CN104246171B - 用于带有内部电动机的涡轮增压器的轴承系统 - Google Patents

用于带有内部电动机的涡轮增压器的轴承系统 Download PDF

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Abstract

一种涡轮增压器轴承系统包括一个轴(211)，该轴包括至少一个台肩(A2)，一个转子(212)被设置在该轴(211)上。第一轴承套管和第二轴承套管(254)在该轴(211)上被设置在转子(212)的相反末端处。每个轴承套管(254)都包括一个套环(213)和一个轴颈部分(225)。在各轴颈部分上(225)设置了一个轴颈轴承(249)，并且第一轴承套管(254)的轴颈部分(225)邻接轴(211)的台肩(A2)。在此描述的技术的某些方面中，这些轴承套管(254)可以被定向在相反的方向上。这些轴承套管(254)所在的位置处该轴(211)有相同的直径。相应地，这些轴承套管(254)可以是可互换的，这些轴颈轴承(249)也是如此。

Description

用于带有内部电动机的涡轮增压器的轴承系统
背景
涡轮增压器是一种强制进气系统。涡轮增压器以与在正常吸气构型中将有可能的情况相比更大的密度传送空气。空气密度越大就允许燃烧的燃料越多，因此就增加了发动机的马力而不会明显地增加发动机的重量。一个更小的涡轮增压发动机取代一个更大物理尺寸的正常吸气的发动机，这将减小发动机的质量并且可以减小车辆的空气动力学的前部面积。
参见图1，涡轮增压器利用来自发动机排气歧管的排气流来驱动一个涡轮机叶轮10。由该涡轮机叶轮提取的能量被转换成旋转运动，该旋转运动然后驱动一个压缩机叶轮20。该压缩机叶轮抽取空气进入涡轮增压器、压缩这些空气并且将该空气输送到该发动机的进气侧。旋转组件是由一个轴承系统来支持的。一些轴承系统由多个套管式液体动压轴承构成的，而一些则是由滚动元件式轴承构成的。
当到达涡轮增压器的排气的质量流改变时，旋转速度改变(从针对大涡轮增压器的80,000RPM至针对较小涡轮增压器的250,000RPM)。影响旋转组件从一种平衡状况改变到另一种平衡状况的时间的一些参数是，例如：该旋转组件的惯量、轴承系统的摩擦损失、以及叶轮的空气动力学效率。
电辅助涡轮增压器可以使用由一个外源供应的功率或者直接由发动机产生的功率。将电动机装配到涡轮增压器中所面临的挑战是不小的。大多数电辅助系统具有到达旋转组件的(相对)冷的压缩机端的连接或者是被装配在这些叶轮之间。例如，美国专利号6,845,617传授了一种在轴承系统的外侧装配到涡轮增压器的压缩机端上的电动机。
在图1和图2中描绘出的实例中，一个电动机在一个分裂式涡轮增压器轴承壳体中被设置在这些轴颈轴承之间。该轴承壳体被分裂成一个带有凸缘91的上部部分89和一个带有凸缘92的下部部分90。当这两个凸缘(91，92)被机械地夹在一起时，该组件的作用相当于一个一体的涡轮增压器轴承壳体。一个叠层转子12被机械地安装到该涡轮增压器的轴11上，这样使得该转子与该轴和这些叶轮围绕涡轮增压器的轴线1旋转，从而变成该涡轮增压器的旋转组件的一部分。带有提供驱动上述转子12的磁力的多个功率绕组42的一个叠层定子40是与该转子同心地安装的。
针对这些轴颈轴承的内部油膜所产生于其上的轴表面的表面光洁度和精度可以具有例如Rz4的表面光洁度外加0.005mm的圆柱度要求。对应地支撑这些轴颈轴承(49C，49T)的表面(24，25)的表面光洁度是足够的精细以致于它们不能容忍由按压转子12而在这些表面上产生的划痕或凹槽。为了防止在套环和转子叠层被组装到轴11上时损坏这些轴颈轴承表面，该轴的不同部分的直径是向下成阶梯状朝向该轴的压缩机端的，该压缩机端零件组装到该轴上所经过的该轴的末端。
如图2中所描绘的，一个环凸台15对活塞环5进行定位，该活塞环提供了在涡轮机级中的排气与轴承壳体内的油和空气之间的密封。涡轮机端轴颈轴承49T被设置成围绕轴颈25。涡轮机端电动机套环13T被紧固到(即按压到)直径26上。轴颈25在一侧受到台肩A的约束，该台肩被定位在环凸台15与轴颈25之间。在另一端，轴颈25被台阶B限定，该台阶被定位在轴颈25与直径26之间。每次沿该轴过渡到一个不同的直径都被称作一个台阶。每个台阶都与部件可以定位抵靠的一个台肩相关联。
