CN104718387B - 用于轴颈轴承的端面油构造 - Google Patents

Abstract

一种例如用于涡轮增压器的轴颈轴承，该轴颈轴承具有一个轴向端面，该轴向端面被设计用于改善润滑和推力的平衡。该轴颈轴承的轴向端面被修改以便它提供推力，而在允许该轴承与相邻面之间发生润滑之前不会轻易地允许油逃逸。

Description

用于轴颈轴承的端面油构造

发明领域

本发明涉及用于内燃发动机的涡轮增压器并且更具体地涉及一种轴颈轴承，该轴颈轴承具有一个轴向面，该轴向面被设计用于改善润滑和推力的平衡。更确切的说，本发明提供了一种轴颈轴承，利用该轴颈轴承可以减少油的流动，甚至在该轴正经受轴向负载时也能可靠地维持。

发明背景

涡轮增压器被广泛用来增加内燃发动机的性能。热的排气驱动一个涡轮机转子，该涡轮机转子借助一个涡轮增压器轴来驱动一个压缩机转子。在柴油发动机的情况下，在排气涡轮机中发生大约740℃的温度，而在奥托循环(Otto-cycle)发动机的情况下发生高于大约1,000℃的温度。汽车的涡轮增压器在极高的旋转速度下运行，有时超过200,000RPM。尽管在这些严酷的条件下，现在必须的是设计用于超过200,000英里运行的可靠操作的发动机部件。这意味着必须确保轴承装置足够的润滑。

涡轮增压器轴被可旋转地支持在轴颈轴承上，通常是由一个轴承隔圈间隔开的浮动轴承。为了利用两个浮动轴颈轴承将润滑油递送到涡轮增压器的关键磨损点处，油典型地在高压下被递送到这些轴颈轴承的顶端并且通过多个径向孔被向内输送到该轴与该轴颈轴承的内径之间的界面处。在其轴向末端处，这些轴颈轴承具有多个必须适应旋转力和轴向力的支承表面。

关键的是，油不间断地流过这些轴颈轴承的轴向表面。然而，该轴以及多个轴上安装的构件的轴向移动会减小相邻构件之间的空间并且限制油的流通。油流通的减少的结果是，这些金属表面和/或油会变得更热，由此减小油的有效性并且增加零件的磨损。为了补偿，已知的是增加油通过涡轮增压器轴承壳体的流量。然而，在该轴颈轴承的轴向外表面处的增加的油流量会紧邻活塞密封件，并且因此恰恰在最易泄漏的地方，从而增加了油从该轴承壳体泄漏到该涡轮增压器的涡轮机部分或压缩机部分的机会。该涡轮机壳体中的润滑油将会与排气流一起直接被排放出发动机而进入大气中。进入到该压缩机壳体中的润滑油将会被注入到发动机的燃烧室中，在此处它将不会被适当地燃烧并且将会被发动机作为不希望的碳氢化合物污染物被排出。通常认为，超过一半的涡轮增压发动机的碳氢化合物排放物来自于通过该涡轮增压器的油泄漏，而不是来自于发动机本身。

因此，一方面需要实现涡轮增压器更长的使用寿命，这意味着需要增加油流量，而另一方面，需要减少碳氢化合物排放物，意味着通过该轴承壳体的油流量需要最小化以便减少油泄漏到该涡轮增压器的涡轮机壳体或压缩机壳体中的机会。

为了确保这些轴承的轴向外端面处良好的润滑油流动而不会增加总的流量，已提出的是，在轴颈轴承的端面上提供多个径向延伸的楔形槽，从而允许来自该轴的“已用过”的油径向向外地流动以便逃离到该轴承壳体的排油腔中。例如参见，沃伦韦伯(Wollenweber)的美国专利3,390,926和3,993,370，这些专利传授的是在可安装在轴上的构件(例如轴颈轴承)的两个轴向端面上的径向延伸的槽。这些槽配备有一个带有150°角度的“V”形以用于在该轴承与相邻构件之间产生一个轴向力，并且在压力下所提供的油结合这些150°槽来提供一个推力功能。

沃德(Ward)的美国专利6,709,160传授的是，轴颈轴承的一个轴向端面配备有多个径向槽以允许润滑油跨过该端面的径向流动，由此润滑在轴颈轴承与该轴承壳体上的一个肩台之间的推力表面。这些槽被构成用来使流体穿过其流动而不会产生一个显著的推力负载。

本发明人回顾了目前可获得的轴颈轴承的端面设计并且他想到的是，在轴颈轴承中，其中端面配备有径向延伸的楔形槽以用于产生一个轴向推力负载，比起有效地产生轴向推力负载，这些槽中的油更有可能被泵送到槽的开放外端之外。本发明人注意到，即使在以下轴颈轴承中，带有配备有复杂坡面或衬垫的端面以增加推力，这些轴颈轴承也配备有径向槽用于用过的油的逃逸并且因此倾向于具有相同的问题。

