一种轴上组件安装配合结构的制作方法

本发明属于机械轴上安装组件技术领域，涉及一种安装配合结构，尤其是一种轴上组件安装配合结构，特别适用于类似于涡轮增压器类型的产品。

背景技术：

众所周知，涡轮增压器是从内燃发动机摄入热废气并通过涡轮叶轮将包含在废气中的能量转化为动能(转动)，涡轮叶轮安装在一个轴向的快速旋转的轴上。涡轮叶轮沿着轴传递旋转运动带动一个压缩叶轮旋转，该压缩叶轮将空气吸入涡轮增压器并且压缩空气以通过入口歧管向发动机的汽缸供气。使用的涡轮增压器可大大提高内燃机的总效率。在涡轮增压器的设计中一个重要的考虑因素包括减少能量损耗，以最大限度地提高效率，并确保快速响应发动机排气，从而减少涡轮迟滞。

涡轮机组件包括安装在高速旋转的轴上的涡轮叶轮。涡轮机也用在其他依靠安装在轴上的涡轮叶轮通过轴将气流的能量转化为动能(旋转)传送到系统的另一部件的应用场合。

很多情况下使用陶瓷涡轮叶轮，特别是在涡轮叶轮工作温度非常高的情况下，例如，涡轮增压器中的使用。由于耐高温和相对较低的陶瓷材料密度，陶瓷涡轮一般是用来作为金属涡轮一种替代品，这些金属通常是由镍铬合金。这些特性使得陶瓷涡轮能够在较高的工作温度下使用，而转动惯量相对于镍铬合金的涡轮叶轮降低。相比于镍铬合金的涡轮叶轮，陶瓷涡轮叶轮更轻，有更高的强度，而且更耐腐蚀。使用陶瓷涡轮叶轮使得涡轮增压器具有以下使用合金涡轮叶轮不具备的优点：

●更快的反应速度，减少涡轮迟滞；

●可在发动机低转速下工作，有助于减少车辆在城市区域低速移动下的高排放；

●转动更快，允许涡轮增压器在给定流量的情况下减小体积；

●更持久。

虽然使用陶瓷涡轮叶轮具有许多优点，但在涡轮组件中通常优选使用金属轴，因为相比于其他材料，金属轴可以容忍一个较大的负载，而且更容易制造。然而，安装一个陶瓷涡轮叶轮到一个金属轴上存在问题，部分原因是由于轴上的金属材料的热膨胀系数比陶瓷叶轮结构中使用的陶瓷材料的膨胀系数大很多。

常规安装一个快速旋转部件到一个轴上的方法包括轴上的纵向键的使用，将纵向键啮合入相应部件的槽或键槽。该轴的一部分通过一个紧密滑动配合固定在该部件的一个孔中。轴的所述部分的外圆周表面具有一个纵向(轴向)延伸的键啮合在相应的部件的纵向(轴向)延伸的键槽内。相对键与键槽的侧表面啮合以传递扭矩。例如，如果部件转动，键槽的尾侧表面抵接键的尾侧表面以从部件传递扭矩到轴。键是在键槽内的紧密滑动配合部件以限制所述轴和部件之间的旋转游隙。该键可以是与轴一体形成的花键，或者它可以是位于轴和叶轮之间对准键槽对的一个单独的部件。比如，我们知道的安装在轴上的滑轮。

已知类型的键连接方式并不适用于在高速涡轮机械的轴上安装涡轮叶轮，因为它有可能引起不平衡和震动。为了客服这些问题，传统的方法是使用紧缩配合的方式将金属涡轮叶轮安装到高速旋转的金属轴上。然而，这种方法不适用于直接将陶瓷涡轮叶轮安装到金属轴上，因为如果组件受热温度上升，金属轴会比陶瓷涡轮叶轮膨胀得更快而导致在陶瓷涡上的高应力或破裂。

鉴于上述困难，各种替代方法已被用于将陶瓷涡轮安装到一个金属轴上。在一种已知的方法中，陶瓷涡轮叶轮和轴承的一部分被制成一体的，轴承的这一部分通过连接部件和金属轴尾部连接，这个连接部件被设计用来适应不同的热膨胀系数。这样的方法在专利US4,704,074中报道。虽然这种方法有效，但是他们设计相对复杂，同时也约束了类似于涡轮增压器这样的复杂机械的设计。

