CN1461892A - 涡轮增压器的涡轮轴的连接方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种有助于提高叶轮和涡轮轴的连接精度的连接方法。在此连接方法中，叶轮1的装配孔3的内周壁的至少一部分为锥形，使得从装配孔的开口处向内其直径逐渐变小；在与叶轮连接的涡轮轴4的一端设有能与锥形内周壁紧密接触的锥形轴向对接部分7，以及可插入装配孔3中的具有固定直径的插入部分6，叶轮1和涡轮轴4相互连接并固定在一起，因而在旋转轴线上设成同轴。在涡轮轴4上的除在焊接时用于熔合的部分11之外的部分上设有轴向对接部分7，从而可防止在熔化和收缩时涡轮轴4发生轴向尺寸的变化。轴向邻接部分7为锥形，与之相接触的装配孔的内周壁也为锥形，从而使叶轮1和涡轮轴4之间形成紧密接触，同时被引导而形成同轴。

Description

涡轮增压器的涡轮轴的连接方法

技术领域

本发明涉及一种连接用于内燃机的增压器(涡轮增压器)的叶轮(涡轮机叶轮和压缩机叶轮)和涡轮轴的方法。

背景技术

关于安装在汽车或类似装置中的内燃机，已经知道有一种使用涡轮增压器来压缩所吸入的空气以提高增压效率从而增加内燃机的输出功率的技术。一般来说，这种涡轮增压器利用内燃机排出的废气的能量来驱动。

在涡轮增压器中，设在排气通道的近似中点处的涡轮机壳体和设在进气通道的近似中点处的压缩机壳体通过中央壳体的中间部分相互连接在一起，可旋转地支撑于涡轮机壳体内的涡轮机叶轮和可旋转地支撑于压缩机壳体内的压缩机叶轮通过可旋转地支撑于中央壳体内的涡轮轴的中间部分而同轴地连接在一起。

在这种涡轮增压器中，从内燃机中排出的废气通过废气入口流入涡轮机壳体中，此废气以涡流似的形式沿着螺旋通道流动。随后，废气从螺旋通道流至喷嘴通道，然后喷在涡轮机叶轮上从而使其旋转。

当涡轮机叶轮这样旋转时，涡轮机叶轮的扭矩通过涡轮轴传递给压缩机叶轮，压缩机叶轮与涡轮机叶轮同步旋转。当压缩机叶轮与涡轮机叶轮同步旋转时，在进气口附近的吸入空气通过由压缩机叶轮旋转产生的吸入力被吸入压缩机壳体中，然后在压力下经排放通道和螺旋通道被送至吸入空气的出口。

因此，在压缩机壳体内被压缩的吸入空气被强制供给燃烧室，因此吸入空气的增压效率得到提高。在此过程中，燃料的喷射量由于吸入空气的量的增加而增加，从而可以获得较大的燃烧功率和爆炸功率，使得提高内燃机的输出功率成为可能。

此时，涡轮机叶轮必须以100,000至160,000转/分的高速旋转。同时其还暴露在最高温度高达900℃的废气中。因此，在涡轮增压器的制造中，涡轮机叶轮、压缩机叶轮和涡轮轴必须高精度地设置在同一旋转轴线上。尤其是，在将它们连接在一起时不能产生加工误差(叶轮和涡轮轴的旋转轴线偏离)，这一点非常重要。

通常来说，叶轮和涡轮轴通常由电子束焊接进行连接；在这种情况下，产品精度取决于焊接前的处理(接边加工)的精度。

通常来说，这种接边加工的操作如下所述。

首先，如图9所示，在涡轮机叶轮50上设有装配孔51，在涡轮轴60的一端与涡轮机叶轮50相连的一侧设有凸台61。该凸台61安装在装配孔51中并形成间隙部分52，涡轮轴60的一端在对接部分53处靠在涡轮机叶轮50上以进行定位。

