CN102395769B - 用于滚珠轴承套筒的绝热垫片 - Google Patents

Abstract

一种使用高速滚动元件轴承系统的涡轮增压器在所希望的速度和寿命方面得到了改进，其方式为在轴承系统的内座圈的涡轮机端与活塞环衬套的压缩机端面之间提供一个热传导率低于REB的内座圈中的材料的绝热垫片来阻碍从涡轮机叶轮到滚动元件轴承的内座圈上的热流动。

Description

用于滚珠轴承套筒的绝热垫片

技术领域

本发明着手解决的问题是延长涡轮增压器中的滚动元件轴承（REB）如滚珠轴承套筒的寿命。一直存在着在最低成本下以滚珠轴承涡轮增压器来实现所希望的速度和寿命的需要。很明确的是，从涡轮增压器的涡轮机叶轮到滚珠轴承系统的热输入造成了轴承温度增加，而降低这一温度尚未被认为是潜在的改进领域。

背景技术

涡轮增压器将空气以与在正常吸气布置中将有可能的情况相比更大的密度传送到发动机进气系统、从而允许燃烧更多的燃料，因此在没有明显增加发动机重量的情况下提升了发动机的马力。这就能够使用一台较小的涡轮增压的发动机来替代一台较大物理尺寸的正常吸气的发动机，因此减少了车辆的质量以及空气动力学的前端面积。

涡轮增压器是一类被迫进气系统，该系统使用了从发动机排气歧管进入涡轮机壳体的排气流以便驱动位于涡轮机壳体中的涡轮机叶轮51。这种涡轮机叶轮被稳固地附着到一个轴上以形成轴和叶轮组件，该轴的另一端包括一个压缩机叶轮20，该压缩机叶轮被安装到该轴和叶轮的一个短轴端（stub shaft end）上并且通过来自一个压缩机螺母29的夹紧负载而被保持在位。该涡轮机叶轮的主要功能是提供驱动该压缩机的转动能量。

压缩机级由一个叶轮20及其壳体组成。过滤后的空气通过压缩机叶轮的转动而被轴向地抽取到压缩机盖件的进口之中。由涡轮机级产生的、到达轴和叶轮上的动力驱动了压缩机叶轮以便产生静态压力与一些剩余动能和热量的一种组合。被加压的气体穿过压缩机排放口从压缩机盖件排出并且通常经由一个中冷器被传送到发动机进气中。

在压缩机级性能的一个方面中，压缩机级的效率受到压缩机叶轮轮廓28与压缩机盖件中相配的轮廓之间的间隙的影响。压缩机叶轮的轮廓距压缩机盖件的轮廓越近，则该级的效率就越高。另一方面，叶轮越接近盖件，一个压缩机叶轮受到磨损的几率就越大；因此在提高效率与改进耐久性之间必须存在一种折衷。

一个典型的涡轮增压器的压缩机级中的叶轮并不围绕涡轮增压器的几何轴线旋转，而是大致上围绕涡轮增压器的几何中心来描绘轨道。几何中心就是涡轮增压器的几何轴线100。

轴所发生的动态偏移是由多种因素引起的，这些因素包括：旋转组件的失衡；支座（即发动机和排气歧管）的激振；以及来自车辆与地面的界面的低速激振。

这些叶轮所发生的偏移的总效应是这种典型的涡轮增压器设计必须具有远远大于对于空气动力学效率水平所希望的那些间隙的多个内建间隙。

这种典型的涡轮增压器是以来自发动机的油进行供给的。处于典型地与发动机压力相等的压力下的这种油执行几个功能。这种油通过回油孔82和83被输送到轴颈轴承30的两侧以便提供一个双流体动力挤压膜，该挤压膜的压力在轴承的内径上施加轴的反作用力、并且在轴承壳体孔上施加轴承的外径的反作用力。这些油膜提供了减弱的反作用力以便减少轴偏转的幅度。这种油还起到了将热量从涡轮增压器移除的作用。热量在通过排油口85离开涡轮增压器时被带到发动机的曲轴箱。