因此，需要一种方法将快速旋转的部件安装到轴上以克服或至少减轻现有技术存在的问题。这样的需求对于将涡轮叶轮安装到轴上用于克服或至少减轻现有技术存在的问题特别需要。特别的，需要一种改进的方法将陶瓷涡轮叶轮安装到金属轴承上以克服或至少减轻现有技术存在的问题。同样的，需要适用于涡轮增压器的方法以及适用于这种方法的涡轮增压器。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种轴上组件安装配合结构，本发明的结构适用于轴以及轴上部件之间具有较大热膨胀系数差异的情况，能够有效避免由于不同的膨胀系数造成部件在使用中损坏，能够延长使用寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种轴上组件安装配合结构，包含一个可高速旋转、且安装在轴上并和轴一起沿轴的纵向轴线共同旋转的轴上部件；所述轴上部件具有一个表面，该表面定义了一个至少被部分穿过的中心轴向孔；所述轴上部件还包括至少2个在所述中心轴向孔表面的纵向键槽，每个键槽都具有前侧表面和尾侧表面；轴的一部分伸入所述的中心轴向孔当中，轴该部分的外圆周表面具有和键槽相应数量的纵向键，每个键都有前侧表面和尾侧表面，并且键契合入相应的键槽中形成键/键槽组合；其中，至少在室温下，键槽比键宽，并且每个键相对于其对应的键槽是周向偏移的；至少有一对键/键槽组合具有第一偏移，其键和键槽的前侧表面邻接另一个前侧表面，并且在他们的尾侧表面间具有空隙；同时，至少有另一对键/键槽组合具有第二偏移，其键和键槽的尾侧表面邻接另一个尾侧表面，并且在他们的前侧表面间具有空隙。

本发明的一种实施例中，上述轴上部件是涡轮叶轮。

进一步，以上所述键/键槽组合的个数是偶数。

上述的键/键槽组合是在轴的圆周上成对称分布的。

上述键/键槽组合被布置成径向相对的对，即每两个径向相对的键/键槽组合为一对。

进一步，以上每一对径向相对的键/键槽组合都具有相同的第一或第二偏移。

进一步，所述轴上部件与轴之间设置有四个键/键槽组合，并且这四个键/键槽组合被布置成两对径向相对的对，在其中一对中的每一个键/键槽组合都具有所述的第一偏移，其中另一对中的每一个键/键槽组合都具有所述的第二偏移。

进一步，所述键/键槽组合中的每个键都具有径向外端表面，该径向外端表面和其他的侧表面互相连接；每个键槽都具有径向外底面，该径向外底面和其侧表面互相连接，并且与键槽相应的键的径向外端表面相反；至少在室温情况下，在每个键的径向外端表面和键槽的径向外底面间存在空隙。

进一步，至少在室温条件下，轴的外圆周表面和所述中心轴向孔的表面间存在空隙。

进一步，在室温情况下，轴和轴上部件的唯一接触点是在具有所述第一偏移的至少一个键/键槽组合中的键和键槽的前侧表面，以及具有所述第二偏移的至少一个键/键槽组合中的键和键槽的尾侧表面，轴和键以及轴上部件的其他配合位置则存在空隙。

进一步，所述轴具有比所述轴上部件更大的膨胀系数，轴与轴上部件之间的空隙是在工作过程中容许轴和键的热膨胀的发生。

进一步，每个键仅延伸到其相应键槽长度的一部分。

进一步，所述键是与所述轴整体形成的键齿结构。

进一步，所述轴上部件是由陶瓷材料构成，所述轴由金属材料构成。

进一步，其中每个键都具有中心纵向轴线，每个键槽都具有中心纵向轴线；至少在一个键/键槽组合中具有所述的第一偏移，即键的中心纵向轴线相对于键槽的中心纵向轴线前侧发生偏移；至少在一个键/键槽组合中具有所述的第二偏移，即键的中心纵向轴线相对于键槽的中心纵向轴线尾侧发生偏移。

进一步，当上述轴上部件是涡轮叶轮时，所述轴在远离涡轮叶轮的一端还安装有压缩叶轮。

本发明具有以下有益效果：

本发明的轴上组件安装配合结构中，通过轴与轴上部件之间的键/键槽组合实现两种部件的安装，并且在两种部件的配合中，至少有一对键/键槽组合具有第一偏移，其键和键槽的前侧表面邻接另一个前侧表面，并且在他们的尾侧表面间具有空隙；同时，至少有另一对键/键槽组合具有第二偏移，这种配合关系有效避免了由于轴与轴上部件之间的热膨胀系数不同导致运行过程中的受力损坏。

