專利名稱：具有低成本滾珠軸承的渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及渦輪增壓器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于在渦輪增壓器內(nèi)支撐一轉(zhuǎn)動軸的軸承轉(zhuǎn)子組件。
在渦輪機和壓縮機之間延伸的共用軸穿過渦輪增壓器的中心殼體設(shè)置，該殼體包括一軸承組件，該軸承組件用于(1)為軸的轉(zhuǎn)動提供方便；(2)控制軸的沿軸向的推力和軸的沿徑向的振動；和(3)向轉(zhuǎn)動軸提供必需的潤滑以降低磨擦影響和相關(guān)的磨損。已知在渦輪增壓器中使用的共用軸的轉(zhuǎn)動速度在60,000至80,000轉(zhuǎn)/分鐘的數(shù)量級。在這樣的運行條件下，軸承組件向軸提供足夠的潤滑是必不可少的，以使在這樣的高轉(zhuǎn)速下運行所出現(xiàn)的極度的磨擦影響降低至最小，從而延長軸的使用壽命。
本領(lǐng)域中已知的渦輪增壓器軸的軸承組件包括滾柱軸承和滾珠軸承，以適應(yīng)高速的軸轉(zhuǎn)動。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，僅采用這樣的滾珠軸承或滾柱軸承的軸承組件在車輛應(yīng)用的渦輪增壓器中并不能提供所需要的使用壽命。其它的用于渦輪增壓器的軸承組件是襯套軸承。但是已知發(fā)現(xiàn)襯套軸承在這種使用中不能令人滿意，因為它們的設(shè)計中沒有考慮到軸的實際不平衡度，因此其運行不能抑制由這樣的不平衡度所導(dǎo)致的共振，而這樣的不平衡是轉(zhuǎn)動的渦輪增壓器軸的一個特征。而且已知這樣的襯套軸承不能適應(yīng)在這種高速轉(zhuǎn)動下的軸的不平衡，會導(dǎo)致油膜破損，進(jìn)而引起金屬與金屬之間的接觸，而且也降低軸的使用壽命。
在致力于克服現(xiàn)有技術(shù)的軸承系統(tǒng)的缺點的努力中，采用過將軸承組件構(gòu)造成自由浮動的軸襯形式，其定位于轉(zhuǎn)動軸和一固定的殼體腔室之間，該腔室包括一滾柱或滾珠軸承。滾柱或滾珠軸承系統(tǒng)與自由浮動軸襯的結(jié)合使用設(shè)計成既能向軸提供所需程度的潤滑又能吸收軸在高速轉(zhuǎn)動過程中所引起的振動。這樣的軸承系統(tǒng)還使用了推力軸承表面，用來控制轉(zhuǎn)動過程中的軸向的軸位移。
例如，在美國專利4641977中公開了一種軸承系統(tǒng)，該軸承系統(tǒng)包括一抗磨擦滾動軸承，它與一全浮動襯套共同作用，共同支撐轉(zhuǎn)動的渦輪增壓器軸。更具體地，該軸承系統(tǒng)包括一具有一整體的單件的細(xì)長圓柱形外軸承表面的外圈，該軸承表面在其與渦輪增壓器殼體的接觸面上在轉(zhuǎn)動情況下能夠形成一潤滑劑膜。外圈與全浮動襯套在其一端部共同作用，而在其另一端與滾柱軸承配合。滾柱軸承置于該外圈和一內(nèi)圈之間，該內(nèi)圈圍繞軸直徑同心設(shè)置。靠近旋轉(zhuǎn)軸承的外圈的一端具有向外凸出的表面，該表面形成推力軸承的固定件。軸在組件內(nèi)在滾柱軸承和全浮動襯套之間轉(zhuǎn)動。