一种典型的涡轮增压器设计具有两个邻接的轴承系统：一个在轴承壳体的压缩机端上；而另一个在轴承壳体的涡轮机端上。每个系统具有两个界面：旋转轴在浮动轴承的内径上的界面、以及浮动轴承的外径在轴承壳体的固定孔上的界面。

这种典型的涡轮增压器的双流体动力挤压膜轴承的刚度和阻尼能力是在以下各项之间的一个折衷：由轴承元件的旋转速度产生的膜的厚度、所述元件之间的间隙、以及由于涡轮增压器使油在轴的任一端穿过活塞环密封件的倾向而造成的对油流动的限制。

在涡轮增压器中使用REB解决了几个问题，这些问题包括：油的高流速、轴承阻尼、以及经过轴承系统的动力损失。

图1描绘了一个典型的涡轮增压器的双流体动力挤压膜轴承构形。在这种构形中，油从发动机经过一个油入口80被接收至轴承壳体2。油经过回油孔83被压送至轴承壳体的轴颈轴承孔4。对于涡轮机端及压缩机端轴承30二者而言，油流动被传送至轴与叶轮的轴颈轴承区域，在此，油是围绕该轴分布的以便在轴表面52与这些浮动轴颈轴承30的内孔之间产生油膜。在这些轴颈轴承30的外侧上，由轴颈轴承的、针对轴承壳体的轴颈轴承孔4的旋转产生了一种类似的油膜。

在图1描绘的典型的涡轮增压器中，止推轴承19也是一种液动或流体膜类型的轴承。在这种构形中，从回油孔81对该静止的止推轴承进行供油，以便对一种斜坡及衬垫的轴承设计供油。通过止推垫圈40与抛油环44的垫圈部分的相对运动而将油驱动进入楔形形状中，该抛油环被安装到轴上、与该静态止推斜坡及衬垫相对。这种轴承控制了旋转组件的轴向位置。

对于上述具有典型的76 mm涡轮机叶轮尺寸的涡轮增压器，油的流动是在2200至4300克/分钟的范围内。

图4描绘了来自排气110的热流动，该排气从涡轮机壳体进入涡轮机叶轮51并在将热能和速度转化成旋转力矩来转动轴和叶轮之后在出口导流器侧上退出涡轮机叶轮。在涡轮机叶轮的材料中的热能流动113流向轴和叶轮的冷却器端。在热流动114传递到活塞环衬套56之中时，它进入气坝58之中。当涡轮机叶轮的背部中的一个凹陷与轴和叶轮的轴的前面的一个凹陷（通过焊接）被连接起来时，就构成了该气坝。这些凹陷的外周的薄的部分被焊接在一起，因此形成了一个封闭的体积。这个体积防止了从涡轮机叶轮到轴的大量热传导。在图4中示出了气坝58周围的热流动115。

发明人对涡轮增压器的动态测试显示了沿旋转组件的多个位置处的温度。在图5中，这些位置以虚线表示，并且每个位置处的温度在粗实线上以三角形示出。叠置图的“X”轴是沿轴和叶轮向下的几何位置，并且“Y”轴是以摄氏度计的温度。可以看出，在热流动经过气坝58周围到达活塞环衬套54时温度大幅下降，但在该气坝之后对于活塞环衬套、压缩机端面55、以及随后的压缩机的温度下降速率低了很多。这种温度下降大部分是因为热量传递到了穿过并围绕轴颈轴承的油中。在没有气坝的情况下，油就会过热而焦化和掩盖轴颈轴承表面。

