CN102221046A - 涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮增压器(1；1′)，其带有支撑着工作轮(21，22；21′，22′)的轴(20；20′)和至少一个在轴承壳体(13；13′)中可转动地支承该轴的滑动轴承(30，40；30′，40′)，其中，滑动轴承具有两个带有各自的相对彼此允许旋转滑动运动的滑动面(31b′，32b′；41b，42b)的轴承元件(31′，32′；41，42)，其中，两个轴承元件中的一个的滑动面(32b′；42b)相比该两个轴承元件中的另一个的滑动面(31b′；41b)更软地构造而成，其特征在于，该较软的滑动面由含石墨的铁基材料形成。

Description

涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的涡轮增压器(Turbolader)。

背景技术

先前所提及的类型的涡轮增压器举例而言由文件DE 69004849T2和文件DE 102006053726A1可知。

另外的设有滑动轴承的涡轮增压器例如在文件DE 19641673A1中被描述。

在此类设有滑动轴承的涡轮增压器中，支撑工作轮(涡轮机叶轮、压气机叶轮)的轴优选地由钢制成且轴承壳体或者中间壳体由铁基合金(例如铸铁且尤其是球墨铸铁(Kugelgraphitguss))制成。

在这样的涡轮增压器中的滑动轴承可构造成径向轴承或者横向轴承，构造成轴向轴承或者纵向轴承和/或构造成轴向轴承与径向轴承的组合。

在这样的涡轮增压器中所设置的滑动轴承具有两个带有各自的相对彼此允许旋转滑动运动的滑动面的轴承元件，其中，两个轴承元件中的一个的滑动面比该两个轴承元件中的另一个的、与该滑动面滑动地共同作用的滑动面更软地构造而成。

在此，滑动轴承的轴承元件通常由下面的材料构成：

-轴套(Lagerbüchse)，轴承座圈(Lagerscheibe)，

成型推力轴承(profiliertes Schublager)，反向推力轴承    铅青铜

(Gegenschublager)：                                    铝

软金属(Weichmetall)

-轴套圈(Laufring)，非成型(unprofiliertes)推力轴承：   硬化的钢

-轴承壳体，轴承体：                                   球墨铸铁

在涡轮增压器的运行中，在滑动轴承的轴承元件的滑动地共同作用的滑动面之间应存在润滑膜，其防止滑动面之间的金属接触。在润滑膜失效(Versagen)的情况中，较软的轴承元件的滑动面应对着较硬的滑动元件的滑动面运转且在此提供一定的应急运转性能(Notlaufeigenschaften)或者应急润滑性能。

作为用于较软的滑动面的材料，软金属(优选是铅青铜、铝或巴氏合金)被使用。该材料选择几十年来都是现有技术。对于在带有较低的圆周速度和较低的单位负荷的滑动轴承中的应用而言，此类用于较软的滑动面的材料选择提供了所期望的应急运转性能。

于在滑动轴承的共同作用的滑动面的旋转滑动运动中具有80m/s及更高的滑动速度的涡轮增压器中，现有技术的材料选择不再在很大程度上起作用。下面的缺点于在涡轮增压器-滑动轴承中使用该材料选择的情形中已被显示：

1.得不到所期望的应急运转性能，因为软金属在润滑膜瞬时失效的情形中由于其较低的熔点立即熔化并且失去其形状。由此，最初仅局部性的失效区域突然扩大且导致滑动轴承的立即完全失效。

2.润滑油中的硬的颗粒(例如削屑、焊珠、废气残渣等等)能够嵌入在较软的滑动面的材料中且作为研磨物作用到较硬的滑动面(配合面)上，由此产生增加的磨损(Verschleiβ)。

3.在旋转的轴承座圈或轴套的情形中，软金属的较小的强度负面地影响零件的可靠性。尤其地，在温度上升的情形中零件的强度降低且因此也许无法经受住离心力。

4.由于轴承材料、壳体材料和轴材料的不同的热膨胀系数，尤其是在径向滑动轴承的情形中，径向间隙在运行中(相对于静止状态)发生变化。由此可能产生径向轴承的改变了的减震特性，这可能导致运转不平稳(Laufunruhe)或至少使得径向滑动轴承的设计变困难。

5.尤其在复合轴承(在其中软金属通过熔融或喷涂被涂覆到由钢构成的基体上)中，可能发生软金属层的松脱(由粘结缺陷引起)，由此可能造成轴承损伤(Lagerschaden)。

