CN109831919A - 涡轮增压器止推轴承和制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种止推轴承(30)、尤其是用于涡轮增压器的止推轴承，其在止推垫面部(54)上具有独特构造，包括自由形式曲率或通过几何形状等式限定的非线性构造。止推垫面部可以通过经编程的线性致动器系统和切削工具来构造。

Description

涡轮增压器止推轴承和制造方法
技术领域
本发明涉及止推轴承，尤其是用于涡轮增压器的止推轴承，且涉及制造止推轴承的方法。
背景技术
止推轴承是特定类型的旋转元件轴承，并且设计成支承轴向负载。止推轴承通常用在汽车、船舶、发电和航空航天应用中。一个常见使用是在尤其是用于乘用车辆和商用车辆的涡轮增压器中。
涡轮增压器用于通过提供较高的充压空气密度来增大发动机动力输出，以使得在每个发动机循环中能燃烧更多燃料。涡轮增压器的使用允许较小发动机的使用，但仍维持与较大发动机类似的动力和性能。这还导致设计和生产较小和较轻的车辆，从而产生重量节省和增大的燃料经济性。
用在涡轮增压器中的一种类型的止推轴承是固定型流体膜止推轴承，其提供延长的轴承寿命并且降低成本。止推轴承包含设置在止推轴承盘的一侧或两侧上的多个止推垫，并且具有用于放置在轴上或周围的中心开口。这些止推轴承在止推垫和旋转盘构件(例如，轴环垫圈)之间产生油区域，这些油区域支承所施加的推力并且消除金属与金属接触。
制造用于流体膜止推轴承的止推垫的当前方法昂贵且延长循环时间，或者通过冲压制造，而冲压通常产生关于垫几何形状的公差问题，这通常导致额外的劳力和昂贵的重新设计。
本发明的目的是提供一种改进的固定型流体膜止推轴承。另一目的是提供用于流体膜止推轴承的改进止推垫。本发明的进而另一目的是提供制造止推轴承的改进方法，尤其是关于用于止推轴承的止推垫的成形方面。
发明内容
这些和其它目的以及额外的成本和性能益处从本发明获得。流体膜止推轴承和止推垫能在形状和几何形状上以更大的精度以及在缩短的制造循环时间下制造。相关联的益处包括增大负载能力和/或减小的轴承尺寸和减小的油膜损失。
止推轴承在止推轴承盘的一侧或两侧上具有多个止推垫。止推垫较佳地是楔形的，且具有相邻的油槽和贮存器。止推垫的外表面成型有非线性几何形状或自由成形构造。这些轮廓具有单一或复合形状，其具有或不具有平坦平台部分。自由成形轮廓能通过幂律方程限定。
使用高频率高负载能力的线性致动器机加工组件将止推垫加工成它们的最终轮廓和构造。通过切削工具在致动器组件上的尺寸上改变的径向和轴向轨迹来形成几何形状或自由成形形状构造的止推垫。一旦止推轴承盘产生有过大尺寸的止推垫，该盘就通过控制器相对于线性致动切削工具的同步运动而旋转。切削工具末端轨迹为止推垫产生期望的最终轮廓。
从本发明的结合附图和所附权利要求的下文书面描述中，本发明的其它特征、益处以及优点会变得显而易见。
附图说明
图1是涡轮增压器的示意图。
图2和3示出已知的止推轴承。
图4和5分别是图3中沿着线4-4和5-5剖取的剖视图。
图6-10示出用于止推垫面部的已知构造。
图11和12示出另一已知的止推轴承。
图13示出附加类型的已知止推轴承。
图14-19示出根据本发明的用于止推轴承的止推垫面部的构造。
图20-21示意地示出用于形成止推垫面部上的构造和轮廓的发明过程的实施例。
图22示出用于利用发明过程的流程图。
具体实施方式
涡轮增压器具有三个主要部件，即涡轮、压缩机以及中心壳体/榖组件。中心榖旋转组件容纳轴，该轴连接压缩机叶轮和涡轮。该组件包括轴承系统以悬置轴，从而允许其在最小摩擦下以高速旋转。涡轮增压器的轴和涡轮机轮组件能以超过30000rpm的速度旋转。在汽车应用中，轴承系统通常包括止推轴承，该止推轴承通过加压发动机油的恒定供给来润滑。这些轴承通常称为流体膜轴承。
