CN104632300B - 可变叶片组件的同步环的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及可变叶片组件的同步环的驱动装置。可变叶片组件具有支撑可枢转叶片阵列的喷嘴，和用于同步地枢转所述叶片的同步环。曲柄机构可旋转地驱动所述同步环，并且包括定位在所述同步环的径向外侧的外部曲柄组件、非圆形驱动块和曲柄臂，所述非圆形驱动块设置在所述同步环的外周中的非圆形凹部内，所述曲柄臂具有连接到所述驱动块的叉形端和连接到所述外部曲柄组件的相对端。所述叉形端限定了两个腿并且所述驱动块被设置在所述腿之间并且被可枢转地连接到所述腿使得所述驱动块能绕枢转轴线相对于所述曲柄臂枢转。所述曲柄机构被布置成使得使所述曲柄臂沿着运动弧线摇摆，由此旋转所述同步环。

Description

可变叶片组件的同步环的驱动装置

技术领域

本发明涉及具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，其中可移动叶片阵列被设置在涡轮机的所述喷嘴内以调节进入涡轮机的废气流。

背景技术

废气驱动的涡轮增压器是和内燃发动机一起使用通过压缩被传递到发送机的进气口以与燃料混合并在发动机内燃烧的空气来增加发动机的动力输出的设备。涡轮增压器包括安装在位于压缩机壳体内的轴的一端上的压缩机叶轮和安装在该轴在涡轮机壳体内的另一端上的涡轮机叶轮。通常涡轮机壳体是与压缩机壳体分开形成，并且在涡轮机壳体和压缩机壳体之间还有另外的中间壳体以包含用于该轴的轴承。涡轮机壳体限定了基本上环形的室，该室围绕涡轮机叶轮并且从发动机接收废气。涡轮机组件包括从该室通向涡轮机叶轮的喷嘴。废气从所述室流过喷嘴到达涡轮机叶轮并且涡轮机叶轮由所述废气驱动。涡轮机由此从废气提取动力并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的进口接收环境空气并且该空气由压缩机叶轮压缩并且之后被从该壳体排放到发动机进气口。

在利用涡轮增压器提高发动机性能中的挑战之一是在发动机的整个运行范围上实现期望量的发动机动力输出。已经发现使用固定几何形状涡轮增压器经常不容易实现这个目标，并且因此已经开发出了可变几何形状涡轮增压器，目的是提供对由涡轮增压器所提供的增压量的更大程度的控制。一种类型的可变几何形状涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器（VNT），其包括在涡轮机喷嘴中的可变叶片阵列。叶片被可枢转地安装在喷嘴中并且被连接到使得叶片的设置角度能被改变的机构。改变叶片的设置角度具有改变在涡轮机喷嘴中的有效流动面积的效果，并且因此可通过控制叶片位置来调节流到涡轮机叶轮的废气。以这种方式，可调节涡轮机的动力输出，这允许以比利用固定几何形状涡轮增压器通常能所能实现的更大的程度来控制发动机动力输出。

通常，可变叶片组件包括喷嘴环，该喷嘴环可旋转地支撑邻近该喷嘴环的一个面的所述叶片。叶片具有延伸通过喷嘴环内的轴承孔的轴，并且叶片臂刚性地固定到所述轴的从喷嘴环的相对面伸出的端部。因此，可通过枢转叶片臂来围绕由所述轴限定的轴线来枢转叶片以改变叶片的设置角度。为了同步地枢转叶片，致动环或“同步环”被设置成邻近喷嘴环的所述相对面，并且在其径向内边缘上包括凹部以接收叶片臂的自由端。因此，同步环围绕喷嘴环的轴线的旋转引起叶片臂枢转并因此引起叶片枢转从而改变设置角度。

在如何可旋转地驱动同步环方面存在挑战。通常，邻近同步环定位的曲柄臂被连接到致动器，致动器用来引起曲柄臂沿一个方向或相反方向枢转。曲柄臂的端部具有大致圆柱形构造的部分，该部分被接合到同步环的径向外周中的对应形状的凹部中。所述大致圆柱形接合部分能在所述凹部中枢转。曲柄臂的枢转被转换成同步环围绕其轴线的旋转运动。

