CN104736815B - 用于涡轮增压器的、带有轴承间隔件分度的速度传感器插入件 - Google Patents

Abstract

现代的涡轮增压器使用速度传感器来在运行过程中确定轴的速度。为了更换在带有由一个间隔件分开的多个轴颈轴承的一个涡轮增压器中的速度传感器，必须从在该间隔件中的一个窗口中抽出该速度传感器的尖端并且通过相一个窗口来更换。如果在传感器被移除时间隔件转动的话，则该窗口会与该传感器的轴线失去对准，并且传感器将不能再次插过该窗口。提供了一个插入件以用于在抽出该传感器时防止该间隔件中窗口的旋转。该插入件也防止从该轴传递到该轴承间隔件以及随后到该速度传感器上的波动的接触力对该速度传感器产生磨损。因此，改善了速度传感器的耐久性，并且减少了失效率和对传感器更换的需求。

Description

用于涡轮增压器的、带有轴承间隔件分度的速度传感器插 入件

技术领域

本发明提供了一种用于固定涡轮增压器的速度传感器改进的装置，该装置也可以固定一个轴颈轴承间隔件以防旋转。

背景技术

涡轮增压器是一种强制进气系统。它们将空气以与在正常吸气构型中的可能情况相比更大的密度传送到发动机进气中，从而允许燃烧更多的燃料，进而在没有明显增加发动机重量的情况下提升了发动机的马力。这使得能够使用一台较小的涡轮增压的发动机来替代一台较大物理尺寸的正常吸气的发动机，因此减少了车辆的质量以及空气动力学的前端面积。

涡轮增压器的叶轮被设计成在高峰工况时以近似最高应力运转。这与叶轮的设计相对应地在压力与质量之间产生了最佳折衷以便在叶轮的所希望的效率与压力比率上对提供最低的惯性。这种折衷的推断是涡轮增压器的叶轮不能以超速状态运行或叶轮会受到过度的应力。与受到过度应力的状态一起出现的是由于叶轮运行的速度循环期而产生的损伤累积。损伤累积是涡轮增压器叶轮中低循环数疲劳（LCF）的主要因素。

涡轮增压器的旋转组件以异常高的速度旋转，对小转子而言是在200,000 RPM的数量级，而对大转子而言是在80,000 RPM的数量级。由于涡轮增压器的发明，转速已经稳定地攀升。瞬态响应是针对加速的或减速的发动机的一个基于时间的速度变化量度。涡轮增压器的功能是发动机瞬态响应中的一个重要因素。一个典型的瞬态响应的测量约定是发动机从高怠速发动机转速到80%最大扭矩所花费的时间。由于涡轮增压器转速是涡轮增压器瞬态响应中的一个重要组成部分，在发动机高怠速下涡轮增压器的转速越快，就会花费越短的时间到达最大发动机扭矩。虽然这是一个简单的观点，但随着发动机高怠速下的高增压器转速带来了最大发动机扭矩下的高增压器转速；所以必须防止涡轮增压器超速。

在电子发动机控制出现之前，压缩机叶轮的选择与设计是相当简单的，带有大的安全余度和大幅度的补偿余度，所以，总的来说，叶轮以比较沉稳的速度水平运行。随着电子发动机控制的引入，就变得有可能自始至终使得涡轮增压器以设计极限或在设计极限附近运行，因而叶轮中的损伤积累变得严重，并且低循环数疲劳失效变得更常见。

还商用地介绍了可变几何形状涡轮增压器和调节式两级涡轮增压器。在这些情况的每种情况下，涡轮增压器都变得有可能“超速”。就VTG（可变涡轮几何形状）而言，将叶片收起使得排气加速到达涡轮机叶轮的叶片上从而致使旋转组件的速度增加。旋转组件是与惯性相关联的，并且因此在从高速上闭合这些叶片与旋转组件的停止加速之间有一个滞后时间，并且这可能会导致一个最大转速过调。此外，就调节式两级涡轮而言，较小级被用于快速发动机加速，而较大的级是用于在发动机工况的高端提供足够的质量流量。如果从小的涡轮增压器到大的涡轮增压器的切换延迟的话，那么小的涡轮增压器的速度就可能超出范围，并且涡轮可能超速。

