CN103174467A - 连接器 - Google Patents

Abstract

提供了用于将叶轮连接到轴的连接器。连接器形成为整体式主体。连接器具有被摩擦地连接在所述叶轮的轴侧轮毂延伸部的径向外表面上的套筒部。连接器还具有带有螺纹的螺纹部，该螺纹部被旋拧到轴的相应的螺纹部上，使得所述连接器在所述叶轮和所述轴之间提供旋转的固定连接。轮毂延伸部具有中央凹处，且连接器的一部分被插入所述凹处中。在使用中，在套筒部和轮毂延伸部的径向外表面之间的摩擦连接传递所述轴和所述叶轮之间的大致全部转矩。

Description

连接器

技术领域

本发明涉及一种连接器，所述连接器用于将叶轮（impeller）连接到轴，并且具体地但不排他地用于将涡轮增压器的叶轮连接到涡轮增压器的轴。

背景技术

涡轮增压器的叶轮通常由铝合金制成，以在商业可接受成本下提供具有适当的强度的低的转动惯量。叶轮到钢制涡轮增压器的轴的附接通过多种方式实现。例如，由于铝的相对柔弱以及轴的小直径，一种选择是为叶轮设置钢制嵌件，所述嵌件包含能够被螺旋到轴上的螺纹插口。这种布置能够比轴直接螺旋进入铝制主体的连接承受更高的转矩（转矩与通过接头（joint）传递的力量（power）成比例，因此叶轮能够在比直接螺纹连接的情形中的压力比更高的压力比下使用）。

通常，这种嵌件通过冷缩配合被装配到叶轮中；叶轮的铝制主体被加热以使要接收钢制嵌件的孔扩展，同时嵌件在被插入所述孔中之前被冷却，例如用液氮冷却。形成的过盈连接（interference connection）受到在铝的材料特性被影响之前铝能够被加热到的温度的限制，和钢能够被冷却到的温度的限制。

虽然所述的布置能够令人满意地执行，但在涡轮增压器从静止到满载的循环期间会出现问题。随着涡轮增压器开始旋转，接头受到离心力作用，由此铝背离钢制嵌件向外伸展。这降低了嵌件和叶轮之间的过盈力，并且由于设计的约束条件，已经发现该降低趋于在嵌件的一端处比在另一端处大。由此，嵌件在其端部之一处比在另一端部处被更牢固地夹持。然后涡轮增压器开始加热，并且由于铝合金和钢的不同热膨胀系数，铝比钢更大程度地轴向伸展，从而导致两种金属在叶轮仍牢固地夹持嵌件的位置之外的位置处彼此滑过。在停机时，离心应力消除，但热应力随涡轮增压器的冷却仍留存若干分钟。在该过程中，叶轮在嵌件上的夹持点从一端变化到另一端，并且随着涡轮增压器冷却，嵌件沿着叶轮“行走”。

在某些特有的周期性的条件（例如，高环境温度下的快速往复应用）下，已观察到嵌件能够沿着叶轮移动很远以使得可能发生涡轮增压器故障。虽然通过增大部件之间的起始过盈能够将该影响减轻至某种程度，但由于上述原因，该方案受到限制，并且因此期望实现一种设计，该设计确保在工作循环期间夹持点保持在同一位置处，而不是从嵌件的一端移位到另一端。

因此，EP 1394387提出了一种外部钢制约束环，所述约束环加强了在铝制叶轮和嵌件之间的摩擦接触。由于随着涡轮增压器加热所述环并不如所述叶轮主体一样程度地扩展，叶轮和嵌件之间的夹持点在涡轮增压器的整个工作循环期间保持在环的轴向范围内，由此阻止了叶轮沿着嵌件“行走”的趋势。因此，与无约束环的常规涡轮增压器相比，涡轮增压器的使用寿命能够明显地增大。

