CN102216631B - 带有用于支承转子轴的轴承组件的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别是用于汽车的涡轮增压器，它具有：在其上布置有涡轮和压缩机转子的转子轴，而转子轴为了支承在涡轮增压器的壳体中而具有滚动轴承组件。

Description

带有用于支承转子轴的轴承组件的涡轮增压器

本发明涉及一种尤其是用于汽车的涡轮增压器，其带有用于支承转子轴的轴承组件(Lageranordnung)，而在轴上布置有涡轮增压器的涡轮和压缩机转子(Verdichterrad)。

涡轮增压器通常用于提升内燃机的功率，或者用于在功率相同的情况下使得内燃机缩小。涡轮增压器利用废气的能量驱动其涡轮机，并通过涡轮机又驱动压缩机，以实现对新鲜空气的压缩。随后，经压缩的空气被输送给发动机。通过这种方式，将有更多的空气被引入到发动机的燃烧室中，同时可以给燃烧分配更多的燃油。由此，发动机的扭矩可被提高。

迄今为止，涡轮增压器上的转子轴都借助于采用机油润滑的滑动轴承组件进行支承。然而，这种采用机油润滑的支承方式具有各种不同的缺陷。废气的炭黑(Russ)颗粒会进入润滑油，从而造成润滑油的快速老化。此外，在发动机启动时也可能会出现问题，因为油膜还不足以确保对轴承实现适当润滑。

据此，本发明的任务在于，提供一种具有经过改善的轴承组件的涡轮增压器，在这种轴承组件中，基本上可以不再需要机油作为润滑剂。

该任务将通过具有权利要求1的特征的涡轮增压器得以解决。

据此，将按照本发明提供一种特别是用于汽车的涡轮增压器，其具有：

-在其上安置有涡轮和压缩机转子的转子轴；

-其中转子轴为了支承于涡轮增压器壳体中而具有滚动轴承组件。

这种涡轮增压器具有如下优势，即，滚动轴承组件不需要昂贵的机油润滑，而在机油润滑方式下，大量机油会被有目的地引导到轴承支承架部位。供入的机油主要用于冷却涡轮机侧的滚动轴承，且相比于滑动支承用量较少。此外，对于滚动轴承，在发动机启动时不会出现如在机油润滑的轴承中出现的问题。

本发明的有利的设计和改进方案可由从属权利要求及参照附图的描述中得到。

根据本发明的某个实施方式，转子轴在径向和轴向上可同时由滚动轴承组件支承，其中，滚动轴承组件例如具有两个带滚动体的轴承装置。转子轴的这种滚动支承形式具有如下优势，即，在发动机启动而要使轴进入旋转状态时，不会出现启动困难的问题。此外，只出现较小的摩擦。在这里，根据功能和使用目的，轴承装置例如可被设计成单列或双列滚动轴承。

在根据本发明的另一实施方式中，滚动轴承组件设置有额外的缓冲装置。缓冲装置具有如下优点，即，例如可能会由滚动轴承的滚动体滚动而发出的响声可由此被阻抑。这一点尤其是在汽车噪音角度下至关重要。

在根据本发明的另一实施方式中，缓冲装置具有至少一个或更多个缓冲膜而缓冲膜例如可设置在滚动轴承装置的不同部位。由此，某个缓冲膜可被设置在例如滚动轴承组件的外圆环的外侧面上，而第二个缓冲膜可被设置在附加的套筒元件的外侧面上，在套筒元件中设置有滚动轴承组件。缓冲膜可由例如橡胶材料构成，或者至少包含有橡胶材料，在这里，橡胶材料例如为硬橡胶材料。这种橡胶材料容易加工，而且成本相对较低。

在根据本发明的另一实施方式中，至少一个或多个轴承装置具有独立的外圆环和独立的内圆环，且在两者之间布置有滚动体。这种轴承装置具有如下优势，即，它是易于安装且生产廉价的通用形式的滚动轴承。在这里，例如可设置间隔衬套，以实现对轴承装置之间的轴承间距的调整。

