用于帶有內部電動機的渦輪增壓器的軸承系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種渦輪增壓器軸承系統(tǒng)包括一個軸(211)，該軸包括至少一個臺肩(A2)，一個轉子(212)被設置在該軸(211)上。第一軸承套管和第二軸承套管(254)在該軸(211)上被設置在轉子(212)的相反末端處。每個軸承套管(254)都包括一個套環(huán)(213)和一個軸頸部分(225)。在各軸頸部分上(225)設置了一個軸頸軸承(249)，并且第一軸承套管(254)的軸頸部分(225)鄰接軸(211)的臺肩(A2)。在此描述的技術的某些方面中，這些軸承套管(254)可以被定向在相反的方向上。這些軸承套管(254)所在的位置處該軸(211)有相同的直徑。相應地，這些軸承套管(254)可以是可互換的，這些軸頸軸承(249)也是如此。
【專利說明】用于帶有內部電動機的渦輪增壓器的軸承系統(tǒng)
[0001]直量
[0002]渦輪增壓器是一種強制進氣系統(tǒng)。渦輪增壓器以與在正常吸氣構型中將有可能的情況相比更大的密度傳送空氣?？諝饷芏仍酱缶驮试S燃燒的燃料越多，因此就增加了發(fā)動機的馬力而不會明顯地增加發(fā)動機的重量。一個更小的渦輪增壓發(fā)動機取代一個更大物理尺寸的正常吸氣的發(fā)動機，這將減小發(fā)動機的質量并且可以減小車輛的空氣動力學的前部面積。
[0003]參見圖1，渦輪增壓器利用來自發(fā)動機排氣歧管的排氣流來驅動一個渦輪機葉輪
10。由該渦輪機葉輪提取的能量被轉換成旋轉運動，該旋轉運動然后驅動一個壓縮機葉輪
20。該壓縮機葉輪抽取空氣進入渦輪增壓器、壓縮這些空氣并且將該空氣輸送到該發(fā)動機的進氣側。旋轉組件是由一個軸承系統(tǒng)來支持的。一些軸承系統(tǒng)由多個套管式液體動壓軸承構成的，而一些則是由滾動元件式軸承構成的。
[0004]當?shù)竭_渦輪增壓器的排氣的質量流改變時，旋轉速度改變(從針對大渦輪增壓器的80，000RPM至針對較小渦輪增壓器的250，000RPM)。影響旋轉組件從一種平衡狀況改變到另一種平衡狀況的時間的一些參數(shù)是，例如:該旋轉組件的慣量、軸承系統(tǒng)的摩擦損失、以及葉輪的空氣動力學效率。
[0005]電輔助渦輪增壓器可以使用由一個外源供應的功率或者直接由發(fā)動機產生的功率。將電動機裝配到渦輪增壓器中所面臨的挑戰(zhàn)是不小的。大多數(shù)電輔助系統(tǒng)具有到達旋轉組件的(相對)冷的壓縮機端的連接或者是被裝配在這些葉輪之間。例如，美國專利號6，845，617傳授了一種在軸承系統(tǒng)的外側裝配到渦輪增壓器的壓縮機端上的電動機。
[0006]在圖1和圖2中描繪出的實例中，一個電動機在一個分裂式渦輪增壓器軸承殼體中被設置在這些軸頸軸承之間。該軸承殼體被分裂成一個帶有凸緣91的上部部分89和一個帶有凸緣92的下部部分90。當這兩個凸緣(91，92)被機械地夾在一起時，該組件的作用相當于一個一體的渦輪增壓器軸承殼體。一個疊層轉子12被機械地安裝到該渦輪增壓器的軸11上，這樣使得該轉子與該軸和這些葉輪圍繞渦輪增壓器的軸線I旋轉，從而變成該渦輪增壓器的旋轉組件的一部分。帶有提供驅動上述轉子12的磁力的多個功率繞組42的一個疊層定子40是與該轉子同心地安裝的。
[0007]針對這些軸頸軸承的內部油膜所產生于其上的軸表面的表面光潔度和精度可以具有例如Rz4的表面光潔度外加0.005mm的圓柱度要求。對應地支撐這些軸頸軸承(49C，49T)的表面(24，25)的表面光潔度是足夠的精細以致于它們不能容忍由按壓轉子12而在這些表面上產生的劃痕或凹槽。為了防止在套環(huán)和轉子疊層被組裝到軸11上時損壞這些軸頸軸承表面，該軸的不同部分的直徑是向下成階梯狀朝向該軸的壓縮機端的，該壓縮機端零件組裝到該軸上所經過的該軸的末端。
