CN104220714A - 用于涡轮增压器的锥形凸台式止推轴承 - Google Patents

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Abstract

一种用于汽车涡轮增压器(10)的经油润滑的锥形凸台式止推轴承组件(60)包括一个止推轴承(30)。该止推轴承(30)包括一个基座(62)与至少一个插件(64或66)的组件，该插件被设计成作为一个有目的地顺性的结构而基于施加的力来控制油膜以便在低功率和高功率操作中优化性能。斜面角度在低负荷下是相对大的并且在较高负荷下减小到一个较小斜面角度。在涡轮增压器(10)的一侧上，该止推轴承组件(60)可以与一个抛油环套筒(34)以及在一个互补的轴承壳体盖件(32)内的推力垫圈(24)一起工作。

Description

用于涡轮增压器的锥形凸台式止推轴承
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年4月24日提交的并且题为“用于涡轮增压器的锥形凸台式止推轴承”的美国临时申请号61/637,565的优先权及所有权益。
背景
披露领域
本披露涉及用于内燃发动机的涡轮增压器的一种部件。更确切而言，本披露涉及一种锥形凸台式止推轴承组件，该组件带有多个插件(例如斜坡件或垫片)以用于改变有效几何形状来增大该轴承的最佳工作范围。
相关技术的说明
涡轮增压的优点包括功率输出增大、燃料消耗较低并且污染物排放量减小。发动机的涡轮增压不再是主要从高功率性能的角度出发、而是被视为由于较低的二氧化碳(CO2)排放而降低燃料消耗和环境污染的一种手段。目前，涡轮增压的主要原因是使用排气能量来降低燃料消耗和排放量。在涡轮增压发动机中，燃烧空气在被供应至发动机之前被预压缩。发动机抽吸与自然吸气式发动机相同体积的空气-燃料混合物，但是由于较高的压力并且因此较高的密度，更多空气和燃料质量被供应到燃烧室之中。因此，可以燃烧更多燃料，这样使得发动机的功率输出相对于速度和扫过的体积而言增大。
在排气涡轮增压中，正常情况下可能被浪费的一部分排气能量被用于驱动涡轮机。涡轮增压器返回了正常情况下被浪费的排气能量的一部分到发动机中，从而有助于发动机的效率并节约了燃料。与涡轮机安装在同一个轴上的一个压缩机吸入经过滤的环境空气、将其压缩、并且然后将其供应给该发动机。
涡轮增压器是一种与内燃发动机一起使用的强制进气系统。涡轮增压器将压缩的空气传送至发动机进气从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机而产生与较大的、自然吸气的发动机相同量的马力。在车辆中使用较小发动机具有减小车辆质量并且增强燃料经济性的所希望效果。此外，使用涡轮增压器允许被递送至发动机的燃料的完全燃烧，这有助于实现更清洁环境的这一高度希望的目标。
涡轮增压器典型地包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、连接至发动机的进气歧管上的一个压缩机壳体、以及将该涡轮机壳体和压缩机壳体联接在一起的一个中央轴承壳体。涡轮机壳体内的一个涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。可旋转地支撑在该中央轴承壳体内的一个轴将该涡轮机叶轮连接至该压缩机壳体内的一个压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转造成了该压缩机叶轮的旋转。将该涡轮机叶轮与该压缩机叶轮相连接的轴限定了一条旋转轴线。当压缩机叶轮旋转时，它增大了经由发动机进气歧管被递送至发动机汽缸的空气质量流速、空气流密度和空气压力。
在涡轮增压器的设计中由于其高转速，摩擦最小化系统是常见的。通过一个套管轴承，该轴在一个轴衬或类似物上的一个油膜上转动。对于该涡轮增压器，油供应可以来自发动机油回路。比轴速度更慢地旋转的多个浮动轴承可以位于静止的中央轴承壳体与该旋转的轴之间以减小摩擦。
多个止推轴承支撑着来自这些旋转的叶轮/轮的轴向荷载。关于轴向方向上的力，由于在轴向方向上作用于压缩机轮和涡轮机轮上的这些力具有不同的幅度，该轴与涡轮机叶轮组件会在轴向方向上移位。该轴向止推轴承支撑着这些力。固定在该轴上的多个小圆盘或环可以用作多个运转表面，其间带有一个油膜。该轴向轴承可以固定在该中央轴承壳体内。还可以存在一个油偏转板以防止油进入轴密封区域之中。