转子12沿直径27被紧固到该轴上。台阶C标记了直径26与直径27之间的过渡。压缩机端套环13C也是紧固到直径27上的。压缩机端轴颈轴承49C被设置成围绕轴颈24。台阶D标记直径27与轴颈24之间的过渡。台阶S标记轴颈24与短轴16之间的过渡。朝向电动机转子的方向抵靠台肩S的轴向约束是由压缩机螺母17作用在压缩机叶轮20、抛油环53以及推力垫圈52上的夹紧负荷来提供的。
当以上描述的多个直径提供了针对该轴的不同部分的非常精确且精细的表面光洁度的保护时，压缩机端轴颈轴承49C和电动机套环13C的内直径比在电动机转子12的涡轮机侧的那些零件(49T，13T)更小(并且因此是不同的)。这种不同意味着每个涡轮增压器零件数量增多并且这些轴颈轴承和电动机套环存在不正确组装的可能性。它还意味着这些轴颈轴承能够以不同的速度运转，因为涡轮机端与压缩机端的速度限定特征(内直径、内直径与外直径的比，等等)是不同的。在这种情况下，压缩机端轴颈轴承将以与涡轮机端轴颈轴承相比一个更低的速度运转。
相应地，对一种用于电辅助涡轮增压器的、提供希望的轴承表面光洁度并同时使与现有技术相关联的复杂度和零件数量最小化的轴承系统存在一种需求。
概述
在此提供了一种涡轮增压器轴承系统，该轴承系统包括包含至少一个台肩的一个轴以及设置在该轴上的一个轴承套管。该轴承套管包括一个轴颈部分，带有从其延伸的一个套环。一个轴颈轴承被设置在该轴颈部分上，并且该轴颈部分抵靠该轴的台肩。在一个实施例中，该轴承系统包括两个轴承套管以及设置在各轴承套管上的一个相对应的轴颈轴承。
在此描述的技术的某些方面中，这些轴承套管可以被定向在相反的方向上。相应地，这些轴承套管所在的位置处该轴具有相同的直径。相应地，这些轴承套管可以是可互换的，这些轴颈轴承也是如此。在本技术的另一个方面中，一个电动机转子被设置在这两个轴承套管之间、并且可以被夹紧在这两个轴承套管之间。
在一个实施例中，一个涡轮增压器轴承系统包括包含至少一个台肩的一个轴，一个转子设置在该轴上。第一轴承套管和第二轴承套管在该轴上被设置在该转子的相反末端处。每个轴承套管都包括一个套环和一个轴颈部分。在各轴颈部分上设置了一个轴颈轴承，并且该第一轴承套管的轴颈部分抵靠该台肩。
在此还想到结合有这个所披露的轴承壳体的一种涡轮增压器。该涡轮增压器包括被设置在一个轴的相反末端上的一个压缩机叶轮和一个涡轮机叶轮，其中一个壳体支撑该轴。一个定子被设置在该壳体中，并且一个相对应的转子被设置在该轴上。第一轴承套管和第二轴承套管在该轴上被设置在该转子的相反末端处，其中每个轴承套管都包括一个套环以及从其延伸的一个轴颈部分。在各轴颈部分上设置了一个轴颈轴承。
在考虑本文中的详细说明部分和附图部分之后该轴承系统和结合有该轴承系统的涡轮增压器的这些方面和其他方面将变得清楚。然而，应当理解的是，本发明的范围应当由所发布的权利要求书来确定而不是由所给出的主题是否解决该背景部分中指出的任何或所有问题或者包括在此概述中引用的任何特征或方面来确定。
附图的简要说明
轴承系统的包括该优选实施例的非限制性和非穷尽的实施例是通过参照以下附图来说明的，其中类似的参考号指代所有不同视图中的类似部分，除非另外说明。
图1是展示具有被设置在轴承之间的电动机的一个涡轮增压器的一个截面侧视图；
图2是图1中示出的涡轮增压器的一个放大的局部截面侧视图；
图3是根据第一示例性实施例的一个涡轮增压器轴承系统的一个放大的局部截面侧视图；
图4是图3中示出的轴承的一个放大的局部截面侧视图；
图5是根据第二示例性实施例的一个涡轮增压器轴承系统的一个放大的局部截面侧视图；
图6是根据第三示例性实施例的一个涡轮增压器轴承系统的一个放大的局部截面侧视图；
图7是根据第四示例性实施例的一个涡轮增压器轴承系统的一个放大的局部截面侧视图；
图8是根据第五示例性实施例的一个涡轮增压器轴承系统的一个放大的局部截面侧视图；并且
图9是根据第六示例性实施例的一个涡轮增压器轴承系统的一个放大的局部截面侧视图。
详细说明
