CN103016545B - 涡轮增压器转动组件及用于该组件的轴套 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮增压器转动组件及用于该组件的轴套。一种涡轮增压器转动组件包括轴承；由轴承支承的轴和涡轮组件；围绕轴布置的密封环；以及支承轴承并且包括压缩机端和涡轮端的轴套，从压缩机端轴向地延伸至涡轮端的孔，形成将轴承轴向地定位在孔中的轴向面的第一沉孔，轴向地布置在第一沉孔与涡轮端之间的第二沉孔，其中第二沉孔包括密封表面和紧固件，该密封表面与围绕的轴布置的密封环形成润滑剂和排气密封，并且紧固件将轴套相对于涡轮增压器壳体紧固。还公开了装置，组件，系统，方法等的各种其它实例。

Description

涡轮增压器转动组件及用于该组件的轴套

技术领域

本申请所披露的主题大体上涉及用于内燃机的涡轮机械，并且尤其涉及转动组件。

背景技术

排气驱动的涡轮增压器包括转动组，该转动组包括彼此通过轴连接的涡轮和压缩机叶轮。轴典型地通过一个或多个轴承（例如，油润滑的轴承，空气轴承，滚珠轴承，磁力轴承等）可转动地支承在中心壳体内。工作期间，来自内燃机的排气驱动涡轮增压器的涡轮，进而涡轮驱动压缩机叶轮以推进增压空气至内燃机。

工作期间，涡轮增压器的转动组必须通过大范围的速度工作。取决于诸如涡轮增压器的尺寸等因素，达到的最大速度可以超过200,000 rpm。各方面协调的涡轮增压器转动组对适当的转子动力学性能而言是非常重要的。获得低水平的不均衡的努力有助于确保轴的稳定性并且将转子偏转最小化，并且进而对减小轴承载荷起作用。减小的轴承载荷导致得到改进的持久性和减小的噪音（例如，由传递的振动产生的）。

为了减小振动，涡轮增压器转动组平衡包括部件和组件平衡。当组件典型地使用高速平衡处理工艺进行平衡的同时，诸如压缩机和涡轮组件的单独部件典型地使用低转速处理工艺进行平衡。通常，这样的组件包括壳体（例如，中心壳体）并且被认为是中心壳体和转动组件（CHRA）。

各种平衡关系源自CHRA设计，尤其特征在于可以规定组装顺序的部件。例如，许多中心壳体构成为经由压缩机侧孔接收轴承并且经由涡轮侧孔接收轴。在这样的构型中，一旦轴和轴承正确地布置在中心壳体（例如，作为CHRA）中，去平衡该轴和该轴承是有意义的。换句话说，一旦这些部件被插入到中心壳体中以形成CHRA的话，在插入到中心壳体之前平衡作为组件（例如，在夹具中设置）的轴和轴承并不一定确保适当的平衡。例如，在轴承的座圈或滚动元件与轴之间需要压入配合，很难不压入配合，在元件中插入中心壳体并且当获得精确的重新排列的同时再次压入配合轴承和轴。

本申请中所描述的各种技术涉及组件，其包括轴套，其中轴套可以是，例如，构成为支持轴承和轴组件并且配合到中心壳体中。这样的方法可以选择性地促进平衡，将与平衡相关的噪声，振动和粗糙度（NVH）等最小化。这样的方法可以提高库存，制造，检查，维护，修理，和置换（例如，用具有相同或不同特征的元件）。

附图说明

当结合附图中所示的实例时可以参考以下具体实施方式对本申请所描述的各种方法，装置，组件，系统，布置等以及其等同形式进行更完全的理解，其中：

图1是涡轮增压器和连同控制器的内燃机的图解示图；

图2是包括轴套的实例的涡轮增压器转动组件的一个实例的截面分解图；

图3是图2所示组件的截面图；

图4是图3所示组件的压缩机端视图；

图5是图2，3，4所示轴套的实例以及轴套的另一实例的一系列视图；

图6是图2，3和4所示组件的部件和子组件的一系列视图；

图7是部件，子组件和涡轮增压器转动组件的一系列视图；

图8是形成各种组件的方法的实例的方框图。

具体实施方式

如在本申请中所描述的，轴套可以包括压缩机端和涡轮端，从压缩机端轴向地向涡轮端延伸的孔，形成轴向面以轴向地定位孔中的轴承的第一沉孔（counter bore），轴向地布置在第一沉孔与涡轮端之间的第二沉孔，其中第二沉孔包括密封表面和紧固元件，该密封表面与围绕由轴承支承的轴布置的密封环形成润滑剂和排气密封，并且紧固元件将轴套相对于涡轮增压器壳体紧固。

