專利名稱：具有凹陷部的壓縮機(jī)輪軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開的主題一般地涉及用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的渦輪機(jī)械，并且具體地涉及包括凹陷部的壓縮機(jī)輪軸。
背景技術(shù)：
排氣驅(qū)動的渦輪增壓器包括旋轉(zhuǎn)組，旋轉(zhuǎn)組包括通過軸彼此連接的渦輪機(jī)輪和壓縮機(jī)輪。在運(yùn)行期間，取決于諸如各種渦輪增壓器部件的尺寸之類的因素，軸可以被預(yù)期以超過200000rpm的速度旋轉(zhuǎn)。為了確保合適的轉(zhuǎn)子動力性能，旋轉(zhuǎn)組應(yīng)當(dāng)在寬范圍的條件(例如運(yùn)行、溫度、壓力等等)上被良好地平衡并被良好地支撐。在本文的多個(gè)實(shí)施例中所描述的技術(shù)、方法等能夠降低在各種條件下渦輪增壓器被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。這些技術(shù)、方法等可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高性能，降低噪聲，減少振動，降低聲振粗糙度，或?yàn)闇u輪機(jī)械帶來其他益處。


通過參考下面的詳細(xì)描述并且結(jié)合附圖示出的示例，可以對本文所描述的各種方法、設(shè)備、組件、系統(tǒng)、布置等等以及它們的等同物有更全面的理解，附圖中:圖1是渦輪增壓器和內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的示例以及控制器的示例的示意圖；圖2是渦輪增壓器組件的示例的一系列截面圖，該渦輪增壓器組件包括帶有導(dǎo)引面的壓縮機(jī)輪軸；圖3是圖2的組件和向壓縮機(jī)輪軸加載的部件的一系列截面圖；圖4是圖3的壓縮機(jī)輪軸以及加載機(jī)構(gòu)的示例的一系列側(cè)視圖；圖5是壓縮機(jī)輪軸的示例的一系列張應(yīng)力圖以及圖4的壓縮機(jī)輪軸的示例的側(cè)視圖；圖6是壓縮機(jī)輪軸的示例的一系列張應(yīng)力圖；圖7是運(yùn)行條件的示例的一系列圖；以及圖8是方法的示例的方框圖。
具體實(shí)施例方式作為一個(gè)示例，渦輪增壓器組件可包括壓縮機(jī)輪和軸，壓縮機(jī)輪具有基面、鼻面、設(shè)置在基面和鼻面之間的z平面以及從基面延伸到鼻面的孔，軸包括設(shè)置在壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)位于Z平面和鼻面之間的一位置的第一導(dǎo)引面、設(shè)置在壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)位于Z平面和基面之間的一位置的第二導(dǎo)引面、以及設(shè)置在第一導(dǎo)引面和第二導(dǎo)引面之間的凹陷面。這種組件還可以包括靠近壓縮機(jī)輪的鼻面可調(diào)節(jié)地設(shè)置在軸上的螺母，其中，螺母的調(diào)節(jié)使軸張緊從而在壓縮機(jī)輪的基面和鼻面之間施加壓縮負(fù)載。在使用和不使用期間，渦輪增壓器的軸和壓縮機(jī)輪(例如，如前述示例中那樣布置)暴露于各種溫度，這會導(dǎo)致軸和壓縮機(jī)輪還有其他部件的膨脹或收縮。在部件由不同材料制成的情況下，它們各自的熱膨脹線性系數(shù)可能是不同的，這會導(dǎo)致負(fù)載(例如，力)、間隙等等的改變。熱膨脹線性系數(shù)可能會相差很大，例如，不銹鋼(316)大約是16X10_6m/mK，鋁大約是22X 10_6m/mK，并且鈦大約是9 X 10_6m/mK。因此，對于一度的溫度變化(C或K)，鋁的線性膨脹將會大于不銹鋼的線性膨脹，不銹鋼的線性膨脹將會大于鈦的線性膨脹。當(dāng)部件在一個(gè)方向上經(jīng)歷應(yīng)變時(shí)，其他方向上的應(yīng)變可以用制造該部件的材料的泊松比來表征。例如，當(dāng)部件在一個(gè)方向上被壓縮時(shí)，它可以在另一個(gè)方向上膨脹，并且類似地，當(dāng)部件在一個(gè)方向上被張緊時(shí)，它可以在另一個(gè)方向上收縮。泊松比可以被正式地定義為橫向應(yīng)變(垂直于所施加的負(fù)載)與軸向應(yīng)變(沿所施加的負(fù)載的方向)的比值。對于各向同性的不銹鋼，泊松比大約是0.30到0.31 ;對于各向同性的鋁合金，其趨向于稍高，大約是0.33。對于各向同性的鈦，泊松比大約是0.34。某些材料可具有負(fù)泊松比。對于渦輪增壓器組件的部件而言，對于應(yīng)變的了解源于對于應(yīng)力的了解。彈性材料的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系可以通過材料的楊氏模量來表征，楊氏模量可被定義為在適用于胡克定律的應(yīng)力范圍(例如可逆的應(yīng)變)內(nèi)單軸應(yīng)力對單軸應(yīng)變的比。在固體力學(xué)中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在任意點(diǎn)的斜率是正切模量，而應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始直線部分是楊氏模量(或者拉伸模量或彈性模量)。