CN107923437B - 用于在涡轮增压器的转子上安装滚动轴承单元的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将滚动轴承安装在转子上并且安装在涡轮增压器的轴承壳体中的方法，该方法具有以下步骤：‑将能够因施加的压力而变形的部件插入转子组件的两个滚动轴承之间的中间间距中，该转子组件包括转子轴，紧固至转子轴或集成至转子轴中并且彼此间隔分开的内部轴承环，插入内部轴承环中的滚动体，以及类似地彼此间隔分开的外部轴承环，以及‑通过施加压力而使已经被插入两个滚动轴承之间的中间间距中的部件变形，以便在两个滚动轴承之间调整期望的轴向预载荷。

Description

用于在涡轮增压器的转子上安装滚动轴承单元的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在涡轮增压器的转子上安装滚动轴承单元的方法。
背景技术
已知由涡轮机叶轮、压缩机叶轮和转子轴组成的废气涡轮增压器的转子的转子轴要可旋转地安装在滚动轴承中。转子轴在其一个端部区域中承载由废气驱动的涡轮机的涡轮机叶轮，并且在其另一端部区域中承载压缩机的压缩机叶轮。废气涡轮增压器的转子以及因此转子轴在与内燃机协同操作期间以可变的、非常高的旋转速度转动，并且必须在高载荷和高温下承受长的使用寿命。为此目的，转子轴的优化的轴承装置是基础前提。
通常，在废气涡轮增压器中使用平置轴承装置。由于较低的摩擦，平置轴承装置越来越多地被滚动轴承替代。通常的情形是在该装置中设置两个滚动轴承，每个具有滚动体。滚动轴承的每一个被分配径向内部轴承元件，特别是内部轴承环。这些内部轴承元件的每一个以形状配合或非形状配合的方式连接至轴，或者形成轴的整体构成部分。另外，滚动轴承在每个情形中被分配一个外部轴承元件，特别是轴承套筒元件。在此，两个轴承套筒元件可以单独地设置或者可以以共同的轴承套筒组合，或者可以以一些其他方式彼此组合。内部轴承元件和外部轴承元件的每一个具有用于滚动体的转动表面或跑道，滚动体在其上滚动。在该情形中，转动表面或跑道以及滚动体的实施例和结构可以被选择或设计成使得滚动轴承能够适应径向承载力和轴向承载力。
在此，特别是关于轴承装置的轴向位置和轴向间隙，重要的是，为了调整两个滚动轴承的目的，内部和外部轴承元件之间的轴向间距能够协调或适于两个轴承套筒元件之间的轴向间距，并且限定了在容纳的轴承壳体中的滚动轴承的轴向位置。
例如，在操作期间出现的温度改变的情况中出现问题，在该情形中发生转子轴和/或外部轴承套筒的长度膨胀，这能够引起轴承的调节损耗（轴承间隙的增大或减小）。在容纳的轴承壳体中该轴承结构的组装也能够是有问题的。
WO2012/079881A1已经公开了用于废气涡轮增压器的轴轴承装置，其具有借由弹簧装置联接并预加载的两个单独的外部轴承环，由此使得滚动轴承没有间隙，并且固定了相对于转子轴的位置。
杂志MTZ（第72卷，04/2011，第302-307页）公开了一种用于废气涡轮增压器的转子轴的滚珠轴承单元。所述滚珠轴承单元具有由抗高温轴承钢构成的两个内部轴承壳，其在已组装状态下被按压至废气涡轮增压器的转子轴上。所述滚珠轴承的滚珠由金属或陶瓷构成，并且借由涂覆钢笼（也可以是塑料）而保持并彼此分离地引导。在此，外部轴承套筒元件组合在共同的轴承套筒中并且由高级轴承钢制造。
另外，申请人的DE 10 2014 212 155.8描述了一种用于内燃机的废气涡轮增压器装置的轴的轴承装置，该轴承装置具有至少两个轴向相互间隔分开的具有滚动体的滚动轴承。在此，在滚动轴承的每一个中，对于滚动体，内部转动表面直接地设置在转子轴上，并且外部转动表面设置在相应地相关联的外部轴承套筒元件中。两个轴承套筒元件借由共同的引导装置相对于彼此同轴地定位并且因此组合以形成单元。引导装置将轴承套筒元件的至少一个围绕轴纵向轴线的旋转转换为两个轴承套筒元件的间距变化，由此能够在轴向方向上相对于它们彼此的间距而调节和/或固定两个轴承套筒元件和/或能够借由弹簧元件预加载。