以下将参照附图更全面地说明实施例，这些附图形成本文件的一个部分并且以图示的方式示出多个具体示例性实施例。这些实施例被以足够的细节示出以便使得本领域技术人员能够实践本申请的技术。然而，实施例能够以不同的形式来实施并且不应解释为受限于在此列举的这些实施例。因此，以下详细说明部分不应被视为具有限制意义。
虽然如上所述，用于将一个电动机的转子定位和安装到一个涡轮增压器的轴上的设计在技术上是有功能性的，但从性能、成本以及质量角度它会导致若干问题。为了保护该轴的敏感区域的表面光洁度，沿该轴形成多个在直径方向上的台阶。这些直径差异意味着，必须存在一个独特的涡轮机端轴颈轴承13T、一个独特的压缩机端轴颈轴承13C、一个独特的涡轮机端电动机套环13T、以及一个独特的压缩机端电动机套环13C。这不仅对每个涡轮增压器而言不仅增加以两个项目计数的部件数量，而且由将涡轮机端轴颈轴承(和/或套环)组装到压缩机端上(或反之亦然)而潜在的组装误差也可能呈现出质量问题。
在此提供的是一种用于电辅助涡轮增压器的、对轴承表面光洁度提供保护并同时使与现有技术相关联的复杂度和零件数量最小化的轴承系统。如图3和图4中示出的，根据第一实施例的一个轴承系统包括多个套管154。每个套管154在轴111上都被设置在直径125上，因此这些套管与该轴的中心线轴线101同轴。每个套管都具有由一个凸缘155分开的两个圆柱形表面(156，157)。
这些套管具有一个表面156，这些轴颈轴承(149C，149T)在该表面上旋转。在凸缘155的另一侧是用于径向地定位这些电动机套环(113C，113T)的一个表面157。在套管154外侧的凸缘特征155将这些电动机套环(113C，113T)轴向地约束抵靠转子112。在涡轮机端，由位于环凸台115与直径125直径的一个台肩A1来轴向地约束套管154。因此，该电动机的转子112的涡轮机端是相对于环凸台台肩A1轴向定位的。
在这个实施例中，用于电动机转子112的压缩机侧的套管154与用于该电动机的涡轮机侧的套管相同，只是被定向在相反的方向上。在该电动机的压缩机侧，压缩机侧套环113C被定位成最靠近电动机转子112，并且压缩机侧轴颈轴承149C被轴向地定位在凸缘155的另一侧。朝向该电动机转子的方向抵靠台肩S1的轴向约束是由压缩机螺母(未示出)作用在压缩机叶轮120、抛油环153以及推力垫圈152上的夹紧负荷来提供的。这个负荷通过压缩机端套管154传递给压缩机端套环113C以夹紧该电动机的转子112的叠层从而抵靠涡轮机端套环113T，并且如以上所说明的，涡轮机端套管被约束抵靠环凸台115的台肩A1。相应地，轴111沿者该轴支撑这些轴承套管154和转子112的长度是相同的直径，由此简化了轴111的制造。应当认识到，轴颈轴承149C和149T是骑在这些套管154上。如此，可以放松这些轴表面光洁度。
此外，在这个实施例中，这些轴颈轴承是压缩机端和涡轮机端可互换的，并且这些电动机套环113C、113T也可以类似地是可互换的。该轴的直径125可以与一个具有相同尺寸的标准涡轮增压器的直径相同。由该压缩机螺母施加到该转子的叠层上的力的夹紧负荷不仅有助于该叠层组的径向对准、而且还迫使该转子以与该轴相同的速度旋转(即该转子与轴之间不存在相对旋转运动)。如现有技术中已知的，这些套管可以由硬化钢构成，并且这些轴承是由青铜型轴承材料构成的。
在一个第二示例性实施例中，如图5中所描绘的，轴承套管254结合有一个电动机套环213，由此进一步地减少了该组件中的零件数目。该套环(并且因此转子212的叠层)的轴向位置是由从电动机套环213延伸的轴颈部分225来确定的。转子212被定位在定子240内。轴颈部分225通过邻接环凸台215的台肩A2来定位电动机套环213。转子212的这些叠层上的压缩负荷是以与第一实施例中相同的方式由压缩机螺母(未示出)施加负荷来提供的。在这种情况下，这些轴颈轴承249T(249C未示出)是相同的，并且这些轴承套管是相同的，只是被定位在相反的方向上。相应地，这些轴承套管254所在的位置处该轴211是相同的直径。