因为一个锥形凸台式轴承的所得摩擦对于几何形状、负载、速度和润滑剂是敏感的，因此可以设计此类具有单一/固定几何形状的锥形凸台式轴承以满足窄的工作范围。对于车辆涡轮增压器而言，止推轴承是由一个零件冲压或机加工而成，从而得到单一几何形状。车辆涡轮增压器经历了比大多数涡轮机械大得多的工作范围。因此，通过在大的操作范围上提供最佳性能，一种适应性的可变几何形状止推轴承是有益的。因此，希望的是提供一种具有改进的锥形凸台式止推轴承组件的涡轮增压器。
概述
本披露提供了用于汽车涡轮增压器的经油润滑的锥形凸台式止推轴承组件，该组件包括一个抛油环套筒、推力垫圈、一个互补的轴承壳体盖件、以及一个止推轴承。该止推轴承包括一个具有三个部件的组件：一个基座以及该基座的各侧上的至少一个插件，这些插件被设计成作为一个有目的地顺性的结构来控制油膜。该止推轴承的锥形凸台的几何形状并且因此该油膜的行为进一步由于变化的斜面角度而依赖于所施加的力。变化的斜面角度延伸了在低的轴操作速度与高的轴操作速度(处于增大的轴向承载能力与减小的支承功率消耗的形式)之间的工作范围。
该止推轴承的斜面和凸台得到改进，因为它们可以随着施加的负载进行调整。一个未变形的衬垫表面允许在较低负载性能的过程中(例如在较低轴速度和涡轮功率下)获得较小摩擦。随着力的增大，摩擦在高功率运行的过程中、例如在较高涡轮速度的过程中变得较不重要。较高的负载压在该斜面上，并且斜面(锥体)角度变得更小并且有效凸台面积增加。这允许该轴承产生更大的负载支撑压力，因此延长了该轴承的工作范围。
到该轴承的油流动也是重要的。当轴承流动阻力低时，过度的油流动对于效率是有害的，例如在低速下。对于冷的油而言，摩擦还可以更高。所披露的止推轴承组件有助于控制该油流动的流速和在该系统内的分布两方面。
当该旋转轴的速度增加时，油的流速也增大。该轴承由于增大的速度而产生了更高的压力。不同于现有技术的一件式止推轴承，这些顺性衬垫插件提供了该锥形凸台式止推轴承的可变有效几何形状。
附图简要说明
本披露的优点将是容易了解的，因为这些优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中：
图1是不带有涡轮机壳体和压缩机壳体的一个涡轮增压器的截面侧视图；
图2是图1的截面A的分解视图；
图3是涡轮增压器的压缩机端的一个分解视图；
图4是涡轮增压器的压缩机端从内部观察得到的另一个分解视图；
图5是一个止推轴承的内插件的平面视图；
图6是具有内插件、基座和外插件的一个止推轴承的截面视图；
图7是一个外插件的平面视图；
图8是具有内插件、基座和外插件的一个止推轴承的分解视图；
图9是根据本发明的第二实施例的一个止推轴承的分解透视图；
图10是一个结构示意图，展示了该轴承表面在低负载下的可变形性质；
图11是一个结构示意图，展示了该轴承表面在增大的负载下的可变形性质；
图12是一个结构示意图，展示了该轴承表面在增大的负载和平坦的凸台区域的情况下的可变形性质；
图13示出了带有一个具有三角形基座的止挡件的一个轴承组件部件；
图14示出了带有一个具有矩形基座的止挡件的一个轴承组件部件；
图15示出了带有一个具有圆形基座的止挡件的一个轴承组件部件；并且
图16是根据第三实施例的一个止推轴承的分解透视图。
实施方式的详细说明
参见图1，一个涡轮增压器总体上表示为10。涡轮增压器10可以包括一个压缩机叶轮14、一个轴承壳体16、以及一个涡轮机叶轮组件18。一个轴20可旋转地支撑在该轴承壳体16内并且将该涡轮机叶轮组件18连接至压缩机叶轮14上，从而使得该涡轮机叶轮组件18的旋转造成了该压缩机叶轮14的旋转。可旋转的轴20在轴向方向上延伸并且限定了一条旋转轴线R。一个压缩机叶轮14安装在轴20的一端上并且被容纳在压缩机壳体(未示出)中。一个压缩机螺母22可以将压缩机叶轮14牢固地固持到轴20的远端上。涡轮机叶轮组件18被附接至或安装到轴20的相反一端上并且接受来自一个标准排气歧管(未示出)的排气流。当该压缩机叶轮14旋转时，空气被抽入并且被压缩以便以升高的压力递送至一个发动机进气歧管。如本领域众所周知的，涡轮机叶轮组件18是由从该排气歧管供应的流入排气可旋转地驱动的，该排气使该轴20旋转，由此致使压缩机叶轮14旋转。换言之，压缩机叶轮14是由涡轮机叶轮组件18可旋转地驱动的。在驱动涡轮机叶轮组件18之后，排气被排放。
轴20可以通过多种已知的轴承或套筒(例如，隔离套筒)可旋转地支撑在轴承壳体16中。
