CN111971462A - 增压器 - Google Patents

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Abstract

增压器(100)具备：转子(1)，其具有涡轮机侧轴部(11)、压气机侧轴部(12)以及将涡轮机侧轴部(11)与压气机侧轴部(12)连接的连接轴部(13)；涡轮机侧轴承(5)，其对涡轮机侧轴部(11)进行支承；压气机侧轴承(6)，其对压气机侧轴部(12)进行支承。连接轴部(13)的刚性设定为比涡轮机侧轴部(11)和压气机侧轴部(12)小，以使得转子(1)的运转转速区域中的各危险速度下的模态形状的节点位于涡轮机侧轴承(5)与压气机侧轴承(6)之间。

Description

增压器
技术领域
本发明涉及增压器。
背景技术
为了提高汽车等的发动机输出，存在使用被称为增压器的装置的情况。增压器将压气机所压缩的空气向发动机供给。增压器具有使用发动机排气的被称为涡轮增压器的形式和被称为机械驱动式的机械增压器的形式。例如如以下专利文献1所记载的那样，涡轮增压器具备涡轮机、压气机和将涡轮机与压气机连接的转子。涡轮机利用废气的能量而旋转，利用转子使与涡轮机同轴连接的压气机旋转，从而对空气进行压缩。所压缩的空气向发动机供给。
在这里，已知在以上增压器中，会在转子发生被称为弯曲振动的强制振动。弯曲振动是在转子的弯曲固有频率和运转转速一致时发生的共振。将发生弯曲振动时的运转转速称为弯曲危险速度。弯曲危险速度从低转速区域到高转速区域存在多个，分别被称为一次危险速度、二次危险速度、三次危险速度、…。通常，在设计增压器时，二次危险速度设定为与最高转速(额定转速)相比充分地大。即，在额定转速与二次危险速度之间预期有充分的余量是惯例。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特许第5529714号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，近年来为了实现输出的提高而推进增压器的高速旋转化。伴随于此，弯曲危险速度(二次危险速度)的值接近最高转速(额定转速)的值，在高转速区域发生转子的振动的可能性变高。
本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其目的在于提供一种振动得以进一步降低的增压器。
用于解决技术问题的技术方案
根据本发明的第一方案，增压器具备：转子，其具有涡轮机侧轴部、压气机侧轴部以及在所述涡轮机侧轴部与所述压气机侧轴部之间将所述涡轮机侧轴部与所述压气机侧轴部连接的连接轴部；涡轮机侧轴承，其对所述涡轮机侧轴部进行支承；压气机侧轴承，其对所述压气机侧轴部进行支承；所述连接轴部的刚性设定为比所述涡轮机侧轴部和所述压气机侧轴部低，以使得所述转子的运转转速区域中的各危险速度下的模态形状的节点位于所述涡轮机侧轴承与所述压气机侧轴承之间。
作为用于评价转子的振动特性的方法，已知被称为模态分析的方法。通过进行模态分析，能够得到转子的每个振动模态的模态形状。基于该模态形状，求出振动响应(振幅)最小的位置(节点)。根据上述结构，连接轴部的刚性低于涡轮机侧轴部以及压气机侧轴承的刚性，因此模态形状的节位于涡轮机侧轴承与压气机侧轴承之间。其结果是，能够将靠近节点的部分(即涡轮机侧轴承、压气机侧轴承)处的振动响应抑制得较小，能够降低经由涡轮机侧轴承和压气机侧轴承向增压器整体传播的振动。
根据本发明的第二方案，可以的是，所述连接轴部具有比所述涡轮机侧轴部和所述压气机侧轴部小的外径尺寸。
根据该结构，连接轴部的外径尺寸小于涡轮机侧轴部和压气机侧轴部的外径尺寸。即，仅通过调节连接轴部的外径尺寸，就能够容易且准确地降低连接轴部的刚性。
根据本发明的第三方案，可以的是，所述连接轴部的外周面和所述涡轮机侧轴部中的朝向所述压气机侧轴部的第一对置面被曲面状的第一曲面部连接，所述连接轴部的外周面和所述压气机侧轴部中的朝向所述涡轮机侧轴部的第二对置面被曲面状的第二曲面部连接。