楊氏模量取決于溫度，其中，對于大約200C的溫度，鋼的楊氏模量大約是27 X 106psi，鈦的楊氏模量大約是14 X 106psi，而招的楊氏模量大約是9 X 106psi。在運(yùn)行期間，旋轉(zhuǎn)部件經(jīng)歷可觀的向心力，向心力可由質(zhì)量、質(zhì)量半徑和角速度決定。質(zhì)量可以通過使用材料的密度和體積確定，例如，其中，不銹鋼的密度大約是8000kg/m3，鋁的密度大約是2700kg/m3，并且鈦的密度大約是4500kg/m3。給定一向心力(例如應(yīng)力)，可以使用楊氏模量來預(yù)測徑向應(yīng)變的量。進(jìn)而，可以使用泊松比來預(yù)測軸向應(yīng)變的量。在泊松比為正(例如，鋼、鋁、鈦等等)的情況下，軸向應(yīng)變將為負(fù)。例如，以IOOOOOrpm旋轉(zhuǎn)的鋁合金壓縮機(jī)輪將會徑向地膨脹并且軸向地收縮。如本文所述，壓縮機(jī)輪可以以一種方式被附接到軸，使得壓縮機(jī)輪和軸被期望作為單元而旋轉(zhuǎn)(例如，軸關(guān)于壓縮機(jī)輪的旋轉(zhuǎn)滑動應(yīng)當(dāng)最小)。例如，壓縮機(jī)輪可包括用于接收軸的通孔，其中，一機(jī)構(gòu)用于固定壓縮機(jī)輪。附接機(jī)構(gòu)可包括擰到軸的端部上的螺母，其中，螺母的表面可以向壓縮機(jī)輪施加壓縮力從而將壓縮機(jī)輪夾持在螺母和另一個(gè)表面之間，該另一個(gè)表面例如是推力套圈的表面。在這種示例中，軸可以包括肩部，肩部座置抵靠推力套圈的表面，使得螺母的收緊導(dǎo)致軸的一部分(例如推力套圈表面和螺母之間)經(jīng)受張力或張應(yīng)力。張應(yīng)力使得材料沿所施加負(fù)載的方向被拉長，根據(jù)泊松比，這會導(dǎo)致另一方向上的一定的收縮。張應(yīng)力可以被定義為負(fù)載除以面積。因此，在軸具有較小的橫截面面積(例如直徑)的情況下，其將會具有較高的張應(yīng)力。如本文所述，壓縮機(jī)輪可包括基面、鼻面、設(shè)置在基面和鼻面之間的z平面以及從基面延伸到鼻面的孔，并且軸可包括設(shè)置在壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)位于z平面和鼻面之間的一位置的第一導(dǎo)引面、設(shè)置在壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)位于z平面和基面之間的一位置的第二導(dǎo)引面以及設(shè)置在第一導(dǎo)引面和第二導(dǎo)引面之間的凹陷面。在前述的示例中，具有軸的凹陷面的那部分具有小于第一導(dǎo)引面或第二導(dǎo)引面的截面積(例如直徑)。在這種示例中，張應(yīng)力沿著軸的具有凹陷面的那部分較高，這進(jìn)而意味著在軸的對應(yīng)于兩個(gè)導(dǎo)引面的那部分處張應(yīng)力較小。由于應(yīng)力決定應(yīng)變，所以應(yīng)變沿著軸的具有凹陷面的那部分更大。
如本文所述，軸被構(gòu)造為在軸的特定部分上承載較高的張應(yīng)力，該軸可用于減小張應(yīng)力響應(yīng)于溫度、轉(zhuǎn)速以及溫度和轉(zhuǎn)速的總體百分比變化。在這種示例中，軸和壓縮機(jī)輪組件的負(fù)載/拉伸窗口增大。如本文所述，軸可包括凹陷或凹切部(undercut)(例如設(shè)置在兩導(dǎo)引部之間)，其允許軸更加具有柔性并且具有更大的負(fù)載/拉伸窗口，這可進(jìn)一步有利于渦輪增壓器組件的大量連續(xù)生產(chǎn)。對于軸和壓縮機(jī)輪組件而言，負(fù)載/拉伸窗口可以相對于最小負(fù)載要求被定義，例如可以被定義為維持空氣轉(zhuǎn)矩以及避免壓縮機(jī)滑動，平衡疲勞后的退化和軸斷裂。最糟糕的情況可以相對低溫和高轉(zhuǎn)速被定義。負(fù)載/拉伸窗口也可以相對于最大負(fù)載要求被定義，例如被定義為避免拉伸增加到不可逆彈性和軸斷裂的程度。最糟糕的情況可以相對于高溫和低轉(zhuǎn)速或零轉(zhuǎn)速被定義，例如在熱停機(jī)時(shí)(例如，渦輪增壓器是熱的而壓縮機(jī)輪沒有旋轉(zhuǎn))。如本文所述，渦輪增壓器組件可包括:包括孔的殼體；設(shè)置在殼體的孔內(nèi)的軸承；包括基面、鼻面、設(shè)置在基面和鼻面之間的z平面以及從基面延伸到鼻面的孔的壓縮機(jī)輪；由所述殼體的孔內(nèi)的軸承可旋轉(zhuǎn)地支撐的軸，其中，軸包括設(shè)置在壓縮機(jī)輪孔內(nèi)位于z平面和鼻面之間的一位置的第一導(dǎo)引面、設(shè)置在壓縮機(jī)輪孔內(nèi)位于Z平面和基面之間的一位置的第二導(dǎo)引面以及設(shè)置在第一導(dǎo)引面與第二導(dǎo)引面之間的凹陷面；繞軸設(shè)置在軸承和壓縮機(jī)輪的基面之間的推力套圈；以及可調(diào)節(jié)地設(shè)置在軸上靠近壓縮機(jī)輪鼻面的螺母，其中，螺母的調(diào)節(jié)使軸張緊，從而在壓縮機(jī)輪的基面和鼻面之間施加壓縮負(fù)載。如本文所述，軸可包括具有壓配合表面的導(dǎo)引部，使得導(dǎo)引部能被壓配合(例如一種干涉配合)到壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)。