然而，这种方案涉及到钢和铝之间的两个过盈配合接头。这些接头复杂且涉及若干紧固容许的（toleranced）部件，以及对于所述接头在工作期间将经受到的离心负荷和热负荷的详细知识。

发明内容

将期望提供一种在叶轮和轴之间的更简单的连接，而该连接又能够传输高转矩且能够阻止或降低任何叶轮“行走”的趋势。

因此，在第一方面中，本发明提供了用于将叶轮连接到轴的连接器，具体地用于将涡轮增压器的叶轮连接到涡轮增压器的轴，其中所述连接器形成为整体式（unitary）主体且具有：

套筒部，所述套筒部被摩擦地连接在所述叶轮的轴侧轮毂延伸部的径向外表面上，和

带有螺纹的螺纹部，所述螺纹部被旋拧到所述轴的相应的螺纹部上，使得所述连接器在所述叶轮和所述轴之间提供旋转的固定连接。

有利地，通过将连接器形成为整体式主体，叶轮和轴之间的连接能够被极大地简化，例如具有更少的高精度分界面。另外，上述连接器一般由强度大于叶轮材料的强度且热膨胀系数低于叶轮材料的热膨胀系数的材料形成。由此在工作期间，随着叶轮组件（assembly）加热，轮毂延伸部比套筒部更大程度地伸展，由此轮毂延伸部和套筒之间的接头紧固，从而降低了任何叶轮“行走”的趋势且增大了接头的最大转矩（torque capacity）。可选地，由于接头的这种紧固，将连接器装配到叶轮所需的过盈度能够被降低，同时保持接头的“行走”抗力和最大转矩。另外，由于连接器通常不需要通过冷缩配合摩擦地连接到轮毂延伸部的嵌件，能够避免装配时对叶轮的加热，由此叶轮的材料特性不会由于组装期间的加速老化而退化。

本发明的第二方面提供了一种具有轴侧轮毂延伸部并且装配有根据所述第一方面的连接器的叶轮，所述连接器的套筒部被摩擦地连接在所述轮毂延伸部的径向外表面上。

本发明的第三方面提供了所述第二方面的装配有连接器的叶轮，所述叶轮被连接到具有相应的螺纹部的轴，所述连接器的螺纹部的螺纹旋拧到所述轴的相应的螺纹部上。

本发明的第四方面提供了具有所述第三方面的连接的叶轮和轴的涡轮增压器。

现在将提出本发明的可选特征。这些特征能够单独应用或者与本发明的任何方面任意组合应用。

所述连接器的套筒部可以是近似圆柱形形状。所述叶轮的轴侧轮毂延伸部的外表面可以是相应的近似圆柱形。

所述套筒部和所述轮毂延伸部之间的摩擦连接例如可通过压入配合或冷缩配合实现。

为提供旋转的固定连接，所述螺纹可以是阳性锁定的（positive-locking），例如是锥形的（tapered）。然而，另一种选择是所述连接器具有邻接（abutment）表面，当所述螺纹部被旋拧在一起时，所述邻接表面与所述轴的相应邻接表面接合，从而紧固所述螺纹以提供旋转的固定连接。

所述连接器可以构造成仅在所述轮毂延伸部的径向外表面上接触所述叶轮。

可选地，所述轮毂延伸部可具有端面，并且所述连接器可具有倚靠（bear against）所述端面的邻接部。在这种情况中，所述连接器可以构造成仅在所述轮毂延伸部的径向外表面和所述轮毂延伸部的所述端面上接触所述叶轮。优选地，所述端面位于轮毂延伸部的径向外侧和叶轮端部处，使得能够通过测量在端面和邻接部之间打开的任意间隙而容易地监测叶轮的“行走”。