在曲柄臂的大体圆柱形接合部分和同步环之间的界面承载着由叶片载荷、VNT机构的内部摩擦、和振动引起的载荷。因此，这个界面往往随时间出现显著量的磨损。

发明内容

本公开涉及用于例如在涡轮增压器中使用的可变喷嘴涡轮机的可变叶片组件。在本文中描述的一个实施例中，可变叶片组件包括具有相对的第一和第二面的喷嘴环，以及邻近所述喷嘴环的第二面并具有各自的轴的多个叶片，所述轴被接收在所述喷嘴环的孔中并且能在所述孔中旋转以使得叶片能绕由所述轴限定的相应的轴线旋转，每个轴的远端都在第一面从相应的孔伸出。所述组件包括相应地刚性固定到所述轴的远端的多个叶片臂，每个叶片臂具有自由端，以及邻近所述喷嘴环定位的同步环，所述同步环的第一面与所述喷嘴环的第一面相对。所述同步环被连接到叶片臂的自由端，同步环可绕旋转轴线旋转从而围绕所述叶片轴线枢转叶片臂，由此同步地枢转叶片。

可变叶片组件包括用于可旋转地驱动同步环以枢转叶片的曲柄机构。曲柄机构包括定位在同步环的径向外侧的外部曲柄组件、非圆形驱动块和曲柄臂，非圆形驱动块设置在同步环的外周中的相应地成形的非圆形凹部中使得阻止驱动块相对于同步环旋转，所述曲柄臂具有连接到所述驱动块的叉形端和连接到所述外部曲柄的相对端。叉形端限定了在平行于同步环的旋转轴线的方向上间隔开的两个腿。驱动块被设置在所述腿之间并且可枢转地连接到所述腿使得驱动块可绕基本上平行于同步环的旋转轴线的枢转轴线相对于所述曲柄臂枢转。曲柄机构设置成使得使曲柄臂沿着围绕位于曲柄臂的所述相对端的轴线的运动弧线摇摆，由此旋转同步环。

有利地，驱动块和凹部构造成使得驱动块沿着同步环的径向方向能在所述凹部中滑动，使得驱动块能够在曲柄臂沿着所述运动弧线摇摆时经历相对于同步环的径向运动。驱动块的能相对于曲柄臂枢转的能力以及其能相对于同步环径向运动的能力的组合导致了在驱动块和同步环之间的接触应力的大大缓解。另外，在驱动块和同步环之间的接触表面积的大小相对于传统的主臂/同步环界面也有所增加，其结果是减小了接触压力并且因此减小了表面磨损。

本文中还描述了在曲柄臂的叉形端和所述驱动块之间的连接的特定构造。两个突出部分别从驱动块的两个相对面延伸，并且叉形端的所述腿中的每一个都被固定到所述突出部中的相应一个。在一个实施例中，所述突出部包括延伸通过所述驱动块中的孔的销的相对端。所述销的相对端可被刚性固定（例如，通过压配合或焊接）到叉形端的所述腿。所述销可包括圆柱形部分，所述圆柱形部分位于所述驱动块中的所述孔内并且可相对于所述驱动块绕所述孔的轴线旋转。

所述喷嘴环的所述第一面可包括机加工的凹穴以容纳所述曲柄臂的所述叉形端的所述腿中的一个。

根据本文中描述的装置，同步环、叶片臂、和曲柄臂都基本上位于同一平面内，由此大大减少了在这些部件上的任何平面外的力。

附图说明

因此在概括地描述了本公开后，现在将参照附图，附图不一定是按比例绘制的，并且附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的可变叶片组件的透视图；

图2是图1的所述组件的透视图，相对于图1中的方位来说上下倒置；

图3是根据本发明的实施例的部分组件的不完整的透视图，其包括同步环、叶片臂、叶片、曲柄臂、驱动块、和外部曲柄组件；以及

图4是根据本发明的实施例的同步环、驱动块、曲柄臂、和外部曲柄组件的剖面透视图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更加全面地描述本发明，附图中示出了本发明的一些但不是全部的实施例。实际上，这些发明可以许多不同的形式被体现并且不应该被理解为被限制到本文公开的实施例；相反，这些实施例被提供是使得本公开会满足可适用的法律要求。通篇中相同的标记表示相同的元件。

图 1和2示出了根据本发明的一个实施例的可变叶片组件的透视图（分别是朝上和朝下）。可变叶片组件包括喷嘴环20，所述喷嘴环具有在其上安装的多个导销22。喷嘴环具有延伸到所述喷嘴环的第一面内的多个周向间隔开的第一孔以接收导销22。更具体地，每个导销具有大体圆柱形的端部，所述端部的直径相对较小，该直径的大小被设置为适合装入对应的第一孔以形成干涉配合。导销22的端部被压配合到所述第一孔内，使得导销的引导部分从喷嘴环的第一面轴向伸出，如在图2中所示。每个导销的引导部分包括杆25和直径比杆25大的肩部26。在图2所示的图示实施例中，围绕喷嘴环20的圆周大致均等地间隔设置有五个导销22，但是同样可行的是，采用不同数量的导销和/或以非均等的方式围绕圆周将导销间隔开。