为了对旋转组件的速度进行精确控制，涡轮增压器有时还配备有转速传感器。速度传感器有几种类型。可变磁阻（VR）传感器在传感器的末端围绕一个磁铁使用一个线圈。随着旋转的目标周期性地接近和远离这个磁铁，吸引力会改变磁场的形状，这在线圈中感应出可测量的电压。另一类是电磁传感器，这种传感器读取一个旋转轴上的一个平坦部的循环阻抗。如图1和2描绘的，支撑着这些轴颈轴承的轴和叶轮的这个“轴”（11）具有大致在这些轴颈轴承（64）之间制作的一个平坦部（13）。出于对称/平衡/应力的原因，有时在这个轴中制作有相反的多个平坦部的。在以上的传感器类型中，旋转轴上的平坦部经过传感器的末端（73），从而由此随着从传感器的末端到这个轴（11）的近似表面的距离的周期性改变而提供一种信号，而这种改变是由于从轴的中心到轴的外圆的半径与到轴上的平坦部（13）的不同作为。从传感器（70）发出的信号通过电缆（75）传输给发动机电子控制系统。

为了将速度传感器（70）装配到涡轮增压器的轴承壳体（20）上，传感器（70）的螺纹部分（71）被拧入到速度传感器被定位于其中的孔的一个互补的螺纹部分（21）中。该传感器深度的设定和维持是通过将传感器上的一个面向内的表面（76）定位抵靠在轴承壳体（20）上的一个面向外的支座上来实现的。传感器的内部末端（73）与旋转轴（11）的外表面之间的“空隙”必须为使得传感器持续地并且精确地运行而都被设定并且保持不变。

传感器的这个末端（73）（其直径是在0.75毫米的范围内）总体上必须与轴的表面处于小于1 mm的距离内。对于涡轮增压器的轴颈轴承（64）是由一个间隔件（67）来轴向分开的设计而言，该间隔件典型地是由将会遮蔽旋转轴的平坦部-外圆的循环距离变化的含铁金属制作成的。因此，在间隔件中提供了一个窗口（68），并且速度传感器的尖端伸过此窗口。传感器（70）的轴（72）伸入间隔件（67）中就约束了这个间隔件使其不能绕涡轮增压器的轴线（1）旋转。在组装过程中，这个间隔件是由一个磁性工具固持在位（从而使得间隔件中的窗口（68）与传感器轴对齐）的，该磁性工具是在将压缩机端轴颈轴承组装到轴颈轴承孔中之前插入到这个轴颈轴承孔中的。

因为这样的传感器是存在于一种热且有振动的恶劣环境中的精细电子物件，它们倾向于会失效。为了更换速度传感器（70），技术人员就必须从轴承壳体（20）拧下传感器并且通过将传感器（70）的末端（73）插过轴承壳体并且然后插过间隔件的窗口（68）的方式来更换传感器。在移除传感器时，相当容易的是使得这个旋转组件旋转移动并且以所述旋转来拖动轴颈轴承间隔件，从而由此将间隔件（67）中的窗口（68）移动离开其先前的与传感器的轴线对齐的状态。由于间隔件是在长孔的底部，技术人员不能看到间隔件中的窗口相对于将传感器装配进入其中的这个孔的位置。传感器的末端无法穿过间隔件中的窗口（68）可能对传感器造成损坏并且对间隔件和轴承造成潜在的损坏。

从授权给本专利的受让人的WO 2012024092已知，在一个轴承壳体凹陷部固定一个速度传感器，并且在围绕速度传感器的这个轴承壳体凹陷部中安排一个柔性套筒并且使得该柔性套筒以一端接合进入这个传感器凹陷部。然而，一旦组装后，就难以为涡轮增压器大修而触及和移除这个柔性套筒。

此外，在正常的涡轮增压器运行过程中从轴传递到轴承间隔件上的波动扭矩会使得间隔件对传感器探头的外侧造成磨损和损伤。对于防止对传感器探头产生这样的损伤存在着需求。

发明内容

本发明提供了一种涡轮增压器，在该涡轮增压器中能够移除速度传感器以用于维修，同时使得替换的速度传感器的尖端必须被插过其中的这个轴颈轴承间隔件中的窗口保持在位。这是通过使用一个插入件做到的，该插入件延伸穿过轴承壳体并且延伸至间隔件中的窗口中，并且在移除速度传感器的过程中保持在位，从而使得速度传感器能够以传感器的尖端穿过间隔件中的窗口来重新安装。该插入件也可以被容易地移除以用于拆卸涡轮增压器。