优选地，在使用中，所述套筒部和所述轮毂延伸部的径向外表面之间的摩擦连接传递所述轴和所述叶轮之间的大致全部转矩。

所述轮毂延伸部可具有中央凹处，并且所述连接器的一部分可以被插入到所述凹处中。然而，可以在所述连接器的所述部分和所述凹处的侧表面之间设置余隙。由此，连接器可以不接触所述凹处的侧表面，即如果所述连接器既然接触凹处的表面，则其可以仅接触凹处的端面。通常，叶轮并不具有从其一侧延伸到另一侧的通孔，由此，中央凹处通常是盲孔（具有端面），所述孔朝向所述轮毂延伸部的轴侧端面开放。

当所述轮毂延伸部具有中央凹处时，所述连接器的被插入所述凹处的部分可包括所述连接器的螺纹部。通过这种方式，能够实现轴向的紧凑布置。

所述连接器的所述螺纹能够径向朝外。例如，所述连接器的所述螺纹部能够形成为与所述轴共轴的大致圆柱形的凸台（boss），并且所述螺纹能够形成在所述凸台的径向外表面上。

可选地，所述连接器的所述螺纹能够径向朝内。例如，所述螺纹部能够被包括在所述连接器的被插入所述凹处的部分中。

连接器可以由诸如钢并且优选地高强度钢的材料形成，所述材料具有比叶轮的材料（通常为金属且更通常地为铝合金）大的强度且具有比叶轮的材料低的热膨胀系数。

所述套筒部能够延伸过所述轮毂延伸部的轴向长度的至少50%，并且优选地至少80%。更优选地所述套筒部能够延伸过所述轮毂延伸部的大致整个轴向长度。

所述套筒部和所述轮毂延伸部之间的摩擦接触能够延伸过所述套筒部和所述轮毂延伸部之间的重叠区域的轴向长度的至少25%，优选地延伸过所述重叠区域的轴向长度的至少30%或50%，并且更优选地延伸过所述重叠区域的整个轴向长度。

所述连接器和/或所述叶轮可具有一个或多个定中心部，所述定中心部具有各自的与所述轴的一个或多个相应的定中心部接合的接合表面，所述连接器的螺纹部和所述连接器和/或所述叶轮的定中心部沿着所述叶轮的轴线分布。所述连接器的螺纹表面和所述连接器和/或所述叶轮的接合表面能够径向朝内，且所述螺纹和接合表面各自的直径于是能够朝向所述叶轮减小。可选地，所述连接器的螺纹和接合表面能够径向朝外，且所述螺纹和所述接合表面各自的直径于是能够朝向所述叶轮增大。

一般地，所述叶轮具有外壳，并且所述套筒部能够因此与所述外壳的一区段形成密封。例如，该密封可包括密封环，所述密封环可以由所述外壳区段携带（carry）并且可以由形成在套筒部的外表面的相应的环形（circumferential）凹处容纳。所述密封环可在其径向内表面上具有一个或多个环形槽，并且所述凹处可具有相应的容纳在所述槽中的环形肋（rib）。另一种选择是所述密封包括迷宫式密封，具有面向所述区段部分的表面的构造并且所述套筒部形成所述迷宫。

所述套筒部可以形成有或携带有位于其径向外表面处的环形抛油器构造。

本发明的进一步的可选特征在下面陈述。

附图说明

现在参考附图通过举例的方式说明本发明的实施方式，其中:

图1是通过根据本发明的一个实施方式的连接器连接到轴的涡轮增压器的叶轮的立剖面图；

图2是图1中的叶轮的外壳的一区段和连接器的套筒部之间的密封的特写（close-up）示意图；

图3示出了连接器的另一实施方式的示意性立剖面图；

图4示出了连接器的另一实施方式的示意性立剖面图；

图5是叶轮的外壳的一区段和连接器的另一实施方式的套筒部之间的密封的特写示意图；

图6示出了连接器的另一实施方式的示意性立剖面图；和

图7示出了连接器的另一实施方式的示意性立剖面图。

具体实施方式

首先参考图1，铝合金叶轮1通过钢制连接器被装配到钢制涡轮增压器的轴2上。制造该叶轮的合金（在USA已知为名称“2618A”）具有在直到约200℃的温度下使用的相对高的强度，具有铝与约2.5wt.%的铜以及少量镁、铁和镍的组分。连接器可以由诸如EN26的高强度钢制成，高强度钢的组分中包括约2.5wt.%的镍，并且连接器被定位在叶轮1的主体的轮毂延伸部H处。

