采用滚珠轴承涡轮增压器降低气动间隙的方法
【专利摘要】与涡轮增压器系统一起使用的产品和方法包括具有轴的壳体，该轴由所述壳体旋转地支撑。所述轴在轴向方向上延伸。轴承组件在所述壳体中支撑所述轴。叶轮连接至所述轴且相对于所述壳体旋转。在轴向方向上所述叶轮与所述壳体之间限定间隙开口。止推垫圈与所述轴承组件相接合。所述止推垫圈具有外圆周且相对于所述壳体是移动的。高效垫圈绕着所述止推垫圈的外圆周设置且通过限定所述止推垫圈在轴向方向上相对于所述壳体移动的空间来确定所述间隙开口。
【专利说明】
采用滚珠轴承涡轮増压器降低气动间隙的方法
技术领域
[0001]本发明通常涉及的领域包括与内燃机一起使用的涡轮增压器系统，且具体地包括用于处理气动间隙的涡轮增压器设计和结构。
【背景技术】
[0002]与内燃机一起使用的涡轮增压器可典型地包括可由涡轮机或其它旋转传递装置驱动的压缩机。涡轮机可具有通过公共轴连接至压缩机叶轮的叶轮，该叶轮由轴承支撑用于旋转。该轴承可设置在位于涡轮机和压缩机之间的壳体内。该轴、涡轮机叶轮与压缩机叶轮可以以接近每分钟成千上万转的速度旋转。此外，该涡轮机可能暴露于高温排放气体并且所得到的热量会传递至其它系统部件。在这些苛刻的并且要求越来越高的运行条件下，期望涡轮增压器的寿命与其一起运行的发动机的寿命相匹配。为了完成这个挑战，涡轮增压器以及其部件的设计必须按预期强健生存，同时仍然符合成本效益且有竞争力。
【发明内容】
[0003]根据多个变型例，与涡轮增压器系统一起使用的产品可包括壳体，该壳体具有由壳体可旋转支撑的轴。该轴可在轴向方向上延伸。在壳体内轴承组件可支撑该轴。叶轮可以连接至轴并且可以相对于壳体旋转。间隙开口可在轴向方向上限定于叶轮和壳体之间。止推垫圈可与轴承组件相接合。止推垫圈可以具有外圆周并且相对于壳体是移动的。高效垫圈可以绕着止推垫圈的外圆周设置，并且可通过限定止推垫圈相对于壳体在轴向方向上运动的空间来确定间隙开口。
[0004]许多其它变型例可包括提高涡轮增压器组件效率的方法，该涡轮增压器组件具有在壳体上支撑转子的滚珠轴承组件。该转子可由压缩机叶轮、涡轮机叶轮以及将压缩机叶轮连接至涡轮机叶轮的轴组成。止推垫圈可固定至滚珠轴承组件。在止推垫圈和壳体的第一表面之间可提供有第一变化空间。该第一空间可填充润滑剂。防旋转垫片可抵靠高效垫圈固定在壳体中，以使得防旋转垫片的第二表面通过高效垫圈定位在与第一表面相对的止推垫圈的一侧上，以限定止推垫圈与第二表面之间的第二变化空间。该第二表面可填充润滑剂。高效垫圈可设置有选定厚度。第一表面与第二表面之间的距离可以设置成用于限制止推垫圈相对于壳体的移动，该距离由高效垫圈的厚度来设置。
[0005]本发明范围内的其它示例性变型例将在本文提供的详细描述中变得显而易见。应该理解的是，虽然公开了本发明的范围内的变型例，但详细的说明和具体的实例仅旨在用于说明的目的而并非旨在限定本发明的范围。
【附图说明】
[0006]通过详细说明和附图将更加充分地理解本发明范围内的变型例的选择实例，其中:
[0007]图1为根据多个变型例的具有气动间隙控制的涡轮增压器组件的一部分的截面示意图。
[0008]图2为根据多个变型例的具有气动间隙控制的涡轮增压器组件的一部分的局部示意图。
【具体实施方式】