可变叶片组件还包括同步环30。同步环具有径向内边缘32，径向内边缘32的直径小于由导销22的引导部分的肩部26共同限定的最大直径。换句话说，导销的肩部26在径向上与同步环的径向内边缘32交叠。由导销的杆25共同限定的最大直径稍微小于或者大约等于同步环30的径向内边缘32的直径。因此，同步环被相对于导销定位，使得同步环的径向内边缘32（在轴向方向上）被俘获在导销的肩部26和喷嘴环20之间。同时，导销22的杆25抑制同步环相对于喷嘴环的径向运动。

可变叶片组件包括多个间隔件60（在图1和2中仅一个这样的间隔件可见），这些间隔件60被刚性固定到喷嘴环20并且从喷嘴环的第二面轴向伸出以与涡轮机壳体插件70接合。涡轮机壳体插件70具有三个孔以接收间隔件60的端部。所述间隔件具有肩部或径向凸台，肩部或径向凸台紧靠喷嘴环20的第二面和插件70的相对面从而决定了这些面之间的轴向间距。间隔件被刚性固定到喷嘴环和插件，例如通过轨道铆接或任何其它的合适过程。涡轮机壳体插件70在图示的实施例中构造成带有管状部分74，管状部分74被插入到涡轮增压器中涡轮机壳体的孔内。在其它的未示出的实施例中，插件可不包括这种管状部分。喷嘴环20和插件70（它们一起构成了喷嘴环组）合作以形成它们之间的通道，以及多个可变叶片40被布置在该通道内并且优选地沿着轴向方向完全延伸通过该通道使得流过该通道的流体被约束为流过叶片之间的空间。

还参照图2，每个叶片40具有刚性固定到其上的至少一个轴43。在图示的实施例中，轴43被插入通过喷嘴环20中的对应的第二孔，所述第二孔从第一面到相对的第二面地完全延伸通过喷嘴环。轴43被从所述第二面插入到所述孔内，并且轴43的远端从所述第一面伸出。在其它的未示出的实施例中，叶片可每一个都包括从叶片的与轴43相对的一侧伸出的第二轴，并且所述第二轴被接收在插件70中形成的孔内。

可变叶片组件还包括多个叶片臂44。通过绕着由叶片轴43限定的轴线旋转叶片而改变叶片40的设置角，由此叶片轴在喷嘴环20中的相应的第二孔内旋转。叶片臂44与每个叶片轴43的远端接合。每个叶片臂具有自由端46，该自由端被接合在同步环30的所述内边缘的凹部34内。叶片40被定位成使得全部的叶片具有相同的设置角度，并且然后叶片臂被刚性固定到轴43的远端，例如通过焊接或通过铆接过程。同步环30围绕其中心轴线的旋转使得叶片臂44枢转，由此同步地枢转叶片40。

图1和2的整个可变叶片组件形成了一个单元（也称为筒），其可安装到涡轮机壳体内。涡轮机壳体此后可被连接到涡轮增压器的中间壳体使得可变叶片组件位于涡轮机和中间壳体之间。

根据本发明的一个实施例，用于旋转同步环30的曲柄机构被特别构造以解决由叶片空气动力学加载、VNT机构的内部摩擦、和振动引起的载荷所导致的在曲柄机构和同步环之间的界面处的磨损问题。因此，参照图 3和4，图示了根据本发明的一个实施例的曲柄机构80。曲柄机构80包括定位在同步环30的径向外侧的外部曲柄组件82。外部曲柄组件包括连接到驱动轴86的一端的驱动臂84。驱动轴86的中心轴线基本上平行于同步环30的旋转轴线延伸，但是与同步环的外边缘间隔开并位于其径向外侧。驱动轴86的相对端被连接到曲柄臂88，曲柄臂88具有叉形端，叉形端限定了沿平行于同步环的旋转轴线的方向间隔开的两个腿89。

曲柄臂88的叉形端通过销90被连接到非圆形驱动块92，销90延伸通过每个腿89中的孔并且通过延伸穿过驱动块92的孔。驱动块92被设置在同步环30的外周中的对应成形的非圆形凹部94中，使得阻止驱动块相对于同步环旋转。将曲柄臂88的叉形端连接到驱动块92的销90可被刚性固定到所述块并且可枢转地连接到腿89，使得驱动块92能相对于曲柄臂88绕基本上平行于同步环的旋转轴线的枢转轴线枢转。替换地，销90的相对端可被刚性地固定到叉形端的腿89，并且销90可包括位于驱动块92中的孔内的圆柱形部分，使得销90能绕所述孔的轴线相对于驱动块92旋转。（见图4）。因此，曲柄机构被布置成使得由驱动臂84引起曲柄臂88沿着绕位于曲柄臂的相对端（由驱动轴86限定）的轴线A（图4）的运动弧线摇摆，由此绕着其轴线旋转同步环30。

