CN109424376B - 涡轮增压器推力轴承 - Google Patents

Abstract

用于涡轮增压器的改进的推力轴承包括第一轴承表面、第二轴承表面、内部通路、主垫块以及多个副垫块。内部通路使第一轴承表面与第二轴承表面流体连接。主垫块可限定在第一轴承表面上。主垫块进一步限定与内部通路以及限定在涡轮增压器壳体中的进油器流体连通的第一孔。多个副垫块也可限定在第一轴承表面上。多个副垫块中的各副垫块可包括小于主垫块的主表面区域的副表面区域。

Description

涡轮增压器推力轴承

技术领域

本公开涉及一种涡轮增压内燃机，具体涉及一种用于提高润滑性能的改进的推力轴承设计。

背景技术

内燃机用于在较长的一段时间内可靠地产生相当大的动力。许多此类发动机组件会采用增压装置(例如，由废气涡轮机驱动的涡轮增压器)，以在气流进入发动机的进气歧管之前对其进行压缩，从而增加功率，并提高效率。

具体地，涡轮增压器会采用离心式气体压缩机，与环境大气压相比，该离心式气体压缩机可迫使更多的空气以及更多的氧气进入发动机的燃烧室中。迫使进入发动机的额外质量的含氧空气可提高发动机的容积效率，进而使得其可在给定循环内燃烧更多的燃料，并由此产生更多的动力。

典型的涡轮增压器具有中心轴，该中心轴由一个或多个轴承支撑，并在排气驱动涡轮机叶轮与空气压缩机叶轮之间传递旋转运动。涡轮机叶轮以及压缩机叶轮均固定至所述轴，该组件与各种轴承部件相结合，从而构成涡轮增压器的旋转组件。使涡轮增压器的推力轴承保持润滑是很重要的。

参照图3，用于涡轮增压器的传统推力轴承164示出为具有表面区域相等的垫块110。各垫块110经由内部通路188与进油凹槽194流体连通。然而，在寒冷操作条件下，由于油的粘度较高(且油流的体积较低)，因此传统的推力轴承164无法将油分配至垫块110。若油的分配较差，则可能会在冷操作期间导致轴承发生咬死，并在热操作期间不必要地引起较高的功率损耗。因此，需要一种改进的涡轮增压器组件以及能够降低功率损耗并提高效率的推力轴承。

发明内容

本公开提供了一种用于涡轮增压器的改进的推力轴承，该推力轴承包括第一轴承表面、第二轴承表面、内部通路、主垫块以及多个副垫块。内部通路使第一和第二轴承表面流体地联接至限定在第一轴承表面上的进油凹槽。主垫块可限定在第一表面上。内部通路经由第一孔在第一轴承表面处终止，该第一孔与第二轴承表面、进油凹槽以及限定在涡轮增压器壳体中的进油器流体连通。多个副垫块也可限定在第一表面上。将理解的是，多个副垫块中的各副垫块可具有小于主垫块的主表面区域的副表面区域。

本公开还提供了一种改进的涡轮增压器组件，该涡轮增压器组件包括涡轮增压器壳体、旋转组件以及推力轴承。旋转组件包括通过轴彼此附接的涡轮机叶轮以及压缩机叶轮。旋转组件还可包括推力表面。推力轴承可设置在涡轮增压器壳体中，以抵住旋转组件的推力表面。推力轴承还可限定贯穿其中以用于接纳上述轴的轴孔。推力轴承还可限定主垫块以及多个副垫块。各副垫块以及主垫块可限定垂直于上述轴的旋转轴线的平台区域以及斜坡区域。还将理解的是，推力轴承可进一步限定第一轴承表面以及第二轴承表面。主垫块包括大于多个副垫块中的各副垫块的副表面区域的主表面区域。主垫块被可操作地配置成在冷涡轮增压器操作以及热涡轮增压器操作期间与推力表面接合。然而，多个副垫块被配置成在热涡轮增压器操作期间与推力表面接合。

可进一步理解的是，改进的涡轮增压器组件进一步提供限定在壳体中的进油器。进油器可经由限定在推力轴承中的内部通路与主垫块流体连通。此外，进油凹槽可限定在推力轴承上，从而使得进油凹槽经由内部通路与限定在第一轴承表面上的主垫块、第二轴承表面以及限定在壳体中的进油器流体连通。

在本公开的改进的涡轮增压器组件以及推力轴承中，除了进油凹槽以外，第一轴承表面还可限定主垫块以及多个副垫块。此外，就推力轴承以及涡轮增压器组件而言，各副垫块的副表面区域大体上彼此相等。此外，推力轴承可包括限定在第一轴承表面上的局部弧形凹槽，其中该局部弧形凹槽仅邻近多个副垫块。局部弧形凹槽被配置成减少各副垫块相对于主垫块的表面区域。