在带有浮动的轴承座圈的推力轴承或者轴向轴承的情形中，部分地尝试通过使用经硬化的且有覆层的轴承座圈来消除软金属轴承的缺点，由此，在要点2，3和4中所描述的问题可能被解决。在该情况中，软金属层的脱落不导致滑动轴承的立即损坏(Ausfall)。在要点1下所描述的不足的应急运转性能的问题虽然可被缓和，但是无法被解决，因为最常用的覆层在超过400℃的温度的情形中被毁坏且由此其减摩效果突然被削弱，这同样引起立即的轴承损伤。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种根据权利要求1的前序部分的涡轮增压器，其中，该涡轮增压器的一个或多个滑动轴承在润滑膜失效的情形中具有足够的应急运转性能，从而使得立即的轴承损伤(带有滑动轴承的可能的完全损坏(Totalausfall))可被避免。

这利用根据权利要求1的涡轮增压器来实现。本发明的改进方案在从属权利要求中被定义。

根据本发明提供了一种带有支撑工作轮的轴和在轴承壳体中可转动地支承该轴的至少一个滑动轴承的涡轮增压器，其中，滑动轴承具有两个带有各自的相对彼此允许旋转滑动运动的滑动面的轴承元件，且其中，两个轴承元件中的一个的滑动面与该两个轴承元件中的另一个的、与该滑动面滑动地共同作用的滑动面相比而言较软地构造而成。根据本发明的涡轮增压器的杰出之处在于，较软的滑动面由含石墨的铁基材料(graphithaltigen Eisen-Basis-Werkstoff)形成。

优选地，该轴由钢制成且轴承壳体由铁基材料(例如球墨铸铁)制成。

通过所掺杂的石墨，较软的滑动面的材料已包含耐高温的干式润滑剂，其明显改善应急运转性能。铁基材料的熔点显然在软金属的熔点之上。在润滑膜瞬时失效的情况中，较软的滑动面的铁基材料不熔化，而仅是被较硬的摩擦伴(较硬的另一滑动面)磨蚀。因为轴承损伤绝大多数局部地在区域性地受限制的部位处开始，所以该滑动轴承由于该材料磨蚀而具有自愈性能。在该滑动轴承中虽然发生局部增加的磨损，然而不发生突发的轴承失效。

因为铁基材料明显硬于软金属，所以较少的污物颗粒能够嵌到该较软的滑动面中，由此，这些污物颗粒可通过另外的结构上的措施(例如污物槽)被从滑动轴承中冲刷出且因此明显更短暂地留在滑动轴承中。结果，根据本发明的涡轮增压器的滑动轴承具有相对于软金属轴承而言有所降低的磨损。

根据本发明的一种实施形式，含石墨的铁基材料由球墨铸铁构成。

球墨铸铁可非常容易地被加工，因此根据本发明的涡轮增压器的滑动轴承可简单地且因此低成本地制造。

根据本发明的又一种实施形式，具有较软的滑动面的轴承元件完全由含石墨的铁基材料制成。

由于含石墨的铁基材料的相对于软金属而言较高的强度以及其强度在温度影响下的较少的降低，滑动轴承的可靠性尤其在旋转的轴承座圈(浮动的实施例)的情形中被提高。

换而言之，根据本发明的滑动轴承(该滑动轴承的具有较软的滑动面的轴承元件完全由含石墨的铁基材料(例如球墨铸铁)制成)，由于其较好的强度可设计成单材料轴承(Einstofflager)且使得作为复合轴承的实施例变得多余。由此不仅节省了成本，而且还降低了损坏风险。

如先前已提及的那样，涡轮增压器的轴承壳体通常由铸铁且优选地由球墨铸铁制成。因为具有较软的滑动面的轴承元件的材料与轴承壳体的材料属于相同的材料族，所以具有较软的滑动面的轴承元件的热膨胀系数与轴承壳体的热膨胀系数相符。由此，(尤其是径向滑动轴承的)轴承隙在运行中可以仅非常微弱地变化，且滑动轴承对不同的润滑油温度的敏感性明显降低。该变化的特性应在径向滑动轴承的冷间隙(Kaltspieles)的设计中被考虑。

根据本发明的另一种实施形式，具有较软的滑动面的轴承元件由轴承壳体形成。

根据本发明的又一种实施形式，具有较软的滑动面的轴承元件与轴承壳体的基体一件式地构造而成或与可松开地紧固在轴承壳体的基体处的轴承壳体部件(例如壳体盖板或保持体)一件式地构造而成。

