CN104334837B - 具有浮动衬套轴承的废气涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有废气涡轮机、新鲜空气压缩机和轴承容纳部的废气涡轮增压器，转子轴利用至少一个径向轴承可转动地支撑在所述轴承容纳部内，涡轮机叶轮和压缩机叶轮布置在所述转子轴上。所述径向轴承被构造为浮动衬套轴承，其具有布置在轴承壳体的轴承容纳部和转子轴之间的空心圆柱形的浮动衬套体，该浮动衬套体配设有规定的失衡件，以便反作用于涡轮转子的失衡。

Description

具有浮动衬套轴承的废气涡轮增压器

本发明涉及一种废气涡轮增压器，其具有废气涡轮机和新鲜空气压缩机以及涡轮转子，该涡轮转子带有被固定在转子轴上的涡轮机叶轮和压缩机叶轮，其中，转子轴利用浮动衬套轴承可转动地支撑在轴承容纳部内。

废气涡轮增压器日益用于增大汽车内燃机的功率。这种事日益频繁，其目的是要在功率相同或者甚至增大的情况下减小内燃机的结构尺寸和重量，同时按照日益严格的相关法律规定降低消耗，进而减少CO₂排放。工作原理在于，利用废气流中含有的能量来提高内燃机进气道中的压力，从而实现改善给燃烧室充注空气-氧气，进而能为每个燃烧过程转换更多的动力燃料即汽油或柴油，亦即提高内燃机的功率。

为此，废气涡轮增压器具有设置在内燃机废气道上的废气涡轮机和设置在进气道上的新鲜空气压缩机，所述废气涡轮机带有用废气流驱动的布置在涡轮机壳体内的涡轮机叶轮，所述新鲜空气压缩机带有建立压力的布置在涡轮机壳体内的压缩机叶轮。涡轮机叶轮和压缩机叶轮抗扭地固定在转子轴的对置的端部上，由此形成废气涡轮增压器的在此被称为涡轮转子的转子单元。转子轴可转动地支撑在设置于废气涡轮机与新鲜空气压缩机之间的轴承单元内。由此借助废气质量流驱动涡轮机叶轮，并通过转子轴又驱动压缩机叶轮，由此将废气能量用于在进气道中建立压力。

在工作时，涡轮机叶轮处于热废气流中，由此会遭受非常大的温度波动，其中峰值温度高达1000℃以上。同时，涡轮机转子以高达300000U/min的非常高的转速转动，由此，涡轮机叶轮、压缩机叶轮特别是转子轴的轴承装置要承受非常高的机械负荷和热负荷。

为了容纳轴承单元，通常在废气涡轮机和新鲜空气压缩机之间设置轴承壳体，该轴承壳体既可以构造为独立的单元，也可以构造为具有涡轮机壳体和/或压缩机壳体的单元。一个或多个轴承容纳部位于轴承壳体内，所需的轴承布置在这些轴承容纳部内。在上述条件下，所谓的浮动衬套轴承已被多次证实可作为径向轴承用于支承转子轴。图1所示为在废气涡轮增压器的轴承壳体内布置这种径向轴承的一个例子，其示出了常规的废气涡轮增压器的整体结构简图。

图1为已知的废气涡轮增压器101的原理结构的简化剖视图，该废气涡轮增压器主要由废气涡轮机102、新鲜空气压缩机103以及布置在它们之间的轴承壳体104组成。在轴承壳体104的轴承容纳部内布置有两个径向轴承105/106，转子轴8可围绕转子轴线107转动地支撑在所述径向轴承内。一方面，布置在涡轮机壳体109内的涡轮机叶轮108，另一方面，布置在压缩机壳体111内的压缩机叶轮110，均被抗扭地安置在转子轴8上。轴承壳体104具有机油通道104a，经由该机油通道可以将用于润滑的机油输送给径向轴承（105/106）。废气涡轮机102具有废气门-装置112，而新鲜空气压缩机103则具有推动-换气-装置（Schub-Umluft-Einrichtung）113。废气质量流AM和新鲜空气质量流FM均用箭头标出。