在這種示例中，具有壓配合表面的導(dǎo)引部可以是兩個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)引部中的一個(gè)，其中，例如，其他導(dǎo)引部中的每一個(gè)的各自的直徑足夠小以避免在壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)干涉但是足夠大以限定相對于壓縮機(jī)輪孔的預(yù)定量的空隙。如本文所述，軸可以包括例如干涉導(dǎo)引部和空隙導(dǎo)引部，其中，一旦被設(shè)置在壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)，則干涉導(dǎo)引部提供干涉配合而空隙導(dǎo)引部提供預(yù)定量的空隙(例如在運(yùn)行條件的范圍上)。關(guān)于被設(shè)置在壓縮機(jī)輪的鼻端處或附近的導(dǎo)引部，這種導(dǎo)引部能夠有助于最小化或限制軸的彎曲。例如，對于如下的軸而言，軸可能發(fā)生彎曲(例如受到軸和鼻端處的壓縮機(jī)輪孔之間的接觸的限制；注意螺母可以沿著輪的鼻面滑動):該軸具有設(shè)置在壓縮機(jī)輪基端處或附近的單個(gè)導(dǎo)引部(例如在壓縮機(jī)輪的z平面和基面之間)，并且軸的一部分從其延伸并具有較小直徑(例如小于壓縮機(jī)輪的孔直徑)的軸向長度，其延伸到用于接收螺母的螺紋部分。這種彎曲是有害的并且可改變壓縮機(jī)輪組件的重心。為了避免或者限制這種彎曲，軸可包括例如兩個(gè)導(dǎo)引部，其中，導(dǎo)引部中的一個(gè)被設(shè)置在輪的鼻端處或附近(例如，任選地，與輪孔之間存在或不存在間隙)。下面描述渦輪增壓的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的示例，然后描述部件、組件、方法等等的各種示例。渦輪增壓器經(jīng)常被用于提高內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的輸出。參見圖1，常規(guī)系統(tǒng)100包括內(nèi)燃發(fā)動機(jī)110和渦輪增壓器120。內(nèi)燃發(fā)動機(jī)110包括發(fā)動機(jī)缸體118，發(fā)動機(jī)缸體118容納一個(gè)或多個(gè)燃燒室，其可操作地驅(qū)動軸112 (例如經(jīng)由活塞)。如圖1所示，進(jìn)氣端口 114為空氣提供通向發(fā)動機(jī)缸體118的流動路徑，而排氣端口 116為排氣提供離開發(fā)動機(jī)缸體118的流動路徑。
如圖1所示，渦輪增壓器120包括空氣入口 134、軸122、壓縮機(jī)124、渦輪機(jī)126、殼體128和排氣出口 136。殼體128可以被稱為中間殼體，因?yàn)樗辉O(shè)置在壓縮機(jī)124和潤輪機(jī)126之間。軸122可以是包括各種部件的軸組件。在運(yùn)行中，渦輪增壓器120通過使排氣流過渦輪機(jī)126而從內(nèi)燃發(fā)動機(jī)110的排氣中提取能量。如圖所示，渦輪機(jī)126的渦輪機(jī)輪127的旋轉(zhuǎn)引起軸122的旋轉(zhuǎn)并且因此引起壓縮機(jī)124的壓縮機(jī)輪125 (例如葉輪)旋轉(zhuǎn)以壓縮流向發(fā)動機(jī)100的入口空氣并提高其密度。通過引入最優(yōu)量的燃料，系統(tǒng)100能從發(fā)動機(jī)100提取出更多的比功率(例如與相同排量的沒有渦輪增壓的發(fā)動機(jī)比較)。關(guān)于排氣流的控制，在圖1的示例中，渦輪增壓器120包括可變幾何單元129以及廢氣門閥135?？勺儙缀螁卧?29可用于控制排氣到渦輪機(jī)輪127的流動。廢氣門閥(或簡單而言廢氣門)135定位在渦輪機(jī)126的入口附近，并且可被控制以允許來自排氣端口 116的排氣繞過渦輪機(jī)輪127。另外，為了提供排氣再循環(huán)(EGR)，這種系統(tǒng)可以包括管道以將排氣引導(dǎo)到進(jìn)氣路徑。在圖1的示例所示，排氣出口 136可包括分支115，其中，可經(jīng)由閥門117來控制通過分支115到達(dá)空氣入口路徑134的流動。在這種布置中，排氣可以被提供在壓縮機(jī)124的上游。在圖1中，示出了控制器190的示例，其包括一個(gè)或多個(gè)處理器192、存儲器194以及一個(gè)或多個(gè)接口 196。這種控制器可包括電路，例如發(fā)動機(jī)控制單元的電路。如本文所述，可以任選地例如通過控制邏輯結(jié)合控制器來實(shí)施各種方法或技術(shù)?？刂七壿嬁扇Q于一個(gè)或多個(gè)發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件(例如渦輪rpm、發(fā)動機(jī)rpm、溫度、負(fù)載、潤滑劑、冷卻等等)。例如，傳感器可以經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)接口 196向控制器190傳遞信息?？刂七壿嬁梢砸罁?jù)這些信息，并且進(jìn)而，控制器190可以輸出控制信號以控制發(fā)動機(jī)運(yùn)行?？刂破?90可被構(gòu)造為控制潤滑劑流動、溫度、可變幾何組件(例如可變幾何壓縮機(jī)或渦輪機(jī))、廢氣門、排氣再循環(huán)閥、電動機(jī)或者與發(fā)動機(jī)、渦輪增壓器(或多個(gè)渦輪增壓器)等相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)其他部件。