在另一种方法中，涡轮机叶轮和涡轮轴相互靠在一起，在通过焊接夹具将它们固定住的状态下进行定位。

在这些传统的方法中，考虑到焊接时的变形等，前一种方法要求在装配部分52处提供间隙。因此，由于存在间隙，很难保证涡轮机叶轮50和涡轮轴60的同轴性。

另外，在连接时，对接部分53的整个周边都被电子束焊接或类似处理所熔化，对接部分53的熔化很可能会导致在该部分处发生弯曲变形。

另外，由于涡轮轴60在轴向上发生收缩，可能会产生例如轴向的尺寸精度受损的问题。

在后一种方法中，涡轮机叶轮50和涡轮轴60的定位取决于所用夹具的精度，因此很难保证稳定的同轴性。另外，由于夹具误差和长期时效变化，很难保证精确的同轴性。

此外，和前一种方法一样，涡轮机叶轮和涡轮轴的整个对接部分被电子束焊接或类似处理所熔化，因此可能在该部分处发生弯曲变形。另外，由于涡轮轴在轴向上发生收缩，可能会产生例如轴向的尺寸精度受损的问题。

尤其是，在上述传统方法中，涡轮轴的一部分(对接部分53)被焊接熔化，因此涡轮轴60产生收缩。鉴于此原因，涡轮机叶轮50和涡轮轴首先焊接，然后，如图10所示，必须对涡轮轴60的轴主体的弯曲进行调节，并对位于轴的一端处的推力轴承等进行微加工，以提高整体精度。具体地说，在焊接了具有如图10中实线所示轮廓的结构后，该涡轮轴60必须进行切削加工以形成如图中双点划线所示的形状，并进行轴线调节和微加工推力轴承等。因此，与焊接前只在涡轮轴60上进行加工的情况相比较，这种加工难于进行并且需要花费很多时间。

鉴于上述问题提出了本发明。本发明的一个技术目的是提供一种可提高叶轮和涡轮轴的连接精度的连接方法。

发明内容

为达到上述目的，根据本发明采取了下述措施。

也就是说，在一种将叶轮和涡轮轴连接在一起的涡轮增压器的涡轮轴的连接方法中，叶轮具有可插入涡轮轴的一个端部以进行固定的装配孔，而涡轮轴与叶轮的旋转轴线同心地定位，此方法的特征在于，叶轮的装配孔的内周壁的至少一部分为锥形，使得从装配孔的开口处向内直径逐渐变小，在与叶轮相连的涡轮轴的一端设有能够与锥形内周壁紧密接触的锥形轴向对接部分以及具有固定直径的可插入装配孔中的插入部分，叶轮和涡轮轴相互连接且固定在一起，从而在旋转轴线上同轴。

在此方法中，也可以构造成在涡轮轴的一端设有具有固定直径的插入部分，并设有与插入部分相连且从插入部分处开始直径逐渐增大的锥形部分，使得插入部分和较大直径部分设置成同轴。

在这种情况下，叶轮包括通过被可旋转地支撑的涡轮轴的中间部分而同轴地连接在一起的涡轮机叶轮和压缩机叶轮等。

同样，也可以构造成使叶轮和涡轮轴相互焊接在一起，这是通过熔合涡轮轴上轴向对接部分以外的其它部分和叶轮的锥形内周壁来实现的。

对于以上述方法使用的涡轮机叶轮来说，最好是可插入涡轮轴的一个端部的装配孔的内周壁的至少一部分为锥形，使得从装配孔的开口处向内直径逐渐减小。

在这里，涡轮轴适于这样的结构，其在涡轮轴的一端设有能够与涡轮机叶轮内的装配孔的锥形内周壁紧密接触的锥形轴向对接部分以及具有固定直径的可插入装配孔内的插入部分。在这种情况下，可以具有这样的结构，即带有固定直径的插入部分设于涡轮轴的一端，并且设有与插入部分相连且直径逐渐增大的锥形部分，使得插入部分和锥形部分设置成同轴。