通过以下参照附图进行的详细描述，本公开及其特定特征及优点将变得显而易见。

附图说明

通过以下详细描述、最佳方式、权利要求书以及附图，本公开的这些及其他特征和优点将变得显而易见，在这些附图中：

图1是示出了根据本公开的发动机组件的示意图。

图2是示出了图1所示的涡轮增压器的示意性剖视图。

图3是示出了传统推力轴承的等距视图。

图4是示出了本公开的推力轴承的实施例的示例性非限制性等距视图。

图5是示出了可代表主垫块或副垫块的垫块的放大示意图。

图6是与主垫块的轮廓相一致的压力曲线图。

图7是示出了图4的沿线7-7截取的推力轴承的剖视图。

在对附图的各视图进行描述时，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

现将详细参考本公开的目前优选的组合物、实施例以及方法，这些组合物、实施例以及方法构成了发明人目前所知的用于实施本公开的最佳方式。附图不必按比例绘制。然而，将理解的是，所公开的实施例仅仅是本公开的示范，本公开可通过各种可选形式来加以实现。因此，本文所公开的特定细节并不应被解释为具有限制性；相反，其仅作为本公开的任一方面的代表性基础，并且/或者作为用于教导本领域技术人员在多方面使用本公开的代表性基础。

除了在示例中，或除非另有明确说明，否则本描述中指示材料的量或反应和/或用途的条件的所有数值数量应被理解为在描述本公开的最宽范围时由词语“约”进行修饰。通常而言，优选的是在所述的数值范围内进行实践。此外，除非明确指出与此相反，否则百分比、“份数”以及比率值均以重量计；关于一组或一类材料适用于或优选用于与本公开相关的给定目的的描述表示，该组或类的组成部分中的任意两个或多个的混合物同样适用或优选；首字母缩略词或其他缩写词的第一定义适用于同一缩写词在本文中的所有后续用法，而且，在经过必要的修改以后，其还适用于初始定义的缩写词的正常语法变型；此外，除非明确指出与此相反，否则属性的测量值通过先前或随后针对同一属性所引用的同一技术进行确定。

还将理解的是，本公开并不限于下文所描述的特定实施例以及方法，原因在于特定部件和/或条件显然可有所不同。进一步地，本文所使用的术语仅用于描述本公开的特定实施例，而并不旨在以任何方式加以限制。

另外，必须注意的是，除非上下文另有明确表示，否则如说明书以及所附权利要求书中所使用的单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数指代物。例如，以单数提及某部件旨在包括多个部件。

术语“包括”与“包含”、“具有”、“含有”或“其特征在于”同义。这些术语具有包括性以及开放性，而且不排除其他未列举的元件或方法步骤。

短语“由……组成”不包括未在权利要求中指明的所有元件、步骤或成分。当该短语出现在权利要求的主体的条款中，而不是立即跟在前序后面时，其仅限制该条款中阐述的元件；其他元件并不排除在整个权利要求之外。

短语“基本上由……组成”将权利要求的范围限制至指定的材料或步骤，以及不会对所要求保护的主题的基本特征及新型特征造成实质影响的材料或步骤。

术语“包括”、“由……组成”以及“基本上由……组成”能够可替换地使用。在使用这三个术语中的一个的情况下，当前公开的所要求保护的主题可使用另外两个术语中的任一个。

在引用了公开文献的整个申请中，这些公开文献的公开内容全部通过引用并入至该申请中，以更详细地描述本公开所属技术领域的现状。

以下详细描述本质上仅仅是示例性的，其并不旨在限制本公开或本公开的应用及用途。此外，不期望受到前述背景或以下详细描述中所体现的任何原理的限制。

发动机组件10示出在图1中，并可包括发动机结构12，该发动机结构限定多个气缸14以及与气缸14连通的进气端口16和排气端口18。进气歧管20与进气端口连通，且排气歧管22与排气端口18连通。节气门24以及涡轮增压器26设置在连接至进气歧管20的进气通道中，且涡轮增压器26还与连接至排气歧管22的排气通道连通。为简洁起见，发动机组件10示出为直列四缸结构。然而，将理解的是，本教导适用于任意数量的活塞-气缸结构以及各种往复式发动机结构，包括但不限于：V型发动机、直列发动机、水平对置发动机以及顶置凸轮结构和内置凸轮结构。

如图2所示，涡轮增压器26包括具有第一端30以及第二端32的轴28。涡轮机叶轮36安装在轴28上，与第一端30相邻，并被配置成利用从气缸14排出的燃烧废气进行旋转。涡轮机叶轮36通常由耐热及抗氧化材料(例如，镍-铬基“因科”超合金)制造而成，以可靠地承受燃烧废气的温度，在某些发动机中，该温度可高达2000华氏度。涡轮机叶轮36设置在包括蜗壳或涡形管的涡轮机壳体内。涡形管接纳燃烧废气，并将该废气引导至涡轮机叶轮36。

