一种涡轮增压器可变喷嘴环及其装配方法与流程

本发明属于机械领域，尤其是涉及一种涡轮增压器可变喷嘴环及其装配方法。

背景技术：

涡轮增压器是与内燃式发动机结合使用的装置，用于通过压缩输送到发动机进气口的空气以便与燃料混合并在发动机中燃烧来增大发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中压缩机叶轮和安装在涡轮机壳体中的涡轮。其中，涡轮机壳体与压缩机壳体分开地形成，并且还有另一个中间壳体连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间，用于轴承的安装。涡轮机壳体限定出包围涡轮的大致环形流道。涡轮机组件包括流道通到涡轮中的喷嘴。排气从流道通过该喷嘴流到涡轮，并驱动涡轮转动。涡轮机带动同轴连接的压缩机转动。空气经过压缩机叶轮被压缩，然后从壳体出口连接到发动机进气口。

在利用涡轮增压器来助推发动机性能方面的一个挑战是在发动机的整个工作范围内实现期望大小的发动机功率输出。已经发现，利用固定喷嘴尺寸的涡轮增压器通常不容易达到该目的，因此在对涡轮增压器提供的助推量提供更大程度的控制这一目的的驱使下，已经研发出了可变喷嘴尺寸的涡轮增压器。一种类型的可变尺寸涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括涡轮机喷嘴中的一组可变叶片。这些叶片可转动地安装在喷嘴环中并连接于使得叶片角度能够改变的驱动机构。改变叶片的设定角度对改变涡轮机喷嘴中的有效流动面积具有影响，因此能够通过控制叶片相对位置来调节流向涡轮的排气流动。通过这种方式，能够调节涡轮的功率输出，这使得与利用固定喷嘴尺寸的涡轮增压器所通常能够实现的相比，能够在更大程度上控制发动机功率的输出。

一般地，可变叶片组件包括喷嘴环，该喷嘴环以可以旋转的方式支撑与喷嘴环的一个面临近的叶片。叶片具有延伸穿过喷嘴环中的安装孔的转轴，并且叶片摇臂刚性地固定于该轴体的伸出超过喷嘴环的相反面的端部。因此，能够通过使叶片摇臂旋转而使叶片绕由所述转轴限定的轴线旋转，从而改变叶片的设定角。

可变喷嘴组件另一面由于零部件数量众多，并且加工精度要求极高，装配工艺复杂，产品的可靠性受到了严格考验，目前可变喷嘴技术在柴油机涡轮增压器上应用广泛，但是当面临温度更高的汽油机涡轮增压器时，目前的设计结构已无法保证产品的可靠性及一致性，同时，现有柴油机涡轮增压器上的可变喷嘴环也由于其复杂的工艺导致零部件成本居高不下。