当今的用于制造用于止推轴承的垫的方法通常昂贵且费时。这缩短循环时间并且增大制造成本。其它已知方法通过冲压过程来生产止推轴承和垫。虽然该方法较为便宜且较快，但其通常产生具有令人不满意的公差和几何形状的垫，这通常导致缩短寿命、不良性能以及增大油损失。
还应理解的是，虽然本发明参照用于涡轮增压器的止推轴承而示出并且加以描述，但本发明也能用于诸如重型机器之类许多其它产品和系统所使用的止推轴承。
图1是通用表示的涡轮增压器20的示意图。该涡轮增压器包括压缩机机轮22、涡轮机轮24、旋转轴构件26以及壳体构件28。其它部件包括止推轴承30、止推环垫圈(也称为轴环盘)32、挡液环或套筒34以及压缩机螺母36。压缩机机轮和涡轮机轮连接于轴构件26。止推轴承30附连于壳体并且并不旋转。止推环垫圈32和挡液环套筒34附连于轴构件并且随其旋转。压缩机螺母36旋拧到轴构件26的端部上，并且一起压缩压缩机机轮22、挡液环34以及环垫圈32。其它轴承(未示出)用于便于轴构件在壳体内部旋转，且通常诸如径向衬套的其它衬套或轴承与止推轴承组合地使用。
止推轴承垫轴向地、即平行于轴的轴线和旋转轴环而延伸，并且具有垂直于轴的轴线的止推垫表面(也称为面部)。旋转轴环也称为垫圈，并且具有平坦侧或表面，这些平坦侧或表面作用在该旋转轴环和止推轴承垫之间的流体膜上。
挡液套筒也具有平坦面部，该平坦面部作用在该挡液套筒和止推轴承盘的相邻侧上的任何止推轴承垫之间的流体膜上。
通道38设置或机加工到轴承壳体中，以使得油通至轴构件26和止推轴承30。油用于润滑这些部件以及冷却这些部件并将其维持在期望的操作温度极限内。油从车辆的主要供油系统分配，且涡轮增压器位于其中。轴承中的油膜减小摩擦并且延长轴承和涡轮增压器的寿命。
止推轴承包含多个止推垫，这些止推垫通常围绕轴以圆形定向设置。止推垫的尺寸和形状以及垫的数量能取决于轴承会经受的负载而改变。通常，轴承垫形成360°圆形样式，但经受较轻负载的轴承可能不会完全地围绕轴延伸。
止推轴承较佳地由黄铜或青铜材料制成。
代表性止推轴承在图2-5中示出。如图2中所示，止推轴承50在形状上是圆形的，且具有中心轴开口52和多个单独的止推垫构件54。每个垫构件的外表面具有平台部分53和锥形部分55。轴构件26(以虚线示出)定位在开口52中并且沿箭头57的方向旋转。为了便于说明起见，将轴构件26的外直径和开口52的内直径之间的间隙放大。实际间隙通常是几毫米。
多个油凹槽58定位在止推轴承上，其中，凹槽定位在每个止推垫54之间。开口59定位在每个油凹槽中，以便于油的进入和循环。止推轴承的外边缘或缘部56称为护罩或堤坝。取决于设计意图，一些止推轴承可能并不具有此种特征。
此外，虽然图2和3中示出的止推垫具有扇形或楔形形状，但这并非是关键的。用在止推轴承中的止推垫可具有各种各样的形状，例如圆形、三角形、椭圆形、分段的或矩形的。具有最大覆盖区域或面积的止推垫是较佳的，而与它们的形状无关。
当止推轴承通常用在涡轮机器中时，他们中的一对能定位在厚的旋转止推轴环(垫圈)附近。因此，止推垫能位于垫圈的两侧上。在其它涡轮机器中，成对止推垫圈能定位在止推轴承的两侧上，该止推轴承在两侧上具有止推垫。
图4和5是图3中沿着线4-4和5-5剖取的剖视图。这些示出的是，止推垫形成或机加工为止推轴承的一部分，即他们并非是另外制成并且附连于止推轴承盘的单独部件或部分，而替代地是一件式产品的一体部分。
已知的流体膜止推轴承中的止推垫的轴向外表面的轮廓或构造通常具有一个或多个线性锥部。这在图3和4以及图6(其是图3和4中的止推垫的侧视图)中以及在图7(其是该止推垫的端视图)中示出。止推垫54具有线性平台或平坦部段53以及线性平坦锥形部段55。平台部段相对于锥形部段的周向长度比值通常是约20％至80％，但也可利用其它比值。
另一已知的流体膜止推轴承的止推垫154的轴向外边缘151的轮廓或形状在图8和9中示出。在此种情形中，该轴向外表面具有复合锥形形状。平台或平坦部段153与图6和7中的平台或平坦部段53相同，但锥形部段155在周向方向151和155以及在侧向径向横向方向156两者上具有线性锥部。