圖2示出了組件200的示例的兩個(gè)截面圖，其包括軸220、軸承230、壓縮機(jī)輪240、推力套圈250、渦輪機(jī)輪270、殼體280和背板290。軸承230包括例如上開口 234，以經(jīng)由殼體280的潤滑劑通道281、282和284接收潤滑劑(例如油)。軸承230還包括下開口 236，其接收定位銷299的一部分從而將軸承230定位在殼體的孔285內(nèi)，位于推力套圈250和渦輪機(jī)輪260之間。在圖2的示例中，定位銷299被部分地設(shè)置在定位銷凹陷286內(nèi)，定位銷凹陷286具有通往潤滑劑井288的開口 287，經(jīng)由殼體280的潤滑劑排道289可通達(dá)潤滑劑井288。在放大的截面圖中，軸220被示出由壓縮機(jī)輪240的孔245接收，包括兩個(gè)導(dǎo)引面卩八和Pb以及在其之間的凹陷或者凹切部分225。如所示，壓縮機(jī)輪240設(shè)置在軸220上，位于推力套圈250和螺母270之間。軸220的所示部分(例如為了固定壓縮機(jī)輪)可以被稱為“短軸(stub shaft) ”。圖3示出了圖2的組件200的另一截面圖。在圖3的示例中，所示的壓縮機(jī)輪240包括鼻面242和基面244，其中，孔245在這些表面之間軸向延伸。雖然鼻面242和基面244被示作例如軸向面(z軸與其垂直)，但這些面也可具有與例如螺母或推力套圈的匹配面協(xié)作的傾斜形狀或其他形狀。另外，所示的壓縮機(jī)輪240具有大致對應(yīng)于壓縮機(jī)輪240的最大直徑的Z平面。在圖3中，由rMX表示的最大直徑或半徑在輪240的輪轂處并且與Z平面重合(例如注意，從輪轂延伸的一個(gè)或多個(gè)葉片可包括較大的半徑)。以z平面作為參考點(diǎn)，軸220的導(dǎo)引部A可被描述為軸向地位于壓縮機(jī)輪240的z平面和鼻面242之間，而軸220的導(dǎo)引部B可被描述為至少部分地軸向地位于壓縮機(jī)輪240的z平面和基面244之間。如圖所示，軸220的凹陷面225位于導(dǎo)引部A和B之間，并且具有小于導(dǎo)引部A或?qū)б緽的直徑的直徑(例如截面積)。在圖3的示例中，所示的軸220包括與螺母270的調(diào)節(jié)特征276協(xié)作的調(diào)節(jié)特征226。例如，一種用于調(diào)節(jié)施加到壓縮機(jī)輪的負(fù)載(例如施加到軸的一部分的拉伸負(fù)載)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可包括螺母和螺紋軸，由此，其相對彼此的旋轉(zhuǎn)改變了施加到壓縮機(jī)輪的負(fù)載(例如施加到軸的一部分的拉伸負(fù)載)。所示的軸220還包括從肩部222延伸的外表面227。在圖3的示例中，所示的推力套圈250包括面向壓縮機(jī)輪的表面252、面向軸承的表面254以及在它們之間延伸的孔255。推力套圈250還包括外表面256和內(nèi)表面258，內(nèi)表面258被構(gòu)造為座置軸220的肩部222。雖然圖3的示例示出表面258和肩部222以平面的方式接觸，但是這些表面也可以具有其他形狀(例如圓錐形等等)。在圖3的示例中，所示的螺母270包括端面272、面向壓縮機(jī)的表面274以及在它們之間延伸的孔275，其中，例如，調(diào)節(jié)特征276可跨越孔的整個(gè)軸向長度或軸向長度的僅僅一部分。在圖3的示例中，所示的背板290包括接收推力套圈250的孔295，例如，環(huán)座置在推力套圈250的槽中以將壓縮機(jī)輪空間從背板/殼體空間密封。為了向壓縮機(jī)輪240施加壓縮負(fù)載，螺母270可以相對于軸220被調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致軸220的肩部222向推力套圈250的內(nèi)表面258施加力，這進(jìn)而向壓縮機(jī)輪240的基面244施加力。因此，在鼻面242和基面244之間向壓縮機(jī)輪240施加壓縮力，而在調(diào)節(jié)特征226和肩部222之間向軸220施加張力。如所述，張應(yīng)力取決于橫截面積，所以軸220位于調(diào)節(jié)特征226和肩部222之間的較小截面的部分將會具有較高的張應(yīng)力。圖4示出了大概的受力圖以及另一幅圖，其示出了軸220的一些尺寸。在受力圖中，所示的軸220具有張應(yīng)力，而所示的壓縮機(jī)輪240具有壓縮應(yīng)力。另外，所示的角度Φ取決于兩個(gè)導(dǎo)引部A和B之間的軸向跨距(例如ALP)。在導(dǎo)引部A和B的直徑不同的情況下，對應(yīng)于較大直徑的角度將會略大于對應(yīng)于較小直徑的角度。一般來說，隨著兩個(gè)導(dǎo)引部之間的軸向跨距(例如凹陷部225的軸向長度)增大，相對于軸的壓縮機(jī)輪傾斜減小。換句話說，導(dǎo)引部的增大的間距消除了軸的縱軸線和壓縮機(jī)輪的孔的縱軸線之間的傾斜。在圖4的示例中，當(dāng)螺母270被附接于軸220時(shí)，傾斜可改變螺母的位置(例如使其稍微偏離軸線或使螺母傾斜)，改變螺母所施加的應(yīng)力，等等，并且出于這些原因中的一個(gè)或多個(gè)，軸可以被構(gòu)造為避免或限制傾斜。圖4中還示出了設(shè)置在導(dǎo)引部A和調(diào)節(jié)特征226之間以及設(shè)置在導(dǎo)引部B和肩部222之間的凹陷部，其可被構(gòu)造為相對于肩部222 (例如，或者輪的基面)和調(diào)節(jié)特征226(例如，或者輪的鼻面)來定位導(dǎo)引部A和B。如本文所述，包括設(shè)置在導(dǎo)引部之間的凹陷部的軸能提供相當(dāng)大的設(shè)計(jì)柔性(例如，針對部件公差、工藝變化、工作循環(huán)等等)。

