流体膜锥形或半球形浮动式环轴承的制作方法
【专利说明】流体膜锥形或半球形浮动式环轴承
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2012年12月27日提交的并且题为“流体膜锥形或半球形浮动式环轴承(Fluid Film Conical Or Hemispherical Floating Ring Bearings) ”的美国临时申请号61/746，144的优先权及所有权益。
发明领域
[0003]本发明涉及一种具有改善的轴轴承的涡轮增压器并且更具体地涉及一种在涡轮增压器中的改善的浮动式环轴承，该轴承具有锥形或半球形形状。
[0004]发明背景
[0005]在发动机上提供涡轮增压器以便将空气以与在正常吸气构型中的可能情况相比更大的密度传送到发动机进气中。这允许燃烧更多的燃料，进而增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。
[0006]通常，涡轮增压器使用来自发动机排气歧管的排气流，该排气流在涡轮机入口处进入涡轮机壳体，以便由此驱动位于该涡轮机壳体内一个涡轮机叶轮。该涡轮机叶轮提供旋转动力以驱动该涡轮增压器的压缩机叶轮。这些压缩空气随后被提供到如以上提及的发动机进气。
[0007]更详细地参照在图1中以截面视图示出的代表性涡轮增压器10，该涡轮增压器10包括:一个祸轮机壳体或外罩12，该祸轮机壳体或外罩具有一个在其内沿圆周方向延伸的一个蜗壳14 ；一个压缩机壳体16和一个压缩机蜗壳17 ;以及一个祸轮机叶轮18和一个压缩机叶轮19，该涡轮机叶轮和压缩机叶轮通过一个轴21而可转动地连接在一起。轴21由一个轴承系统22支撑，该轴承系统被支撑在一个中央轴承壳体23内，该中央轴承壳体被布置在涡轮机壳体12与压缩机壳体16之间。轴承壳体23限定了一个轴承室24，该轴承室在压缩机壳体16与涡轮机壳体12之间轴向地延伸以便允许轴21在其之间轴向地延伸，这样使得在涡轮增压器10的运行过程中，涡轮机叶轮18的旋转驱动压缩机叶轮19的旋转。
[0008]在所展示的涡轮增压器10中，轴承系统22典型地包括位于轴承室24内的一个轴颈轴承25以便为该旋转轴21提供径向支撑。出于参考目的，Z方向沿着轴21的中央轴线轴向地延伸，而X方向和Y方向从此向外径向地延伸。沿着Z方向观察到轴21和涡轮增压器10的端视图，而侧视图是在X方向上获取的。这些方向是出于参考和观察的目的并且不旨在进行限制。
[0009]图2和图3展示出了当前在商业上使用的已知轴承构型的一个实例。在这个构型中，提供了多个轴向间隔开的浮动式环轴承30，这些轴承被可滑动地接纳在轴承室24内并且环绕轴21。更具体而言，每个浮动式环轴承30被径向地定位在轴承壳体23的一个径向面朝内的室表面31与轴21的一个径向面朝外的轴表面32之间。这些浮动式环轴承30是沿着Z方向被一个圆柱形轴承间隔件33彼此轴向地分开的，其中每个浮动式环轴承30在轴旋转过程中能够小程度地径向浮动或移动。浮动式环轴承30起作用来径向地支撑该轴21并且防止响应于轴21上的径向负载而发生轴21与轴承壳体23之间的径向接触。
[0010]为了支撑沿着Z方向的轴向轴负载，轴承系统22还包括一个环形推力轴承35，该环形推力轴承具有面向相反的轴向方向的多个相反端面36。在一侧上，一个端面36轴向地面向轴承壳体23的对置面以及支撑在轴21上的止推垫圈37。相反的端面36面向被支撑在轴承壳体23上的一个环形插入件38。推力轴承35被轴向地固定在插入件38、止推垫圈37和轴承壳体23的对置面之间并且因此能够容纳轴向轴负载。
[0011]为了衰减由轴旋转所引起的径向和轴向移动，一种流体(例如油)被供应给轴承室24，该油能够围绕这些浮动式环轴承30和该推力轴承35流动。该油经一个入口通路39被供应至轴承室24，该入口通路向将油供应至这些浮动式环轴承30的两个油供送端口 40进行供送、并且向将油供应至推力轴承35的一个额外油供送端口 41进行供送。