附图说明

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描绘了一种典型的浮动轴承涡轮增压器的截面；

图2穿过一个典型的涡轮增压器的图1中的截面“S-S”描绘了一个；

图3描绘了图2的一个放大的视图；

图4描绘了创造性的插入件的一个放大的视图；

图5描绘了创造性的插入件的一个变体的放大的视图；以及

图6描绘了本发明的第二实施例的一个放大的视图。

具体实施方式

为解决移除速度传感器以用于维修或更换时轴颈轴承间隔件旋转的问题，本发明人产生了一种插入件的设计，这种设计允许移除速度传感器而同时保持间隔件的对齐，从而允许将速度传感器重新插过间隔件。本发明的另一个优点是，这种插入件防止了间隔件磨损和损伤传感器探头的外侧，在其他的情况下会由于在正常的涡轮增压器运行过程中从轴传递到轴承间隔件的波动扭矩产生这种磨损和损伤。因此，改善了速度传感器的耐久性和失效率，并且较少了对于更换的需求。

在本发明的第一实施例中，如图4中所示，一个插入件（80）被拧到轴承壳体（20）中以便为速度传感器（70）提供一个支座。插入件（80）具有一个特征（85），如一个六角形部或多个平坦部，从而使得它能被旋转而拧入到轴承壳体（20）中。该插入件具有面向外的螺纹（82），该螺纹可以被拧入到轴承壳体（20）中的一个面向里的互补螺纹（22）。在本发明的这种优选模式中，插入件（80）是由“O”型圈或其他如锥形螺纹（86）的合适的手段来密封到轴承壳体（20）上的，并且插入件在轴承壳体中的鼻状部分的深度（即，与轴（11）轴线的距离）是由从螺母或定位特征的面向内的表面（87）到插入件（80）的内部末端的距离来控制的。螺母或定位特征的这个面向内的表面（87）是由轴承壳体（20）上的一个支座轴向约束的。该传感器（70）具有面向外的螺纹（71），该螺纹可以被拧入到插入件的面向内的螺纹（21）中。

当传感器被拧入到插入件中时，传感器上的凸缘（76）顶靠在插入件上的一个分度表面上，从而由此设定了传感器在插入件中的深度。如以上解释的，插入件的深度（在轴承壳体中的）是以一个类似的方法用插入件面向内的表面（87）顶靠该轴承壳体的一个面向外的表面来设定的。因此，设定了传感器的末端（73）与转动轴（11）之间得到的气隙。

插入件的管状部分（84）的下端位于间隔件（67）的窗口（68）中。当移除了传感器时，插入件依然在位，从而由此使得间隔件窗口与传感器位置的轴线对齐，这样使得传感器可以被重新正确地插到其运行位置。

在本发明的第二实施例中，如图6所示，为感测涡轮增压器中配备有滚动轴承（REB）的旋转组件的速度，内圈的外直径配备有一个平坦部，以用于为感测内圈以及由此的旋转组件的旋转速度而产生一个循环信号的目的。在内圈被轴向分成双件的情况下，平坦部可以是在任一个内圈件上的，只要传感器轴线是与该平坦部的中心轴线对齐，从而使得传感器可以读取循环信号即可。

在本发明的第二实施例中，旋转组件的轴（11）是支撑在并且位于一个REB组件的内圈（102）中的。REB组件（或套筒）是位于轴承壳体（20）中的一个孔（23）内的。典型地，外圈（101）的外直径，或在某些情况下是包含外圈（101）的套筒的外直径是由润滑油膜支撑的以用于对REB组件加以阻尼。由于外圈（或套筒）的外表面与轴承壳体中的这个孔（23）之间没有金属对金属的接触，外圈在角度方向上和径向上是完全无约束的并且在径向上是部分约束的。本发明人看到机会来为REB外圈（或套筒）提供轴向和角方向二者上约束，同时为速度传感器提供一个支座。

