CN104870758B - 流体膜锥形或半球形浮动式环轴承 - Google Patents

Abstract

一种涡轮增压器配备有经改善的轴承，该经改善的轴承被形成为具有锥形或半球形形状、支撑轴颈负载和推力负载两者的浮动式环轴承或半浮动式环轴承。该浮动式环轴承可以具有限定了锥形轴承内表面(71)、(108)、(185)和锥形轴承外表面(72)、(109)、(186)的多个锥形浮动式环轴承(70)、(100)、(180)，这些轴承表面在内侧上与随着该轴(53)进行旋转的对应锥形轴颈(75/76)、(111/112)、(187/188)协作并且在外侧上与静止的轴承壳体(52)协作以形成内流体膜和外流体膜。替代地，该浮动式环轴承可以具有一对半球形浮动式环轴承(85)、(140)、(210)，这对半球形浮动式环轴承具有形成内流体膜和外流体膜的半球形轴承内表面(86)、(144)、(211)和轴承外表面(87)、(145)、(212)。半浮动式环轴承也可以配备有这些结构。

Description

流体膜锥形或半球形浮动式环轴承

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年12月27日提交的并且题为“流体膜锥形或半球形浮动式环轴承(Fluid Film Conical Or Hemispherical Floating Ring Bearings)”的美国临时申请号61/746,144的优先权及所有权益。

发明领域

本发明涉及一种具有改善的轴轴承的涡轮增压器并且更具体地涉及一种在涡轮增压器中的改善的浮动式环轴承，该轴承具有锥形或半球形形状。

发明背景

在发动机上提供涡轮增压器以便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。这允许燃烧更多的燃料，进而增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。

通常，涡轮增压器使用来自发动机排气歧管的排气流，该排气流在涡轮机入口处进入涡轮机壳体，以便由此驱动位于该涡轮机壳体内一个涡轮机叶轮。该涡轮机叶轮提供旋转动力以驱动该涡轮增压器的压缩机叶轮。这些压缩空气随后被提供到如以上提及的发动机进气。

更详细地参照在图1中以截面视图示出的代表性涡轮增压器10，该涡轮增压器10包括：一个涡轮机壳体或外罩12，该涡轮机壳体或外罩具有一个在其内沿圆周方向延伸的一个蜗壳14；一个压缩机壳体16和一个压缩机蜗壳17；以及一个涡轮机叶轮18和一个压缩机叶轮19，该涡轮机叶轮和压缩机叶轮通过一个轴21而可转动地连接在一起。轴21由一个轴承系统22支撑，该轴承系统被支撑在一个中央轴承壳体23内，该中央轴承壳体被布置在涡轮机壳体12与压缩机壳体16之间。轴承壳体23限定了一个轴承室24，该轴承室在压缩机壳体16与涡轮机壳体12之间轴向地延伸以便允许轴21在其之间轴向地延伸，这样使得在涡轮增压器10的运行过程中，涡轮机叶轮18的旋转驱动压缩机叶轮19的旋转。

在所展示的涡轮增压器10中，轴承系统22典型地包括位于轴承室24内的一个轴颈轴承25以便为该旋转轴21提供径向支撑。出于参考目的，Z方向沿着轴21的中央轴线轴向地延伸，而X方向和Y方向从此向外径向地延伸。沿着Z方向观察到轴21和涡轮增压器10的端视图，而侧视图是在X方向上获取的。这些方向是出于参考和观察的目的并且不旨在进行限制。

图2和图3展示出了当前在商业上使用的已知轴承构型的一个实例。在这个构型中，提供了多个轴向间隔开的浮动式环轴承30，这些轴承被可滑动地接纳在轴承室24内并且环绕轴21。更具体而言，每个浮动式环轴承30被径向地定位在轴承壳体23的一个径向面朝内的室表面31与轴21的一个径向面朝外的轴表面32之间。这些浮动式环轴承30是沿着Z方向被一个圆柱形轴承间隔件33彼此轴向地分开的，其中每个浮动式环轴承30在轴旋转过程中能够小程度地径向浮动或移动。浮动式环轴承30起作用来径向地支撑该轴21并且防止响应于轴21上的径向负载而发生轴21与轴承壳体23之间的径向接触。

为了支撑沿着Z方向的轴向轴负载，轴承系统22还包括一个环形推力轴承35，该环形推力轴承具有面向相反的轴向方向的多个相反端面36。在一侧上，一个端面36轴向地面向轴承壳体23的对置面以及支撑在轴21上的止推垫圈37。相反的端面36面向被支撑在轴承壳体23上的一个环形插入件38。推力轴承35被轴向地固定在插入件38、止推垫圈37和轴承壳体23的对置面之间并且因此能够容纳轴向轴负载。

为了衰减由轴旋转所引起的径向和轴向移动，一种流体(例如油)被供应给轴承室24，该油能够围绕这些浮动式环轴承30和该推力轴承35流动。该油经一个入口通路39被供应至轴承室24，该入口通路向将油供应至这些浮动式环轴承30的两个油供送端口40进行供送、并且向将油供应至推力轴承35的一个额外油供送端口41进行供送。

