CN107120184A - 一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，包括传动单元、风机增压单元及冷却单元，所述传动单元设于机座(12)内，包括摩擦轮组(2)及悬浮主轴(1)，所述悬浮主轴(1)为阶梯轴，包括负载段(103)、轴向定位段(102)和摩擦传动段(101)，所述轴向定位段(102)的两个端面设计为具有一定倾斜角度的斜面，与之相对应接触的所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的端面也设计为具有一定倾斜角度的斜面；所述机座(12)与悬浮主轴(1)对应的位置开设有通孔，所述通孔内设有磁性组件(3)。本发明的增压器，有效避免所述悬浮主轴(1)过度磨损,从而造成叶轮与压壳(12)发生碰撞，极大减小了传动部件的摩擦损耗。

Description

一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器
技术领域
本发明属于内燃发动机相关配件技术领域，更具体地，涉及一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器。
背景技术
为了提高内燃发动机的效率和输出功率，在空气进入到气缸以前，通常需要为其配置增压器，用以将进入气缸的空气压缩，使得在同样的汽缸体积下，能够吸入更多的空气来燃烧更多的燃料，达到增大功率的效果。
目前普遍采用的发动机增压器主要有机械增压和电机增压等类别，而机械增压又包括离心式机械增压、螺旋式增压和鲁兹式机械增压等，其中运用较多的是离心增压器。其主要利用发动机引擎主轴来驱动增压器，将进入增压器的空气压缩为高密度空气送入气缸，提高引擎的输出功率。经过多年的研究与应用，离心增压器的技术水平已经得到长足的发展，在其结构不断简化、体积不断缩小的同时，其转速也在不断提高，增压效率也有了显著的进步；但是，离心增压器也存在增压器空载、增压器传输效率较低的缺点。
本申请人在先申请的专利CN 201410580117.1中提出了一种具备行星齿轮机构的高传动比悬浮轴离心增压器，其中通过研究设计传动系统的组成部件及其结构和设置方式，能够获得三级增效激励，能有效克服原有增压器的空载现象、有效解决了增益比和传输效率的瓶颈问题，尤其对高速段的增压效果有了明显的改善。在上述悬浮轴离心增压器中，增压器通过皮带轮从引擎电机接入驱动力，并通过一个太阳齿轮将驱动力传导到三个行星齿轮上，三个行星齿轮再通过传动轴带动三组摩擦轮运动，三组摩擦轮通过摩擦传动的形式带动悬浮中心轴运动，设置在悬浮中心轴端部的波轮跟随中心轴转动，将空气吸入增压器中进行增压。
但是，通过后续数年的工程应用和实际测试表明，在上述悬浮中心轴工作过程中，一方面由于波轮高速旋转产生较大的负压，该负压将悬浮中心轴推向摩擦轮.托轮轴向限制的端面，从而使得悬浮主轴与摩擦轮.托轮轴限制极易造成端面损坏；另一方面，在离心增压器工作时，由于中心轴的轴向定位段台阶端面与摩擦轮的端面相对运动为面面接触摩擦，导致离心增压器的悬浮中心轴的台阶端面磨损非常严重，严重的摩擦损耗极大地降低了悬浮增压器的使用寿命，增加了悬浮增压器的使用成本。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其目的在于在基座的圆孔内增加了强磁组件从而抵消离心叶轮组高速旋转产生的负压，且将中心轴的定位台阶端面设计为与其径向截面有一定的倾斜角度，使原有摩擦轮端面与中心轴定位台阶端面的相对滑动面-面摩擦变为了弧面相向滚动的点-点或线-线摩擦，极大地减少了传动部件的摩擦损耗。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，包括传动单元、风机增压单元及冷却单元，