申请人的DE 10 2014 220 618.9描述了一种用于废气涡轮增压器的具有转子轴的转子的轴承单元，该轴承单元具有轴承壳体，该轴承壳体具有用于连接至废气涡轮增压器的压缩机壳体的压缩机侧，用于连接至废气涡轮增压器的涡轮机壳体的涡轮机侧，以及具有容纳在其中的轴承装置的柱形轴承容纳开口。轴承容纳开口由轴承壳体的内壳在径向方向上界定。该轴承装置具有两个滚动轴承，这两个滚动轴承在轴向方向上彼此间隔分开，并且其中一个设置在轴承壳体中的涡轮机侧而另一个设置在轴承壳体中的压缩机侧。滚动轴承的每一个为其滚动体分配有内部轴承元件和外部轴承套筒元件，该内部轴承元件具有在转子的转子轴上的内部转动表面，该外部轴承套筒元件具有外部转动表面。两个外部轴承套筒元件同心地并且在轴向方向上相对于彼此定位并固定在共同的引导件上，以此方式使得它们形成轴承套筒单元并且确保了滚动轴承没有间隙。轴承壳体的内壳具有台阶状邻接肩部。轴承套筒元件的外径不同。具有较大外径的轴承套筒元件在轴向方向上抵靠轴承壳体的内壳的邻接肩部。
DE 11 2010 001 79 T5已经公开了一种具有插入其轴承壳体中的滚动轴承插入件的涡轮增压器。所述滚动轴承插入件包括至少一个内部转动环和至少一个外部转动环以及一行滚动元件，这些滚动元件的每一个与内部转动环之一以及外部转动环之一接触。在所述涡轮增压器中，使用单独的结构元件（例如使用凹陷和突起）来防止在已安装状态下外部转动环的不期望的旋转。
发明内容
本发明的目标是详述一种用于将滚动轴承单元安装至转子上并且安装至涡轮增压器的轴承壳体中的改进方法，以及根据所述方法制造的涡轮增压器。
所述目标借由具有权利要求1中详述的特征的方法以及借由具有权利要求7中详述的特征的涡轮增压器而实现。本发明的有利实施例和改进例在从属权利要求中详述。
根据本发明，用于将滚动轴承装置安装至转子上并且安装至涡轮增压器的轴承壳体中的方法被提供，其中，以下步骤被执行：将在施加压力下可变形的部件插入转子组件的两个滚动轴承之间的中间间距中，该转子组件包括转子轴，紧固至转子轴或集成至转子轴中并且彼此间具有间距的内部轴承环，插入内部轴承环中的滚动体，以及同样地彼此间具有间距的外部轴承环；以及通过施加压力而使已经被插入两个滚动轴承之间的中间间距中的部件变形以便在滚动体的外部轴承环之间设定期望的预载荷。
可变形部件有利地为由可变形的金属片形成的部件。可变形部件的变形可以直接地在轴承壳体内执行或者在外部变形装置中执行。所述变形优选地通过施加液压压力或者机械压力而执行，该液压压力借由受力进入的油而实现。
轴承壳体的外部轴承环和/或内壳有利地具有非对称形状，使得当在可变形部件上施加压力时，可变形部件的形状适于外部轴承环和/或轴承壳体的内壳的非对称形状，由此形成防旋转机构。
附图说明
从基于附图的本发明的以下示例性描述中将显现本发明的另外的有利特征和改进例。在附图中：
图1至图3是用于描述根据本发明的方法的第一示例性实施例的纵向截面图；
图4是用于描述本发明的有利实施例的纵向截面图；
图5是用于描述根据本发明的方法的第二示例性实施例的纵向截面图；
图6是用于描述本发明的第一替代实施例的纵向截面图；
图7是本发明的第二替代实施例的纵向截面图；以及
图8至图13是用于描述根据本发明的方法的第三示例性实施例的纵向截面图。
具体实施方式
