CN103133408A - 双金属压缩机轮及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双金属压缩机轮及其制造方法。连接到涡轮增压器轴的压缩机轮的性能和耐用性彼此不一致，其中较高的转动速度可以通过铝压缩机轮来适应。但是，铝具有低的屈服强度，这造成压缩机轮在高转动速度下向外扩张，使得轴上的滑动配合在高转动速度下不再防止摆动。为了至少部分解决这种问题，压缩机轮可具有两个部分：由具有相对高的屈服强度的钢或钛制成的内部部分和由重量轻的可铸造材料制成的叶片部分。通过放置在模具内，内部部分在其周边制成抓握特征，并且叶片部分被铸造在抓握特征之上，以形成具有两种材料的压缩机轮，由此提供足够的轴刚度，而没有高的转动惯量。

Description

双金属压缩机轮及其制造方法

技术领域

本发明涉及涡轮增压器，更特别是涉及涡轮增压器的压缩机轮。

背景技术

压缩机轮通常经由精密滑动配合安装到涡轮增压器轴上。通过压缩机螺母施加在压缩机轮的安装在轴上的部分上的夹紧力为轴提供刚度，以便在高转动速度下防止轴内的柔曲和摆动。希望制造铝的压缩机轮，使其转动惯量小于由钢或钛制成的情况。还希望制造铝的轮，以便使用例如高压模铸的高产量、低成本制造技术。与较强的替代合金相比，铝的缺陷在于低的屈服强度，这使得压缩机轮由于高离心应力而径向生长。另外，铝具有高的热膨胀系数。随着压缩机轮的温度升高，铝压缩机轮为轴提供的刚度降低。希望具有一种压缩机轮，其具有低转动惯量和高屈服强度，从而在涡轮增压器的压缩机轮所遇到的温度和速度范围上提供希望的钢化效应。

发明内容

由单一材料制成的压缩机轮的至少一种缺陷通过由两个部分制成的压缩机轮克服：联接到涡轮增压器轴并由具有相对较高的屈服强度的材料制成的内部部分和与内部部分联接并具有相对较低的屈服强度的叶片部分。内部部分为轴提供刚度，并在高转动速度下抵抗弯曲和向外运动。外部部分可以通过模铸(相对廉价的制造技术)形成。在一个非限定例子中，如果内部部分的材料是钢，并且叶片部分是铝，得到的压缩机轮的转动惯量会略微增加，但只是很少量，因为较高密度材料对中定位，并不助长总体转动惯量。

提供一种压缩机轮，其包括：内部部分，所述内部部分由具有第一屈服强度的第一材料形成；以及叶片部分，所述叶片部分包括具有第二屈服强度的第二材料。第一屈服强度大于第二屈服强度。叶片部分被模铸在内部部分上。在一种实施方式中，第一材料大部分是钢，第二材料大部分是铝。在一种替代中，第一材料大部分是钛，第二材料大部分是铝。内部部分的主体是大致圆柱形的，并且内部部分另外具有从圆柱形主体的外表面在大致径向方向上向外延伸的抓握特征。抓握特征在第一径向距离处的截面面积大于在第二径向距离处的截面面积；第一径向距离大于第二径向距离，并且抓握特征通过第二材料包封。内部部分的主体限定孔口，压缩机轮的内部部分适用于滑动配合在轴上。在一种替代中，内部部分的主体沿着其长度的至少一半是实体的，并且内部部分在一端限定螺纹孔口，以便适配轴。抓握特征在一些实施方式中形成可以周向、径向、螺旋或波形配置的凸脊。

在一些实施方式中，抓握特征中的一个周向配置在内部部分的外表面上；所述一个抓握特征具有邻近内部部分的主体的基部；所述一个抓握特征具有从基部向外位移的第一凸角和第二凸角，其中第一凸角和第二凸角具有大于基部截面的截面。