轴2在其端部处形成有环绕圆柱形的定中心部5的第一肩部4，和从所述定中心部的端部延伸的具有进一步减小的直径的螺旋螺纹部7。钢制连接器具有类似杯状的插入到形成在轮毂延伸部H中的中央凹处中的插入部3，和围绕轮毂延伸部H的圆柱形的套筒部14。位于套筒部14的叶轮侧端部处的邻接部21抵靠（against）接合轮毂延伸部H的叶轮侧端面22，以确定套筒部14和轮毂延伸部H的相对轴向位置。插入部3的口部周围的唇部8将套筒部14和插入部3连接。唇部8距轮毂延伸部H的轴侧端面9具有小的余隙（clearance），但在其另一侧上通过肩部4接合到轴2上。轴的定中心部5被通过以闭合而不紧密的装配容纳在插入部3的相应的定中心部10中。插入部3的端部形成具有螺纹孔11的螺纹部12，螺纹部12其接合在轴的螺旋螺纹部7上。螺纹部12距凹处的端部具有的小的余隙。

套筒部14以如下方式装配到轮毂延伸部：加热连接器使套筒部14扩张，然后将套筒部14滑动到轮毂延伸部H的圆柱形外表面，通过冷却套筒部14摩擦夹持该圆柱形外表面。套筒部14延伸过轮毂延伸部H的轴向长度的大部分且由此摩擦地接触该轮毂延伸部H的轴向长度的大部分，尽管在其它实施方式中，套筒部14能够仅延伸过所述轴向长度的一部分，和/或摩擦接触能够在套筒部14和轮毂延伸部H之间仅延伸过套筒部14和轮毂延伸部H之间的重叠区域的一部分。应当指出，连接器的钢具有比叶轮的铝合金低的热膨胀系数，因此套筒部14在温度升高时并不如轮毂延伸部H扩展的一样多。它们各自的膨胀系数的差异确保了在工作期间，随着叶轮组件加热，轮毂延伸部和套筒之间的接头变紧，降低了在离心应力和热应力影响下叶轮和连接器之间任何相对移动的趋势，并且增大了接头的最大转矩。

在其轴侧端部处，套筒部14的外径设置有捕油/抛油环R，捕油/抛油环R在本发明的这个实施方式中被机器加工到套筒部14中。然而，另一选择是将捕油/抛油环R形成为单独部件。

如图2中较好地示出的，叶轮壳体的一区段15和套筒部14的外表面紧密接近以协助在叶轮1和外壳之间提供旋转油和压力密封。为改进该密封，套筒部14在其外表面处具有凹处13，凹处13容纳由外壳区段15所携带的密封环16。为降低密封环16和套筒部14之间的磨耗，外壳区段15在密封环16的轴侧（图1中的右方）上具有小的邻接表面20，并且密封环16停留抵靠在该邻接表面20。为提供增强的密封，密封环16在其径向内表面上具有环形槽18，并且凹处具有相应的容纳在该槽中的环形肋17，如EP A1130220中所述。然而，可选地，密封环能够是容纳在平面凹处（即，无肋）中的平面环（即，无凹槽）。密封环16与外壳区段15协作，并且用以保持到组件的轴侧的润滑油且保持到组件的叶轮侧（图1中的左方）的压缩空气。压缩空气包含在叶轮1的主体、带有其密封环16的套筒部14和叶轮外壳之间，叶轮组件安装在叶轮外壳中用于在悬吊轴承（未示出）上旋转。

