CN1451077A - 具有低成本滚珠轴承的涡轮增压器转子 - Google Patents

Abstract

一种用于支撑连接涡轮增压器的涡轮机和压缩机的轴的组合轴承，该组合轴承包括一双层薄膜浮动轴颈轴承，一挤压油膜缓冲装置和滚珠轴承载体以及一滚珠轴承组件。其外圈安装在一载体内的角状接触滚珠轴承在抵靠在轴上的一凸肩安装的一内圈上滚动。挤压油膜缓冲装置和滚珠轴承载体被销固定住以排除轴向移动或转动。一推力法兰盘夹置在滚珠轴承内圈和压缩机轴之间以承受推力载荷。

Description

具有低成本滚珠轴承的涡轮增压器转子

技术领域

本发明通常涉及涡轮增压器技术领域，更具体地，涉及一种用于在涡轮增压器内支撑一转动轴的轴承转子组件。

背景技术

用于汽油和柴油内燃机的涡轮增压器是现有技术中使用的已知装置，它利用发动机排出的废气的热量和容积流量，对发送至发动机的燃烧室的吸入空气流进行加压和增压。具体地说，排出发动机的废气被送入涡轮增压器的涡轮机壳体，方式是使由排气驱动的涡轮机在壳体内转动。排气驱动的涡轮机安装在一轴的一端上，该轴是一共用轴，在其相对的另一端上安装一径向空气压缩机。因此，涡轮机的转动也会引起空气压缩机在涡轮增压器的压缩机壳体内的转动，该壳体是与排气壳体分开的。空气压缩机的转动使吸入空气进入压缩机壳体并在其与燃料混合且在发动机的燃烧室内燃烧之前，被加压或增压至所需要的量。

在涡轮机和压缩机之间延伸的共用轴穿过涡轮增压器的中心壳体设置，该壳体包括一轴承组件，该轴承组件用于：(1)为轴的转动提供方便；(2)控制轴的沿轴向的推力和轴的沿径向的振动；和(3)向转动轴提供必需的润滑以降低磨擦影响和相关的磨损。已知在涡轮增压器中使用的共用轴的转动速度在60,000至80,000转/分钟的数量级。在这样的运行条件下，轴承组件向轴提供足够的润滑是必不可少的，以使在这样的高转速下运行所出现的极度的磨擦影响降低至最小，从而延长轴的使用寿命。

本领域中已知的涡轮增压器轴的轴承组件包括滚柱轴承和滚珠轴承，以适应高速的轴转动。然而，已经发现，仅采用这样的滚珠轴承或滚柱轴承的轴承组件在车辆应用的涡轮增压器中并不能提供所需要的使用寿命。其它的用于涡轮增压器的轴承组件是衬套轴承。但是已知发现衬套轴承在这种使用中不能令人满意，因为它们的设计中没有考虑到轴的实际不平衡度，因此其运行不能抑制由这样的不平衡度所导致的共振，而这样的不平衡是转动的涡轮增压器轴的一个特征。而且已知这样的衬套轴承不能适应在这种高速转动下的轴的不平衡，会导致油膜破损，进而引起金属与金属之间的接触，而且也降低轴的使用寿命。

在致力于克服现有技术的轴承系统的缺点的努力中，采用过将轴承组件构造成自由浮动的轴衬形式，其定位于转动轴和一固定的壳体腔室之间，该腔室包括一滚柱或滚珠轴承。滚柱或滚珠轴承系统与自由浮动轴衬的结合使用设计成既能向轴提供所需程度的润滑又能吸收轴在高速转动过程中所引起的振动。这样的轴承系统还使用了推力轴承表面，用来控制转动过程中的轴向的轴位移。

例如，在美国专利4641977中公开了一种轴承系统，该轴承系统包括一抗磨擦滚动轴承，它与一全浮动衬套共同作用，共同支撑转动的涡轮增压器轴。更具体地，该轴承系统包括一具有一整体的单件的细长圆柱形外轴承表面的外圈，该轴承表面在其与涡轮增压器壳体的接触面上在转动情况下能够形成一润滑剂膜。外圈与全浮动衬套在其一端部共同作用，而在其另一端与滚柱轴承配合。滚柱轴承置于该外圈和一内圈之间，该内圈围绕轴直径同心设置。靠近旋转轴承的外圈的一端具有向外凸出的表面，该表面形成推力轴承的固定件。轴在组件内在滚柱轴承和全浮动衬套之间转动。