应该从图3和4中认识到，同步环30、叶片臂44和曲柄臂88都基本上共面。因此，由驱动块92施加给同步环的力以及由叶片臂44施加给同步环的力全都作用在共同的平面内。这意味着在同步环上基本上没有平面外的力。

由于节约空间的原因，所述喷嘴环20的所述第一面可包括机加工的凹穴以容纳所述曲柄臂的所述叉形端的所述腿89中的一个。

优选地但不是最重要地，驱动块92和接收其的凹部94被构造成使得驱动块能沿着同步环的径向方向（基本上是图3中的上下方向）在凹部内滑动，使得驱动块能够在曲柄臂88沿着运动弧线摇摆时经历相对于同步环的径向运动。驱动块的能相对于曲柄臂枢转的能力以及其能相对于同步环径向运动的能力的组合导致了在驱动块和同步环之间的接触应力的大大缓解，并因此减少了它们的接触面的磨损。

在受益于前面的描述和附图中给出的教导下，本发明所属领域的技术人员会想到本文公开的本发明的许多改进和其它实施例。因此，应该理解本发明不是被限制于所公开的具体实施例，且改进和其它实施例都应该被包含在所附权利要求的范围内。虽然本文中采用的是具体的术语，但是它们仅是在一般的且描述性的意义下被使用且不是用于限制目的。

Claims (6)

1.一种用于涡轮增压器的可变叶片组件，其包括：

具有相对的第一和第二面的喷嘴环；

邻近所述喷嘴环的所述第二面并具有相应的轴的多个叶片，所述轴被接收在所述喷嘴环的孔内并且能在所述孔内旋转，使得所述叶片能绕着由所述轴限定的相应的叶片轴线在所述孔内旋转，每个轴的远端在所述第一面从相应的所述孔伸出；

被相应地刚性固定到所述轴的所述远端的多个叶片臂，每个叶片臂具有自由端；

邻近所述喷嘴环定位的同步环，所述同步环的第一面与所述喷嘴环的所述第一面相对，所述同步环被连接到所述叶片臂的所述自由端，所述同步环可绕着旋转轴线旋转从而绕着所述叶片轴线枢转所述叶片臂，由此同步地枢转所述叶片；以及

用于可旋转地驱动所述同步环以枢转所述叶片的曲柄机构，所述曲柄机构包括定位在所述同步环的径向外侧的外部曲柄组件、非圆形驱动块和曲柄臂，所述非圆形驱动块设置在所述同步环的外周中的对应成形的非圆形凹部中使得阻止所述驱动块相对于所述同步环旋转，所述曲柄臂具有连接到所述驱动块的叉形端和连接到所述外部曲柄组件的相对端，所述叉形端限定了在平行于所述同步环的所述旋转轴线的方向上间隔开的两个腿，所述驱动块被设置在所述腿之间并且被可枢转地连接到所述腿，使得所述驱动块能绕着基本上平行于所述同步环的所述旋转轴线的枢转轴线相对于所述曲柄臂枢转，所述曲柄机构被布置成使得所述曲柄臂沿着绕位于所述曲柄臂的所述相对端的轴线的运动弧线摇摆，由此旋转所述同步环，其中所述同步环、所述叶片臂、和所述曲柄臂全都基本上共面。

2.如权利要求1所述的可变叶片组件，其中所述驱动块和所述凹部构造成使得驱动块沿着同步环的径向方向能在所述凹部中滑动，使得所述驱动块能够在曲柄臂沿着所述运动弧线摇摆时经历相对于同步环的径向运动。

3.如权利要求1所述的可变叶片组件，其中两个突出部分别从所述驱动块的两个相对面延伸，并且所述叉形端的所述腿中的每一个都被固定到所述突出部中的相应一个。

4.如权利要求3所述的可变叶片组件，其中所述突出部包括延伸通过所述驱动块中的孔的销的相对端。

5.如权利要求4所述的可变叶片组件，其中所述销的所述相对端刚性地固定到所述叉形端的所述腿，并且所述销包括位于所述驱动块中的所述孔内的圆柱形部分，所述销能绕所述孔的轴线相对于所述驱动块旋转。

6.如权利要求1所述的可变叶片组件，其中所述喷嘴环的所述第一面包括机加工的凹穴以容纳所述曲柄臂的所述叉形端的所述腿中的一个。