涡轮增压器具有涡轮机、压缩机和轴承单元。涡轮机包括设置在涡轮机壳体中的涡轮机叶轮。压缩机包括设置在压缩机壳体中的压缩机叶轮。涡轮机叶轮在转子轴的端部区域中紧固至所述转子轴。压缩机叶轮在所述转子轴的另一端部区域中紧固至转子轴。转子轴安装在轴承单元的轴承壳体中。涡轮机壳体在涡轮机侧上连接至轴承壳体，并且压缩机壳体在压缩机侧上连接至轴承壳体。包括滚动轴承的轴承装置设置在轴承壳体中。滚动轴承属于转子组件，转子组件包括：转子轴，紧固至转子轴或集成至转子轴中并且彼此间具有间距的内部轴承环，插入内部轴承环中的滚动体，以及同样地彼此间具有间距的外部轴承环。
在涡轮增压器的组装期间，必须将转子组件插入至涡轮增压器的轴承壳体中。
本发明涉及一种用于将滚动轴承单元安装至转子上并安装至涡轮增压器的轴承壳体中的方法。在所述方法中，在施加压力下可变形的部件（优选地为由金属片形成的部件）被插入转子组件的两个滚动轴承之间的中间间距中，并且已经被插入两个滚动轴承之间的中间间距中的部件通过压力的施加而变形，以便在滚动体的外部轴承环之间以及因此在两个滚动体之间设定期望的预载荷。在施加压力之下可变形的部件的所述变形可以在轴承壳体内或者在外部变形装置中实施。
在本发明的优选实施例中，轴承壳体的外部轴承环和/或内壳具有非对称的形状，并且可变形部件在其变形期间适于所述非对称形状。由此实现了防旋转机构。
图1至图3是用于描述根据本发明的方法的第一示例性实施例的纵向截面图。
在所述第一示例性实施例中，首先组装转子组件4，转子组件4包括：转子轴5，紧固至转子轴5或集成至转子轴5中并且彼此间具有间距的内部轴承环8和9，插入内部轴承环中的滚动体10和11，以及同样地彼此间具有间距的外部轴承环12和13。另外，在该示例性实施例中，转子组件还包括紧固至转子轴5的涡轮机叶轮17。另外，所述转子组件4具有在施加压力之下可变形的部件14，该部件优选地为由金属片形成的部件，该部件在所示的示例性实施例中具有波状形状。在压力的作用之下可变形的所述部件14松弛地插入转子组件的两个滚动轴承6和7之间的中间间距中。滚动轴承6包括内部轴承环8，内部转动表面8a，外部轴承环12以及滚动体10。滚动轴承7包括内部轴承环9，内部转动表面9a，外部轴承环13以及滚动体11。
如上所述，被组装的转子组件4插入涡轮增压器的轴承壳体1的轴承容纳开口2中，如图1中所示。轴承壳体1进一步具有：润滑油进给口18，在涡轮增压器的稍后操作期间润滑油通过润滑油进给口18进给至轴承；水冷芯19（Wasserkern）；以及润滑油出口20。
在转子组件4插入轴承壳体1的轴承容纳开口中之后，在压力作用之下可变形的部件14仍然在未变形的松弛状态下设置在两个滚动轴承6和7之间。
在转子组件4插入轴承壳体1的轴承容纳开口2中之后，轴承壳体1的开口借由合适的覆盖件21、22、23关闭。在此，润滑油进给口18借由覆盖件21关闭，润滑油出口20借由覆盖件22关闭，以及轴承壳体1的压缩机侧的开口24借由覆盖件23关闭。所述关闭状态在图2中示出。
在轴承壳体的开口借由覆盖件21、22、23关闭之后，液压油通过设置在覆盖件23中的进给开口而被进给，如图2中的箭头25所示。
所述液压油首先流入覆盖件23的内部间距23a中并且由此通过滚动轴承7进入滚动轴承7和6之间的中间间距中，可变形部件14位于该中间间距中。所述液压油流在可变形部件14上施加压力，这使得所述部件14以预定的方式变形。作为该变形的结果，部件14与滚动轴承6的外部轴承环12以及滚动轴承7的外部轴承环13两者接触，并且支撑在所述两个外部轴承环之间。这以取决于被进给的液压油的设定油压力的方式在两个外部轴承环12和13之间、以及因此两个滚动轴承6和8之间引起期望的预载荷。
在部件14的上述变形以及所引起的在滚动轴承6和7的两个外部轴承环12和13之间设定期望的预载荷之后，被进给的液压油通过润滑油出口20被排出，并且覆盖件21、22和23再次被移除。该状态示出在图3中，其特别地图示了通过施加压力而引起的部件14支撑在两个外部轴承环12和13之间。