以上已知上面讨论的满足涡轮增压器的轴应用的严格的润滑和减振要求的轴承系统，其设计和结构不能使其达到有效的生产和装配。具体地说，在降低与涡轮增压器的制造相关的成本的努力中，希望的是适合于在涡轮增压器内使用的低成本的部件，而不是特殊制造的部件。

因此，需要的是涡轮增压器中使用的轴承组件的构造方式：(1)满足运行条件下旋转的涡轮机轴的润滑要求；(2)为运行中振动的涡轮机轴提供必需的抑制作用；(3)提供推力表面，以控制旋转过程中涡轮机轴的轴向移动；和(4)其构造中采用一个或多个低成本部件以降低涡轮增压器部件的成本。

发明内容

根据本发明原理构造的涡轮增压器转子和低成本滚珠轴承组件，其包括：(1)一环状的转动轴颈轴承，其同心地设置在一固定的涡轮增压器轴壳体的轴承组件的腔室内，并同心地围绕一涡轮机轴的外径部设置；(2)一圆柱形的挤压膜缓冲装置，其靠近转动的轴颈轴承的一端设置在该腔室内，并围绕上述涡轮机轴同心设置；(3)一推力(抗转动)销，其设置在该腔室内，并连接缓冲装置以防止缓冲装置在腔室内的轴向移动和转动；及(4)置于一围绕该涡轮机轴连接的滚珠轴承内圈和一位于一缓冲装置端内的滚珠轴承外圈之间的低成本滚珠轴承。本发明的轴承组件的功能是在运行状态下润滑涡轮机轴，抑制由旋转的涡轮机轴所产生的振动，通过采用低成本的角状接触滚珠轴承，在运行过程中控制涡轮机轴的轴向推力移动而无需采用特殊设计的轴承。

虽然本发明的轴承组件可以用于任何类型的其转动轴的转速为60,000至80,000转/分钟的高速旋转机械，但它们还是特别适合于用在内燃发动机的涡轮增压器内。当被用于涡轮增压器内时，该轴承组件围绕一共用的转动轴设置于涡轮增压器轴壳体内，该共用的转动轴的一端与设置于涡轮增压器涡轮机壳体内的一涡轮机相连，而其相对的一端连接到设置于涡轮增压器压缩机壳体内的一压缩机上。

附图说明

从对本发明的详细描述和下面的附图中，可以更清楚地理解本发明的特征和详细情况，在附图中：

图1为根据本发明原理构造的涡轮增压器的轴承组件的第一实施例的横截面侧视图；和

图2为根据本发明原理构造的涡轮增压器的轴承组件的第二实施例的横截面侧视图。

具体实施方式

现参照附图1所示，具有本发明的低成本轴承组件10的第一实施例的涡轮增压器转子设置在一轴承组件腔室12内，该轴承组件腔室12延伸通过一固定的涡轮增压器轴或中心壳体14。一共用的涡轮机/压缩机轴16设置在腔室12内并轴向延伸通过该腔室12。一涡轮机17接附到该轴16的图示在图1的右手侧的一端上，而一压缩机18接附到轴16的图示在图1的左手侧的相对端上。

从图1的右手侧向左，轴承组件10包括一涡轮机侧的双层薄膜转动轴颈轴承20，该轴承同心地设置在腔室12内并同心地围绕一轴外径部22。该转动轴颈轴承20可以由通常情况下用于这样的应用条件下的材料制成，并呈圆环的形式，其设置在腔室12内，与轴16的涡轮机侧相邻。轴颈轴承20包括向轴表面24，该向轴表面沿径向向内朝向轴16呈锥形，其设计成使相邻的轴向轴表面之间的接触面积最小，由此使这些相邻表面之间的不希望的磨擦和磨损影响为最小。

轴颈轴承20还包括一个或多个润滑通道26，该通道径向上从中穿过从腔室12延伸至轴外径部22。该轴颈轴承润滑通道26布置成用于与一通过轴壳体14的一油通道28流体连通，以易于将润滑油输送到转动的轴颈轴承和轴上，更具体地说，是输送到相邻的腔室和转动的轴颈轴承表面之间，以及相邻的转动的轴颈轴承和轴外径部的表面之间。转动的轴颈轴承和腔室之间的润滑是需要的，除了提供对轴的润滑之外，还因为该轴颈轴承设计成在腔室内转动。轴颈轴承的外部直径的大小确定为使其便于在腔室内转动，而其内部直径的大小确定为便于在其内的轴外径部的转动。