关于浮动式环轴承30，油由此环绕轴承30的圆周外表面和圆周内表面。在轴旋转过程中，在轴承内表面上形成流体内膜，该流体内膜限定了径向地支撑轴21的一个轴颈轴承。这些轴承外表面还具有围绕其形成的一个外流体膜，该外流体膜对浮动式环轴承30提供径向支撑。这些外膜和内膜形成在轴承外表面和内表面与相应的室表面31和轴表面32之间。关于推力轴承35，也在轴承表面36与插入件38和止推垫圈37的对置表面之间形成流体膜，以便支撑轴向轴负载。

尽管如上所述，但已知的轴承构型依然可能存在缺点。

本发明涉及一种用于涡轮增压器的改善的轴承，其中本发明的轴承优选地是具有锥形或半球形形状的、支撑径向负载和轴向负载两者的浮动式环轴承。这通过消除推力轴承及其在旋转轴上的止推垫圈或导槽在减少零件数方面提供了明显的优点。此外，本发明的设计降低了功率损失、简化了热管理并且提供了增强的系统稳定性。

在本发明的一个实施例中，提供了一对锥形浮动式环轴承，这些轴承具有截头锥形形状以由此限定锥形的轴承内表面和外表面，这些表面在内侧上与随着该轴进行旋转的对应锥形轴颈协作并且在外侧上与静止的轴承壳体协作以便形成内流体膜和外流体膜。在本发明的第二实施例中，提供了两个半球形浮动式环轴承，这些轴承具有弧形的轴承内表面和外表面，这些表面在内侧上与随着该轴进行旋转的对应半球形轴颈协作并且在外侧上与该静止的轴承壳体协作以便像锥形环轴承一样也形成内流体膜和外流体膜。

在这两个实施例中内流体膜和外流体膜在轴向和径向两个方向上提供支撑以便容纳在轴旋转过程中该轴所携带的轴向推力负载和径向轴颈负载。通过将这些锥形或半球形轴承整合至这些浮动式环轴承中，这个改进显著地降低了轴承功率损失并且增强了总的轴承阻尼能力。例如，与推力轴承相关的不稳定性可以通过在锥形或半球形浮动式环轴承中提供外膜而得到改善。这些经改善的浮动式环轴承还能够对该轴承壳体实现更紧凑且简单的设计，因为这些经改善的设计消除了对用于推力轴承的油供送端口的需要。

在多个另外的实施例中，这些分开的锥形浮动式环轴承可以连接在一起作为一个单一的筒状单元以便形成一个锥形半浮动式环轴承。提供了径向地穿过该半浮动式环轴承的壁的一个或多个油供送通路以用于供应在内流体膜与外流体膜之间的油流动。这个结构还可以用来形成半球形半浮动式环轴承。

如果希望的话，该半浮动式环轴承可以不可旋转地支撑在轴承壳体上，例如通过防转夹，以便形成锥形或半球形半浮动式环轴承的另外一个实施例。在这个设计中，外油膜充当一个挤压膜阻尼器。

如将在此进一步说明的，本发明的浮动式环轴承提供了优于已知的轴承构型的多个优点。

本发明的其他目标和目的以及其变体将通过阅读以下说明书和查看附图变得清楚。

附图的简要说明

图1是代表性涡轮增压器的截面视图。

图2是具有浮动式环轴承和推力轴承的涡轮增压器的截面侧视图。

图3是图2的放大截面侧视图。

图4是具有本发明第一实施例中的锥形浮动式环轴承的涡轮增压器的截面侧视图。

图5是图4的放大截面侧视图。

图6是本发明的第二实施例中的半球形浮动式环轴承的一个截面侧视图。

图7是第三实施例的截面侧视图，示出了根据本发明的锥形半浮动式环轴承。

图8是图7的放大截面侧视图。

图9是第三实施例的侧视图，示出了被保持在锁定的不旋转条件下的锥形半浮动式环轴承。

图10是第四实施例的截面侧视图，示出了半球形半浮动式环轴承。

图11是第四实施例的侧视图，示出了被保持在锁定的不旋转条件下的半球形半浮动式环轴承。

图12是第五实施例的截面侧视图，示出了具有多个油供送通路的一个锥形半浮动式环轴承。

图13是第五实施例的侧视图，示出了该锥形半浮动式环轴承被保持在锁定的不旋转条件下。

图14是第六实施例的截面侧视图，示出了具有多个油供送通路的一个半球形半浮动式环轴承。

图15是第六实施例的一个截面侧视图，示出了该半球形半浮动式环轴承被保持在锁定的不旋转条件下。

图16是位于与壳体供送端口相邻的第一轴向位置处的一个浮动式环轴承的端视图。

图17是图16的浮动式环轴承在第二轴向位置处的截面端视图，示出了该轴承中的多个供送通路。

以下说明中将使用某些术语仅为了方便起见并且仅供参考而不具有局限性。例如，词语“向上地”、“向下地”、“向右地”以及“向左地”指的是作为参考的附图中的方向。词语“向内地”和“向外地”分别指的是朝向和背离该安排和其指定零件的几何中心的方向。所述术语将包括明确提到的词语、其派生词以及具有类似含义的词语。