以该方式(在该方式中举例而言单独的轴套可被省去)，滑动轴承可更简单地且因此更低成本地在根据本发明的涡轮增压器中被实现。

优选地，涡轮增压器的滑动轴承构造成径向轴承、轴向轴承或构造成轴向径向轴承。进一步优选地，所有在轴承壳体中支承该轴的轴承构造成根据本发明而设计的滑动轴承。

根据本发明的另一种实施形式，滑动轴承构造成旋转的或者说浮动的滑动轴承，或构造成固定的或者说非浮动的滑动轴承。

换而言之，用于较软的滑动面的含石墨的铁基材料既可被用于旋转的和固定的径向轴承又可被用于旋转的和固定的轴向轴承。

附图说明

下面，本发明借助优选的实施形式且参照所附图纸作详细描述。

图1显示了根据本发明的一种实施形式的涡轮增压器的透视截面视图。

图2显示了根据本发明的另一种实施形式的涡轮增压器的透视截面视图。

图3显示了根据本发明的一种实施形式的构造成轴向轴承的滑动轴承的示意性截面视图。

图4显示了根据本发明的一种实施形式的构造成径向轴承的滑动轴承的示意性截面视图。

附图标记列表

1；1′    涡轮增压器

10；10′  壳体

11；11′  涡轮机壳体

12；12′  压缩机壳体

13；13′  轴承壳体

13a′     孔

13b′     滑动面

13c       滑动面

20；20′  轴

20a；20a′外径

21；21′  工作轮

22；22′  工作轮

30；30′  滑动轴承

31′      轴承元件

31b′     滑动面

32′      轴承元件

32a′     内径

32b′     滑动面

33′      轴承间隙

40；40′  滑动轴承

41        轴承元件

41b       滑动面

42        轴承元件

42a       内径

42b       滑动面

42c   滑动面

43    轴承间隙

44    轴承间隙

具体实施形式

图1显示了根据本发明的一种实施形式的涡轮增压器1的透视截面视图。

涡轮增压器1具有由球墨铸铁制成的壳体10，壳体10具有涡轮机壳体11、压缩机壳体12以及在涡轮机壳体11与压缩机壳体12之间布置的轴承壳体或者中间壳体13。

在轴承壳体13中，由硬化的钢构成的轴20通过两个各构造成径向轴承的滑动轴承30，30和至少一个构造成轴向轴承的滑动轴承40可转动地被支承且既径向地又轴向地被支撑。

根据图1的实施形式，两个各构造成径向轴承的滑动轴承30，30侧向邻近于轴承壳体13而布置且构造成轴向轴承的滑动轴承40布置在邻近于压缩机壳体12的构造成径向轴承的滑动轴承30与压缩机壳体12之间。备选地，该轴向轴承同样可布置在滑动轴承30，30之间。

轴20在其上以抗扭安装的方式支撑着布置在涡轮机壳体11中的第一工作轮(涡轮机工作轮)21和布置在压缩机壳体12中的第二工作轮(压缩机工作轮)22。

图2显示了根据本发明的另一种实施形式的涡轮增压器1′的透视截面视图。

涡轮增压器1′具有由球墨铸铁制成的壳体10′，其具有涡轮机壳体11′、压缩机壳体12′以及在涡轮机壳体11′与压缩机壳体12′之间布置的轴承壳体或者中间壳体13′。

在轴承壳体13′中，由硬化的钢构成的轴20′通过两个各构造成径向轴承的滑动轴承30′，30′和至少一个构造成轴向轴承的滑动轴承40′可转动地被支承且既径向地又轴向地被支撑。

根据图2的实施形式，两个各构造成径向轴承的滑动轴承30′，30′各侧向邻近于涡轮机壳体11′或者压缩机壳体12′而布置且构造成轴向轴承的滑动轴承40′居中地布置在该两个各构造成径向轴承的滑动轴承30′，30′之间。备选地，该轴向轴承同样可布置在滑动轴承30′，30′之间。

轴20′在其上以抗扭安装的方式支撑着布置在涡轮机壳体11′中的第一工作轮(涡轮机工作轮)21′和布置在压缩机壳体12′中的第二工作轮(压缩机工作轮)22′。

图3显示了图1的涡轮增压器1的构造成轴向轴承的滑动轴承40的非常简化的截面视图。

该构造成轴向轴承的滑动轴承40以模制方式在其处具有构造成环形凸部(也称作推力轴承套圈(Spurring)或套圈)的第一轴承元件41以及构造成浮动地支承在轴20上的轴向轴承座圈的第二轴承元件42。

第二轴承元件42(轴向轴承座圈)具有内径42a，其实施成与轴20的外径20a相比而言的加大尺寸的孔

第一轴承元件41(轴的该环形凸部)如轴20那样由硬化的钢制成且具有侧面滑动面41b，其面对由含石墨的铁基材料(此处为球墨铸铁)制成的第二轴承元件42(轴向轴承座圈)的第一侧面滑动面42b，从而使得，两个滑动面41b，42b相对于彼此允许旋转滑动运动。