一环状挤压薄膜缓冲件32同心地设置在腔室12内且其大体为圆柱形的。该缓冲件32从位于与轴颈轴承20相邻的一端34在轴向上朝向该腔室的压缩机端延伸通过该腔室。缓冲件32包括一轴向延伸的壁部36，该壁部的外部直径的大小确定为使其能够配装在腔室12内，而其内部直径的大小确定为大于轴颈轴承的内部直径，以易于润滑剂在缓冲件和轴外径部22之间通过，以便在轴转动过程中在其间形成一减振的润滑剂薄膜。该缓冲件可以用通常情况下用于这样的应用条件下的材料制成。

缓冲件包括有一孔38，该孔径向上延伸通过缓冲件的壁部36的邻近腔室的压缩机端的一部分。该孔38设置成在其内适合放置一推力销40。该推力销40沿径向置于轴壳体14内，并包括有一终端部42，该终端部42置于缓冲件的孔38内，以防止缓冲件32在涡轮增压器运行过程中和轴转动过程中在腔室内产生轴向移动或转动。该推力销40包括一中心通道44，该通道设计成有利于使润滑油从中通过由轴壳体流至缓冲件和轴外径部。腔室12包括一直径扩大的部分46，该直径扩大的部分沿周向围绕缓冲件的壁部36延伸，且其设计成在其内容纳一定量的润滑油，用于在轴转动过程中冷却缓冲器。

缓冲件32在缓冲件的壁部36的与端24相反并靠近腔室的压缩机端的一端具有一直径扩大的部分48。缓冲件的直径扩大的部分48轴向上朝向压缩机方向延伸一段需要的距离，并且其内部直径大于缓冲件的壁部36的直径。缓冲件的直径扩大的部分48设计成用来在其内容纳一轴承部件外圈。缓冲件的直径扩大的部分48包括有一轴向表面，该表面位于抵靠在一互补的靠近压缩机18的腔室的轴向表面50上，腔室轴向表面50是由一径向向外延伸的腔室的壁部段形成的。缓冲件36包括有一润滑剂通道52，该通道52通过在缓冲件的壁部和缓冲件的直径扩大的部分48之间形成的缓冲件的壁部36的一肩部段。该润滑剂通道52设计成有利于使润滑油从推力销的中心通道44流到轴外径部22，而且更具体地说，是使润滑油流到下面将描述的设置在腔室内的轴承部件上。在涡轮增压器的运行过程中，润滑剂从推力销的中心通道44流过润滑剂通道52，流到转动轴16和轴承部件。

一推力部件54配装在轴壳体14内的一槽56中，并绕缓冲件的直径扩大的部分48同心地设置。推力部件54是环形的，并设计成具有一轴向端58，该轴向端58突出超过缓冲件的直径扩大的部分48的一轴向表面，以与一相邻的密封盖接触，下面将就此进行详细描述。

轴16包括有一直径减小的部分60，该直径减小的部分同心地设置在缓冲件的直径扩大的部分48内。一滚珠轴承内圈62围绕该轴的直径减小的部分60同心地设置，并包括一个沿一外部直径表面的凸肩64，该凸肩64的形状确定成容纳放置一轴承部件，即一与之抵靠的滚珠轴承的内径部。内圈的凸肩64设计成借助于与其的角状接触用于朝向相对的轴承部件的压缩机传递轴向推力。轴承内圈62包括一轴向表面，该轴向表面面向涡轮机的方向，并设置成抵靠在轴上形成的在其至直径减小的部分的过渡处的一凸肩。

一滚珠轴承外圈66同心地设置在缓冲件的直径扩大的部分48内，并具有一槽68，该槽68沿其内部直径表面周向延伸，以在其内容纳放置轴承部件并限制轴承部件的轴向位移。该轴承外圈的形状确定为大体呈圆环的形式并被压配装入缓冲件的直径扩大的部分48内，以便在涡轮增压器的运行过程中与其保持为轴向固定。轴承外圈66具有一第一轴向端，该轴向端抵靠在缓冲件的凸肩的一相邻的轴向表面上，且还具有一第二轴向端，该轴向端与缓冲件的直径扩大的部分48的一终端相连。

多个以低成本滚珠轴承形式的轴承部件70同心地设置于轴承内圈62和轴承外圈68之间。轴承部件70可以由用于这样的应用条件下的本领域中已知的常用的材料制成，并通过一单件的轴承部件保持件72共同布置在一起，以形成一整体的轴承部件和保持件组件。轴承部件70沿内直径表面由沿轴承内圈的外直径形成的凸肩64来支撑，而沿外直径通过形成在轴承外圈内直径内的槽68来支撑。以此方式构成，使得在涡轮增压器运行过程中由轴传递的转子推力能够通过滚珠部件与轴承内圈和轴承外圈的角状接触由滚珠部件来传递。例如，从涡轮机向压缩机传递的轴推力通过与内圈的角状接触被传递至轴承部件，进而将该推力传递至外圈和缓冲件。被传递至缓冲件的轴推力被推力销吸收并控制，该推力销限制了缓冲件和轴的轴向移动。

