CN203948460U - 一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，属于机械技术领域。它解决了现有用于涡轮增压器的轴承结构效率低、易自激振动、耐久性和稳定性差等问题。本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构包括单体半浮动轴承套，单体半浮动轴承套上开设有若干个过油孔一且单体半浮动轴承套与轴承体之间存在静态油膜间隙，单体半浮动轴承套上开设有回油孔，涡轮转轴上套设有全浮动轴承套，全浮动轴承套与单体半浮动轴承套轴向定位且全浮动轴承套上开设有若干个过油孔二，全浮动轴承套和单体半浮动轴承套之间存在动态油膜间隙一，全浮动轴承套和涡轮转轴之间存在动态油膜间隙二。本实用新型具有结构合理、可靠性高和效率高等优点。

Description

一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构

技术领域

本实用新型属于机械技术领域，涉及一种浮动轴承，特别涉及一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构。

背景技术

目前无论是国外或国内的小型涡轮增压器的技术质量状态，都已达到相当高的优化水平，其提高增压器轴系效率可供进一步挖掘的空间和潜力也越来越小。

浮动轴承分全浮动轴承和半浮动轴承两类，如图1所示，当n1=0时，全浮动轴承就变为半浮动轴承结构,箭头表示压力滑油油膜运动、承载、流动方向。随着增压器的转速日益提高，当n＞40000r/min后，普通的滑动轴承已难于胜任，故目前小型涡轮增压器上绝大多数采用浮动轴承，现将两类浮动轴承增压器进行分别比较分析，以找到解决进一步提高增压器轴系效率的途径和措施。

对浮动轴承分析如下：因浮动套两面均有油膜，故在不增加相邻表面间间隙的情况下，能大大增加流过轴承的滑油量，从而降低了轴承温度，其结果可用所谓的温度系数来表示：γ=⊿te/⊿tf；式中⊿tf、⊿te分别为浮动轴承及滑油轴承中滑油的温升。各种文献资料说明和试验结果也表明γ总大于1，γ=1.5～2.29，证明采用浮动轴承后，可降低轴承温度。

由于浮动套以一定转速旋转，相应地减少了与轴颈和轴承座孔之间的相对速度，从而可减小轴承中摩擦功率。这是因为在相同情况下摩擦功率是与圆周速度的平方成正比。浮动套的实际转速可用下式确定：                                                ；式中n1、n0分别表示浮动套的转速与轴颈转速；⊿1、⊿2分别表示轴承中的内外间隙；r2/r1 为半径比；ε1、ε2分别表示内外间隙的偏心度。即ε1=l 1/⊿1 ,ε2=l 2/⊿2；l 1、 l 2分别表示内外间隙的偏心度。

由于轴承中总的间隙较大，故如转子因动平衡有所破坏，其旋转中心不与几何轴线重合时，浮动轴承可自动作出调整，即它本身相当于一个弹性支承，故降低了对转子动平衡的要求，特别适用于高速工作过程，又可很好吸收转子产生的振动，从而延长其工作寿命。

这里对整体式全浮动轴承结构的优缺点进行解析：

优点：LZ值较双列式结构的要小，缩短了增压器的轴向长度，轴的挠曲变形和跳动较小，轴的可靠性相对较好，材料用量少而成本降低。

缺点：轴易产生自激振荡的频率机率较高，易造成轴系的不稳定和不可靠；因整体全浮动套重量大，不利于浮动，浮动效率低而影响轴效率的提高；若整体全浮动套轴向尺寸较长，也难于保证很高的加工精度，且轴系的稳定性也低于双列式结构。

所以实用中整体式全浮动轴承结构基本上被扬弃，多为双列式结构或单体半浮动结构的增压器轴系。

再对双列分开式全浮动轴承式增压器及轴系结构优缺点进行解析:

优点：由全浮动结构原理而知，全浮动轴承套孔内表面由动态油膜承载涡轮转轴，并由发动机的燃气膨胀功推动涡轮转轴顺时针高速旋转，而全浮动轴承套外表面皆由动态油膜承载，并相对于涡轮转轴也做顺时针高速旋转，即增压器的转速实际上等于涡轮转轴一级转速和全浮动轴承套的二级转速的叠加之和，这样就实际上降低了涡轮转轴的实际转速，提高了涡轮转轴的使用可靠性，且轴系的效率相对于单体半浮动轴承结构的要高。

缺点：涡轮转轴及轴系轴向长度较长，不利于涡轮增压器结构小型化、材料用量较大、转动惯性质量较重，因轴系长而轴的挠曲变形及跳动较大、轴系各零件的加工精度相对要求较高，轴系的有害自激振荡（即油膜振荡）因素很难彻底克服和解决，因而轴系震动较大，可靠性较差；动平衡质量水平要求较高，进而加工成本提高。