所述传动单元设于机座内，包括摩擦轮组及悬浮主轴，所述摩擦轮组包含处在同一平面内的第一摩擦轮和同处在另一个平面内的第二摩擦轮；所述悬浮主轴为阶梯轴，包括端部轴径最小的负载段、轴径最大的轴向定位段和轴径小于轴向定位段轴径的摩擦传动段，所述摩擦传动段为两段，分别与所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的表面接触，共同托起所述悬浮主轴，所述轴向定位段的两个端面设计为具有一定倾斜角度的斜面，与之相对应接触的所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的端面也设计为具有一定倾斜角度的斜面，从而实现点-点或线-线接触滚动摩擦；
所述风机增压单元包括离心叶轮组，所述离心叶轮组设于所述负载段上，并随所述悬浮主轴高速转动，实现增压的功能；
所述机座与悬浮主轴对应的位置开设有通孔，所述通孔内设有磁性组件，所述磁性组件用于抵消所述离心叶轮组高速旋转产生的负压，避免所述悬浮主轴过度磨损,从而造成叶轮与压壳发生碰撞；
所述冷却单元包括冷却器，用于实现对所述离心增压器的冷却和降温处理。
进一步地，所述轴向定位段与摩擦传动段在交界处形成了定位台阶端面，所述定位台阶端面为倾斜角度为β的斜面；所述第一摩擦轮、第二摩擦轮与所述轴向定位段的交界处形成接触端面，所述接触端面为倾斜角度为α的斜面，使得所述定位台阶端面与接触端面形成弧面相向滚动的点-点或线-线摩擦，从而减少传动部件的摩擦损耗。
进一步地，所述接触端面的倾斜角度α与所述定位台阶端面的倾斜角度β相同，所述定位台阶端面与接触端面形成弧面相向滚动的线-线摩擦，或者所述接触端面的倾斜角度α与所述定位台阶端面的倾斜角度β不同，所述定位台阶端面与接触端面形成弧面相向滚动的点-点摩擦。
进一步地，所述接触端面的倾斜角度α为5°～10°。
进一步地，所述定位台阶端面的倾斜角度β为5°～10°。
进一步地，所述磁性组件与所述悬浮主轴之间设有间隙，所述间隙为0.5～3mm。
进一步地，所述磁性组件为永磁体，用于通过调节所述永磁体与悬浮主轴之间的间隙，实现实时抵消所述离心叶轮组在不同转速下产生的负压。
进一步地，所述磁性组件为电磁铁，所述电磁体根据所述离心叶轮组在不同转速下产生的负压大小实时调节其磁力大小，从而抵消所述离心叶轮组在不同转速下产生的负压。
进一步地，所述传动单元包括带轮和传动轴，所述传动轴轴向与所述带轮直接连接，用于在带轮的驱动作用下带动所述摩擦轮组转动。
进一步地，所述风机增压单元还包括开设在压气机壳上的压气机进风口和压气机出风口，所述离心叶轮组在悬浮主轴的带动下同步高速旋转产生负压，从而使得气流从压气机进风口加速流程压气机出风口，从而起到增压的功能。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，在基座的圆孔内增加了强磁组件从而抵消离心叶轮组高速旋转产生的负压，且将中心轴的定位台阶端面设计为与其径向截面有一定的倾斜角度，使原有摩擦轮端面与中心轴定位台阶端面的相对滑动面-面摩擦变为了弧面相向滚动的点-点或线-线滚动摩擦，极大地减少了传动部件的摩擦损耗。
(2)本发明具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，在基座的圆孔内增加了永磁体或电磁体等强磁组件，该强磁组件与中心轴的端部设有一定的磁隙，磁体对悬浮主轴产生约50-60Kpa的拉力，能够实时抵消由于叶轮不同转速产生的负压，实现对中心轴的限制，避免所述悬浮主轴过度磨损,从而造成叶轮与压壳发生碰撞，提高使用寿命约3-5倍。
(3)本发明具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，通过将摩擦圈端面2011的倾斜角度α与定位台阶端面1021的倾斜角度β进行匹配设计，角度可以相同或不同，使原有摩擦轮端面与中心轴定位台阶端面的相对滑动面-面摩擦变为了弧面相向滚动的点-点或线-线滚动摩擦，极大地减少了传动部件的摩擦损耗，有效提升了传动部件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器的结构示意图；
