涡轮增压器滚子支撑系统的制作方法

本申请案涉及一种涡轮增压器滚子支撑系统。

背景技术：

涡轮增压器通常用于各种内燃机以增加发动机的进气量。常规涡轮增压器由废热及废气驱动，废热及废气被迫使通过废气涡轮外壳到涡轮叶轮。所述涡轮叶轮由普通涡轮轴连接到压缩机叶轮。当废气碰撞所述涡轮叶轮时，所述涡轮叶轮与所述压缩机叶轮两者同时旋转。压缩机叶轮的旋转将空气通过压缩机外壳吸入，其迫使经压缩空气进入发动机汽缸以实现经改进的发动机性能及燃料效率。为了产生足够的增压以达到峰值扭矩，针对变速/可变负载应用的涡轮增压器通常经定大小以在扭矩峰值速度时实现最大效率。

技术实现要素：

本发明的实施例可因此包括用于涡轮增压器的滚子支撑系统，其包括：自由旋转的涡轮轴；涡轮，其连接到所述涡轮轴的一端；压缩机，其连接到所述涡轮轴的相反端；在所述涡轮轴上形成的第一倾斜接触表面，所述第一倾斜接触表面以在第一方向上的第一角度倾斜；在所述涡轮轴上形成的第二倾斜接触表面，所述第二倾斜接触表面以第二角度倾斜，所述第二角度实质上等于所述第一角度且在与所述第一角度相反的方向上；及至少三个滚子，所述至少三个滚子中的每一者包括第一滚子外表面，其与所述涡轮轴的所述第一倾斜接触表面啮合以形成第一多个滚子-轴接口，及第二滚子外表面，其与所述涡轮轴的所述第二倾斜接触表面啮合以形成第二多个滚子-轴接口，其中所述第一多个滚子-轴接口及所述第二多个滚子-轴接口轴向地及径向地定位所述涡轮轴且抵消所述涡轮轴上的轴向力。

本发明的实施例可进一步包括一种为涡轮增压器中的涡轮轴提供支撑的方法，所述方法包括：通过将至少三个滚子定位在与所述涡轮轴上的接触表面接触的位置中来定位所述涡轮轴。

附图说明

图1为涡轮增压器滚子支撑系统的实施例的示意性等轴视图。

图2为涡轮增压器滚子支撑系统的实施例的示意性横截面图。

图3为涡轮轴及支撑滚子的示意性横截面图。

具体实施方式

本发明的实施例包括涡轮轴支撑系统，其利用与涡轮轴接口连接的滚子。所述滚子大体上包括滚子外表面及轴承。所述滚子外表面防止轴承直接定位在所述涡轮轴上或涡轮轴旁，且借此减少轴承的转速以减轻滚子及轴承的任何损坏或劣化。所属领域的技术人员应理解，所述轴承可为流体轴承或任何其它专用高速滚珠轴承。

图1为涡轮增压器滚子支撑系统100的实施例的示意性等轴视图。涡轮增压器滚子系统100包括涡轮轴102及多个滚子108、110。图1的系统100具有两个可见滚子。在图1所展示的实施例中，第三滚子位于系统的后面以提供具有相关联的与涡轮轴102的三个支撑接触点的三角支撑系统。

涡轮轴102具有附接在相反两端的压缩机104及涡轮106。涡轮轴102的中央部分具有在实质上相等但相反方向上倾斜的倾斜轴接触表面114。图1中仅展示倾斜轴接触表面中的一者。图3展示具有倾斜接触表面及相关联的滚子的涡轮轴。继续参考图1，滚子110具有滚子外表面122，其与倾斜轴接触表面114配合以形成滚子-轴接口132。滚子108具有相似滚子外表面118且形成相似滚子-轴接口。滚子108、110也具有滚子外表面120、124，其与第二倾斜轴接触表面(不可见)配合以形成额外滚子-轴接口。类似于所述倾斜轴接触表面，图1中仅展示所述滚子-轴接口中的一者。涡轮轴102由滚子108通过滚子-轴接口132径向地及轴向地固持在合适位置。滚子108、110将吸收涡轮轴102上的来自压缩机104及涡轮106的推力，如2013年11月21日申请的标题为“推力吸收行星牵引驱动机械涡轮双增压(Thrust Absorbing Planetary Traction Drive Superturbo)”的序列号为61,906,938的美国专利申请案(其揭示及教示的全部内容已特定地并入本文中)中所教示。

滚子108、110由滚子架142支撑。滚子108是通过轴承146及另一轴承(图1中未展示)来支撑。滚子110是通过轴承150及另一轴承(图1中未展示)来支撑。应理解，滚子108、110的互反侧具有相似轴承。另外，图1中所展示的实施例的第三滚子(如上文所论述)在两侧上具有相似轴承。滚子108、110用足够的力压抵着涡轮轴102以将涡轮轴102固持在合适位置且防止涡轮轴102除了绕其轴旋转以外的过度移动。滚子108、110未连接到任何类型的齿轮或传动轮，因此滚子108、110不从涡轮轴102转移扭矩或转移扭矩到涡轮轴102。此外，可在轴承146、150与滚子架142之间使用柔性安装座(例如，配合公差环，图2中所展示的配合公差环160)以提供对系统的阻尼及减少振动。配合公差环在用于轴承安装座的钻孔内部使用。配合公差环大体上为自我固持的，且可经设计以装在标称圆周内部。配合公差环160提供滚子108、110的柔性安装，如2014年3月11日颁布的标题为“高扭矩牵引驱动机构(HIGH TORQUE TRACTION DRIVE)”的第8,668,614号美国专利(其揭示及教示的全部内容已特定地以引用的方式并入本文中)中所教示。配合公差环160安装在轴承(参见图2，其中所述轴承标示为144、146)的凹陷部分。滚子外表面118、120、122、124经制作具有与倾斜轴接触表面114相比更大的直径，使得滚子108、110以与涡轮轴102相比更低的速度旋转。此速度减少允许轴承146、150以与直接定位在涡轮轴102上的轴承相比更低的速度旋转。这就减少对轴承144、150的设计要求，且可利用更传统、更低速轴承。