以上已知上面討論的滿足渦輪增壓器的軸應(yīng)用的嚴(yán)格的潤滑和減振要求的軸承系統(tǒng)，其設(shè)計和結(jié)構(gòu)不能使其達(dá)到有效的生產(chǎn)和裝配。具體地說，在降低與渦輪增壓器的制造相關(guān)的成本的努力中，希望的是適合于在渦輪增壓器內(nèi)使用的低成本的部件，而不是特殊制造的部件。
因此，需要的是渦輪增壓器中使用的軸承組件的構(gòu)造方式(1)滿足運行條件下旋轉(zhuǎn)的渦輪機軸的潤滑要求；(2)為運行中振動的渦輪機軸提供必需的抑制作用；(3)提供推力表面，以控制旋轉(zhuǎn)過程中渦輪機軸的軸向移動；和(4)其構(gòu)造中采用一個或多個低成本部件以降低渦輪增壓器部件的成本。
雖然本發(fā)明的軸承組件可以用于任何類型的其轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)速為60,000至80,000轉(zhuǎn)/分鐘的高速旋轉(zhuǎn)機械，但它們還是特別適合于用在內(nèi)燃發(fā)動機的渦輪增壓器內(nèi)。當(dāng)被用于渦輪增壓器內(nèi)時，該軸承組件圍繞一共用的轉(zhuǎn)動軸設(shè)置于渦輪增壓器軸殼體內(nèi)，該共用的轉(zhuǎn)動軸的一端與設(shè)置于渦輪增壓器渦輪機殼體內(nèi)的一渦輪機相連，而其相對的一端連接到設(shè)置于渦輪增壓器壓縮機殼體內(nèi)的一壓縮機上。
從

圖1的右手側(cè)向左，軸承組件10包括一渦輪機側(cè)的雙層薄膜轉(zhuǎn)動軸頸軸承20，該軸承同心地設(shè)置在腔室12內(nèi)并同心地圍繞一軸外徑部22。該轉(zhuǎn)動軸頸軸承20可以由通常情況下用于這樣的應(yīng)用條件下的材料制成，并呈圓環(huán)的形式，其設(shè)置在腔室12內(nèi)，與軸16的渦輪機側(cè)相鄰。軸頸軸承20包括向軸表面24，該向軸表面沿徑向向內(nèi)朝向軸16呈錐形，其設(shè)計成使相鄰的軸向軸表面之間的接觸面積最小，由此使這些相鄰表面之間的不希望的磨擦和磨損影響為最小。
軸頸軸承20還包括一個或多個潤滑通道26，該通道徑向上從中穿過從腔室12延伸至軸外徑部22。該軸頸軸承潤滑通道26布置成用于與一通過軸殼體14的一油通道28流體連通，以易于將潤滑油輸送到轉(zhuǎn)動的軸頸軸承和軸上，更具體地說，是輸送到相鄰的腔室和轉(zhuǎn)動的軸頸軸承表面之間，以及相鄰的轉(zhuǎn)動的軸頸軸承和軸外徑部的表面之間。轉(zhuǎn)動的軸頸軸承和腔室之間的潤滑是需要的，除了提供對軸的潤滑之外，還因為該軸頸軸承設(shè)計成在腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動。軸頸軸承的外部直徑的大小確定為使其便于在腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動，而其內(nèi)部直徑的大小確定為便于在其內(nèi)的軸外徑部的轉(zhuǎn)動。
一環(huán)狀擠壓薄膜緩沖件32同心地設(shè)置在腔室12內(nèi)且其大體為圓柱形的。該緩沖件32從位于與軸頸軸承20相鄰的一端34在軸向上朝向該腔室的壓縮機端延伸通過該腔室。緩沖件32包括一軸向延伸的壁部36，該壁部的外部直徑的大小確定為使其能夠配裝在腔室12內(nèi)，而其內(nèi)部直徑的大小確定為大于軸頸軸承的內(nèi)部直徑，以易于潤滑劑在緩沖件和軸外徑部22之間通過，以便在軸轉(zhuǎn)動過程中在其間形成一減振的潤滑劑薄膜。該緩沖件可以用通常情況下用于這樣的應(yīng)用條件下的材料制成。