[0009]图1示出了在压缩机叶轮12的区域内的涡轮增压器组件的一部分。压缩机叶轮12可连接至可由涡轮机叶轮18驱动的轴16，如图2所示。称为轴承壳体20的中心壳体可设置在压缩机叶轮12与涡轮机叶轮18之间并且可通过轴承组件22来支撑轴16。轴承组件22可以为滚珠轴承类型，并且可以包括与轴16相接合的内座圈24以与之一起旋转，并且可包括与轴承壳体20相接合的外座圈26，外座圈26相对于轴承壳体20通常为旋转固定。内座圈24可由可以是滚珠28的多个滚动元件旋转地支撑在外座圈26上。轴承组件22可以利用由润滑管路30供应的润滑剂实现润滑。内座圈和外座圈可以在轴承壳体20内以一个受控量一起轴向地和径向地移动。
[0010]包括压缩机叶轮12、轴16和涡轮机叶轮18的转子组件可具有通常以一定的变化绕轴21旋转的中心。轴向方向是沿着平行于轴21或在轴21上的线。轴向方向25是在指向轴21或远离轴21且通常与轴21成九十度的线上。压缩机叶轮12和涡轮机叶轮18可具有位于叶轮与压缩机以及涡轮机的端部壳体段19、23(图2中示出)之间的气动间隙，为了效率而优选地将该气动间隙最小化。图2中还示出了，压缩机叶轮12可具有径向气动间隙32、朝向轴承壳体20的轴向气动间隙34，以及朝向压缩机端部壳体段19的轴向气动间隙33。类似地，涡轮机叶轮18可具有径向气动间隙36、朝向轴承壳体20的轴向气动间隙38和朝向涡轮机端部壳体段23的轴向气动间隙37。维持致密间隙控制的能力是组件的各个元件的因素，各个元件接合在一起以尤其相对于端部壳体段19、23来定位旋转叶轮12、18。气动间隙控制可为叶轮效率最大化的重要因素。
[0011]如图1所示，轴承壳体20可具有中心孔42，在该中心孔内可接收轴承组件22的外座圈26。在外座圈26的外表面41与由轴承壳体20形成的中心孔42的壁43之间可提供近似
0.050毫米的间隙。润滑管路30可包括轴向孔44，多个径向孔46在轴向孔44与中心孔42之间延伸。因而在壁43与外座圈26之间可提供油膜以提供外座圈26与轴承壳体20之间的挤压膜振动阻尼。
[0012]外座圈26可具有由轴向延伸表面50形成的环状肩部48，并且可具有径向延伸表面51。环状凹槽可由轴向延伸表面50邻近于径向延伸表面51形成。止推垫圈54可定位在肩部48并抵靠着径向延伸表面51。环状凹槽56可形成在外座圈26的外表面41中并且邻近于肩部48。卡环58可定位于凹槽56中并且将止推垫圈54固定在肩部48上并抵靠着径向延伸表面51，以使得外座圈26和止推垫圈54—起移动。止推垫圈54可将轴向负荷从外座圈26转移至轴承壳体20的径向延伸表面60或防旋转垫片76的表面61。在每一种情况中，在止推垫圈与表面60、61之间提供有间隙，该间隙可填充有润滑油以在轴承组件22与轴承壳体20之间提供挤压膜阻尼。
[0013]内座圈24可配合至轴16以使得所述两者一起旋转。内座圈24可相对于轴16由抵靠着压缩机叶轮12定位的挡液环62定位，以使得内座圈24和挡液环62可如图2中示出般朝轴件上的肩部被夹持。
[0014]挡液环62可具有中空圆柱段64以及径向突起挡液段65，轴16通过该中空圆柱段实现配合。圆柱段64的端部67可抵靠着内座圈24定位，且端部68可抵着压缩机叶轮12定位。挡液段65可具有包括通常可径向指向里的角度环状表面72的径向延伸段70。挡液环62也随着轴16旋转。
