CN104487674B - 带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮 - Google Patents

Abstract

一种涡轮增压器，包括：一个涡轮机叶轮(10)；附接到该涡轮机叶轮(10)上的一个轴(111)；以及与该涡轮机叶轮(10)相反地布置在该轴(111)上的一个压缩机叶轮(132)。该压缩机叶轮(132)包括一个后壁(134)和一个轴向孔(137)；并且一个导向垫圈(150)邻近于该压缩机叶轮后壁(134)被定位。该导向垫圈(150)包括内直径(162)和外直径(160)并且包括延伸进入该压缩机叶轮(132)的轴向孔(137)中的一个锥形导向环(154)。该导向垫圈(150)包括从该内直径(162)延伸到该外直径(160)的一个缺口(164)。一个螺母(113)被拧到该轴(111)上并且可操作来在该压缩机叶轮(132)上提供轴向夹紧力，由此在该导向环(154)延伸进入该孔(137)之中时致使该导向垫圈(150)收缩到该轴(111)上。

Description

带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮

背景

当今内燃发动机必须满足消费者和政府监管机构所要求的愈来愈严格的排放标准和效率标准。因此，汽车制造商和供应商在研究和开发用于改善内燃发动机的运行的技术方面耗用了大量精力和资金。涡轮增压器是发动机开发的尤其使人感兴趣的一个领域。

涡轮增压器使用普通情况下浪费掉的排气能量来驱动涡轮机。涡轮机被安装到一个轴上，这个轴又驱动压缩机。涡轮机将排气的热能和动能转换成驱动压缩机的旋转动力。涡轮增压器的目的是通过增大进入发动机的空气的密度来提高发动机的容积效率。压缩机吸入周围空气并且将其压缩到进气歧管中并且最终压缩到汽缸中。因此，在每个进气冲程上都有更大量的空气进入这些汽缸。

参照图1，涡轮增压器利用了来自发动机排气歧管的排气流动来驱动一个涡轮机叶轮10。一旦排气已穿过了涡轮机叶轮并且该涡轮机叶轮已经从该排气中提取了能量，用过的排气就从涡轮机壳体(未示出)排出。涡轮机叶轮提取的能量被转化为一种旋转运动，这种旋转运动接着驱动一个压缩机叶轮32。该压缩机叶轮将空气抽入涡轮增压器中、将该空气压缩、并且将其输送至发动机的进气侧。

该旋转组件包括一体的涡轮机叶轮10和轴11。该压缩机叶轮32被安装到轴11上。该轴11在一个动液轴承系统18上旋转，该系统被供以典型地由该发动机所供应的油。油是经由一个进油口21来输送的以供应给轴颈轴承和止推轴承二者。该止推轴承59控制该旋转组件相对于涡轮机壳体和压缩机壳体中的这些空气动力学特征的轴向位置。按照与轴颈轴承相似的方式，推力负载典型地是由多个倾斜式动液轴承承载的，这些动液轴承与一个抛油环40的互补的且面向轴向方向的多个旋转表面协同工作。该涡轮增压器包括一个壳体20，该壳体带有一个腔33。止推轴承59和插入件60被布置在该腔内并且提供了一个排油腔35。一旦被使用，油就排到该轴承壳体并且通过排油口22离开，该排油口流体地连接到发动机的曲轴箱。

将压缩机叶轮安装到涡轮机轴上的传统方法是通过多个同轴的圆周表面的紧密配合(叶轮孔到轴的外直径)。小的间隙将运行过程中的不平衡性的变化或迁移最小化。不平衡会引起轴承的毁灭性失效，该失效是由产生的力和激发的振动模式导致的。为了帮助防止传统设计中的不平衡迁移，叶轮孔与轴直径之间的配合必须被维持在非常紧密的公差。相应地，叶轮孔和轴直径上的公差也必须非常紧密。应注意的是这些紧密公差必须在轴的整个长度上得到维持。紧密公差导致更高的生产成本。此外，叶轮孔与轴直径之间的紧密配合使得这些部件的组装更加困难，更不用说拆卸。将压缩机叶轮安装到涡轮机轴上的这种方法没有解决该叶轮相对于该轴的机械增长和热增长的差异。对于在钢制轴上被导向的铝制叶轮来说，不同的热增长和机械增长可以高达组装间隙的三倍。因此，在使用中不利的不平衡迁移是可能的。