緩沖件包括有一孔38，該孔徑向上延伸通過緩沖件的壁部36的鄰近腔室的壓縮機端的一部分。該孔38設(shè)置成在其內(nèi)適合放置一推力銷40。該推力銷40沿徑向置于軸殼體14內(nèi)，并包括有一終端部42，該終端部42置于緩沖件的孔38內(nèi)，以防止緩沖件32在渦輪增壓器運行過程中和軸轉(zhuǎn)動過程中在腔室內(nèi)產(chǎn)生軸向移動或轉(zhuǎn)動。該推力銷40包括一中心通道44，該通道設(shè)計成有利于使?jié)櫥蛷闹型ㄟ^由軸殼體流至緩沖件和軸外徑部。腔室12包括一直徑擴大的部分46，該直徑擴大的部分沿周向圍繞緩沖件的壁部36延伸，且其設(shè)計成在其內(nèi)容納一定量的潤滑油，用于在軸轉(zhuǎn)動過程中冷卻緩沖器。
緩沖件32在緩沖件的壁部36的與端24相反并靠近腔室的壓縮機端的一端具有一直徑擴大的部分48。緩沖件的直徑擴大的部分48軸向上朝向壓縮機方向延伸一段需要的距離，并且其內(nèi)部直徑大于緩沖件的壁部36的直徑。緩沖件的直徑擴大的部分48設(shè)計成用來在其內(nèi)容納一軸承部件外圈。緩沖件的直徑擴大的部分48包括有一軸向表面，該表面位于抵靠在一互補的靠近壓縮機18的腔室的軸向表面50上，腔室軸向表面50是由一徑向向外延伸的腔室的壁部段形成的。緩沖件36包括有一潤滑劑通道52，該通道52通過在緩沖件的壁部和緩沖件的直徑擴大的部分48之間形成的緩沖件的壁部36的一肩部段。該潤滑劑通道52設(shè)計成有利于使?jié)櫥蛷耐屏︿N的中心通道44流到軸外徑部22，而且更具體地說，是使?jié)櫥土鞯较旅鎸⒚枋龅脑O(shè)置在腔室內(nèi)的軸承部件上。在渦輪增壓器的運行過程中，潤滑劑從推力銷的中心通道44流過潤滑劑通道52，流到轉(zhuǎn)動軸16和軸承部件。
一推力部件54配裝在軸殼體14內(nèi)的一槽56中，并繞緩沖件的直徑擴大的部分48同心地設(shè)置。推力部件54是環(huán)形的，并設(shè)計成具有一軸向端58，該軸向端58突出超過緩沖件的直徑擴大的部分48的一軸向表面，以與一相鄰的密封蓋接觸，下面將就此進(jìn)行詳細(xì)描述。
軸16包括有一直徑減小的部分60，該直徑減小的部分同心地設(shè)置在緩沖件的直徑擴大的部分48內(nèi)。一滾珠軸承內(nèi)圈62圍繞該軸的直徑減小的部分60同心地設(shè)置，并包括一個沿一外部直徑表面的凸肩64，該凸肩64的形狀確定成容納放置一軸承部件，即一與之抵靠的滾珠軸承的內(nèi)徑部。內(nèi)圈的凸肩64設(shè)計成借助于與其的角狀接觸用于朝向相對的軸承部件的壓縮機傳遞軸向推力。軸承內(nèi)圈62包括一軸向表面，該軸向表面面向渦輪機的方向，并設(shè)置成抵靠在軸上形成的在其至直徑減小的部分的過渡處的一凸肩。
一滾珠軸承外圈66同心地設(shè)置在緩沖件的直徑擴大的部分48內(nèi)，并具有一槽68，該槽68沿其內(nèi)部直徑表面周向延伸，以在其內(nèi)容納放置軸承部件并限制軸承部件的軸向位移。該軸承外圈的形狀確定為大體呈圓環(huán)的形式并被壓配裝入緩沖件的直徑擴大的部分48內(nèi)，以便在渦輪增壓器的運行過程中與其保持為軸向固定。軸承外圈66具有一第一軸向端，該軸向端抵靠在緩沖件的凸肩的一相鄰的軸向表面上，且還具有一第二軸向端，該軸向端與緩沖件的直徑擴大的部分48的一終端相連。