公开一种涡轮增压器，其具有轴、联接到轴的涡轮机轮以及联接到轴的压缩机轮。压缩机轮包括由具有第一热膨胀系数的第一材料制成的内部部分和由具有第二热膨胀系数的第二材料制成的叶片部分。第一热膨胀系数小于第二热膨胀系数。叶片部分被模铸在内部部分上。在一种实施方式中，轴的材料和压缩机轮的内部部分的材料是类似的，并且压缩机轮被滑动配合在轴上。替代地，压缩机轮被压配合在轴上。

内部部分的主体是大致圆柱形的，并且内部部分另外具有从圆柱形主体的外表面在大致径向方向上向外延伸并周向配置在外表面上的至少一个抓握特征。抓握特征具有邻近圆柱形主体定位的基部。抓握特征还包括在径向上比基部更远离圆柱形主体定位的凸角，并且基部的截面面积小于凸角的截面面积。抓握特征在模铸过程中通过第二材料包封。

还公开一种制造压缩机轮的方法，其中压缩机轮的内部部分由第一材料铸造而成。替代地，压缩机轮被加工而成。内部部分的外表面具有向外延伸的多个抓握特征。内部部分被放置在模具内。熔融的第二材料被注射到模具中，第二材料接触内部部分的外表面。模具的内容物被冷却并且模具被打开以便释放模具的内容物。第一材料的热膨胀系数低于第二材料的热膨胀系数。第一材料具有比第二材料高的屈服强度。

抓握特征在第一径向距离处具有大于在第二径向距离处的截面面积，并且第一径向距离大于第二径向距离。

本发明的实施方式的优点在于允许低转动惯量，同时防止轴的柔曲。另外，压缩机轮的复杂部分(即叶片部分)可以由铝制成，这可以廉价制造，同时可以更容易加工的内部部分可以由提供刚度的材料制成。

压缩机轮容易由于轴和轮的界面处的应力升高而失效。通过由钢或钛制成该界面的压缩机轮一侧，可以在轴上适应更加紧密的配合。这部分消除了这种压缩机轮失效模式，同时还为涡轮增压器轴提供另外的刚度支承。另外，压缩机叶片在叶片的基部处失效。通过提供高屈服强度材料制成的抓握特征，叶片的基部可以被稳定，并且减小可能的失效模式。

附图说明

图1是没有壳体的涡轮增压器的立体图；

图2是由单一材料制成的压缩机轮的立体图；

图3是根据本发明的一个方面的具有两个部分的压缩机轮的立体图；

图3是图3的压缩机轮的叶片部分的截面图；

图4是图3的压缩机轮的内部部分的截面的立体图；

图5是图3的压缩机轮的截面图；

图6是抓握特征的细节；

图7是制造压缩机轮的一种方法的流程图；以及

图8是根据本发明的实施方式的涡轮增压器的一部分的截面。

具体实施方式

本领域普通技术人员将理解到，参考任一附图说明和描述的多种实施方式的多个特征可以与一个或多个其他附图中描述的特征相结合以便形成没有明确描述或说明的替代实施方式。所描述的特征的组合提供了用于典型应用的代表实施方式。但是根据本发明的教导的特征的多种组合和变型对于特定应用或实践来说可能是希望的。本领域普通技术人员将认识到类似的应用或实践，而不管明确描述或说明与否。

在图1中，涡轮增压器10的内部部件表示成包括轴12，其具有压靠压缩机轮14的压缩机网(compressor net)。甩油器15以及垫片16包含在轴上。轴承17在压缩机轮14和涡轮机轮18之间包含在轴上。

标准压缩机轮20在图2中表示成具有多个叶片22、具有孔口以便在轴上滑动的内部部分24。压缩机轮可以在模铸操作中由铝制成。模铸过程是廉价的。通常，轴由钢或钛制成，以给出所需强度。

在一种实施方式中，压缩机轮被准确滑动配合在轴上。在其他替代中，压缩机轮被压配合或收缩配合在轴上。配合的紧密性至少通过轴和压缩机轮的材料、操作过程中将要遇到的温度范围、温度梯度、峰值转动速度以及可以由于干涉形成的应力裂纹来确定。