可以将本发明的涡轮增压器应用在所有类型的涡轮增压器的生产中，只要是具有叶轮和涡轮轴的类型，例如可变增压涡轮、可燃喷嘴增压涡轮、直性底架增压涡轮以及序列涡轮。

在本发明中，可以构造成在涡轮轴上焊接熔化的部分以外的部分上设置轴向对接部分，因此可以防止在涡轮轴承受熔化收缩时轴向尺寸的变化。

另外，可以构造成在锥形结构中形成轴向对接部分，另一方面，在锥形结构中还形成了可产生接触的装配壁的内周壁的至少一部分，从而叶轮和涡轮轴可相互紧密地接触而不会失效，而且它们被引导成同轴地定位，从而可以很容易地保证同轴性的精度。

另外，可以构造成除了轴向对接部分之外，还设置了具有固定直径的插入部分，从而使轴向对接部分的紧密接触性能稳定，在轴向对接部分处锥形表面相互接触对接部分。

同时，由于存在锥形轴向对接部分，与涡轮轴的轴向正交的方向上的运动受到限制，因此防止了在焊接时涡轮轴受热弯曲。

另外，可以构造成除了轴向对接部分之外，涡轮轴还可以在焊接熔化的部分以外的位置处设有对接部分，其靠在其中形成有装配孔的表面上，并且在焊接时限制了涡轮轴的轴向运动，从而可靠地防止了涡轮轴的位移。

在这种方法中，可以构造成在与叶轮相连的涡轮轴的一端设置具有固定直径的可插入装配孔内的插入部分，而不是设置锥形轴向对接部分，而且在插入部分上设有靠在其中形成有装配孔的表面上且限制了涡轮轴的轴向运动的对接部分，因此可以在焊接时防止涡轮轴的轴向运动。

在本发明中，当通过例如焊接将叶轮和涡轮轴连接在一起时，可以防止因涡轮轴4的轴向收缩而产生的尺寸变化，因而可以提高产品的精度。

尤其是，当将具有可插入涡轮轴的一个端部以进行固定的装配孔的叶轮和可定位在此叶轮的旋转轴线上的涡轮轴连接在一起时，可以构造成叶轮的装配孔的内周壁的至少一部分从装配孔的开口处向内逐渐收缩，另一方面，在将与叶轮相连的涡轮轴的一端处设有能与内周壁紧密接触的锥形轴向对接部分以及可插入装配孔内且具有固定直径的插入部分，使得叶轮和涡轮轴很容易设置成同轴，从而简化了加工工序并提高了产品精度。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明的涡轮机叶轮的剖视图；

图2是根据本发明的涡轮轴的侧视图；

图3是显示了涡轮机叶轮和涡轮轴连接在一起的状态的图；

图4是图3中部分A的放大视图，显示了涡轮机叶轮和涡轮轴的连接部分；

图5是显示了根据另一实施例的涡轮机叶轮和涡轮轴的连接部分的图；

图6是显示了根据另一实施例的涡轮机叶轮和涡轮轴的连接部分的图；

图7是显示了涡轮增压器的结构的部分剖开的透视图；

图8是显示了将涡轮机叶轮和涡轮轴连接在一起的工艺流程图；

图9是显示了将涡轮机叶轮和涡轮轴连接在一起的传统示例的图；和

图10是显示了如何加工传统的涡轮轴的图。

具体实施方式

下面将参考附图介绍本发明的涡轮增压器的涡轮轴连接方法的

实施例。

实施例1

如图7所示，在涡轮增压器12中，压缩机壳体13和涡轮机壳体14通过中央壳体15的中间部分相互连接在一起；在中央壳体15内支撑有涡轮轴4，使其能围绕其轴线L旋转。涡轮轴4的一端突出到压缩机壳体内，装备有多个叶片2的涡轮机叶轮1安装在突出部分上。

在下文中将详细地介绍将用于如上所述构造的涡轮增压器12中的涡轮轴4和涡轮机叶轮1连接在一起的方法。

(涡轮机叶轮的接边加工)