在上述方法中，替代于刚性部件或弹簧元件，可变形部件用于在两个滚动轴承之间设定期望的预载荷，其中，所述可变形部件初始地松弛地插入两个滚动轴承之间中间间距中并且随后通过施加液压压力而在轴承壳体内变形。在所述变形过程之后，部件的几何形状被固定，并且在涡轮增压器的稍后操作期间保持不变。取决于液压油压力的选择以及可变形部件14的所选择的初始形状，能够以此方式在两个滚动轴承之间设定期望的轴向预载荷。
在图4中图示的本发明的一个有利实施例中，可变形部件14的变形进一步引起防旋转机构。为此目的，滚动轴承的外部轴承环12、13和/或轴承壳体1的内壳3具有周向非对称形状。所述周向非对称形状可以例如通过将沟槽、压花纹、柱体等引入外部轴承环12、13和/或轴承壳体1的内壳3中而实现，如图4中由绘制的椭圆所示。
图5是用于描述根据本发明的方法的第二示例性实施例的纵向截面图。在所述第二示例性实施例中，松弛地插入两个滚动轴承之间的中间间距中的部件14的变形不是在涡轮增压器的轴承壳体1中执行的，而是在外部变形装置16中执行的。
在所述第二示例性实施例中，与第一示例性实施例中相同，首先组装转子组件4，转子组件4具有转子轴5，紧固至转子轴5或集成至转子轴5中并且彼此间具有间距的内部轴承环8和9，插入内部轴承环中的滚动体10和11，以及同样地彼此间具有间距的外部轴承环12和13。另外，在该示例性实施例中，转子组件4还包括紧固至转子轴5的涡轮机叶轮17。另外，所述转子组件4具有在施加压力之下可变形的部件14，该部件优选地为由金属片形成的部件，在所示的示例性实施例中该部件具有波状形状。在压力作用之下可变形的所述部件14被松弛地插入转子组件的两个滚动轴承6和7之间的中间间距中。滚动轴承6包括内部轴承环8，内部转动表面8a，外部轴承环12以及滚动体10。滚动轴承7包括内部轴承环9，内部转动表面9a，外部轴承环13以及滚动体11。
如上所述的已组装转子组件4被插入所述外部变形装置16中，其中，涡轮机叶轮17保持在外部变形装置16外，以及其中，外部变形装置16在其邻近于涡轮机叶轮17的区域中以液体紧密的方式连接至转子组件4。
在转子组件4插入外部变形装置16中之后，液压油通过设置在外部变形装置16中的进给开口而被进给，如图5中的箭头25所示。
所述液压油流过进给开口进入外部变形装置的内部间距中并且由此通过滚动轴承7进入滚动轴承7和6之间的中间间距中，可变形部件14位于该中间间距中。所述油流在可变形部件14上施加压力，这使得所述部件变形。作为该变形的结果，部件14与滚动轴承6的外部轴承环12以及滚动轴承7的外部轴承环13二者接触，并且支撑在所述两个外部轴承环之间。这以取决于被进给的液压油的设定油压力的方式在两个外部轴承环12和13之间以及因此在滚动轴承6和7之间引起期望的预载荷。
在所述变形之后，转子组件4从外部变形装置16移除并且插入轴承壳体1的轴承容纳开口2中。
在图5的基础上图示的该方法中，替代于刚性部件或弹簧元件，可变形部件14用于在两个滚动轴承之间设定期望的预载荷，其中，所述可变形部件初始地松弛地插入两个滚动轴承之间的中间间距中，并且随后通过施加液压压力而在外部变形装置内变形。在所述变形过程之后，部件的几何形状被固定，并且在涡轮增压器的稍后的操作期间保持不变。取决于油压力的选择以及可变形部件的期望的初始形状，能够以此方式在两个滚动轴承之间设定期望的轴向预载荷。
在图5的基础上图示的本发明的有利实施例中，可变形部件14的变形进一步引起防旋转机构。为此目的，滚动轴承的外部轴承环12、13和/或变形装置16具有周向非对称形状。所述周向非对称形状可以例如通过将沟槽引入外部轴承环12、13的面表面中以及引入变形装置16的内部轮廓中而实现。在变形装置16的内部轮廓中的沟槽必须对应于轴承壳体1的内壳3中的沟槽，在从外部变形装置16移除之后转子组件4被插入内壳3中。
