CN107401429A - 具有改进的耐久性和噪声降低的涡轮增压器轴承 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括壳体和在该壳体内设置的旋转组件，且该旋转组件包括通过轴彼此相互附接的涡轮机叶轮和压缩机叶轮。轴承在壳体内设置且可旋转地支撑轴。该轴承包括接合轴的相对端的一对内轴承表面，以及接合壳体的一对外轴承表面。该对内轴承表面具有第一轴向尺寸，且该对外轴承表面具有第二轴向尺寸，其该第二轴向尺寸小于第一轴向尺寸。

Description

具有改进的耐久性和噪声降低的涡轮增压器轴承
技术领域
本发明涉及涡轮增压器，且更具体地涉及具有改进的耐久性和噪声降低的轴承系统。
背景技术
本章节提供与本发明相关的背景信息，且该背景信息并不一定是现有技术。
内燃机在可靠基础上被用于在长时间内产生相当多的能量。许多这种发动机组件采用增压装置，例如废气涡轮驱动涡轮增压器，以在空气流进入发动机的进气歧管之前压缩该空气流，以便增加功率和效率。
具体地，涡轮增压器采用离心式气体压缩机，与以其它方式利用环境大气压获取相比，其迫使更多的空气以及因而更多的氧气进入发动机的燃烧室。被迫使进入发动机的含氧空气的附加质量改进了发动机的体积效率，允许其在给定的循环内燃烧更多的燃料，且因而产生更多的能量。
典型的涡轮增压器采用中心轴，该中心轴由一个或多个轴承支撑，且在排气驱动涡轮机叶轮与空气压缩机叶轮之间传输旋转运动。涡轮机和压缩机的叶轮被固定至轴，其与各种轴承部件相组合以组成涡轮增压器的旋转组件。
发明内容
在涡轮增压器中，次同步频率振动噪声可被关注。根据本发明的原理的半浮动或全浮动式轴承被设计成用于使得次同步振动最小化。在如图4中所示的传统轴承中，轴承1包括接合涡轮增压器轴3的一对内轴承表面2，以及接触涡轮增压器壳体的一对外轴承表面4。传统轴承1的内轴承表面2具有轴向尺寸DI，DI小于一对外轴承表面4的轴向尺寸DO。
然而，本发明发现：相对于内轴承表面轴向尺寸的减小的外轴承表面轴向尺寸可降低次同步频率振动。因此，本发明提供了一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括壳体以及在壳体内设置的旋转组件，且该旋转组件包括通过轴彼此相互附接的涡轮机叶轮和压缩机叶轮。轴承在壳体内设置且可旋转地支撑轴。轴承包括接合轴的相对端的一对内轴承表面，以及接合壳体的一对外轴承表面。该对内轴承表面具有第一轴向尺寸，且该对外轴承表面具有第二轴向尺寸，其该第二轴向尺寸小于第一轴向尺寸。
从在此提供的说明将更清楚其它的应用领域。该发明内容中的说明和具体实例仅仅旨在示出的目的，且并不意于限制本发明的保护范围。
附图说明
在此描述的附图仅仅旨在示出选择的实施例且并非所有可能的实施例的目的，且并不意于限制本发明的范围。
图1是根据本发明的发动机组件的示意图；
图2是在图1中示出的涡轮增压器的示意性横截面视图；
图3是根据本发明的原理的涡轮增压器轴承的横截面视图；
图4是传统涡轮增压器轴承的横截面视图；以及
图5是涡轮增压器轴承的弹簧和阻尼模型示意图。
在整个附图的一些视图中，相应的附图标记指示相应的部件。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述实例实施例。
实例实施例被提供，以使得本发明将使彻底的，且将充分地将保护范围传达至本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体部件、装置和方法的实例，以提供本发明的实施例的彻底理解。本领域技术人员将理解的是，并不需要采用具体细节，实例性实施例可体现为许多不同的形式，且其并不应当被视为用于限制本发明的范围。在一些实例性实施例中，已知的过程、已知的装置结构、和已知的技术并未详细描述。
在此使用的术语仅仅旨在描述特定的实例性实施例的目的且并不意于限制。如在此使用，单数形式“一”、“一个”、和“这个”也是为了包括复数形式，除非上下文清楚地指出不同。术语“包括”、“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的且因此指定陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或附加。在此描述的方法步骤、过程和操作不应解释为必需按照所讨论或示出的特定顺序进行，除非特别指出按照顺序进行。还理解的是，可采用附加的或可选的步骤。
当元件或层被称作为“在……之上”、“接合至……”、“连接至……”或“耦接至……”另一个元件或层时，它可直接地位于其它元件或层之上或接合至、连接至或耦接至其它元件或层，或者可存在介入的元件或层。相反地，当元件被称作为“直接地在……之上”、“直接地接合至……”、“直接地连接至……”或“直接地耦接至……”另一个元件或层，这里可能没有介入的元件或层存在。用于描述元件之间关系的其它用语应当以同样的方式进行解释(例如“在……之间”和“直接在……之间”、“与……相邻”和“与……直接相邻”等)。如在此使用，术语“和/或”包括相关联的所列出项目的一个或多个的任何和所有组合。
