CN1324981A - 可变容积涡轮机的喷嘴调节机构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种可变容积涡轮机的喷嘴调节机构,其具有将由致动器驱动的喷嘴驱动件与喷嘴叶片连接的连接杆和喷嘴叶片上的喷嘴轴的边缘之间的连接。该连接具有很高的强度并且不会变形。连接杆的连接孔具有平坦或曲线形的挡止表面。喷嘴轴的连接边缘也具有对应的挡止表面。当喷嘴轴的连接边缘进入连接杆的连接孔时,连接边缘的挡止表面与连接孔的挡止表面接触,使喷嘴轴和连接杆彼此不能转动。之后对连接边缘进行固定。

Description

可变容积涡轮机的喷嘴调节机构

本发明涉及一种径向流动的可变容积涡轮机的喷嘴调节机构，可变容积涡轮机可用作内燃机的增压机(排气涡轮增压器)。这种径向流动的可变容积涡轮机构造成：工作气体从涡轮机壳体中螺旋形的涡管经过多个可变角度的喷嘴叶片，使气体流动到涡轮机转子，使得气体驱动转子旋转。

近年来，如果内燃机有增压机的话，越来越普遍的情况是带有可变容积涡轮机形式的增压机。这种涡轮机根据发动机的工作状态改变由螺旋形涡管传输到涡轮机转子的排出气体的流速，涡轮机进行这种变化，使得发动机排出气体的流速与能够产生增压机最佳工作状态的流速相匹配。

图7和图8中示出了传统增压机的基本结构。图7为属于现有技术的带可变容积涡轮的增压机的透视图。图8示出了在现有技术中连接板3、连杆1和喷嘴叶片2是如何连接的。在图7中，10为涡轮机壳体，11为在涡轮机壳体10外周的螺旋形涡管。12为涡轮机转子，通过轴承(未示出)支撑在中心壳体上，使得其可以自由转动。转子与压缩机(亦未示出)同轴。

2为喷嘴叶片，多个喷嘴叶片在涡管11的内周边上沿涡轮机圆周的空间设置。在喷嘴内端的喷嘴轴02支撑在喷嘴支座(nozzle mounts)4上，使得喷嘴轴可以自由的转动而改变喷嘴叶片的角度，喷嘴支座4固定在涡轮机壳体10上。14为废气壳体，一旦气体完成了膨胀作功以驱动涡轮机转子12的工作后，废气壳体引导废气排出发动机。废气壳体固定到涡轮机壳体10上。

3为盘状连接板，其由涡轮机壳体10支撑而可以自由转动。凹口3a沿周边设置，连杆1(下面将简要描述)可以接合在凹口中。07为通过连接板3驱动喷嘴叶片2的致动器。005为将致动器07的致动器杆7与连接板3相连的杆。

图5和6示出了连接板3、连杆1和喷嘴叶片2是如何组装的。凹口(长方形孔(oblong holes))3a沿涡轮机圆周以等距离间隔设置在盘形连接板3的内周上。形成在连杆1的外端的凸起6接合在凹口(长方形孔)3a中，使得凸起可以转动并且滑擦凹口的表面。各前述喷嘴叶片2的喷嘴轴02固定到一个连杆1的内端。

在这种可变容积涡轮机中，致动器07的往复位移通过致动器杆7和曲柄机构的杆005传递到连接板3，从而驱动连接板3转动。当连接板3转动时，接合在连接板3的凹口3a中的连杆1的凸起6沿着连接板的圆周运动。固定在连杆1的内端的喷嘴轴02转动。这使得喷嘴叶片2转动，改变喷嘴叶片的角度。

在图7和8所示的可变容积涡轮机中，在连杆1的外端的凸起6接合在沿涡轮机圆周以均匀间隔设置在盘状连接板3内侧的凹口3a内。喷嘴叶片2的喷嘴轴02固定在连杆1的内端。上述大多数可变容积涡轮机在汽车内燃机的增压机中用作排气涡轮机。这种增压机较小，所以喷嘴轴02和喷嘴叶片2的连接孔必须具有较小的直径，在强度方面无法承受太大的力。一般，通过加压来形成喷嘴叶片2和连杆1之间的连接以便保证强度。在图7和图8所示的现有技术的设计中，喷嘴轴02的边缘推入连杆1的连接孔，连接孔卡住喷嘴轴02的边缘。喷嘴轴的端部随后被铆接或焊接，使得喷嘴叶片2和连杆1不能相对转动，保持固定。因此，喷嘴叶片2和连杆1相互结合。