根据本发明的另一实施方式，至少一个或多个轴承装置具有独立的外圆环和构造在或整合在相应轴上的内圆环，且在两者之间布置有滚动体。

在根据本发明的另一实施方式中，至少一个或多个轴承装置的外圆环和/或内圆环可在其外侧面上设置有缓冲膜。在这里，例如可借助挤压包封(Umspritzen)或重铸(Umgieβen)将缓冲膜施涂到相应的圆环上。这具有如下优势，即，例如套筒元件或轴承壳体壁本身不必设置缓冲膜，在所述套筒元件或轴承壳体壁中布置有相应的带涂层的轴承装置。相反，带缓冲的或者带涂层的轴承装置可被直接安装。另选地，也可设置不带缓冲的或者不带涂层的轴承装置，这种轴承装置例如被安装到带有缓冲膜的套筒元件或轴承壳体壁中。

在根据本发明的另一实施方式中，可设置套筒元件，该套筒元件可容纳至少一个或更多个轴承装置。在这里，套筒元件例如可在其内侧面和/或外侧面上具有缓冲膜。如果套筒元件例如只在其内侧面上设置有缓冲膜，则套筒元件可被设计成压配衬套，且压配衬套与轴承壳体处于比如压合连接(Pressverbindung)中。

在根据本发明的另一实施方式中，缓冲膜例如可被设置在套筒元件或相应轴承壳体壁的整个面上。另选地，在这里，缓冲膜也可被只设置在至少一个、两个、三个和更多个区段上。

根据本发明的另一实施方式，可设置由至少两个套筒元件构成的组合体，其中，在两个套筒元件之间设置有缓冲膜。通过这种方式，例如本身没有附加的缓冲膜的轴承装置可被直接装配到内部套筒元件中。例如同样不具有附加缓冲膜的外部套筒元件可在外侧面上被安装到轴承壳体中。尽管如此，通过位于两个套筒元件之间的缓冲膜，仍可获得缓冲效果。

在根据本发明的另一实施方式中，在每两个轴承装置的两个外圆环之间，可设置缓冲膜和/或弹簧元件。这具有如下优势，即比如在轴向上出现的力也可得到缓冲。

在根据本发明的另一实施方式中，可对缓冲装置或缓冲膜的例如弹性或者硬度进行调节。在这里，相应的缓冲膜在其整个面上的例如硬度或者弹性可以一致或者有所改变。这具有如下优势，即，根据功能或使用目的，可目标明确地对缓冲膜的缓冲性能进行调整。

在根据本发明的另一实施方式中，缓冲膜具有一层、两层、三层、四层或更多的缓冲层在这里，至少两层或者所有的缓冲层，在例如厚度、弹性、硬度和/或材料方面，被设计成相同或不同。通过这种方式，根据功能和使用目的，同样可对缓冲性能进行目的明确的调整和匹配。

随后，本发明将借助在示意性附图中给出的实施例作详细阐述。附图所示：

图1为按照本发明第一实施方式的涡轮增压器的壳体的剖面图，其中，涡轮增压器带有用于支承转子轴的轴承组件；

图2为按照本发明第二实施方式的涡轮增压器的壳体的剖面图，其中，涡轮增压器带有轴承组件；

图3为按照本发明第三实施方式的涡轮增压器的壳体的剖面图，其中，涡轮增压器带有轴承组件；

图4为按照本发明第四实施方式的涡轮增压器的壳体的剖面图，其中，涡轮增压器带有轴承组件。

在所有附图中，相同的或者功能相同的元件和器件(只要未做另外说明)标有相同的参考标记。

图1所示为按照本发明的涡轮增压器10的第一实施方式。按照本发明，涡轮增压器10具有滚动轴承组件形式的无机油的轴承组件12，以实现对涡轮增压器10的转子轴14的在径向和/或轴向上的支承。相对于现有技术下公知的机油润滑的支承形式，这种无机油的轴承组件12具有这样的优势，即，可在涡轮增压器10的轴承壳体16中省去机油的输入和输出。此外，在滚动支承的方式中，当发动机启动时不会出现启动困难的问题。

由于滚动轴承所构成的支承方式通常基本上没有或者几乎没有缓冲性能，因此，按照本发明，滚动轴承组件还额外地设置有缓冲件或者缓冲装置18。从汽车噪声(akustisch)的角度来看，这种额外的缓冲件18具有如下优势，即，通过这种额外的缓冲件18例如可使汽车结构保持远离固体声这种固体声例如可由转轮(Laufzeug)的剩余不平衡量(Restunwucht)及滚动体的滚动产生。

