CN1451078A - 整体滚珠轴承涡轮增压器转子组件 - 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，其包括一转动轴颈轴承、一具有一配准和保持法兰的挤压油膜缓冲器以及一滚珠轴承组件。该滚珠轴承组件具有一外圈，该外圈为缓冲器法兰提供一推力凸肩和一配准接收件。滚珠轴承部件由外圈保持，并接合于外圈上的推力凸肩和一在该轴上的相对的推力凸肩之间。

Description

整体滚珠轴承涡轮增压器转子组件

发明领域

本发明总体上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

汽油和柴油内燃机用的涡轮增压器是现有技术中使用的已知装置，用以通过利用排出发动机的废气的热量和容积流量，对发送至发动机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，方式是使由废气驱动的涡轮机在壳体内旋转。废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)控制沿轴向的轴推力作用和沿径向的轴的振动；和(3)向转动轴提供必需的润滑以降低磨擦作用和相应的磨损。已知的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，不可避免的是，轴承组件必须向轴提供足够的润滑，以使在这样的高转速下运行所出现的极度的磨擦作用降低至最小，因而延长轴的使用寿命。

本领域中已知的用于涡轮增压器轴的轴承作用包括滚柱轴承和滚珠轴承，以容纳高速的轴转动。然而，现已发现仅采用这样的滚珠轴承或滚柱轴承的轴承组件对于在车辆应用中的涡轮增压器不能提供所需要的使用寿命。其它的用于涡轮增压器应用中的轴承组件利用衬套轴承是本领域已知的。但是已知发现衬套轴承在这种应用效果不能令人满意，因为它们的设计中没有考虑到轴的实际不平衡度，因此其运行不能减少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。进而已知这样的衬套轴承不能容纳高速转动下的轴的不平衡还表现在它会导致油膜破损，以及引起金属与金属之间的接触，而且还降低了轴的使用寿命。

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的形式，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系统。滚柱或滚珠轴承系统与自由浮动轴衬的结合使用既能向轴提供所需程度的润滑又能吸收在高速转动过程中由轴引起的振动。这样的轴承系统还使用了推力轴承表面，以用来控制转动过程中的轴的轴向位移。

例如，美国专利4641977公开了一种轴承系统，该轴承系统包括一抗磨擦的旋转轴承，它与一全浮动衬套共同作用，以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成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，而在其另一端与滚子轴承合作。滚子轴承置于该外圈和一内圈之间，而该内圈绕轴直径同心设置。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。轴在组件内在滚子轴承和全浮动衬套之间转动。

已知以上讨论的轴承系统满足在涡轮增压器轴应用中的严格的润滑和减振要求，但其设计和结构不能使其达到有效的生产和装配。车辆的涡轮增压器的生产是批量生产的，因此需要涡轮增压器部件的构造方式应该是与高效装配和自动化处理过程相一致。

因此，希望的是，涡轮增压器中使用的轴承组件以下述方式构造：(1)满足在运行条件下旋转的涡轮机轴的润滑需求；(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)其构造方法便于大批量生产。

发明内容

根据本发明原理构造的、用于内燃机的涡轮增压器的一成整体的滚珠轴承转子组件，其包括：(1)一转动的轴颈轴承，其同心地设置在一固定的涡轮增压器轴壳体轴承组件的腔室内，并同心地绕一涡轮机轴的外径部设置；(2)一圆柱形的挤压膜缓冲器，其靠近转动的轴颈轴承的一端设置在该腔室内，并绕上述涡轮机轴同心地设置；(3)一组合滚珠轴承外圈/推力轴承/膜缓冲器配准部件，其在缓冲器的一相对端绕涡轮机轴设置在该腔室内；和(4)置于组合滚珠轴承外圈部件和涡轮机轴之间的滚珠旋转部件。轴承组件的功能是在运行状态下润滑涡轮机轴，衰减由旋转的涡轮机轴所产生的振动，在运行过程中控制涡轮机轴的轴向移动，并为大批量生产提供方便。

虽然本发明的轴承组件可以用于任何类型的具有以高转速转动的轴的高速旋转机械，该高转速为60000至80000转/分钟，但它们还是特别适合应用于与内燃发动机一起使用的涡轮增压器内。当被用于涡轮增压器内时，该轴承组件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。

从对本发明的详细描述和附图中，可以更清楚地理解本发明的特征和详细情况，附图中示出了根据本发明原理构造的一涡轮增压器轴承组件的横断面剖视图。

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，其中：

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断面剖视图。

具体实施方式

现在参见附图，本发明的成整体的滚珠轴承转子组件10设置在一轴承组件腔室12内，该腔室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(未示出)连接到轴16的图示在附图的右手边的一端上，而一压缩机18连接到轴16的图示在附图的左手边的相对端上。