进一步，虽然本发明中提及的间隙是在室温的情况下，但这种键控安装结构可以在涡轮增压器期望运行所需的全温度范围进行配置。例如，假设涡轮增压器所遭受的环境温度很可能冷到冻点以下，那么安装装置将被以最低的预期温度进行配置以提供一个合适的配合，该配合可以提供足够间隙以适应轴升温至正常工作温度范围时最大的热膨胀的发生。

进一步，本发明的结构适用于所有在轴的材料比部件的材料具有较大热膨胀系数的情况下。因此，虽然本发明特别适用于在涡轮增压器中安装涡轮叶轮到轴上的应用，但是它也可以调整以适应其他的应用。

附图说明

图1是根据本发明的一个方面设计的涡轮增压器实例的横截面图；

图2是图1所示的涡轮增压器的涡轮叶轮和轴组件的形成部分的分解透视图；

图3是图2的涡轮叶轮和轴组件的前视图，展示了架设在轴上的涡轮叶轮和涡轮叶轮的中心毂部以及轴的横截面；

图4是图3中的细节的放大图；

图5是图4省略轴的部分；

图6是图4但省略涡轮叶轮的部分。

具体实施方式

本发明的轴上组件安装配合结构为：包含一个可高速旋转、且安装在轴上并和轴一起沿轴的纵向轴线共同旋转的轴上部件；所述轴上部件具有一个表面，该表面定义了一个至少被部分穿过的中心轴向孔；所述轴上部件还包括至少2个在所述中心轴向孔表面的纵向键槽，每个键槽都具有前侧表面和尾侧表面；轴的一部分伸入所述的中心轴向孔当中，轴该部分的外圆周表面具有和键槽相应数量的纵向键，每个键都有前侧表面和尾侧表面，并且键契合入相应的键槽中形成键/键槽组合；其中，至少在室温下，键槽比键宽，并且每个键相对于其对应的键槽是周向偏移的；至少有一对键/键槽组合具有第一偏移，其键和键槽的前侧表面邻接另一个前侧表面，并且在他们的尾侧表面间具有空隙；同时，至少有另一对键/键槽组合具有第二偏移，其键和键槽的尾侧表面邻接另一个尾侧表面，并且在他们的前侧表面间具有空隙。

在本发明的较佳实施例中，所述键/键槽组合的个数是偶数。所述的键/键槽组合是在轴的圆周上成对称分布的。

在本发明的最佳实施例中，所述键/键槽组合被布置成径向相对的对，即每两个径向相对的键/键槽组合为一对。每一对径向相对的键/键槽组合都具有相同的第一或第二偏移。所述轴上部件与轴之间设置有四个键/键槽组合，并且这四个键/键槽组合被布置成两对径向相对的对，在其中一对中的每一个键/键槽组合都具有所述的第一偏移，其中另一对中的每一个键/键槽组合都具有所述的第二偏移。

所述键/键槽组合中的每个键都具有径向外端表面，该径向外端表面和其他的侧表面互相连接；每个键槽都具有径向外底面，该径向外底面和其侧表面互相连接，并且与键槽相应的键的径向外端表面相反；至少在室温情况下，在每个键的径向外端表面和键槽的径向外底面间存在空隙。

至少在室温条件下，轴的外圆周表面和所述中心轴向孔的表面间存在空隙。

进一步的，在室温情况下，轴和轴上部件的唯一接触点是在具有所述第一偏移的至少一个键/键槽组合中的键和键槽的前侧表面，以及具有所述第二偏移的至少一个键/键槽组合中的键和键槽的尾侧表面，轴和键以及轴上部件的其他配合位置则存在空隙。

所述轴具有比所述轴上部件更大的膨胀系数，轴与轴上部件之间的空隙是在工作过程中容许轴和键的热膨胀的发生。每个键仅延伸到其相应键槽长度的一部分。所述键是与所述轴整体形成的键齿结构。所述轴上部件是由陶瓷材料构成，所述轴由金属材料构成。

进一步，其中每个键都具有中心纵向轴线，每个键槽都具有中心纵向轴线；至少在一个键/键槽组合中具有所述的第一偏移，即键的中心纵向轴线相对于键槽的中心纵向轴线前侧发生偏移；至少在一个键/键槽组合中具有所述的第二偏移，即键的中心纵向轴线相对于键槽的中心纵向轴线尾侧发生偏移。