一环形的密封盖74同心地绕轴16的靠近轴承内圈62的一部分设置。该密封盖轴向上设置于一压缩机背板76和轴壳体14之间并通过压缩机背板和轴壳体之间的连接轴向地固定在其间。该密封盖包括一轴向表面78，该表面78设置成抵靠在推力部件54的一轴向表面上，以提供一推力表面对。缓冲件的直径扩大的部分48和轴承外圈66的轴向端表面轴向上并没有延伸一足够的距离，与该密封盖的轴向表面78接触，因此没有与其形成推力表面。考虑到这一点，来自压缩机的轴推力载荷由轴传递至密封盖，再通过其与密封盖的轴向表面78的接触传递至推力部件。推力部件54起作用，通过其在轴壳体14内的固定的轴向设置吸收该推力载荷。密封盖74包括一环状的密封环80，其沿周向围绕盖的外部直径设置，并置于相邻的盖与压缩机背板表面之间以在其间形成一防泄漏的密封。

本发明轴承组件的第一实施例的一个特征是采用了低成本的滚珠轴承，以从轴至缓冲件传递朝向压缩机的推力载荷，在缓冲件那里推力载荷被吸收，而不需要特殊的/复杂的轴承或推力载荷组件。更具体地，轴承组件的设计使来自涡轮机的轴推力载荷从轴经过轴承部件与轴承内外圈之间的角状接触被传递至缓冲件，在缓冲件处，由推力销吸收并控制该推力载荷。本发明的第一实施例的轴承组件还设计成使来自压缩机的轴推力载荷经过密封盖和推力部件之间的推力表面被传递，并由推力部件吸收并控制该推力载荷，推力部件置于密封盖和轴腔室之间。

图2示出了本发明的具有低成本轴承组件82的涡轮增压器转子的第二实施例。该第二实施例的轴承组件82所包括的下述主要部件与第一实施例的轴承组件中的相同，它们是：轴84、转动轴颈轴承86、挤压薄膜缓冲件88、推力销90、轴承内圈92、轴承部件94和轴承外圈96。第一和第二实施例的轴承组件的不同之处仅在于密封盖98的结构及形成在密封盖和其它轴承组件的部件之间的以容纳朝向涡轮机的轴推力载荷的传递的推力表面。

与第一实施例不同，第二实施例的轴承组件82包括一缓冲件的直径扩大的部分100，该部分100具有一轴向端102，该轴向端轴向上突出一足够大的距离，以与相邻的密封盖的轴向表面104接触，形成一第一推力载荷表面对。轴承外圈96还包括一轴向表面106，该表面106与相邻的密封盖的轴向表面104接触，形成一第二推力载荷表面对。第一和第二推力载荷表面对的设计和出现使得第二实施例的轴承组件的结构中不需要单独的推力部件。而且，朝向涡轮机的轴推力载荷从密封盖98经过第一和第二推力载荷表面对被传递至缓冲件，在此由推力销吸收并控制该推力载荷。因此，与图1所示的第一实施例的轴承组件不同，第一实施例提供了推力部件54来吸收朝向涡轮机的轴推力载荷，并提供推力销40来吸收朝向压缩机的轴推力载荷，图2所示的第二实施例的轴承组件提供了推力销来吸收并控制来自两个方向的轴推力载荷。本发明的第二实施例的轴承组件的其它部件和性能与以上的在图1中示出并描述的相同。

在涡轮增压器的操作过程中和轴的旋转运动过程中，本发明的两个轴承组件的实施例是以下述方式起作用的。转动的轴颈轴承将润滑油引向轴，并在转动时支持靠近涡轮机的轴的旋转运动在腔室内传送至一较小的范围。缓冲件的功能是在轴与缓冲件的内径部之间提供一薄的润滑油膜，以润滑轴并用所产生的油压抑制轴的径向振动。缓冲件还起将润滑油从轴壳体引导到轴承部件的作用。推力销的功能是将润滑油引导到缓冲件和轴承部件并且防止缓冲件在腔室内发生转动或轴向移动。轴承外圈、低成本轴承部件和轴承内圈使得低成本滚珠轴承的使用能够将朝向压缩机的轴推力载荷传递至缓冲件和推力销，在此轴推力载荷被吸收并被控制。在第一实施例的轴承组件中，朝向涡轮机的轴推力载荷被传递至一与缓冲件分离的且设置在压缩机背板和轴壳体之间的推力部件，并由该推力部件吸收。在第二实施例的轴承组件中，朝向涡轮机的轴推力载荷被传递至缓冲件并由同一推力销吸收，该推力销用于吸收和控制朝向压缩机的轴推力载荷。