根据本发明的一种实施方式的压缩机轮50在图5中以截面图表示成具有图3所示的叶片部分30和图4所示的内部部分40。叶片部分30包括多个叶片32、根部34以及多个凹槽36。

在图4中，立体表示内部部分40的截面。内部部分40具有圆柱形主体44，其具有在径向上从主体44向外延伸的抓握特征46。图4的内部部分的实施方式具有联接到涡轮增压器轴的圆柱形孔口42。在替代实施方式中，内部部分40沿着长度的至少一部分是实体的。螺纹孔可形成在内部部分40的可以与轴的螺纹端联接的一端内。

压缩机轮50表示成具有组装的内部部分40和叶片部分30。下面参考图7描述制造压缩机轮50的方法。

来自压缩机轮的内部部分的截面的细节在图6中以截面图表示。圆柱形主体60具有中心线58。抓握特征62从主体60的外表面向外延伸。抓握特征62包括基部61和凸角63。经过平面66截取的基部61的截面面积小于经过平面64截取的凸角63的截面面积。

在图4所示的实施方式中，抓握特征46实际上是周向配置在主体44的外侧上的抓握凸脊。在一种替代中，作为非限定例子，抓握特征可以是轴向、螺旋或以波形方式配置的凸脊。在又一替代中，抓握特征是以任何适当方式配置的在压缩机轮的内部部分的外表面上直立的多个单独凸起。但是，为了保护内部部分和叶片部分之间的结合部的整体性，凸角区域内的抓握特征的截面面积大于基部区域内的截面面积。

图4-6所示的抓握特征类似于水塔，具有邻近抓握特征连接到大致圆柱形形状的圆柱形主体的位置的基部以及圆柱形主体远侧的几乎球形的凸角。也可设想到替代形状，例如具有多个凸角以及具有更尖锐的角部的形状。

根据本发明的制造压缩机轮的方法在图7中示出。在框70中，制造压缩机轮的内部部分。作为例子的非穷尽列举，这可以是模铸、加工、锻造、使用其他铸造技术的铸造。抓握特征的设计至少部分取决于制造内部部分的技术以及如何可以便利地形成多种形状。在框72中，内部部分被固定在模铸设备的模具内。在框74中，熔融的铝或其他材料被注射到模具中，使得熔融材料围绕或包封抓握特征。在框76中，模具的内容物被冷却。在框78中，在充分冷却时，模具的内容物(即双金属压缩机轮)被释放。

在图8中，涡轮增压器的一部分以截面图示出。从左到右，轴12具有螺母13、压缩机轮80、甩油器15、垫片16和轴承17。压缩机轮包括叶片部分85和内部部分83两者。叶片部分85包括根部81和多个叶片82。内部部分83具有位于根部的较宽部分内的多凸角的抓握特征84以及根部81的较窄部分内的单凸角的抓握特征86。

虽然相对于特定实施方式详细描述了最佳模式，本领域的普通技术人员将认识到以下权利要求范围内的多种替代设计和实施方式。虽然多种实施方式已经描述成就一个或多个希望特征而言提供优于其他实施方式的优点或有利之处，本领域的普通技术人员明白，一个或多个特征可以被折衷，以根据具体应用和实践来实现希望的系统属性。这些属性包括但不局限于成本、强度、耐用性、寿命成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、制造性能、组装便利性等。这里描述的就一个或多个特征而言特征在于与其他实施方式或现有技术实践相比不太希望的实施方式并不在本发明的范围之外，且对于特定应用可能是希望的。

Claims (20)