本发明的涡轮增压器10的第一实施方式在图1中以局部剖面图表示。在此，涡轮增压器10具有转子轴14，而在转子轴上布置有涡轮20和压缩机转子22。转子轴14通过滚动轴承组件12例如沿径向和轴向支承在涡轮增压器10的轴承壳体16中。这里，例如可设置一个连接在滚动轴承组件12上的额外的防油环24。此外，轴承壳体16相对于涡轮机26和压缩机28密封。为此，例如可设置相应的活塞环密封件30。对于轴承壳体26的密封，在图1中只是作举例描述，本发明并不局限于这种特别的设计形式。

为实现对转子轴14的支承，转子轴14例如设置有凸肩(Absatz)32，该凸肩构成第一轴承装置38的相应滚动体36的容纳部34。其中，第一轴承装置38的滚动体36在内侧保持在转子轴14的以内圆环件40形式起作用的容纳部34中，而在外侧被轴承装置38的外圆环件42保持。此外，还设置有第二轴承装置44。第二轴承装置44具有内圆环件40，该内圆环件可通过外圆环件42被推到转子轴14的凸肩上，其中，在内圆环件40与外圆环件42之间安置有第二轴承装置44的滚动体36。就这两种轴承装置38、44而言，作为滚动体36都可例如采用球形滚动体36。但原则上，也可采用锥形滚动体、圆柱形滚动体等等的任何其它形式的滚动体。此外，就这两种轴承装置38、44而言，根据功能和使用目的，滚动轴承或者滚动体类型可以相同或者不同。此外，也可以只有轴承装置38、44中的一个被设置为滚动轴承，而另一个轴承装置设置为无需机油的另一种轴承装置，例如，磁性轴承或空气轴承(Luftlagerung)。这种磁性轴承在例如DE 10 2008 014 684.6和DE 10 2008 035 086.9中有所描述。前述设计方案对所有实施方式都适用。第一和/或第二轴承装置38、44可被设计成例如斜肩轴承斜置滚子轴承和/或凹槽球轴承(Rillenkugellager)。这对本发明的所有实施方式都适用。这样的结构形式具有如下优点，即，它们既可承受径向，又可承受轴向力。但原则上，滚动轴承的所有其它结构形式也是可行的。本发明不局限于前述结构形式。也可设置径向的和/或轴向的滚动轴承。这同样适用于本发明的所有实施方式。

按照本发明的第一实施方式，在原先的(eigentlich)滚动轴承12的四周安置有弹性的缓冲膜46。在图1所示的情况下，两个轴承装置38、44都设置有套筒元件48或者衬套(Buchse)，而在套筒元件48的内侧面50上安置有缓冲膜18。对缓冲膜18的例如硬度和弹性可作适当调整，以调节所期望的缓冲性能。缓冲膜18可由弹性材料例如橡胶材料或弹性体构成，或者至少具有这些材料，如具有橡胶或硬橡胶。此外，缓冲膜18在这里例如还被选择得相应地耐热，即，换句话说，能适应在涡轮增压器的该区域内的温度。这一点同样适用于本发明的所有实施方式。

如图1所示，在这里，缓冲膜18以衬套形式贯穿地设置在套筒元件48内侧面50上。滚动轴承12或轴承装置38、44可如图1所示被直接装入到衬套中，该衬套由缓冲材料18或者缓冲膜18构成。另选地，缓冲膜18也可例如只被设置在轴承装置区域(未画出)中。可选地，也可在套筒元件48的外侧面52上额外地或者备选地安置有缓冲膜18。这里，缓冲膜18可同样贯穿地沿着整个套筒元件48布置，或者布置在套筒元件48的一个或多个区段上。

在如图1所示的实施例中，可选择在两个外部支承圆环件42之间安置额外的弹簧元件装置54。在图1中的弹簧元件54可作为额外的缓冲装置18在轴承装置38、44的两个外部支承圆环件42之间沿轴向起作用。通过弹簧元件54，第一和第二轴承装置38、44可被互相拉紧。