借助于图2来解释浮动衬套轴承的结构和工作方式。图2所示为这种浮动衬套轴承的尺寸夸大的横剖视图。在此，在以转速n_w旋转的转子轴8和轴承壳体104的轴承容纳部10之间设置有同样转动的以转速n_B旋转的浮动衬套体1。在轴承容纳部10和浮动衬套体1之间设置填充有润滑油的外部润滑间隙9。在浮动衬套体1和转子轴8之间构造有同样填充了润滑油的内部润滑间隙11。润滑油经由设置在壳体10内的机油通道104a输送给外部润滑间隙9。此外，在浮动衬套体1上开设有通孔2，经由这些通孔将润滑油由外部润滑间隙9供应给内部润滑间隙11。在浮动衬套体1的内径上的转子轴10和在壳体104的轴承容纳部10的内径上的浮动衬套体1在该润滑油膜上滑动。在该种情况下，润滑油膜尤其必须承载在工作中产生的径向力。

相比于固定的滑动轴承，浮动衬套轴承除了具有许多优点之外，还具有以下缺点：在工作中，当转子轴以较高的转速n_w转动时，即使涡轮转子的轻微失衡都会导致浮动衬套轴承的不稳定性，这些不稳定性会引起缩短其寿命，在不利的情况下甚至会导致完全损毁浮动衬套轴承。

为了减少浮动衬套轴承的这种不稳定性，进而延长废气涡轮增压器的寿命，在实践中试图通过在整个转速范围内尽可能好地平衡涡轮转子来解决该问题。然而，特别是对于涡轮转子的增大的转速范围，例如尤其新式设计的废气涡轮增压器会出现这种转速，这些尝试还没有以合理的成本实现所期望的成果。

因此，本发明的目的在于，提出一种具有用于涡轮转子的浮动衬套轴承的废气涡轮增压器，其中，排除或者至少减小浮动衬套轴承在转子轴的整个期望的转速范围内出现的不稳定性，进而提高废气涡轮增压器的工作可靠性以及寿命。

该目的通过具有如下特征的废气涡轮增压器来实现。本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出。

根据本发明，提出一种废气涡轮增压器，其具有带有涡轮机叶轮的废气涡轮机、带有压缩机叶轮的新鲜空气压缩机、轴承容纳部，其中，涡轮机叶轮和压缩机叶轮布置在共同的转子轴上，从而形成涡轮转子。借助于至少一个被构造为浮动衬套轴承的径向轴承将转子轴可转动地支撑在轴承容纳部内。在这种情况下，至少一个径向轴承具有浮动衬套体，该浮动衬套体设计成空心圆柱的形式，其内径接纳转子轴，而外径则用于接纳轴承容纳部内的浮动衬套体。在转子轴和浮动衬套体的内径之间构造有内部润滑间隙，而在轴承容纳部和浮动衬套体的外径之间则构造有外部润滑间隙。根据本发明的废气涡轮增压器的特征在于，浮动衬套体配设有相对于其旋转轴线的规定的失衡件，在工作中，该失衡件稳定地反作用于涡轮转子的失衡。

在此，“失衡”以浮动衬套体的旋转轴线为参照，该旋转轴线与浮动衬套体的以外径为参照居中地布置的纵轴线相一致，其中，在内径同心地布置且内部润滑间隙沿周边均匀地构造情况下，所述纵轴线与轴的旋转轴线相一致。在此，规定的失衡件无论在其相对于浮动衬套体的位置上，还是在量度上都得以预先确定。可以预先根据计算的方法，通过计算机模拟或者也可以采用相应的一系列试验来确定失衡件的所需量度以及有利位置。

造成失衡的原因在于，旋转体此处为浮动衬套体的质量在以其在结构上预先规定的旋转轴线为参照沿着其周边分布不均匀。因不均匀的质量分布而使得旋转体的惯性轴线相对于其预先规定的旋转轴线产生位置偏差。该位置偏差可以被考虑用作参数的大小，即失衡的量度，其也称为偏心率。在此，“偏心率”系指旋转体的惯性轴线相对于其旋转轴线的在量度上的位置偏差，例如以毫米（mm）为单位。

与之相应地，在一个有利的设计方案中，根据本发明的废气涡轮增压器的浮动衬套体的特征在于，“规定的失衡”系指与内部润滑间隙的轴承间隙有关的偏心率，其处在由内部润滑间隙形成的轴承间隙的15％和35％之间特别是20％至30％的范围内。在此，在把轴同中心地布置于浮动衬套体内的情况下，计算出的轴承间隙是内部润滑间隙的间隙宽度的两倍。在一个具体的实施例中，环形的内部润滑间隙为0.011mm，因此轴承间隙为0.022mm。由此，在该示例中预先规定偏心率为0.0033mm至0.0077mm。