在圖4的示例中，所示的導(dǎo)引部A和B具有軸向長度(例如Λ La和ALb)和直徑(例如01^和01^)。如本文所述，導(dǎo)引部B(基端導(dǎo)引部)的軸向長度可大于導(dǎo)引部A(鼻端導(dǎo)引部)軸向長度，并且導(dǎo)引部B的直徑可大于導(dǎo)引部A的直徑。導(dǎo)引部A和B的尺寸能影響傾斜。一般來說，導(dǎo)引部的軸向長度越大以及導(dǎo)引部的直徑越大傾斜就越小。例如，軸可以具有靠近壓縮機(jī)輪基部的導(dǎo)引部和靠近壓縮機(jī)輪鼻部的導(dǎo)引部，其中，前者比后者更長更寬。在這種示例中，靠近基部的導(dǎo)引部的直徑可允許軸壓配合到壓縮機(jī)輪的孔中；而靠近鼻部的導(dǎo)引部可具有較小的直徑，其允許一些預(yù)定的低水平的空隙?？障兜牧靠杀贿x擇為便于組裝(例如，允許軸插入直到導(dǎo)引部B進(jìn)入)并且限制彎曲(例如，以及螺母在壓縮機(jī)輪的鼻面上的滑動)。如本文所述，軸的彎曲、螺母的滑動(例如，由于彎曲或傾斜而偏離旋轉(zhuǎn)軸線)或者兩者都能導(dǎo)致失衡。包括兩個(gè)導(dǎo)引部以及設(shè)置在它們之間的凹陷部的軸能避免或者限制這種彎曲或滑動，從而避免或限制失衡。關(guān)于鋁壓縮機(jī)輪和鋼軸組件的彎曲模式的分析、壓縮機(jī)輪和螺母之間的摩擦界面、離心增長、剛度、失衡等等，例如參見Gunter和 Chen 的 “Dynamic analysis of a turbocharger in floating bushing bearings，，，ISCORMA-3，克利夫蘭，俄亥俄，2005年9月19-23日，其通過引用并入本文中。如本文所述，一種方法可以提供軸，該軸在壓縮機(jī)輪在其壽命周期(例如運(yùn)行條件、環(huán)境條件等等)期間的定位/固定以及部件制造和部件組裝以形成組件之間達(dá)成最佳的折衷平衡。例如，這種方法可包括調(diào)整一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)引部的尺寸和軸向位置，以實(shí)現(xiàn)最佳的空隙量或干涉量(例如，導(dǎo)引部和壓縮機(jī)輪孔干涉)。如本文所述，軸可被構(gòu)造為有利地定位壓縮機(jī)輪和軸組件的重心。例如，為了使重心從壓縮機(jī)輪的鼻部偏移并朝向壓縮機(jī)輪的基部(例如，同時(shí)保持重心在旋轉(zhuǎn)軸線、z軸上)，所述軸可包括設(shè)置在基部導(dǎo)引部和鼻部導(dǎo)引部之間的凹陷部，其中，基部導(dǎo)引部的質(zhì)量超過鼻部導(dǎo)引部的質(zhì)量(例如，基部導(dǎo)引部的尺寸使得其具有大于鼻部導(dǎo)引部的材料體積)。如圖4所示，張應(yīng)力等于負(fù)載除以截面積。因此，對于給定的負(fù)載，軸220的張應(yīng)力沿著凹陷部225(例如中間部分“I”)比在導(dǎo)引部A或?qū)б緽處更大。例如，在軸220的導(dǎo)引部B的截面積大于導(dǎo)引部A的截面積的情況下，滿足以下關(guān)系:TSPB < TSpa < TSio雖然圖4的示例中所示的調(diào)節(jié)特征226是外螺紋，但是也可以采用其他類型的調(diào)節(jié)特征(例如，卡口、內(nèi)螺紋等等)，此時(shí)，螺母或其他部件可包括協(xié)作特征從而形成調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來可調(diào)節(jié)地向壓縮機(jī)輪施加負(fù)載，并從而向軸施加張力。圖5示出了兩個(gè)示例的圖510和530以及圖2的組件200的一部分的截面圖。圖510示出了設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)引面(例如導(dǎo)引部)之間的軸的中間區(qū)段(例如軸200的凹陷部225)的張應(yīng)力,其中,較小直徑的中間區(qū)段的張應(yīng)力大于較大直徑的中間區(qū)段的張應(yīng)力。例如，對于給定的圈數(shù)(例如，X，其代表負(fù)載)，較小直徑的中間區(qū)段相比較大直徑的中間區(qū)段具有更高的張應(yīng)力并具有更陡峭的斜率。在這種示例中，關(guān)于圈數(shù)和負(fù)載，可以假設(shè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為包括較小直徑部分的軸和包括較大直徑部分的軸提供相同的關(guān)系。圖530示出了張應(yīng)力與應(yīng)變(例如拉伸)的關(guān)系曲線。在圖5的示例中，給定大約相同的負(fù)載(例如圈數(shù))，較小直徑的中間區(qū)段相比較大直徑的中間區(qū)段具有更高的應(yīng)變。圖6示出了兩個(gè)示例圖610和630。圖610針對溫度變化(例如，T2 > T1)示出了張應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線。對于壓縮機(jī)輪的膨脹系數(shù)(α)大于軸的膨脹系數(shù)的情況(例如，分別考慮鋁和鋼)，溫度的增加將會導(dǎo)致壓縮機(jī)輪比軸更加軸向地膨脹。進(jìn)而，壓縮機(jī)輪上的壓縮負(fù)載將會增加(例如固定到軸的螺母)，并且軸上的拉伸負(fù)載將會增加。