在一个第三示例性实施例中，如图6中所描绘的，转子312的叠层具有与轴311的直径相比更大的一个内直径。一个圆柱形套管370被定位在转子312与轴311之间。圆柱形套管370可以与这些套环之一、例如示出的套环313T或者与套环313C整合。可替代地，该套管可以与这两个套环313T、313T保持独立而作为一个分开件。在这种情况下，圆柱形套管370包括一个套环部分313T以及从其轴向延伸的一个转子套管部分372。一个轴颈部分326从该套环部分313T与转子套管部分372相反地轴向延伸。通过这种变化，该电动机的转子312的叠层可以被输送到涡轮增压器组装处，并且将该转子组件组装到轴311上得以简化。该叠层的内直径与该轴的外表面装配得越靠近，该旋转组件的由于转子叠层组的初始平衡就越好。但是与潜在的增益相比，这些转子叠层与该轴的表面之间的间隙越紧密，这些叠层歪斜并且抵抗组装力的倾向就越大。通过结合套管370来处理更紧密的叠层内直径，就使得最后的组装变得更加简单。通过将一个套环和一个套管结合成一个件，这些叠层可以被压缩抵靠套环313T并且因此在涡轮增压器组装步骤上将更加稳定。整体的套环和套管370可以是在该电动机的压缩机端或涡轮机端。在这种变化中，压缩机螺母作用于这些套环和套管上的夹紧负荷防止了该套管和叠层相对于该轴的旋转。这个实施例还结合有与以上相对于第二示例性实施例所描述的相类似的一个轴承套管354。套管354包括一个轴颈部分325。相应地，轴颈轴承349C和349T对应地骑在轴颈部分325和326上。应当指出的是，圆柱形套管370和轴承套管354具有相同的内直径。因此，轴311在台阶A3与S3之间具有相同的直径373。
在第四示例性实施例中，如图7中所描绘的，两个轴颈轴承(449C，449T)的尺寸和特征都与标准涡轮增压器的尺寸和特征相同。从活塞环凸台415过渡到轴颈425的台阶A4与一个标准涡轮增压器的相类似。涡轮机端轴颈轴承449T被绕其支撑的这个轴颈425在B4处向下形成台阶达到一个较小的直径473。圆柱形套管470包括一个电动机套环部分413T，一个转子套管部分472从该套环部分延伸。圆柱形套管470不像前一实施例那样包括一个轴承套管。因此，轴颈轴承449T被设置在直径425而不是一个轴颈套管上。轴411在台阶S4处过渡到直径474。轴承套管454被设置在直径474上。轴承套管454包括一个电动机套环部分413C，一个轴承套管部分426从该套环部分延伸。轴承套管部分426的直径与轴颈425的直径相同，由此允许在这两个位置使用相同的轴颈轴承。
在第五示例性实施例中，如图8中所描绘的，轴511的尺寸被确定成延伸穿过转子512并且包括一个突出的螺纹轴端564。一个带螺纹的延伸轴516被旋拧到轴端564上。延伸轴516包括一个电动机套环部分513C以及用于支撑轴颈轴承549C的一个轴颈部分525。延伸轴516还包括与设置在轴端564上的外螺纹563相匹配的内螺纹562。轴511在台阶A5处过渡到轴颈524。轴颈524在台阶B5处过渡到直径526。轴颈轴承549T被设置在轴颈524上，并且电动机套环513T被紧固到直径526上。转子512也被设置在直径526上并且被夹紧在套环513T与套环部分513C之间。在这个实施例中，压缩机叶轮520、抛油环553以及推力垫圈552的夹紧负荷是由一个典型的压缩机螺母(未示出)抵靠典型的短轴台阶S5的台面来施加的。压缩转子512的叠层组的夹紧负荷是通过延伸轴516向下螺纹连接到轴511的轴端564来产生的。
在第六示例性实施例中，如图9中所描绘出的，轴611正好延伸通过转子612，并且电动机套环613C被按压到轴611上以提供压缩力，从而使该转子的叠层保持夹紧抵靠涡轮机端套环(未示出)。轴611包括与设置在延伸轴616上的外螺纹662相匹配的内螺纹663。延伸轴616包括支撑轴颈轴承649C的一个轴颈625。压缩机螺母617在压缩机叶轮620、抛油环653以及推力垫圈652上施加一个夹紧负荷以使它们抵靠与轴颈625相邻定位的台阶S6的肩部。
相应地，已经通过指向这些示例性实施例的一定程度的特殊性说明了该轴承系统。然而，应当认识到本发明是由按照现有技术解释的以下权利要求书来限定，从而对这些示例性实施例可以作出修改或改变而不脱离在此包含的发明概念。

Claims (13)

1.一种涡轮增压器轴承系统，包括：
一个轴(311)，该轴包括至少一个台肩(A3)；
一个套管(370)，该套管被设置在该轴(311)上并且包括一个套环(313T)、从所述套环(313T)延伸的一个轴颈部分(326)、与所述轴颈部分(326)相反地从所述套环(313T)延伸的转子套管部分(372)；