接着对单体式半浮动轴承结构的优缺点进行解析：

优点：因半浮动轴承套固定不转动，半浮动轴承套外表面的油膜承载为静态，对轴系的涡轮转轴一级转速产生的自激振荡起到了良好的静态阻尼，减振和吸震效果，使轴的可靠性得以提高；涡轮转轴及轴系轴向长度较短，有利于涡轮增压器结构小型化、材料用量较少、转动惯性质量较轻，利于小型涡轮增压器高压比高速化的目标实现，而轴的挠曲变形及跳动较小、轴系各零件的加工精度相对来讲更易实现。

缺点：因半浮动轴承套固定不转动，只有半浮动轴承套内孔一级动态油膜承载涡轮转轴，由发动机的燃气膨胀功推动涡轮转轴顺时针高速旋转，使轴系的摩擦功率损失相对于双列分开全浮动轴承式而言要大，而降低了轴系效率，因增压器的实际转速等于涡轮转轴的一级转速，涡轮转轴转速很高，同样要求轴的动平衡质量水平很高，提高了加工成本。

综上所述，除开整体全浮动轴承结构已基本上在实用中被扬弃外，双列式全浮动轴承结构和单体半浮动轴承结构，都因其各自浮动轴承的结构缺点限制，轴系的效率很难再提高，从而限制了小型增压器总效率、以及高速高压比的进一步提高。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，其结构简单、成本低，且能够更有效地提高轴系效率和更优可靠性的要求，达到现代小型涡轮增压器进一步小型化，挖掘和提高涡轮增压器轴系系统效率，来达到和提高小型涡轮增压器总效率的目的。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，包括套于涡轮转轴上并与轴承体相定位的单体半浮动轴承套，所述的单体半浮动轴承套上开设有若干个过油孔一且单体半浮动轴承套与轴承体之间存在静态油膜间隙，所述的单体半浮动轴承套上开设有回油孔，其特征在于，所述的涡轮转轴上套设有位于单体半浮动轴承套和涡轮转轴之间的全浮动轴承套，所述的全浮动轴承套与单体半浮动轴承套轴向定位且全浮动轴承套上开设有若干个过油孔二，所述的全浮动轴承套和单体半浮动轴承套之间存在动态油膜间隙一，所述的全浮动轴承套和涡轮转轴之间存在动态油膜间隙二。

在上述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构中，所述的回油孔开设于单体半浮动轴承套中部，所述的全浮动轴承套的数量为两个且对称于回油孔布置，两个全浮动轴承套均与单体半浮动轴承套轴向定位。

在上述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构中，所述的单体半浮动轴承套上嵌设有四片挡圈，两个全浮动轴承套位于对应的两片挡圈之间且各自两端均与挡圈相抵靠。

在上述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构中，所述的全浮动轴承套上开设有两个周向对称布置的过油孔二，所述的过油孔二为径向孔且位于全浮动轴承套中部，所述的过油孔一的数量为四个且均为径向孔，过油孔一分为左右对称的两组且每组中的两个过油孔一均周向对称布置，每组过油孔一的轴线与对应的全浮动轴承套上过油孔二的轴线处于同一平面。这样润滑油进入动态油膜间隙一、动态油膜间隙二流畅快速，润滑油能均匀快速地在动态油膜间隙一、动态油膜间隙二之间形成动态滑油油膜。

在上述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构中，所述的静态油膜间隙为0.03-0.13mm, 动态油膜间隙一和动态油膜间隙二均为0.03-0.10mm。

在上述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构中，所述的轴承体上穿设有定位销，所述的定位销的端部部分径向穿入单体半浮动轴承套一端。这样定位、制造和安装均较为方便。

在上述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构中，所述的单体半浮动轴承套的外周面开设有两道对称于回油孔设置的环形凹槽。润滑油在静态油膜间隙之间形成厚度适度的静态滑油油膜，环形凹槽起到频率阻隔作用，起到良好的抑制自激震荡（静态滑油油膜震荡）。

与现有技术相比，本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构具有以下优点：

1、本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构继承了单体半浮动轴承结构的优点，涡轮转轴及轴系轴向长度较短，有利于涡轮增压器结构小型化、材料用量较少、转动惯性质量较轻，利于小型涡轮增压器高压比高速化的目标实现，而涡轮转轴的挠曲变形及跳动较小、轴系各零件的加工精度相对来讲更易实现。

2、本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构具有更好的减振吸震作用，轴系稳定可靠；

3、本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构具有很好的柔性支承作用，轴短更具有抗挠曲变形及振动的优势；

4、本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构具有更小的摩擦损耗，涡轮转轴效率更高，使增压器总效率更高；

5、本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构使得增压器转速为全浮动轴承套和涡轮转轴的转速叠加之和，更有利于小型增压器高压比和更高转速的实现；