[0008]如圖2中所描繪的，一個環(huán)凸臺15對活塞環(huán)5進行定位，該活塞環(huán)提供了在渦輪機級中的排氣與軸承殼體內的油和空氣之間的密封。渦輪機端軸頸軸承49T被設置成圍繞軸頸25。渦輪機端電動機套環(huán)13T被緊固到(即按壓到)直徑26上。軸頸25在一側受到臺肩A的約束,該臺肩被定位在環(huán)凸臺15與軸頸25之間。在另一端,軸頸25被臺階B限定，該臺階被定位在軸頸25與直徑26之間。每次沿該軸過渡到一個不同的直徑都被稱作一個臺階。每個臺階都與部件可以定位抵靠的一個臺肩相關聯(lián)。
[0009]轉子12沿直徑27被緊固到該軸上。臺階C標記了直徑26與直徑27之間的過渡。壓縮機端套環(huán)13C也是緊固到直徑27上的。壓縮機端軸頸軸承49C被設置成圍繞軸頸24。臺階D標記直徑27與軸頸24之間的過渡。臺階S標記軸頸24與短軸16之間的過渡。朝向電動機轉子的方向抵靠臺肩S的軸向約束是由壓縮機螺母17作用在壓縮機葉輪20、拋油環(huán)53以及推力墊圈52上的夾緊負荷來提供的。
[0010]當以上描述的多個直徑提供了針對該軸的不同部分的非常精確且精細的表面光潔度的保護時，壓縮機端軸頸軸承49C和電動機套環(huán)13C的內直徑比在電動機轉子12的渦輪機側的那些零件(49T，13T)更小(并且因此是不同的)。這種不同意味著每個渦輪增壓器零件數(shù)量增多并且這些軸頸軸承和電動機套環(huán)存在不正確組裝的可能性。它還意味著這些軸頸軸承能夠以不同的速度運轉，因為渦輪機端與壓縮機端的速度限定特征(內直徑、內直徑與外直徑的比，等等)是不同的。在這種情況下，壓縮機端軸頸軸承將以與渦輪機端軸頸軸承相比一個更低的速度運轉。
[0011]相應地，對一種用于電輔助渦輪增壓器的、提供希望的軸承表面光潔度并同時使與現(xiàn)有技術相關聯(lián)的復雜度和零件數(shù)量最小化的軸承系統(tǒng)存在一種需求。
[0012]MM
[0013]在此提供了一種渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，該軸承系統(tǒng)包括包含至少一個臺肩的一個軸以及設置在該軸上的一個軸承套管。該軸承套管包括一個軸頸部分，帶有從其延伸的一個套環(huán)。一個軸頸軸承被設置在該軸頸部分上，并且該軸頸部分抵靠該軸的臺肩。在一個實施例中，該軸承系統(tǒng)包括兩個軸承套管以及設置在各軸承套管上的一個相對應的軸頸軸承。
[0014]在此描述的技術的某些方面中，這些軸承套管可以被定向在相反的方向上。相應地，這些軸承套管所在的位置處該軸具有相同的直徑。相應地，這些軸承套管可以是可互換的，這些軸頸軸承也是如此。在本技術的另一個方面中，一個電動機轉子被設置在這兩個軸承套管之間、并且可以被夾緊在這兩個軸承套管之間。
[0015]在一個實施例中，一個渦輪增壓器軸承系統(tǒng)包括包含至少一個臺肩的一個軸，一個轉子設置在該軸上。第一軸承套管和第二軸承套管在該軸上被設置在該轉子的相反末端處。每個軸承套管都包括一個套環(huán)和一個軸頸部分。在各軸頸部分上設置了一個軸頸軸承，并且該第一軸承套管的軸頸部分抵靠該臺肩。
[0016]在此還想到結合有這個所披露的軸承殼體的一種渦輪增壓器。該渦輪增壓器包括被設置在一個軸的相反末端上的一個壓縮機葉輪和一個渦輪機葉輪，其中一個殼體支撐該軸。一個定子被設置在該殼體中，并且一個相對應的轉子被設置在該軸上。第一軸承套管和第二軸承套管在該軸上被設置在該轉子的相反末端處，其中每個軸承套管都包括一個套環(huán)以及從其延伸的一個軸頸部分。在各軸頸部分上設置了一個軸頸軸承。