在根据本发明的废气涡轮增压器的另一有利的设计方案中，浮动衬套体的特征在于，“规定的失衡”系指在0.003mm至0.008mm的范围内特别地为0.005mm的偏心率。

在失衡大小设计的上述两个示例中所提到的范围，在使用直径范围在8mm至25mm之间的转子轴的实验中已表明是特别有利的，因为一方面，浮动衬套体的规定的失衡足够小，以便其不会对整个系统的回转产生负面影响，然而另一方面，它又足够大，以便在整个转速范围内，尤其是也在转速最高达250000转/分钟及以上的范围内可反作用于轴的失衡。

对于浮动衬套体的规定的失衡件的设计，存在有各种不同的可行方案。因而失衡件可以由开设在浮动衬套体上的一个、两个或多个阶梯形孔而形成。作为其替代方案，规定的失衡件也可以由一个或多个开设在浮动衬套体上的通孔或者盲孔、一个开设在浮动衬套体上的内槽而形成，或者通过浮动衬套体的外壳的变形件而形成。规定的失衡也可以通过浮动衬套体的内径相对于浮动衬套体的外径的偏心布置而形成。用于产生规定的失衡的上述可行方案根据需要既可以替代地使用，也可以采用组合的方式使用。

在废气涡轮增压器工作时，引入到浮动衬套体中的规定的失衡反作用于涡轮转子的失衡。由此，在转子轴的较高的转速范围内也可以避免或者至少明显减小浮动衬套轴承的有时出现的不稳定性。这以有利的方式导致还降低了浮动衬套轴承损毁的可能性，因而相反地提高了废气涡轮增压器的运转可靠性和寿命。

以下借助于附图2~7对本发明的实施例进行阐述。

图1为废气涡轮增压器的简化的侧剖视图，该废气涡轮增压器具有两个用于支撑转子轴的径向轴承；

图2为根据现有技术的浮动衬套轴承的简化的、在尺寸上极其夸大的横截面图；

图3为常规的浮动衬套体的立体草图；

图4为浮动衬套体的剖视图，其失衡件由阶梯形孔而形成；

图5为浮动衬套体的剖视图，其失衡件由盲孔而形成；

图6为浮动衬套体的剖视图，其失衡件由通孔而形成；

图7为浮动衬套体的剖视图，其失衡件由内槽而形成；

图8为浮动衬套体的立体草图，其失衡件通过浮动衬套体的外壳的变形件而形成；

图9为浮动衬套体的正面剖视图，其失衡通过浮动衬套体的外径相对于浮动衬套体的内径的偏心布置而形成。

功能相同和名称相同的物件或功能单元在这些附图中统一地标有相同的附图标记。

图3所示为常规的浮动衬套体1的立体草图。该浮动衬套体1基本上设计成外径为D_A、内径为D_I的空心圆柱形或管形，并且沿着其周边均匀分布地具有多个机油输送孔2，在工作中，经由这些机油输送孔将润滑油从外侧传输到内侧，即从外部润滑间隙传输到内部润滑间隙。这些机油输送孔2通常均沿着径向方向延伸，它们均有预先给定的直径并且被实现为通孔。在图2中示出的浮动衬套体1对称地构造，从而不存在故意的失衡。

图4为浮动衬套体1的剖视图，其失衡件通过开设在浮动衬套体1上的阶梯形孔而形成。该浮动衬套体1也基本上设计成空心圆柱形或管形。所述浮动衬套体总共具有六个机油输送孔2，其中五个用附图标记2来表示，一个用附图标记3来表示。该机油输送孔3同时用于使得浮动衬套体产生失衡。为此，将该机油输送孔构造为阶梯形，其中，该机油输送孔的径向外部区域的直径大于该孔的径向内部区域的直径。孔3的径向内部区域的直径与那些孔2的直径均相同。孔3的径向外部区域的直径比孔3的径内部区域的直径大，进而也就比那些孔2的直径大。这就使得浮动衬套体的质量有针对性地沿着周边分布不均匀，进而引起在量度和位置上规定的失衡。

在径向轴承工作时，浮动衬套体的以阶梯形孔3的形式实现的失衡件，在轴的整个转速范围内，特别地也在高转速范围内，反作用于轴的失衡，从而减小径向轴承的不稳定性和轴承损毁的可能性。