多個以低成本滾珠軸承形式的軸承部件70同心地設(shè)置于軸承內(nèi)圈62和軸承外圈68之間。軸承部件70可以由用于這樣的應(yīng)用條件下的本領(lǐng)域中已知的常用的材料制成，并通過一單件的軸承部件保持件72共同布置在一起，以形成一整體的軸承部件和保持件組件。軸承部件70沿內(nèi)直徑表面由沿軸承內(nèi)圈的外直徑形成的凸肩64來支撐，而沿外直徑通過形成在軸承外圈內(nèi)直徑內(nèi)的槽68來支撐。以此方式構(gòu)成，使得在渦輪增壓器運行過程中由軸傳遞的轉(zhuǎn)子推力能夠通過滾珠部件與軸承內(nèi)圈和軸承外圈的角狀接觸由滾珠部件來傳遞。例如，從渦輪機向壓縮機傳遞的軸推力通過與內(nèi)圈的角狀接觸被傳遞至軸承部件，進(jìn)而將該推力傳遞至外圈和緩沖件。被傳遞至緩沖件的軸推力被推力銷吸收并控制，該推力銷限制了緩沖件和軸的軸向移動。
一環(huán)形的密封蓋74同心地繞軸16的靠近軸承內(nèi)圈62的一部分設(shè)置。該密封蓋軸向上設(shè)置于一壓縮機背板76和軸殼體14之間并通過壓縮機背板和軸殼體之間的連接軸向地固定在其間。該密封蓋包括一軸向表面78，該表面78設(shè)置成抵靠在推力部件54的一軸向表面上，以提供一推力表面對。緩沖件的直徑擴大的部分48和軸承外圈66的軸向端表面軸向上并沒有延伸一足夠的距離，與該密封蓋的軸向表面78接觸，因此沒有與其形成推力表面?？紤]到這一點，來自壓縮機的軸推力載荷由軸傳遞至密封蓋，再通過其與密封蓋的軸向表面78的接觸傳遞至推力部件。推力部件54起作用，通過其在軸殼體14內(nèi)的固定的軸向設(shè)置吸收該推力載荷。密封蓋74包括一環(huán)狀的密封環(huán)80，其沿周向圍繞蓋的外部直徑設(shè)置，并置于相鄰的蓋與壓縮機背板表面之間以在其間形成一防泄漏的密封。
本發(fā)明軸承組件的第一實施例的一個特征是采用了低成本的滾珠軸承，以從軸至緩沖件傳遞朝向壓縮機的推力載荷，在緩沖件那里推力載荷被吸收，而不需要特殊的/復(fù)雜的軸承或推力載荷組件。更具體地，軸承組件的設(shè)計使來自渦輪機的軸推力載荷從軸經(jīng)過軸承部件與軸承內(nèi)外圈之間的角狀接觸被傳遞至緩沖件，在緩沖件處，由推力銷吸收并控制該推力載荷。本發(fā)明的第一實施例的軸承組件還設(shè)計成使來自壓縮機的軸推力載荷經(jīng)過密封蓋和推力部件之間的推力表面被傳遞，并由推力部件吸收并控制該推力載荷，推力部件置于密封蓋和軸腔室之間。
圖2示出了本發(fā)明的具有低成本軸承組件82的渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的第二實施例。該第二實施例的軸承組件82所包括的下述主要部件與第一實施例的軸承組件中的相同，它們是軸84、轉(zhuǎn)動軸頸軸承86、擠壓薄膜緩沖件88、推力銷90、軸承內(nèi)圈92、軸承部件94和軸承外圈96。第一和第二實施例的軸承組件的不同之處僅在于密封蓋98的結(jié)構(gòu)及形成在密封蓋和其它軸承組件的部件之間的以容納朝向渦輪機的軸推力載荷的傳遞的推力表面。