止推垫的锥形部段相对于回转(旋转)的止推轴环(垫圈)定向，以使得油流动“向上”行进至锥形斜面。这在图10中示出。油流动相对于止推旋转轴环32和静止止推轴承30而通过箭头65示出。(图10还示出下文提到的其它物件。)
如图所示，止推轴承可在盘的一侧或两侧上具有止推垫。止推垫较佳地会在两侧式止推轴承的两侧上具有相同的位置、定向、尺寸以及形状，但这也可由技术工程师自行决定改变。例如，垫和油凹槽可以从一侧错开至另一侧。通常，油凹槽和贮存器在双侧式止推轴承的两侧上是相同的并且位于相同位置中。
另一已知的止推轴承70在图11中示出。在此种产品中，如图12中所示，止推垫72各自具有台阶状轮廓74。
进而又一已知止推轴承80在图13中示出。在该止推轴承80中，盘主体仅仅围绕轴构件26'的一部分。它还具有较少的止推垫82和较少的油凹槽84。此种类型的止推轴承80用在这样的情况中，其中，轴向面部小于需要完整的360°止推衬套的一些涡轮增压器会遇到的情形。此种类型的典型止推轴承具有230°形状。
较佳地是，止推垫绕轴对中或者至少在围绕轴对中的节圆构造中对中。止推轴承的剩余部分用作支承结构，且通常仅仅需要在顶部和侧部处连接于轴承壳体。使得轴承壳体在止推轴承的底部处的底部部分打开，用于油排放。
采用本发明，止推垫或止推垫面部的轴向延伸部(其是止推垫的有效部分)在止推轴承上的轮廓可具有显著不同的轮廓和形状。止推垫具有非线性几何形状或者自由形式形状的弯曲锥部，而非具有平坦表面或者具有平台的表面且既非单一也非复合线性锥部。这些表面具有改变的径向和轴向形状，较佳地是复合成形形状。为了获得最佳效果，止推垫表面的精确曲线基于在其表面上产生最佳油流动的事物所确定。
止推垫的自由成形轴向外表面的轮廓可具有通过幂律方程限定的形状。该方程是h＝a(x)k，其中，“h1”是在位置“x1”处的高度(如图10中所示)，“a”是常数，“x”是止推垫表面上的点位置，而“k”是幂。对于增大的压力，较佳的指数“k”的范围是从2至6(x1会是线性的)。针对“k”的数值选择取决于应用，例如涡轮增压器的设计速度和负载。此外，从止推垫上的锥部的前缘至尾缘使用的“k”指数与在复合非线性锥部的情形中用于止推垫的内直径边缘至外直径边缘的指数进行不同地优化。在指数增大(例如，“k”＝9)时，止推垫的有效表面面部接近台阶垫轮廓，其对油流动具有一定的陡峭度。
例如在图10中所示，示出虚线，其中，“h”＝0且“x”＝0，其表示这样的位置，其中，理论最小膜厚度会在止推垫表面和垫圈轴环之间发生。这通过正向方向示出，例如由虚线端部处的轴向箭头所指示。当止推轴承在形成之后进行初始机加工时，材料的薄层或坯料留在止推垫的表面上，如下文所解释地那样。该坯料然后被加工掉，以形成止推垫表面的最终轮廓形状。
图14和15示出根据本发明的止推垫90，该止推垫具有轴向外表面92，该轴向外表面具有平坦平台部段94和非线性几何形状的弯曲锥部部段96。再者，该平坦平台部段处于止推垫的尾缘处，而止推垫的最下方端部处于前缘处。
术语“几何形状弯曲”意指轮廓或构造遵循几何方程并且并不具有平坦或线性形状。
图16和17示出根据本发明的止推垫100，且在止推垫上具有复合弯曲轴向外面部表面102。止推垫具有平坦平台104以及几何形状非线性弯曲锥形表面106，从图17的前缘视图中，该表面具有复合几何形状曲线。非线性锥部107并不与105外直径相同。在内直径107处，非线性锥部108从107过渡为105。图18示出替代止推垫110的前缘视图，其具有替代的复合锥形形状或曲线。轴向外形状112具有不同的几何形状或曲线114。
如图19中所示，根据本发明，还可使得几何形状曲线118在止推垫120的尾缘119处开始并且从一个端部向另一端部121持续地纵向弯曲，由此完整地消除平台或平坦部段。锥形外表面的曲线可以是单一弯曲锥部或复合弯曲锥部，与任何上述复合几何形状弯曲轮廓相似或不同。