如图2所进一步示出的，涡轮增压器26还包括压缩机叶轮42，该压缩机叶轮安装在轴28上，与第二端32相邻。压缩机叶轮42被配置成加压从周围环境接纳的气流，以最终将其输送至气缸14。压缩机叶轮42设置在包括蜗壳或涡形管的压缩机罩内。涡形管接纳气流，并将该气流引导至压缩机叶轮42。因此，旋转运动由驱动涡轮机叶轮36的燃烧废气传递至轴28，然后传递至压缩机叶轮42。

继续参照图2，轴28由轴颈轴承48进行支撑，以进行旋转。轴颈轴承48安装在轴承壳体52的孔口50内，并通过加压发动机油进行润滑和冷却。轴承壳体52包括推力壁54。轴颈轴承48被配置成控制轴28的径向运动以及振动。如图所示，涡轮增压器26还包括靠着轴承壁54通过压缩机背板66固定在适当位置处的推力轴承64。如上所述，油的分配较差，在该情况下，可能会在冷操作期间导致轴承发生咬死，并在热操作期间不必要地引起较高的功率损耗。因此，本公开提供了一种具有较大的垫块区域(主垫块)的推力轴承，该主垫块用于支撑推力负载，以避免轴承在冷操作期间发生咬死，同时在正常的热操作条件下降低功率损耗。

本公开的推力轴承64被配置成在净推力90(其在涡轮增压器26内形成)作用至压缩机叶轮42时抵消该力。如图所示，推力轴承64定位在轴28上，位于轴颈轴承48与压缩机叶轮42之间。轴承64通过加压发动机油98(示例性地示出在图4中)进行润滑和冷却，该加压发动机油通过泵(未示出)来供给。将理解的是，发动机油98经由进油凹槽94(图4和7)以及内部通路92(参见图7)从进油器91进料至推力轴承64。在涡轮增压器26的操作期间，即在涡轮机叶轮36由燃烧废气进行驱动时，涡轮机叶轮所形成的推力90通常通过推力表面63(图2)传递至推力轴承64。在图2所示的示例中，推力表面63限定在邻近推力轴承64的推力垫圈62上。推力表面63可限定在邻近推力轴承64的其他部件上，这取决于涡轮增压器26的结构。

参照图4，示出了本公开的示例性推力轴承64，该推力轴承包括延伸穿过其以用于接纳轴28(示出在图2中)的轴孔70、多个副垫块71以及主垫块73(周向间隔开)，其中，如本文所描述的，该主垫块可沿着轴28与推力表面63接合。参照图5，将理解的是，副垫块71以及主垫块73均可包括斜坡区域74以及平台区域72。平台区域72可大体上垂直于轴28(图2)的旋转轴线76(图2)。如图5所示，对于主垫块73以及各副垫块71而言，斜坡区域74邻近平台区域72。各平台区域72以及斜坡区域74被设计成使得斜坡区域74可占据较多的来自进油器91的润滑油98，其中该油流动至各垫块的平台区域72以减少摩擦。如图6所示，油压93的典型曲线图示出在图6中。将理解的是，在图6中，h₁表示斜坡区域74与推力表面63之间的距离，而h₀则表示平台区域72与推力表面63之间的距离。W表示推力90，而u表示旋转组件的旋转速度分量。

在涡轮增压器温度可落入-40℃至-25℃的范围内的冷操作期间，油的粘度相对较高。因此，在涡轮增压器26内流动的油的体积相对较低。因此，在冷操作中，油流基本上负载在主垫块73上，而几乎没有或完全没有油流动至副垫块71。将理解的是，主垫块73限定大于各副垫块71的副表面区域86的主表面区域84——假定主垫块73被配置成在冷操作期间抵消推力90，而不依靠副垫块71。因此，与各副垫块71相比，设置在主垫块73的主表面区域84中的相对较大的表面区域可被配置成容纳相对较多的油。

然而，与冷操作相比，当涡轮增压器温度较高，且涡轮增压器26处于温度落入140℃至180℃的范围内的热操作中时，油的粘度相对较低，且涡轮增压器26中的油流的体积相对较高。因此，当粘度较低，且油体积以及油温均较高时，由于流动至并流过主垫块73的油98的体积增加，因此主垫块73本身用于接纳油流98的容量被耗尽。这种状况致使油98在流过主垫块73之后，接着流动至副垫块71。副垫块71被可操作地配置成在涡轮增压器26处于热操作中时(与主垫块73一起)抵消推力。