叶轮组件按照如下方式构建成。连接器被升温，套筒部14被滑动到轮毂延伸部H的圆柱形外表面上直到邻接部21接触轮毂延伸部H的端面22。连接器的插入部3插入轮毂延伸部H的中央凹处中。由此当连接器冷却时，在套筒部14和轮毂延伸部H之间形成摩擦连接。然而，连接器的尺寸被定为使得余隙C阻止插入部3接触中央凹处的侧面。然后，轴2的螺旋螺纹部7被旋拧到连接器的螺纹部12上。各自的定中心部5、10确保轴与叶轮的轴线对准。旋拧螺纹直到唇部8和肩部4的相对的表面开始邻接，这使得螺纹紧固并且提供了叶轮1和轴2之间的旋转固定连接。

有利地，连接器是整体式主体，仅要求一个与叶轮1的过盈配合。这减少了高容限（tolerance）形成操作的数量，并且简化了连接器到叶轮1的连接过程。另外，在工作中，因为当接头温度上升时过盈程度增大，因此能够降低构建时所需的过盈程度，同时仍保持“行走”阻力和接头的最大转矩。另外，通过将连接器和轴2之间的螺纹连接包含在轮毂延伸部H的中央凹处中，实现了轴向的紧凑布置。在使用中，套筒部14和轮毂延伸部H的径向外表面之间的摩擦连接传递轴2和叶轮1之间的大致全部转矩。

有利地，当存在叶轮1“行走”的任何趋势时，能够通过测量会在邻接部21和端面22之间打开的间隙的大小来对此进行监测。由于这个原因，优选地邻接部21和端面22确定套筒部14和轮毂延伸部H的相对轴向位置。能够构造成彼此邻接且由此确定所述相对轴向位置的替代的一对面向特征（诸如，唇部8和端面9，或者螺纹部12和凹处的端部）不易于被检查到。

图3示出了连接器的另外的实施方式的示意性立剖面图。在本实施方式中，在叶轮1的轮毂延伸部H中不存在中央凹处。当然，也不存在连接器的插入部。而是连接器的螺纹部12位于唇部8的径向内端处。连接器的定中心部10又形成在套筒部14的径向内侧上和轴侧端部处。这使得易于制造套筒部14的紧固容许的过盈表面，但形成了轴向更长的布置。

图4示出了连接器的另外的实施方式的示意性立剖面图。在本实施方式中，连接器的螺纹部12’形成为圆柱形凸台，凸台被装配于形成在轴2中的圆柱形凹处内。螺纹部12’在凸台的径向外表面上携带其螺纹，而轴2的相应的螺纹部7’形成在圆柱形凹处周围且螺旋在径向朝内的表面上。

图5是叶轮的外壳的一区段和连接器的另一实施方式的套筒部之间的密封的特写示意图。在这种情况中，代替由密封环形成的密封，套筒部14和外壳区段15具有接合表面19，接合表面19携带有各自成组的机器加工的凹槽，所述凹槽互锁以形成迷宫式密封。

图6示出了连接器的另一实施方式的示意性立剖面图。该实施方式类似于第一实施方式，差异在于轴2具有两个定中心部5a、5b，并且连接器具有两个相应的定中心部10a、10b。轴2和连接器的螺纹部7、12轴向定位在定中心部的接合对之间，使得在轴和连接器的每个上，螺纹部和定中心部的各自的直径朝着叶轮减小。相对于第一实施方式的另一差异在于螺纹是锥形的，使得仅将螺纹部7、12旋拧在一起就可形成叶轮1和轴2之间的旋转固定连接。

图7示出了连接器的另一实施方式的示意性立剖面图。该实施方式类似于图6中的实施方式，差异在于与轴定中心部5b接合的叶轮侧定中心部10b’由叶轮而不是由连接器形成。

虽然已经结合上述的示例性实施方式描述了本发明，但基于本公开，许多等效的修改和变型对于本领域技术人员将是清楚的。因此，以上阐述的本发明示例性实施方式被认为是说明性的而非限制性的。可在不偏离本发明的精神和范围的前提下对所述实施方式作出各种改变。