术语“自由形式”意指设置在止推垫的轴向外表面上的曲率和锥部无法以几何方程来表示。它们并非是基于方程的。
根据本发明的另一方面，提供一种独特的过程，该过程关于制造止推轴承并且用于提供止推垫上的轴向外表面的曲率和/或构造。具体地说，该过程能用于在止推垫表面上形成自由形式或基于幂方程的构造。
新过程和系统的实施例的示意图在图20中示出，并且总地由附图标记150识别。该过程允许通过致动器装置上的切削工具相对于旋转止推轴承的尺寸上变化的径向和轴向轨迹而形成的自由成形形状构造的止推垫。止推轴承152在卡盘或固定构件154中保持就位，该卡盘或固定构件例如沿箭头156的方向旋转。该止推轴承通过固定件的卡爪158保持就位。止推垫160的上部外轴向表面未经精加工，且在其上留下多余材料161的薄层或坯料。
切削工具162联接于线性致动器机构170。机构170包括高频率线性致动器构件172，该高频率线性致动器构件联接于线性滑动构件174，以使得致动器构件172能沿着平行于止推轴承152上的止推垫160的外表面(或面部)的轴线移动。线性滑动马达176启用线性滑动构件174。线性位置编码器178用于适当地定位和移动滑动件和切削工具。
电子控制器单元(ECU)180引导线性致动器，以允许切削工具能加工剩余在止推垫的外表面上的材料薄层，并且提供最终期望轮廓和面部构造。这可在止推垫的面部上提供自由形式或任何其它线性或非线性几何形状的构造。
该过程提供回转工件相对于线性启用切削工具的同步运动，同时使用切削工具轨迹来产生期望的构造。由控制器提供的方向通过用户对选自止推垫轮廓的数据库的特定止推垫轮廓的选择来确定。采用该过程，用于构造止推垫的面部的机加工时间缩短，且止推轴承的性能会得以改进。
该过程允许与现有过程相比更快地且以更高的精度来制造止推轴承垫几何形状。由于幂方程或“自由形式”轮廓，它还允许增大的轴承负载能力和/或减小的轴承尺寸。该轮廓还会通过消除过度设计的止推轴承来减小油填充损失。
图21示意地示出切削工具162由线性致动器170在止推垫160上的定位和移动。切削工具在机加工止推垫中具有若干移动，例如提供切削深度，工具的径向位置，在止推轴承旋转时，针对止推垫的每个半径，工具每次通行的角向位置。这在高精度下以低循环时间提供自由形式形状。这是可能的，因为通过填充查找表可以对致动器进行软件编程，高频率致动器使用该查询表来确定针对止推垫的每个特定位置的切削深度。该过程能经济地产生线性和弯曲(非线性)的垫表面，以优化油流动、负载能力和损失。
该过程还较佳地是闭环式过程，该闭环式过程对止推垫表面的轨迹进行分布，并且作出自我校正且由此减小误差。设有传感器，以实时地测量和分布几何形状，且借助反馈来校正任何轮廓轨迹误差。
在图22中示出用于控制压型机并且提供合适的位置信号的代表性流图200。该流图以可编程的查询表210开始，该查询表具有期望的自由形式垫轮廓。这为计算机控制器220提供数据和指令，该计算机控制器具有用户界面和数据获取系统。该步骤较佳地可以是用于重复学习控制(RLC)的闭环反馈。控制器220向线性滑动马达230提供输入以进行移动，这进而将所产生的信号提供给线性滑动位置编码器。该数据信号然后馈送至计算机控制器220。
同时，计算机控制器220将信号提供给高频率致动器250，该高频率致动器还控制切削工具机加工过程、旋转卡盘和止推轴承。卡盘角向位置编码器240将位置信号发送至计算机控制器220。
作为替代，可利用轮廓传感器实时轮廓重复学习控制(RLC)260。
还已知，在涡轮增压器或涡轮机器的操作期间，止推垫面部和轮廓能在施加于其上的负载下使得轮廓略微变形。这可在止推垫面部的形成期间加以考虑。采用本发明，在馈送至计算机控制器220的计算机程序中可考虑这一因素。因此，止推垫上的最终轮廓可针对在止推轴承所设计用于的操作期间的实际使用优化。