6、本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构的轴系的滑油当量容热和散热性能更好，使轴系温度进一步降低，涡轮转轴的运转可靠稳定性进一步提高。

附图说明

图1是现有的浮动轴承结构的运转工作示意图。

图2是本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构的运转工作示意图。

图3是本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构的剖视结构示意图。

图4是图3圆圈A中的结构放大图。

图中，1、涡轮转轴；2、轴承体；3、单体半浮动轴承套；4、过油孔一；5、静态油膜间隙；6、回油孔；7、全浮动轴承套；8、过油孔二；9、动态油膜间隙一；10、动态油膜间隙二；11、挡圈；12、定位销；13、环形凹槽。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图3所示，本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构包括套于涡轮转轴1上并与轴承体2相定位的单体半浮动轴承套3，本实施例中轴承体2上穿设有定位销12，定位销12的端部部分径向穿入单体半浮动轴承套3一端，这样方便单体半浮动轴承套3与轴承体2定位。单体半浮动轴承套3上开设有若干个过油孔一4且单体半浮动轴承套3与轴承体2之间存在静态油膜间隙5，单体半浮动轴承套3上开设有回油孔6，涡轮转轴1上套设有位于单体半浮动轴承套3和涡轮转轴1之间的全浮动轴承套7，全浮动轴承套7与单体半浮动轴承套3轴向定位且全浮动轴承套7上开设有若干个过油孔二8，全浮动轴承套7和单体半浮动轴承套3之间存在动态油膜间隙一9，全浮动轴承套7和涡轮转轴1之间存在动态油膜间隙二10，静态油膜间隙5为0.03-0.13mm, 动态油膜间隙一9和动态油膜间隙二10均为0.03-0.10mm，本实施例中静态油膜间隙5为0.13mm，动态油膜间隙一9和动态油膜间隙二10均为0.05 mm。

进一步细说，如图3和图4所示，本实施例中回油孔6开设于单体半浮动轴承套3中部，单体半浮动轴承套3的外周面开设有两道对称于回油孔6设置的环形凹槽13，全浮动轴承套7的数量为两个且对称于回油孔6布置，两个全浮动轴承套7均与单体半浮动轴承套3轴向定位。单体半浮动轴承套3上嵌设有四片挡圈11，两个全浮动轴承套7位于对应的两片挡圈11之间且各自两端均与挡圈11相抵靠。全浮动轴承套7上开设有两个周向对称布置的过油孔二8，过油孔二8为径向孔且位于全浮动轴承套7中部，过油孔一4的数量为四个且均为径向孔，过油孔一4分为左右对称的两组且每组中的两个过油孔一4均周向对称布置，每组过油孔一4的轴线与对应的全浮动轴承套7上过油孔二8的轴线处于同一平面。

如图2和图4所示，使用时，压力较高的润滑油（对应发动机低速工况到高速工况0.15～0.4Mpa）进入轴承体2的油腔和油孔中，之后润滑油在静态油膜间隙5之间形成厚度适度的静态滑油油膜，润滑油再经过进油孔一、进油孔二，在动态油膜间隙一9、动态油膜间隙二10之间形成动态滑油油膜；静态滑油油膜起良好的静态阻尼和减振吸震作用，由于涡轮转轴1的高速顺时针旋转，加上动态油膜间隙一9处的动态滑油油膜及油压的矢量推动，承载起全浮动轴承套7外表面，产生一个相对同向高速顺时针旋转，全浮动轴承套7的内表面的动态油膜间隙一9处的动态滑油油膜及油压支撑高速顺时针旋转的涡轮转轴1，使增压器的实际转速，为全浮动轴承的相对转速和涡轮转轴1两级转速的叠加之和；润滑油带走轴系中因高速旋转产生的热量，最后经单体半浮动轴承套3的回油孔6和全浮动轴承套7两端卸油槽卸出，直至轴承体2的回油口。

本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构既保留了双列式全浮动轴承和单体半浮动轴承各自的优点，又扬弃了各自的缺点，达到优势互补。不转动的单体半浮动轴承套3和相对转动的全浮动轴承套7为半浮动式结构，单体半浮动轴承套3外表面的静态油膜间隙5由厚度适度的静态滑油油膜承载，起到良好的抑制自激振荡（油膜振荡），达到静态阻尼和消除有害自激振荡频率，及减振吸震的作用；转动的全浮动轴承套7和相对于全浮动轴承内表面进一步相对转动的涡轮转轴1为全浮动式结构，因动态滑油油膜的存在，相当于涡轮转轴1被约束于一个柔性支承体上，加之单体半浮动轴承套3处良好的静态弹性阻尼效果，其柔性支承效果比双列式全浮动结构更优更好，其起到了更好的抑制轴系的自激振荡和轴的机械复合振动，达到最佳的减振和吸震的效果，进一步提高了增压器轴系的可靠性，而且对于转轴的动平衡质量要求相对也宽松，利于工艺实施和降低加工成本。