将压缩机叶轮安装到涡轮机轴上的另一传统方法包括创建过盈导向配合以允许更大的制造公差并且应对不同的热增长。通过柱形的导向凸台，这种方法导致了组装问题。叶轮必须被加热或者通过力被驱动到该轴上。该引导凸台的长度可能使得轴或孔的少量跳动都是关键的。如果所得组件没有通过内芯平衡检查，用于重新转位的叶轮的移除会导致对叶轮和轴的损坏。例如，涡轮机叶轮材料(例如钛)易于擦伤并且可能在完全坐好之前卡住。在此类情况下，报废成本非常高。

由于需要平衡该压缩机叶轮，将压缩机叶轮安装到涡轮机轴上变得更为复杂。压缩机叶轮平衡矫正传统上是通过在两个平面上移除金属来实现的。后平面是通过从压缩机叶轮后壁的周缘上移除材料来矫正的。在叶片之间扇形化或在该后壁上机加工出一个台阶状凹座是所使用的两种方法。这种材料移除对该零件的寿命来说是极其关键的，因为矫正区域可能是受高应力的。因此，移除可能对疲劳寿命产生不利的影响。

前部矫正平面是叶轮的鼻部。它受到轻微应力，因此可以被切掉而不会限制损害其功能。最根本的问题是产生足够的后壁矫正以使报废最少而不引起过早失效。

因此，需要用于将压缩机叶轮精确导向到轴上的结构和方法，而没有极度精密的机加工的成本或过盈配合的组装缺点。还进一步需要一种简化对压缩机叶轮进行平衡而不损害该叶轮的疲劳强度的设计。

概述

本文提供了一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括一个涡轮机叶轮、一个附接到该涡轮机叶轮上的轴、以及与该涡轮机叶轮相反地布置在该轴上的一个压缩机叶轮。该压缩机叶轮包括一个后壁和一个轴向孔。一个导向垫圈邻近于该压缩机叶轮后壁定位。该导向垫圈具有内直径和外直径并且包括一个锥形导向环，该锥形导向环延伸到该压缩机叶轮的轴向孔之中。该涡轮增压器可以包括邻近于该压缩机叶轮的鼻部末端定位的一个第二导向垫圈。

在本文描述的技术的某些方面，该压缩机叶轮包括一个埋头孔，该埋头孔经尺寸确定且被配置成用来接纳该锥形导向环。该导向垫圈可以包括从内直径延伸到外直径的一个缺口。一个螺母被拧到该轴上并且可操作来在该压缩机叶轮上提供轴向夹紧力，由此在该导向环延伸进入该孔之中时致使该导向垫圈收缩到该轴上。该压缩机叶轮可以被夹紧在该螺母与布置在该轴上的一个肩台之间。

该导向垫圈可以进一步包括一个从该导向环延伸的短柱环，其中该短柱环被压入该轴向孔中。除此之外，该压缩机叶轮和导向垫圈可以包括协作性转位特征。

本文还提供了一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括一个涡轮机叶轮、一个附接到该涡轮机叶轮上的轴、以及与该涡轮机叶轮相反地布置在该轴上的一个压缩机叶轮。该轴包括一个导向凸台并且该压缩机叶轮包括一个轴向孔，该轴向孔经尺寸确定以在该导向凸台与该轴向孔之间提供过盈配合。