详细说明

参照图4，涡轮增压器50包括位于轴承壳体52内以便对轴53提供径向和推力负载支撑的一个本发明轴承单元或组件51。本发明涉及用于涡轮增压器50的一种经改善的轴承单元51的多个不同实施例(图4至图17)，其中本发明的轴承单元51的这些实施例包括支撑轴颈负载和推力负载两者的多个锥形或半球形形状的表面。这通过消除推力轴承(如典型地在已知涡轮增压器中发现的)以及旋转轴上的相关联止推垫圈或导槽在减少零件数方面提供了明显的优势。另外，本发明的设计降低了功率损失、简化了热管理并且提供了增强的系统稳定性。

根据以上描述，涡轮增压器50(图4和图5)的基础部件类似于像以上相对于图1所描述的典型涡轮增压器。在这方面，本发明的涡轮增压器50(图4)总体上包括一个涡轮机叶轮55和一个压缩机叶轮56，该涡轮机叶轮和该压缩机叶轮通过轴53可旋转地相连。

轴承壳体52限定了轴向地延伸穿过其中的一个轴承室57，其中该轴承室57轴向地朝向涡轮机叶轮55和压缩机叶轮56开放。轴53轴向地延伸穿过轴承室57从而使得涡轮机叶轮55的旋转使轴53旋转从而驱动轴53的相反端上的压缩机叶轮56。如下文中将进一步描述，轴承单元51被定位在轴承室57内以便对该旋转轴53提供径向和轴向支撑。

轴承壳体52限定了一个轴承室表面58，该轴承室表面径向地向内面向该轴53并且以径向间隔开的关系环绕该轴而限定轴承室57。在图4所展示的实施例中，轴承室表面58是由室57的涡轮机侧和压缩机侧上的两个锥形倾斜的室表面59限定的。轴承壳体52进一步包括一个环形凸缘60，该环形凸缘朝向轴53伸出了一个短的距离以便部分地划分该室57。轴承室57的相反两端在涡轮机侧和压缩机侧包括环形插入件61和62，这些环形插入件以环绕的关系相对于轴53不可旋转地就坐于轴承壳体52内。插入件61和62是轴向地间隔开的并且限定了一个开放的轴承区域63，该区域环绕轴53并且将轴承单元51接纳在其中。

在这个区域中，轴53限定了一个轴承凹座64，该轴承凹座是由一个轴外表面65和一对轴侧面66和67限定的，这对轴侧面是轴向地间隔开的以便使轴承单元51配合在轴侧面66与67之间的轴向空间中。

在如图4和图5所示的本发明的第一实施例中，轴承单元51包括一对锥形浮动式环轴承70，该对锥形浮动式环轴承具有截头圆锥形形状以便由此限定锥形轴承内表面71和外表面72。这些锥形轴承70在轴承区域63内自由地浮动并且使其锥形轴承外表面72以与倾斜的室表面59对置的关系径向地面向外。锥形轴承外表面72和相应的倾斜的室表面59是以紧密但略微间隔开的关系布置的，以允许在这些表面之间静态和动态地形成外流体膜。锥形轴承外表面72和倾斜的室表面59基本上彼此平行地定向成相对于轴线53A成相应的倾斜角度。因此，该流体膜在轴旋转过程中具有膜刚性，该膜刚性通过垂直于表面72和59的向量起作用。该向量具有轴向和径向分量，这些分量对轴53提供支撑以便抵消沿着轴线53A起作用的轴向推力负载和相对于轴线53A径向定向的或相对于该轴线向外辐射的轴颈负载。

轴承单元51还包括环形的第一锥形轴颈和第二锥形轴颈75和76，这些锥形轴颈就坐于围绕轴53所限定的轴承凹座64内并且相应地限定了锥形轴颈表面77和78。第一锥形轴颈75总体上具有沿着锥形轴颈表面77限定的三角形截面，如图5所见；而第二锥形轴颈76具有沿着锥形轴颈表面78限定的相同截面、但是进一步包括一个薄壁鼻部79，该薄壁鼻部轴向地伸出并且抵靠第一锥形轴颈75以便将轴颈表面77和78维持在轴向间隔开的关系。优选地，第二锥形轴颈76的长度等于或大于第一锥形轴颈75的轴向长度。第一锥形轴颈和第二锥形轴颈75和76压力配合在轴53上以便随着轴53进行旋转并且接纳来自锥形浮动式环轴承70的径向和轴向负载支撑。

更具体地，锥形轴颈表面77和78以紧密但略微间隔开的关系向外面向锥形轴承内表面71以允许在这些表面之间形成内流体膜。锥形轴承表面71以及轴颈表面77和78基本上彼此平行地定向成相对于轴线53A成相应的倾斜角度。因此，该内流体膜同样在轴旋转过程中具有膜刚性，该膜刚性通过垂直于表面71、77和78的向量起作用。该量具有轴向分量和径向分量，其中内流体膜和外流体膜的组合对轴53提供支撑以便抵消沿着轴线53A起作用的轴向推力负载和相对于轴线53A径向定向的轴颈负载。

至于该流体膜，油或任何其他适合的流体被供应至轴承室57。该油能够围绕锥形浮动式环轴承70流动并且因此沿着锥形轴承表面71和72流动以允许在轴旋转过程中形成该内流体膜和外流体膜。该油是从向两个油供送端口81进行供送的一个入口通路80(图4)被供应至轴承室57的，这两个油供送端口通过倾斜的室表面59将油供应至浮动式环轴承70。