例如也可设置一个额外的缓冲膜18来替代弹簧元件装置54，该缓冲膜在图1中以虚线表示，并可借助例如粘合剂等固定在比如第一缓冲膜18上。另选地，在套筒元件48的内侧面50上的缓冲膜18，也可被设计成带有相应的凸出部，该凸出部被示例性地制成环绕的或至少部分环绕的形式。通过这种方式，缓冲膜18还可承受轴向力，并可比如将两个轴承装置38、44相互拉紧。原则上，弹簧元件装置也可被例如嵌入到缓冲膜18中。前面阐述的结构设计，同样适用于本发明的所有实施方式。

涡轮增压器装置10的其余结构，如前面描述过的密封件30、推力轴承套圈(Axiallagerscheibe)24等，都只是示例性的，它们在图1中以极度简化的形式表示，并可被随意变换。本发明不局限于这种特别的结构。这一点同样适用于所有的实施方式。

此外在图2中示出了涡轮增压器10的按照本发明的第二种实施方式。在这里，第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于，相应的滚动轴承12或轴承装置38、44)可被制成重铸有或挤压包封有缓冲材料18的“喷枪”(Kartusche)形式。换句话说，相应的轴承装置38、44的外圆环件42的外侧面56设置有缓冲材料18或者缓冲膜18。接着，轴承装置38、44可被装配到例如套筒元件48中。此外，例如可设置压配衬套作为套筒元件48，该套筒元件可使“喷枪”在涡轮增压器壳体或在其轴承壳体16中实现压合连接。

现在图3示出按照本发明的第三种实施方式。其中，按照第三实施方式的涡轮增压器10同样以局部剖面图表示。

在按照本发明的第三实施方式中，同样示例性地设置有两个轴承装置38、44。这两个轴承装置38、44分别具有内圆环件40和外圆环件42，而在内圆环件与外圆环件之间安置有相应的滚动体36。其中，滚动体36为球形，但根据功能和使用目的，也可以是柱形、锥形等。在如图3所示的情况下，在两个轴承装置38、44或它们的内圆环件40之间设置有间隔衬套58，以对轴承间距进行调整。在第一实施方式中，这种间隔衬套58不是必需的，因为此时轴承间距可通过转子轴14的凸肩32的长度进行调整。

此外，两个轴承装置38、44都被设置在套筒元件48中。在这里，可选择在轴承装置38、44的两个外圆环件42之间设置额外的弹簧元件装置54，以承受并缓冲轴向力。也可在两个外圆环件42之间设置缓冲膜18来替代弹簧元件装置54，正如在图3中以虚线表示的那样。

此外，在按照本发明的第三种实施方式中，在套筒元件48的外侧面52上设置有缓冲膜18。在这里，缓冲膜18可如图3所示被设置在套筒元件48的整个外表面或整个长度上，或者被设置在套筒元件的外侧面52的一个或多个区段上(未画出)。原则上，也可在套筒元件48的内侧面50上额外地或者备选地安置有缓冲膜18，并如图1所示在套筒元件48的例如整个内侧面上延伸，或者仅在轴承装置38、44的某个区段上和/或在它们之间延伸。

如同另两个实施方式，缓冲膜18由弹性的或者有缓冲作用的材料例如橡胶或硬橡胶之类的橡胶材料构成。但本发明并不局限于橡胶材料。例如也可设置有泡沫材料、毛毡(Vlies)材料或混合材料，但这仅仅是为了列举几个具有适当耐热性及弹性的实例，其中，材料具有弹性是为了缓冲所出现的力。

此外在图4中以局部剖面图形式示出了涡轮增压器10的按照本发明的第四实施方式。第四实施方式基本上基于第三实施方式。然而，在第四实施方式中，设置有双套筒元件，且在第一和第二套筒元件48、60之间具有缓冲膜18。可选择在双套筒元件48、60的外侧面上设置另一个缓冲膜12，并且/或者在双套筒元件的内侧面上设置另一缓冲膜18(未画出)。在另一变型中，也可如图2中的第二实施方式所述，给一个或两个轴承装置38、44在其外圆环件42和/或内圆环件40上额外地设置有缓冲膜18。