现有叶片组件式的可变喷嘴环设计，其叶片与摇臂均采用分开生产加工，再进行组装，装配采用焊接或者铆接，这种设计结构具有以下缺点：

1、叶片与摇臂分开设计，很大程度上增加了零部件数量，降低了可靠性；

2、叶片与摇臂一般采用焊接或者铆接工艺进行装配，多少个叶片就需要焊接/铆接多少次，增加了装配难度，同时也增加了装配时间，提高了产品的成本；

3、叶片与摇臂的装配角度主要靠工装保证，工装本身存在较大误差，故装配完成后存在叶片与摇臂的角度一致性较差的问题，会导致各叶片开度不一致，从而引起增压器性能波动。

技术实现要素：

本发明提供一种新的结构、工艺都更简单的可变喷嘴组件，通过降低零部件数量，简化零部件生产及装配工艺，达到降低零部件成本，提高零部件可靠性的目的。本发明是通过以下技术方案实现，一种涡轮增压器可变喷嘴环，包括一体成型的叶片组件、喷嘴内环和喷嘴外环；叶片组件的一端为叶片，中间为转轴，另一端为摇臂，摇臂通过转轴带动叶片运动；喷嘴外环套设在喷嘴内环外，使得喷嘴外环的内壁上的半圆形凹槽与喷嘴内环的外壁上的半圆形凹槽组合成圆形通孔；转轴匹配设置在圆形通孔中，叶片和摇臂分别伸出圆形通孔的两端。叶片组件的数量可以根据不同的增压器机型进行匹配计算得出，可以是9个，也可以是11个，或者其他任意合适的数量；同一个涡轮增压器可变喷嘴环上所有叶片组件具有相同的形状及尺寸，各叶片组件装配完成后首尾相连，通过前一个叶片组件尾端与后一个叶片组件的前端之间的开度控制通过的废气量及废气角度。叶片为气流提供导向作用，叶片可以设置为不同的形状，可以为平面，也可以为曲面。叶片的长度及叶片的高度需要根据增压器的进气量计算得出，要使废气对涡轮做功效率最大化。转轴与叶片相连接为一体，为叶片开闭提供转动支撑。优选地转轴呈圆柱状。摇臂为叶片转动提供驱动力，摇臂一端与转轴相连接为一体。

进一步地，转轴依次分为第一段、中间段和第三段；中间段的外径小于第一段的外径和第三段的外径。因为转轴对直径尺寸精度要求很高，需要进行精确加工处理，中间段设计为小径段可以减少转轴的加工工作量，降低加工成本，同时，还可以通过减少转轴与圆形通孔的接触面积来减小摩擦力损失。喷嘴内环的半圆形凹槽直径略大于转轴的第一段和第三段的直径，并与喷嘴外环的半圆形凹槽直径相同，两个半圆形凹槽(即一个喷嘴内环的半圆形凹槽和一个喷嘴外环的半圆形凹槽)装配完成后会形成一个圆形通孔，用于叶片组件转动支撑。

进一步地，摇臂与转轴相连的部位的外径小于转轴第三段的外径，从而保证安装方便。优选地，转轴第一段的外径和转轴第三段的外径相等。

进一步地，摇臂两端之间采用平面体连接并光滑过渡。

进一步地，叶片组件通过铸造进行一体制作而成。也可以是其他合适的方法。叶片组件各部件采用相同的材质制成，目的是保证叶片组件的强度。

进一步地，还包括同步环；摇臂与转轴连接的那一端朝内，摇臂的另一端朝外；摇臂设置在同步环的内壁的凹槽中，使得摇臂能够随同步环转动而运动，从而驱动叶片运动。

进一步地，还包括插入件和间隔套；插入件通过间隔套与喷嘴外环连接；间隔套依次分为第一间隔套段、第二间隔套段和第三间隔套段；第二间隔套段的外径大于第一间隔套段的外径和第三间隔套段的外径；插入件上设置有与第一间隔套段的外径匹配的孔洞供第一间隔套段插入；喷嘴外环上设置有与第三间隔套段的外径匹配的孔洞供第三间隔套段插入；叶片设置在第二间隔套段与插入件、喷嘴外环围成的空间中，且叶片能够在该空间运动。该空间的大小刚好够叶片运动即可。喷嘴外环朝向叶片的一面是平面，主要是与叶片底部配合，并通过两个平面(即喷嘴外环朝向叶片的一面和插入件朝向叶片的一面)的间隙大小(即第二间隔套段与插入件、喷嘴外环围成的空间大小)控制废气从该间隙的泄漏量。如果间隙比较大，废气泄漏量比较多，导致涡轮效率降低，在叶片关闭时尤为明显，如果间隙比较小，会存在高温下因膨胀而导致卡滞，从而功能失效。合适的间隙范围在0.1～0.2mm。间隔套的主要作用是为插入件提供支撑，保证插入件与喷嘴外环和喷嘴内环之间的间隙。