已经有一种提高涡轮增压器的效率的方法是利用滚珠轴承来支撑旋转组件。虽然本发明适用于任何类型的滚动元件轴承（REB）包括例如滚珠轴承、滚柱轴承、滚针轴承、锥形滚柱轴承（在圆锥座圈上运行的圆锥滚柱）、以及球面滚柱轴承（中间厚且端部薄的滚柱），在实践中REB在商业上的代表形式为具有滚珠轴承套筒的涡轮增压器，并且因此在论及具体实施方案时在此会通过举例的方式使用滚柱轴承涡轮增压器。

采用滚动元件轴承涡轮增压器带来了若干改进。由于特别是在低的涡轮增压器每分钟转数（RPM）下REB系统的功率损失减小，存在着优于典型的涡轮增压器轴承系统的、对瞬态响应的改进。REB系统中的功率损失小于典型的套管式涡轮增压器轴承系统的功率损失。与典型的涡轮增压器轴承系统可以支撑的推力负载相比，REB系统可以支撑更大的推力负载，从而使得止推部件更稳健。因为典型的斜坡及衬垫止推轴承要求将大百分比的油流动传送到涡轮增压器上，而REB系统要求较少的油流动（与典型的涡轮增压器轴承系统相比），于是对于REB系统要求较小的油流动，其正面影响是，油进入压缩机或涡轮机各级而在此处可能毒害催化剂的倾向更小。

虽然滚珠轴承系统提供了这些效率及瞬态性能增益，但滚珠轴承的阻尼能力不如典型的涡轮增压器双流体动力挤压膜轴承的能力好。由于这个原因，滚珠轴承组件被保持在一个钢套筒中，该套筒通过该套筒的外径与轴承壳体孔的内径之间的一个油膜被悬挂在轴承壳体中。

在滚珠轴承的高速发展中，人们为提高轴承系统的速度和寿命，尤其是在轴承功率损失与油的流动之间关系的领域中作出了很多努力。在NASA 2001-210462中，作者传授了以下内容：常规的射流润滑不能充分冷却和润滑内座圈接触部，因为润滑剂被离心向外地抛出，并且虽然提高流速致使带走更多热量，但它还增加了因油搅动产生的热量。作者还提到，轴承功率损失是到达轴承的油流动的一个直接函数。轴承寿命是温度、单独的轴承环部件之间的温度差、以及由此产生的弹性流体动力膜的厚度的一个反函数。

公知的是，滚珠轴承对速度、负载、热、内部间隙以及油的流动非常敏感。热、内部间隙和油的流动中的任何一项增益都可以产生更宽的工作范围（working envelope），然后这可以被视为在速度、寿命、或二者组合上的增加。随着一个滚珠轴承中的部件的公差变严格，不但速度能力上升，而且成本也上升。

因此可以看出，内滚珠座圈的温度对于滚珠轴承的寿命以及对于系统实现涡轮增压器水平的速度的能力而言是至关重要的。

在当今可用的滚珠轴承套筒中，很明确的是，从涡轮增压器的涡轮机叶轮到滚珠轴承系统的热输入造成了轴承温度增加，降低这一温度尚未被认为是潜在的改进领域。一直存在着在最低成本下以滚珠轴承涡轮增压器来实现所希望的速度和寿命的需要。