與第一實施例不同，第二實施例的軸承組件82包括一緩沖件的直徑擴大的部分100，該部分100具有一軸向端102，該軸向端軸向上突出一足夠大的距離，以與相鄰的密封蓋的軸向表面104接觸，形成一第一推力載荷表面對。軸承外圈96還包括一軸向表面106，該表面106與相鄰的密封蓋的軸向表面104接觸，形成一第二推力載荷表面對。第一和第二推力載荷表面對的設(shè)計和出現(xiàn)使得第二實施例的軸承組件的結(jié)構(gòu)中不需要單獨的推力部件。而且，朝向渦輪機的軸推力載荷從密封蓋98經(jīng)過第一和第二推力載荷表面對被傳遞至緩沖件，在此由推力銷吸收并控制該推力載荷。因此，與圖1所示的第一實施例的軸承組件不同，第一實施例提供了推力部件54來吸收朝向渦輪機的軸推力載荷，并提供推力銷40來吸收朝向壓縮機的軸推力載荷，圖2所示的第二實施例的軸承組件提供了推力銷來吸收并控制來自兩個方向的軸推力載荷。本發(fā)明的第二實施例的軸承組件的其它部件和性能與以上的在圖1中示出并描述的相同。
在渦輪增壓器的操作過程中和軸的旋轉(zhuǎn)運動過程中，本發(fā)明的兩個軸承組件的實施例是以下述方式起作用的。轉(zhuǎn)動的軸頸軸承將潤滑油引向軸，并在轉(zhuǎn)動時支持靠近渦輪機的軸的旋轉(zhuǎn)運動在腔室內(nèi)傳送至一較小的范圍。緩沖件的功能是在軸與緩沖件的內(nèi)徑部之間提供一薄的潤滑油膜，以潤滑軸并用所產(chǎn)生的油壓抑制軸的徑向振動。緩沖件還起將潤滑油從軸殼體引導(dǎo)到軸承部件的作用。推力銷的功能是將潤滑油引導(dǎo)到緩沖件和軸承部件并且防止緩沖件在腔室內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)動或軸向移動。軸承外圈、低成本軸承部件和軸承內(nèi)圈使得低成本滾珠軸承的使用能夠?qū)⒊驂嚎s機的軸推力載荷傳遞至緩沖件和推力銷，在此軸推力載荷被吸收并被控制。在第一實施例的軸承組件中，朝向渦輪機的軸推力載荷被傳遞至一與緩沖件分離的且設(shè)置在壓縮機背板和軸殼體之間的推力部件，并由該推力部件吸收。在第二實施例的軸承組件中，朝向渦輪機的軸推力載荷被傳遞至緩沖件并由同一推力銷吸收，該推力銷用于吸收和控制朝向壓縮機的軸推力載荷。
以上按照專利法規(guī)要求對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠意識到對這里所公開的特定的實施例進(jìn)行改進(jìn)和替換。這樣的改進(jìn)是在本發(fā)明的宗旨和范圍內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機的渦輪增壓器，其包括一渦輪機殼體；一具有一連接到其上的壓縮機背板的壓縮機殼體；一置于所述渦輪機和壓縮機殼體之間的軸殼體；一延伸通過所述軸殼體的軸，且該軸包括一在一端延伸到渦輪機殼體內(nèi)的渦輪機和一在一相對的軸端延伸到壓縮機殼體內(nèi)的壓縮機；一設(shè)置于一腔室內(nèi)延伸通過所述軸殼體的軸承組件，其包括一環(huán)形轉(zhuǎn)動軸頸軸承，其同心地圍繞所述軸并靠近所述渦輪機設(shè)置；一環(huán)形轉(zhuǎn)動擠壓薄膜緩沖裝置，其同心地圍繞所述軸并靠近所述轉(zhuǎn)動的軸頸軸承的一軸向端設(shè)置，該緩沖裝置在與軸頸軸承相對的一端具有一直徑擴大的部分；一徑向上設(shè)置在所述軸殼體內(nèi)并與所述緩沖裝置相連以防止緩沖裝置在腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動或軸向移動的推力銷；一軸承外圈，其同心地設(shè)