如本申请中所描述的，这样的轴套可以选择性地使用传统技术来提供最佳实践的大量制造。换句话说，在制造过程中，当采用现有的，现场生产技术的同时，可以引入包括这样轴套的涡轮增压器转动组件。

如本申请中所描述的，轴套可以提供用于增加转动元件轴承转子组（例如，滚珠轴承，其它类型的滚动元件轴承）的制造产量。轴套的使用可以容许多种部件的预组装，并进而获得增加平衡的优点，例如，最小化与平衡有关的噪音，振动，和粗糙度（NVH）。通常，这样的轴套可以减轻用于预组装转动元件轴承转子组的平衡成本，时间等。

如本申请中所描述的，基于轴套的方法可以使得涡轮增压器转动元件轴承和密封件的可选范围多样化，例如，用于空气动力学的应用。基于轴套的方法可以使得滚动元件轴承和转子组密封件尺寸与滚动元件轴承直径的包络尺寸彼此独立地设计。例如，基于轴套的方法可以选择性地允许使用具有任意和全部尺寸的滚珠轴承或滚珠在轴上设计和密封的预组装的滚珠轴承和转子组。如本申请中所描述的，轴承和涡轮密封孔插入件可以是用于预先平衡操作的自身的夹具。此外，基于轴套的方法可以提供给滚动元件轴承再使用，检查，维护，置换等。如本申请中所描述的，基于轴套的方法可以导致研发时间，复核试验时间，库存时间，部件跟踪时间，组装时间，检查时间，维护时间，更换时间等的减少。

以下，在部件，组件，方法等的各个实例之后，描述的是涡轮增压发动机系统的实例。

涡轮增压器经常地被使用以增加内燃机的输出。参照图1，传统的系统100包括内燃机110和涡轮增压器120。内燃机110包括容纳一个或多个操作地驱动轴112（例如，经由活塞）的燃烧室的发动机缸体118。如图1所示，进气口114提供用于空气至发动机缸体118的流动路径而排气口116提供用于来自发动机缸体118的排气的流动路径。

同样如图1所示，涡轮增压器120包括进气口134，轴122，压缩机124，涡轮126，壳体128和排气口136。壳体128由于其被布置在压缩机124与涡轮126之间可以被叫作中心壳体。轴122可以是包括多种部件的轴组件。工作中，涡轮增压器120通过将排气通过涡轮126，起到了从内燃机110的排气中提取能量的作用。如图中所示，涡轮机126的涡轮127的转动使得轴122转动并且因此压缩机124的压缩机叶轮125（例如，叶轮）进行压缩进而提高至发动机110的进口空气的密度。通过导入最佳量的燃料，系统100可以从发动机100提取更多的比功率（例如与同样排量的非涡轮增压发动机相比）。对于控制排气流量而言，在图1的实例中，涡轮增压器120包括可变几何单元129以及废气门阀135。可变几何单元129可以起控制至涡轮127的排气流量的作用。废气门阀（或简单地被称作废气门）135布置为最接近涡轮126的进口的位置处并且可以被控制为允许来自排气口116的排气绕过涡轮127。

此外，为了提供排气再循环（EGR），这样的系统可以包括导管以将排气引导至进气路径。如图1的实例所示，排气口136可以包括分支115，其中通过该分支115至进气口路径134的流量可以经由阀117进行控制。在这样的布置中，排气可以在压缩机124的上游提供。

在图1中，控制器190的一个实例被示出为包括一个或多个处理器192，存储器194和一个或多个接口196。这样的控制器可以包括电路，诸如发动机控制单元的电路。如在本申请中所描述的，多种方法或技术可以选择性地结合控制器，例如，通过控制逻辑，得以实施。控制逻辑可以取决于一个或多个发动机工作条件（例如，涡轮rpm（每分钟转数），发动机rpm，温度，负载，润滑剂，冷却等）。例如，传感器可以经由一个或多个接口196传送信息至控制器190。控制逻辑可以依靠这样的信息并且，进而，控制器190可以输出控制信号以控制发动机工作。控制器190可以构成为控制润滑剂流量，温度，可变几何组件（例如，可变几何压缩机或涡轮），废气门，排气再循环阀，电动马达，或与发动机，涡轮增压器（或多个涡轮增压器）等相关的一个或多个其它的部件。

图2示出了涡轮增压器转动组件200的一个实例，其包括由布置在可能被插入在壳体280中的轴套240中的轴承230支承的轴220。如图2的实例所示，轴220延伸至涡轮260以形成轴和轮组件（SWA）以及包括在轴220与轴套240之间的密封机构250的区域。