虽然本发明已结合一个或多个实施例进行了描述，但应理解的是，已描述的特定机构和技术仅仅是对本发明原理的说明，且可对所描述地方法和设备做出各种修改，而不会偏离例如由所附权利要求所限定的本发明精神和范围。

Claims (15)

1.一种流体膜止推轴承，其包括：
盘构件，所述盘构件在一侧上具有第一表面且在与所述第一表面的相对侧上具有第二表面；
所述第一表面在其上具有多个止推垫构件，所述止推垫构件的每个均具有外轴向定向表面；
所述外表面的每个在其至少一部分上具有弯曲轮廓构造；
所述弯曲轮廓构造由非线性几何方程所限定。
2.根据权利要求1所述的流体膜止推轴承，进一步包括在所述盘构件中的中心开口，其中，所述盘构件可以定位在轴构件上，且其中，所述止推垫构件具有楔形构造。
3.根据权利要求1所述的流体膜止推轴承，其中，所述垫构件在所述第一表面上以圆形定向设置，且所述止推轴承是涡轮增压器止推轴承。
4.根据权利要求1所述的流体膜止推轴承，进一步包括多个流体通道，所述多个流体通道定位在所述第一表面上，其中，流体可以施加于所述第一表面上的所述垫构件。
5.根据权利要求1所述的流体膜止推轴承，进一步在所述第二表面上包括多个止推垫构件。
6.根据权利要求5所述的流体膜止推轴承，其中，所述第二表面上的所述止推垫构件的每个具有楔形构造，且外表面具有弯曲轮廓构造。
7.根据权利要求6所述的流体膜止推轴承，其中，在所述第二表面上的所述止推垫构件的所述外表面上的所述弯曲轮廓构型通过在所述第一表面上的所述止推垫构件的所述外表面上限定该弯曲轮廓构造的相同方程来限定。
8.一种流体膜止推轴承，其包括：
盘构件，所述盘构件在一侧上具有第一表面且在与所述第一表面的该相对侧上具有第二表面；
所述第一表面在其上具有多个止推垫构件，所述止推垫构件的每个均具有外轴向定向表面；
所述外表面的每个在其至少一部分上具有弯曲轮廓构造；
所述弯曲轮廓构造通过该方程h＝a(x)k限定而自由地形成；其中，“h”是相对于位于所述垫上的基准的该垫高度，“a”是常数，“x”是该止推垫表面上的点位置；且“k”是该幂。
9.根据权利要求8所述的流体膜止推轴承，进一步在所述第二表面上包括多个止推垫构件。
10.根据权利要求8所述的流体膜止推轴承，其中，“k”是大于1的幂。
11.一种在止推轴承的第一表面上形成止推垫的方法，所述方法包括：
提供具有多个止推垫的推止轴承，所述多个止推垫一体地形成在所述止推轴承的第一表面上，所述止推垫的每个具有前面部；
选择或输出止推垫轮廓；
提供设备，所述设备包括：
致动器，
切削工具，所述切削工具联接于所述致动器，用于对所述止推垫的每个的所述前面部进行机加工，以及
控制器，所述控制器用于引导所述致动器；以及
在所述止推轴承的所述第一表面上的所述止推垫的所述前面部上机加工所述止推垫轮廓。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述止推轴承是涡轮增压器止推轴承。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述止推垫的所述前面部的机加工在所述前面部上提供通过几何方程限定的非线性锥形轮廓。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述止推垫的所述前面部的机加工在所述前面部上提供自由形式轮廓。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述止推轴承的与所述第一表面相对的第二表面上提供第二多个止推垫，所述第二多个止推垫的每个具有前面部；以及
在所述第二多个止推垫的每个的所述前面部上机加工止推垫轮廓。
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