CN106640352B - 一种使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，包括增压器壳体和转轴，转轴从增压器壳体内部穿过与两端的涡轮叶轮相连，转轴的中部通过轴向布置的若干个滚珠全浮动轴承与增压器壳体相连，滚珠全浮动轴承包括轴承本体和弹簧圈，轴承本体的侧壁上沿着轴向布置有至少一圈通孔，每圈通孔由若干个绕着圆周均匀布置的通孔组成，每圈通孔中至少有三个均匀布置的通孔中布置有沿着轴承本体径向移动的滚珠，轴承本体上与每圈通孔相对应的位置布置有环槽，该环槽内安装有与滚珠相接触的弹簧圈。本发明采用结构新颖的滚珠全浮动轴承来代替原来的全浮动轴承，可明显减小增压器的迟滞性，效率较高，提高了增压器的可靠性和寿命。

Description

一种使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及涡轮增压器领域，特别是涉及一种使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器。
背景技术
涡轮增压器依靠发动机排出的废气推动，不进工作温度高，而且转子的转速也极高，可达二十几万转，常见的滚针或滚珠轴承无法满足如此高的转速要求。因此目前废气涡轮增压器普遍采用全浮轴承，由发动机机油来进行润滑和冷却，全浮式轴承即轴与轴套之间一定径向间隙，全靠一定压力的润滑油将转子浮起。增压器的转子支承是采用内支撑形式，全浮式轴在位于两叶轮之间的中间体内，通常有两个浮动轴承在两端支撑，转子的轴向力靠止推轴承面来承受。全浮动轴承结构的增压器有一个缺点，就是增压的滞后性，造成这种情况的原因是由于增压器转子的惯性及摩擦力作用是的其对车辆油门骤时变化反应迟缓，从而使发动机延迟增加功率，具体体现在突然加速或超车时，瞬间会有提不上劲的感觉，同时由于浮动轴承的摩擦较大，使用寿命短，且对润滑机油的要求高。
由于市场对乘用车的提速性有相当的需求，对针对增压器的迟滞问题，目前行业认为采用滚珠轴承技术是最有效途径之一。其实，滚珠轴承增压器早已在高性能运动型汽车上已经广泛应用，并且增压器的迟滞性得到明显的改善，但是由于滚珠轴承的增压器转速低，最高只能达到十几万转，无法达到现有全浮轴承的二十几万转的要求(超速试验要求已达到三十多万转\min)；滚珠轴承结构复杂，成本高，寿命大概只有现有全浮轴承增压器寿命的20％-40％；另外，滚珠轴承达到十几万转后，其实已经接近于浮动轴承的状态(由油膜支承转轴，而不是滚珠的滚动)；根据公开的石川岛播磨公司的论文“用悬浮式滚动轴承延长涡轮增压器寿命”中的试验，基于一台汽油机发动机，在全负荷状况下测量了稳态扭矩和增加的压力，结果表明，接近怠速的扭矩提高了10％。但相对于全浮轴承增压器，滚轴轴承增压器的优势主要是在增压器全转速的前半阶段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，采用结构新颖的滚珠全浮动轴承来代替原来的全浮动轴承，可明显减小增压器的迟滞性，效率较高，提高了增压器的可靠性和寿命，结构简单可靠，研发成本低，装配工艺简单；匹配应用简单，成本相对较低，可以较快向市场推广应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，包括增压器壳体和转轴，所述的转轴从增压器壳体内部穿过与两端的涡轮叶轮相连，所述的转轴的中部通过轴向布置的若干个滚珠全浮动轴承与增压器壳体相连，所述的滚珠全浮动轴承包括轴承本体和弹簧圈，所述的轴承本体的侧壁上沿着轴向布置有至少一圈通孔，每圈通孔由若干个绕着圆周均匀布置的通孔组成，每圈通孔中至少有三个均匀布置的通孔中布置有沿着轴承本体径向移动的滚珠，所述的轴承本体上与每圈通孔相对应的位置布置有环槽，该环槽内安装有与滚珠相接触的弹簧圈。
作为优选，所述的弹簧圈包括弹簧半环，所述的弹簧半环有两条，其两端分别在不同的端面沿着径向圆弧开有插接缺口，两条弹簧半环上的插接缺口相对应的相互插接组成一个完整的弹簧圈。
作为对上述优选方法的补充说明，所述的弹簧半环的圆弧开口角度为140°，所述的弹簧半环上的插接缺口的圆心角为40°。
作为另一种优选，所述的弹簧圈为一端开口的C形弹簧圈。
进一步的，所述的滚珠全浮动轴承的安装位置与增压器壳体内的油道相对应。
进一步的，所述的滚珠全浮动轴承有两个，两个滚珠全浮动轴承之间通过轴向布置的轴套限位。
进一步的，所述的增压器壳体的一端安装有轴承限位端盖。
