專利名稱：增壓機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種增壓機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)軸。
技術(shù)背景將預(yù)先對被供給向內(nèi)燃機(jī)的氣缸的空氣或者混合氣進(jìn)行壓縮稱為增 壓，稱該壓縮機(jī)為增壓機(jī)。此外，將其中利用發(fā)動機(jī)的排氣進(jìn)行增壓的增 壓機(jī)稱為排氣渦輪增壓機(jī)，或簡稱為渦輪增壓機(jī)。以下，在本申請中，除 了特別需要的情況，將渦輪增壓機(jī)簡單地稱為"增壓機(jī)"。圖l是表示以往的渦輪增壓機(jī)的一例的整體構(gòu)成圖。在該圖中，渦輪增壓機(jī)包括渦輪轉(zhuǎn)子軸l、壓縮機(jī)葉輪2、軸承殼3、渦輪殼4、壓縮機(jī) 殼5a、密封板5b等。軸承殼3、渦輪殼4、壓縮機(jī)殼5a、以及密封板5b以圖示的順序相 互地連結(jié)。此外，渦輪轉(zhuǎn)子軸1是將渦輪葉輪la和轉(zhuǎn)子軸lb通過焊接等 而一體化而成的，由軸承殼3內(nèi)的徑向軸承旋轉(zhuǎn)支承，與壓縮機(jī)葉輪2同 軸地連結(jié)。根據(jù)該構(gòu)成，通過內(nèi)燃機(jī)的排氣來旋轉(zhuǎn)驅(qū)動渦輪葉輪la，并經(jīng)由轉(zhuǎn) 子軸lb向壓縮機(jī)葉輪2傳遞該旋轉(zhuǎn)力而旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓縮機(jī)葉輪2，將空氣 (或者混合氣)壓縮而供給到內(nèi)燃機(jī)中，從而能夠使內(nèi)燃機(jī)的性能大幅地 提升。在圖1中，渦輪葉輪la的旋轉(zhuǎn)，徑向方向由兩個浮動軸承襯瓦6a、 6b支承、并推力方向經(jīng)由推力軸環(huán)7而由渦輪側(cè)推力軸承8a和壓縮機(jī)側(cè) 推力軸承8b支承。另外，在該圖中，9是截油環(huán)，6c是軸承襯墊。隨著增壓機(jī)的高性能化，渦輪轉(zhuǎn)子軸l以及壓縮機(jī)葉輪2，以數(shù)萬~ 數(shù)10萬min"的高速旋轉(zhuǎn)。浮動軸承襯瓦6a、 6b，因?yàn)橄鄬τ跍u輪轉(zhuǎn)子 軸1浮起，所以不會以相同速度旋轉(zhuǎn)，而以比渦輪轉(zhuǎn)子軸低的速度旋轉(zhuǎn)， 推力軸環(huán)7，因?yàn)榕c渦輪轉(zhuǎn)子軸嵌合而結(jié)合，所以以與渦輪轉(zhuǎn)子軸相同的 速度旋轉(zhuǎn)。因此，浮動軸承襯瓦6a、 6b和推力軸環(huán)7分別以高速旋轉(zhuǎn)， 同時支承徑向力以及推力。此外，為了減低該旋轉(zhuǎn)時的滑動阻力，而總是 從設(shè)置在軸承殼3上的油路3a向滑動部供給潤滑油。此外，作為以高速旋轉(zhuǎn)的渦輪轉(zhuǎn)子軸的軸承構(gòu)造，已經(jīng)公開有專利文獻(xiàn)1~3。專利文獻(xiàn)l:特開2000-110577號公報、"增壓機(jī)的軸承裝置" 專利文獻(xiàn)2:特開2001-295655號公報、"增壓機(jī)的軸承構(gòu)造" 專利文獻(xiàn)3:特開2005-23920號公報、"增壓機(jī)的軸承構(gòu)造" 如上所述，以往的增壓機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)軸(渦輪轉(zhuǎn)子軸)，通常被隔著 一定間隔的兩個的徑向軸承支承。此時，高速旋轉(zhuǎn)軸的固有頻率co,在除 去兩端的渦輪和壓縮機(jī)而僅僅是高速旋轉(zhuǎn)軸時，能夠通過式(1)的近似 式表示。co=(tt/2) x (n/L)2x (EI/pA) 05…(1)在此，n(=l、 2、 3 —-)是圖2A~圖2C所示的兩端支承軸的振動模 型階數(shù)(1階、2階、3階)，L是軸承中心間距離，E是高速旋轉(zhuǎn)軸的縱 彈性系數(shù)，I是高速旋轉(zhuǎn)軸的截面2階力矩，p是密度，A是截面積。此外，若將高速旋轉(zhuǎn)軸的直徑作為d,則I=7rdV64、 A=7Td2/4，所以 (I/A) fl5=d/4，由式(1)得到式(2)。co=(tt/2) x (n/L)、 (d/4) x ( E/p ) 。5 .…(2 )另夕卜，上述的各式是近似式，實(shí)際中，必須包含兩端的渦輪和壓縮機(jī) 而通過的嚴(yán)密的計算積模擬等而求出危險速度。