的部件同步。例如，频率上直接与轴旋转频率一起增加的振动被认为是同步的(例如，因为组装不平衡)。相反，与润滑剂膜有关的振动是典型非同步的，即，尽管与涡轮增压器运转有关，但轴旋转频率与振动之间的关系不是直接的。例如，NSV可由不稳定的RBS模式而产生，其特征在于不时出现的间隙、润滑剂性质和具体的运行条件。这种模式通常受到束缚，并可达到限制幅度的极限周值(limit cycle)。在其它例子中，NSV可不受束缚，并在幅度上增加，这会导致过度的振动、噪音甚至部件的破坏。当涡轮增压器耦接到内燃发动机时，发动机振动也会加到NSV，例如已知，发动机在涡轮增压器中引入明显且复杂的低频亚同步旋流(whirl)，其可以是发动机速度的倍数。
NSV可为多种设备参数的结果。控制这些参数并不总是容易的，并且对于一些涡轮增压器来说，由于基本设计需要的缘故，NSV可能是不可避免的。致力于控制NSV的一些机构依赖于专门的、改良或优化的转子支撑，这会有诸如增加成本、复杂性或减少部件公差这样的缺点。到目前为止，这种机构的相关缺点很少盖过NSV中的边际降低。
当然，独立地并在组装的各种阶段正确调节涡轮增压器部件的平衡会减少噪音产生。但是，如注意到的，各种非同步振动不直接与轴旋转速度有关，因此不由调节平衡(或配平衡)影响。例如，非同步旋流可由润滑剂膜动力学导致，并被认为是“自激励的”，在一定轴转速下变得持续(例如，“油起泡”)。当组装部件时，会出现所谓的“累积(stackup)”不平衡。对于较小的涡轮增压器，组件的平衡调节会显著减少已知会产生啸叫或呜呜声的累积不平衡。
可在“低”速或“高”速下进行平衡调节。各种可商购的配平衡机(例如，“振动分类台”(VSR)机)被构造成用于涡轮增压器芯的高速配平衡(例如，架(cartridge)，RBS或中心壳体旋转组件(CHRA))。典型的基于VSR机的配平衡过程用压缩空气供应润滑剂并驱动转子。这种配平衡要求各种手动步骤，包括标注(一个或多个)重点和手动切削。根据不平衡的量，人可能需要重复这种步骤，这会增加成本。各种低速配平衡机允许两平面的配平衡，并能实现可接受的结果；注意，许多高速配平衡机只允许单平面的配平衡。在任意一种情况中，即低速或高速下，配平衡是正确运转、减少噪音和涡轮增压器长寿必须的成本，
如本文所述，需要能减少涡轮增压器噪音的成本效果合算的机构。这种机构不应引入复杂的制造规范或引入额外的部件和组件不平衡问题。
附图说明
参照以下附图说明非限制、非穷举的例子：
图1是具有示例性轴承的涡轮增压器组件的图，包括构造为接收定位销的长形插孔(receptacle)；
图2是图1的轴承的透视图；
图3是示例性轴承的剖视图；以及
图4是示例性轴承和销布置的图，具有在两个平面上的剖视图；
具体实施方式
一些涡轮增压器组件包括为涡轮增压器轴提供轴颈和推力(thrust)支撑的单件式轴承。这种轴承通常通过单体(unitary)定位销定位于涡轮增压器组件的中心壳体内。在涡轮增压器运行期间，各种力可作用在轴承上。为防止轴承的不可接受的运动，定位销必须足够耐用。另外，与定位销有关的间隙应被选择为防止会在经过多次运行循环后导致过度磨损的运动。再另外，构造定位销的材料必须被选择为在涡轮增压器组件的整个寿命上能应对这些力。
如本文所述，用于定位销的示例性插孔可提高轴承性能。在各种实施例中，定位销插孔在角方向(例如，方位角方向)上的尺寸超过在轴向方向上的尺寸。例如，插孔可为长形，在角方向上的直径超过在轴向方向上的直径。这种形状在轴向定位轴承的同时允许角运动。在涡轮增压器运行时，各种振动模式与轴承边界的一个或更多润滑剂膜有关。如本文所述，由长形定位销插孔提供的增加的角运动减少了与这些模式中的至少一些有关的噪音。当与常规的圆形剖面并在角和轴向尺寸上间隙都小的定位销和插孔相比时，示例性插孔和销布置具有更高程度的自由度，这进而可有益于性能。