在废气流动所产生的力作用下旋转的涡轮机叶轮1具有围绕圆柱形主体而形成的叶片2。如图1所示，在旋转轴线L上设有可插入涡轮轴4以进行固定的圆柱形装配孔3。装配孔3的内周壁3a设有台阶部分3b，从台阶部分3b处向装配孔3的开口延伸的内周壁的整个周边组成了直径比装配孔3的前端部分的直径更大的大直径部分3c。比大直径部分3c更靠近开口的部分的内周壁的整个周边为锥形，这样直径在沿开口的方向上增大，此部分组成了锥形边缘部分3d。

在涡轮机叶轮1上进行如上所述的接边加工，以便通过焊接与涡轮轴4连接。

如图2所示，涡轮轴4是圆柱形轴，在其一端设有可插入装配孔3中以进行固定的头部5。头部5的直径大于涡轮轴4的中间部分的直径，并且设有推力轴承5a等。

头部5的前端部分设有插入部分6，其具有固定的直径即没有任何变化的直径。插入部分6与直径逐渐增大的锥形轴向对接部分7相连，插入部分6与轴向对接部分7基本设置成同轴。

在被加工出基本正确的轮廓之后，此涡轮轴4进行热处理以提高硬度，并通过抛光进行精整加工。

(涡轮机叶轮和涡轮轴的连接)

接下来将介绍将如上所述进行了加工的涡轮机叶轮1和涡轮轴4连接在一起的工艺。

在清理涡轮机叶轮1和涡轮轴4之后，涡轮轴4的头部5插入涡轮机叶轮1的装配孔3中。此时，如图3和4所示，插入部分6安装到装配孔3内，实现所谓的套筒接合；然而，前端6a并不靠在装配孔3的底部8上，而在插入部分6的前端和装配孔3的底部8之间留下小的间隙10。设置间隙10目的是在涡轮增压器的操作过程中将从涡轮机叶轮1到涡轮轴4的热传递减小至较小程度。

涡轮轴4的锥形对接部分7靠在装配孔3的内周壁内的锥形边缘部分3d上；由于锥形部分相互间紧密接触，涡轮轴4在轴线L方向上的定位自动地进行，两个部件被引导成形成同轴。因此，涡轮机叶轮1和涡轮轴4相互间以稳定的方式紧密接触，不存在任何间隙。

另外，插入部分6抵达装配孔3的最里面的小直径部分，插入部分6的周边侧面和小直径的内周壁3a相互间接触，使得轴向对接部分7和锥形边缘部分3d相互间以非常稳定的方式紧密接触。

插入部分6和轴向对接部分7之间的位置关系不限于本实施例的介绍。例如，可以在装配孔3的最里面的部分设置锥形部分，用此锥形部分作为轴向对接部分，而用于稳定紧密接触的插入部分位于装配孔3的开口侧。通过将锥形轴向对接部分7设置在尽可能接近装配孔3的开口的位置处，可很容易地减少轴向的连接误差，因而达到提高涡轮机叶轮1和涡轮轴4的连接精度的目的。

(焊接)

如图3和4所示，当涡轮轴4的插入部分6插入涡轮机叶轮1的装配孔3中使轴向对接部分7与锥形边缘部分3d紧密接触时，涡轮机叶轮1的装配孔3的锥形周边部分3d和位于涡轮轴4的轴向对接部分7附近的凸台5相互面对，在它们之间形成小的间隙。锥形周边部分3d和凸台5通过电子束焊接连接在一起。由于涡轮轴4的熔点低于涡轮机叶轮1的材料的熔点，凸台5比开口处的周边部分3d更早熔化。图4显示了熔化的焊接部分11。在锥形周边部分3d和凸台5的整个周边上进行焊接，使涡轮机叶轮1和涡轮轴4连接成一体。如图所示，熔化部分11位于与轴向对接部分7相隔开的位置。由于此熔合，可防止涡轮轴4变短，从而防止涡轮轴在轴向长度上的变化。涡轮轴4的轴向精度通过轴向对接部分7得到保持。

由于在锥形周边部分3d和凸台5的整个周边上进行焊接，因此在涡轮轴4上因热量而导致了弯曲应力的产生，此弯曲应力可以通过轴向对接部分7在正交于旋转轴线的方向上进行控制来处理，因此可以防止涡轮轴4由于焊接而发生弯曲。