以下，將與1階、2階、3階的振動模型對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度，在本發(fā)明 中，稱為"彎曲的危險速度"或者簡單地稱為"危險速度"。以往的增壓機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計為，2階危險速度相對于額定轉(zhuǎn)速 即設(shè)計上的最大轉(zhuǎn)速充分遠(yuǎn)離且高于額定轉(zhuǎn)速。若這樣地設(shè)計，則1階危 險速度變高，在運(yùn)轉(zhuǎn)中高速旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度通過l階危險速度時，對于 增壓機(jī)的激振能量增大，振動及噪音也增大。此外，如專利文獻(xiàn)l的圖所示，為了提高增壓機(jī)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，而將 軸承間細(xì)軸化，從而，能夠降低高速旋轉(zhuǎn)軸的1階危險速度。因此，例如 在使增壓機(jī)從低速旋轉(zhuǎn)向高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)中在高速旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度通過l 階危險速度時，能夠使對于增壓機(jī)的激振能量減低，也能夠減低振動及噪 音。但是，如從式(2)明確的那樣，將軸承間的軸徑d細(xì)軸化，從而，在 一般情況下，能夠降低1階危險速度，但同時2階危險速度也有減低的傾 向。因此，存在根據(jù)軸承系統(tǒng)而2階危險速度也大大降低、且與運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域接近、軸承系統(tǒng)變得不穩(wěn)定的問題點(diǎn)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了同時地解決所述問題點(diǎn)而提出。即，本發(fā)明的目的在于提供一種增壓機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)軸，相對于額定轉(zhuǎn)速，能夠抑制2階危險速度的 降低，同時能夠降低l階危險速度。根據(jù)本發(fā)明，提供一種增壓機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)軸，能夠旋轉(zhuǎn)地被隔著一定 的間隔的兩個徑向軸承支承、直接連結(jié)固定在一端上的渦輪葉輪和被固定 在另一端上的壓縮機(jī)葉輪、向壓縮機(jī)葉輪傳遞渦輪葉輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，其 特征為，在上述軸承的中間部處，具有直徑比軸承部小的細(xì)軸部，該細(xì)軸部， 以該細(xì)軸部的渦輪側(cè)的開始點(diǎn)和壓縮機(jī)側(cè)的終點(diǎn)的距離的中心相對于上 述兩個徑向軸承間距離的中心而言靠近壓縮機(jī)側(cè)的方式偏置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，通過計算機(jī)模擬來設(shè)定上述細(xì)軸部的偏 置量、直徑、長度，以便能夠相對于額定轉(zhuǎn)速抑制2階危險速度的下降， 同時使l階危險速度降低。根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)成，因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)軸的軸承間，具有直徑比軸承部 小的細(xì)軸部，所以能夠降低高速旋轉(zhuǎn)軸的彎曲的1階危險速度。因此在使 增壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，在高速旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度通過l階危險速度時，能夠降低 其振動、噪音。此外，該細(xì)軸部偏置在壓縮機(jī)側(cè)，從而，因?yàn)橄喈?dāng)于高速旋轉(zhuǎn)軸的彎 曲的2階振動模型的腹部的渦輪側(cè)部分的軸徑具有與軸承部大致相同的 直徑，所以位于彎曲的2階振動模型的腹部的軸的剛性沒有降低，所以能 夠抑制彎曲的2階危險速度的降低以使二階危險速度的降低量至少比一 階危險速度的降低量小，能夠增加軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠提升可靠性。