根据该结构，连接轴部与涡轮机侧轴部和压气机侧轴部分别被第一曲面部和第二曲面部连接。即，在连接轴部与涡轮机侧轴部和压气机侧轴部的连接部处没有形成角部。其结果是，能够避免该连接部处的局部性的应力集中，能够确保转子的耐久性。
根据本发明的第四方案，可以的是，所述连接轴部由具有比所述涡轮机侧轴部和所述压气机侧轴部低的刚性的材料形成。
根据该结构，连接轴部由具有比涡轮机侧轴部和压气机侧轴部低的刚性的材料形成。由此，能够容易且准确地降低连接轴部的刚性。
根据本发明的第五方案，可以的是，所述连接轴部的内部中空地形成。
根据该结构，仅通过将连接轴部的内部形成为中空，就能够容易地降低连接轴部的刚性。
根据本发明的第六方案，可以的是，所述连接轴部具有刚性相对较低的低刚性部和刚性相对较高的高刚性部，所述低刚性部和所述高刚性部在从所述涡轮机侧轴部侧朝向所述压气机侧轴部侧的方向上交替地排列。
根据该结构，能够使连接轴部的刚性比涡轮机侧轴部和压气机侧轴部低，并且与均匀地降低连接轴部的刚性的情况相比能够将连接轴部的强度下降抑制得较小。
发明的效果
根据本发明，能够提供振动得以进一步降低的增压器。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的增压器的结构的剖视图。
图2是表示本发明第一实施方式的转子的结构的示意图。
图3是表示本发明第一实施方式的增压器中的转速与振动响应的关系的曲线图。
图4是表示本发明第一实施方式的转子中的一次危险速度下的一次模态的模态形状的示意图。
图5是表示本发明第一实施方式的转子中的二次危险速度下的一次模态的模态形状的示意图。
图6是表示与本发明进行比较的比较例的转子中的一次危险速度下的一次模态的模态形状的示意图。
图7是表示与本发明进行比较的比较例的转子中的二次危险速度下的一次模态的模态形状的示意图。
图8A是表示本发明第一实施方式的转子的变形例的图。
图8B是图8A的A-A线处的剖视图。
图9是表示本发明第二实施方式的转子的结构的图。
图10是表示本发明第三实施方式的转子的结构的图。
图11是表示本发明第四实施方式的转子的结构的图。
图12是表示本发明第四实施方式的转子的变形例的图。
图13是表示本发明第四实施方式的转子的又一变形例的图。
具体实施方式
[第一实施方式]
参照附图对本发明的第一实施方式进行说明。本实施方式的增压器100例如与汽车等的发动机并行设置。增压器100用于通过供给压缩空气而使发动机的输出提高。如图1所示，增压器100具备转子1、涡轮叶轮2、压气机叶轮3、壳体4、涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6。
转子1呈沿着轴线Ac延伸的柱状。转子1具有包含轴线Ac方向一侧的端部的涡轮机侧轴部11、包含轴线Ac方向另一侧的端部的压气机侧轴部12、在涡轮机侧轴部11与压气机侧轴部12之间将涡轮机侧轴部11与压气机侧轴部12连接的连接轴部13。连接轴部13具有比所述涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12小的外径尺寸。需要说明的是，在本实施方式中，涡轮机侧轴部11、压气机侧轴部12以及连接轴部13由同一材料一体形成。并且，在本实施方式中，连接轴部13的剖面形状(与轴线Ac正交的平面中的剖面形状)为圆形。
另外，如图2所示，连接轴部13的外周面(轴部外周面13A)和涡轮机侧轴部11中的朝向压气机侧轴部12的第一对置面11A被曲面状的第一曲面部R1连接。即，在包含轴线Ac的剖视图中，第一曲面部R1从轴部外周面13A朝向第一对置面11A呈曲线状延伸。换言之，在轴部外周面13A与第一对置面11A之间没有形成角部。同样，轴部外周面13A和压气机侧轴部12中的朝向涡轮机侧轴部11的第二对置面12A被曲面状的第二曲面部R2连接。即，在包含轴线Ac的剖视图中，第二曲面部R2从轴部外周面13A朝向第二对置面12A呈曲线状延伸。换言之，在轴部外周面13A与第二对置面12A之间没有形成角部。