换言之，在现有技术中，当连接孔卡住喷嘴轴02的边缘时，连接孔和边缘都被迫产生变形。因此，为了将喷嘴叶片2的轴02与连杆1紧固在一起，需要很大的力将轴压入连接孔。当采用现有技术的工艺时，如上所述，用很大的力使小直径的轴02强制进入小直径连接孔中而使两者结合在一起。其结果是，当较大的旋转力作用在喷嘴轴02的上述边缘和连接孔连接的区域时，喷嘴轴02有可能断裂或一些连接孔会裂开，或者两者连接的部分会被破坏。

此外，由于暴露在废气中的喷嘴叶片2受到相当高的温度，喷嘴轴02的边缘进入连接孔中而使喷嘴叶片2和连杆在此处相互结合的部分也承受高温。如上所述，因通过变形而形成连接，则在高温下的强度将降低。这使得喷嘴叶片2的喷嘴轴02更易于出现上述类型的破坏。

可变容积涡轮机的叶片角度必须精细地控制。在所述的现有技术中，喷嘴叶片2相对于连杆1的角度在组装过程中借助于卡具(jig)来设定。这就要求大量的组装过程及特殊的组装工具(如卡具)，增加了生产成本。

鉴于现有技术设计中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有下述特征的可变容积涡轮机的喷嘴调节机构。将由致动器驱动的喷嘴驱动件与喷嘴叶片连接的连接杆和喷嘴叶片上的喷嘴轴的边缘具有很高的强度并且不会变形。不需要诸如卡具等特殊的组装工具，并且以较少的组装步骤和较低的成本就可以获得高精度的连接。

本发明的第一实施例为可变容积涡轮机，包括涡轮机壳体中的螺旋形涡管；多个沿涡轮机圆周在涡管的内周侧设置的喷嘴叶片，支撑在涡轮机壳体上使得叶片可以转动，并且可以改变叶片的角度；涡轮机转子，在喷嘴叶片的内周上自由旋转。工作气体从涡管开始经喷嘴叶片流动到涡轮机转子，驱动转子旋转。涡轮机具有喷嘴调节机构，该喷嘴调节机构包括用于喷嘴的喷嘴驱动件，连接到使喷嘴驱动件绕涡轮机轴旋转的致动器上；多个连接杆，将喷嘴驱动件与喷嘴叶片相连。

该可变容积涡轮机具有如下区别技术特征。连接杆的连接孔具有平坦或曲线形的挡止表面。喷嘴轴的连接边缘也具有与连接孔挡止表面相对应的挡止表面。当喷嘴轴的连接边缘进入连接杆的连接孔时，连接边缘的挡止表面与连接孔的挡止表面进入接触，接触彼此的非圆形表面。这种接触不会引起双方的任何变形。接触后，将对连接边缘进行固定步骤。连接杆和喷嘴轴的连接边缘有效地锁定在一起，使得彼此都不能相对地转动。换言之，喷嘴轴的端部阻止轴的转动。

作为喷嘴叶片和连接杆之间连接的实际构型，连接孔和连接边缘的挡止表面可以成形为两个平坦的表面并最好是相对的两个平行平坦表面，在连接孔和连接边缘的侧面的两个平坦表面相互接触。

或者，根据本发明的第二实施例，通过切去圆形连接边缘的一部分以形成单一平坦的表面并在圆形连接孔中提供对应的单一平坦表面来形成非圆形连接，从而使得两个表面可以相互接触。