在本文描述的技术的其他方面，该导向凸台的形状是圆化的。该涡轮增压器可以进一步包括邻近于该压缩机叶轮的鼻部末端定位的一个导向插入件。该压缩机叶轮包括一个埋头孔，该埋头孔经尺寸确定并且被配置成用来将该导向插入件接纳在其中。该导向插入件包括内直径、外直径、以及一个从内直径延伸到外直径的缺口。一个螺母被拧到该轴上并且在该压缩机叶轮上提供轴向夹紧力，由此在该导向插入件被推入该埋头孔之中时致使该导向插入件收缩到该轴上。

本文还设想了一种将压缩机叶轮组装到轴上的方法。在一个实施例中，该方法包括：确定压缩机叶轮的不平衡；将一个垫圈定位在该轴上，其中该垫圈具有不均匀的重量分布；并且将该压缩机叶轮邻近于该垫圈定位在该轴上。将该垫圈相对于该压缩机叶轮旋转以使得该垫圈的不均匀的重量分布补偿该不平衡。该垫圈相对于该压缩机叶轮的位置是例如通过夹紧来维持的。该方法可以进一步包括从该垫圈上移除材料。

在本文描述的技术的其他方面，该压缩机叶轮包括一个轴向孔并且该垫圈包括一个延伸到该轴向环中的锥形导向环。该垫圈包括内直径、外直径、以及一个从内直径延伸到外直径的缺口。该方法进一步包括将该压缩机叶轮和垫圈夹紧在一起，由此在该导向环延伸进入该孔中时致使该导向垫圈收缩到该轴上。

在此，在本文的考虑详细说明部分和附图部分之后，所披露的技术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提出的权利要求书来确定而不是由给出的主题是否解决了该背景部分中指出的任何或所有问题或者是否包含在概述部分中叙述的任何特征或方面来确定。

图

参照以下附图来说明所披露的技术、包括该优选实施例的非限制性和非穷尽的实施例，其中遍及各个视图用相同的参考数字表示相同的部分，除非另外指明。

图1是一个典型的涡轮增压器的截面的侧视图；

图2是一个局部截面侧视图，示出了根据第一示例性实施例的一个带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮；

图3是如图2中所示的导向垫圈的平面顶视图；

图4是一个局部截面侧视图，示出了该导向垫圈的一种替代性的构造；

图5是一个导向垫圈的平面底视图，示出了该压缩机叶轮和导向垫圈的多个协作性转位特征；

图6是在图5中示出的导向垫圈的局部截面侧视图；

图7是一个局部截面侧视图，示出了根据第二示例性实施例的一个具有强制导向的压缩机叶轮的鼻部末端；并且

图8是一个局部截面侧视图，示出了在图7中示出的具有强制导向的压缩机叶轮的后壁部分。

详细说明

以下将参照附图更全面地说明实施例，这些附图形成本文的一个部分并且通过图示的方式示出多个具体示例性实施例。这些实施例是以足够的细节予以披露的从而使得本领域技术人员能够实践本发明。然而，实施例能以许多不同的形式来实施并且不应解释为局限于在此阐述的这些实施例。因此，以下的详细说明部分并不是在限制意义上进行的。应该理解的是，在附图中并未示出涡轮增压器的所有部件，并且本披露考虑到了使用如本领域已知的各种涡轮增压器部件。涡轮增压器的构造在本领域中被普遍理解的，并且对于理解在此全面说明和披露的本申请的技术而言不必全面说明涡轮增压器的每一个部件。

图2示出了根据第一示例性实施例的一个带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮。压缩机叶轮132包括一个后壁134和一个鼻部末端136。压缩机叶轮132还包括一个接纳轴111的轴向孔137。一个导向垫圈150邻近该后壁134定位并且包括一个锥形的导向环154，该导向环延伸到该轴向孔137中。该压缩机叶轮132可以包括一个埋头孔138，该埋头孔经尺寸确定且被配置成用来接纳该锥形导向环154。还可以利用位于该压缩机叶轮的鼻部末端136处的第二导向垫圈150将该压缩机叶轮132安装到该轴111上。一个螺母113通过螺纹115被附接到该轴111上。该螺母可操作来在压缩机叶轮132上提供轴向夹紧力，由此在该导向环154延伸进入孔137内时致使导向垫圈150收缩到该轴111上。因为该导向垫圈是带缺口的，轴向负载引起圆周方向上的收缩，使得该垫圈收缩而接合该轴，由此产生刚性导向。这个安排提供了强制导向，无论孔和轴的尺寸如何变化。只要维持该夹紧负载，这个安排还有助于防止平衡迁移。公差可以更大并且制造工艺可以更稳健。夹紧之前的更大间隙使得组装更容易。