再如图1所示，在涡轮机侧轴部11的轴线Ac方向一侧的端部安装有涡轮叶轮2。涡轮叶轮2具有以轴线Ac为中心的圆盘状的涡轮盘21、在涡轮盘21的轴线Ac方向一侧设置的多个涡轮叶片22。多个涡轮叶片22以轴线Ac为中心呈放射状设置。
在压气机侧轴部12的轴线Ac方向另一侧的端部安装有压气机叶轮3。压气机叶轮3具有以轴线Ac为中心的圆盘状的压气机盘31、在压气机盘31的轴线Ac方向另一侧设置的多个压气机叶片32。多个压气机叶片32以轴线Ac为中心呈放射状设置。
涡轮叶轮2、压气机叶轮3以及转子1被壳体4从外侧覆盖。更详细而言，壳体4具有覆盖涡轮叶轮2的涡轮机壳41、覆盖压气机叶轮3的压气机壳42和对后述轴承装置进行收纳的轴承壳43。
在涡轮机壳41的内部形成有涡轮机流路Pt，该涡轮机流路Pt从外周侧包围涡轮叶轮2并且以轴线Ac为中心呈圆环状延伸。涡轮机流路Pt的一端与发动机(未图示)的排气口(排气阀)连接。涡轮机流路Pt的内周侧(排气导入口71)朝向涡轮叶轮2开口。在涡轮机壳41的内周侧形成有朝向轴线Ac方向一侧开口的涡轮机出口72。
在压气机壳42的内部形成有压气机流路Pc，该压气机流路Pc从外周侧包围压气机叶轮3并且以轴线Ac为中心呈圆环状延伸。压气机流路Pc的一端与发动机的进气口(进气阀)连接。压气机流路Pc的内周侧(空气导入口81)朝向压气机叶轮3开口。在压气机壳42的内周侧形成有朝向轴线Ac方向另一侧开口的压气机入口82。
轴承壳43设置在涡轮机壳41与压气机壳42之间。在轴承壳43的内部设有涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6。转子1被这些涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6支承而能够绕轴线Ac旋转。更具体而言，涡轮机侧轴承5对涡轮机侧轴部11进行支承，压气机侧轴承6对压气机侧轴部12进行支承。涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6均为油润滑式的径向轴承。在轴承壳43形成有向这些涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6供给润滑油的润滑油供给部9。
润滑油供给部9具有存留润滑油的存油部91、从存油部91分别朝向涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6延伸的第一流路92和第二流路93。通过在轴承壳43形成的油导入口94向存油部91供给润滑油。存油部91内的润滑油经由第一流路92到达涡轮机侧轴承5，对涡轮机侧轴承5进行润滑。同样，存油部91内的润滑油经由第二流路93到达压气机侧轴承6，对压气机侧轴承6进行润滑。对涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6进行了润滑之后的润滑油通过在轴承壳43形成的油排出口95向外部排出。
接着，对增压器100的动作进行说明。发动机排气经由涡轮机流路Pt向涡轮叶轮2供给，由此使涡轮叶轮2和转子1旋转。使涡轮叶轮2和转子1的旋转后的发动机排气经由涡轮机出口72朝向包含催化装置或过滤器的排气系统排出。在这里，伴随着利用发动机排气实现的涡轮叶轮2和转子1的旋转，压气机叶轮3也进行旋转。利用压气机叶轮3的旋转，外部的空气被从压气机入口82经由压气机流路Pc向压气机叶轮3引导。伴随着压气机叶轮3的旋转，该空气逐渐被压缩而成为高压空气。高压空气经由压气机流路Pc向发动机的进气系统供给。其结果是，通过高压空气的能量而使燃料的爆发力增大，能够提高发动机输出。