圖l是表示以往的渦輪增壓機(jī)的一例的整體構(gòu)成圖。 圖2A是表示兩端支承軸的1階的振動模型的圖。 圖2B是表示兩端支承軸的2階的振動模型的圖。 圖2C是表示兩端支承軸的3階的振動模型的圖。 圖3是本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)軸的整體構(gòu)成圖。圖4A是沒有細(xì)軸部時的圖3的高速旋轉(zhuǎn)軸的說明圖。圖4B是軸切細(xì)部長度為最大時的圖3的高速旋轉(zhuǎn)軸的說明圖。圖4C是軸切細(xì)部長度為中間情況時的圖3的高速旋轉(zhuǎn)軸的說明圖。圖4D是軸切細(xì)部長度為中間情況時的圖3的高速旋轉(zhuǎn)軸的說明圖。圖5是圖3的高速旋轉(zhuǎn)軸的軸切細(xì)部長度與危險速度的關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
以下，參照

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。另外，在各圖中，對共通部 分標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，省略重復(fù)的說明。圖3是本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)軸的整體構(gòu)成圖。如該圖所示，本發(fā)明的高 速旋轉(zhuǎn)軸IO，被隔著一定的間隔L的兩個徑向軸承12a、 12b能夠旋轉(zhuǎn)地 支承。另外，在該圖中，徑向軸承12a、 12b是被一體地連結(jié)的軸頸軸承， 但本發(fā)明不限定于此，也可以是圖l那樣的分開的形式。此外，徑向軸承 12a、 12b，可以是能夠相對于軸承殼旋轉(zhuǎn)的所謂的浮動軸承、可以是不旋 轉(zhuǎn)而僅僅能夠沿著半徑方向移動的半浮式軸承、或者是被完全地固定的固 定軸承。進(jìn)而，徑向軸承12a、 12b可以是氣體軸承、也可以是滾動軸承。本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)軸10，在其一端(圖中左端)上固定有渦輪葉輪 la，在另一端上固定有壓縮機(jī)葉輪2，直接連結(jié)渦輪葉輪la和壓縮機(jī)葉 輪2，向壓縮機(jī)葉輪2傳遞渦輪葉輪la的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力。本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)軸10，進(jìn)而在軸承間具有直徑比軸承部的直徑D 小的細(xì)軸部14 (直徑d)。圖4A 圖4D是圖3的高速旋轉(zhuǎn)軸10的說明圖。在該圖中，圖4A是 沒有細(xì)軸部14的情況，圖4B是細(xì)軸部14的長度(稱為"軸切細(xì)部長度") 為最大(L1)的情況，圖4C和圖4D是軸切細(xì)部長度為其中間(L2:沒有 細(xì)軸部時和最大時的中間)的情況。在圖4A中，點(diǎn)劃線A是徑向軸承12a、 12b的間隔L的中心，相當(dāng)于 彎曲的1階振動模型的腹部。此夕卜，兩根的虛線B1、B2表示徑向軸承12a、 12b的間隔L的1/4和3/4的位置，相當(dāng)于彎曲的2階振動模型的腹部。本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)軸10，相當(dāng)于圖4D,細(xì)軸部14以距離e向壓縮機(jī) 側(cè)偏置，相當(dāng)于彎曲的2階振動模型的腹部Bl的渦輪側(cè)部分具有與軸承 部大致相同的直徑。即，細(xì)軸部14，以細(xì)軸部14的渦輪側(cè)的開始點(diǎn)與壓縮機(jī)側(cè)的終點(diǎn)的距離的中心相對于兩個徑向軸12a、 12b的軸間距離的中 心而言靠近壓縮機(jī)側(cè)的方式偏置。圖4C是比較例，在沒有偏置這一點(diǎn)與圖4D不同。細(xì)軸部14的偏置量e、直徑d、長度L2，只要能夠?qū)⑾喈?dāng)于彎曲的2 階振動模型的腹部B1的渦輪側(cè)部分保持為與軸承部大致相同的直徑，則 能夠自由地設(shè)定。另外，具體而言，只要通過計算機(jī)模擬設(shè)定偏置量e、直徑d、長度 L2，以使相對于既定的額定轉(zhuǎn)速1階危險速度降低、且2階危險速度的降 低量(或者比例)不超過1階危險速度的降低量(或者比例)即可。