进一步地，插入件上设置有活塞环。方便与涡轮增压器的其他部件密封连接。插入件位于叶片与涡轮增压器的涡壳之间。其中，插入件朝向叶片的一端呈圆盘状，为叶片提供密封及轴向保护，并且与叶片的上端面之间有一定的间隙，防止因高温膨胀导致叶片卡滞。插入件背向叶片的一端设计为圆筒状，并且该圆筒状结构插入涡壳的圆筒形的排气孔中。活塞环设置在插入件上插入涡壳排气筒中的部分上，用于减少插入件和涡壳之间间隙导致的废气泄露。活塞环的数量是1道或者多道。当为多道时，其轴向排列在插入件上插入涡壳排气筒中的部分上。优选为两道。

进一步地，间隔套的数量是≥3个。优选3-5个。

进一步地，喷嘴外环的内壁上设置有外环凸台，与喷嘴内环的外壁上设置的内环凸台在轴向上匹配相接，使得喷嘴内环通过内环凸台和外环凸台向喷嘴外环提供轴向上的支撑力。外环凸台设置在喷嘴外环朝向摇臂的一面，为环形。该外环凸台的内径与喷嘴外环的内径相同，外环凸台的外径要略大于喷嘴外环的半圆形凹槽的最大径向尺寸，即外环凸台要完全包含喷嘴外环的半圆形凹槽；该外环凸台主要作用是为摇臂提供轴向支撑定位，并且通过减小接触面积降低摇臂与喷嘴外环之间的摩擦损失。内环凸台设置在喷嘴内环朝向摇臂的一面，为环形。

进一步地，喷嘴内环朝向叶片的一面的内壁上设置有隔热罩定位凸台，隔热罩定位凸台为环形。隔热罩定位凸台用于当喷嘴内环装配到涡轮增压器时，由隔热罩通过该隔热罩定位凸台为喷嘴内环提供轴向支撑。

进一步地，内环凸台与外环凸台相接的平面到喷嘴内环朝向叶片的一面的距离(H1)，要小于外环凸台与内环凸台相接的平面到喷嘴外环朝向叶片的一面的距离(H2)。从而防止叶片在转动过程中与喷嘴内环产生干涉，并且可以降低喷嘴内环对气流的影响。

进一步地，叶片朝向摇臂的端面与摇臂朝向叶片的端面之间的间距(H3)，要大于外环凸台与内环凸台相接的平面到喷嘴外环朝向叶片的一面的距离(H2)，优选是略大于。如此，才可以保证叶片组件成功安装到喷嘴外环上，并且在转动过程中不会因为高温膨胀而卡滞。

进一步地，叶片组件的数量是8-16个；喷嘴外环的内壁上的半圆形凹槽和喷嘴内环的外壁上的半圆形凹槽的数量均与叶片组件的数量相同。同步环上有与叶片数量相等并且与摇臂末端配合的凹槽，用于驱动叶片摇臂同步运动。

进一步地，摇臂与转轴相连的部位的外径小于转轴第三段的外径，从而保证安装方便。如下所述，由于摇臂与转轴相连的部位的外径小于转轴第三段的外径才使得步骤二中喷嘴内环能够由喷嘴外环的摇臂配合端插入，否则内环凹槽无法通过摇臂与转轴相连的部位。摇臂两端之间采用平面体连接并光滑过渡。

本发明还公开了一种如上所述的涡轮增压器可变喷嘴环的装配方法，包括以下步骤：

步骤一、将叶片组件装配到喷嘴外环上的半圆凹槽上，使得摇臂朝向外侧；

步骤二、将喷嘴内环由喷嘴外环的摇臂配合端插入，直到喷嘴内环的内环凸台与喷嘴外环的外环凸台相接触，且使得喷嘴内环的半圆凹槽与喷嘴外环的半圆凹槽对齐组成圆形通孔；

步骤三、安装间隔套和插入件；

步骤四、安装同步环；

步骤三和步骤四不存在先后顺序。

进一步地，步骤三具体为将间隔套的第三间隔套段插入到喷嘴外环上与第三间隔套段的外径匹配的孔洞中，然后再将间隔套的第一间隔套段插入到插入件上与第一间隔套段的外径匹配的孔洞中。