本发明轴上组件安装配合结构适用于所有轴及其轴上结构配合安装的情况下，本发明的技术方案特别适合涡轮增压器，即轴上部件是涡轮叶轮。在这种情况下，所述轴上在远离涡轮叶轮的一端还安装有压缩叶轮。

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细描述：

图1展示了根据本发明的一种理念设计的涡轮增压器1的实施案例。涡轮增压器1具有壳体2，其由涡轮机壳体部分4，一个中央壳体部分6，压缩机壳体部分8和用于压缩机叶轮的壳体的后盖9组成。在壳体2内安装的是涡轮增压器1的工作部件，包括一个涡轮叶轮10，一个连接轴12和压缩叶轮14。

涡轮外壳4安装在中央壳体6的一侧，并且包裹着涡轮叶轮10。涡轮叶轮10包括一系列从一个中央轮毂18上支出的涡轮叶片16。一个盲孔20通过22的后壁向中央轮毂18的轴向部分方向延伸。能够快速旋转的涡轮叶轮10通过孔20安装在轴12的一端和轴12一起沿纵向轴X旋转。在本实施案例中，正常运行的涡轮增压器的涡轮叶轮和轴在图4和2中箭头所示的方向上旋转。除非另有规定，在本规范中，涡轮叶轮10，轴12，以及其他任何被安装的同时快速旋转的组件所描述的“领先”和“落后”的关系特征，应理解为指的是在箭头的方向旋转时特征的相对配置。

涡轮壳体部分4定义的排气入口26用于从相关联的内燃发动机(未示出)引导废气到涡轮叶轮10的叶片16和废气出口28。可以想到的是，在使用中，废气出口将以常规的方式被适当地连接到排气系统(未示出)。

快速旋转的压缩叶轮14安装在轴12的另一端。压缩叶轮被安装在背板9和压缩机壳体部分8之间。背板9被安装到所述涡轮中心壳体部分6的相对侧，压缩机壳体部分8被安装在背板9上。压缩机外壳部分8定义了一个空气入口30和一个压缩空气出口32。涡轮叶轮10驱动压缩叶轮14旋转，通过进气口30吸入环境空气，将空气压缩并通过出口32排出。在实际使用中，出气口32以常规方式连接到相关联的内燃发动机(未示出)的进气歧管(未示出)用于引导压缩空气到相关联的内燃发动机的气缸。

轴12穿过中央壳体部分6和后盖9，并且以一种已知的方式通过一种承载系统作为可旋转支撑并沿轴向固定在壳体上。

图2到6描述了一种根据本发明的一种方法将涡轮叶轮10安装到轴12上。

涡轮叶轮10是由陶瓷材料制成的一个单一的整体部件。任何合适的陶瓷材料都可被使用，在一个具体实施案例中，涡轮叶轮10采用氮化硅的铝合金材料制造。涡轮轴12由金属材料如钢和其他合金制造，例如铬镍合金。

涡轮轴12的一端有一个大直径密封凸台36以及沿该凸台36的轴向突出并伸入孔20的一个插栓部分38。凸台36固定在所述涡轮端的中央壳体部分6端壁的一个孔中，在凸台36和孔之间有设置合适的密封装置。

保持高速旋转的涡轮叶轮10与轴12之间通过键驱动的方式连接。四个纵向延伸的键齿40在插栓部分38的圆周上以一定的间隔分部。每个键齿40至少沿插栓的自由端到密封凸台36延伸一定长度。参考旋转方向A，每个键齿具有前侧表面42、后侧表面44，以及一个在前侧表面42和后侧表面44之间的径向外端表面46。

涡轮叶轮也具有相应数目的键槽或凹槽48部署在所述孔20的表面20A上。键槽48开在涡轮叶轮的后壁22上，并且朝孔20的封闭端沿孔的轴的纵向方向延伸。参照旋转的方向，每个键槽48都有前侧表面50，尾侧表面52和在侧表面50和52之间延伸的径向外底面54。

安装和配置键齿40和键槽48是为了使每个键齿40能够在相应的键槽48中进行滑动配合，形成一个键/键槽的组合56。键齿40可以沿着整个键槽48的长度延伸，或者它们可以仅沿键槽48长度的一部分进行延伸。在后一种情况下，键齿40将从插栓38的自由末端朝着凸台36延伸至插栓36的一部分长度。