轴20可以具有环绕该轴20的一个推力垫圈24，例如与一个静止的止推轴承30合作来应对涡轮增压器10中的轴向负载的一个垫圈或类似装置。轴20还可以穿过一个轴承壳体盖件32和一个抛油环套筒34，它们被定位成与该压缩机叶轮14的后壁相邻。
止推轴承30可以抵靠该轴承壳体盖件32，该轴承壳体盖件可以包含抛油环套筒34的一个部分，如在轴承壳体16的压缩机侧中形成的。该轴承壳体盖件32可以被牢固地密封到轴承壳体16上。该轴承壳体盖件32与抛油环套筒34协作以用于密封来自压缩机叶轮14的油并且用于防止压缩空气泄露至该轴承壳体16中。抛油环套筒34包括与压缩机叶轮14相邻的一个中空柱形端部36。轴20经由抛油环套筒34的端部36中的一个孔38离开该轴承壳体16，该抛油环套筒穿入了该轴承壳体盖件32中的一个盖件孔40。该抛油环套筒34随着该轴20旋转并且端部36被布置在该轴承壳体盖件孔40内。一个环42可以坐于该抛油环套筒34端部36上的一个凹槽内并且在该抛油环套筒34与该轴承壳体盖件32的盖件孔40的内圆周之间形成了一个气体密封件。一个O形环44可以坐于该轴承壳体盖件32的外圆周上的一个凹槽内并且在该轴承壳体盖件32与该轴承壳体16之间形成了一个气体密封件。存在其他密封方法，例如PTV型密封剂、过盈配合、垫片等等。
一个卡扣环46将轴承壳体盖件32邻近于压缩机叶轮14固定在位。该卡扣环46将轴承壳体盖件32和止推轴承30固定到轴承壳体16之内。一个类似装置也可以用一个或多个紧固件、或粘合剂、或卡扣接片等等被附接至该轴承壳体上。
通过该O形环44或卡扣环46(不是油封)可以防止被压缩的空气在压缩机侧进入该轴承壳体16之中。
该抛油环套筒34的相反端部48与该止推轴承构件30的一个孔50相邻。
该抛油环套筒34还包括一个唇缘52，该唇缘具有的圆周大于该中空柱形末端36和远端部48中每一者的圆周。该唇缘52被布置在该轴承壳体盖件32与该止推轴承30之间。该轴承壳体盖件32优选地具有与抛油环套筒34的唇缘52对齐的一个互补唇缘54。油循环穿过该轴承壳体16以提供润滑。
在压缩机侧，抛油环套筒34的唇缘52以及轴承壳体盖件32中的互补唇缘54所包含的油在轴20旋转时可以被转向到一个油通路之中。该轴承壳体盖件32与抛油环套筒34协作以用于防止油被吸入压缩机叶轮14之中并且用于防止压缩空气泄露至该轴承壳体16中。
参见图1至图8，止推轴承30可以是一个用于涡轮增压器10的、经油润滑的锥形凸台式止推轴承组件60。该止推轴承组件60具有三个部件：一个基座62以及一个内插件64和一个外插件66，这些插件被设计成作为一个有目的地顺性的结构来基于施加的力对油膜进行控制。内插件64和外插件66被限制而不能在轴的轴线上相对于基座62进行旋转。单一插件是可能的，此时止推轴承仅支撑一个方向上的负载。该止推轴承组件60的锥形凸台的几何形状并且因此该油膜的行为是依赖于所施加的力的。它通过提高轴向负载能力并降低支承能力而优化了低功率运行速度与高功率运行速度之间并且包括这两点在内的性能。在低负荷下，斜面(锥体)角度是相对大的并且在较高负荷下会改变到具有较小斜面角度的平坦凸台。这种具有变化的有效几何形状的、顺性的挠性凸台可以进一步在给定的涡轮增压器工作范围的情况下改进性能。
该止推轴承组件60的斜面和凸台由于它们可以随着负载进行调整而得到改进。止推轴承组件60优化了高负荷和低负荷下的性能。在低负荷下，平坦凸台面积被减小，并且在高负荷下，平坦凸台面积增大以获得最大负载能力。一个未变形的外表面允许在低负荷性能的过程中、例如在较低速度下每单位轴向力的摩擦更小。在这样的低速度和负荷下，摩擦损失减小。该可变形的斜面区段不具有将其压下的足够轴向力。当这个力增大时，摩擦在高负荷性能的过程中、例如在较高涡轮增压器速度的过程中变得较不重要。较高的负载压在该斜面上，并且角度变得更小。这个顺性的可变形的方面扩展了止推轴承组件60的工作负荷和摩擦范围。
在图1至图8中，内插件64和外插件66的上侧处的外圆周与基座62并且与轴承壳体盖件32的外圆周对齐，并且止推轴承30的底部圆周并不存在以便允许油流动。基座62可以包括多个排油槽。该衬垫偏转件停止在该基座上。
在当前实施例中，内插件64可以具有如在内插件64被安装时所示的一个开口68，这个开口具体用于使得油流动到止推轴承组件60的基座62。应了解的是，取决于涡轮安排，油可以来自任一侧。交替的油流动开口可以存在于基座62或外插件66中。