因此，具有上述推力轴承64的涡轮增压器组件26的结构可提高涡轮增压器26的效率，从而使得主垫块73基本上进行操作以在冷操作中与发动机油98一起抵消推力90，而在热操作中时，随着发动机组件10以及涡轮增压器26不断升温，多个副垫块71以及主垫块73都被配置成与推力表面63接合，以在热操作中与发动机油一起抵消推力90。因此，主、副垫块(分别为73和71)被配置成在热操作以及冷操作中减少功率损耗。

因此，返回参照图2，本公开的改进的涡轮增压器组件26可包括涡轮增压器壳体38、旋转组件34以及推力轴承64。旋转组件34可包括通过轴28彼此附接的涡轮机叶轮36以及压缩机叶轮42。旋转组件34还可包括推力表面63。推力轴承64可设置在涡轮增压器壳体38中，以抵住旋转组件34的推力表面63。推力轴承64可限定延伸穿过其以用于接纳轴28的轴孔70，并可限定主垫块73以及多个副垫块71，这些垫块均限定垂直于轴28的旋转轴线76的平台区域72以及斜坡区域74，其中推力轴承64进一步限定第一轴承表面80以及第二轴承表面82。主垫块73可限定大于多个副垫块71中的各副垫块71的副表面区域86的主表面区域84。

在本公开的改进的涡轮增压器组件26以及本公开的推力轴承64中，除了进油凹槽94以外，第一轴承表面80还可限定主垫块73以及多个副垫块71。如图7所示，进油凹槽94经由内部通路92与主垫块73流体连通。此外，如图4所示，推力轴承64可包括限定在第一轴承表面80上的局部弧形凹槽76，其中该局部弧形凹槽76仅邻近多个副垫块71。局部弧形凹槽76可被配置成减少各副垫块71相对于主垫块73的副表面区域86。

虽然已在上述详细描述中给出了至少一个示例性实施例，但应理解的是，可存在有大量的变型。还应理解的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例，其并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或结构。相反，上述详细描述将为本领域技术人员提供用于实施示例性实施例或多个示例性实施例的便利指示。应理解的是，在不偏离所附权利要求书及其法律等效物所阐述的本公开的范围的情况下，可在元件的功能及结构方面作出各种改变。

Claims (10)

1.一种改进的涡轮增压器组件，其包括：

涡轮增压器壳体；

旋转组件，所述旋转组件包括通过轴彼此附接的涡轮机以及压缩机，其中所述旋转组件包括推力表面；以及

推力轴承，所述推力轴承设置在所述壳体中，以抵住所述旋转组件的所述推力表面，其中所述推力轴承具有贯穿其中以用于接纳所述轴的轴孔，并限定主垫块以及多个副垫块，其中所述主垫块以及所述多个副垫块均限定垂直于所述轴的旋转轴线的平台区域以及斜坡区域，其中所述推力轴承进一步限定第一轴承表面以及第二轴承表面；

其中所述主垫块限定大于所述多个副垫块中的各副垫块的副表面区域的主表面区域。

2.根据权利要求1所述的改进的涡轮增压器组件，其进一步包括限定在所述壳体中的进油器，其中所述进油器经由限定在所述推力轴承中的内部通路与所述主垫块流体连通。

3.根据权利要求2所述的改进的涡轮增压器组件，其中各副垫块的所述副表面区域彼此相等。

4.根据权利要求3所述的改进的涡轮增压器组件，其中，除了进油凹槽以外，所述第一轴承表面还限定所述主垫块以及所述多个副垫块。

5.根据权利要求4所述的改进的涡轮增压器组件，其中所述进油凹槽经由所述内部通路与限定在所述第一轴承表面上的所述主垫块、所述第二轴承表面以及限定在所述壳体中的所述进油器流体连通。

6.根据权利要求5所述的改进的涡轮增压器组件，其进一步包括限定在所述第一轴承表面上的局部弧形凹槽，其中所述局部弧形凹槽被限定成邻近所述多个副垫块。

7.一种用于涡轮增压器的改进的推力轴承，其包括：

第一轴承表面以及第二轴承表面；

使所述第一轴承表面与所述第二轴承表面相连接的内部通路；

限定在所述第一轴承表面上的主垫块，其中所述主垫块进一步限定与内部通路流体连通的第一孔；以及

限定在所述第一轴承表面上的多个副垫块，其中所述多个副垫块中的各副垫块具有小于所述主垫块的主表面区域的副表面区域。

8.根据权利要求7所述的改进的推力轴承，其中所述推力轴承具有贯穿其中以用于接纳轴的轴孔，所述主垫块以及所述多个副垫块中的各副垫块均限定垂直于所述轴的旋转轴线的平台区域。

9.根据权利要求8所述的改进的推力轴承，其中所述主垫块经由所述内部通路与涡轮增压器壳体中的进油器以及所述第二轴承表面流体连通。

10.根据权利要求9所述的改进的推力轴承，其中各副垫块的所述副表面区域彼此相等。

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