至少在室温下，组件中键槽48比键齿40宽。

每个键/键槽组合56被构造成键40相对于其各自的键槽48沿周向偏移，这样的配置使得键和键槽的侧表面只有一面相接触，在键齿40和键槽48的另一个侧表面有一个空隙。按照本发明，至少有一对键/键槽组合56'具有第一偏移，并且至少有一对键/键槽组合56"具有第二偏移，该偏移和第一偏移相反。在具有第一偏移的键/键槽组合56'中，键齿40相对于键槽48的前侧表面发生偏移，这样的结构使得键和键槽前侧表面42和50彼此紧邻，并且在键齿40和键槽48的尾侧表面44和52间存在空隙。在具有第二偏移的键/键槽组合56″中，键齿40相对于键槽48尾侧表面发生偏移，这样的结构使得键和键槽的尾侧表面44和52彼此紧邻，并且在键和键槽的前侧表面42和50之间存在空隙。在如图所示的实施实例中，四对键齿/键槽组合56被布置成径向相对的对，其中一对相对的组合拥有相同的偏移量，而另一对相对的组合具有相反的偏移。因此，第一对相对的键/键槽组合的56'和56'分别具有第一偏移的，而另一对键/键槽组合的56″和56″具有第二偏移。

在本实施实例中，除了在每个键齿40的侧面表面和相应的同一个面的键槽48之间存在间隙58、60外，至少在室温情况下，在每个键齿40的径向外端表面46和其相应的键槽48的径向外底表面54之间存在间隙62，并且在键齿40中间的插栓38的圆周外表面64和定义了孔20的表面20A之间也存在空隙。

应当指出的是，在这种结构中，轴12和涡轮叶轮10之间唯一的接触点是具有第一偏移的键和键槽组合56'的前侧表面42、50以及具有第二偏移的键齿40和键槽48的组合56″的尾侧表面44、52。在包括键齿40在内的轴12的其他相应的表面和涡轮叶轮10之间存在空隙58、60、62、64，以允许轴12的热膨胀。

键齿/键槽组合56'和56″的非对称结构使得高速旋转的涡轮叶轮10能够保持在轴12上，同时，轴12和孔20的表面20A之间的空隙以及非接触的键齿40和相应的键槽48表面之间的空隙58、60、62，在组件加热到它的正常工作温度范围时，被用于允许包括键齿40在内的轴12的热膨胀的发生，不至于使所述涡轮叶轮10承受无法承受的应力导致涡轮叶轮损坏。

虽然本发明中提及的间隙是在室温的情况下，但应当理解的是，这种键控安装结构可以在涡轮增压器期望运行所需的全温度范围进行配置。例如，假设涡轮增压器1所遭受的环境温度很可能冷到冻点以下，那么安装装置将被以最低的预期温度进行配置以提供一个合适的配合，该配合可以提供足够间隙以适应轴12升温至正常工作温度范围时最大的热膨胀的发生。

涡轮叶轮10在键齿40上是相对紧密滑动的配合，在许多应用中，这足够保持涡轮叶轮轴向在轴上的位置。在另一个实例中，孔20可以完全贯穿涡轮叶轮10，并且在插栓部分38的自由端的末端设有转配了螺母的螺纹段，螺母可以确保涡轮叶轮轴向的固定在轴上。

上述实例仅通过例子进行说明。在附加声明中定义的不脱离本发明范围的许多变化是都是可能的。

例如，涡轮叶轮10和所描述的轴12之间键连接的布置方式不局限于安装一个陶瓷涡轮叶轮到一个金属轴上，还可以用于安装任何涡轮叶轮到轴上，甚至是安装任何有孔的部件到轴上，特别是在轴的材料比部件的材料具有较大热膨胀系数的情况下。因此，虽然本发明特别适用于在涡轮增压器中安装涡轮叶轮到轴上的应用，但是它也可以调整以适应其他的应用。

现已发现，如实例中描述的四对键/键槽组合56的使用在诸如涡轮机械这样的高速应用中特别好用。然而，只要有至少两对键齿/键槽的组合，一个具有第一偏移，一个具有第二偏移，键齿/键槽组合56的数目就可以根据需要选择。例如，一个尽可能少的比如两对键齿/键槽组合的结构被认为适用于低速应用，超过四对键齿/键槽组合可应用到需要的地方。键齿/键槽组合56的对称布置有助于减少不平衡力，偶数对的键齿/键槽组合对这样的布置可能是有利的。然而，在一些应用中，奇数对的键齿/键槽组合可能更合适。