[0012]关于浮动式环轴承30，油由此环绕轴承30的圆周外表面和圆周内表面。在轴旋转过程中，在轴承内表面上形成流体内膜，该流体内膜限定了径向地支撑轴21的一个轴颈轴承。这些轴承外表面还具有围绕其形成的一个外流体膜，该外流体膜对浮动式环轴承30提供径向支撑。这些外膜和内膜形成在轴承外表面和内表面与相应的室表面31和轴表面32之间。关于推力轴承35，也在轴承表面36与插入件38和止推垫圈37的对置表面之间形成流体膜，以便支撑轴向轴负载。
[0013]尽管如上所述，但已知的轴承构型依然可能存在缺点。
[0014]本发明涉及一种用于涡轮增压器的改善的轴承，其中本发明的轴承优选地是具有锥形或半球形形状的、支撑径向负载和轴向负载两者的浮动式环轴承。这通过消除推力轴承及其在旋转轴上的止推垫圈或导槽在减少零件数方面提供了明显的优点。此外，本发明的设计降低了功率损失、简化了热管理并且提供了增强的系统稳定性。
[0015]在本发明的一个实施例中，提供了一对锥形浮动式环轴承，这些轴承具有截头锥形形状以由此限定锥形的轴承内表面和外表面，这些表面在内侧上与随着该轴进行旋转的对应锥形轴颈协作并且在外侧上与静止的轴承壳体协作以便形成内流体膜和外流体膜。在本发明的第二实施例中，提供了两个半球形浮动式环轴承，这些轴承具有弧形的轴承内表面和外表面，这些表面在内侧上与随着该轴进行旋转的对应半球形轴颈协作并且在外侧上与该静止的轴承壳体协作以便像锥形环轴承一样也形成内流体膜和外流体膜。
[0016]在这两个实施例中内流体膜和外流体膜在轴向和径向两个方向上提供支撑以便容纳在轴旋转过程中该轴所携带的轴向推力负载和径向轴颈负载。通过将这些锥形或半球形轴承整合至这些浮动式环轴承中，这个改进显著地降低了轴承功率损失并且增强了总的轴承阻尼能力。例如，与推力轴承相关的不稳定性可以通过在锥形或半球形浮动式环轴承中提供外膜而得到改善。这些经改善的浮动式环轴承还能够对该轴承壳体实现更紧凑且简单的设计，因为这些经改善的设计消除了对用于推力轴承的油供送端口的需要。
[0017]在多个另外的实施例中，这些分开的锥形浮动式环轴承可以连接在一起作为一个单一的筒状单元以便形成一个锥形半浮动式环轴承。提供了径向地穿过该半浮动式环轴承的壁的一个或多个油供送通路以用于供应在内流体膜与外流体膜之间的油流动。这个结构还可以用来形成半球形半浮动式环轴承。
[0018]如果希望的话，该半浮动式环轴承可以不可旋转地支撑在轴承壳体上，例如通过防转夹，以便形成锥形或半球形半浮动式环轴承的另外一个实施例。在这个设计中，外油膜充当一个挤压膜阻尼器。
[0019]如将在此进一步说明的，本发明的浮动式环轴承提供了优于已知的轴承构型的多个优点。
[0020]本发明的其他目标和目的以及其变体将通过阅读以下说明书和查看附图变得清
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[0021]附图的简要说明
[0022]图1是代表性涡轮增压器的截面视图。
[0023]图2是具有浮动式环轴承和推力轴承的涡轮增压器的截面侧视图。
[0024]图3是图2的放大截面侧视图。
[0025]图4是具有本发明第一实施例中的锥形浮动式环轴承的涡轮增压器的截面侧视图。
[0026]图5是图4的放大截面侧视图。
[0027]图6是本发明的第二实施例中的半球形浮动式环轴承的一个截面侧视图。
[0028]图7是第三实施例的截面侧视图，示出了根据本发明的锥形半浮动式环轴承。
[0029]图8是图7的放大截面侧视图。
[0030]图9是第三实施例的侧视图，示出了被保持在锁定的不旋转条件下的锥形半浮动式环轴承。
[0031]图10是第四实施例的截面侧视图，示出了半球形半浮动式环轴承。
[0032]图11是第四实施例的侧视图，示出了被保持在锁定的不旋转条件下的半球形半浮动式环轴承。
[0033]图12是第五实施例的截面侧视图，示出了具有多个油供送通路的一个锥形半浮动式环轴承。
[0034]图13是第五实施例的侧视图，示出了该锥形半浮动式环轴承被保持在锁定的不旋转条件下。
[0035]图14是第六实施例的截面侧视图，示出了具有多个油供送通路的一个半球形半浮动式环轴承。
[0036]图15是第六实施例的一个截面侧视图，示出了该半球形半浮动式环轴承被保持在锁定的不旋转条件下。
[0037]图16是位于与壳体供送端口相邻的第一轴向位置处的一个浮动式环轴承的端视图。
[0038]图17是图16的浮动式环轴承在第二轴向位置处的截面端视图，示出了该轴承