此外，第二轴承元件42具有第二侧面滑动面42c，其面对着构造在轴承壳体13的凸肩(Schulter)处的侧面滑动面13c，从而使得两个滑动面42c，13c相对于彼此允许旋转滑动运动。

在涡轮增压器1的运行中，通过未示出的油输送部

在分别地在第一轴承元件41的侧面滑动面41b与第二轴承元件42的第一侧面滑动面42b之间和在第二轴承元件42的第二侧面滑动面42c与轴承壳体13的侧面滑动面13c之间所构造的轴承间隙(Lagerspalten)43，44中各产生一润滑油膜，从而使得与轴20一起旋转的第一轴承元件41以液力方式(hydrodynamisch)轴向地支撑在第二轴承元件42处且第二轴承元件42以液力方式轴向地支撑在轴承壳体13处。

通过使第二轴承元件42由球墨铸铁制成，第二轴承元件42的第一侧面滑动面42b构造得比第一轴承元件41的与其相面对且与其滑动地共同作用的侧面滑动面41b更软。因此在润滑油膜不起作用的情形中，第一轴承元件41的侧面滑动面41b在应急运转中可通过固体摩擦或者干式摩擦在第二轴承元件42的第一侧面滑动面42b上滑动，其中，第二轴承元件42的第一侧面滑动面42b通过在球墨铸铁中包含的石墨而提供必需的应急运转润滑。

如由图3可见的那样，具有与第一轴承元件41相比而言较软的滑动面42b的第二轴承元件42完全由含石墨的铁基材料(球墨铸铁)制成，从而使得在第二轴承元件42(其在涡轮增压器1的运行中大约以一半的轴转速而转动)的强度方面不存在问题。

在根据本发明的涡轮增压器1的构造成轴向轴承的滑动轴承40的、在图3中所显示的实施形式的变型方案中，根据本发明的另一种实施形式，轴向轴承座圈(第二轴承元件42)也可被省去，那么其中，由含石墨的铁基材料(球墨铸铁)制成的轴承壳体13具有(与第一轴承元件41相比)较软的滑动面13且形成第二轴承元件。在该情况中，第一轴承元件41的侧面滑动面41b在滑动的共同作用中以液力方式轴向地支撑在轴承壳体13的侧面滑动面13c处。

根据图3中所显示实施形式的该变型方案，具有较软的滑动面13c的轴承元件与轴承壳体13的基体一件式地构造而成。自然地，根据一种未示出的另外的变型方案，如下同样是可能的，即，具有较软的滑动面13c的轴承元件与可松开地紧固在轴承壳体13的基体处的轴承壳体部件(例如壳体盖板)一件式地构造而成。

如参照图3及其变型方案所说明的那样，构造成轴向轴承的滑动轴承40因此既可构造成旋转的(浮动的)滑动轴承又可构造成固定的(非浮动的)滑动轴承。

图4显示了图2的涡轮增压器1′的各构造成径向轴承的滑动轴承30′，30′中的一个的非常简化的截面视图。

该构造成径向轴承的滑动轴承30′具有轴20′的一纵向截段作为第一轴承元件31′并具有构造成固定地插入到轴承壳体13′的孔13a′中的轴套的第二轴承元件32′。

第二轴承元件32′(轴套)具有形成滑动面32b’的内径32a’，其实施成与轴20的外径20a’相比而言的加大尺寸的孔。

轴的外径20a′在第一轴承元件31′(轴20′的纵向截段)的区域中形成面对第二轴承元件32′的滑动面32b′的滑动面31b′，从而使得两个滑动面31b′，32b′相对于彼此允许旋转滑动运动。

在涡轮增压器1′的运行中，通过未示出的油输送部，在构造在第一轴承元件31′的滑动面31b′与第二轴承元件32′的滑动面32b′之间的轴承间隙33′中产生润滑油膜，从而使得旋转的轴20′通过由其形成的第一轴承元件31′以液力方式径向地支撑在第二轴承元件32′处且第二轴承元件32’径向地支撑在轴承壳体13′处。

通过使第二轴承元件32′由球墨铸铁制成，第二轴承元件32′的滑动面32b′比与其面对且与其滑动地共同作用的、由轴20′形成的第一轴承元件31′的滑动面31b′更软地构造而成。因此在润滑油膜不起作用的情形中，由轴20′形成的第一轴承元件31′的滑动面31b′在应急运转中可通过固体摩擦或者干式摩擦在第二轴承元件32′的滑动面32b′上滑动，其中，第二轴承元件32′的滑动面32b′通过在球墨铸铁中包含的石墨提供必需的应急运转润滑。