[0017]在考慮本文中的詳細說明部分和附圖部分之后該軸承系統(tǒng)和結合有該軸承系統(tǒng)的渦輪增壓器的這些方面和其他方面將變得清楚。然而，應當理解的是，本發(fā)明的范圍應當由所發(fā)布的權利要求書來確定而不是由所給出的主題是否解決該背景部分中指出的任何或所有問題或者包括在此概述中弓I用的任何特征或方面來確定。
[0018]附圖的簡要說明
[0019]軸承系統(tǒng)的包括該優(yōu)選實施例的非限制性和非窮盡的實施例是通過參照以下附圖來說明的，其中類似的參考號指代所有不同視圖中的類似部分，除非另外說明。
[0020]圖1是展示具有被設置在軸承之間的電動機的一個渦輪增壓器的一個截面?zhèn)纫晥D；
[0021]圖2是圖1中示出的渦輪增壓器的一個放大的局部截面?zhèn)纫晥D；
[0022]圖3是根據第一示例性實施例的一個渦輪增壓器軸承系統(tǒng)的一個放大的局部截面?zhèn)纫晥D；
[0023]圖4是圖3中示出的軸承的一個放大的局部截面?zhèn)纫晥D；
[0024]圖5是根據第二示例性實施例的一個渦輪增壓器軸承系統(tǒng)的一個放大的局部截面?zhèn)纫晥D；
[0025]圖6是根據第三示例性實施例的一個渦輪增壓器軸承系統(tǒng)的一個放大的局部截面?zhèn)纫晥D；
[0026]圖7是根據第四示例性實施例的一個渦輪增壓器軸承系統(tǒng)的一個放大的局部截面?zhèn)纫晥D；
[0027]圖8是根據第五示例性實施例的一個渦輪增壓器軸承系統(tǒng)的一個放大的局部截面?zhèn)纫晥D；并且
[0028]圖9是根據第六示例性實施例的一個渦輪增壓器軸承系統(tǒng)的一個放大的局部截面?zhèn)纫晥D。
[0029]詳細說明
[0030]以下將參照附圖更全面地說明實施例，這些附圖形成本文件的一個部分并且以圖示的方式示出多個具體示例性實施例。這些實施例被以足夠的細節(jié)示出以便使得本領域技術人員能夠實踐本申請的技術。然而，實施例能夠以不同的形式來實施并且不應解釋為受限于在此列舉的這些實施例。因此，以下詳細說明部分不應被視為具有限制意義。
[0031]雖然如上所述，用于將一個電動機的轉子定位和安裝到一個渦輪增壓器的軸上的設計在技術上是有功能性的，但從性能、成本以及質量角度它會導致若干問題。為了保護該軸的敏感區(qū)域的表面光潔度，沿該軸形成多個在直徑方向上的臺階。這些直徑差異意味著，必須存在一個獨特的渦輪機端軸頸軸承13T、一個獨特的壓縮機端軸頸軸承13C、一個獨特的渦輪機端電動機套環(huán)13T、以及一個獨特的壓縮機端電動機套環(huán)13C。這不僅對每個渦輪增壓器而言不僅增加以兩個項目計數(shù)的部件數(shù)量，而且由將渦輪機端軸頸軸承(和/或套環(huán))組裝到壓縮機端上(或反之亦然)而潛在的組裝誤差也可能呈現(xiàn)出質量問題。
[0032]在此提供的是一種用于電輔助渦輪增壓器的、對軸承表面光潔度提供保護并同時使與現(xiàn)有技術相關聯(lián)的復雜度和零件數(shù)量最小化的軸承系統(tǒng)。如圖3和圖4中示出的，根據第一實施例的一個軸承系統(tǒng)包括多個套管154。每個套管154在軸111上都被設置在直徑125上，因此這些套管與該軸的中心線軸線101同軸。每個套管都具有由一個凸緣155分開的兩個圓柱形表面(156,157)。
[0033]這些套管具有一個表面156，這些軸頸軸承(149C，149T)在該表面上旋轉。在凸緣155的另一側是用于徑向地定位這些電動機套環(huán)(113C，113T)的一個表面157。在套管154外側的凸緣特征155將這些電動機套環(huán)(113C，113T)軸向地約束抵靠轉子112。在渦輪機端，由位于環(huán)凸臺115與直徑125直徑的一個臺肩Al來軸向地約束套管154。因此，該電動機的轉子112的渦輪機端是相對于環(huán)凸臺臺肩Al軸向定位的。