在或者，根据本发明的第三实施例，通过使喷嘴轴的连接边缘加工成锯齿状并在连接孔的表面形成可以与喷嘴轴的锯齿配合的对应的互配锯齿状而形成连接。

采用上述实施例，当喷嘴叶片的连接边缘配合在连杆的连接孔上时，连接孔的挡止表面和连接边缘的挡止表面相互进入接触。喷嘴叶片和连杆可以以几何图形确立的角度结合而不产生变形。连接孔和连接边缘可以以很小的力配合，使得两者不能相对转动。喷嘴叶片的旋转力被孔和喷嘴轴的相邻挡止表面吸收。

采用这种设计，喷嘴叶片的旋转力不会使连接孔和连接边缘结合的连接区域疲劳。喷嘴轴不会断裂，来自连接板的驱动力可以通过连杆传递给喷嘴叶片。即使连接孔和连接边缘结合的连接区域承受高温，也不会产生变形。因为连接是几何形状的，旋转力不会破坏喷嘴轴配合入连接孔的连接区域。这种设计形成极耐久的连杆与喷嘴叶片的连接。

在这类可变容积涡轮机中，喷嘴叶片的叶片角度也必须非常精确地控制。在这些实施例中，当喷嘴轴连接边缘的挡止表面与连杆连接孔的挡止表面进入接触时，喷嘴叶片和连杆以预定的关系几何连接。因此不必象现有技术那样，在喷嘴叶片和连杆装配时用卡具确立两者的相对角度。则需要的装配步骤较少，并且不需要卡具等特殊的工具。这就降低了设备成本。

在喷嘴叶片和连杆连接的第二实施例中，连杆连接孔的挡止表面和配合在孔中的喷嘴叶片连接边缘的挡止表面通过削掉连接边缘的一侧而形成平坦的挡止表面并使连接孔具有与连接边缘接触的平坦挡止表面而形成。

在该第二实施例中，轴和连杆上只有单个挡止表面阻止喷嘴叶片和连杆的相对运动。因此，挡止表面吸收的旋转力的程度小于设置有两个挡止表面的情况。然而，所需的加工步骤更少。

在喷嘴叶片和连杆连接的第三实施例中，连接孔的内表面具有锯齿，与该连接孔配合的喷嘴叶片的连接边缘也具有沿其表面的锯齿。当连接孔的锯齿与连接边缘的锯齿配合时，它们阻止喷嘴叶片和连杆的相对转动。采用该第三实施例，可以加工普通的锯齿类型，使得零部件易于制造。通过改变两个锯齿状表面配合的方位，可以很容易地调整喷嘴叶片和连接板的相对位置。

下面结合附图详细描述。附图中：

图1示出了连接的第一实施例，用于带有本发明可变容积涡轮机的增压机的喷嘴调节机构的喷嘴叶片和连杆；图1A为连接的透视图；图1B为沿图1A中Z-Z线的剖视图；

图2示出连接的第二实施例；图2A为连杆的平面图；图2B为连杆连接边缘的剖视图(对应沿Z-Z线截取的图1B)；

图3示出连接的第三实施例；图3A为连杆的平面图；图3B为喷嘴轴的端部的透视图；

图4为应用本发明的带有可变容积涡轮机的增压机中喷嘴调节机构的必要零部件剖视图；

图5为沿带可变容积涡轮机的增压机的喷嘴轴截取的必要零部件剖视图；

图6为沿图5中A-A线截取的剖视图；

图7示出了属于现有技术的带可变容积涡轮机的增压机的示例；

图8为局部前剖视图(相对于涡轮机轴以直角截取)。

在这些附图中，1为连杆，2为喷嘴叶片，02为喷嘴轴，3为盘状连接板，03为长方形孔，4为喷嘴支座，05为铆接连接部，6为凸起(bosses),7为致动杆，10为涡轮机壳体，11为螺旋涡管，12为径向流动的涡轮机转子，13为连接腔，31和35为连接孔，32和36为连接孔的挡止表面，33和37为连接边缘，34和28为连接边缘的挡止表面，41为连接孔的锯齿，100为喷嘴调节机构。

下面将结合附图详细描述本发明的优选实施例。在实施例中所描述的零部件形状、相对位置和其它方面没有明确地限定时，本发明的范围并不限于图中所示的零部件，图中所示的内容只是说明性的。