在下面将参考图8的流程图来表示将涡轮机叶轮1和涡轮轴4连接在一起的工艺。

在工序1中，在涡轮机叶轮1上进行接边加工。在这里加工出可装入轴向对接部分7的装配孔3，并形成位于外周边上的多个叶片2，从而基本完成涡轮机叶轮。

在工序2中，通过将不锈钢材料制成轴，调整轴和头部的外形，通过感应淬火使整体硬度达到要求，并对轴进行精抛光，从而制备涡轮轴4。

接下来在工序3中，对涡轮机叶轮1和涡轮轴4进行清理。

在完成清理后，在工序4中，通过电子束焊接将涡轮机叶轮1和涡轮轴4相互连接在一起。

在工序5中，在涡轮机叶轮1的轮盖部分上进行精抛光。

接下来在工序6中对整个部件进行平衡，并且在工序7中对整个部件进行清理，完成整个工艺。

如上所述，根据此实施例，在焊接熔化的部分以外的部分设置了轴向对接部分7，因此可以防止涡轮轴4的轴向尺寸的变化。

另外，仅通过使轴向对接部分7和锥形周边部分3d相互间形成紧密接触，即，仅通过将插入部分6插入装配孔3中而使涡轮机叶轮和涡轮轴4相互靠在一起，就可以引导涡轮机叶轮1和涡轮轴4形成同轴地设置，从而容易地保证了同轴性的精度。

另外，通过沿着轴向对接部分7设置具有固定直径的插入部分6，可使轴向对接部分7和锥形周边部分3d以非常稳定的方式相互紧密接触，从而使涡轮轴4几乎不会产生轴向偏差。

同时，由于设有轴向对接部分7，涡轮轴4的运动被限制在正交于轴向的方向上，因此可以有效防止在焊接时因热量而导致涡轮轴4发生弯曲。

另外，在本实施例中还省去了在连接涡轮轴和涡轮机叶轮1后为调整涡轮轴的形状而对其进行抛光的工序，从而减少了加工工作及难度。

尽管在上述实施例中是将涡轮轴和涡轮机叶轮相互连接在一起，然而无须说明同一技术也可用于连接涡轮轴和压缩机叶轮。另外，对于连接的方式没有特别的限制；可以采用除电子束焊接之外的其他焊接方式或一些其他的连接方式。实施例2

尽管在实施例1中在插入部分6和装配孔3的底部8之间存在间隙10，但也可以采用如图5所示的在此处设有对接部分38的结构。

在图5所示的实施例中，在装配孔3的内周壁30上设有台阶部分31，该台阶部分31具有正交于涡轮轴4的旋转轴线的表面32。位于台阶部分31的前端部分(图中左手部分)为小直径部分33。

涡轮轴4在其前端设有可插入小直径部分33中的凸台34，在凸台34和涡轮轴4的外周边部分35之间设有台阶部分36。台阶部分36的角部倒成平直部分37。

在这种方式下，当将涡轮机叶轮1和涡轮轴4相互连接在一起时，在装配孔3的台阶部分31和涡轮轴4的台阶部分36相互紧靠处形成了对接部分38。当通过焊接将两个部件相互连接时，在对接部分38外的部分被熔化，在此例中为位于对接部分38之后(图5中右手侧)的焊接部分39。因此，对接部分38没有被熔化，其和锥形轴向对接部分7一起更可靠地有助于防止因涡轮轴4的轴向收缩而引起的尺寸变化。

实施例3

如图6所示，在此实施例中，在涡轮轴4和涡轮机叶轮1之间的连接中，插入部分6插入装配孔3中而没有设置锥形轴向对接部分。在装配孔3的内周壁30上设有台阶部分31，台阶部分31具有正交于涡轮轴4的表面32。位于台阶部分31的前端部分(图中左手部分)为小直径部分33。