[0034]在這個實施例中，用于電動機轉子112的壓縮機側的套管154與用于該電動機的渦輪機側的套管相同，只是被定向在相反的方向上。在該電動機的壓縮機側，壓縮機側套環(huán)113C被定位成最靠近電動機轉子112，并且壓縮機側軸頸軸承149C被軸向地定位在凸緣155的另一側。朝向該電動機轉子的方向抵靠臺肩SI的軸向約束是由壓縮機螺母(未不出)作用在壓縮機葉輪120、拋油環(huán)153以及推力墊圈152上的夾緊負荷來提供的。這個負荷通過壓縮機端套管154傳遞給壓縮機端套環(huán)113C以夾緊該電動機的轉子112的疊層從而抵靠渦輪機端套環(huán)113T，并且如以上所說明的，渦輪機端套管被約束抵靠環(huán)凸臺115的臺肩Al。相應地，軸111沿者該軸支撐這些軸承套管154和轉子112的長度是相同的直徑，由此簡化了軸111的制造。應當認識到，軸頸軸承149C和149T是騎在這些套管154上。如此，可以放松這些軸表面光潔度。
[0035]此外，在這個實施例中，這些軸頸軸承是壓縮機端和渦輪機端可互換的，并且這些電動機套環(huán)113CU13T也可以類似地是可互換的。該軸的直徑125可以與一個具有相同尺寸的標準渦輪增壓器的直徑相同。由該壓縮機螺母施加到該轉子的疊層上的力的夾緊負荷不僅有助于該疊層組的徑向對準、而且還迫使該轉子以與該軸相同的速度旋轉(即該轉子與軸之間不存在相對旋轉運動)。如現(xiàn)有技術中已知的，這些套管可以由硬化鋼構成，并且這些軸承是由青銅型軸承材料構成的。
[0036]在一個第二示例性實施例中，如圖5中所描繪的，軸承套管254結合有一個電動機套環(huán)213，由此進一步地減少了該組件中的零件數(shù)目。該套環(huán)(并且因此轉子212的疊層)的軸向位置是由從電動機套環(huán)213延伸的軸頸部分225來確定的。轉子212被定位在定子240內。軸頸部分225通過鄰接環(huán)凸臺215的臺肩A2來定位電動機套環(huán)213。轉子212的這些疊層上的壓縮負荷是以與第一實施例中相同的方式由壓縮機螺母(未示出)施加負荷來提供的。在這種情況下，這些軸頸軸承249T(249C未示出)是相同的，并且這些軸承套管是相同的，只是被定位在相反的方向上。相應地，這些軸承套管254所在的位置處該軸211是相同的直徑。
[0037]在一個第三示例性實施例中，如圖6中所描繪的，轉子312的疊層具有與軸311的直徑相比更大的一個內直徑。一個圓柱形套管370被定位在轉子312與軸311之間。圓柱形套管370可以與這些套環(huán)之一、例如示出的套環(huán)313T或者與套環(huán)313C整合?？商娲?，該套管可以與這兩個套環(huán)313T、313T保持獨立而作為一個分開件。在這種情況下，圓柱形套管370包括一個套環(huán)部分313Τ以及從其軸向延伸的一個轉子套管部分372。一個軸頸部分326從該套環(huán)部分313Τ與轉子套管部分372相反地軸向延伸。通過這種變化，該電動機的轉子312的疊層可以被輸送到渦輪增壓器組裝處，并且將該轉子組件組裝到軸311上得以簡化。該疊層的內直徑與該軸的外表面裝配得越靠近，該旋轉組件的由于轉子疊層組的初始平衡就越好。但是與潛在的增益相比，這些轉子疊層與該軸的表面之間的間隙越緊密，這些疊層歪斜并且抵抗組裝力的傾向就越大。通過結合套管370來處理更緊密的疊層內直徑，就使得最后的組裝變得更加簡單。通過將一個套環(huán)和一個套管結合成一個件，這些疊層可以被壓縮抵靠套環(huán)313Τ并且因此在渦輪增壓器組裝步驟上將更加穩(wěn)定。整體的套環(huán)和套管370可以是在該電動機的壓縮機端或渦輪機端。在這種變化中，壓縮機螺母作用于這些套環(huán)和套管上的夾緊負荷防止了該套管和疊層相對于該軸的旋轉。這個實施例還結合有與以上相對于第二示例性實施例所描述的相類似的一個軸承套管354。套管354包括一個軸頸部分325。相應地，軸頸軸承349C和349T對應地騎在軸頸部分325和326上。應當指出的是，圓柱形套管370和軸承套管354具有相同的內直徑。因此，軸311在臺階A3與S3之間具有相同的直徑373。
