1.本公开总体上涉及涡轮机械，并且更特别地涉及具有滚子元件轴承布置的涡轮机械。
背景技术：
2.各种轴承系统提供用于支撑外壳内的轴的旋转。例如，涡轮机械(例如，涡轮增压器、增压器、机动涡轮机械、涡轮发电机等)可以包括一个或多个滚子元件轴承。这些轴承优选地跨越各种各样的操作条件并贯穿长的操作寿命支撑轴的高效旋转。
3.然而，以高精度和精确度制造和组装涡轮机械是困难的。例如，将涡轮机械的零件制造成高公差可能是低效和成本高昂的。此外，利用这些零件组装旋转组并将其支撑在滚子元件轴承上以在外壳内旋转可能是低效和成本高昂的。
4.因此，希望提供一种具有支撑在滚子元件轴承上的旋转组的涡轮机械，该旋转组可以使用提供高效率和降低的成本的制造系统和方法来制造和/或与滚子元件轴承一起组装。结合附图和本背景讨论，本公开的其它期望的特征和特性将从随后的详细描述和所附权利要求书变得显而易见。
技术实现要素：
5.在一个实施例中，公开了一种涡轮机械，其包括外壳和旋转组，该旋转组包括轴和接纳该轴的中间套筒。涡轮机械还包括具有第一轴承和第二轴承的轴承布置，该第一轴承和第二轴承包括滚子元件并支撑旋转组以相对于外壳围绕旋转轴线旋转。第一轴承和第二轴承设置在中间套筒的相对轴向端部上。第一轴承具有第一内座圈，该第一内座圈具有第一内径向表面和第一外径向表面。第一内径向表面具有与轴的第一过盈配合。第一外径向表面具有与中间套筒的第二过盈配合。第二轴承具有第二内座圈，该第二内座圈具有第二内径向表面和第二外径向表面。第二内座圈以间隙配合接纳轴。第二外径向表面具有与中间套筒的第三过盈配合。第二内座圈经由中间套筒和第一内座圈的同轴对齐而与第一内座圈和套筒同轴地对齐。
6.在另一个实施例中，公开了一种制造涡轮机械的方法，其中涡轮增压器具有外壳、旋转组和支撑旋转组以相对于外壳围绕旋转轴线旋转的滚子元件轴承布置。该方法包括提供轴承布置的第一轴承的第一内座圈和第二轴承的第二内座圈。第一内座圈具有第一内径向表面和第一外径向表面。第二内座圈具有第二内径向表面和第二外径向表面。该方法还包括将旋转组的轴以第一过盈配合附接到第一内座圈的第一内径向表面。该方法还包括将第一外径向表面以第二过盈配合附接到旋转组的中间套筒。此外，该方法包括将轴以间隙配合插入第二内座圈中。此外，该方法包括将第二外径向表面以第三过盈配合附接到中间套筒，以经由中间套筒和第一内座圈的同轴对齐使第二内座圈与第一内座圈和轴同轴地对齐。
7.在附加实施例中，公开了一种电辅助涡轮增压器。该涡轮增压器包括外壳和旋转
组，该旋转组具有轴、固定到轴的第一叶轮构件、第二叶轮构件和支撑电动马达的转子构件的中间套筒。中间套筒沿着由旋转组的旋转轴线限定的轴向方向设置在第一叶轮和第二叶轮之间。此外，涡轮增压器包括具有第一轴承和第二轴承的轴承布置，该第一轴承和第二轴承包括滚子元件并支撑旋转组以相对于外壳围绕旋转轴线旋转。第一轴承在轴向方向上设置在第一叶轮构件和中间套筒之间。第一轴承具有第一内座圈，该第一内座圈具有第一内径向表面和第一外径向表面。第一内径向表面具有与轴的第一径向过盈配合。第一外径向表面具有与中间套筒的第二径向过盈配合。第二轴承在轴向方向上设置在中间套筒和第二叶轮构件之间。第二轴承具有固定到中间套筒的第二内座圈。第一径向间隙配合限定在轴和中间套筒之间。第二径向间隙配合限定在轴和第二内座圈之间，并且第三径向间隙配合限定在轴和第二叶轮构件之间。
附图说明
8.下文将结合以下附图描述本公开，其中相同的数字表示相同的元件，并且其中：图1是根据本公开的示例实施例的具有涡轮增压器的发动机系统的示意图，该涡轮增压器包括轴承布置；图2是根据本公开的示例实施例的图1的涡轮增压器的旋转组和轴承系统的纵向剖视图；图3是从图2截取的详细剖视图；图4是从图3截取的详细剖视图；和图5是图2的旋转组的分解剖视图，其图示了根据本公开的示例实施例的制造旋转组的方法。
具体实施方式
9.以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开或本公开的应用和用途。此外，并不意图受前面背景技术或以下详细描述中提出的任何理论的约束。