可以由一个销76来保持基座62和各个插件64和66中对应的一系列对齐的孔洞70、72和74，这个销穿过了这些对齐的孔洞70、72和74。销76还将止推轴承组件60固定到轴承壳体16上，这还将防止止推轴承组件60相对于轴承壳体16旋转。销76可以被固定到轴承壳体16上的孔洞或其他器件中。还可以在该轴承壳体内部使用非圆形的界面几何形状，如果不考虑用销来约束旋转的话。
在当前实施例中，外插件66具有一个接片80，该接片优选地被整合为在其外圆周上的多个片材金属接片，该外圆周与基座62中的一个凹陷82对齐以便将外插件66固定至基座62上。这证明是对生产友好的，但可以利用将插件64和66夹紧或紧固到基座62上的不同手段来形成止推轴承30，例如夹子、粘合剂和其他紧固器件。
参见图9，其中参考号代表了与上文描述的那些相似的元件，止推轴承组件160的第二实施例包括插件164和166，这些插件比基座162的直径小并且因此比轴承壳体盖件32的直径小。而且，示出了用于将插件164和166固定到基座162上的另一个器件。更确切而言，一系列螺钉穿过各个插件164和166并且固定到基座162之中。
图10至12是结构示意图，展示了该轴承表面的可变形性质。在图10中，斜面角度在低负荷下最大，接着图11和12示出了当负荷增大时斜面角度减小。在低负荷下，斜面角度最大并且接着在较高负荷下减小。这些图还示出了图10的低负荷与接着图12所示的高负荷之间的平坦凸台面积变化。斜面角度在低负荷下相对大并且在较高负荷下减小到一个较小的斜面角度；而平坦凸台面积在低负荷下最小并且变化到较高负荷下的一个较大凸台面积。
在图10至12中，右侧的箭头指示了在一个流道90与一个止推轴承基座62之间的油流动。图10的弯曲箭头示出了在插件64的末端94上相对于基座62和止挡件92的一个力。处于示意性目的，止挡件92是宽泛描述的。图11和12的竖直箭头示出了力，并且图12示出了插件64的可变形末端94相对于止挡件92的顺性。示出了邻近于被固定到基座62上的止挡件92的一个止推轴承插件末端96。
图13至15示出了不同的止挡件几何形状和不同数量的止挡件92。图13示出了六个带有三角形基座的止挡件92。图14示出了六个带有矩形基座的止挡件92。图15示出了五个带有可以为拱形的圆形基座的止挡件92。当这些衬垫(例如插件64)向下偏转(在负载下)时，此类止挡件92决定了衬垫高度和形状。
图16示出了根据另一个实施例的止推轴承260的分解透视图。基座262增加了一个孔口278来控制从一侧到另一侧的油流动。孔口278可以用于到非供应侧的流动控制。这个实施例不具有邻近于基座262中的孔的一个贯通槽。进一步，衬垫止挡件284被显示为是更加矩形的，因为它不需要是扇形或“馅饼”形状的。为了示出本披露的变化，弯折线286被显示为不是径向的或者会聚到这个孔的中心的。如沿着该轴线所示，斜面、凹槽和止挡件的形状可以在本披露的范围内变化。
在此以展示性的方式描述了本发明，并且应理解的是，所使用的术语旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于以上的传授内容，本发明的许多修改和变体都是可能的。因此应理解的是，在所附权利要求书的范围内，可以按照与在本说明内具体列举的不同方式来实践本发明。

Claims (15)

1.一种用于涡轮增压器(10)的经油润滑的锥形凸台式止推轴承组件(60)，该涡轮增压器具有通过一个旋转轴(20)相连接的一个压缩机叶轮(14)和一个涡轮机叶轮(18)，该旋转轴穿过一个轴承壳体(16)，该锥形凸台式止推轴承组件(60)包括：
一个止推轴承(30)，该止推轴承具有一个基座(62)、一个内插件(64)和一个外插件(66)，这些插件(64，66)是顺性的以基于施加的力来控制油膜，其中该旋转轴(20)穿过在该止推轴承(30)中的一个孔(50)。
2.如权利要求1所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中至少一个插件(64或66)包括用于油流动的一个开口(68)。
3.如权利要求1所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中一个斜面角度在低负荷下是相对大的并且在较高负荷下减小到一个较小斜面角度。