其有益效果是：

1、叶片、转轴与摇臂采用一体生产再机加工的设计方法，为一体成型的叶片组件，取消了单独的摇臂设计，减少了零部件数量，提高了整体的可靠性。

2、喷嘴环设计为喷嘴内环和喷嘴外环两部分，用于一体式叶片组件的装配，结构简单，装配方便。

3、可变喷嘴环叶片与摇臂的角度和间隙主要通过模具和机加工保证，相对于装配工装一致性更好。

4、为减少精确机加工的工作量，转轴的中间段设计不需要机加工的小径段，转轴的两端设计需要加工的大径段。

附图说明

图1是本发明的涡轮增压器可变喷嘴环的结构分解示意图一。

图2是本发明的叶片组件的结构示意图。

图3是本发明的叶片组件的剖切结构示意图。

图4是本发明的喷嘴外环的结构示意图一。

图5是本发明的喷嘴外环的结构示意图二。

图6是本发明的喷嘴内环的结构示意图一。

图7是本发明的喷嘴内环的结构示意图二。

图8是本发明的喷嘴内环与喷嘴外环装配局部放大的结构示意图。

图9是本发明的涡轮增压器可变喷嘴环的结构分解示意图二。

图10是本发明的叶片组件与喷嘴外环装配的结构示意图。

图11是本发明的喷嘴内环装配到叶片组件与喷嘴外环上的结构示意图。

图12是本发明的涡轮增压器可变喷嘴环的剖切结构示意图。

图13是可变喷嘴涡轮增压器总成剖切结构示意图。

图14是可变喷嘴涡轮增压器涡端剖切结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1示出了本发明的一个具体实施例。在该实施例中，涡轮增压器可变喷嘴环包括插入件1、叶片组件2、喷嘴外环3、喷嘴内环4、同步环5和间隔套6。插入件1上设置有2道活塞环11。叶片组件2为一体成型的结构，其一端是叶片21，中间是转轴22，另一端是摇臂23。本实施例中的涡轮增压器可变喷嘴环包括11个相同的叶片组件2。在不同的涡轮增压器可变喷嘴环中，叶片组件的数量可以有所不同，不限于11个。如图1所示，转轴22在内，摇臂23向外。

插入件1朝向叶片21的一端呈圆盘状，为叶片21提供密封及轴向保护，并且与叶片21的上端面之间有一定的间隙，防止因高温膨胀导致叶片卡滞。插入件1背向叶片21的一端设计为圆筒状，2道活塞环11轴向排列在插入件1的该圆筒状结构上。

喷嘴外环3的内壁上的半圆形凹槽31与喷嘴内环4的外壁上的半圆形凹槽41组合成圆形通孔。转轴22匹配设置在圆形通孔中，叶片21和摇臂23分别外露在圆形通孔的两端。转轴22的数量与圆形通孔的数量相同。

摇臂23与转轴22连接的那一端朝内，摇臂23的另一端朝外。同步环5的内壁上设置有用于与摇臂23匹配的凹槽51，摇臂23的尾端设置在其中。当同步环5转动时带动摇臂23转动，通过转轴22带动叶片21转动，从而调整叶片角度，调节流向涡轮的排气流动。

间隔套6依次分为第一间隔套段61、第二间隔套段62和第三间隔套段63，如图12所示。第二间隔套段62的外径大于第一间隔套段61的外径和第三间隔套段63的外径。插入件1上设置有与第一间隔套段61的外径匹配的孔洞13(如图9所示)供第一间隔套段61插入；喷嘴外环3上设置有与第三间隔套段63的外径匹配的孔洞32(如图4所示)供第三间隔套段63插入。叶片21设置在第二间隔套段62与插入件1、喷嘴外环3围成的空间中。叶片21并非卡死在该空间，而是能够在该空间运动。

图2和3示出了叶片组件2的一个具体实施方式。转轴22依次分为第一段24、中间段25和第三段26。中间段25的外径小于第一段24的外径和第三段26的外径。第一段24的外径和第三段26的外径相等。摇臂与第三段26的相接部分27的外径小于第三段26的外径。第一段24与叶片21连接。叶片组件2整体为铸造或其他方式打造的一体成型结构。