本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构通过单体半浮动轴承套3处的静态滑油油膜获得了优良的静态阻尼性能，更由全浮动轴承套7处的动态滑油油膜的存在，全浮动轴承套7及轴的有害自激振荡频率和轴的机械复合振动频率，传递至单体半浮动轴承套3时，得到了梯级减振和吸震，提高了该轴系的可靠性和耐用度，所以本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构不仅适用于高压润滑油的情况，而且适用于滑油压力较低的情况，适应性更好更宽，改变了过去半浮动轴承适应于供油压力偏低的情况下的传统认识和实用基础条件。

本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构中全浮动轴承套7内表面的动态滑油油膜承载涡轮转轴1，并由发动机的燃气膨胀功推动涡轮转轴1顺时针高速旋转，而全浮动轴承套7外表面也由动态滑油油膜承载，并相对于涡轮转轴1同时做顺时针高速旋转，即增压器的转速实际上等于涡轮转轴1一级转速和全浮动轴承套7的二级转速的叠加之和。根据资料和经验介绍：视其润滑油质量、静态油膜间隙5、动态油膜间隙一9和动态油膜间隙二10大小的适配度而言，全浮动轴承套7相对旋转转速根据浮动套公式推算约为增压器总转速的35%～50%范围内，这样就降低了涡轮转轴1的实际转速，提高了涡轮转轴1的使用可靠性，且轴系的效率相对单体半浮动轴承结构的要高，进而降低了轴系的摩擦功率损失，提高了小型涡轮增压器的总效率。根据温度系数公式原理推算延伸分析可知，由于本用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构及轴系的润滑油容热容积和散热容积，相对于比全浮动轴承结构轴系、单体半浮动轴承结构的容热容积和散热容积要大，具有单位比当量润滑油容积温升小，散热效果更好等优点，使该轴系的润滑条件和油膜动态承载质量更好，进一步保证了轴系及轴的稳定和可靠。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了涡轮转轴1、轴承体2、单体半浮动轴承套3、过油孔一4、静态油膜间隙5、回油孔6、全浮动轴承套7、过油孔二8、动态油膜间隙一9、动态油膜间隙二10、挡圈11、定位销12、环形凹槽13等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (7)

1.一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，包括套于涡轮转轴（1）上并与轴承体（2）相定位的单体半浮动轴承套（3），所述的单体半浮动轴承套（3）上开设有若干个过油孔一（4）且单体半浮动轴承套（3）与轴承体（2）之间存在静态油膜间隙（5），所述的单体半浮动轴承套（3）上开设有回油孔（6），其特征在于，所述的涡轮转轴（1）上套设有位于单体半浮动轴承套（3）和涡轮转轴（1）之间的全浮动轴承套（7），所述的全浮动轴承套（7）与单体半浮动轴承套（3）轴向定位且全浮动轴承套（7）上开设有若干个过油孔二（8），所述的全浮动轴承套（7）和单体半浮动轴承套（3）之间存在动态油膜间隙一（9），所述的全浮动轴承套（7）和涡轮转轴（1）之间存在动态油膜间隙二（10）。

2.根据权利要求1所述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，其特征在于，所述的回油孔（6）开设于单体半浮动轴承套（3）中部，所述的全浮动轴承套（7）的数量为两个且对称于回油孔（6）布置，两个全浮动轴承套（7）均与单体半浮动轴承套（3）轴向定位。

3.根据权利要求2所述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，其特征在于，所述的单体半浮动轴承套（3）上嵌设有四片挡圈（11），两个全浮动轴承套（7）位于对应的两片挡圈（11）之间且各自两端均与挡圈（11）相抵靠。

4.根据权利要求3所述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，其特征在于，所述的全浮动轴承套（7）上开设有两个周向对称布置的过油孔二（8），所述的过油孔二（8）为径向孔且位于全浮动轴承套（7）中部，所述的过油孔一（4）的数量为四个且均为径向孔，过油孔一（4）分为左右对称的两组且每组中的两个过油孔一（4）均周向对称布置，每组过油孔一（4）的轴线与对应的全浮动轴承套（7）上过油孔二（8）的轴线处于同一平面。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，其特征在于，所述的静态油膜间隙（5）为0.03-0.13mm, 动态油膜间隙一（9）和动态油膜间隙二（10）均为0.03-0.10mm。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，其特征在于，所述的轴承体（2）上穿设有定位销（12），所述的定位销（12）的端部部分径向穿入单体半浮动轴承套（3）一端。

7.根据权利要求2或3或4所述的一种用于小型涡轮增压器的浮动轴承结构，其特征在于，所述的单体半浮动轴承套（3）的外周面开设有两道对称于回油孔（6）设置的环形凹槽（13）。