[0038]在第四示例性實施例中，如圖7中所描繪的，兩個軸頸軸承(449C，449T)的尺寸和特征都與標準渦輪增壓器的尺寸和特征相同。從活塞環(huán)凸臺415過渡到軸頸425的臺階A4與一個標準渦輪增壓器的相類似。渦輪機端軸頸軸承449T被繞其支撐的這個軸頸425在B4處向下形成臺階達到一個較小的直徑473。圓柱形套管470包括一個電動機套環(huán)部分413T，一個轉子套管部分472從該套環(huán)部分延伸。圓柱形套管470不像前一實施例那樣包括一個軸承套管。因此，軸頸軸承449T被設置在直徑425而不是一個軸頸套管上。軸411在臺階S4處過渡到直徑474。軸承套管454被設置在直徑474上。軸承套管454包括一個電動機套環(huán)部分413C，一個軸承套管部分426從該套環(huán)部分延伸。軸承套管部分426的直徑與軸頸425的直徑相同，由此允許在這兩個位置使用相同的軸頸軸承。
[0039]在第五示例性實施例中，如圖8中所描繪的，軸511的尺寸被確定成延伸穿過轉子512并且包括一個突出的螺紋軸端564。一個帶螺紋的延伸軸516被旋擰到軸端564上。延伸軸516包括一個電動機套環(huán)部分513C以及用于支撐軸頸軸承549C的一個軸頸部分525。延伸軸516還包括與設置在軸端564上的外螺紋563相匹配的內螺紋562。軸511在臺階A5處過渡到軸頸524。軸頸524在臺階B5處過渡到直徑526。軸頸軸承549T被設置在軸頸524上，并且電動機套環(huán)513T被緊固到直徑526上。轉子512也被設置在直徑526上并且被夾緊在套環(huán)513T與套環(huán)部分513C之間。在這個實施例中，壓縮機葉輪520、拋油環(huán)553以及推力墊圈552的夾緊負荷是由一個典型的壓縮機螺母(未示出)抵靠典型的短軸臺階S5的臺面來施加的。壓縮轉子512的疊層組的夾緊負荷是通過延伸軸516向下螺紋連接到軸511的軸端564來產生的。
[0040]在第六示例性實施例中，如圖9中所描繪出的，軸611正好延伸通過轉子612，并且電動機套環(huán)613C被按壓到軸611上以提供壓縮力，從而使該轉子的疊層保持夾緊抵靠渦輪機端套環(huán)(未示出)。軸611包括與設置在延伸軸616上的外螺紋662相匹配的內螺紋663。延伸軸616包括支撐軸頸軸承649C的一個軸頸625。壓縮機螺母617在壓縮機葉輪620、拋油環(huán)653以及推力墊圈652上施加一個夾緊負荷以使它們抵靠與軸頸625相鄰定位的臺階S6的肩部。
[0041]相應地，已經通過指向這些示例性實施例的一定程度的特殊性說明了該軸承系統(tǒng)。然而，應當認識到本發(fā)明是由按照現(xiàn)有技術解釋的以下權利要求書來限定，從而對這些示例性實施例可以作出修改或改變而不脫離在此包含的發(fā)明概念。
【權利要求】
1.一種渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，包括: 一個軸(211)，該軸包括至少一個臺肩(A2)； 一個軸承套管(254),該軸承套管被設置在該軸(211)上并且包括一個套環(huán)(213)以及從其延伸的一個軸頸部分(225)； 一個軸頸軸承(249)，該軸頸軸承被設置在該軸頸部分(225)上；并且 其中該軸頸部分(225)鄰接該臺肩(A2)。