图4和5分别主要示出了喷嘴外环3朝向和背向叶片的那一面的结构。图6和7分别主要示出了喷嘴内环4朝向和背向叶片的那一面的结构。如图4-7所示，喷嘴外环3的内壁上设置有外环凸台33，与喷嘴内环4的外壁上设置的内环凸台43在轴向上匹配相接，使得喷嘴内环4向喷嘴外环3提供轴向上的支撑力。外环凸台33设置在喷嘴外环3朝向摇臂的一面(即背向叶片的那一面)，为环形。外环凸台33的内径与喷嘴外环3的内径相同，外环凸台33的外径要略大于喷嘴外环3的半圆形凹槽31的最大径向尺寸，即外环凸台33要完全包含喷嘴外环3的半圆形凹槽31；外环凸台33主要作用是为摇臂提供轴向支撑定位，并且通过减小接触面积降低摇臂与喷嘴外环3之间的摩擦损失。内环凸台43设置在喷嘴内环4朝向摇臂的一面(即背向叶片的那一面)，为环形，其外径为喷嘴内环4的最大外径。喷嘴内环4朝向叶片的一面的内壁上设置有隔热罩定位凸台42，为环形。隔热罩定位凸台42用于当喷嘴内环装配到涡轮增压器时，由隔热罩106通过隔热罩定位凸台42为喷嘴内环4提供轴向支撑，如图14所示。

图8示出了喷嘴内环4与喷嘴外环3装配的局部放大结构。内环凸台43与外环凸台33相接的平面到喷嘴内环4朝向叶片21的一面的距离H1，要小于外环凸台33与内环凸台43相接的平面到喷嘴外环3朝向叶片21的一面的距离H2。这有利于防止叶片在转动过程中与喷嘴内环产生干涉，并且可以降低喷嘴内环对气流的影响。如图12所示，叶片21朝向摇臂23的端面与摇臂23朝向叶片21的端面之间的间距H3，要略大于外环凸台与内环凸台相接的平面到喷嘴外环朝向叶片的一面的距离H2。如此，才可以保证叶片组件2成功安装到喷嘴外环3上，并且在转动过程中不会因为高温膨胀而卡滞。

装配过程如图9-12所示，包括以下步骤：

步骤一、将叶片组件2装配到喷嘴外环3上的半圆凹槽上，使得摇臂23朝向外侧，如图10所示。

步骤二、将喷嘴内环4由喷嘴外环3的摇臂23配合端插入，直到喷嘴内环4的内环凸台与喷嘴外环3的外环凸台相接触，且使得喷嘴内环4的半圆凹槽与喷嘴外环3的半圆凹槽对齐组成圆形通孔，如图11所示。

步骤三、安装间隔套6和插入件1。将间隔套6的第三间隔套段插入到喷嘴外环3上与第三间隔套段的外径匹配的孔洞中，然后再将间隔套6的第一间隔套段插入到插入件1上与第一间隔套段的外径匹配的孔洞中。

步骤四、安装同步环5，从而得到了组装好的涡轮增压器可变喷嘴环，如图12所示。

步骤三和步骤四不存在先后顺序。

图13和14示出了涡轮增压器可变喷嘴环在涡轮增压器中的位置，图中A区域圈出了本发明的涡轮增压器可变喷嘴环的大体位置。从图中可以看出涡轮增压器包括涡轮增压器可变喷嘴环、涡轮100、涡壳101、中间壳102、压壳104、压轮103、隔热罩106和压装弹簧105。涡壳100的环形流道接收来自发动机的废气，环形的涡轮增压器可变喷嘴环设置在涡轮增压器流道与涡轮100之间，将涡壳流道内的废气引导吹向涡轮100，并且可以调整气流吹向涡轮100的角度，从而调节涡轮100的做功效率。涡轮100带动同轴的压轮103对发动机进气压缩做功。

以上详细描述了本发明的一个具体实施方式，仅为了说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。