因此，该油环绕锥形环轴承70的圆周外表面和圆周内表面。在轴旋转过程中，该内流体膜是在轴承内表面71上邻近轴颈轴承表面77和78形成的。轴承外表面72也具有在轴承外表面72与对置的壳体表面59之间形成的外流体膜。内膜和外膜在轴承外表面72和轴承内表面71与相应的室表面59和轴颈表面77和78之间形成以便在轴旋转过程中支撑径向和轴向负载。

为了进一步促进流体围绕环轴承70的分布，这些锥形浮动式环轴承70各自具有多个油供送通路。更具体而言，每个轴承70包括从每个轴承表面72向外开放的一个周向油分布凹槽82。每个凹槽82是由图4中看到的这些油供送端口81中的一个供送端口进行供送的。凹槽82进而向多个通路83进行供送，这些通路周向地间隔开并且使油从凹槽82循环到锥形轴承内面71以便支持横跨锥形环轴承70的锥形轴承表面71和72形成内流体膜。

在如图6中可见的本发明的第二实施例中，轴承单元51包括具有弧形轴承内表面86和弧形轴承外表面87的两个半球形浮动式环轴承85。轴承内表面86和轴承外表面87在内侧上与随着轴53进行旋转的对应的半球形轴颈88和89协作并且在外侧上与静止的轴承壳体52协作以便形成内流体膜和外流体膜。在这个半球形设计中，轴承壳体52的轴承室57是基本上与图4相同地形成的，但是在这个第二实施例中进行修改而使得轴承室表面58被修改成在室57的涡轮机侧和压缩机侧包括两个弧形或半球形室表面90(图6)。

在图6的实施例中，半球形浮动式环轴承85具有薄壁形状，该薄壁形状的半径沿着长度非线性地增大，由此限定半球形轴承内表面86和外表面87。轴承表面86和87的截面是弧形的从而相应地具有在此被称为半球形的截顶凹形和凸形形状。这个术语将指代适用于本发明的任何弯曲表面。

类似于锥形轴承70，半球形轴承85在轴承室57内自由地浮动并且其轴承外表面87以与对置的室表面90对置的关系径向地面向外。锥形轴承外表面87和相应的室表面90是以紧密但略微间隔开的关系布置的，以允许在这些表面之间静态和动态地形成外流体膜。该外流体膜在轴旋转过程中具有膜刚性，该膜刚性通过垂直于表面87、90的向量起作用，其中该向量具有轴向分量和径向分量，这些分量由此对轴53提供支撑以便抵消沿着轴53起作用的轴向推力负载和相对于轴53径向地定向的或相对于该轴向外辐射的轴颈负载。

同样，类似于图4和图5的第一实施例，轴颈88和89是位于轴承凹座64内。这些第一半球形轴颈和第二半球形轴颈88和89围绕轴53延伸并且相应地限定了半球形轴颈表面92和93。轴颈表面92和93在截面上观察时是弧形的而形成与轴承85的对置内表面86互补的一种截顶的凸形形状。第二半球形轴颈89具有沿着轴颈表面93限定的、与轴颈88沿着轴颈表面92的相同的截面，但是进一步包括一个薄壁鼻部95，该薄壁鼻部轴向地伸出并且抵靠第一轴颈88以便将轴颈表面92和93维持在轴向间隔开的关系。第一半球形轴颈和第二半球形轴颈88和89随着轴53进行旋转并且接纳来自浮动式环轴承85的径向和轴向负载支撑。

更具体地，半球形轴颈表面92和93以紧密但略微间隔开的关系向外面向锥形轴承内表面86以允许在这些表面之间形成内流体膜。该内流体膜同样在轴旋转过程中具有膜刚性，该膜刚性通过垂直于表面86、92和93的向量起作用。因此该向量具有轴向分量和径向分量，其中内流体膜和外流体膜的组合对轴53提供支撑以便抵消沿着轴53起作用的轴向推力负载和相对于轴53径向地定向的轴颈负载。

这些流体膜以与图4相同的方式形成，其中油或任何合适的流体被供应至轴承室57，该油能够围绕半球形浮动式环轴承85流动并且因此沿着半球形轴承表面86和87流动以允许在轴旋转过程中动态地形成该内流体膜和外流体膜。类似于图4，该油是通过向两个油供送端口81进行供送的一个入口通路80(图4)被供应至轴承室57的，这两个油供送端口通过倾斜的室表面90将油供应至浮动式环轴承85。

因此，该油在静态和动态条件下均环绕半球形环轴承85的圆周外表面和圆周内表面。在轴旋转过程中，该内流体膜是在轴承内表面86上邻近轴颈轴承表面92和93动态地形成的。轴承外表面87也具有在轴承外表面87与相对的壳体表面90之间形成的外流体膜。在轴旋转过程中形成该外膜和内膜以支撑径向和轴向负载。

另外，半球形浮动式环轴承85具有多个油供送通路。每个轴承85包括从每个半球形轴承表面87向外开放的一个周向油分布凹槽96。每个凹槽96是由图4中所见的这些油供送端口81中的一个供送端口进行供送的。凹槽96进而向多个通路97进行供送，这些通路周向地间隔开并且使油从凹槽96循环到锥形轴承内面86以便支持横跨半球形轴颈88和89的半球形轴承表面92和93形成内流体膜。