图5为浮动衬套体的剖视图，其失衡件通过至少一个开设在浮动衬套体的外周边上的盲孔4而形成。该浮动衬套体1基本上也设计成空心圆柱形或管形。所述浮动衬套体总共具有六个沿着周边均匀分布地开设的机油输送孔2。盲孔4用于使得浮动衬套体产生失衡。原则上，盲孔4可以具有与机油输送孔2相同的直径，这可以实现在相同的工序中使用相同的工具进行制造。然而，盲孔4也可以具有不同于机油输送孔2的直径，如果为了去除足够多的材料以便规定失衡而需要这样的话。这也使得浮动衬套体的质量有针对性地沿着周边分布不均匀，进而引起在量度和位置上规定的失衡。

在径向轴承工作时，浮动衬套体的以盲孔4的形式实现的失衡件，在轴的整个转速范围内，特别地也在高转速范围内，反作用于轴的失衡，从而减小径向轴承的不稳定性和轴承损毁的可能性。

图6为浮动衬套体的剖视图，其失衡件通过开设在浮动衬套体上的通孔而形成。该浮动衬套体1也基本上设计成空心圆柱形或管形。所述浮动衬套体总共具有六个沿着周边均匀分布地开设的机油输送孔，其中五个用附图标记2来表示，一个用附图标记5a来表示。该机油输送孔5a同时用于使得浮动衬套体产生失衡。为此，将该机油输送孔构造为通孔，其直径恒定且连续，并大于其余的那些孔2的直径。替代地，也可以通过在均匀分布的那些机油输送孔2之间布置附加的通孔5b（以虚线示出）来实现相应的结果。这两种替代方案也使得浮动衬套体的质量有针对性地沿着周边分布不均匀，进而引起在量度和位置上规定的失衡。

在径向轴承工作时，浮动衬套体的以通孔5a/5b的形式实现的失衡件，在轴的整个转速范围内，特别地也在高转速范围内，反作用于轴的失衡，从而减小径向轴承的不稳定性和轴承损毁的可能性。

图7为浮动衬套体1的剖视图，其失衡件通过开设在浮动衬套体1上的内槽6而形成。该浮动衬套体1也基本上设计成空心圆柱形或管形。所述浮动衬套体总共具有六个沿着周边均匀分布地开设的机油输送孔，这些机油输送孔用附图标记2来表示，并且它们的直径相同。此外，浮动衬套体1在其内侧具有内槽6，该内槽的尺寸经过有针对性的设计。这也使得浮动衬套体1的质量有针对性地沿着周边分布不均匀，进而引起在量度和位置上规定的失衡。不言而喻，通过在浮动衬套体1的外周边上布置相应的外槽（未示出）可以实现相同的结果。

在径向轴承工作时，浮动衬套体1的以内槽6或外槽的形式实现的失衡件，在轴的整个转速范围内，特别地也在高转速范围内，反作用于轴的失衡，从而减小径向轴承的不稳定性和轴承损毁的可能性。

图8为浮动衬套体1的立体草图，其失衡件通过浮动衬套体1的外壳的变形件而形成。该浮动衬套体1也基本上设计成空心圆柱形或管形。同样地，所述浮动衬套体总共具有六个沿着周边均匀分布地开设的相同直径的机油输送孔2。浮动衬套体1的外壳的变形件例如可以通过形式为一个或多个倒棱（Anfasung）7或者削平部（Abflachung）的材料去除部来实现。这些替代的或者可彼此互补使用的特征也使得浮动衬套体1的质量有针对性地沿着周边分布不均匀，进而引起在量度和位置上规定的失衡。

在径向轴承工作时，浮动衬套体1的通过浮动衬套体1的外壳的变形件而实现的失衡件，在轴的整个转速范围内，特别地也在高转速范围内，反作用于轴的失衡，从而减小浮动衬套轴承的不稳定性和轴承损毁的可能性。

图9为浮动衬套体1的正面剖视图，其失衡通过浮动衬套体1的内径相对于浮动衬套体1的外径偏心布置而形成。为明了起见，极其夸大地示出了内径的中心Z_I与外直径的中心Z_A之间的相对位置偏差E。该措施也会使得浮动衬套体1的质量有针对性地沿着周边分布不均匀，进而引起在量度和位置上规定的失衡。

配设有规定的失衡件的、如图4~9所示的上述浮动衬套体1是浮动衬套轴承的组成部分，该浮动衬套轴承将转子轴8可转动地支撑在废气涡轮增压器壳体内，其中，浮动衬套体1布置在废气涡轮增压器壳体的轴承容纳部10和转子轴8之间，其中，在转子轴8和浮动衬套体1之间构造有内部润滑间隙，而在浮动衬套体和轴承容纳部之间则构造有外部润滑间隙。