置在所述緩沖裝置內(nèi)并連接到所述緩沖裝置的直徑擴大的部分上且沿一內(nèi)直徑表面具有一槽以容納一與之抵靠的軸承部件的外徑部；一軸承內(nèi)圈，其同心地圍繞一軸外徑部設(shè)置并沿一外部直徑表面具有一凸肩以容納一與之抵靠的軸承部件的內(nèi)直徑表面；多個置于所述軸承內(nèi)圈和外圈之間的軸承部件；一圍繞所述軸承外圈同心地設(shè)置于所述軸殼體內(nèi)的推力部件；一置于所述軸殼體和壓縮背板之間的密封裝置，所述密封裝置具有一與所述推力部件的相鄰的軸向表面接觸的軸向表面，用于將朝向渦輪機殼體的軸推力載荷傳遞至所述推力部件；其中，朝向壓縮機殼體的軸推力載荷通過軸承部件與軸承內(nèi)圈和外圈之間的角狀接觸傳遞至緩沖裝置，在該緩沖裝置處，所述推力載荷由所述推力銷吸收。
2.一種用于內(nèi)燃機的渦輪增壓器，其包括一渦輪機殼體；一具有一連接到其上的壓縮機背板的壓縮機殼體；一置于所述渦輪機和壓縮機殼體之間的軸殼體；一延伸通過所述軸殼體的軸，其包括一在一端延伸到渦輪機殼體內(nèi)的渦輪機和一在一相對的軸端延伸到壓縮機殼體內(nèi)的壓縮機；一設(shè)置于一腔室內(nèi)延伸通過所述軸殼體的軸承組件，其包括一環(huán)形轉(zhuǎn)動軸頸軸承，其同心地圍繞所述軸并靠近所述渦輪機設(shè)置；一環(huán)形轉(zhuǎn)動擠壓膜緩沖裝置，其同心地圍繞所述軸并靠近所述轉(zhuǎn)動的軸頸軸承的軸向端設(shè)置，該緩沖裝置在與軸頸軸承相對的一端具有一直徑擴大的部分；一徑向上設(shè)置在所述軸殼體內(nèi)并與所述緩沖裝置相連以防止緩沖裝置在腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動或軸向移動的推力銷；一軸承外圈，其同心地設(shè)置在所述緩沖裝置內(nèi)并連接到緩沖裝置的直徑擴大的部分上且沿一內(nèi)直徑表面具有一槽以容納一與之抵靠的軸承部件的外徑部；一軸承內(nèi)圈，其同心地圍繞一軸外徑部設(shè)置并沿一外部直徑表面具有一凸肩以容納一與之抵靠的軸承部件的內(nèi)直徑表面；多個設(shè)置于所述軸承內(nèi)圈和外圈之間的軸承部件；一置于所述軸殼體和壓縮背板之間的密封裝置，該密封裝置具有一與所述緩沖裝置的相鄰的軸向表面接觸的軸向表面，形成一推力載荷表面；其中，朝向壓縮機殼體的軸推力載荷通過軸承部件與軸承內(nèi)圈和外圈之間的角狀接觸傳遞至緩沖裝置，在該緩沖裝置處，推力載荷由所述推力銷吸收；朝向渦輪機殼體的軸載荷由所述密封裝置傳遞至緩沖裝置，其中所述推力載荷由所述推力銷吸收。
全文摘要
一種用于支撐連接渦輪增壓器的渦輪機和壓縮機的軸的組合軸承，該組合軸承包括一雙層薄膜浮動軸頸軸承，一擠壓油膜緩沖裝置和滾珠軸承載體以及一滾珠軸承組件。其外圈安裝在一載體內(nèi)的角狀接觸滾珠軸承在抵靠在軸上的一凸肩安裝的一內(nèi)圈上滾動。擠壓油膜緩沖裝置和滾珠軸承載體被銷固定住以排除軸向移動或轉(zhuǎn)動。一推力法蘭盤夾置在滾珠軸承內(nèi)圈和壓縮機軸之間以承受推力載荷。
文檔編號F16C21/00GK1451077SQ00819328
公開日2003年10月22日 申請日期2000年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月13日
發(fā)明者G·F·湯普森, R·J·麥穆倫 申請人:聯(lián)合訊號公司