接下来，图7是轴承单元51的第三实施例的截面侧视图，该轴承单元包括锥形半浮动式环轴承100。在该第三实施例中，轴53限定了一个对置的轴表面65，该轴表面以与室表面58对置的关系径向面向外。这个实施例也在图8和图9中示出。半浮动式环轴承100被径向地定位在轴承室表面58与对置的轴表面65之间以便对轴53提供径向和轴向支撑。

类似于以上所讨论的图4中所展示的实施例，轴承室表面58(图7)是由轴承室57的涡轮机侧和压缩机侧上的两个锥形倾斜的室表面59限定的。图7中的轴承壳体52被修改，因为它不包括如图4中的环形凸缘60。然而，提供了一个环形的平坦表面101，穿过该平坦表面提供了一个或多个油供送端口102，以用于将流体供应至轴承室57的中央区域。

虽然未展示，但是应了解，图7的轴承室57的相反两端包括在涡轮机侧和压缩机侧的环形插入件61和62。对这些部件的以上讨论同样可应用于图7至图9的类似结构。

在图7至图9的实施例中，半浮动式环轴承100不能在轴承室57内旋转并且在轴旋转过程中能够在小程度上径向地浮动或移动。更具体而言，轴承100包括限定内腔104和外腔105的一个圆柱形轴承壁103。壁103包括多个端口106，油可以穿过这些端口从外腔105流动到内腔104。

半浮动式环轴承100的相反两端包括限定了轴承内表面108和轴承外表面109的多个环形轴承凸缘107。这些凸缘107在结构上和功能上类似于以上所描述的这些分开的锥形浮动式环轴承70。

轴承凸缘107具有截头锥形形状，以便由此限定锥形轴承内表面108和锥形轴承外表面109。锥形轴承外表面109以与倾斜的室表面59对置的关系径向地面向外。锥形轴承外表面109和相应的倾斜室表面59是以紧密但略微间隔开的关系布置的，以允许在这些表面之间静态和动态地形成外流体膜。锥形轴承表面109和倾斜的室表面59对轴53提供支撑以便抵消沿着轴线53A起作用的轴向推力负载和相对于轴线53A径向定向的或相对于该轴线向外辐射的轴颈负载。

轴承单元100还包括环形的第一锥形轴颈和第二锥形轴颈111和112，这些锥形轴颈围绕轴53就坐于轴承凹座64内并且相应地限定了锥形轴颈表面113和114。第一锥形轴颈111总体上具有沿着锥形轴颈表面113限定的三角形截面，如图8所见；而第二锥形轴颈112具有沿着锥形轴颈表面114限定的相同截面、但是进一步包括一个薄壁鼻部116，该薄壁鼻部轴向地伸出并且抵靠第一锥形轴颈111以便将轴颈表面113和114彼此轴向地间隔开。

锥形轴颈表面113和114以间隔开的关系向外面向锥形轴承内表面108以便在这些表面之间形成内流体膜。该内流体膜和外流体膜的组合对轴53提供支撑以抵消轴向推力负载和轴颈负载。

该油流经入口端口102并且流经这些通路106以便环绕轴承外周表面108和轴承内周表面109。在轴旋转过程中，这些内流体膜是在轴承内表面108上邻近轴颈轴承表面113和114形成的。轴承外表面109也具有在轴承外表面109与对置的壳体表面59之间形成的外流体膜。在轴旋转过程中形成该外膜和内膜以便支撑径向负载和轴向负载。

接着，图9是被保持在锁定的不旋转条件下的锥形半浮动式环轴承100的侧视图。轴承100被形成为两个相互配合的轴承环121和122。轴承100的至少一个末端包括一个防转夹123，该防转夹径向地接合在轴承壳体52与轴承100之间以防止半浮动式环轴承100在轴的旋转过程中相对于该轴承壳体52旋转。如此，轴承100在轴的旋转过程是周向静止的，然而这个半浮动式环轴承100在轴的旋转过程中能够在小范围内径向地浮动或移动。

轴承环121和122相应地限定了锥形轴承外表面109，这些外表面以与倾斜的室表面59对置的关系径向地面向外(图7)。锥形轴承外表面109和倾斜的室表面59是以紧密但略微间隔开的关系布置的，以允许在这些表面之间形成外流体膜。

轴承环121和122还具有轴承内表面108，这些轴承内表面面向锥形轴颈表面113和114并且是与之紧密地间隔开的以允许在这些表面之间形成该内流体膜。

第一轴承环121总体上具有沿着锥形轴承表面109限定的三角形截面。第二锥形轴承环122具有沿着其锥形轴承表面109限定的相同截面、但是进一步包括一个薄壁鼻部130，该薄壁鼻部轴向地伸出并且抵靠第一锥形轴承环121以便使这两个轴承表面109背离彼此轴向地间隔开。鼻部130的终止端131具有与轴承环121中的互补阶梯式形成特征132匹配的一个阶梯式形成特征。这些互补的阶梯式形成特征在匹配时用于将轴承环121和122连接在一起并且使这些轴承内表面108彼此径向地对齐(图8)。

鼻部130包括允许流体流向轴承内表面108的这些径向流体通路106中的至少一个通路。因此这个流体在轴旋转过程中沿着轴承表面108动态地形成内流体膜。另外，锥形轴承表面109以间隔开的关系向外地面向室表面59(图7)从而形成挤压膜阻尼器，这些挤压膜阻尼器对轴53提供支撑以抵消沿着轴53起作用的轴向推力负载。该内膜也形成了用于轴53的轴颈轴承。