4.如权利要求1所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，进一步包括具有一个盖件孔(40)的一个轴承壳体盖件(32)以及具有一个中空柱形末端(36)的一个抛油环套筒(34)，该轴承壳体盖件(32)被固定在该轴承壳体(16)中，该中空柱形末端配合在该盖件孔(40)内，其中该旋转轴(20)穿过了该抛油环套筒(34)中的该中空柱形末端(36)。
5.如权利要求4所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，进一步包括一个卡扣环(46)，该卡扣环将该轴承壳体盖件(32)和止推轴承(30)固定到该轴承壳体(16)之中。
6.如权利要求5所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中该轴承壳体盖件(32)包括围绕该轴承壳体盖件(32)的外圆周的一个O形环(44)。
7.如权利要求6所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中该轴承壳体盖件(32)与该O形环(44)和该卡扣环(46)防止了气体进入该轴承壳体(16)之中。
8.如权利要求1所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中该基座(62)、该内插件(64)和该外插件(66)各自包括彼此对齐的一个孔(72，74)，该轴承组件(60)进一步包括一个销(76)，该销穿过这些对齐的孔(72，74)以防止该止推轴承(30)相对于该轴承壳体(16)旋转，其中该销(76)被固定到该轴承壳体(16)上。
9.如权利要求1所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中该止推轴承(30)的锥形凸台的几何形状取决于施加的力而在低负荷和高负荷下优化性能，其中在低负荷下，斜面角度是大的并且在较高负荷下改变至一个较小的斜面角度。
10.如权利要求4所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中在该内插件(64)和该外插件(66)的上侧处的外圆周与该轴承壳体盖件(32)的外圆周对齐。
11.如权利要求1所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中该内插件(64)和该外插件(66)被紧固至该基座(62)的各侧上。
12.如权利要求11所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中这些插件(64或66)之一在其外圆周上具有固定至该基座(62)中的一个对应凹陷(82)上的一个接片(80)。
13.如权利要求4所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，其中该抛油环套筒(34)包括一个唇缘(52)，该唇缘具有的圆周比该中空柱形末端(36)的圆周更大，并且该轴承壳体盖件(32)包括一个互补唇缘(54)，该互补唇缘与该抛油环套筒(34)的唇缘(52)对齐。
14.如权利要求1所述的锥形凸台式止推轴承组件(60)，进一步包括一个推力垫圈(24)，该推力垫圈环绕该旋转轴(20)并且与该内插件(64)相邻。
15.一种用于涡轮增压器(10)的经油润滑的锥形凸台式止推轴承组件(60)，该涡轮增压器具有通过一个旋转轴(20)相连接的一个压缩机叶轮(14)和一个涡轮机叶轮(18)，该旋转轴穿过了一个轴承壳体(16)，该锥形凸台式止推轴承组件(60)包括：
一个轴承壳体盖件(32)，该轴承壳体盖件具有一个盖件孔(40)和一个唇缘(54)，该唇缘具有比该盖件孔(40)更大的圆周，该轴承壳体盖件(32)被固定在该轴承壳体(16)内；
一个抛油环套筒(34)，该抛油环套筒具有的一个末端配合在该盖件孔(40)内，该抛油环套筒(34)包括一个互补唇缘(52)，该互补唇缘与该轴承壳体(16)的唇缘(54)对齐；以及
一个止推轴承(30)，该止推轴承具有一个基座(62)、带有用于油流动的一个开口(68)的一个内插件(64)、以及一个外插件(66)，这些插件(64，66)是顺性的以基于施加的力来控制油膜，该内插件(64)和该外插件(66)被紧固在该基座(62)的各侧上，
其中该止推轴承(30)的锥形凸台的几何形状基于施加的力是顺性的以便在低负荷和高负荷下优化性能，其中在低负荷下，斜面角度是最大的并且在较高负荷下减小。
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