参照图3，可以认识到导向垫圈150包括一个垫圈部分152和一个由此轴向延伸的锥形导向环154。该垫圈150具有内直径162和外直径160、并且具有个在内直径与外直径之间延伸的一个缺口164。相应地，导向垫圈150包括由内直径162限定的一个孔口156。如上所提及的，由于锥形导向环154被压入该压缩机叶轮132的轴向孔137之中，导向垫圈150收缩而夹紧在轴111上。相应地，当导向环154被压入轴向孔137之中时，孔口156收缩并且缺口164变窄。

从该图中可以认识到，缺口164致使该导向垫圈150具有不均匀的重量分布，这可以用来补偿压缩机叶轮的不平衡。在图3中还示出了一个材料移除区域158。可以从这个区域中移除材料以进一步补偿压缩机叶轮132中的不平衡。因此，该导向垫圈可以相对于压缩机叶轮132旋转地定位以有助于补偿压缩机叶轮132中的任何不平衡。在这种情况下，该导向垫圈是由钢构成的，钢的密度大约是铝的三倍并且大约是钛的两倍。

图4示出了导向垫圈151的一种替代性的构造。在这种情况下，导向垫圈151包括一个带有锥形导向环155的垫圈部分153，类似于以上关于图3所说明的。然而，在这种情况下，该导向垫圈151还包括从锥形导向环155沿轴向方向延伸的一个短柱环157。该短柱环157可以被压入压缩机叶轮132的轴向孔137之中。因此，该导向垫圈151在组装操作过程中方便地被维持在位。

如在图5和图6中所示的，该压缩机叶轮和这些导向垫圈可以包括多个协作性转位特征。例如，在这种情况下，这些协作性转位特征是定位销166的形式，该定位销被压入在压缩机叶轮132中形成的一个定位销孔144中。该导向垫圈151还可以包括沿着缺口164的一个扩大区域168，如图所示该扩大区域经尺寸确定以容纳该定位销166。

图7和图8示出了根据第二示例性实施例的一个带有强制导向的压缩机叶轮。在这种情况下，该压缩机叶轮232具有一个后壁234，该后壁与轴211上形成的一个肩台214相抵。该组件可以还可以包括一个肩台垫圈252，这个肩台垫圈可以用来通过从该垫圈上移除材料来进行平衡补偿。在这种情况下，轴211包括一个导向凸台250，该导向凸台经尺寸确定以在压缩机叶轮232的轴向孔237与导向凸台250之间提供过盈压配合。在这种情况下，导向凸台250的形状是圆化的或球形的。因此，当与传统的压配合和/或间隙配合应用相比，该轴向孔和导向凸台的公差可以被放松。

这种过盈配合解决了制造公差以及在叶轮与轴之间的热增长和机械增长。此外，这种安排有助于消除间隙配合方法所固有的平衡迁移的可能性。仅需要在局部特征上而不是在整个孔或轴长度上维持紧密公差。跳动公差是不需要的。因此较低成本的制造是可能的。也可以针对材料来订制压配合。因为钛具有比钢更小的热膨胀，因此压配合可以减小，从而进一步减小损坏风险。