在根据本发明的涡轮增压器1′的构造成径向轴承的滑动轴承30′的、在图4中所显示的实施形式的变型方案中，根据本发明的另一种实施形式，轴套(第二轴承元件32)同样可被省去，那么其中，由含石墨的铁基材料(球墨铸铁)制成的带有其形成滑动面13b′的孔13a′的轴承壳体13′具有(与由轴20′形成的第一轴承元件31′相比)较软的滑动面13b′且形成第二轴承元件。在该情况中，由轴20′形成的第一轴承元件31′的滑动面31b′在滑动的共同作用中以液力方式径向地支撑在轴承壳体13′的滑动面13b′处。

根据图4中所显示实施形式的该变型方案，具有较软的滑动面13b′的轴承元件与轴承壳体13′的基体一件式地构造而成。自然地，根据一种未示出的另外的变型方案，如下同样是可能的，即，具有较软的滑动面13b′的轴承元件与可松开地紧固在轴承壳体13′的基体处的轴承壳体部件(例如壳体盖板)一件式地构造而成。

根据图4中所显示实施形式的又一种未示出的变型方案，轴承壳体13′的孔13a′同样可实施成与第二轴承元件32′(轴套)的外径相比而言的加大尺寸的孔，从而使得第二轴承元件32′浮动地支承在孔13a′中。那么，在第二轴承元件32′的外径(其则形成另一滑动面)与由轴承壳体13′的孔13a′形成的滑动面13b′之间形成另一轴承间隙，在涡轮增压器1′的运行中通过油输送部在该轴承间隙中产生润滑油膜，从而使得旋转的轴20′通过由其形成的第一轴承元件31′以液力方式径向地支撑在第二轴承元件32′处且第二轴承元件32′以液力方式径向地支撑在轴承壳体13′处。根据另一种实施例，滑动轴承30，30和30′，30′的两个轴套也可被结合成一个零件。

如由图4可见的那样，根据该变型方案，具有与第一轴承元件31′相比而言较软的滑动面32b′的第二轴承元件32′(轴套)完全由含石墨的铁基材料(球墨铸铁)制成，从而使得在第二轴承元件32′(其在涡轮增压器1′的运行中大约以一半的轴转速而转动)的强度方面不存在问题。

结果，如参照图4和其变型方案所说明的那样，各构造成径向轴承的滑动轴承30′，30′同样既可构造成旋转的(浮动的)滑动轴承又可构造成固定的(非浮动的)滑动轴承。

最后还须说明，参照图1至4所描述的滑动轴承30，30′，40，40′根据本发明的另一种未示出的实施形式同样可构造成轴向径向轴承，即，构造成轴向轴承和径向轴承的组合。

Claims (7)

1.一种带有支撑工作轮(21，22；21′，22′)的轴(20；20′)和在轴承壳体(13；13′)中可转动地支承所述轴(20；20′)的至少一个滑动轴承(30，40；30′，40′)的涡轮增压器(1；1′)，

其中，所述滑动轴承(30，40；30′，40′)具有两个带有各自的相对彼此允许旋转滑动运动的滑动面(31b′，32b′；41b，42b)的轴承元件(31′，32′；41，42)，

其中，所述两个轴承元件(31′，32′；41，42)中的一个的滑动面(32b′；42b)比所述两个轴承元件(31′，32′；41，42)中的另一个的与该滑动面(32b′；42b)滑动地共同作用的滑动面(31b′；41b)更软地构造而成，

其特征在于，较软的滑动面(32b′；42b)由含石墨的铁基材料形成。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1；1′)，其特征在于，所述含石墨的铁基材料由球墨铸铁构成。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器(1；1′)，其特征在于，具有所述较软的滑动面(32b′；42b)的轴承元件(32；42)完全由含石墨的铁基材料制成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮增压器(1；1′)，其特征在于，具有所述较软的滑动面的轴承元件由所述轴承壳体(13；13′)形成。

5.根据权利要求4所述的涡轮增压器(1；1′)，其特征在于，具有所述较软的滑动面的轴承元件与所述轴承壳体(13；13′)的基体一件式地构造而成或者与可松开地紧固在所述轴承壳体(13；13′)的基体处的轴承壳体部件一件式地构造而成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮增压器(1；1′)，其特征在于，所述滑动轴承(30，40；30′，40′)构造成径向轴承、轴向轴承或构造成轴向径向轴承。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮增压器(1；1′)，其特征在于，所述滑动轴承(30，40；30′，40′)构造成旋转的或固定的滑动轴承。

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