[0015]一系列元件可固定至轴承壳体20并且可包括高效垫圈74、防旋转垫片76和插入件78。插入件78可包括周向壁79和由径向延伸壁80连接至周向壁79的分开的轴向延伸壁82。周向壁79可配合在位于轴承壳体20中的开口 92中并且可在其外表面中包括环状凹槽93。密封件89可定位于凹槽93中。轴向延伸壁82可绕着挡液环62的圆柱段64设置。圆柱段64可包括凹槽84，其可包括设置在相对旋转表面之间的活塞型密封环86。轴向延伸壁82可终止于弧形段87，其具有径向面朝外的环状脊部88和通常面朝外且与挡液环62的角度环状表面72配接的角度表面90。
[0016]插入件78可由卡环94固定在开口 92中，所述卡环94可被卡到位于轴承壳体20中的凹槽95中。周向壁79可抵靠着防旋转垫片76被定位。防旋转垫片76可固定在开口 92中并且可具有与外座圈26的平坦表面98相对齐的平坦表面97以固定外座圈26以防止其旋转，但是具有间隙以允许外座圈26径向漂浮在位于其外圆周周围的油膜中。防旋转垫片76的表面61可抵靠着高效垫圈74被定位。高效垫圈74可为环状并且可绕着止推垫圈54的外圆周被定位。高效垫圈74可被夹持在防旋转垫片76的表面61与轴承壳体20的径向延伸表面60之间。在高效垫圈74与防旋转垫片76或轴承壳体20之间不需要提供间隙空间。高效垫圈74因而将防旋转垫片76定位在适当位置。表面61相对于壳体表面60的定位在维持旋转元件的轴向定位中是至关重要的，且因此在定位防旋转垫片76、尤其是其表面61中，维持致密间隙的能力很重要。在这方面，高效垫圈74限定了表面60与表面61之间的距离。
[0017]高效垫圈可以包括地面表面，该地面表面允许厚度公差为+0.010毫米或-0.010毫米。这种精确的特性意味着旋转特征件可以在轴向方向上精确地定位。因此，压缩机叶轮12和涡轮机叶轮18的轴向气动间隙与现有组件相比可以被减小。在止推垫圈54与防旋转垫片76以及高效垫圈74之间可提供有小于0.10毫米的间隙，以确保外座圈26的径向移动来减少轴承组件22与轴承壳体20之间的振动传输。更具体地，当旋转元件在压缩机叶轮12的方向上施加轴向力时，肩部48可引起止推垫圈54通过油膜施加力至防旋转垫片76的表面61上。该力通过防旋转垫片传输至插入件78，然后通过卡环94传输至轴承壳体20。当旋转元件在涡轮机叶轮18的方向上施加轴向力时，该力通过止推垫圈卡环58传输至止推垫圈54中，然后通过油膜传输至表面60上和轴承壳体20中。通过在定位表面61中保持紧密间隙，旋转元件的端隙可被减小并且在压缩机叶轮12和涡轮机叶轮18处的轴向气动间隙可被减小。
[0018]通过变型例，包括本文所描述的产品和方法，可精确控制压缩机叶轮12和涡轮机叶轮18的轴向气动间隙33、37。对变型例的描述仅是说明部件、元件、动作、产品和方法，被认为是在本发明的范围之内而不以任何方式通过具体公开的或没有明确阐述来意图限制本发明的范围。本文所描述的部件、元件、动作、产品可以是结合的并重新布置的，而不是如本文所明确说明的，并仍然被认为是在本发明的范围内。
[0019]变型例的以下描述在本质上仅仅是说明性的，并且不以任何方式意图限制本发明的范围、其应用或用途。