1.一种压缩机轮，包括：

内部部分，所述内部部分包括具有第一屈服强度的第一材料；以及

叶片部分，所述叶片部分包括具有第二屈服强度的第二材料，其中所述第一屈服强度大于所述第二屈服强度，并且所述叶片部分被模铸在所述内部部分上。

2.根据权利要求1所述的压缩机轮，其中，所述第一材料大部分包括钢，并且所述第二材料大部分包括铝。

3.根据权利要求1所述的压缩机轮，其中，所述第一材料大部分包括钛，并且所述第二材料大部分包括铝。

4.根据权利要求1所述的压缩机轮，其中，所述内部部分的主体是大致圆柱形，并且所述内部部分另外具有从所述圆柱形主体的外表面在大致径向上向外延伸的抓握特征。

5.根据权利要求4所述的压缩机轮，其中，所述抓握特征在第一径向距离处的截面面积大于在第二径向距离处的截面面积；所述第一径向距离大于所述第二径向距离；并且所述抓握特征通过所述第二材料包封。

6.根据权利要求4所述的压缩机轮，其中，所述内部部分的主体限定孔口，并且所述压缩机轮的内部部分能够滑动配合到轴上。

7.根据权利要求4所述的压缩机轮，其中，所述内部部分的主体沿着其长度的至少一半是实体的，并且所述内部部分在一端上限定螺纹孔口，以适配轴。

8.根据权利要求4所述的压缩机轮，其中，所述抓握特征形成以如下方式中的一种方式配置的凸脊：周向、径向、螺旋和波形。

9.根据权利要求4所述的压缩机轮，其中：

所述抓握特征中的一个抓握特征周向配置在所述内部部分的外表面上；

所述一个抓握特征具有邻近所述内部部分的主体的基部；以及

所述一个抓握特征具有从所述基部向外位移的第一凸角和第二凸角，所述第一凸角和第二凸角具有大于所述基部的截面的截面。

10.一种涡轮增压器，包括：

轴；

联接到所述轴的涡轮机轮；以及

联接到所述轴的压缩机轮，其中所述压缩机轮包括：内部部分，所述内部部分包括具有第一热膨胀系数的第一材料；以及叶片部分，所述叶片部分包括具有第二热膨胀系数的第二材料；所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数，并且所述叶片部分被模铸在所述内部部分上。

11.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述第一材料具有比所述第二材料高的屈服强度。

12.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述轴的材料和所述压缩机轮的内部部分的材料是类似的，并且所述压缩机轮被滑动配合在所述轴上。

13.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述内部部分的主体是大致圆柱形的，并且所述内部部分另外具有从所述圆柱形主体的外表面在大致径向方向上向外延伸并周向配置在所述外表面上的至少一个抓握特征。

14.根据权利要求13所述的涡轮增压器，其中，所述抓握特征具有邻近所述圆柱形主体定位的基部；所述抓握特征还包括在径向上比所述基部更远离所述圆柱形主体定位的凸角；并且所述基部的截面面积小于所述凸角的截面面积。

15.根据权利要求13所述的涡轮增压器，其中，所述抓握特征在所述模铸过程中通过所述第二材料包封。

16.根据权利要求13所述的涡轮增压器，其中：

所述抓握特征具有邻近所述内部部分的主体的基部；

所述抓握特征具有从所述基部向外位移的第一凸角和第二凸角，其中所述第一凸角和第二凸角具有大于所述基部的截面的截面。

17.一种制造压缩机轮的方法，包括：

由第一材料形成所述压缩机轮的内部部分，其中所述内部部分的外表面具有向外延伸的多个抓握特征，并且所述形成包括铸造和加工中的一种；

将所述压缩机轮的内部部分放置在模具内；

将熔融的第二材料注射到所述模具中，其中所述第二材料接触所述内部部分的外表面；

冷却所述模具的内容物；以及

打开所述模具以释放所述模具的内容物。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一材料的热膨胀系数小于所述第二材料的热膨胀系数。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一材料具有高于所述第二材料的屈服强度。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述抓握特征在第一径向距离处具有大于第二径向距离处的截面面积，并且所述第一径向距离大于所述第二径向距离。

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