图6是用于描述本发明的第一替代实施例的纵向截面图。
在所述第一替代实施例中，与可变形元件14相同，例如由金属片构成的关闭式插入环被松弛地插入两个滚动轴承6和7之间的中间间距中，并且随后利用矛状件26用液压油作用该关闭式插入环，直至其具有期望的形状或者直至在两个滚动轴承之间实现了期望的轴向预载荷。
图7是用于描述本发明的第二替代实施例的纵向截面图。
在所述第二替代实施例中，与可变形元件14相同，再次使用例如由金属片构成的关闭式插入环，该关闭式插入环被松弛地插入两个滚动轴承6和7之间的中间间距中，并随后利用其上施加有机械力F的矛状件26使该关闭式插入环机械变形，直至其具有期望的形状或者在两个滚动轴承之间设定了期望的轴向预载荷。
图8至图13是用于描述根据本发明的方法的第三示例性实施例的纵向截面图。
在所述第三示例性实施例中，与第一示例性实施例中相同，利用液压油在轴承壳体1内执行可变形部件14的变形。作为对此的替代方案，也可以使用水或压缩空气等。
在所述第三示例性实施例中，同样，首先组装转子组件4，转子组件4包括转子轴5，紧固至转子轴5或集成至转子轴5中并且彼此间具有间距的内部轴承环8和9，插入内部轴承环中的滚动体10和11，以及同样地彼此间具有间距的外部轴承环12和13。另外，转子组件4还包括紧固至转子轴5的涡轮机叶轮17。另外，所述转子组件4具有在施加压力之下可变形的部件14，该部件优选地为由金属片形成的部件，在所示的示例性实施例中该部件具有凹口。在压力作用下可变形的所述部件14松弛地插入转子组件的两个滚动轴承6和7之间的中间间距中。滚动轴承6包括内部轴承环8，内部转动表面8a，外部轴承环12以及滚动体10。滚动轴承7包括内部轴承环9，内部转动表面9a，外部轴承环13以及滚动体11。
如上所述的已组装转子组件4插入涡轮增压器的轴承壳体1的轴承容纳开口2中，如图8中所示。轴承壳体进一步具有：润滑油进给口18，在涡轮增压器的稍后操作期间润滑油通过润滑油进给口18被进给至轴承；水冷芯19；以及润滑油出口20。另外，轴承壳体的内壳3具有切口28。
在转子组件4插入轴承壳体1的轴承容纳开口中之后，在压力作用之下可变形的部件14仍然在未变形的松弛状态下设置在两个滚动轴承6和7之间。
在转子组件4插入轴承壳体1的轴承容纳开口2中之后，轴承壳体1的开口借由合适的覆盖件关闭，在图9中仅示出了关闭轴承壳体的压缩机侧开口的覆盖件23。
在借由所述覆盖件关闭轴承壳体的开口之后，液压油通过设置在覆盖件23中的进给开口而被进给，如图9中的箭头25所示。
所述液压油27首先流入覆盖件23的内部间距23a中并且从此通过滚动轴承7进入滚动轴承7和6之间的中间间距中，可变形部件14位于该中间间距中，如图10中所示。
图11图示了由液压油施加在可变形部件14上的压力如何使得在压力方向上的可变形部件14的后端区域被推向滚动轴承6的外部轴承环的方向。
通过压入液压油产生该压力施加，直至可变形部件14支撑在滚动轴承的两个外部轴承环之间，在两个滚动轴承之间存在期望的轴向预载荷，并且部件14也填充了轴承壳体1的内壳3中的凹口28的区域。这在图12中被示出。
最终，图13示出了变形过程的最终状态，在已经排出液压油并且已经再次移除覆盖件23之后。由于已变形部件14不仅确保了两个滚动轴承之间的期望的轴向预载荷而且还填充了轴承壳体的内壳的凹口28的区域的事实，也实现了防旋转机构。
在使用以上所述的本发明的情况下，消除了使用涉及复杂加工的复杂部件的需求。另外，可变形部件的上述变形也导致部件公差的补偿，这在大规模制造的情形中是特别有利的。另外，周围部件的公差的大小可以被设计的更大，因为滚动轴承之间的期望的轴向预载荷的设定借由松弛插入的可变形部件的变形而实现。另外，与借由弹簧设定期望的轴向预载荷相比，使用例如由金属片构成的该可变形部件更便宜。