根據(jù)上述的本發(fā)明的構(gòu)成，因?yàn)樵谳S承間具有直徑比軸承部小的細(xì)軸 部14,所以能夠降低彎曲的1階危險速度而減低振動、噪音。此外，該細(xì)軸部14偏置在壓縮機(jī)側(cè)，相當(dāng)于彎曲的2階振動模型的 腹部Bl的渦輪側(cè)部分具有與軸承部大致相同的直徑，所以位于彎曲的2 階振動模型的腹部的軸的剛性沒有降低，所以能夠最小限地抑制彎曲2階 危險速度的降低，能夠增加軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠提升可靠性。另夕卜，只要能夠抑制彎曲2階危險速度的降低，也可以使相當(dāng)于彎曲 的2階振動模型的腹部Bl的渦輪側(cè)部分比細(xì)軸部14粗、且比軸承部細(xì)。 此外，也可以使該部分比細(xì)軸部14以及軸承部粗。實(shí)施例1圖5是通過計算機(jī)模擬得到的圖3的高速旋轉(zhuǎn)軸的軸切細(xì)部長度和危 險速度的關(guān)系圖。在該圖中，橫軸是細(xì)軸部14的長度(軸切細(xì)部長度)， 縱軸是相對于額定轉(zhuǎn)速的比例(％)。此外，圖中下方的兩根的虛線表示1 階危險速度，上方的兩根的實(shí)線表示2階危險速度。進(jìn)而，圖中的A~D 的附圖標(biāo)記，與圖中A D對應(yīng)。由該圖得知，與沒有細(xì)軸部14的情況(A)比較，在軸切細(xì)部長度為 最大(L1)時(B)，能夠降低l階危險速度，但是同時2階危險速度也降 低，因此，2階危險速度與額定轉(zhuǎn)速接近，軸承系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。此外得知，在軸切細(xì)部長度為中間情況(L2)時，與沒有偏置的情況 (C)比較，有偏置的情況(D)中，2階危險速度的降低的比例(約5%) 比1階危險速度的降低的比例(約15%)小，能夠抑制2階危險速度的降 低，同時使l階危險速度降低。另外，在該實(shí)施例中，表示軸切細(xì)部長度最大(Ll)為約24mm、軸切細(xì)部長度中間(L2)情況為約Umm的情況，但是，本發(fā)明不限定于此， 也可以通過計算機(jī)漠?dāng)M而相對于既定的額定轉(zhuǎn)速，設(shè)定最合適的偏置量e、 直徑d、長度L2。另外，本發(fā)明不限定于上述的實(shí)施方式，當(dāng)然能夠在不脫離本發(fā)明的 主旨的范圍進(jìn)行各種各樣地變更。
權(quán)利要求
1.一種增壓機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)軸，被隔著一定的間隔的兩個徑向軸承能夠旋轉(zhuǎn)地支承、直接連結(jié)被固定在一端上的渦輪葉輪和被固定在另一端上的壓縮機(jī)葉輪、向壓縮機(jī)葉輪傳遞渦輪葉輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，其特征為，在上述軸承的中間部處，具有直徑比軸承部的小的細(xì)軸部，該細(xì)軸部以該細(xì)軸部的渦輪側(cè)的開始點(diǎn)和壓縮機(jī)側(cè)的終點(diǎn)的距離的中心相對于上述兩個徑向軸承間距離的中心而言靠近壓縮機(jī)側(cè)的方式偏置。
2. 如權(quán)利要求1所述的增壓機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)軸，其特征為，設(shè)定上述細(xì) 軸部的偏置量、直徑、長度，以便相對于額定轉(zhuǎn)速降低1階危險速度，并 使2階危險速度的降低量(或者比例)不超過1階危險速度的降低量(或 者比例)。
全文摘要
一種增壓機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)軸(10)，被隔著一定的間隔(L)的兩個徑向軸承(12a)、(12b)能夠旋轉(zhuǎn)地支承，直接連結(jié)被固定在一端上的渦輪葉輪和被固定在另一端上的壓縮機(jī)葉輪，向壓縮機(jī)葉輪傳遞渦輪葉輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，在軸承間具有直徑比軸承部小的細(xì)軸部(14)。該細(xì)軸部(14)偏置于壓縮機(jī)側(cè)。
文檔編號F01D5/10GK101405480SQ20078001029
公開日2009年4月8日 申請日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月23日
發(fā)明者清水政宏 申請人:株式會社Ihi