10.广义地，本文公开的示例实施例包括用于涡轮机械的改进的轴承布置。实施例还包括制造具有改进的轴承布置的涡轮机械的改进方法。本公开的轴承布置、涡轮机械和制造方法的实施例可提高制造精度、制造效率等。
11.在一些实施例中，轴承布置可以包括第一轴承和第二轴承，第一轴承和第二轴承可以是滚子元件轴承。该轴承布置可以提供在诸如电动马达辅助涡轮增压器的压缩机装置中。因此，在旋转组中可以存在第一叶轮构件(例如，涡轮叶轮)以及第二叶轮构件(例如，压缩机叶轮)。此外，诸如电动马达的电力机械可以设置在第一和第二叶轮构件之间，并且电力机械可以包括支撑电力机械的转子构件的中间套筒。第一轴承可以轴向地设置在套筒和第一叶轮构件之间，而第二轴承可以轴向地设置在套筒和第二叶轮构件之间。如下文所讨论，本公开的其它实施例可以包括这些部件中的至少一些，并且在不脱离本公开的范围的情况下，它们可以被不同地构造和布置。
12.在本公开的示例实施例中，第一轴承的内座圈的内径向表面可以在第一过盈配合处过盈配合到轴。内座圈的外径向表面可以过盈配合到中间套筒。第二轴承的第二内座圈可以过盈配合到中间套筒。此外，第二内座圈和中间套筒可以在轴上松配合(例如，间隙配
合)。这些特征可以通过第一轴承的内座圈的固定附接在一个端部上并且通过紧固件在轴的另一个端部上固连到轴。
13.该布置提供了许多优点。例如，过盈配合表面的相应对可以制造成高公差和精度。然而，这些部件的其它部分可以制造成较松的公差，从而节省制造时间、成本等。另外，一个轴承的(多个)精密成形表面可以充当另一个轴承的控制表面，从而使轴承系统的轴承在旋转轴线上同轴地对齐。该布置提高了制造效率，并且可以实现高公差的精密组装。这些效率还可以有助于本公开的涡轮机械的大批量、可重复的制造和组装。
14.图1是结合在发动机系统101内的诸如涡轮增压器100的示例涡轮机械的示意图。涡轮增压器100可以包括本公开的一个或多个特征。应当理解，在本公开的附加实施例中，涡轮增压器100可以是另一种涡轮机械，诸如增压器、压缩机装置、电动马达驱动的涡轮机械等。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，本公开的涡轮机械可以结合到除发动机系统之外的许多系统中。
15.涡轮增压器100可以包括外壳103和旋转组102，旋转组102通过轴承系统105支撑在外壳103内以围绕轴线104(即，旋转轴线)旋转。轴承系统105可以包括和/或限定至少一个滚子元件轴承，如将讨论的。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，轴承系统105可以包括在另一个涡轮机械(例如，机动的电动压缩机、发电机、用于燃料电池系统的压缩机装置等)中。
16.如在图示实施例中所示，外壳103可以包括涡轮外壳106、压缩机外壳107和中间外壳109。中间外壳109可以轴向地(沿着轴线104)设置在涡轮外壳106和压缩机外壳107之间。
17.另外，旋转组102可以包括涡轮叶轮111(第一叶轮构件)、压缩机叶轮113(第二叶轮构件)、轴115以及下面详细讨论的其它特征。涡轮叶轮111基本上位于涡轮外壳106内。压缩机叶轮113基本上位于压缩机外壳107内。轴115沿着旋转轴线104延伸穿过中间外壳109，以将涡轮叶轮111连接到压缩机叶轮113。因此，涡轮叶轮111和压缩机叶轮113作为单元一起围绕轴线104旋转。
18.涡轮外壳106和涡轮叶轮111配合以形成涡轮(即，涡轮部段、涡轮级)，该涡轮被构造成周向地接收来自发动机(例如，来自内燃发动机125的排气歧管123)的高压和高温排气流121。涡轮叶轮111和因此旋转组102的其它部件由高压和高温排气流121驱动围绕轴线104旋转，该排气流121成为释放到下游排气管126中的低压和低温排气流127。