在这里，已知在上述增压器100中，会在转子1发生被称为弯曲振动的强制振动。弯曲振动是在转子1的弯曲固有频率与运转转速一致时发生的共振。将发生弯曲振动时的运转转速称为弯曲危险速度。弯曲危险速度从低转速区域到高转速区域存在多个，分别被称为一次危险速度、二次危险速度、三次危险速度、…(参照图3)。近年来，为了实现进一步的输出提高而推进增压器100的高速旋转化。伴随于此，弯曲危险速度(二次危险速度)接近最高转速(额定转速)，存在在高旋转区域产生振动的可能。
然而，在本实施方式的增压器100中，转子1的连接轴部13具有比转子1的其他部分(涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12)小的外径尺寸。即，连接轴部13的刚性低于涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12的刚性。其结果是，能够将转子1的振动响应(振幅)抑制得较小。
对于发生振动的情况下的转子1的行为，参照图4、图5更详细地说明。图4表示的是一次危险速度下的转子1的支配性的振动模态(一次模态)的模态形状。图5表示的是二次危险速度下的转子1的支配性的振动模态(一次模态)的模态形状。需要说明的是，在得到转子1的模态形状时，优选使用被称为模态分析的数值模拟。
如从图4和图5中读出的那样，在一次危险速度和二次危险速度下，在转子1发生弯曲模态的振动。在这里，由于连接轴部13的刚性低于涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12的刚性，所以振动响应(振幅)最小的位置(节点N)位于涡轮机侧轴承5与压气机侧轴承6之间且位于轴线Ac上。即，发生以该节点N为基准而涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12彼此朝向同一方向从轴线Ac离开的振动。这样，节点N位于涡轮机侧轴承5与压气机侧轴承6之间，因此涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6处的振动响应(振幅)变小。即，如图3中的点划线曲线图所示的那样，能够在增压器100的整个运转转速区域内将危险速度下的振动响应抑制得较小。其结果是，一次危险速度原本就没有问题，即使在运转转速达到二次危险速度的情况下，也能够降低经由涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6向增压器100整体传播的振动。
以上，如所说明的那样，根据上述结构，连接轴部13的刚性小于涡轮机侧轴部11和压气机侧轴承6的刚性，因此模态形状的节点N位于涡轮机侧轴承5与压气机侧轴承6之间。其结果是，能够将靠近节点N的部分(即涡轮机侧轴承5、压气机侧轴承6)处的振动响应抑制得较小，能够降低经由涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6向增压器100整体传播的振动。
另外，根据上述结构，连接轴部13的外径尺寸小于涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12的外径尺寸。即，仅通过调节连接轴部13的外径尺寸，就能够容易且准确地降低连接轴部13的刚性。
此外，根据上述结构，连接轴部13与涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12分别被第一曲面部R1和第二曲面部R2连接。即，在连接轴部13与涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12的连接部没有形成角部。其结果是，能够避免该连接部处的局部性的应力集中，能够确保转子1的耐久性。
以上，对本发明的第一实施方式进行了说明。需要说明的是，在不脱离本发明的主旨的前提下，能够对上述结构实施各种变更·修改。例如，在上述第一实施方式中，对连接轴部13具有圆形的截面形状的例子进行了说明。然而，也可以采用图8A、图8B所示的结构。在这些图8A、图8B的例子中，连接轴部13具有多边形的剖面形状。需要说明的是，作为多边形，对采用六边形的例子进行了说明，但是也可以采用其他形状(正方形、正五边形等)。