[0020]变型例I可包括与涡叶轮增压器系统一起使用的产品，并且可包括具有轴的壳体，该轴由壳体旋转地支撑。该轴可在轴向方向上延伸。轴承组件可在壳体中支撑轴。叶轮可以连接至轴并且可相对于壳体旋转。间隙开口可在轴向方向上限定在叶轮和壳体之间。止推垫圈可以与轴承组件接合。止推垫圈可以具有外圆周并且可以相对于壳体移动。高效垫圈可以绕着止推垫圈的外圆周设置并且可以通过限定止推垫圈在轴向方向上相对于壳体移动的空间来确定间隙开口。
[0021]变型例2可包括根据变型例I的产品，其中，防旋转垫片可接合在轴和高效垫圈之间。防旋转垫片可以相对于壳体抑制轴承组件的至少一部分的旋转。
[0022]变型例3可包括根据变型例2的产品，其中，插入件可接合在壳体和轴之间。插件可以在轴向方向上在保持器和防旋转垫片之间固定在壳体中。
[0023]变型例4可包括根据变型例3的产品，其中，挡液环可以固定至轴并且可接合插入件。挡液环可以相对于插入件旋转。
[0024]变型例5可以包括根据变型例I至4中任一变型例的产品，其中，轴承组件可包括通过多个滚动元件来支撑内座圈的外座圈。轴承组件的移动可以在轴向方向上由防旋转垫片的位置来限定。
[0025]变型例6可以包括根据变型例I至5中任一变型例的产品，并且可包括覆盖叶轮的壳体的端部段。间隙开口可位于压缩机叶轮和端部段之间。
[0026]变型例7可包括提高涡轮增压器组件的效率的方法，该涡轮增压器具有在壳体上支撑转子的滚珠轴承组件。该转子可由压缩机叶轮、涡轮机叶轮以及将压缩机叶轮连接至涡轮机叶轮的轴组成。止推垫圈可以固定至滚珠轴承组件。在止推垫圈和壳体的第一表面之间可设有第一变化空间。该第一表面可填充润滑剂。防旋转垫片可被固定在壳体中且抵靠着高效垫圈，以使得防旋转垫片的第二表面通过高效垫圈被定位在与第一表面相对的止推垫圈的一侧上，以限定止推垫圈和第二表面之间的第二变化空间。该第二表面可填充润滑剂。高效垫圈可提供有选定厚度。可以设置第一和第二表面之间的距离以限制止推垫圈相对于壳体的移动，该距离由高效垫圈的厚度来设置。
[0027]变型例8可包括根据变型例7的方法，其中，高效垫圈可以具有开口中心。止推垫圈可定位在开口中心。
[0028]变型例9可包括根据变型例7或8的方法，并且可以包括防旋转垫片，该防旋转垫片可以接合滚珠轴承组件以限制滚珠轴承组件的至少一个部分的旋转。高效垫圈可夹持在防旋转垫片和壳体之间。
[0029]变型例10可包括根据变型7至9中任一变型例的方法，且可包括在防旋转垫片和壳体之间夹持高效垫圈，以使得高效垫圈直接抵靠着防旋转垫片和壳体被定位。
[0030]变型例11可包括根据变型7至10任个变型例的方法，其中，将高效垫圈进行磨削以将其厚度设置在约-0.0lOmm至+0.0lOmm的公差内。
[0031]变型例12可包括与内燃机一起使用的涡轮增压器组件，并且可包括具有第一表面、压缩机端部段和涡轮机端部段的壳体。轴可穿过壳体的至少一部分在轴向方向延伸。该轴可具有第一端部和第二端部。压缩机叶轮可连接至靠近第一端部的轴。第一轴向间隙可限定在压缩机叶轮和壳体的压缩机端部之间。涡轮机叶轮可连接至靠近第二端部的轴。第二轴向间隙可限定在涡轮机叶轮和壳体的涡轮机端部之间。轴承组件可具有外座圈和内座圈。该轴承组件可被定位在壳体中，并支撑轴。该轴可延伸穿过内座圈。止推垫圈可固定至外座圈。该止推垫圈可具有第一侧和第二侧。第一侧可在轴向方向上面朝第一表面。高效垫圈可具有开口中心且止推垫圈可定位在开口中心中。防旋转垫片可具有第二表面。防旋转垫片可定位在壳体中且与外座圈相接合以抑制外座圈的旋转。防旋转垫片的第二表面可抵靠着高效垫圈被夹持，以与第一表面间隔开的关系设置第二表面的位置。第一表面和第二表面可在轴向方向上间隔开一定距离。该距离可等于高效垫圈的厚度。止推垫圈的第二侧可在轴向方向上面朝第二表面。