从附图的右手边向左，轴承组件10包括一涡轮机侧双层膜转动轴颈轴承20，该轴颈轴承同心地设置在腔室12内并同心地围绕一轴的外径部22。转动轴颈轴承可以用通常情况下用于这样的应用条件下的材料制成。转动轴颈轴承20是环形环的形式，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，该表面向内朝向轴呈锥形，其设计成使相邻的轴颈轴承和轴表面之间的接触面积最小，进而使这些相邻表面之间的不希望出现的磨擦和磨损影响最小。

轴颈轴承20还包括一个或多个润滑通道26，该通道从腔室12至轴的外径部22沿径向穿过该轴颈。该轴颈轴承润滑通道26定位在上方通过轴壳体14与一油通道28流体连通，以便于将润滑油输送到转动的轴颈轴承和轴，更具体地说，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的外径部表面之间。转动的轴颈轴承和腔室之间的润滑是必需的，除了提供对轴的润滑之外，还因为轴颈轴承设计成在腔室内转动。

轴颈轴承20从腔室的涡轮机端向内进入腔室12的轴向定位由沿径向向内突入到腔室内的脊状部30(环状间隙)来限制。轴颈轴承的外部直径的大小确定成便于其在腔室内转动，而其内部直径的大小确定成便于其内的轴外径部转动。

一环状挤压油膜缓冲器32同心地设置在腔室12内且大体为圆柱形的。缓冲器32从靠近邻接脊状部30的轴颈轴承20定位的一端34沿轴向通过腔室12朝向腔室的压缩机端延伸。缓冲器32包括一轴向延伸的壁部分36，该壁部分的外部直径的大小确定成便于其在腔室12内转动，而其内部直径确定成大于轴颈轴承的内部直径，以有利于润滑剂在缓冲器和轴外径部22之间通过，进而在轴转动过程中在其间形成减振的润滑剂薄膜。缓冲器可以用通常情况下用于这样的应用条件下的材料制成。

腔室12包括一扩大的直径部分38，该部分沿周向围绕缓冲器壁36延伸。另一油通道29延伸通过轴壳体14至腔室12，用于将润滑剂输送到缓冲器壁的外表面。腔室的扩大的直径部分38和油通道29均设计成向缓冲器壁的外表面提供润滑剂，以便降低缓冲器32在腔室12内转动期间的磨擦。

缓冲器32具有一向外翻转的端部40，该端部40处在缓冲器壁36的与端34相对的并靠近腔室压缩机端的一端上。缓冲器端40径向向外突出形成一缓冲器法兰。缓冲器向外翻转的端部或法兰40包括一轴向表面，该轴向表面设置成靠在一补充腔室的轴向表面42上，该表面42靠近压缩机18，由径向向外延伸的腔室壁形成。缓冲器法兰40包括有多个润滑剂通道44，通道44从腔室12从中穿过延伸至轴外径部22，并且更具体地延伸至轴承部件，如下所述。润滑剂从轴壳体14内的油通道29流出，在腔室和缓冲器壁的外表面之间，通过润滑剂通道44至转动轴16和轴承部件。

一组合轴承部件外圈/推力轴承/缓冲器配准装置46沿腔室轴向表面42独立于并靠近缓冲器法兰40设置。组合外圈46可以由通常用于在这样的应用条件下形成轴承部件外圈的材料制成。组合外圈46的形状一般是一具有一槽口48的圆环，槽口48沿一轴向表面周向设置，该轴向表面与腔室轴向表面42面对，以将缓冲器法兰40容纳在其内。组合外圈46具有一大体为圆柱形的外直径表面，并具有一有一凸肩50的内直径表面，该凸肩50成形为使其既能容纳一与之抵靠的外部直径轴承部件表面，又能防止轴承部件朝向腔室压缩机端的轴向位移。组合外圈46的大小确定成其内直径大于缓冲器32的，以在轴和组合外圈之间容纳多个轴承部件。

如上所述，多个轴承部件52置于组合外圈46的内径部和轴16之间。轴承部件52可以由本领域中已知的在这样的应用条件下通常使用的材料制成，并通过一单件的轴承部件保持架54共同布置，以形成一整体的轴承部件和保持架装置。轴承部件52沿内直径表面由一凸肩56支撑，该凸肩56沿第一轴直径减小部段58形成，该第一轴直径减小部段58定位成使其与轴承部件52和组合外圈46均同心。组合外圈凸肩50和轴凸肩56共同作用将轴承部件52包含在其间，并在腔室内控制轴承部件/轴的轴向位移。