在图4所示的第四实施方式中，在轴承装置38、44的两个内轴承圆环件40之间设置有间隔衬套58，以实现对轴承间距的调整。作为替代方式，对于第三和第四实施方式，转子轴14也可设置有凸肩32，该凸肩一方面形成用于例如外部轴承装置44的滚动体36的容纳部34，另一方面，例如可同时对轴承间距进行调整。此外，在轴承装置38、44的两个外圆环件42之间还可额外地设置有弹簧元件装置54或缓冲膜18，如在其它实施方式中，它们可承受和缓冲轴向力。其中，额外的缓冲膜18在图4中以虚线表示。

通过有目的地针对滚动轴承12引入额外的缓冲件18，在由客户要求的噪音排放方面，使其特别是可在市内交通中大批量地应用。通过这种方式，可在最终顾客的舒适性不受损的情况下，利用这种支承形式的物理优势，如，更好的响应性能(比如在发动机启动时)和更小的摩擦功率(Reibleistung)。这一点对本发明的所有实施方式都适用。

之前在各实施方式中描述过的缓冲膜18，可由一层、两层、三层、四层或更多层缓冲材料层构成，其中，相应的缓冲材料层分别具有相同的厚度、硬度、弹性和/或相同的材料。可选地，各个即至少两个且更多或所有的缓冲材料层在厚度、硬度、弹性和/或材料方面有所不同。此外，设置在相应的套筒元件和/或轴承装置上的缓冲层，可在整个面上都一致或者例如逐段变化，以例如根据功能和使用目的，产生不同硬度、厚度和/或弹性的区域或者区段。在这里，可采用橡胶如硬橡胶、生胶(Kautschuk)等作为缓冲材料。这一点同样适用于本发明的所有实施方式。

尽管对本发明借助优选的实施例进行了描述，但本发明并不局限于此，而是可通过各种方式进行更改。前述实施方式尤其是其各个特征可相互组合。

因此，在第一至第三实施方式中，例如可采用其间带有相应缓冲膜18的双套筒元件48、60或多套筒元件。此外，在第一、第二和第四实施方式中，也可如第三实施方式那样在套筒元件48的外侧面上设置有缓冲膜18。其中，也可选择如第三实施方式那样在套筒元件48的内侧面和轴承装置38、44的外圆环件42上不设置额外的缓冲膜18。另外，相比于第一实施方式，在第二至第四实施方式中，可在套筒元件的内侧面和轴承装置38、44的外圆环件之间设置连贯的缓冲膜18。此外，在第一、第三和第四实施方式中，也可如第二实施方式那样只在轴承装置38、44的外圆环件42  的区域中设置缓冲膜18。第一和第二实施方式中的轴承12还可按照第三和第四实施方式设计，反之亦然。

在之前对照图1至4描述的实施方式中，相应的轴承装置38、44被安置在套筒元件48或套筒元件组合体48、60(图4)中。原则上，套筒元件48或套筒元件组合体48、60在各实施方式中也可被省去，而替代地，轴承装置38、44及其外圆环件42和缓冲膜18或各个缓冲膜18可被直接装入到轴承壳体16中。在这种情况下，可在轴承壳体壁16与相应的轴承装置38、44之间，设置连贯的缓冲膜18或者只在轴承装置38、44的区域中设置缓冲膜。在这里，如在图1至4中可对比地所示，同样可选择在两个轴承装置38、44的外圆环件42之间额外地设置缓冲膜18和/或弹簧元件装置54。

此外，如前面参照图1至4所描述的那样，用于支承转子轴14的滚动轴承组件，除了组合的既用作径向轴承又用作推力轴承的滚动轴承组件38、44外，还额外地或另选地具有分开的滚动轴承组件，也就是具有纯粹在轴向上的和纯粹在径向上的滚动轴承组件(未画出)。这种独立的径向的或轴向的滚动轴承组件在现有技术下已经普遍公开。这种滚动轴承组件同样具有外圆环或外圆环件和内圆环或内圆环件，以及安置于这两者之间的滚动体。在这里，像比如在图4中的轴承装置那样，在外圆环和/或内圆环的外侧面上同样设置有缓冲膜。转子轴例如可通过径向的滚动轴承组件进行支承，并且，例如可具有至少一个推力轴承套圈或轴向滚动体作为推力轴承。转子轴也可通过通常的径向轴承进行支承，并具有轴向滚动体。为支承转子轴，各种不同的组合形式都是可行的。但按照本发明，总是应用至少一个滚动体来支承转子轴。如前所述，这可以是组合的滚动体或者是纯粹的轴向或径向滚动体。在这里，滚动轴承可与其它任意类型的轴承进行组合，优选同样为无机油的轴承。但这不是必需的。