涡轮轴4在其前端设有可插入小直径部分33中的凸台34，在凸台34和涡轮轴4的外周边部分35之间设有台阶部分36。台阶部分36的角部倒成平直部分37。

在这种方式下，当将涡轮机叶轮1和涡轮轴4相互连接在一起时，在装配孔3的台阶部分31和涡轮轴4的台阶部分36相互紧靠处形成了对接部分38。当通过焊接将两个部件相互连接时，在对接部分38以外的部分被熔化，在此例中为焊接部分39。因此可以防止因涡轮轴4的轴向收缩而引起的尺寸变化。

在这种情况下，为了同轴地设置涡轮机叶轮1和涡轮轴4，装配孔3的内周壁30和涡轮轴4的外周壁35之间的间隙S应尽可能地小，涡轮轴4强迫性地插入装配孔3中，从而可使轴和叶轮设置成同轴，且实际上不发生任何错误。

工业应用

本发明可应用于内燃机的涡轮增压器设备的制造，可提供具有提高的涡轮机叶轮和涡轮轴的连接精度的高质量的涡轮增压器设备。

Claims (8)

1.一种用于将叶轮和涡轮轴连接在一起的涡轮增压器的涡轮轴的连接方法，所述叶轮具有可插入所述涡轮轴的一个端部以进行固定的装配孔，所述涡轮轴位于所述叶轮的旋转轴线上，所述连接方法的特征在于：

所述叶轮的装配孔的内周壁的至少一部分为锥形，使得从所述装配孔的开口处向内其直径减小；

在与所述叶轮相连接的所述涡轮轴的一端设有能够与所述锥形内周壁紧密接触的锥形轴向对接部分，以及具有固定直径的可插入所述装配孔中的插入部分；和

所述叶轮和所述涡轮轴相互连接并固定在一起，使得两者在所述旋转轴线上同轴。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器的涡轮轴的连接方法，其特征在于，所述涡轮轴具有与形成有所述装配孔的表面紧贴在一起并且在焊接时限制所述涡轮轴的轴向运动的对接部分。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器的涡轮轴的连接方法，其特征在于，在所述涡轮轴的一端形成了具有固定直径的所述插入部分；并设有与所述插入部分相连接的轴向对接部分，所述轴向对接部分为锥形，使得其直径从所述插入部分处开始逐渐增大，所述插入部分和所述轴向对接部分设置成同轴。

4.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器的涡轮轴的连接方法，其特征在于，通过熔合所述涡轮轴上所述轴向对接部分以外的部分和所述叶轮的所述锥形内周壁，将所述叶轮和所述涡轮轴相互焊接在一起。

5.一种用于根据权利要求1至3中任一项所述的连接方法中的涡轮机叶轮，其特征在于，可插入所述涡轮轴的一个端部的所述装配孔的所述内周壁的至少一部分为锥形，使得从所述装配孔的开口处向内其直径逐渐减小。

6.一种用于根据权利要求1至3中任一项所述的连接方法中的涡轮轴，其特征在于，在与所述涡轮机叶轮相连接的所述涡轮轴的一端设有能够与所述涡轮机叶轮中装配孔的锥形内周壁紧密接触的锥形轴向对接部分，以及具有固定直径的可插入所述装配孔中的插入部分。

7.根据权利要求6所述的涡轮轴，其特征在于，在所述涡轮轴的一端形成具有固定直径的所述插入部分；并设有与所述插入部分相连且直径逐渐增大的锥形部分，所述插入部分和所述锥形部分设置成同轴。

8.一种用于将叶轮和涡轮轴连接在一起的涡轮增压器的涡轮轴的连接方法，所述叶轮具有可插入所述涡轮轴的一个端部以进行固定的装配孔，所述涡轮轴位于所述叶轮的旋转轴线上，所述连接方法的特征在于：

在与所述叶轮相连接的所述涡轮轴的一端设有可插入所述装配孔的具有固定直径的插入部分；在所述插入部分处设有靠在形成有所述装配孔的表面上并限制所述涡轮轴的轴向运动的对接部分，从而在焊接时限制所述涡轮轴的轴向运动。

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