图5为沿带可变容积涡轮机的增压机的喷嘴轴截取的必要零部件剖视图。图6为沿图5中A-A线截取的剖视图。

在图5和6中，10为涡轮机壳体，11为在涡轮机壳体10的外周上的螺旋涡管，12为径向流动的涡轮机转子。该转子与压缩机(未示出)同轴。转子通过轴承(未示出)支撑在中心壳体中，使其可以自由旋转。

2为喷嘴叶片。多个喷嘴叶片沿涡轮机圆周以均匀间隔沿涡管11的内侧设置。位于喷嘴叶片端的喷嘴轴02通过喷嘴支座4支撑而使其可以自由旋转，喷嘴支座4固定到涡轮机壳体10上。叶片的角度通过下面简述的装置可以改变。14为气体通过其逸出的壳体。壳体14为固定到涡轮机壳体10上的通道，当气体膨胀并作用在涡轮机转子12上时，引导废气排出涡轮机。16为气体出口。

3为盘状连接板，由涡轮机壳体10支撑，使其可以旋转。其中接合有连杆1的凸起6(下面将描述)的长方形孔03沿涡轮机圆周以均匀间隔设置。长方形孔03的中心线相对于经过涡轮机轴的径向线以固定的角度设置。这减小了从连接板3到连杆1的驱动力的传递阻力。

7为致动杆，其为致动器07(未示出)的输出端，即驱动喷嘴叶片2的部件。致动杆7的往复运动转化为连接机构17(包括驱动杆06、曲柄控制器5和球窝接头)的转动并传递到连接板3。

在带有所述结构的可变容积涡轮机的增压机中，来自内燃机(未示出)的废气进入涡管11，经过涡管11的螺旋形结构而流入喷嘴叶片2。废气流过喷嘴叶片2的叶片空间。废气由周边流入涡轮机转子12，向着转子的中心移动。在膨胀气体作用在涡轮机转子2之后，气体在轴向流出，导引到气体出口并排到外部。

为了在这种可变容积涡轮机中控制容积，通过控制装置(未示出)相对于致动器设定喷嘴叶片2的叶片角度，使得通过喷嘴叶片2的废气的流速为所需的速度。对应给定叶片角度的致动器07的往复位移通过连接结构17转换为转动并传递给连接板3，驱动连接板的转动，连接结构17包括致动杆7、驱动杆06、曲柄控制器5和球窝接头。

当连接板3转动时，接合在连接板3的长方形孔03中的连杆1的凸起6沿着圆周行进，沿长方形孔03的内表面转动和滑动。当凸起06运动时喷嘴轴02通过臂状连杆1转动，连杆1的基部固定在喷嘴轴02上。因此，喷嘴叶片2转动，致动器07改变叶片的角度。

在图4中，示出了上述喷嘴调节机构，100为喷嘴调节机构。其具有如下的结构。

3为盘状连接板。如图2和3所示，连接板3通过连接机构17以及其它元件与致动杆7相连，使得其可以在涡轮机轴上转动。长方形孔03沿涡轮机的圆周以均匀(或不均匀)间隔设置。2为喷嘴叶片。多个喷嘴叶片沿涡轮机圆周以均匀间隔沿涡管11的内侧设置。位于喷嘴叶片端的喷嘴轴02通过喷嘴支座4支撑而使其可以通过密封单元4a自由旋转，密封单元4a为连接腔13的内部形成气体密封。

各连杆1的一端采用后述方法通过连接部05固定到与喷嘴叶片2相对的喷嘴轴02的一端。形成在连杆1的另一端的凸起6接合在连接板3的长方形孔03中，使得凸起可以在孔的内表面转动和滑动。

连杆1和连接板3如下设置。连杆1位于连接腔13中喷嘴叶片2和连接板3之间，连接腔位于比涡管11更深的涡轮机内侧。这些零件设置在喷嘴叶片的气体出口侧上。

图1示出了连接的第一实施例，用于带有本发明可变容积涡轮机的增压机的喷嘴调节机构的喷嘴叶片和连杆。图1A为连接的透视图。图1B为沿图1A中Z-Z线的剖视图。

在示出连接的细节的图1中，1为连杆。连杆的一端为凸起6，其接合在连接板3的长方形孔03中。在连杆的另一端为平行于凸起6的轴线的连接孔31。连接孔31为近似半圆形的。作用为喷嘴轴的挡块的连接孔31的两个挡止表面32在板的两侧相互平行。