在前述各实施方式中，在外圆环件42之间例如安置有弹簧元件54或缓冲膜18。但也可在外圆环件42之间(例如取代在内圆环件之间)安置例如间隔衬套。其中，可选择性地在轴承圆环件和间隔衬套之间额外设置弹簧元件和/或缓冲膜。但例如也可在外圆环件之间不安置物件，即，没有弹簧元件、没有缓冲膜、没有间隔衬套。

Claims (11)

1.一种用于汽车的涡轮增压器，具有涡轮机和压缩机，涡轮机带有涡轮，压缩机带有压缩机转子，涡轮机和压缩机设置在涡轮增压器壳体（10）中，其中，涡轮（20）和压缩机转子（22）布置在转子轴（14）上，转子轴（14）可转动地支承在具有滚动轴承组件（12、38、44）的涡轮增压器壳体（10）中，所述滚动轴承组件配备有额外的缓冲装置（18），其特征在于，缓冲装置（18）具有至少一层或更多的缓冲膜（18），其中，缓冲膜（18）由橡胶材料或弹性体材料构成，或者至少包含有所述材料，其中，滚动轴承组件（12）具有两个带滚动体（36）的轴承装置（38、44），两个轴承装置（38、44）分别具有独立的外圆环件（42）和独立的内圆环件（40），且在外圆环件和内圆环件之间布置有滚动体（36），其中，两个轴承装置（38、44）的相应的外圆环件（42）在外侧面上配备有缓冲膜（18），在两个轴承装置（38、44）的两个外圆环件（42）之间设置有附加的缓冲膜（18）和嵌入到该缓冲膜中的弹簧元件装置（54），缓冲膜（18）可通过挤压包封或重铸而施涂到相应的圆环件（42）上。

2.按照权利要求1的涡轮增压器，其特征在于，滚动轴承组件（12）为组合的滚动轴承组件（12），就该轴承组件而言，有两个轴承装置（38、44）在轴向和径向上对转子轴进行支承。

3.按照权利要求1的涡轮增压器，其特征在于，滚动轴承组件的两个轴承装置（38、44）在轴向或径向上对转子轴进行支承。

4.按照权利要求1的涡轮增压器，其特征在于，缓冲膜（18）由硬橡胶材料构成，或者至少包含有所述材料。

5.按照权利要求1的涡轮增压器，其特征在于，设置有容纳至少一个或更多的轴承装置（38、44）的套筒元件（48、60）。

6.按照权利要求5的涡轮增压器，其特征在于，在套筒元件（48）的外侧面（52）和/或内侧面（50）上设置有缓冲膜（18），其中，缓冲膜（18）被敷设在套筒元件（48）的整个面上，或者被敷设在套筒元件（48）的一个或更多的区段上。

7.按照权利要求5的涡轮增压器，其特征在于，在套筒元件（48）的内侧面（50）上，在相应的轴承装置（38、44）的区域中，设置有缓冲膜（18）。

8.按照权利要求5的涡轮增压器，其特征在于，设置有至少一个第二套筒元件（60），而在第一与第二套筒元件（48、60）之间设置有缓冲膜（18）。

9.按照权利要求1至8中任一项的涡轮增压器，其特征在于，可对缓冲装置（18）或者缓冲膜（18）的弹性和/或硬度进行调整。

10.按照权利要求1至8中任一项的涡轮增压器，其特征在于，缓冲膜（18）由多层的缓冲层构成，其中，至少有两层缓冲层在厚度、弹性、硬度和/或材料上相同或不同。

11.按照权利要求1至8中任一项的涡轮增压器，其特征在于，至少一个轴承装置（38、44）为斜肩轴承、斜置滚子轴承和/或凹槽球轴承。