在图2的实例中，轴套240包括位于压缩机端处的轴向面241，一个或多个凹进外表面242，一个或多个凹进轴向面243，外表面244和位于涡轮端处的轴向面246。位于压缩机端处的轴向面241包括各种紧固件245，例如，其可以是螺纹插口。轴套240还包括布置在压缩机端与涡轮端之间的环形槽247和环形槽249，环形槽247用以围绕润滑剂通道248安装密封元件270（例如，O形圈）且环形槽249用以安装密封元件279（例如，诸如活塞环的密封环）。

关于壳体280，其包括允许接收轴套240与SWA（例如，轴220与涡轮260）的各种特征。在图2的实例中，壳体280包括由位于压缩机端处的沉孔282形成的轴向面281。接近沉孔282的是一个或多个局部沉孔283，例如，其从轴向面281轴向地向内延伸至主孔284。如图中所示，主孔284从沉孔282延伸至在壳体280的涡轮端处的轴向面286。沿主孔284布置的是环形槽287，该环形槽287用以围绕润滑剂通道288安装密封元件（例如，密封元件270）。此外，壳体280可以包括各种冷却通道289，例如，以允许热能远离孔284传递。同样，在壳体280的压缩机端处，存在用于接收各个螺栓295的紧固件285。

关于配合件，如由一个或多个凹进外表面242限定的轴套240的轴向面241的一个或多个凹部可以相对于壳体280的一个或多个局部沉孔283定位，例如，允许紧固件245与用于插入螺栓295的紧固件285对齐以由此将轴套240相对于壳体280紧固。在这样的实例中，无论螺栓295是否插入，一个或多个局部沉孔283和一个或多个轴向面241的凹部限制壳体280的主孔284中的轴套240的转动。因此，传递至轴套240的旋转力可被施加到一个或多个局部沉孔283上，其可以减小或防止力的传递，该力以可以使得拆卸困难的方式（例如，弯曲螺栓，已滑牙的螺纹等）对螺栓295或紧固件245或285造成损伤。

在图2的实例中，配合还可以在轴套240的凹槽247与壳体280的凹槽287之间存在。这样的方法可以帮助避免通常从通道288至通道248发生的通道248与288之间的润滑剂的错误传导。此外，位于轴套240的凹槽249中的密封元件279可以减少来自涡轮的排气的传输和润滑剂的传输，例如，考虑到密封元件270的渗漏或缺少这样的密封元件。尽管图2的实例示出了轴套240中的环形槽，可替换地或附加地，这样的凹槽可以在壳体280的主孔284中存在。此外，尽管轴套240与壳体280都示出为包括用于安装密封元件270的凹槽，在这样的元件中仅一个中的凹槽可以足够安装密封元件。

图3示出了图2的组件200的截面图，具有由轴套240接收的轴承230和由壳体280接收的轴套240。特别是在该截面图中，轴套240的轴向面241邻接壳体280的轴向面281。此外，图中示出了密封机构250的各种特征。

关于轴承230，其包括内座圈234，滚动元件235与外座圈236，该外座圈236可以包括润滑剂开口238。如图中所示，轴220压入配合到内座圈234上；因此，轴220与内座圈234作为一个单元围绕外座圈236旋转，该外座圈236可以选择性地被固定或否则限制其在轴套240内旋转的能力（例如，经由诸如销的定位或防旋转件）。相对于轴承230的轴向位置，外座圈236由轴套240的沉孔256的轴向面255轴向地定位。

在图3的实例中，轴套240还包括润滑剂通道252，其可以具有比润滑剂通道248更大的横截面积。此外，在轴向面254与轴向面257之间存在开口，其可以为润滑剂的排出作准备。

关于密封机构250，其可以包括由轴套240的沉孔258形成的表面，在轴220的一部分中的环形槽265以及至少部分地位于槽265中的密封元件275。如所提到的，另一密封可以经由槽249和至少部分地位于槽249中的密封元件279沿轴套240的外表面244形成。这样的密封可以起到减小向压缩机方向中移动并且与润滑剂混合的排气的作用。因此，如本申请中所述的，组件可以包括密封的同心配置，该密封起到减少从涡轮增压器的排气区域至一个或多个孔（例如，轴套的孔和壳体的孔）的排气的通道的作用。在这样的实例中，一个密封是关于旋转元件（即，轴）的并且另一密封是关于固定元件（即，轴套）的。