发明内容

本发明涉及将一个低热传导率的垫片或隔热板加入到一个涡轮增压器的滚动元件轴承组件中，以阻碍热量从轴和叶轮流动到轴承。

附图说明

在附图中通过举例而非限制的方式展示了本发明，在附图中类似的参考号表示相似的部件，并且在附图中：

图1描绘了一种涡轮增压器组件的一个截面；

图2描绘了一个典型的滚珠轴承涡轮增压器的轴承壳体组件的一个截面；

图3描绘了图2的一个放大的视图；

图4描绘了一个轴和叶轮的截面绘图；

图5描绘了叠加有温度的一个轴和叶轮；

图6描绘了本发明的第一实施方案；

图7描绘了图6的一个放大的视图；

图8描绘了油的流动速率的比较；并且

图9A和图9B描绘了本发明的第二实施方案。

具体实施方式

发明人意识到，一个滚动元件轴承组件（REB）的内座圈的温度对于轴承系统实现所希望的速率以及轴承系统实现适当的寿命二者而言是一个至关重要的决定性因素。

图2和图3描绘了典型的REB构形的设计。内轴承座圈65具有一个涡轮机端侧面54以及一个压缩机端侧面。内轴承座圈65的涡轮机端侧面67顶靠在轴和叶轮的活塞环衬套56的压缩机端面55上以便将轴向负载传送到轴承的内座圈上。这种金属到金属的连接用作使热围绕气坝58的外周到达滚珠轴承内座圈的一个传导路径。

通过减小轴承的轴向长度并在活塞环衬套55的压缩机端与REB的内座圈65的涡轮机端67之间插入一个热障元件90（图7），大大减少了从活塞环衬套到内座圈的热流动。如以上所说明的，从涡轮机叶轮朝向轴的热流动由于气坝58的存在而被阻碍，这可以通过图5中轴的温度看出。

由于REB在寿命和运行速度两个方面都部分地受到内和外座圈的温度限制，包含一个热障90（图6和图7）就允许了更宽的运行范围，这可以转化为REB更大的速度和更长的寿命、或者转化为更大的速度或更长的寿命，这取决于如何利用这一改进。这一改进能够实现是因为通过使热障元件90阻碍涡轮机叶轮中从活塞环衬套56的气坝58的外周中的金属到达活塞环衬套的压缩机端面55中的热流115从而到达内REB座圈65的热流动114而降低了内座圈的温度。

由于经过一个典型的涡轮增压器的双流体动力挤压膜轴承构形的平均油流量比经过一个REB构形的油流量多240%，由REB排放到油中的热量值是受限制的，因此加大了REB的温度限制。在典型的REB涡轮增压器中，通过在油入口80中引入一个限制装置86而限制了到达轴承的油流动。因此根据本发明的热障的引入提供了轴承系统的能力方面的一大改进。

该热障的构造必须能够承受施加到安装在轴和叶轮的轴颈轴承部分上的部件堆叠上的压缩性负载。

在本发明的示例性实施方案中，该热障元件是具有一个凸缘部分的一个短缸筒，该元件是由一种钛合金构成的。该材料可以是钛、一种超耐热合金如铬镍铁合金、耐热镍铬铁合金、或哈斯特洛依合金；或者它可以是一种陶瓷材料。该热障的材料具有比轴承内座圈或者轴和叶轮的轴承衬套低的热传导系数。

该热障元件可以具有一个轴向的延伸部，用于以下两个目的：一个目的是作为一个抛油环以防止来自轴承的油流动到达活塞环区域并进入燃气流动之中，另一个目的是用作一个推出工具来帮助将轴从轴承组件压出。为了将轴和叶轮50从轴承壳体3的组件和REB组件中移除，从压缩机叶轮端中将该轴按压（在轴承壳体上），这样使得热障90的凸缘压在轴承壳体中的活塞环衬套53的支座上。然后这进而抵抗了（来自轴和叶轮的压缩机端）对REB的内座圈65T的力，允许该轴从轴承中被推出。

在所展示的实施方案中，热障元件90的孔在形状（如圆形）和直径上基本对应于轴颈轴承内径的外部直径，即轴和叶轮的外径。热障的外表面是总体上圆柱形的，其直径大致上大于轴承壳体活塞环衬套56的直径，这样使得轴承壳体的活塞环衬套56可以用作热垫片90的一个支座，以便将轴和叶轮50从REB内座圈65T和65C中移除。该热障轴向地置于REB内座圈65T的涡轮机端面67与轴和叶轮的活塞环衬套56的压缩机端面55之间。