以上按照专利法规要求对本发明进行了详细的描述，本领域的技术人员能够意识到对这里所公开的特定的实施例进行改进和替换。这样的改进是在本发明的宗旨和范围内的。

Claims (2)

1.一种用于内燃机的涡轮增压器，其包括：

一涡轮机壳体；

一具有一连接到其上的压缩机背板的压缩机壳体；

一置于所述涡轮机和压缩机壳体之间的轴壳体；

一延伸通过所述轴壳体的轴，且该轴包括一在一端延伸到涡轮机壳体内的涡轮机和一在一相对的轴端延伸到压缩机壳体内的压缩机；

一设置于一腔室内延伸通过所述轴壳体的轴承组件，其包括：

一环形转动轴颈轴承，其同心地围绕所述轴并靠近所述涡轮机设置；

一环形转动挤压薄膜缓冲装置，其同心地围绕所述轴并靠近所述转动的轴颈轴承的一轴向端设置，该缓冲装置在与轴颈轴承相对的一端具有一直径扩大的部分；

一径向上设置在所述轴壳体内并与所述缓冲装置相连以防止缓冲装置在腔室内转动或轴向移动的推力销；

一轴承外圈，其同心地设置在所述缓冲装置内并连接到所述缓冲装置的直径扩大的部分上且沿一内直径表面具有一槽以容纳一与之抵靠的轴承部件的外径部；

一轴承内圈，其同心地围绕一轴外径部设置并沿一外部直径表面具有一凸肩以容纳一与之抵靠的轴承部件的内直径表面；

多个置于所述轴承内圈和外圈之间的轴承部件；

一围绕所述轴承外圈同心地设置于所述轴壳体内的推力部件；

一置于所述轴壳体和压缩背板之间的密封装置，所述密封装置具有一与所述推力部件的相邻的轴向表面接触的轴向表面，用于将朝向涡轮机壳体的轴推力载荷传递至所述推力部件；

其中，朝向压缩机壳体的轴推力载荷通过轴承部件与轴承内圈和外圈之间的角状接触传递至缓冲装置，在该缓冲装置处，所述推力载荷由所述推力销吸收。

2.一种用于内燃机的涡轮增压器，其包括：

一涡轮机壳体；

一具有一连接到其上的压缩机背板的压缩机壳体；

一置于所述涡轮机和压缩机壳体之间的轴壳体；

一延伸通过所述轴壳体的轴，其包括一在一端延伸到涡轮机壳体内的涡轮机和一在一相对的轴端延伸到压缩机壳体内的压缩机；

一设置于一腔室内延伸通过所述轴壳体的轴承组件，其包括：

一环形转动轴颈轴承，其同心地围绕所述轴并靠近所述涡轮机设置；

一环形转动挤压膜缓冲装置，其同心地围绕所述轴并靠近所述转动的轴颈轴承的轴向端设置，该缓冲装置在与轴颈轴承相对的一端具有一直径扩大的部分；

一径向上设置在所述轴壳体内并与所述缓冲装置相连以防止缓冲装置在腔室内转动或轴向移动的推力销；

一轴承外圈，其同心地设置在所述缓冲装置内并连接到缓冲装置的直径扩大的部分上且沿一内直径表面具有一槽以容纳一与之抵靠的轴承部件的外径部；

一轴承内圈，其同心地围绕一轴外径部设置并沿一外部直径表面具有一凸肩以容纳一与之抵靠的轴承部件的内直径表面；

多个设置于所述轴承内圈和外圈之间的轴承部件；

一置于所述轴壳体和压缩背板之间的密封装置，该密封装置具有一与所述缓冲装置的相邻的轴向表面接触的轴向表面，形成一推力载荷表面；

其中，朝向压缩机壳体的轴推力载荷通过轴承部件与轴承内圈和外圈之间的角状接触传递至缓冲装置，在该缓冲装置处，推力载荷由所述推力销吸收；

朝向涡轮机壳体的轴载荷由所述密封装置传递至缓冲装置，其中所述推力载荷由所述推力销吸收。

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