[第二实施方式]
接着，参照图9对本发明的第二实施方式进行说明。需要说明的是，对于与上述第一实施方式同样的结构，标注同一附图标记而省略详细的说明。在本实施方式中，转子201的连接轴部213由刚性比涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12低的材料形成。
根据该结构，连接轴部213由具有比涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12低的刚性的材料形成。因此，仅通过改变连接轴部213的材料，就能够容易且准确地调节连接轴部213的刚性。
以上，对本发明的第二实施方式进行了说明。需要说明的是，只要不脱离本发明的主旨，就能够对上述结构实施各种变形、修改。
[第三实施方式]
接着，参照图10对本发明的第三实施方式进行说明。需要说明的是，对于与上述第一实施方式相同的结构标注同一附图标记而省略详细的说明。如图10所示，在本实施方式中，转子301的连接轴部313中空地形成。具体而言，在连接轴部313的内部形成有作为中空部V的空间。另一方面，涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12形成为实心。因此，连接轴部313具有比涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12低的刚性。
根据该结构，仅通过使连接轴部313形成为中空，能够容易地使该连接轴部313的刚性比涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12的刚性低。
以上，对本发明的第三实施方式进行了说明。需要说明的是，只要不脱离本发明的主旨，就能够对上述结构实施各种变更、修改。
[第四实施方式]
接着，参照图11对本发明的第四实施方式进行说明。需要说明的是，对于与上述第一实施方式相同的结构标注同一附图标记而省略详细的说明。如图11所示，在本实施方式中，连接轴部413具有低刚性部413A和高刚性部413B。低刚性部413A与高刚性部413B相比具有相对较低的刚性。高刚性部413B与低刚性部413A相比具有相对较高的刚性。高刚性部413B和低刚性部413A在从涡轮机侧轴部11侧朝向压气机侧轴部12侧的方向上交替地排列。
更具体而言，在本实施方式中，高刚性部413B通过具有比低刚性部413A大的外径尺寸而具有相对较高的刚性。低刚性部413A通过具有比高刚性部413B小的外径尺寸而具有相对较低的刚性。
根据该结构，能够使连接轴部413的刚性比涡轮机侧轴部11和压气机侧轴部12低，并且与使连接轴部413的刚性均匀地降低的情况相比能够将连接轴部413的强度降低抑制得较小。
以上，对本发明的第四实施方式进行了说明。需要说明的是，在不脱离本发明的主旨的前提下，可以对上述结构实施各种变形·修改。例如，在上述第四实施方式中，对通过使外径尺寸彼此不同来形成高刚性部413B和低刚性部413A的例子进行了说明。但是，高刚性部413B和低刚性部413A的结构并不限定于上述情况。
作为其他例子，如图12所示，也可以将高刚性部413B和低刚性部413A的外径尺寸设定为彼此相同，并且交替地形成作为低刚性部413A的中空部分V2和作为高刚性部413B的实心部分V1。作为另一例子，如图13所示，可以将低刚性部413A和高刚性部413B的外径尺寸设定为彼此相同，并且使高刚性部413B由具有比低刚性部413A高的刚性的材料形成，使低刚性部413A由具有比高刚性部413B低的刚性的材料形成。在任一结构中，都能够得到与上述第四实施方式的结构同样的作用效果。
比较例