试验数据显示各种示例性布置会减少噪音并提高VSR配平衡和直通率(rolled throughput yield)(RTY)。例如，因超过VSR配平的规范而落选的各种轴承(型号GT12/15Z)被通过由长形孔代替轴承内的圆柱孔(即，具有相等的径向和轴向尺寸的恒定直径的开口)而重制，其中该长形孔沿径向方向增加大约60μm的径向尺寸(例如，在径向尺寸上增加大约1％；见例如图3中所示例子的尺寸Δ和DL)。相关的定位销没有变化，构造成由所述孔接收。表示径向方向上增加的直径的试验允许轴承相对所述定位销的角运动增加。在具有重制的轴承插孔的组件上的试验100％在VSR配平衡的规范内，因此作为结果，RTY增加。
各种示例性布置可提供具体的轴承运动，同时将轴承位置保持在压缩机/涡轮机轮到壳体间隙的控制下。尽管参照具有轴颈和推力支撑的单体轴承说明了各种实施例，示例性插孔可用于其它类型的轴承，例如，依赖于一个或更多定位销(例如，轴承架(bearing cartridge))的轴承。
图1示出涡轮增压器的示例性组件100(例如一种涡轮增压器组件)。组件100具有压缩机侧104和涡轮侧108，具有位于这两侧之间的中心壳体110。中心壳体110包括限定了孔的大致柱形表面112。表面112通常布置在绕中心轴线(例如，其与涡轮增压器的旋转轴线一致)大致常数的半径处。限定了表面112的孔与另一表面114相遇，该表面114绕中心轴线延伸小于360°并包括超过该孔半径的半径，从而限定该孔的润滑剂井。
如图1所示，示例性轴承200安放在孔内。轴承200具有大部分由外表面210和内表面212限定的大致柱形壁。外表面210布置在绕轴承200的中心轴线的外半径处，内表面212布置在绕中心轴线的内半径处。外表面210的半径小于孔表面112的半径而大于内表面212的半径。
孔表面112和轴承外表面210半径上的差限定出润滑剂膜厚度，其可帮助衰减壳体110内的轴承200的运动。轴承200的壁内的开口214允许润滑剂从由表面114限定的润滑剂井流到内表面212并相应地流到由内表面212限定的轴孔。
在图1中，轴140被示出位于轴承200的轴孔内。轴140具有压缩机侧轴颈表面144和涡轮测轴颈表面148。表面144和148通常布置在绕轴140的旋转轴线的共同半径处。轴颈表面144和148的共同半径小于轴承200的内半径212。半径上的差限定了润滑剂膜厚度，以当轴140在轴承200内旋转时润滑轴颈表面144和148。
在图1的组件100中，通过改变示例性定位销机构的度数(degree)而限制轴承200的轴向运动(例如，平移运动)和旋转运动(或角运动)。定位销机构依赖壳体110的特征、轴承200的特征以及定位销130。壳体110包括开口114和螺纹116以及引导表面118。轴承200包括开口220。定位销130包括工具插孔132、螺纹136和定位表面138。壳体110、轴承200和销130的这些特征可进一步由四个区域R1、R2、R3和R4限定，其中，R1指的是固定区域，R2指的是过渡区域，R3指的是定位区域，而R4指的是根据各种特征的尺寸可能存在或可能不存在的超出(excess)区域。壳体110和销130包括固定区域R1和过渡区域R2，而轴承120和销130包括定位区域R3。
在将销130插入壳体110的开口114内时，销130的定位表面138优选地与轴承200的开口220对准，以将轴承200轴向定位在壳体110的孔内，并允许轴承200绕其轴线的一些旋转。工具可定位于销130的工具插孔132中以使销130绕旋转轴线旋转。因此，在固定区域R 1中，壳体的螺纹116与定位销130的螺纹136协作而将销130固定于中心壳体110内。
由于涡轮增压器轴140可以超过100,000RPM的速度旋转，壳体110、轴承200、销130和轴140的特征必须精确地设定尺寸。在组件100中，销130在将轴承200定位于壳体110内时起到重要的作用。在图1的例子中，开口220包括长尺寸或直径DL以及短尺寸或直径DS(即，其中DL＞DS)。开口220和销130的顶视图示出销130与开口220之间的上缝隙和下缝隙，这些缝隙允许轴承220绕其轴线旋转。但是，销130与开口220之间沿轴承200的轴向尺寸的间隙较小，从而将轴承200定位于壳体110内。如所示的，尺寸DS可与销130的定位区域R3的尺寸或直径DP大约相同。