将一个插入件（80）拧入到轴承壳体（20）中以便为速度传感器（70）提供一个支座。插入件（80）具有如一个六角形或平坦部的一个特征（85），从而使得它能被旋转而拧入到该轴承壳体（20）中。该插入件具有一个面向外的螺纹（82），该螺纹能够被拧入到轴承壳体（20）中的一个面向内的的互补螺纹（22）中。在本发明优选的模式中，插入件（80）是由“O”型圈（86）密封到轴承壳体（20）上的，并且插入件的鼻状部分在轴承壳体中的深度（即，与轴（11）轴线的距离）是由从螺母或定位特征面向内的表面（87）到插入件（80）的内端的距离控制的。这个螺母或定位特征面向内的表面（87）是由轴承壳体（20）的一个支座来轴向约束的。该传感器（70）具有一个面向外的螺纹（71），该螺纹可以被拧入到插入件中的一个面向内的螺纹（21）中。

当传感器被拧入到插入件时，传感器上的一个面向内的表面（76）顶靠该插入件上的一个面向外的表面，从而由此设定了传感器在插入件中的深度。插入件的深度（在轴承壳体中）是用一个类似的方法将插入件面向内的表面（87）顶靠在轴承壳体的一个面向外的表面上而设定的。由此，设定了传感器的末端（73）与旋转内圈（102）之间所导致的气隙。

插入件的管状部分（84）的末端位于外圈（101）的窗口（100）中，从而由此使得外圈窗口（100）与传感器的轴线对齐，从而使得传感器可以被重新正确地插到其运行位置。用与将传感器直接组装到轴承壳体中相类似的方式，REB的外圈（101）被一个磁性工具固持在位（这样使得外圈中的窗口（100）与传感器的轴线对齐），而该磁性工具是组装对于REB的封闭物之前插入到REB孔（23）中的。

在这一设计中，插入件（80）的管状末端（84）由此提供了一种使得外圈中的窗口（100）与速度传感器的轴线保持对齐的手段（使得简单的维修能够更换速度传感器），同时也为外圈（或套筒）提供了相对于轴承壳体（20）的轴向和角方向上的约束。

在对于本发明的第一和第二实施例的一个变体中，插入件（80）可以被压入或者被敲入轴承壳体中或是钎焊或焊接的，只要保持了传感器的末端（73）与轴（11）的外表面之间的轴向气隙尺寸、并且该界面提供了与轴承壳体的封油密封以防止漏油即可。朝向插入件（80）的外端的是一个总体上圆柱形的外表面（83），该外表面是压入或收缩到一个总体上圆柱形的孔（92）中的，该孔与轴承壳体中的速度传感器（70）的轴线的同心以便提供与传感器所希望的轴线的对齐。插入件（80）在一个向外方向上是受到轴承壳体材料在凸缘（90）的面向外的表面上的铆固（91）所约束的。

在对于本设计的其他变体中，插入件（80）可以在一个向外的方向上是由其他机械或化学手段（例如焊接或粘合）约束在轴承壳体中的，或是简单地通过该孔（92）与该插入件外侧的表面（83）的一种更大的冷缩配合来约束在轴承壳体中的。

Claims (7)

1.一种涡轮增压器，其具有涡轮增压器轴承壳体，所述涡轮增压器轴承壳体包括：

一个轴承孔，

位于该轴承孔内的两个轴颈轴承，

一个管状轴承间隔件，该管状轴承间隔件具有第一和第二轴向末端以用于将所述轴颈轴承间距分开，并且具有至少一个径向开口，

一个安装孔，

一个总体上管状的插入件，该管状的插入件被安装在该安装孔中并且延伸到该管状轴承间隔件的所述至少一个径向开口中，以及

一个旋转速度传感器，该旋转速度传感器通过螺纹装配件或摩擦配合安装到该管状的插入件上，所述旋转速度传感器具有凸缘，所述凸缘被构造成顶靠在该管状的插入件上的一个分度表面上，从而设定了该旋转速度传感器在该管状的插入件中的深度。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该总体上管状的插入件是通过一种螺纹配合、一种摩擦配合或是通过粘合、铆固、或焊接来安装在该安装孔中的，所述摩擦配合包括压力配合。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该管状的插入件和旋转速度传感器配备有多个分度特征以用于设定该旋转速度传感器的穿入深度。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该管状的插入件具有内螺纹和外螺纹。

5.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该涡轮增压器轴承壳体具有一个外表面，该管状的插入件包括一个部段，该部段向外伸出超过该涡轮增压器轴承壳体的外表面，并且其中，所述伸出的部段包括用于接合所述管状的插入件以用于旋转的多个特征。

6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中，用于接合所述管状的插入件以用于旋转的所述特征包括一个或多个平坦的表面。

7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述平坦的表面形成一个六角形。