参照图6和图7对与上述第一实施方式进行比较的比较例进行说明。在该比较例中，对与上述第一实施方式不同的比较用转子1'的状况进行说明。在比较用转子1'中，涡轮机侧轴部11'、连接轴部13'以及压气机侧轴部12'具有彼此相同的刚性。图6表示的是一次危险速度下的比较用转子1'的支配性的振动模态(一次模态)的模态形状。图7表示的是二次危险速度下的比较用转子1'的支配性的振动模态(一次模态)的模态形状。
如从图6中读出的那样，在一次危险速度下，在比较用转子1'发生锥形模态的振动。更具体而言，在一次危险速度下，比较用转子1'发生呈以轴线Ac为中心的圆锥状振摆回转的振动。此时，如该图所示，在涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6的位置，发生从轴线Ac向径向外侧脱离的振动响应。即，比较用转子1'的振动经由所述涡轮机侧轴承5以及压气机侧轴承6向装置整体传播。
而且，如从图7中读出的那样，在二次危险速度下，比较用转子1'发生弯曲模态的振动。在此，模态形状的节点N'位于涡轮机侧轴承5与压气机侧轴承6之间。然而，与上述第一实施方式不同，比较用转子1的节点N'处于从轴线Ac向径向外侧脱离的位置。即，可知即使是节点N'也发生比上述第一实施方式的转子1大的振动响应。因此，比较用转子1'的振动经由这些涡轮机侧轴承5和压气机侧轴承6向整个装置传播。
以上，如所说明的那样，可知在本比较例的结构中，在一次危险速度和二次危险速度下在比较用转子1'都发生较大的振动响应。换言之，可知上述各实施方式的结构相对于本比较例起到显著且有益的效果。
工业实用性
根据上述方案的增压器，能够进一步降低振动。
附图标记说明
1，201，301…转子、2…涡轮叶轮、3…压气机叶轮、4…壳体、5…涡轮机侧轴承、6…压气机侧轴承、9…润滑油供给部、11…涡轮机侧轴部、11A…第一对置面、12…压气机侧轴部、12A…第二对置面、13，213，313，413…连接轴部、13A…轴部外周面、21…涡轮盘、22…涡轮叶片、31…压气机盘、32…压气机叶片、41…涡轮机壳、42…压气机壳、43…轴承壳、71…排气导入口、72…涡轮机出口、81…空气导入口、82…压气机入口、91…存油部、92…第一流路、93…第二流路、94…油导入口、95…油排出口、100…增压器、413A…低刚性部、413B…高刚性部、Ac…轴线、N，N'…节点、Pc…压气机流路、Pt…涡轮机流路、R1…第一曲面部、R2…第二曲面部、V…中空部、V1…实心部分、V2…中空部分。

Claims (6)

1.一种增压器，其特征在于，具备：
转子，其具有涡轮机侧轴部、压气机侧轴部以及在所述涡轮机侧轴部与所述压气机侧轴部之间将所述涡轮机侧轴部与所述压气机侧轴部连接的连接轴部；
涡轮机侧轴承，其对所述涡轮机侧轴部进行支承；
压气机侧轴承，其对所述压气机侧轴部进行支承；
所述连接轴部的刚性设定为比所述涡轮机侧轴部和所述压气机侧轴部低，以使得所述转子的运转转速区域中的各危险速度下的模态形状的节点位于所述涡轮机侧轴承与所述压气机侧轴承之间。
2.根据权利要求1所述的增压器，
所述连接轴部具有比所述涡轮机侧轴部和所述压气机侧轴部小的外径尺寸。
3.根据权利要求2所述的增压器，
所述连接轴部的外周面和所述涡轮机侧轴部中的朝向所述压气机侧轴部的第一对置面被曲面状的第一曲面部连接，
所述连接轴部的外周面和所述压气机侧轴部中的朝向所述涡轮机侧轴部的第二对置面被曲面状的第二曲面部连接。
4.根据权利要求1所述的增压器，
所述连接轴部由具有比所述涡轮机侧轴部和所述压气机侧轴部低的刚性的材料形成。
5.根据权利要求1所述的增压器，
所述连接轴部的内部中空地形成。
6.根据权利要求1所述的增压器，
所述连接轴部具有刚性相对较低的低刚性部和刚性相对较高的高刚性部，
所述低刚性部和所述高刚性部在从所述涡轮机侧轴部侧朝向所述压气机侧轴部侧的方向上交替地排列。
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