本发明人考虑到，存在对具有润滑和推力负载改善的平衡的轴颈轴承的需要。

因此本发明的一个主要目的是提供一个涡轮增压器轴承系统，其特征为一个高效率的、精确的、受控的润滑系统，该润滑系统允许以最少的油流动通过该轴承壳体而实现轴承轴向端面的极好润滑，由此提供一个在运行中可靠并且耐用的涡轮增压器。

本发明的另一个目的是提供一个涡轮增压器轴承组件，该轴承组件将减少泄漏到发动机进气或排气流中的油量，由此减少该发动机的碳氢化合物排放物。

本发明的另一个目的是实现以上目的同时提供一种设计简单并且容易制造的涡轮增压器轴承组件。

发明概述

本发明人重新设计了该轴颈轴承的轴向端面以提供一个构造，该构造在允许该轴承与相邻面之间发生润滑之前不会轻易地允许油泄漏。

这是通过提供一个轴颈轴承的带有两个在功能上明显特征的轴向端面来实现的。推力面通常是平面的。然而，在径向向内的区域中，提供了凹陷的特征以产生一个加压的油膜。这些特征的径向向外处，该平面是一个连续的平面，即没有槽或其他用于油径向通过的特征。由此，外部区域起流体动力学中的“坝”的作用，在该径向向内的区域中辅助建立一个处于压力下的油储存器。这个设计在所有情况下提供了改善的流量。该“坝”不仅仅确保了油不会在增加的推力负载的情况下流出径向槽，并且还确保了油保持在该径向向内区域中以保证该内部区域的推力负载的功能。

利用轴颈轴承端面的本发明设计，没有必要由于担心油流量受限制而增加油流量。取而代之，有可能实现减小总的涡轮增压器的油流速，进而减少排放物，不用担心在浮动旋转轴颈轴承端面处的轴向负载情况下油流量的不足。

附图的简要说明

本发明是通过举例而非限制的方式展示在这些附图中，其中类似的参考数字表示相似的部分，并且在这些附图中：

图1描绘了本发明的独创性轴颈轴承端面的第一实施例；

图2描绘了本发明的轴颈轴承的端面第二实施例；并且

图3描绘了本发明的轴颈轴承的端面第三实施例。

发明的详细说明

一种具有根据本发明端面的轴颈轴承特别是在保证轴向推力情况下的油流量方面得到改善，除了用独创性轴颈轴承替代常规的轴颈轴承外不需要对该涡轮增压器进行修改。该轴颈轴承可以是一个具有三件式设计的“浮动”轴颈轴承，其中两个轴颈轴承被一个轴承隔圈间隔开、或者可以是一个具有一体式设计或三件式设计的“固定”轴颈轴承。因此，在此不需要说明涡轮增压器的运行并且具体是多个轴颈轴承的运行。可以参照例如针对“浮动”轴承的美国专利6,709,160以及针对“固定”轴承的美国专利6,017,184中的披露内容。

在图中所示出的三个轴颈轴承各自具有一个轴向端面1，该轴向端面具有一个径向向外区域和一个径向向内区域。这些区域具有不同的功能并且因此具有不同特有的设计特征。

该径向内部区域配备有多个凹陷特征2a、2b、2c，这些特征被设计成在该轴颈轴承平面的端面与相对的推力表面之间产生一个加压的油膜，该推力表面可以是一个静止面(例如轴承壳体)或者一个旋转面(例如涡轮增压器轴的肩台)。

该径向外部区域包括一个连续的平面，该连续平面被提供用来妨碍油通过，由此确保该径向向内区域中足够的油量和油压，从而使得在该轴颈轴承端面与相邻的推力表面之间产生润滑，并且防止金属对金属的接触，即使是在轴向推力是由旋转组件产生的情况下。

由此，该外部区域起到不完美或“恰恰好”的密封作用，以辅助妨碍该内部区域中的油压损失。如果该旋转组件(包括涡轮增压器轴、压缩机叶轮和涡轮机叶轮)将增加的轴向负载施加到这个端面上(即在突然加速的过程中)，则轴向压力可能引起该轴轴向地移动，从而减少“密封间隙”。根据本发明，如果油径向向外的逃逸由于该外部区域中缺少逃逸路径而被阻碍，则油量和油压会在该内部区域中建立，并且该内部区域中的推力负载功能被提高，于是密封间隔间隙被修复但是处于增加的压力下，这转化为增加的轴向推力以满足由该旋转组件引入的增加的轴向负载。

这些轴承端面处的推力表面可以具有不同的类型；例如，这些支承端面在该内部区域中可以具有多个径向槽，优选具有V形截面，其中每个槽的边形成一个大约为150°的夹角。根据本发明，这些径向槽没有延伸跨过该径向外部区域并且不会为油提供毫无阻碍的逃逸机会。