一个轴颈轴承(349T)，该轴颈轴承被设置在该轴颈部分(326)上；
转子(312)，所述转子设置在所述转子套管部分(372)上；并且
其中该轴颈部分(326)邻接该台肩(A3)并且该转子(312)邻接该套环(313T)。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器轴承系统，包括一个轴承套管(254)以及设置在所述轴承套管(254)上的一个相对应的轴颈轴承(349C)。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器轴承系统，其中，所述套管(370)和所述轴承套管(254)被定向在相反的方向上。
4.根据权利要求2所述的涡轮增压器轴承系统，其中，在所述套管(370)和所述轴承套管(254)所在的位置处该轴(311)有相同的直径。
5.根据权利要求2所述的涡轮增压器轴承系统，其中，所述轴颈轴承(349T，349C)是可互换的。
6.根据权利要求2所述的涡轮增压器轴承系统，其中，所述轴承套管(254)包括套环(313C)，所述套环(313C)邻接所述转子(312)。
7.一种涡轮增压器轴承系统，包括：
一个轴(311)，该轴包括至少一个台肩(A3)；
轴承套管(254)，所述轴承套管在该轴(311)上被设置得与转子(312)相邻，其中所述轴承套管(254)包括一个套环(313C)以及从所述套环(313C)延伸的一个轴颈部分(325)；
一个套管(370)，该套管被设置在该轴(311)上并且包括一个套环(313T)、从所述套环(313T)延伸的一个轴颈部分(326)、与所述轴颈部分(326)相反地从所述套环(313T)延伸的转子套管部分(372)；
设置在每个所述轴颈部分(325,326)上的轴颈轴承(349C，349T)；以及
转子(312)，所述转子设置在所述转子套管部分(372)上；
其中所述套管(370)的轴颈部分(326)邻接该台肩(A3)；并且
其中该转子(312)被夹紧在所述轴承套管(254)与所述套管(370)之间。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器轴承系统，其中这些轴颈轴承(349C，349T)是可互换的。
9.根据权利要求8所述的涡轮增压器轴承系统，其中，转子(312)被夹紧在所述套环(313T，313C)之间。
10.一种涡轮增压器，包括：
一个压缩机叶轮(20)和一个涡轮机叶轮(10)，这些叶轮被设置在一个轴(311)的相反末端上；
一个壳体(89，90)，该壳体支撑该轴(311)；
一个定子(240)，该定子被设置在该壳体(89，90)中；
轴承套管(254)，所述轴承套管在该轴(311)上与转子(312)相邻，其中所述轴承套管(254)包括一个套环(313C)以及从其延伸的一个轴颈部分(325)；
一个套管(370)，该套管被设置在该轴(311)上并且包括一个套环(313T)、从所述套环(313T)延伸的一个轴颈部分(326)、与所述轴颈部分(326)相反地从所述套环(313T)延伸的转子套管部分(372)；
设置在各轴颈部分(325,326)上的一个轴颈轴承(349C，349T)；并且
转子(312)设置在转子套管部分(372)上；
其中，该转子(312)被夹紧在所述轴承套管(254)和所述套管(370)之间。
11.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述套管(370)和所述轴承套管(254)被定向在相反的方向上。
12.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述套管(370)和所述轴承套管(254)所在的位置处该轴(311)有相同的直径。
13.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述轴颈轴承(349C，349T)是可互换的。
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