配合公差环160提供滚子108的柔性安装。配合公差环160防止轴承144、146的过载。配合公差环160安装在轴承144、146内部。配合公差环160可吸收任何种类的失衡中的振动冲击或由滚子108产生的振动效应。配合公差环160为能够在径向方向上弹性移动的径向弹簧。配合公差环160能够压缩，其允许滚子108吸收振动且维持与涡轮轴102的接触。配合公差环160可由允许弹性移动的任何合适材料制造。在本发明的实施例中，配合公差环160可由经形成环的具有波浪型配置的弹簧型钢来构造。波浪配置允许用一定量的力(其取决于在配合公差环160中使用的弹簧钢的厚度及弹性)来压缩配合公差环160。由于配合公差环160具有波浪配置，配合公差环160可在径向方向上偏转。应理解，本发明的实施例中的每一滚子(例如，图1中的滚子108、滚子110)(举例来说)及第三滚子或更多滚子(如本说明书中所论述)具有关联轴承及配合公差环。

涡轮轴102归因于废气碰撞涡轮106而旋转。涡轮轴102为自由旋转的轴。因而，不存在从涡轮轴到滚子108、110的扭矩转移(如上文所述)。这是因为滚子108、110不与任何其它机制(例如，驱动环)(除了仅将滚子108、110固持在合适位置且允许滚子108、110自由旋转的滚子架142之外)啮合。

滚子108、110包含允许在旋转中自始至终与涡轮轴102接触的任何合适材料。此外，滚子108、110由将经受涡轮增压器的转速范围的任何合适材料构造。应了解，在本发明的实施例中，如下文所论述，在接触表面114处的涡轮轴的直径与滚子外表面120、124的直径之间的不同比率允许滚子108、110的更低速旋转。

图2为图1的涡轮增压器滚子支撑系统100的实施例的横截面图。滚子108由轴承144、146支撑在滚子架142中。滚子108具有滚子外表面118、120，其与倾斜轴接触表面114、116配合以形成滚子-轴接口130、136。滚子-轴接口130、136(与关于图1所展示及论述的其它滚子-轴接口一起)定位涡轮轴102且防止涡轮轴102除绕其轴旋转之外的移动。另外，可在轴承144、146与滚子架142之间利用配合公差环160以提供组装的灵活性，以及对涡轮增压器滚子支撑系统100中的振动的阻尼。配合公差环160可交替地定位在轴承144、146与滚子108之间。滚子外表面118、120的直径大于倾斜轴接触表面114、116的直径，使得滚子108以与涡轮轴102相比更低的速度旋转。举例来说，如果滚子外表面118、120具有的直径为倾斜轴接触表面114、116的直径的4倍，那么滚子108将以涡轮轴102的转速的1/4的速度旋转。如果涡轮轴102的最大转速为160,000RPM，那么滚子108的最大转速为40,000RPM，且轴承144、146可针对40,000RPM而设计而不是针对160,000RPM的最大转速(如果其直接定位在涡轮轴102上)而设计。这就减少针对轴承144、146的设计要求。

图1及2所展示的实施例展示围绕涡轮轴均匀间隔且接触涡轮轴的三个滚子单元。最少需要三个滚子单元以提供对所述涡轮轴的均匀支撑。此外，所述单元应实质上均匀间隔以提供围绕所述涡轮轴的均匀支撑。无需精确的120度的分隔。可允许所述滚子的分隔角度的细微差异以使所述滚子单元能够与其它发动机元件一起放置。然而，所述滚子单元可从围绕所述涡轮轴的均匀放置偏离的限度可由对特定涡轮轴实施例的实验来确定。因此，滚子的数目可为三个(3)以上。可存在用于为所述涡轮轴提供额外支撑的四个(4)、五个(5)或更多滚子。与涡轮轴接触的实质上均匀间隔的滚子将促使抵消在所述涡轮轴上在轴向上产生的推力，且防止所述涡轮轴除绕所述涡轮轴的轴旋转之外的移动。

图3为涡轮轴及支撑滚子的示意性横截面图。涡轮轴302具有连接到一端的涡轮306及连接到另一端的压缩机304。涡轮轴302具有倾斜轴接触表面314、316。滚子308具有滚子外表面318、320，其与倾斜轴接触表面314、316配合以形成滚子-轴接口330、336。这些滚子-轴接口330、336轴向地及径向地定位涡轮轴302，且抵消来自涡轮306及压缩机304的推力。

出于说明及描述的目的已呈现本发明的以上描述。不希望其为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式，且依据以上教示的其它修改及变体可为可能的。选择及描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使所属领域的技术人员能够最好地利用各种实施例中的本发明及适于涵盖特定用途的各种修改。希望所附权利要求书被解释为包含除了由现有技术限制的本发明的其它替代实施例。