图2示出图1的示例性轴承200的透视图。示出圆柱坐标系(r、Θ、z)，其中(r，z)原点沿轴承200的中心轴线。推力表面288和290位于轴承的相对端。尽管本例在涡轮端包括推力表面288并在压缩机端包括推力表面290，轴承也可只在涡轮端或只在压缩机端包括推力表面。当构造成单体轴承结构时，轴承200提供最小的零件数量，并在轴承的颤动动作期间迫使推力表面的最大化平行。示例性轴承可构造成多部件轴承。可接收定位销的开口或插孔220的位置，以轴向定位轴承200并允许轴承200在定位于中心壳体的孔内时一些旋转运动。在图2的例子中，开口220居中定位，但是，在其它例子中，这种开口也可更接近涡轮或更接近压缩机端。在另一例子中，示例性轴承可包括多个开口。
轴承200的孔294在推力表面288、290之间延伸并包括端部，该端部的特征在于增强的表面抛光以用于轴的非卸荷部分(unrelieved portion)的轴承支撑。轴向槽298沿孔表面纵向延伸，用于润滑剂流动。轴向槽还通过减少在轻负载轴承条件下所碰到的油旋流来改善对亚同步轴运动的抵抗力，从而提供转子动力学的改进。该轴向槽可在尺寸、位置和数量上变化。
推力表面288、290包括多个径向槽295，其提供改善的推力能力同时增强污染控制。在图2的例子中，轴承200在每端包括八个径向槽(相邻径向槽之间间隔大约45°)，其中四个槽与轴承孔内的轴向槽298对准。在图2的例子中，每个轴向槽298为V形，而每个径向槽295在某种程度上是U形。槽深可在大约0.15mm到大约0.25mm的量级，并可在V形槽的顶点处设置圆角。在每个推力表面的内周上的退切部(relief)297可进一步改进润滑剂传送和分布。
图2示出轴承200的各种尺寸。上透视图示出的尺寸：压缩机端推力段的轴向距离ΔzCE，压缩机端凹部段的轴向距离ΔzCER，销接收段的轴向距离ΔzP，涡轮端凹部段的轴向距离ΔzTER，以及涡轮端推力段的轴向距离ΔzTE。下透视图示出的尺寸：压缩机端推力段外表面的径向距离rCE，压缩机端凹部段外表面的径向尺寸rCER，销接收段外表面的径向距离rP，涡轮端凹部段外表面的径向距离rTER，以及涡轮端推力段外表面的径向距离rTE。尽管段与段之间的过渡显示为约90°的肩部，也可采用其他类型的过渡。
开口220包括长尺寸DL和短尺寸DS。尺寸DL在径向方向上而尺寸DS在轴向方向上。在图2的例子中，开口220是长形的，以允许轴承200在定位于中心壳体的孔内并由至少部分被开口220接收的定位销轴向定位时绕其轴线进行一些角运动。
图3示出示例性轴承300的具体例子。轴承300包括具有径向尺寸DL和轴向尺寸DS的开口320。在图3的例子中，DL比DS大大约1％(例如，Δ是DS的大约1％)，轴承300具有长度尺寸Z和外直径OD，其中尺寸Z是尺寸OD的大约2.25倍。如图3所示，轴承300包括约为OD的70％的凹部直径RD。这些尺寸对应于试验中所指的示例性轴承，其中尺寸DL是OD的大约46％。示例性轴承可具有其它形状、部件数量、尺寸等。
图4示出示例性轴承400的部分透视图，以及示出一部分壳体110的在两个不同平面(rΘ平面和zr平面)中的剖视图。轴承400示出为包括开口420，销130布置在所述开口420内。在rΘ平面中，在销130与轴承400之间存在由开口420和销130限定的缝隙。这些缝隙被示为具有尺寸Δr。轴承400可出现绕其z轴的旋转，该旋转由角运动ΔΘ(例如，+/-ΔΘ)限定，角运动ΔΘ由开口420所限定的销130与轴承400之间的间隙限制。示例性轴承可包括在一侧的尺寸Δr_1，其大于在另一侧的这种尺寸Δr_2。例如，长尺寸的中心点可从短尺寸的中心点偏移。在zr平面，销130与轴承400之间在开口420处示出紧配合(例如，压配合)，以将轴承400轴向定位在壳体110内。