图10是包括半球形半浮动式环轴承140的轴承单元51的第四实施例的一个截面侧视图，该半球形半浮动式环轴承被构造成就坐于轴承壳体52内、类似于以上所描述的。在图10的实施例中，半浮动式环轴承140是类似于图7形成的，但是这些轴承表面是半球形的而不是像图6中看到的锥形。因此，室表面90是类似图6中看到的半球形的，并且半浮动式环轴承140被径向地定位在轴承室表面90与对置的轴表面65之间以便对轴53提供径向和轴向支撑。提供了一个或多个油供送端口102，以用于将流体供应至轴承室57的中央区域。

在图10的实施例中，半浮动式环轴承140不能在轴承室57内旋转并且在轴旋转过程中能够在小程度上径向地浮动或移动。如在图10和图11中看到，轴承140包括一个圆柱形轴承壁141，该壁包括至少一个油通路142，油可以穿过该至少一个油通路从轴承壁141外侧流向其内侧。

半浮动式环轴承140的相反两端包括限定了半球形形状的轴承内表面144和轴承外表面145的多个环形轴承凸缘143。锥形轴承外表面145以与室表面90对置的关系径向地面向外。这些表面90具有半球形形状。半球形轴承外表面145和相应的室表面90是以紧密但略微间隔开的关系布置的，以允许在这些表面之间静态和动态地形成外流体膜。轴承表面145和互补的室表面90对轴53提供支撑以抵消轴向推力负载和径向轴颈负载。

轴承单元140还包括环形的第一半球形轴颈和第二半球形轴颈147和148，这些轴颈相应地限定了半球形轴颈表面149和150。第一轴颈147总体上具有沿着轴颈表面149限定的总体上凸状的截面，而第二轴颈148具有沿着轴颈表面150限定的相同截面、但是进一步包括一个薄壁鼻部157，该薄壁鼻部轴向地伸出并且抵靠第一轴颈147以便将轴颈表面149和150维持在轴向间隔开的关系。

半球形轴颈表面149和150以间隔开的关系向外面向轴承内表面144以形成内流体膜。内流体膜和外流体膜的组合对轴53提供了轴向支撑和径向支撑。

图11是被形成为保持在锁定的不旋转条件下的两件式半球形半浮动式环轴承140的轴承单元51第四实施例的侧视图。

轴承140被形成为两个相互配合的轴承环161和162。轴承环162包括一个防转夹163，该防转夹径向地接合在轴承壳体52与轴承140之间以防止其旋转。如此，轴承140在轴的旋转过程是周向静止的，然而这个半浮动式环轴承140在轴的旋转过程中能够在小范围内径向地浮动或移动。

轴承环161和162具有半球形轴承表面145，这些表面以与半球形室表面90对置的关系径向地面向外(图10)并且形成该外流体膜。轴承环161和162还具有轴承内表面144(图10)，这些轴承内表面面向轴颈表面149和150并且是与之紧密地间隔开的以允许在这些表面之间形成内流体膜。

轴承环161和162具有由轴承表145限定的类似截面轮廓，但是轴承环162包括一个薄壁鼻部170，该薄壁鼻部轴向地伸出并且抵靠第一轴承环161以便使这两个轴承表面145背离彼此轴向地间隔开。轴承环161和162具有互补的阶梯式形成特征171和172，这些互补的阶梯式形成特征相匹配以便将轴承环161和162连接在一起并且使这些轴承内表面144彼此径向地对齐(图10)。

鼻部170包括允许流体向内流向轴承内表面144的至少一个径向流体通路142(图10)。因此这个流体在轴旋转过程中沿着轴承表面144动态地形成内流体膜。另外，这些半球形轴承表面145以间隔开的关系向外地面向室表面90(图10)以便形成挤压膜阻尼器，这些挤压膜阻尼器对轴53提供支撑以抵消沿着轴53起作用的轴向推力负载以及径向负载。该内膜还形成了用于轴53的轴颈轴承。

图12是轴承单元51的第五实施例的截面侧视图，该轴承单元包括一个锥形半浮动式环轴承180，该锥形半浮动式环轴承具有径向地延伸穿过其中的多个油供送通路191。这个设计基本上与图7的半浮动式环轴承100相同，但是穿过多个轴承凸缘183形成了多个油通路。总体上，将了解的是，环轴承180包括在轴承凸缘183上的锥形轴承内表面185和锥形轴承外表面186，这些锥形轴承表面与轴承壳体52以及轴承轴颈187和188协作。

更具体地，轴承180是像轴承100那样形成的、但是在中间壁182中不包括油通路106。而是，半浮动式环轴承180具有从每个轴承表面186向外开放的一个周向油分布凹槽189。每个凹槽189是由一个相应的油供送端口190进行供送的，端口190是像总体上在图4中看到的端口81那样形成的。每个凹槽189进而向多个通路191进行供送，这些通路周向地间隔开并且使油从凹槽189循环到锥形轴承内面185(图12)以支持内流体膜的形成。