以上所提及的全部参考资料通过引用合并于此。

Claims (22)

1.一种用于将叶轮（1）连接到轴（2）的连接器，其特征在于，所述连接器被形成为整体式主体，具有：

套筒部（14），所述套筒部被摩擦地连接在所述叶轮的轴侧轮毂延伸部（H）的径向外表面上，和

带有螺纹的螺纹部（12），所述螺纹部被旋拧到所述轴的相应的螺纹部（7）上，使得所述连接器在所述叶轮和所述轴之间提供旋转的固定连接；并且

其中：

所述轮毂延伸部具有中央凹处，并且所述连接器的一部分（3）被插入到所述凹处内；并且

在使用中，所述套筒部和所述轮毂延伸部的所述径向外表面之间的摩擦连接传递所述轴和所述叶轮之间的大致全部转矩。

2.根据权利要求1所述的连接器，其特征在于，所述连接器被构造成仅在所述轮毂延伸部的所述径向外表面上接触所述叶轮。

3.根据权利要求1所述的连接器，其特征在于，所述轮毂延伸部具有端面（22），并且所述连接器具有倚靠所述端面的邻接部（21）。

4.根据权利要求3所述的连接器，其特征在于，所述连接器被构造成仅在所述轮毂延伸部的所述径向外表面上和所述轮毂延伸部的所述端面上接触所述叶轮。

5.根据权利要求3或4所述的连接器，其特征在于，所述端面位于所述轮毂延伸部的径向外侧和所述轮毂延伸部的叶轮端部处。

6.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述连接器插入所述凹处中的部分包括所述连接器的螺纹部。

7.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，在所述连接器插入所述凹处中的部分和所述凹处的侧表面之间设置有余隙。

8.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述连接器由强度大于所述叶轮的材料的强度并且热膨胀系数低于所述叶轮的材料的热膨胀系数的材料形成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述套筒部延伸过所述轮毂延伸部的轴向长度的至少50%或80%。

10.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述套筒部延伸过所述轮毂延伸部的大致全部轴向长度。

11.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述连接器和/或所述叶轮具有一个或多个定中心部（10、10a、10b；10a、10b'），所述定中心部具有各自的与所述轴的一个或多个相应的定中心部（5、5a、5b）相接合的接合表面，所述连接器的所述螺纹部和所述连接器和/或所述叶轮的所述定中心部沿着所述叶轮的轴线分布。

12.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述叶轮具有外壳并且所述套筒部与所述外壳的区段（15）形成密封。

13.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述套筒部在其径向外表面处形成有或携带有环形抛油器构造（R）。

14.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述连接器的所述套筒部为近似圆柱形形状，并且所述叶轮的轴侧轮毂延伸部的外表面为相应的近似圆柱形。

15.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述连接器具有邻接表面，当所述螺纹部被旋拧在一起时，所述邻接表面与所述轴的相应的邻接表面接合，从而紧固所述螺纹以提供所述旋转的固定连接。

16.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其特征在于，所述连接器由钢形成。

17.一种叶轮，其特征在于，所述叶轮具有轴侧轮毂延伸部并且装配有根据前述权利要求中任一项所述的连接器，所述连接器的所述套筒部被摩擦地连接在所述轮毂延伸部的径向外表面上。

18.根据权利要求17所述的装配有连接器的叶轮，其特征在于，所述叶轮是金属叶轮。

19.根据权利要求17所述的装配有连接器的叶轮，其特征在于，所述叶轮是铝合金叶轮。

20.根据权利要求17至19任一项所述的装配有连接器的叶轮，其特征在于，所述中央凹处是盲孔。

21.根据权利要求17至20任一项所述的装配有连接器的叶轮，其特征在于，所述叶轮被连接到具有相应的螺纹部的轴，所述连接器的螺纹部的螺纹被旋拧到所述轴的相应的螺纹部上。

22.一种涡轮增压器，其特征在于，具有权利要求21所述的被连接的叶轮和轴。

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