借由以上所述的本发明，总体上能够实现以下有利特征：
- 两个滚动轴承之间的期望的间距的设定；
- 两个滚动轴承之间的期望的预载荷的设定；
- 部件公差的补偿；
- 防止外部轴承环相对于已变形部件和轴承壳体的旋转。
在以上所述的方法中，通过在滚动轴承的两个外部轴承环之间支撑可变形部件而实现了两个滚动轴承之间的期望的预载荷的设定。作为对此的替代方案，也可以通过在滚动轴承的两个内部轴承环之间支撑可变形部件而设定所述期望的预载荷。

Claims (8)

1.一种用于将滚动轴承装置安装至转子上并且安装至涡轮增压器的轴承壳体中的方法，所述方法具有以下步骤：
- 将在施加压力之下可变形的部件（14）插入转子组件（4）的两个滚动轴承（6,7）之间的中间间距中，所述转子组件包括：转子轴（5），紧固至所述转子轴或集成至所述转子轴中并且彼此间具有间距的内部轴承环（8,9），插入所述内部轴承环中的滚动体（10,11），以及同样地彼此间具有间距的外部轴承环（12,13），以及
- 通过施加压力使得已经被插入所述两个滚动轴承之间的中间间距中的所述部件（14）变形，以便在所述两个滚动轴承（6,7）之间设定期望的轴向预载荷，并且通过使可变形部件（14）适于所述外部轴承环和/或轴承壳体的内壳的非对称形状而形成防旋转机构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过施加液压压力、气压压力和/或机械压力而执行已经被插入所述两个滚动轴承之间的中间间距中的所述部件（14）的变形。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述涡轮增压器的所述轴承壳体（1）中执行已经被插入所述两个滚动轴承之间的中间间距中的所述部件（14）的变形。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在外部变形装置（16）中执行已经被插入所述两个滚动轴承之间的中间间距中的所述部件（14）的变形。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，具有已变形部件（14）的所述转子组件（4）被插入所述涡轮增压器的所述轴承壳体（1）中。
6.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，已经被插入所述两个滚动轴承（6,7）之间的中间间距中的所述部件（14）的变形被执行，使得为了形成防旋转机构，已变形部件适于所述外部轴承环（12,13）和/或所述轴承壳体（1）的内壳（3）的周向非对称形状。
7.一种具有已经被插入轴承壳体（1）中并且具有两个滚动轴承（6,7）的转子组件（4）的涡轮增压器，所述转子组件包括：转子轴（5），紧固至所述转子轴或集成至所述转子轴中并且彼此间具有间距的内部轴承环（8,9），插入所述内部轴承环中的滚动体（10,11），以及同样地彼此间具有间距的外部轴承环（12,13），其特征在于，转子组件具有设置在所述两个滚动轴承（6,7）之间的中间间距中的已变形部件（14），所述已变形部件（14）在所述两个滚动轴承（6,7）之间设定期望的轴向预载荷，并且适于所述外部轴承环和/或轴承壳体的内壳的非对称形状而形成防旋转机构。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其特征在于，所述已变形部件（14）是已变形金属片部件。
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