隨著拉伸負(fù)載增加，張應(yīng)力也會增加。如所示，對于較高的初始張應(yīng)力而言，張應(yīng)力的變化從百分比上看更小。具體地，對于給定的溫度增加，軸的較小直徑部分相比軸的較大直徑部分將會經(jīng)歷從百分比上看較小的增長。對于軸的膨脹系數(shù)大于壓縮機(jī)輪的膨脹系數(shù)的情況，同樣存在這種百分比的變化，因?yàn)閷τ诮o定的初始負(fù)載，軸的較小直徑部分的初始張應(yīng)力比軸的較大直徑部分的初始張應(yīng)力更高。因此，通過縮小軸的一部分的直徑而實(shí)現(xiàn)的更高初始張應(yīng)力能夠減少溫度的百分比影響，這可被稱為溫度松弛效應(yīng)。圖630針對轉(zhuǎn)速變化(例如ω2 > Q1)示出了張應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線以顯示泊松效應(yīng)，其導(dǎo)致壓縮機(jī)輪關(guān)于轉(zhuǎn)速(例如角速度)增加而收縮。一般地，對于給定的轉(zhuǎn)速，壓縮機(jī)輪將會比軸收縮得更多。因此，被施加到壓縮機(jī)輪的壓縮負(fù)載和被施加到軸的拉伸負(fù)載將會降低。例如，對于過高的速度，螺母270可變得“更松”，在低溫條件(例如，其中，熱膨脹不抵消或以其他方式影響速度效應(yīng))下尤其如此。在軸可具有比輪更高的膨脹系數(shù)的情況下，高速和高溫部是有問題的，因?yàn)樗鼈兙鶗关?fù)載減小。如圖630所示，對于給定的速度增加，軸的較小直徑部分相比軸的較大直徑部分經(jīng)歷從百分比看的更小的張應(yīng)力變化(例如，對于給定的初始負(fù)載，其可以用圈數(shù)來表示)。因此，通過縮小軸的一部分的直徑而實(shí)現(xiàn)的更高的初始張應(yīng)力能減少轉(zhuǎn)速的百分比影響，這可被稱為速度松弛效應(yīng)。如所提到的，各種現(xiàn)象可取決于部件的本質(zhì)，包括構(gòu)成的材料。如本文所述，壓縮機(jī)輪可以由鋁、鈦或其他材料構(gòu)成，并且軸可以由鋼或其他材料構(gòu)成。在組件包括鋁(例如鋁或鋁合金)壓縮機(jī)輪和鋼(例如不銹鋼或其他鋼)軸的情況下，隨著溫度增加，負(fù)載很可能增加，而隨著速度增加，負(fù)載很可能減少。圖7示出了一系列圖710、730和750，其示出了負(fù)載相對于溫度、轉(zhuǎn)速以及溫度和轉(zhuǎn)速的一些示例。圖710示出了負(fù)載與溫度的關(guān)系曲線以及最大負(fù)載和最小負(fù)載。最大負(fù)載可對應(yīng)于不可逆彈性或屈服,而最小負(fù)載可對應(yīng)于確保壓縮機(jī)輪不繞軸滑動的負(fù)載(例如，低于該負(fù)載，可能會發(fā)生滑動)。圖730示出了負(fù)載與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線以及最大負(fù)載和最小負(fù)載。最大負(fù)載可對應(yīng)于不可逆彈性或屈服，而最小負(fù)載可對應(yīng)于確保壓縮機(jī)輪不繞軸滑動的負(fù)載(例如，低于該負(fù)載，可能會發(fā)生滑動)。圖750示出了轉(zhuǎn)速與溫度的關(guān)系曲線，等值線(contour)表示負(fù)載的水平，并且虛框表示轉(zhuǎn)速和溫度的負(fù)載/拉伸窗口。在左上角處可存在低負(fù)載條件，而在右下角處可存在高負(fù)載條件。在組件被構(gòu)造成例如在制造時(shí)提供高的初始張應(yīng)力時(shí)，該組件可在百分比上更少地受到溫度變化、轉(zhuǎn)速變化以及溫度和轉(zhuǎn)速兩者的變化的影響。如本文所述，通過提供如下的軸來實(shí)現(xiàn)高的初始張應(yīng)力:該軸包括跨越兩個(gè)導(dǎo)引部的凹陷或凹切部分，其中，導(dǎo)引部座置壓縮機(jī)輪。另外，兩個(gè)導(dǎo)引部之間的距離可以被選擇為減少傾斜的風(fēng)險(xiǎn)。例如，可以相對于壓縮機(jī)輪的長度來選擇距離，從而將一個(gè)導(dǎo)引部定位成靠近壓縮機(jī)輪的鼻端，而將另一個(gè)導(dǎo)引部定位成靠近壓縮機(jī)輪的基端。以這樣的方式，兩個(gè)導(dǎo)引部之間的距離處于或接近最大值。圖8示出了方法800的示例。方法800包括提供方框810、提供方框820、放置方框830、施加方框840和封裝方框850，提供方框810用于提供包括推力套圈和軸的組件，其中，所述軸包括設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)引部之間的凹陷部，提供方框820用于提供壓縮機(jī)輪和螺母，放置方框830用于將壓縮機(jī)輪放置在軸上，以使兩個(gè)導(dǎo)引部中的至少一個(gè)和壓縮機(jī)輪接觸(例如使兩個(gè)導(dǎo)引部中的至少一個(gè)經(jīng)由壓配合接觸到壓縮機(jī)輪的孔內(nèi))，施加方框840用于通過調(diào)節(jié)螺母而向壓縮機(jī)輪施加負(fù)載，從而向軸的凹陷部分施加目標(biāo)張應(yīng)力，封裝方框850用于將渦輪增壓器封裝，渦輪增壓器包括具有已加載的壓縮機(jī)輪和軸的組件。如所述的，一個(gè)導(dǎo)引部可被構(gòu)造為允許相對于壓縮機(jī)輪的孔的一些空隙，而另一個(gè)導(dǎo)引部可被構(gòu)造為相對于壓縮機(jī)輪的孔成干涉配合(例如壓配合)。