有益效果：本发明涉及一种使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，采用结构新颖的滚珠全浮动轴承来代替原来的全浮动轴承，安装方便，当滚珠全浮动轴承在静止或低速时，滚珠在弹簧圈的径向束缚力作用下与转轴紧接触，此时轴承与转轴间相当于滚珠轴承；当滚珠全浮动轴承转速超过一定转速时，滚珠的离心力作用于弹簧圈，使弹簧圈沿径向扩大，滚珠随之与转轴分离，此时滚珠全浮动轴承相当于全浮动轴承，部分实现了对转轴的动态控制，明显提高了转轴稳定性，摩擦阻力小，轴承效率提高，减小了高转运转阻力；滚珠全浮轴承结构体积与现有全浮轴承基本相同，可直接或微改现有全浮轴承涡轮增压器的中间体平台即可，装配工艺简单；对于不同要求的增压器轴承系统，滚珠全浮轴承两种状态的转速分界点亦不同。根据转速分界点的转速，可以确定此时滚珠的离心力，从而得到弹簧圈对滚珠的径向束缚力。一般情况下，滚珠轴承为标准件，只需要对弹簧圈的弹力设计进行微调即可；可明显减小增压器的迟滞性；增压器效率较高；提高了增压器的可靠性和寿命。
附图说明
图1是本发明的主视半剖结构图
图2是本发明的现有的全浮动轴承的立体结构图；
图3是本发明的现有技术的主视半剖结构图；
图4是本发明的主视半剖局部放大结构图；
图5是本发明所述的滚珠全浮动轴承的第一种结构半剖结构图；
图6是本发明所述的滚珠全浮动轴承的第一种结构的弹簧圈的结构图；
图7是本发明所述的轴承本体的立体结构图；
图8是本发明所述的滚珠全浮动轴承的主视半剖结构图；
图9是本发明所述的滚珠全浮动轴承的第二种结构的半剖结构图；
图10是本发明所述的滚珠全浮动轴承的第二种结构的弹簧圈的立体结构图；
图11是本发明所述的滚珠全浮动轴承的第二种结构的弹簧圈的结构图。
图示：1、油道；2、增压器壳体；3、转轴；4、轴套；5、滚珠全浮动轴承；51、滚珠；52、轴承本体；53、弹簧圈；54、环槽；55、通孔；531、弹簧半环；532、插接缺口。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1-11所示，本发明的实施方式涉及一种使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，包括增压器壳体2和转轴3，所述的转轴3从增压器壳体2内部穿过与两端的涡轮叶轮6相连，所述的转轴3的中部通过轴向布置的若干个滚珠全浮动轴承5与增压器壳体2相连，所述的滚珠全浮动轴承5包括轴承本体52和弹簧圈53，所述的轴承本体52的侧壁上沿着轴向布置有至少一圈通孔55，每圈通孔55由若干个绕着圆周均匀布置的通孔55组成，每圈通孔55中至少有三个均匀布置的通孔55中布置有沿着轴承本体52径向移动的滚珠51，所述的轴承本体52上与每圈通孔55相对应的位置布置有环槽54，该环槽54内安装有与滚珠51相接触的弹簧圈53。
其中滚珠全浮动轴承5上的滚珠环槽结构在轴向不止设计一个，可以根据应用的要求设计多个环槽54；每个环槽54中的滚珠51不一定要装配于每一个孔，但每个环槽54结构中的滚珠51必须在圆周方向上均布，否则将影响滚轴全浮轴承的动平衡性。
作为本发明的一种实施例，当滚珠全浮动轴承在静止或低速时，增压器的转轴的转速低速状态在8万转/min，而对应的滚珠全浮动轴承的转速为2-3万转/min，而轴承在这样的转速下，如果是全浮动轴承，则发动机提供的油压的较低，油膜支撑力小，对转轴动态控制能力弱，如果是滚珠轴承，则滚珠对转轴的支撑能力强，对转轴动态控制能力强，在低速状态下，滚珠全浮动轴承产生的离心力小于弹簧圈53对滚珠51的径向束缚力，所以滚珠51在弹簧圈53的作用下与轴承内部的转轴紧接触，此时轴承与转轴间相当于滚珠轴承，支撑能力强；
当滚珠全浮动轴承转速超过一定转速时，这个临界的轴承转速一般为4-5万转/min，此时滚珠全浮动轴承对滚珠51产生的离心力大于弹簧圈53对滚珠51的径向束缚力，滚珠的离心力作用于弹簧圈53，使弹簧圈53沿径向扩大，滚珠51随之与转轴分离，此时滚珠全浮动轴承相当于全浮动轴承，发动机提供的油压上升，油膜的支撑力也提高，部分实现了对转轴的动态控制，明显提高了转轴稳定性，摩擦阻力小，轴承效率提高，减小了高转运转阻力。
在车辆启动加速的时候，使用滚珠轴承与全浮动轴承相比车辆的提速性更好，车辆接近怠速的扭矩提高了10％，加速性能缩短了10％。
当然，滚珠51的数量决定相同转速下的离心力，而弹簧圈53的弹性力的设计和调校也很重要，决定了滚珠轴承与全浮动轴承转化的临界转速，一个滚珠的离心力在轴承转速在4-5万转/min时是16.88N-25.88N，如果是3个滚珠，则离心力是50.64N-77.64N；如果是6个滚珠，则离心力是101.28N-155.28N，弹簧圈3的弹性力可以根据这个数值进行设定。