如本文所述，一种用于涡轮增压器的示例的半浮动轴承包括：中心轴线，其限定具有轴向方向、径向方向和角方向的圆柱坐标系；涡轮端；压缩机端；在涡轮端与压缩机端之间的轴颈表面，该表面构造成支撑涡轮增压器轴；以及布置在涡轮端与压缩机端之间的开口，该开口具有超过轴向尺寸的径向尺寸，以在接收定位销的情况下提供轴承在角方向上绕其中心轴线的运动，并提供轴承在轴向方向上较小的运动。在这种例子中，所述开口可为长形开口。
如本文所述，一种示例性组件包括：中心壳体，其具有从涡轮端延伸到压缩机端的通孔；定位销；以及包括长形开口的轴承，该长形开口布置在涡轮端与压缩机端之间并构造成用于接收定位销以限定径向间隙和轴向间隙，其中径向间隙超过轴向间隙。在这种例子中，径向间隙可提供轴承绕其中心轴线的角运动。如本文所述，轴向间隙将轴承轴向定位于通孔内，任选地允许一些热膨胀，但通常允许最小的轴向运动。尽管各种例子提到具有轴颈和推力支撑的单体轴承，但其它类型的轴承或轴承架也可包括用于接收定位销的示例性开口。
如本文所述，一种示例性方法包括：提供定位于具有定位销的中心壳体的孔内的半浮动轴承；旋转由半浮动轴承支撑的涡轮增压器轴；以及，在不轴向平移中心壳体的孔内的半浮动轴承的情况下，在中心壳体的孔内旋转半浮动轴承。在这种方法中，定位销与半浮动轴承的长形开口之间的径向间隙允许在中心壳体的孔内旋转半浮动轴承。在这种方法中，定位销与半浮动轴承的长形开口的尺寸限制半浮动轴承在中心壳体的孔内的轴向平移(例如，使开口的短尺寸与销的直径匹配)。本文所述的各种技术可减少噪音产生。例如，一种方法可包括旋转前述的半浮动轴承以减少噪音产生。噪音的减少可与轴承相对于半浮动轴承和中心壳体之间的润滑剂膜所增加的自由度有关。例如，轴承的旋转可帮助稳定润滑剂膜。
一种示例性方法可包括配平衡由半浮动轴承支撑的涡轮增压器轴、压缩机轮和涡轮机轮，所述半浮动轴承布置在中心壳体的孔内，其中，所述轴承具有长形开口，该长形开口以允许轴承绕其中心轴线一些角运动的方式接收定位销。
尽管已在附图和之前的具体实施方式中说明了一些示例性方法、设备、系统、布置等，但应理解，所公开的示例性实施例不是限制性的，而是在不背离所附权利要求阐明和限定的精神的情况下，能够有许多重新布置、修改和替换。

Claims (10)

1.一种包括半浮动轴承的涡轮增压器，所述轴承包括：
中心轴线，其限定具有轴向方向、径向方向和角方向的圆柱坐标系；
涡轮端；
压缩机端；
在所述涡轮端与所述压缩机端之间的轴颈表面，所述表面构造成支撑涡轮增压器轴；以及
布置在所述涡轮端与所述压缩机端之间的开口，所述开口具有超过轴向尺寸的径向尺寸，以在接收定位销的情况下提供所述轴承在所述角方向上绕其中心轴线的运动，并提供所述轴承在所述轴向方向上较小的运动。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述开口包括长形开口。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，进一步包括定位销。
4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，所述定位销包括定位区域，所述定位区域的直径近似等于所述开口的所述轴向尺寸。
5.一种组件，包括：
中心壳体，其包括从涡轮端延伸到压缩机端的通孔；
定位销；以及
包括长形开口的轴承，所述长形开口布置在涡轮端与压缩机端之间并构造成用于接收所述定位销以限定径向间隙和轴向间隙，其中，所述径向间隙超过所述轴向间隙。
6.如权利要求5所述的组件，其特征在于，所述径向间隙提供所述轴承绕其中心轴线的角运动。
7.如权利要求5所述的组件，其特征在于，所述轴向间隙将所述轴承轴向定位于所述壳体的所述通孔内。
8.如权利要求5所述的组件，其特征在于，所述轴承包括半浮动轴承。
9.如权利要求5所述的组件，其特征在于，所述轴承包括为涡轮增压器轴提供轴颈和推力支撑的单体轴承。
10.如权利要求5所述的组件，其特征在于，所述轴承包括轴承架。
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