图2为本发明实施例一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器的中心轴的结构关系示意图；
图3为本发明实施例的悬浮中心轴与摩擦轮的接触关系局部放大图；
图4为本发明实施例的定位台阶端面与摩擦轮端面的接触关系局部放大图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-悬浮主轴、101-摩擦传动段、102-轴向定位段、103-负载段、1021-定位台阶端面、2-摩擦轮组、201-摩擦圈、2011-摩擦圈端面、3-磁性组件、4-带轮、5-传动轴、6-固定螺母、7-固定螺栓、8-离心叶轮组、9-压气机进风口、10-经向出风口、11-压气机壳、12-机座、13-毡垫、α-摩擦圈端面倾斜角度、β-定位台阶端面倾斜角度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器的结构示意图。如图1所示，该离心增压器包括传动单元、风机增压单元以及冷却单元等功能单元，针对现有机械增压器进行分析发现轴端叶轮在工作时产生进气负压,高达约80Kpa，将中心轴拉向一端,造成过度磨损存在的中心轴与摩擦轮端面碰撞、磨损等问题，并结合先前产品的工程应用和测试结果，对中心轴等功能组件进行了改进设计，以便实现避免中心轴台阶与摩擦轮端面碰撞、并且使得摩擦轮端面与中心轴定位台阶端面的相对滑动面-面摩擦转变为弧面相向滚动的点-点或线-线摩擦，极大地减少传动部件的摩擦损耗，有效提升传动部件的使用寿命。
如图1所示，所述传动单元包括带轮4、传动轴5、摩擦轮组2和悬浮主轴1。其中，带轮4可以通过譬如传动带等于发动机的动力部分连接，由此获得驱动力。所述传动轴5与带轮4连接，用于带动所述摩擦轮组2转动。在本发明的优选实施例中，所述摩擦轮组2包含3组，所述摩擦轮组2还可以包含更多数量的摩擦轮，每组可设计为2个摩擦轮对，所述3组摩擦轮沿所述悬浮主轴1的周向布置，本发明中基于对传动效率和结构紧凑性之间的平衡考虑，选择了一前一后的双摩擦轮形式，优选将各个摩擦轮在悬浮主轴径向120度分布。3组摩擦轮中布置在传动轴5前端的摩擦轮均保持在同一平面内，这样当它们转动时的运动轨迹也处于同一个平面内，并且三个摩擦轮的中心点连线优选构成等边三角形，三个摩擦轮的边缘作为三个支撑点来共同支撑悬浮主轴1，并通过三个摩擦轮的接触带动起转动。上述三组摩擦轮中布置在所述传动轴5后端面的摩擦轮同样均保持在另一个平面内，并以前述相同的方式对悬浮主轴的后端进行支撑，从而与第一摩擦轮共同作用以执行传动过程。悬浮主轴1由于在其前后端分别于3个第一摩擦轮和3个第二摩擦轮的表面形成接触摩擦，由此在无需轴承的情况下，也能执行同步高速旋转。
图2为本发明实施例一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器的中心轴的结构关系示意图；图3为本发明实施例的悬浮中心轴与摩擦轮的接触关系局部放大图；图4为本发明实施例的定位台阶端面与摩擦轮端面的接触关系局部放大图。如图2～4所示的一个优选实施例中悬浮轴离心增压器的悬浮主轴1，其整体结构为多段式台阶轴结构，其端部为轴径最小的负载段103，其周向上套设有离心叶轮组8，离心叶轮组8采用固定螺母6固定在负载段103上，用于将空气吸入增压器的风机增压单元进行增压。
悬浮主轴1的中后段也为台阶轴结构，其中包含有轴径最大的轴向定位段102和轴径仅小于轴向定位段102轴径的摩擦传动段101，摩擦传动段101为两段，两段摩擦传动段101沿同一轴线分设于轴向定位段102的两侧，其中一段与所述离心叶轮组8连接，用于通过摩擦传动的方式将驱动力传输到负载段103，带动离心叶轮组8转动，另一段与机座顶壁间隔一定距离。由于波轮高速旋转产生较大的负压，该负压将悬浮中心轴推向摩擦轮的端面，从而使得悬浮中心轴的轴向定位段台阶端面与摩擦轮的端面发生碰撞，极易造成悬浮中心轴或摩擦轮的端面损坏。为此，本发明在所述机座的顶壁上开设有通孔，所述通孔可以为圆形、方形或其他形状，具体根据实际需求确定。在所述通孔内，设有磁性组件3，该磁性组件为永磁体，且该磁性组件与所述悬浮主轴1的端面之间设有磁隙，该磁隙的大小根据所述离心叶轮组8产生的负压大小确定。优选地，所述间隙为0.5～3mm。磁体对悬浮主轴产生约50-60Kpa的拉力，能够实时抵消由于叶轮不同转速产生的负压，实现对中心轴的限制，避免所述悬浮主轴过度磨损,从而造成叶轮与压壳发生碰撞，提高使用寿命约3-5倍。