在這種示例中，放置可以將兩個(gè)導(dǎo)引部放入壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)，一個(gè)沒有干涉而另一個(gè)有干涉(例如，其中，施加一定的力以克服壓縮機(jī)輪的孔和干涉配合導(dǎo)引部之間的干涉力)。如本文所述，一種方法可包括:提供組件，該組件包括推力套圈和和被可旋轉(zhuǎn)地支撐在殼體內(nèi)的軸，其中，所述軸包括設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)引部之間的凹陷部；提供壓縮機(jī)輪和螺母；將壓縮機(jī)輪放置在軸上，以使兩個(gè)導(dǎo)引部中的至少一個(gè)和壓縮機(jī)輪在壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)接觸(例如，任選地通過壓配合實(shí)現(xiàn)接觸)；通過調(diào)節(jié)螺母而向壓縮機(jī)輪施加負(fù)載從而向軸的凹陷部施加目標(biāo)張應(yīng)力；以及將渦輪增壓器封裝，該渦輪增壓器包括具有已加載壓縮機(jī)輪和軸的組件(例如組件作為渦輪增壓器的子組件與渦輪增壓器組裝)。如本文所述，一種方法可包括在由軸的凹陷部限定的負(fù)載/拉伸窗口內(nèi)運(yùn)行渦輪增壓器。例如，封裝可包括至少部分地基于由軸的凹陷部限定的負(fù)載/拉伸窗口的運(yùn)行指令。這種指令任選地可以是一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀儲存介質(zhì)的形式。例如，在控制器(例如ECU或其他)包括儲存指令的存儲器的情況下，這種指令可以被裝入存儲器以控制發(fā)動機(jī)、渦輪增壓器、EGR等等的運(yùn)行，以符合負(fù)載/拉伸窗口(例如，至少部分地由渦輪增壓器軸的凹陷部限定)。如本文所述，控制器(參見例如圖1的控制器190)可以執(zhí)行各種動作，該控制器可以是根據(jù)指令來運(yùn)行的可編程控制器。如本文所述，一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可包括處理器可執(zhí)行的指令以命令計(jì)算機(jī)(例如控制器或其他計(jì)算設(shè)備)執(zhí)行本文所述的一個(gè)或多個(gè)動作。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以是存儲介質(zhì)(例如，諸如存儲芯片、存儲卡、存儲盤等等的設(shè)備)。控制器能夠訪問這種存儲介質(zhì)(例如通過有線或無線接口)并將信息(例如指令和/或其他信息)裝入存儲器(參見例如圖1的存儲器194)。如本文所述，控制器可以是發(fā)動機(jī)控制單元(ECU)或者其他控制單元。這種控制器任選地可以被編程以控制流向渦輪增壓器的潤滑劑流、潤滑劑溫度、潤滑劑壓力、潤滑劑過濾、排氣再循環(huán)等等。這種控制器任選地可以被編程以執(zhí)行加載過程、監(jiān)視加載過程，等等。例如，這種控制器可被編程以監(jiān)視力，控制施力工具等等，以向渦輪增壓器軸的一部分施加目標(biāo)張應(yīng)力。這種控制器任選地可以被編程以執(zhí)行關(guān)于本文所述示例方法或其他方法而描述的一個(gè)或多個(gè)動作。雖然已經(jīng)在附圖中示出并在前面的詳細(xì)描述中描述了方法、設(shè)備、系統(tǒng)、布置等等的一些示例，但是應(yīng)當(dāng)明白，所公開的示例性實(shí)施例不是限制性的，而是在不脫離所附權(quán)利要求闡述和限定的精神的情況下能夠具有多種再布置、修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種渦輪增壓器組件，包括: 殼體，其包括孔； 軸承，其設(shè)置在所述殼體的孔內(nèi)； 壓縮機(jī)輪，其包括基面、鼻面、設(shè)置在所述基面和所述鼻面之間的Z平面以及從所述基面延伸到所述鼻面的孔； 軸，其由所述殼體的孔內(nèi)的所述軸承可旋轉(zhuǎn)地支撐，其中，所述軸包括 設(shè)置在所述壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)位于所述z平面和所述鼻面之間的一位置的第一導(dǎo)引面， 設(shè)置在所述壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)位于所述z平面和所述基面之間的一位置的第二導(dǎo)引面，和 設(shè)置在所述第一導(dǎo)引面和所述第二導(dǎo)引面之間的凹陷面； 推力套圈，其繞所述軸設(shè)置在所述軸承和所述壓縮機(jī)輪的基面之間；和螺母，其靠近所述壓縮機(jī)輪的鼻面可調(diào)節(jié)地設(shè)置在所述軸上，其中，所述螺母的調(diào)節(jié)使所述軸張緊，從而在所述壓縮機(jī)輪的基面和鼻面之間施加壓縮負(fù)載。
2.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所述推力套圈和所述螺母向所述壓縮機(jī)輪的基面和鼻面施加所述壓縮負(fù)載。
3.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所述壓縮負(fù)載向所述軸施加拉伸負(fù)載。
4.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所述推力套圈包括內(nèi)表面以座置所述軸的表面。