这个深的周向凹槽189是在其相应的轴承表面186中机加工出的并且使得穿过轴承180中的供送通路191的离心压力损失较低，该轴承180能够在轴旋转过程中进行旋转。这些损失产生于迫使润滑油从轴承180中出来的流体旋转。通过降低损失，这因此使得通向内流体膜的流入油压较高，这确保了整个膜的形成以及在最高转子和轴速度的条件下由内流体膜进行的流体润滑。

图13是被形成为保持在锁定的不旋转条件下的锥形半浮动式环轴承180的该轴承单元51的第五实施例的侧视图。如在图13中看到，轴承180被形成为两个相互配合的轴承环196和197，其中一个防转夹198与轴承壳体52径向地接合以防止半浮动式环轴承180在轴旋转过程中相对于轴承壳体52进行旋转。

轴承环196和197具有径向地面向外以形成外流体膜的多个锥形轴承表面186。轴承环196和197还具有轴承内表面185，这些轴承内表面面向轴承轴颈187和188以允许在这些表面之间形成内流体膜。

为了在外流体膜与内流体膜之间径向地供应油，锥形轴承表面186各自包括周向的油分布凹槽189。凹槽189进而向在锥形轴承外表面186与轴承内表面185之间径向地延伸的多个油通路191进行供送。

锥形轴承表面186以间隔开的关系向外面向室表面59(图7)以便形成挤压膜阻尼器，这些挤压膜阻尼器对轴53提供支撑以抵消沿着轴53起作用的径向负载和轴向负载。该内膜还形成了用于轴53的轴颈轴承。

图14是轴承单元51的第六实施例的截面侧视图，该轴承单元包括具有多个油供送通路的一个半球形半浮动式环轴承210。这个设计基本上类似于图10的半浮动式环轴承140，但是形成了多个油通路。总体地，将了解的是，环轴承210包括在多个轴承凸缘213上的半球形轴承内表面211和半球形轴承外表面212。轴承210还包括根据以上所讨论的多个半球形轴颈214。

半球形半浮动式环轴承210具有从每个轴承表面212向外开放的一个周向油分布凹槽215。每个凹槽215是由像总体上在图4中看到端口81那样形成的一个相应的油供应端口216进行供送的。每个凹槽215进而向多个径向通路217进行供送，这些径向通路周向地间隔开并且使油从凹槽215循环到锥形轴承内面211(图14)以支持内流体膜的形成。

图15是被形成为半球形半浮动式环轴承210的轴承单元51的第六实施例的侧视图，该半球形半浮动式环轴承具有多个油供送通路并且被保持在锁定的不旋转条件下。这个设计基本上与图13的半浮动式环轴承180相同，但是轴承表面211和212是半球形形状。总体地，轴承210被形成为两个相互配合的轴承环221和222，其中一个防转夹223防止半浮动式环轴承210旋转。

轴承环221和222具有径向地面向外以形成该外流体膜的多个半球形轴承表面212。轴承环221和222还具有轴承内表面211(图14)，这些轴承内表面面向轴颈214以允许在这些表面之间形成该内流体膜。

为了在外流体膜与内流体膜之间供应油，半球形轴承表面212各自包括周向的油分布凹槽215。凹槽215进而向在轴承外表面212与面向轴颈214的轴承内表面2111之间径向地延伸的多个油通路217进行供送。

接着，关于将油供送至轴承室57而言，图16是浮动式环轴承(例如轴承70或85)在与壳体供送端口81相邻的第一轴向位置处的一个端视图。图17是图16的浮动式环轴承70/85在第二轴向位置处的一个截面端视图，示出了该轴承70/85中的供送凹槽82/96以及多个供送通路83/97。图16和图17可应用于图4或图6的轴承70/85并且也可应用于在此披露的各个其他实施例。如在图16中看到，轴53的旋转方向是由参考箭头259A表示的，而在这样的轴旋转过程中浮动式环70/85的旋转方向是由参考箭头259B表示的。

供送通路83/97可以是相对于从轴线53A径向地向外延伸的径向方向260以角度A成角的和/或偏斜的。优选地，通路83/97相对于轴旋转的方向且相对于浮动式环旋转的旋转是成角的，这有助于减小在这些内膜中的流体流动周向速度的发展，进而又有助于减小交联刚度力系数。并且，如在图16中看到，对轴承外膜而言供送端口81也可以是成角的以便提供此类优点。

同样如在图16中看到，轴承内表面59的圆周的一部分261在油供送端口81的区域中配备有增大的半径，以限定一个凹入的供送区域，该凹入的供送区域促进油流向这些外流体膜并且由此流向内流体膜。

此外，应理解的是，浮动轴承70/85的轴承内表面可以配备由不同的结构形成特征，以改善这些轴承的转子动力学性能。例如，轴承内表面(例如表面71、86、108、144、185和211)可以被配置为：滑动圆形轴承、具有轴向凹槽的滑动圆形轴承、具有周向凹槽的滑动圆形轴承；椭圆形轴承；多叶轴承，例如三叶或四叶轴承；斜面式轴承；压力坝轴承；人字槽轴承；螺旋槽轴承；或弯曲支点可倾瓦轴承。

尽管已经出于说明性目的详细披露了本发明的具体优选实施例，应认识到所披露装置的变体或变更(包括零件的重新安排)也在本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种用于涡轮增压器轴的浮动式环轴承单元或半浮动式环轴承单元，包括：