在本发明的优选实施例中，该磁性组件为电磁体，通过压力传感器控制电磁体的电流大小，从而控制电磁体的磁力大小，从而实时抵消由于叶轮不同转速产生的负压，实现对中心轴的限制，从而避免中心轴台阶与摩擦轮端面发生碰撞。
由于轴径不同，轴向定位段102与摩擦传动段101在交界处形成了定位台阶端面1021，由于中心轴的轴向定位段台阶端面与摩擦轮的端面相对运动为面面接触摩擦，导致离心增压器的悬浮中心轴的台阶端面磨损非常严重。因此，本发明将定位台阶端面1021设计为呈一定倾斜角度的斜面，即定位台阶端面1021与悬浮主轴1的径向截面之间有一定的倾斜角度β。
悬浮主轴1与摩擦轮组2之间通过接触摩擦传动，在一个优选实施例中，摩擦轮2为多组套圈同轴套设，其从外及里可以优选为摩擦圈、弹性橡胶圈和铝合金轮芯，摩擦圈201位于摩擦轮的最外圈，摩擦圈的环形周面与中心轴1的摩擦传动段101表面接触设置，用于和悬浮主轴1接触摩擦传动。相应地，两个相对端面分别对应布置在轴向定位段102两端的两个定位台阶端面处，即每个摩擦轮的摩擦圈201的环形周面与悬浮主轴1的摩擦传动段101的环形周面接触设置，且摩擦圈201靠近轴向定位段102的摩擦圈端面2011与轴向定位段102上的定位台阶端面1021匹配设置。相应的，摩擦圈201的端面2011与摩擦轮2的径向截面之间呈一定的倾斜角度α。
在本发明的优选实施例中，摩擦圈端面2011的倾斜角度α与定位台阶端面1021的倾斜角度β匹配设置，倾斜角度α和β的角度值可以根据实际需要具体设置，两者可以相同，也可以不同。在一个优选实施例中，摩擦圈端面2011的倾斜角度α与定位台阶端面1021的倾斜角度β相同，摩擦圈端面2011与定位台阶端面1021接触设置，当摩擦轮2带动中心轴1运动时，摩擦圈端面2011与定位台阶端面1021之间进行线-线滚动摩擦。进一步地，在一个优选实施例中，定位台阶端面的倾斜角度β的角度值为10°，当然β的值也可以为其他数值，如5°、6°、7°、8°等，优选β的数值范围为5°～10°；相应地，摩擦圈端面2011的倾斜角度α的角度值也为10°，当然α的值也能为其他数值，如5°、6°、7°、8°等，优选α的数值范围为5°～10°。
风机增压单元包括压气机壳11、开设在压气机壳11上的压气机进风口9和压气机出风口10以及设置在压气机壳11内部的离心叶轮组8。其中，所述离心叶轮组8套设于悬浮主轴的尾端(图1中所示为左端)，由此在悬浮主轴1的带动下同步高速旋转，产生负压，从而使得气流从压气机进风口9加速流程压气机出风口10，从而起到增压的功能。
离心增压器产品的弹性摩擦轮组件在高速旋转工作时产生大量的热量，机座内形成余热涡流，散热效果不好，极易造成摩擦副损坏，影响弹性摩擦轮组的使用寿命。本发明中还设置有冷却单元来执行冷却和降温处理。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，包括传动单元、风机增压单元及冷却单元，其特征在于：
所述传动单元设于机座(12)内，包括摩擦轮组(2)及悬浮主轴(1)，所述摩擦轮组(2)包含处在同一平面内的第一摩擦轮和同处在另一个平面内的第二摩擦轮；所述悬浮主轴(1)为阶梯轴，包括端部轴径最小的负载段(103)、轴径最大的轴向定位段(102)和轴径小于轴向定位段(102)轴径的摩擦传动段(101)，所述摩擦传动段(101)为两段，分别与所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的表面接触，共同托起所述悬浮主轴(1)，所述轴向定位段(102)的两个端面设计为具有一定倾斜角度的斜面，与之相对应接触的所述第一摩擦轮和第二摩擦轮的端面也设计为具有一定倾斜角度的斜面，从而实现点-点或线-线接触滚动摩擦；