具体参照图7，该压缩机叶轮组件还可以包括一个导向插入件256，该导向插入件被压入在该压缩机叶轮232的鼻部末端236内形成的一个埋头孔238中。当螺母213被拧到这些螺纹215上时，提供了对夹紧垫圈254的轴向夹紧力，该夹紧垫圈进而将该导向插入件256压入埋头孔238中。导向插入件256可以是有缺口的(与以上说明的导向垫圈的方式类似)，这样使得该导向插入件在被压入埋头孔238中时收缩到轴211上，由此提供针对压缩机叶轮232的鼻部末端的强制导向。而且，该夹紧垫圈254可以通过移除材料对该压缩机叶轮中的不平衡提供补偿。

还设想了涉及以上所描述的带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮的方法。这些方法因此包括上述结构和其组件中固有的步骤。在一个示例性实施例中，该方法可以包括：确定压缩机叶轮的不平衡；将一个垫圈定位在该轴上，其中该垫圈具有不均匀的重量分布；并且将该压缩机叶轮邻近于该垫圈定位在该轴上。将该垫圈相对于该压缩机叶轮旋转以使得该垫圈的不均匀的重量分布补偿该不平衡。该垫圈相对于该压缩机叶轮的位置是例如通过夹紧来维持的。该方法可以进一步包括从该垫圈上移除材料。

相应地，该带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮已经针对这些示例性实施例以某种具体程度进行了描述。然而，应了解的是，本发明是由根据现有技术进行解释的权利要求所限定的，因而在不背离在本文包含的发明构思的情况下可以对这些示例性实施例作出修改或改变。

Claims (9)

1.一种涡轮增压器，包括：

一个涡轮机叶轮（10）；

一个轴（111），该轴附接到该涡轮机叶轮（10）上；

一个压缩机叶轮（132），该压缩机叶轮与该涡轮机叶轮（10）相反地布置在该轴（111）上，其中该压缩机叶轮（132）包括一个后壁（134）和一个轴向孔（137）；以及

一个邻近于该压缩机叶轮后壁（134）定位的导向垫圈（150），该导向垫圈包括内直径（162）、外直径（160）、以及延伸进入该轴向孔（137）中的一个锥形导向环（154）。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中该压缩机叶轮（132）包括一个埋头孔（138），该埋头孔经尺寸确定并且被配置成用来接纳该锥形导向环（154）。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中该导向垫圈（150）包括从该内直径（162）延伸到该外直径（160）的一个缺口（164）。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，进一步包括一个螺母（113），该螺母被拧到该轴（111）上并且可操作来在该压缩机叶轮（132）上提供轴向夹紧力，由此在该导向环（154）延伸进入该孔（137）中时致使该导向垫圈（150）收缩到该轴（111）上。

5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中该导向垫圈进一步包括一个从该导向环（155）延伸的短柱环（157），其中该短柱环（157）被压入该轴向孔（137）中。

6.一种用于将压缩机叶轮（132，232）组装到轴（111，211）上的方法，该方法包括：

确定压缩机叶轮（132，232）的不平衡；

在该轴（111，211）上定位一个垫圈（150，252），其中该垫圈（150，252）具有不均匀的重量分布；

将该压缩机叶轮（132，232）邻近于该垫圈（150，252）定位在该轴（111，211）上；

相对于该压缩机叶轮（132，232）转动该垫圈（150，252）以使得该垫圈的不均匀的重量分布补偿该不平衡；并且

维持该垫圈（150，252）相对于该压缩机叶轮（132，232）的位置。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括从该垫圈（150，252）中移除材料。

8.根据权利要求6所述的方法，其中该压缩机叶轮（132）包括一个轴向孔（137）并且该垫圈（150）包括一个延伸进入该轴向孔（137）之中的一个锥形导向环（154）。

9.根据权利要求8所述的方法，其中该垫圈（150）包括内直径（162）、外直径（160）、以及从该内直径（162）延伸到该外直径（160）的一个缺口（164），并且进一步包括将该压缩机叶轮（132）与该垫圈（150）夹紧在一起，由此在该导向环（154）延伸进入该孔（137）之中时致使该垫圈（150）收缩到该轴（111）上。