在废气涡轮增压器工作时，尤其是在转子轴转速较高时，涡轮转子的失衡会使得力冲量作用到内部润滑间隙内的润滑油膜上。该力冲量在一定程度上因存在于内部润滑间隙中的润滑剂而得以缓冲。剩余的冲量余量经由位于内部润滑间隙中的润滑剂流转移到浮动衬套体上，并且基本上会导致浮动衬套体相对于外部润滑间隙内的润滑油膜发生偏转。浮动衬套体的惯性甚至还有在外部润滑间隙内的润滑油膜的阻尼力反作用于浮动衬套体的偏转，并部分抵消浮动衬套体的偏转。如果给浮动衬套体－如以上借助于图4~9所述－配设有规定的失衡件，那么就会加强所述的反作用，从而特别地也会在转子轴的高达120m/s的高转速范围内，在很大程度上补偿涡轮转子的失衡的并非所愿的影响。

必须设置规定的失衡件，以便可以反作用于涡轮转子的失衡，为了确定浮动衬套体的上述失衡件所在的一个或多个位置，要在转子轴的整个转速范围内进行检查，以确定在浮动衬套体上的哪些位置必须配设失衡件，以便可以反作用于涡轮转子的失衡。

Claims (11)

1.一种废气涡轮增压器，具有带有涡轮机叶轮（108）的废气涡轮机（102）、带有压缩机叶轮（110）的新鲜空气压缩机（103）、轴承容纳部（10），

－其中，所述涡轮机叶轮（108）和压缩机叶轮（110）布置在共同的转子轴（8）上，从而形成涡轮转子，借助于至少一个被构造为浮动衬套轴承的径向轴承（105/106）将所述转子轴（8）可转动地支撑在轴承壳体（104）内，

－其中，至少一个径向轴承（105/106）具有浮动衬套体（1），该浮动衬套体设计成空心圆柱的形式，空心圆柱的内径（D_I）接纳所述转子轴（107），而外径（D_A）则用于接纳轴承容纳部（10）内的浮动衬套体（1），其中，在所述转子轴（107）和浮动衬套体（1）的内径（D_I）之间构造有内部润滑间隙（11），而在所述轴承容纳部（10）和浮动衬套体（1）的外径（D_A）之间则构造有外部润滑间隙（9），以及

其中，所述浮动衬套体（1）配设有相对于其旋转轴线的规定的失衡件（3、4、5、6、7、E），在工作中，该失衡件稳定地反作用于涡轮转子的失衡，

所述浮动衬套体（1）的规定的失衡是在由所述内部润滑间隙形成的轴承间隙的20％至30％之间的范围内的偏心率。

2.根据权利要求1所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述浮动衬套体（1）的规定的失衡是在0.003mm至0.008mm范围内特别地为0.005mm的偏心率。

3.根据权利要求1或2所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述浮动衬套体（1）的规定的失衡件由至少一个开设在所述浮动衬套体（1）上的阶梯形孔（3）形成。

4.根据权利要求1或2所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述浮动衬套体（1）的规定的失衡件由至少一个开设在所述浮动衬套体（1）上的盲孔（4）形成。

5.根据权利要求1或2所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述浮动衬套体（1）的规定的失衡件由开设在所述浮动衬套体（1）上的通孔（5a、5b）形成。

6.根据权利要求5所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述通孔（5a）是机油输送孔，其直径比设置在所述浮动衬套体（1）上的其它机油输送孔（2）的直径大。

7.根据权利要求5所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述通孔是附加于预先设置的其它的机油输送孔（2）布置的通孔（5b）。

8.根据权利要求1或2所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述浮动衬套体（1）的规定的失衡件由开设在所述浮动衬套体（1）上的内槽（6）形成。

9.根据权利要求1或2所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述浮动衬套体（1）的规定的失衡件由所述浮动衬套体（1）的外壳的变形件（7）形成。

10.根据权利要求9所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述变形件（7）通过在所述浮动衬套体（1）的外壳上的材料去除部而形成。

11.根据权利要求1或2所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述浮动衬套体（1）的规定的失衡通过所述浮动衬套体（1）的内径（D_I）相对于所述浮动衬套体（1）的外径（D_A）的偏心布置而形成。