配合到连接孔31中的连接边缘33在喷嘴叶片2的喷嘴轴02的端部形成。连接边缘窄并且其形状精确地类似于与其配合的连接孔31。当其平行的挡止表面34与连接孔的挡止表面32进入接触时，连杆1和喷嘴叶片2锁定在一起，使得两者不能相对转动。如图4所示，当连接边缘33配合入连接孔31时，轴的端部被铆接(05为铆接部分)以确保轴被锁固。连接边缘的端部也可以采用少量的焊接来锁固。

在该实施例中，当喷嘴叶片2的连接边缘33配合入连杆1的连接孔31时，连接孔31的挡止表面32和连接边缘33的挡止表面34以几何形状确定的角度进入接触，从而喷嘴叶片2的叶片和连接板3的旋转角具有合适的相对关系。连接边缘33的端部随后被铆接(05为铆接部分)以确保其锁定就位。轴的端部也可以采用少量的焊接来锁固。

采用这些实施例，当喷嘴叶片2的连接边缘33配合在连杆1的连接孔31上时，连接孔31的挡止表面32和连接边缘33的挡止表面34相互进入接触。喷嘴叶片2和连杆1可以几何形状确定的角度结合而不产生塑性变形。连接孔31和连接边缘33可以很小的力配合，使得两者不能相对转动。喷嘴叶片2的旋转力被孔31和喷嘴轴相邻挡止表面吸收。如果需要，连接边缘33的端部和连接孔31可以通过铆接或焊接固定。

采用这种设计，喷嘴叶片2的旋转力不会使连接孔31和连接边缘33结合的连接区域疲劳。喷嘴轴02不会断裂，来自连接板3的驱动力可以通过连杆1传递给喷嘴叶片2。即使连接孔31和连接边缘33结合的连接区域承受高温，也不会产生变形。因为连接是几何形状的，旋转力不会破坏喷嘴轴配合入连接孔的连接区域。这种设计形成极耐久的连杆1与喷嘴叶片2的连接。

在这类可变容积涡轮机中，喷嘴叶片2的叶片角度也必须非常精确地控制。在这些实施例中，当喷嘴叶片的连接边缘33的挡止表面34与连杆1连接孔31的挡止表面32进入接触时，喷嘴叶片2和连杆1以预定的关系几何连接。因此不必象现有技术那样，在喷嘴叶片2和连杆1装配时用卡具确立两者的相对角度。需要的装配步骤较少，并且不需要卡具等特殊的工具。这就降低了设备成本。

连接孔31和连接边缘33可以是椭圆形或蛋形。

在图2所示喷嘴叶片和连杆连接的第二实施例中，连杆1的连接孔35和配合在该连接孔中的喷嘴叶片2的连接边缘37的形状通过削掉连接边缘的截面而形成平坦的连接表面38并使连接孔35具有将与连接边缘接触的平坦挡止表面而形成。图2A为连杆的平面图。图2B为连杆连接边缘的剖视图(对应沿Z-Z线截取的图1B)。

在该实施例中，只有单一挡止表面(轴上的挡止表面38和与其接触的连接孔的挡止表面36)来阻止喷嘴叶片和连杆的相对运动。因此，挡止表面38和挡止表面36吸收的旋转力的程度小于设置有两个挡止表面的情况。然而，所需的加工步骤更少。

在图3所示喷嘴叶片和连杆连接的第三实施例中，连杆1的连接孔挡止表面具有锯齿(serrations)41，与该连接孔配合的喷嘴叶片2的连接边缘也具有沿其内表面的锯齿42。图3A为连杆的平面图；图3B为喷嘴轴的端部的透视图。当连接孔的锯齿41与连接边缘的锯齿42配合时，它们阻止喷嘴叶片2和连杆1的相对转动。采用该第三实施例，可以加工普通的锯齿类型，使得零部件易于制造。通过改变两个锯齿状表面配合的方位，可以很容易地调整喷嘴叶片2和连接板3的相对位置。