尽管在此术语第一、第二、第三等可被用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但这些术语不应当限制这些元件、部件、区域、层和/或部分。这些术语仅仅被用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分。当例如“第一”、“第二”以及其它数字术语的术语在此使用时并不暗含顺序或次序，除非上下文清楚地指示。因而，在不脱离实例性实施例的教导的情况下，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
空间相关术语，例如“在……内”、“在……外”、“在……之下”、“在……下面”、“下部”、“在……上面”、“上部”等为了描述容易在这里可以被用来描述如附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间相对术语是用来包括除描述在附图中的方向之外的、使用或操作中的装置的不同方向。例如，如果附图中的装置翻转，描述为在其它元件或特征“之下”或“下面”的元件将被定向为在其它元件或特征“之上”。因而，实例性术语“在……下方”可同时涵盖“在……上方”与“在……下方”两者。装置可以被另外定向(旋转90度或者在其它方向)，在此使用的空间相对描述词应该相应的理解。
在图1中示出了发动机组件10，且可包括发动机结构12，该发动机结构限定了多个汽缸14以及与汽缸14相连通的进气和排气端口16、18。进气歧管20与进气端口相连通，且排气歧管22与排气端口18相连通。节流阀24和涡轮增压器26被提供在连接至进气歧管20的进气通道中，且涡轮增压器26还与连接至排气歧管22的排气通道相连通。为简化起见，发动机组件10被示作为直列四缸。然而，理解的是，本教导应用于任何数目的活塞-汽缸布置和多种往复式发动机配置，包括但不限于，V型发动机、直列式发动机、水平对置式发动机，以及顶置凸轮和缸体内置凸轮配置。
如在图2中所示，涡轮增压器26包括具有第一端30和第二端32的轴28。涡轮机叶轮36在轴28上靠近于第一端30安装，且被配置成通过从汽缸14排出的燃烧废气来实现旋转。涡轮机叶轮36典型地由耐温度和抗氧化材料制成，例如镍-铬基“铬镍铁合金”超合金，以可靠地承受燃烧废气的温度，该燃烧废气的温度在一些发动机中可达到2,000华氏度。涡轮机叶轮36设置在涡轮机壳体38内，该涡轮机壳体包括蜗壳或蜗室40。蜗室40接收燃烧废气并将该废气导向至涡轮机叶轮36。
如在图2中进一步示出，涡轮增压器26还包括在轴28上靠近于第二端32安装的压缩机叶轮42。压缩机叶轮42被配置成用于对从环境接收的、并最终输送至汽缸14的空气流进行加压。压缩机叶轮42设置在压缩机盖44内，该压缩机盖包括蜗壳或蜗室46。蜗室46接收空气流，并将该空气流导向至节流阀24和进气歧管20。因此，通过燃烧废气激励涡轮机叶轮36实现轴28的旋转，该轴进而被连接至压缩机叶轮42。
继续参考图2，轴28经由轴承48被支撑用于旋转。轴承48安装在轴承壳体52的孔50中，且由供应的加压发动机油来润滑和冷却。如在图3中所示，轴承48包括接触轴28的一对内轴承表面54，以及接触壳体52的孔50的外轴承表面56。该对内轴承表面54具有轴向尺寸D1，且该外轴承表面56具有轴向尺寸D2，该轴向尺寸D2小于轴向尺寸D1。外轴承表面56的轴向尺寸D2可优选地为内轴承表面54的轴向尺寸D1的90％或更小。轴承48可以为半浮动(非旋转)或全浮动(旋转)式。
轴承48的外轴承表面56相对减小的轴向尺寸D2的效果可通过如在图5中示出的质量-弹簧-阻尼系统来模拟。在图5的框图中，轴承48与代表轴承48与壳体52之间的油膜58的弹簧和阻尼系统一起被示出，以及与代表轴承48与轴28之间的油膜60的弹簧和阻尼系统一起被示出。该弹簧和阻尼系统58、60由弹簧常数k1、k2和阻尼系数c1、c2来代表。当涡轮增压器26出现速度上升时，在内膜60中的自感应油膜振荡将激发转子-动态自然频率(称作为次-2锥形模型)，振动X2和力F1的幅度取决于弹簧常数与阻尼系数之间(k1、c1与k2、c2之间)的相互作用，其取决于轴承设计。外膜58的减小的轴向尺寸减小了k1、c1，以及在数值方面证明能够显著地减小轴的振动以及轴承48与轴28之间的相互作用力。
前述实施例的描述已经被提供用于示出和描述的目的。它并不意于穷举的或限制本发明。特定实施例的各个元件或特征通常并不限制于该特定的实施例，但是，在适合的场合，是可互换的且可被用在选择的实施例中，即使它未被具体地示出或描述。其还可以许多方式改变。这种变型并不被视作为脱离本发明，且所有的这种修改被意于包含在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种涡轮增压器，包括：
壳体；
旋转组件，其设置在所述壳体内，且包括通过轴彼此相互附接的涡轮机叶轮和压缩机叶轮；以及
轴承，其设置在所述壳体内并可旋转地支撑所述轴，所述轴承包括接合所述轴的相对端的一对内轴承表面以及接合所述壳体的一对外轴承表面，所述一对内轴承表面具有第一轴向尺寸，且所述一对外轴承表面具有第二轴向尺寸，所述第二轴向尺寸小于所述第一轴向尺寸。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述第二轴向尺寸小于所述第一轴向的90％。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述轴承为半浮动轴承。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述轴承为全浮动轴承。
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