被形成为浮动式环轴承或半浮动式环轴承之一的至少一个环形环轴承，该至少一个环形环轴承包括多个轴承内表面和轴承外表面，所述轴承内表面和轴承外表面各自具有横向于该轴的轴线延伸的锥形或半球形形状之一，所述轴承外表面以间隔开的关系面向轴承壳体的对置的室表面以允许在该轴旋转过程中在这些表面之间形成外流体膜；

环绕该轴并相应地限定轴颈表面的环形第一轴颈和第二轴颈，这些轴颈表面以间隔开的关系向外地面向所述轴承内表面以允许在轴旋转过程中在这些表面之间形成内流体膜，所述轴颈表面各自具有与所述轴承内表面的所述形状互补的锥形或半球形形状之一；

所述轴承内表面和轴承外表面、以及所述轴颈表面是相对于所述轴线以相应的横向角度彼此互补地定向的，而使得所述内流体膜和外流体膜支撑沿着该轴起作用的轴向推力负载并且支撑相对于该轴径向地定向的径向负载。

2.根据权利要求1所述的轴承单元，其中，多个所述环轴承以轴向间隔开的关系被提供并且各自通过所述轴承外表面自由地浮动，这些轴承外表面以与这些室表面对置的关系径向地面向外。

3.根据权利要求1所述的轴承单元，其中，所述环轴承被形成为一个半浮动式环轴承，该半浮动式环轴承具有以轴向间隔开的关系提供的且通过一个中间壁连接在一起的多个所述轴承内表面和所述轴承外表面，所述轴承内表面向内面向所述第一轴颈和第二轴颈的轴颈表面。

4.根据权利要求3所述的轴承单元，其中，所述壁包括径向地延伸穿过所述壁的一个润滑剂供送通路，流体是经过该通路在所述外流体膜与内流体膜之间可流动的。

5.根据权利要求4所述的轴承单元，其中，所述轴承壳体包括将润滑流体供送至所述供送通路的一个供送端口。

6.根据权利要求3所述的轴承单元，其中

所述半浮动式环轴承包括在所述轴承内表面与所述轴承外表面之间径向地延伸的多个油供送通路，并且润滑流体是经过该多个油供送通路在所述外流体膜与内流体膜之间可流动的。

7.根据权利要求6所述的轴承单元，其中，所述轴承外表面各自包括将润滑流体供应至所述油供送通路的一个外部周向分布凹槽。

8.根据权利要求7所述的轴承单元，其中，所述轴承壳体包括一个供送端口，该供送端口向用于将润滑流体供送至所述油供送通路的所述凹槽中的每一个凹槽进行供送。

9.根据权利要求1所述的轴承单元，其中，在所述轴承单元的涡轮机端上的所述轴颈表面的轴向长度等于或长于在所述轴承单元的相反压缩机端上的所述轴颈表面的轴向长度。

10.根据权利要求1所述的轴承单元，其中，所述环轴承具有以轴向间隔开的关系提供的多个所述轴承内表面和所述轴承外表面，提供了多个润滑剂供送通路，该多个润滑剂供送通路在所述轴承内表面与所述轴承外表面之间径向地延伸并且润滑流体是经过该多个润滑剂供送通路在所述外流体膜与内流体膜之间可流动的，所述室表面具有将流体供送至所述润滑剂供送通路的多个润滑剂供送端口，并且所述室表面的圆周的一部分邻近于该润滑剂供送端口配备有增大的半径，以限定促进润滑流体流向这些外流体膜的一个凹入的供送区域。

11.根据权利要求1所述的轴承单元，其中，所述环轴承具有以轴向间隔开的关系提供的多个所述轴承内表面和所述轴承外表面，提供了多个润滑剂供送通路，该多个润滑剂供送通路在所述轴承内表面与所述轴承外表面之间径向地延伸并且润滑流体是经过该多个润滑剂供送通路在所述外流体膜与内流体膜之间可流动的，所述供送通路是相对于从该轴线向外径向地延伸的径向方向以角度A偏斜的。

12.根据权利要求11所述的轴承单元，其中，所述供送通路是相对于轴旋转方向成角的以减小这些内流体膜中的流体流动周向速度。

13.一种具有用于涡轮增压器轴的浮动式环轴承单元的涡轮增压器，包括：

被形成为浮动式环轴承的至少一个环形环轴承，该至少一个环形环轴承包括多个轴承外表面，所述轴承外表面各自具有横向于该轴的轴线延伸的锥形或半球形形状之一，所述轴承外表面以间隔开的关系面向涡轮增压器壳体的对置室表面以允许在该轴旋转过程中在这些表面之间形成外流体膜；并且

所述轴承外表面和所述室表面是相对于所述轴线以相应的横向角彼此互补地定向的，而使得所述外流体膜支撑沿着该轴起作用的轴向推力负载并且支撑相对于该轴径向地定向的轴颈负载。

14.根据权利要求13所述的涡轮增压器，其中，所述环轴承被形成为一个半球形环轴承，其中所述轴承外表面是由多对轴向相邻的环限定的，其中每个所述环具有半球形形状。

15.根据权利要求14所述的涡轮增压器，其中，每个所述环包括将润滑剂供应至所述环轴承内部的周向凹槽和通路。