[0032]变型例13可包括根据变型例12的涡轮增压器组件，并且可包括接合在壳体和轴之间的插入件。该插入件可在轴向方向上保持件和防旋转垫片之间固定在壳体中。插入件、防旋转垫片和高效垫圈可夹持在保持件和第一表面之间。
[0033]变型例14可包括根据变型例12或13的涡轮增压器组件，其中，油膜可定位在止推垫圈的第一侧和第一表面之间，以及止推垫圈的第二侧和第二表面之间。该油膜可抑制轴承组件和壳体之间的振动。
[0034]变型例15可包括根据变型例12至14任一变型例涡轮增压器组件，其中，高效垫圈可具有公差在约_0.0lOmm至+0.010mm之内的厚度。
[0035]本发明范围内的选择变型例的以上描述在本质上仅仅是说明性的，并且，因此，其的变型或变体不应被认为是脱离了本发明的精神和范围。
【主权项】
1.一种与涡轮增压器系统一起使用的产品，其包括: 壳体； 轴，所述轴由所述壳体旋转地支撑，所述轴在轴向方向上延伸； 轴承组件，所述轴承组件在所述壳体中支撑所述轴； 叶轮，所述叶轮连接至所述轴且相对于所述壳体旋转，其中，在所述轴向方向上所述叶轮与所述壳体之间限定间隙开口 ； 止推垫圈，所述止推垫圈与所述轴承组件相接合，所述止推垫圈具有外圆周，所述止推垫圈相对于所述壳体移动； 高效垫圈，所述高效垫圈绕着所述止推垫圈的所述外圆周设置，所述高效垫圈通过限定所述止推垫圈在所述轴向方向上相对于所述壳体移动的空间来确定所述间隙开口。2.根据权利要求1所述的产品，还包括防旋转垫片，所述防旋转垫片接合在所述轴和所述高效垫圈之间，所述防旋转垫片抑制所述轴承组件的至少一部分相对于所述壳体的旋转。3.根据权利要求2所述的产品，还包括插入件，所述插入件接合在所述壳体和所述轴之间，所述插入件在所述轴向方向上保持件和所述防旋转垫片之间固定在所述壳体中。4.根据权利要求3所述的产品，还包括挡液环，所述挡液环固定至所述轴上并且接合所述插入件，其中，所述挡液环相对于所述插入件旋转。5.根据权利要求1所述的产品，其中，所述轴承组件包括外座圈，所述外座圈通过多个滚动元件支撑内座圈，并且其中所述轴承组件在所述轴向方向上的移动由所述防旋转垫片的位置来限制。6.根据权利要求1所述的产品，还包括覆盖所述叶轮的所述壳体的端部段，并且其中所述间隙开口位于所述叶轮和所述壳体的端部段之间。7.一种提高涡轮增压器组件效率的方法，所述涡轮增压器组件具有在壳体上支撑转子的滚珠轴承组件，所述转子由压缩机叶轮、涡轮机叶轮以及将所述压缩机叶轮连接至所述涡轮机叶轮上的轴组成，所述方法包括: 将止推垫圈固定至所述滚珠轴承组件； 在所述止推垫圈和所述壳体的第一表面之间提供有第一变化空间； 用润滑剂填充所述第一空间； 提供具有选定厚度的尚效塾圈； 在所述壳体中抵靠着所述高效垫圈固定防旋转垫片，以使得所述防旋转垫片的第二表面由所述高效垫圈定位在所述第一表面相对的所述止推垫圈的一侧上，以在所述止推垫圈和所述第二表面之间限定第二变化空间； 将润滑剂填充所述第二表面；以及 设置所述第一和第二表面之间的距离以限制所述止推垫圈相对于所述壳体的移动，所述距离由所述高效垫圈的厚度设置。