图1示出了多个推力增加的凹陷区域2a，如由例如圆形切削工具的轴向移动或者钻头的径向运动产生的。用这利，方式产生的轴颈轴承可以简单地通过机加工一个“现成的”轴颈轴承来产生，只要切削掉的区域只与该轴向端面的内径而不是与外径相交。

图2示出了推力增加的区域2b，其中材料移除是通过铣削或机加工来实现的，但是其中工具与孔的轴线成一个角度向外移动而不是如图1中的通过平行于孔的轴线来移动工具产生的。

图3示出了一个楔形凹陷斜坡，该斜坡通过与垂直于该轴颈轴承的中心轴线的平面成一个角度倾斜该切削工具来产生的。

在所展示的实施例中，油在压力下被递送(例如从内燃发动机的润滑系统中)到该轴颈轴承的外圆周的一个中央凹陷区域3中并且通过多个径向孔4转移到该轴颈轴承的内径5中。这个油沿轴与轴颈轴承孔之间的间隙转移直到它到达该轴颈轴承的轴向末端，在此点处由于离心力它通常径向向外地旋转。任选地，如果希望进一步增加到轴承末端上的推力表面的油的供应，每个轴颈轴承可以配备有一个或多个轴向孔，该轴向孔与承载加压的油的径向孔4相连通并且将油供应例如到在该端面的内部区域中提供的这些凹陷特征2a、2b、2c中的一个或多个凹陷特征中。因此，冷油的直接供应被引入到所有的推力表面上。然而，在本发明的优选实施例中，此类补充的轴向流动通道是不要求的，因为该轴向末端面的连续外部平面特征的油流量控制功能确保了充足的油。

作为另一个替代性结构，可以在该轴承的轴颈内表面中提供多个槽以用于将油运载到推力支承表面上，但是同样，这不是必须的，并且本发明的目的是在减少的油流量下提供连续润滑。

在本发明的一个优选实施例中，这些轴颈轴承端面配备有多个倒角；位于该轴颈轴承孔或内表面与轴向端面界面处的一个内倒角6，以及位于该轴颈轴承外表面与轴向端面界面处的一个外倒角7。这些倒角可以仅在该轴颈轴承的一个轴向末端处或者在内侧末端和外侧末端处提供。倒角不但有利于轴颈轴承安装到轴上和孔中，而且促进润滑油的流动。

优选地，该轴颈轴承的两个轴向末端配备有同样的特征，这样使得轴颈轴承在手动组装该涡轮增压器时不会“反向安装”。因此，这些轴颈轴承与现代涡轮增压器的高生产率制造标准是兼容的。

因为本发明的轴颈轴承是有效率并且有效的，油流量可以被减少，由此产生了一种能够具有很长使用寿命的涡轮增压器同时依然减少了需要实现这些目的的润滑油的量，并且因此显著地减少了由该涡轮增压器造成的碳氢化合物排放物的量。

该轴颈轴承的内径和外径可以是圆形的(即管状)或者可以配备有凸面。

在图中所示出的轴颈轴承是一个系统的一个轴颈轴承，该系统通常包括由一个轴承隔圈间隔升的两个轴颈轴承，而实际上，本发明的轴颈轴承可以是一个一体式轴颈轴承，支持该轴的压缩机端和涡轮机端。该轴承可以是自由浮动的或者可以是“固定的”并且因此是半浮动的。

在脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以制造各种不同的修改和变更。因此，应理解的是，本发明的展示的实施例仅仅为了示例的目的而提出并且不应被认为是对本发明的限制。该轴颈轴承可以是一体式或者可以是三件式。该轴颈轴承可以是“固定的”或者可以是自由浮动的。

Claims (6)

1.一种用于转轴的轴颈轴承，所述轴承包括至少一个轴向端面，所述端面包括：

一个径向外部的平面表面，以及

一个或多个产生推力的径向内部的凹陷特征，这些径向内部的凹陷特征被适配用来增加该轴向端面处的推力，

其中所述径向外部的平面表面在所述一个或多个产生推力的径向内部的凹陷特征的径向上向外地提供了一个连续的环形表面，所述径向外部的平面表面不具有用于使油沿径向通过的特征，从而能够妨碍油通过。

2.如权利要求1所述的轴颈轴承，其中该平面的轴向端面的外径是圆形的。

3.如权利要求1所述的轴颈轴承，其中该端面包括两个或更多个用于产生推力负载的非平面特征。

4.如权利要求3所述的轴颈轴承，其中用于产生推力负载的非平面特征包括斜坡特征。

5.如权利要求1所述的轴颈轴承，其中该轴颈轴承包括一个外表面，该外表面被适配成被接收在一个轴承壳体孔中，并且其中该轴颈轴承包括一个在该外表面上的中央凹陷区域(3)并且进一步包括多个在该中央凹陷区域(3)与该轴颈内径之间的径向孔(4)。

6.如权利要求5所述的轴颈轴承，进一步包括一个或多个与这些径向孔(4)相连通的轴向孔以及这些凹陷特征(2a，2b，2c)中的一个或多个特征。