组合外圈46沿轴向置于在一侧的腔室轴向表面42和连接到轴壳体14上的压缩机背板60之间。更具体地，组合外圈沿轴向限制在在一侧的腔室轴向表面42和压缩机背板60的一轴向表面62之间。组合外圈46在轴壳体内是不可转动的。一油密封环压盖64设置在压缩机背板60和组合外圈46之间，并且也起到将组合外圈沿轴向限制在轴壳体和压缩机背板之间的作用。油密封环压盖64绕一第二轴直径减小部段66同心设置，并包括有一环形密封环68，其绕一压盖外径部周向设置，置于相邻的压盖压缩机背板表面之间，以在其间形成一防泄漏密封。

本发明轴承组件的一个特征是组合外圈部件46和缓冲器32的两件结构提供了所需的承接来自轴承部件46和缓冲器32的推力载荷的功能，并为大量制造生产提供了方便。具体地说，组合外圈46设计成通过其沿凸肩50与轴承部件的接触容纳推力载荷并作为用于轴承部件52和轴16的一推力轴承，进而防止在压缩机方向上的轴的轴向位移。组合外圈46还设计成通过在槽口48内与缓冲器法兰40的配准容纳推力载荷，并作为缓冲器32的推力轴承，进而防止缓冲器在压缩机方向上的轴向位移。本发明轴承组件的另一特征是采用了成一体的轴承部件和保持架组件，并利用轴本身作为轴承部件内环。具体地说，使用成一体的轴承部件和保持架组件为涡轮增压器的装配提供了方便，不必单独地装载每一个轴承部件例如轴承滚珠，而更合适地在一单独的、节省时间的步骤中装载轴承部件。另外，以一成整体的轴的凸肩构成一轴承部件内环的设计避免了在涡轮增压器装配过程中在轴上装入一单独的内环的需要，进而也加速了生产制造过程。

在涡轮增压器的运行过程中，和轴的旋转运动过程中，本发明的成整体的滚珠轴承转子组件以下述方式起作用。转动的轴颈轴承20将润滑油引向轴，并在转动时在腔室12中在更小的范围内承受靠近涡轮机的轴的旋转运动。缓冲器32的功能是在腔室与缓冲器的外径部之间提供一薄的润滑油膜，以在腔室内润滑缓冲器的旋转运动。缓冲器还将润滑油从轴壳体引导至轴承部件52。组合外圈46承载由轴承部件施加的径向载荷和来自轴的由轴承部件施加的轴向载荷和缓冲器施加的轴向载荷，以在轴壳体腔室内控制轴和缓冲器的轴向运动。

以上按照专利法规所要求的对本发明进行了详细的描述，本领域的普通技术人员能够实现对这里所公开的特定的实施例所作的改进和替换。这样的改进是在下面的权利要求中所限定的本发明的宗旨和范围内的。

Claims (3)

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，该轴包括一在一端延伸入涡轮机壳体的涡轮机和一在一相对的轴端延伸入压缩机壳体的压缩机；

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，其同心地绕所述轴并靠近所述涡轮机设置；

一环形转动挤压膜缓冲器，其同心地绕所述轴并靠近所述转动的轴颈轴承的一轴向端设置，该缓冲器在与转动的轴颈轴承相对的一轴向端具有一沿径向向外突伸的法兰；

一环形组合轴承部件外圈/推力轴承，其绕所述轴同心设置并沿轴向固定地置于所述缓冲器法兰和压缩机背板之间，所述缓冲器法兰容纳在所述组合轴承部件外圈/推力轴承的轴向表面的一周向槽口内，该槽口形成了一用于所述缓冲器法兰的推力轴承表面；和

多个沿径向置于所述轴和所述组合轴承部件外圈/推力轴承之间的轴承部件，所述组合轴承部件外圈/推力轴承具有一容纳与之抵靠的所述轴承部件的外表面的一内径部，所述轴具有一容纳与之抵靠的所述轴承部件的内表面的外直径部段；

其中，所述组合轴承部件外圈/推力轴承既作为所述多个轴承部件的外圈也作为一承受由所述轴承部件和缓冲器施加的推力载荷的推力轴承，以控制轴和缓冲器在轴壳体内的轴向位移。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述多个轴承部件包括一轴承部件保持件，该保持件形成一成整体的轴承部件组件。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述转动轴颈轴承和缓冲器每个都包括用于将润滑油从轴壳体腔室输送到所述轴的装置。