在本发明的第一实施方案的一个变体中，该热障元件是一个由以上示例性实施方案中的材料构成的短缸筒。

该热障还可以是一种更普通的基底材料如涂覆了一个低热传导率的涂层（如氧化钇稳定的氧化锆）的钢（例如参见美国专利6,998,172，通过引用结合在此）。

在本发明的第二实施方案中，通过减小从活塞环衬套到内座圈的可用流动路径而阻碍了从活塞环衬套到REB的内座圈的热路径。在图9A和图9B中，内座圈65的涡轮机端面67已被做成扇形，以便不仅呈现充足的表面积来将轴向负载从旋转组件传输到REB的内座圈，而且还呈现从活塞环衬套56的压缩机端面55到REB的内座圈65的最小的热传递路径。在该示例性实施方案中，这些扇形仅仅是切入到内座圈的面67之中的八个对称的扇形76，从而剩下八个对称的、支承负载的表面67来传输轴向负载。这些扇形的数量和尺寸并不重要。重要的是减小表面积。

在本发明的第三实施方案中，通过对活塞环衬套56的压缩机端面55以及内轴承座圈65的涡轮机端面67涂覆一个低热传导率的涂层或进行表面处理（如氧化钇稳定的氧化锆），提供了热障。

现在已经说明了本发明，我们提出了权利要求。

Claims (12)

1.一种涡轮增压器，包括

一个旋转组件，该旋转组件包括一个轴（50）以及稳固地附着在该轴的一端上的一个涡轮机叶轮（51），

一个轴承壳体（3），该轴承壳体支撑一个滚动元件轴承，该轴承包括一个内座圈（65）和一个外座圈（64），这些座圈各自配有一个滚道，以及一系列滚动元件，这些滚动元件与每个座圈的滚道相接触，

其中所述轴是由所述滚动元件轴承支撑而用于旋转，

在该轴（50）的涡轮机端上的一个活塞环衬套（56），该活塞环衬套（56）具有一个面对压缩机的端部（55），以及

进一步包括一个热障元件（90），该热障元件在所述涡轮机叶轮与所述内座圈之间被承载在所述轴上使得所述热障元件（90）是提供在所述活塞环衬套（56）的面对压缩机的端部（55）与所述内座圈之间。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述热障元件（90）包括一种材料，该材料具有的热传导系数与该轴承内座圈或该旋转组件的轴承衬套的热传导系数相同或比它更低。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述热障元件（90）包括钛、一种钛合金、一种超耐热合金、或一种陶瓷材料。

4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中所述热障元件（90）包括选自下组的一种超耐热合金，该组由以下各项组成：铬镍铁合金、耐热镍铬铁合金、和哈斯特洛依合金（Hastelloy）。

5.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述热障元件（90）包括涂覆有一个涂层的一种金属，该涂层具有的热传导率低于所述金属。

6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中所述涂层是氧化钇稳定的氧化锆。

7.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述内座圈（65）受到所述热障元件（90）的轴向约束。

8.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述热障元件（90）包括一个用作抛油环的径向延伸部。

9.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述热障元件（90）具有一个接触内座圈（65）的端面，并且其中所述端面中的至少一个不形成围绕其整个圆周具有恒定的内和外直径的一个连续环。

10.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述滚动元件轴承选自下组，该组是由以下各项组成：滚珠轴承、滚柱轴承、滚针轴承。

11.如权利要求10所述的涡轮增压器，其中所述滚柱轴承包括锥形滚柱轴承和/或球面滚柱轴承。

12.一种涡轮增压器，包括

一个旋转组件，该旋转组件包括一个轴（52）以及稳固地附着到该轴的一端上的一个涡轮机叶轮（51）、以及在该轴的涡轮机端的一个活塞环衬套（56），该活塞环衬套（56）具有一个面对压缩机的端部（55），

其中所述活塞环衬套（56）的面对压缩机的端面（55）与面对所述活塞环衬套（56）的内座圈的端面中的至少一个涂覆了一种低热传导率的涂层。