采用上述实施例，喷嘴叶片和连杆可以几何形确立的角度结合而不产生变形。连接孔和连接边缘可以很小的力配合，使得两者不能相对转动。喷嘴叶片的旋转力被孔和喷嘴轴相邻挡止表面吸收。

采用这种设计，喷嘴叶片的旋转力不会使连接孔和连接边缘结合的连接区域疲劳失效。喷嘴轴不会断裂，来自连接板的驱动力可以通过连杆传递给喷嘴叶片。即使连接孔和连接边缘结合的连接区域承受高温，也不会产生变形。因为连接是几何形状的，旋转力不会破坏喷嘴轴配合入连接孔的连接区域。这种设计形成极耐久的连杆与喷嘴叶片的连接。

在这类可变容积涡轮机中，当喷嘴轴连接边缘的挡止表面与连杆连接孔的挡止表面进入接触时，喷嘴叶片和连杆以预定的关系几何连接。因此不必象现有技术那样，在喷嘴叶片和连杆装配时用卡具确立两者的相对角度。因此需要的装配步骤较少，并且不需要卡具等特殊的工具。这就降低了设备成本。

在图2所示喷嘴叶片和连杆连接的第二实施例中，连杆连接孔的挡止表面和配合在孔中的喷嘴叶片连接边缘的挡止表面通过削掉连接边缘的一侧而形成平坦的挡止表面并使连接孔具有将与连接边缘接触的平坦挡止表面而形成。轴和连杆上只有单个挡止表面阻止喷嘴叶片和连杆的相对运动。因此，挡止表面吸收的旋转力的程度小于设置两个挡止表面的情况。然而，所需的加工步骤更少。

在图3所示喷嘴叶片和连杆连接的第三实施例中，可以加工普通的锯齿类型，使得零部件易于制造。通过改变两个锯齿状表面配合的方位，可以很容易地调整喷嘴叶片和连接板的相对位置。

Claims (4)

1．一种设置在可变容积涡轮机内的喷嘴调节机构，包括：涡轮机壳体中的螺旋形涡管；多个沿涡轮机圆周在涡管的内周侧以均匀间隔设置的喷嘴叶片，支撑在涡轮机壳体上使得所述喷嘴叶片可以转动，并且可以改变叶片的角度；涡轮机转子，通过工作气体而在喷嘴叶片的内周上自由旋转，工作气体从涡管开始经喷嘴叶片流动到涡轮机转子；

所述喷嘴调节机构，包括：

用于喷嘴的喷嘴驱动件，连接到使喷嘴驱动件绕涡轮机轴旋转的致动器上；和

多个连接杆，将喷嘴驱动件与喷嘴叶片相连；

其特征在于，连接杆的连接孔具有平坦或非圆形的曲线形的挡止表面，喷嘴轴的连接边缘也具有对应于连接孔挡止表面的挡止表面，连接边缘的挡止表面与连接孔的挡止表面进入接触，非圆形挡止表面彼此接触，不引起双方的任何变形，以便连接杆和喷嘴轴的连接边缘有效地锁定在一起，使得彼此都不能相对地运动，随后对连接边缘进行固定步骤。

2．如权利要求1所述的喷嘴调节机构，其特征在于，连接孔和连接边缘的挡止表面可以成形为两个平坦的表面并最好是相对的两个平行平坦表面，在连接孔和连接边缘的侧面的两个平坦表面相互接触。

3．如权利要求1所述的喷嘴调节机构，其特征在于，通过切去圆形连接边缘的一部分以形成单一平坦的表面而形成连接边缘的所述非圆形挡止表面，并在圆形连接孔中提供对应的单一平坦表面，从而使得两个挡止表面可以相互接触。

4．如权利要求1所述的喷嘴调节机构，其特征在于，通过将喷嘴轴的连接边缘加工成锯齿状并在连接孔的表面形成可以与喷嘴轴的锯齿配合的对应的互配锯齿状而形成连接边缘的所述非圆形挡止表面。

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