通常，关于旋转元件的密封可能更难维持并且可能用将流动面积等最小化的尺寸制作。此外，尽管在图3的实例中示出了单个密封，但在轴套240与壳体280之间的密封或在轴220与轴套240之间的密封可以取决于多个槽，多个密封元件等。进一步此外，二者均可以取决于多个槽，多个密封元件等（例如，以形成迷宫等）。

图4示出了图2和图3的组件200的压缩机端视图。在图4所示的实例中，三个螺栓295插入到三个开口285中以在壳体280中紧固轴套240。

如本申请中描述的，涡轮增压器转动组件可以包括轴承；由所述轴承支承的轴和涡轮组件；围绕所述轴布置的密封环；以及支承轴承并且包括压缩机端和涡轮端的轴套，从压缩机端轴轴向地延伸至涡轮端的孔，形成将轴承轴向地定位在孔中的轴向面的第一沉孔，轴向地布置在第一沉孔与涡轮端之间的第二沉孔，其中第二沉孔包括密封表面和紧固件，该密封表面与围绕轴布置的密封环形成润滑剂和排气密封，并且紧固件将轴套相对于涡轮增压器壳体紧固。在这样的组件中，轴承，当轴向地定位在轴套的孔中时，可以从压缩机端轴向地向外延伸。关于轴套的紧固件，一个或多个插口可以在压缩机端沿轴套的轴向面布置。此外，壳体可以包括与轴套的插口对齐进行布置位于压缩机端处的插口（例如，用于穿过螺栓的端部）。如在本申请中所描述的，轴套可以选择性地包括围绕外表面的环形槽和布置在环形槽中的密封环（例如，以在轴套与要将轴套插入的壳体的孔中形成密封）。

如图2，3和4的实例所示，图5示出了轴套240的各种视图。具体地，图5示出了轴套240的透视图，沿线A-A截取的轴套240的横截面视图，轴套240的压缩机端视图以及沿线B-B截取的轴套240的横截面视图。图5中还示出的是轴套540的实例的透视图，其并不包括槽249，因此也不包括密封元件279。如在本申请中所描述的，轴套的各种特征可以是可选择的。

在轴套240的压缩机端视图中，各种半径被示出从z轴以及围绕z轴的方位角延伸出。如图中所示，沉孔258的半径小于沉孔256的半径，该沉孔256的半径小于孔251的半径。此外，凹进的外表面242的半径小于外表面244的半径。仍然进一步地，在图5的实例中，各种的凹部243可以是部分地由各个方位角限定的。

关于轴向尺寸，沿线B-B截取的截面图示出了从轴向面241至孔251的端部，至轴向面255以及至轴向面257的轴向距离。

图6示出了轴承230（例如，轴承卡盘）以及轴套240的截面图，它们的独立元件以及它们与密封元件270装配在一起的示意图，还示出了装配有密封元件270的的压缩机端视图。

在该组件的横截面视图中，轴向尺寸Δz₁与Δz₂相对于轴承230的压缩机端与轴套240的压缩机端被示出。这些尺寸取决于轴承230与轴套240的特征。具体地，轴向面255起到轴向地将轴承230定位在轴套240中并且由此可以规定伸出的程度的作用。伸出可以取决于涡轮增压器组件的各种部件，例如止推环件，压缩机背面板件等。

如在本申请中所描述的，轴承可以包括允许润滑剂通过的一个或多个开口，例如，相对于轴套240从通道248至轴空间，其可以包括一个或多个滚动元件（例如，见滚珠235）。

图7示出了具有轮260，轴承230与轴套240的轴220的横截面视图。如所示，轴220的压缩机端被插入轴承230，如其被轴套240支承，以形成涡轮增压器转动组件。

如在本申请中所描述的，这样的组件可以被平衡并且然后被放置在壳体中。此外，如果涡轮增压器工作后出现一些量的不均衡（例如，由于噪音，振动等），压缩机叶轮可以从轴的压缩机端被移走并且提供了可以将轴套紧固在中心壳体中的任何紧固件的入口以由此允许轴套/轴承/SWA组件的除去。组件然后可以进行平衡或其它的检查，维护等，并且如果合适，重新安装到中心壳体中。

图8示出了方法800的一个实例的方框图，所述方法包括用于提供具有密封元件的轴套，轴承卡盘，涡轮轴与轮组件，以及涡轮密封环（或多个环）的提供块810；用于将轴承卡盘相对于轴套定位以形成轴套与轴承卡盘组件的定位块820；用于将涡轮密封环（或多个环）组装到涡轮轴和轮组件上的组件块830；以及用于将具有密封环（或多个环）的轴和涡轮组件的轴插入轴承卡盘组件以形成轴套组件的插入块840。在图8的实例中，方法800还可以包括用于提供具有孔的壳体的提供块850；以及用于将轴套组件定位到壳体的孔中的定位块860。