所述风机增压单元包括离心叶轮组(8)，所述离心叶轮组(8)设于所述负载段(103)上，并随所述悬浮主轴(1)高速转动，实现增压的功能；
所述机座(12)与悬浮主轴(1)对应的位置开设有通孔，所述通孔内设有磁性组件(3)，所述磁性组件(3)用于抵消所述离心叶轮组(8)高速旋转产生的负压，避免所述悬浮主轴(1)过度磨损,从而造成叶轮与压壳(12)发生碰撞；
所述冷却单元包括冷却器，用于实现对所述离心增压器的冷却和降温处理。
2.根据权利要求1所述的一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述轴向定位段(102)与摩擦传动段(101)在交界处形成了定位台阶端面(1021)，所述定位台阶端面(1021)为倾斜角度为β的斜面；所述第一摩擦轮、第二摩擦轮与所述轴向定位段(102)的交界处形成接触端面(2011)，所述接触端面(2011)为倾斜角度为α的斜面，使得所述定位台阶端面(1021)与接触端面(2011)形成弧面相向滚动的点-点或线-线摩擦，从而减少传动部件的摩擦损耗。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述接触端面(2011)的倾斜角度α与所述定位台阶端面(1021)的倾斜角度β相同，所述定位台阶端面(1021)与接触端面(2011)形成弧面相向滚动的线-线摩擦，或者所述接触端面(2011)的倾斜角度α与所述定位台阶端面(1021)的倾斜角度β不同，所述定位台阶端面(1021)与接触端面(2011)形成弧面相向滚动的点-点摩擦。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述接触端面(2011)的倾斜角度α为5°～10°。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述定位台阶端面(1021)的倾斜角度β为5°～10°。
6.根据权利要求1所述的一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述磁性组件(3)与所述悬浮主轴(1)之间设有间隙，所述间隙为0.5～3mm。
7.根据权利要求1或6所述的一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述磁性组件(3)为永磁体，用于通过调节所述永磁体与悬浮主轴(1)之间的间隙，实现实时抵消所述离心叶轮组(8)在不同转速下产生的负压。
8.根据权利要求1、6或7所述的一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述磁性组件(3)为电磁铁，所述电磁体根据所述离心叶轮组(8)在不同转速下产生的负压大小实时调节其磁力大小，从而抵消所述离心叶轮组(8)在不同转速下产生的负压。
9.根据权利要求1所述的一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述传动单元包括带轮(4)和传动轴(5)，所述传动轴(5)轴向与所述带轮(4)直接连接，用于在带轮的驱动作用下带动所述摩擦轮组(2)转动。
10.根据权利要求1所述的一种具有轴向限制特性的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述风机增压单元还包括开设在压气机壳(11)上的压气机进风口(9)和压气机出风口(10)，所述离心叶轮组(8)在悬浮主轴(1)的带动下同步高速旋转产生负压，从而使得气流从压气机进风口(9)加速流程压气机出风口(10)，从而起到增压的功能。
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