作为优选，所述的弹簧圈53包括弹簧半环531，所述的弹簧半环531有两条，其两端分别在不同的端面沿着径向圆弧开有插接缺口532，两条弹簧半环531上的插接缺口532相对应的相互插接组成一个完整的弹簧圈，这种弹簧圈的结构采用半环式结构，弹簧半环531的装配工艺是将弹簧半环531的开口扩大，沿轴承的径向装配进去，每个轴承环形槽中装配有两个弹簧半环531，左弹簧半环和右弹簧半环相同，且可通过弹簧半环531端口结构装配为一体，装配工艺可大大减小装配对弹簧半环531的影响；所述弹簧半环531装配于轴承后，在圆周方向上有两个对称的开口，可以明显提高轴承的动平衡性。
作为对上述优选方法的补充说明，所述的弹簧半环531的圆弧开口角度为140°，所述的弹簧半环531上的插接缺口532的圆心角为40°，这个圆弧开口的大小会影响弹簧半圈装配时，对弹簧半圈弹性的影响，同时也会影响弹簧半圈的弹性使用要求范围。
作为另一种优选，所述的弹簧圈53为一端开口的C形弹簧圈，C形弹簧圈是比较常用的配件，价格便宜，加工方便。
作为进一步的补充，所述的滚珠全浮动轴承5的安装位置与增压器壳体2内的油道1相对应，实现对轴承的实时供油。
作为进一步的补充，所述的滚珠全浮动轴承5有两个，两个滚珠全浮动轴承5之间通过轴向布置的轴套4限位，防止滚珠全浮动轴承5的轴向移动。
作为进一步的补充，所述的增压器壳体2的一端安装有轴承限位端盖7，方便转轴3和滚珠全浮动轴承5的安装。
本发明采用结构新颖的滚珠全浮动轴承来代替原来的全浮动轴承，可明显减小增压器的迟滞性，效率较高，提高了增压器的可靠性和寿命，结构简单可靠，研发成本低，装配工艺简单；匹配应用简单，成本相对较低，可以较快向市场推广应用。

Claims (7)

1.一种使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，包括增压器壳体(2)和转轴(3)，所述的转轴(3)从增压器壳体(2)内部穿过与两端的涡轮叶轮(6)相连，其特征在于，所述的转轴(3)的中部通过轴向布置的若干个滚珠全浮动轴承(5)与增压器壳体(2)相连，所述的滚珠全浮动轴承(5)包括轴承本体(52)和弹簧圈(53)，所述的轴承本体(52)的侧壁上沿着轴向布置有至少一圈通孔(55)，每圈通孔(55)由若干个绕着圆周均匀布置的通孔(55)组成，每圈通孔(55)中至少有三个均匀布置的通孔(55)中布置有沿着轴承本体(52)径向移动的滚珠(51)，所述的轴承本体(52)上与每圈通孔(55)相对应的位置布置有环槽(54)，该环槽(54)内安装有与滚珠(51)相接触的弹簧圈(53)。
2.根据权利要求1所述的使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，其特征在于：所述的弹簧圈(53)包括弹簧半环(531)，所述的弹簧半环(531)有两条，其两端分别在不同的端面沿着径向圆弧开有插接缺口(532)，两条弹簧半环(531)上的插接缺口(532)相对应的相互插接组成一个完整的弹簧圈。
3.根据权利要求2所述的使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，其特征在于：所述的弹簧半环(531)的圆弧开口角度为140°，所述的弹簧半环(531)上的插接缺口(532)的圆心角为40°。
4.根据权利要求1所述的使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，其特征在于：所述的弹簧圈(53)为一端开口的C形弹簧圈。
5.根据权利要求1所述的使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，其特征在于：所述的滚珠全浮动轴承(5)的安装位置与增压器壳体(2)内的油道(1)相对应。
6.根据权利要求5所述的使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，其特征在于：所述的滚珠全浮动轴承(5)有两个，两个滚珠全浮动轴承(5)之间通过轴向布置的轴套(4)限位。
7.根据权利要求5所述的使用滚珠全浮动轴承的涡轮增压器，其特征在于：所述的增压器壳体(2)的一端安装有轴承限位端盖(7)。
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