如在本申请中所描述的，将轴套组件定位到壳体的孔中可以围绕轴套的润滑剂通道在孔与轴套之间形成密封（例如，与多个密封元件中的一个）并且在轴套与壳体的孔之间（例如，其中壳体，轴套或两者可以包括特征以安装密封元件或多个密封元件）形成另一密封（例如，与多个密封元件中的另一个）。

如在本申请中所描述的，可以通过控制器执行各种动作（例如，见图1的控制器190），其可以是构成为根据指令可编程控制的。如在本申请中所描述的，一个或多个计算机可读介质可以包括处理器可执行指令以指令计算机（例如，控制器或其它的计算装置）执行一个或多个在本申请中所描述的动作。计算机可读介质可以是存储介质（例如，诸如存储器芯片，存储卡，存储器盘等的装置）。控制器可以能够存取这样的存储介质（例如，经由有线或无线接口）和下载信息（例如，指令和/或其它的信息）至存储器（例如，见图1的存储器194）。如在本申请中所描述的，控制器可以是发动机控制单元（ECU）或其它的控制单元。这样的控制器可以选择性地被编程以控制至涡轮增压器的润滑剂流量，润滑剂温度，润滑剂压力，润滑剂过滤，排气再循环等。

尽管在附图和在上述具体实施方式中的描述中已经示出了方法，装置，系统，布置等的一些实例，但应当理解公开的示例性的实施例不是限制性的，而是在不背离上述和由以下权利要求书限定的精神的情况下能够作出各种重新布置，修改和替换。

Claims (14)

1.一种用于涡轮增压器转动组件的轴套，该轴套包括：

压缩机端和涡轮端；

轴向地从压缩机端延伸至涡轮端的孔；

从沿轴套的外表面的轴向位置径向地延伸至沿轴套的孔的轴向位置的润滑剂通道；

在沿孔的润滑剂通道的轴向位置与涡轮端之间轴向地布置的第一沉孔，其中第一沉孔形成轴向面以轴向地将轴承定位在轴套的孔中；

在第一沉孔与涡轮端之间轴向地布置的第二沉孔，其中第二沉孔包括密封表面以部分地形成润滑剂和排气密封；

至少部分地轴向地布置在第一沉孔与第二沉孔之间的润滑剂排出通道；以及

紧固件，用以将轴套相对于涡轮增压器壳体紧固。

2.如权利要求1所述的轴套，其中轴套的外表面包括环形槽以沿外表面在轴向位置围绕润滑剂通道安装O形环。

3.如权利要求1所述的轴套，其中第一沉孔以小于360度的角度沿圆周延伸。

4.如权利要求1所述的轴套，还包括另一润滑剂通道，其横截面积超过润滑剂通道的横截面积。

5.如权利要求4所述的轴套，其中另一润滑剂通道包括润滑剂排出通道。

6.如权利要求1所述的轴套，其中紧固件包括在压缩机端沿轴套的轴向面布置的部件。

7.如权利要求1所述的轴套，还包括一个或多个定向部件。

8.如权利要求7所述的轴套，其中一个或多个定向部件包括轴向地偏离在压缩机端的轴向面的一个或多个轴向面。

9.如权利要求1所述的轴套，还包括沿轴套的外表面布置的环形槽。

10.如权利要求9所述的轴套，还包括在环形槽中布置的密封环。

11.如权利要求1所述的轴套，还包括用于沿外表面在轴向位置围绕润滑剂通道形成密封的密封环和用于围绕外表面形成密封的另一密封环。

12.一种涡轮增压器转动组件，包括：

轴承；

由轴承支承的轴和涡轮组件；

围绕轴布置的密封环；以及

轴套，其支承轴承并且包括：

压缩机端和涡轮端；

轴向地从压缩机端延伸至涡轮端的孔，

第一沉孔，其形成轴向地将轴承定位在孔中的轴向面，

在第一沉孔与涡轮端之间轴向地布置的第二沉孔，其中第二沉孔包括密封表面，所述密封表面与围绕轴设置的密封环形成润滑剂和排气密封，以及

紧固件，用以将轴套相对于涡轮增压器壳体紧固，其中轴承，当轴向地定位在轴套的孔中时，从压缩机端轴向地向外延伸。

13.如权利要求12所述的涡轮增压器转动组件，其中紧固件包括在压缩机端沿轴套的轴向面布置的插口。

14.如权利要求12所述的涡轮增压器转动组件，其中轴套包括围绕外表面的环形槽和在环形槽中布置的密封环。