8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤:为所述高效垫圈提供中心开口，且将所述止推垫圈定位在所述中心开口。9.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤:提供与所述滚珠轴承组件接合的防旋转垫片以限制所述滚珠轴承组件的至少一部分的旋转，并且将所述高效垫圈夹持在所述防旋转垫片和所述壳体之间。10.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤:将所述高效垫圈夹持在所述防旋转垫片和所述壳体之间，以使得所述高效垫圈定位成直接抵靠着所述防旋转垫片和所述壳体。11.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤:将所述高效垫圈进行磨削以将其厚度设置在约为_0.0lOmm至+0.010mm的公差之内。12.一种与内燃机一起使用的涡轮增压器组件，其包括: 壳体，所述壳体具有第一表面、压缩机端部段以及涡轮机端部段； 轴，所述轴延伸穿过所述壳体的至少一部分，所述轴在轴向方向上延伸，所述轴具有第一端部和第二端部； 压缩机叶轮，所述压缩机叶轮连接至靠近所述第一端部的轴，其中，在所述压缩机叶轮和所述压缩机端部段之间限定第一轴向间隙； 涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮连接至靠近所述第二端的轴，其中，在所述涡轮机叶轮和所述涡轮机端部段之间限定第二轴向间隙； 轴承组件，所述轴承组件具有外座圈和内座圈，所述轴承组件定位在所述壳体中并支撑所述轴，其中，所述轴延伸穿过所述内座圈； 止推垫圈，所述止推垫圈固定至所述外座圈，所述止推垫圈具有第一侧和第二侧，所述第一侧在所述轴向方向上面向所述第一表面； 高效垫圈，所述高效垫圈具有中心开口，其中，所述止推垫圈定位在所述中心开口中； 防旋转垫片，所述防旋转垫片具有第二表面，所述防旋转垫片定位在所述壳体中，所述防旋转垫片接合所述外座圈以抑制所述外座圈的旋转，并且所述防旋转垫片的所述第二表面抵靠着所述高效垫圈受到夹持，以与所述第一表面相隔开的关系设置所述第二表面的位置，所述第一和第二表面在所述轴向方向上隔开一定距离，所述距离等于所述高效垫圈的厚度； 其中，所述止推垫圈的所述第二侧在所述轴向方向上面向所述第二表面。13.根据权利要求12所述涡轮增压器组件，还包括插入件，所述插入件接合在所述壳体和所述轴之间，所述插入件在所述轴向方向上在保持件与所述防旋转垫片之间固定在所述壳体中，以使得所述插入件、所述防旋转垫片以及所述高效垫圈夹持在所述保持件和所述第二表面之间。14.根据权利要求12所述的涡轮增压器组件，其中，油膜定位在所述止推垫圈的第一侧和所述第一表面之间以及所述止推垫圈的第二侧和所述第二表面之间，以使得油膜抑制所述轴承组件和所述壳体之间的振动。15.根据权利要求12所述的涡轮增压器组件，其中，所述高效垫圈具有公差在约-.0.010mm至+0.010mm之内的厚度。
【文档编号】F01D11/00GK105888738SQ201610077553
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】T·豪斯
【申请人】博格华纳公司