5.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所述軸包括座置在所述推力套圈內(nèi)的肩部。
6.權(quán)利要求5的渦輪增壓器組件，其中，所述壓縮負(fù)載在所述軸的肩部和所述軸與所述螺母接觸的部分之間向所述軸施加拉伸負(fù)載。
7.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所述螺母包括螺紋，并且其中，所述軸包括用于在所述軸上調(diào)節(jié)所述螺母的螺紋。
8.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，設(shè)置在所述壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)位于所述z平面和所述基面之間的一位置的所述第二導(dǎo)引面朝向所述壓縮機(jī)輪的鼻面部分地延伸超過所述z平面。
9.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所施加的壓縮負(fù)載和所述螺母的圈數(shù)之間存在一關(guān)系。
10.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所述壓縮機(jī)輪包括超過所述軸的線性熱膨脹系數(shù)的線性熱膨脹系數(shù)。
11.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所述壓縮機(jī)輪包括鋁，并且其中，所述軸包括鋼。
12.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，還包括設(shè)置在所述壓縮機(jī)輪和所述殼體之間的背板。
13.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，設(shè)置在所述第一導(dǎo)引面和所述第二導(dǎo)引面之間的所述凹陷面包括長度，以最小化所述壓縮機(jī)輪相對于所述軸的軸向傾斜。
14.權(quán)利要求13的渦輪增壓器組件，其中，所述長度限定所述第一導(dǎo)引面和所述第二導(dǎo)引面之間的距離。
15.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所述第二導(dǎo)引面包括壓配合到所述壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)的壓配合表面。
16.權(quán)利要求1的渦輪增壓器組件，其中，所述第二導(dǎo)引面包括超過所述第一導(dǎo)引面的直徑的直徑。
17.權(quán)利要求15的渦輪增壓器組件，其中，所述第一導(dǎo)引面包括空隙表面，所述空隙表面具有小于所述壓縮機(jī)輪的孔的直徑的直徑。
18.一種方法,包括: 提供組件，所述組件包括推力套圈和被可旋轉(zhuǎn)地支撐在殼體內(nèi)的軸，其中，所述軸包括設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)引部之間的凹陷部； 提供壓縮機(jī)輪和螺母； 將所述壓縮機(jī)輪放置在所述軸上，以使兩個(gè)導(dǎo)引部中的至少一個(gè)和所述壓縮機(jī)輪在所述壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)接觸； 通過調(diào)節(jié)所述螺母而向所述壓縮機(jī)輪施加負(fù)載，從而向所述軸的凹陷部施加目標(biāo)張應(yīng)力；以及 將渦輪增壓器封裝，所述渦輪增壓器包括具有已加載的所述壓縮機(jī)輪和所述軸的所述組件。
19.權(quán)利要求18的方法，還包括在由所述軸的凹陷部限定的負(fù)載/拉伸窗口內(nèi)運(yùn)行所述渦輪增壓器。
20.權(quán)利要求18的方法，其中，所述封裝包括封裝運(yùn)行指令，所述運(yùn)行指令至少部分地基于由所述軸的凹陷部限定的負(fù)載/拉伸窗口。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有凹陷部的壓縮機(jī)輪軸。具體地，一種渦輪增壓器組件包括壓縮機(jī)輪和軸，壓縮機(jī)輪具有基面、鼻面、設(shè)置在基面和鼻面之間的z平面以及從基面延伸到鼻面的孔，軸包括設(shè)置在壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)位于z平面和鼻面之間的一位置的第一導(dǎo)引面、設(shè)置在壓縮機(jī)輪的孔內(nèi)位于z平面和基面之間的一位置的第二導(dǎo)引面、以及設(shè)置在第一導(dǎo)引面和第二導(dǎo)引面之間的凹陷面。這種組件可以包括靠近壓縮機(jī)輪的鼻面可調(diào)節(jié)地設(shè)置在軸上的螺母，其中，螺母的調(diào)節(jié)使軸張緊從而在壓縮機(jī)輪的基面和鼻面之間施加壓縮負(fù)載。還公開了設(shè)備、組件、系統(tǒng)、方法等等的各種其他示例。
文檔編號F02B37/00GK103089397SQ201210596309
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者J·卡斯坦, D·阿曼德, G·迪厄多內(nèi), O·米洛特, L·圖森 申請人:霍尼韋爾國際公司