2.根據權利要求1所述的渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，包括兩個軸承套管(254)以及設置在各軸承套管(254)上的一個相對應的軸頸軸承(249)。
3.根據權利要求2所述的渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，其中這些軸承套管(254)被定向在相反的方向上。
4.根據權利要求2所述的渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，其中在這些軸承套管(254)所在的位置處該軸(211)有相同的直徑。
5.根據權利要求2所述的渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，其中這些軸頸軸承(249)是可互換的。
6.根據權利要求2所述的渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，其中這些軸承套管(254)是可互換的。
7.一種渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，包括: 一個軸(211)，該軸包括至少一個臺肩(A2)； 一個轉子(212)，該轉子被設置在該軸(211)上； 第一軸承套管和第二軸承套管(254),這些軸承套管在該軸(211)上被設置在該轉子(212)的相反末端處，其中每個軸承套管(254)都包括一個套環(huán)(213)以及從其延伸的一個軸頸部分(225)； 設置在各個軸頸部分(225)上的一個軸頸軸承(249);并且 其中該第一軸承套管(254)的軸頸部分(225)鄰接該臺肩(A2)。
8.根據權利要求7所述的渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，其中這些軸頸軸承(249)是可互換的。
9.根據權利要求8所述的渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，其中這些軸承套管(254)是可互換的。
10.根據權利要求7所述的渦輪增壓器軸承系統(tǒng)，其中該轉子(212)被夾緊在該第一軸承套管與第二軸承套管(254)之間。
11.一種渦輪增壓器，包括: 一個壓縮機葉輪(20)和一個渦輪機葉輪(10)，這些葉輪被設置在一個軸(211)的相反末端上； 一個殼體(89，90)，該殼體支撐該軸(211)； 一個定子(240)，該定子被設置在該殼體(89，90)中； 一個轉子(212)，該轉子被設置在該軸(211)上； 第一軸承套管和第二軸承套管(254),這些軸承套管在該軸(211)上被設置在該轉子(212)的相反末端處，其中每個軸承套管(254)都包括一個套環(huán)(213)以及從其延伸的一個軸頸部分(225);以及 設置在各軸頸部分(225)上的一個軸頸軸承(249)。
12.根據權利要求11所述的渦輪增壓器，其中該第一軸承套管和第二軸承套管(254)被定向在相反的方向上。
13.根據權利要求12所述的渦輪增壓器，其中該轉子(212)被夾緊在這兩個軸承套管(254)之間。
14.根據權利要求11所述的渦輪增壓器，其中在該第一軸承套管和第二軸承套管(254)所在的位置處該軸(211)有相同的直徑。
15.根據權利要求11所述的渦輪增壓器，其中這些軸頸軸承(249)是可互換的。
【文檔編號】F16C17/00GK104246171SQ201380020990
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月19日 優(yōu)先權日:2012年4月30日
【發(fā)明者】D·N·沃德 申請人:博格華納公司