19.压缩机外壳107和压缩机叶轮113形成压缩机(即，压缩机部段、压缩机级)。由排气驱动的涡轮叶轮111驱动旋转的压缩机叶轮113被构造成将接收的输入空气131(例如，周围空气或来自多级压缩机中的前一级的已经加压的空气)压缩成从压缩机外壳107周向地射出的加压空气流133。压缩机外壳107可以具有构造成引导和加压从压缩机叶轮113吹出的空气的形状(例如，蜗壳形状或其它形状)。由于压缩过程，加压空气流的特征是与输入空气131的温度相比温度增加。
20.加压空气流133可以被导送通过空气冷却器135(即，中间冷却器)，诸如对流冷却的增压空气冷却器。空气冷却器135可以被构造成耗散来自加压空气流133的热量，从而增加其密度。所得的冷却和加压的输出空气流137被导送到内燃发动机125的进气歧管139中，或者备选地被导送到后续级串联压缩机中。系统的操作可以由ecu 151(发动机控制单元)控制，ecu 151经由通信连接153连接到系统的其余部分。
21.现在参考图2至图5，将根据示例实施例更详细地讨论涡轮增压器100。示出了旋转组102，并且为了清楚起见，外壳103的部分已被省略。具体地，压缩机外壳107和涡轮外壳106已经被隐藏。在一些实施例中，这些部件可以是独立于中间外壳109的部分。另外，根据示例实施例示意性地图示了中间外壳109。
22.在一些实施例中，涡轮增压器100可以包括可操作地联接到旋转组102的电力机械。电力机械可以是马达、发电机或两者的组合。因此，该电力机械可以被构造成在旋转组的旋转和电能之间转换能量。在下面讨论的实施例中，电力机械可以是电动马达130，并且因此转换电能以驱动旋转组102的旋转。在附加实施例中，电力机械可以是发电机，并且从旋转组102的旋转生成电能。控制系统在一些实施例中也可以在马达模式和发电机模式之间切换组合电力机械的功能。
23.马达130可以具有定子构件132和转子构件134。定子构件132可以由中间外壳109支撑，并且转子构件134可以由旋转组102支撑和/或可以是将要讨论的旋转组102的构件。电动马达130可以驱动地旋转旋转组102以围绕轴线104旋转。在一些实施例中，电力机械可以是从旋转组102的旋转生成电力的发电机。在另外的实施例中，电力机械在涡轮增压器100的一些操作条件下可以作为马达操作，并且电力机械在其它操作条件下可以作为发电机操作。
24.在一些实施例中，中间外壳109可以包括马达壳体186。马达壳体186可以包括多个薄壁或壳构件，它们协同地包封马达130的定子构件132。此外，中间外壳109可以包括套筒138。套筒138可以限定圆柱形内部马达腔140，该马达腔140接纳马达壳体186。套筒138还可以包括封闭的轴向端部142和开放的轴向端部144。中间外壳109还可以包括帽盖146，帽盖146可以固定地附接到套筒138以覆盖轴向端部144并将马达壳体186包围在马达腔140内。在一些实施例中，马达壳体186可以支撑在马达腔140内，使得在马达壳体186和中间外壳109的周围部分之间存在至少一个间隙148(例如，径向间隙)。在一些实施例中，间隙148可以接纳流过冷却系统以冷却马达130的流体冷却剂。
25.现在将根据示例实施例详细讨论旋转组102。轴115可以是细长的，其长度的大部分具有相对较小的直径。轴115可以在第一端部160和第二端部162之间延伸。涡轮叶轮111(即，第一叶轮构件)可以在第一端部160处固定到轴115。另外，旋转组102可以包括靠近涡轮叶轮111设置的座表面116。座表面116可以靠近轴115的肩部118设置。肩部118可以具有比座表面116更大的直径，并且可以轴向地设置在座表面116和涡轮叶轮111之间。座表面116可以具有显著小于轴115的总长度的局部轴向长度。座表面116可以被构造成用于附接、支撑和座置第一轴承201。因此，在一些实施例中，座表面116的长度可以近似等于第一轴承201的长度。外径可以制造成高精度和高公差，以使得第一轴承201提供高性能。因此，制造资源可以用于将座表面116形成为这些高公差；然而，本公开可以提供节省，因为座表面116被定位到相对于轴115的总长度的相对短的长度。
26.旋转组102还可以包括中间套筒164，根据一些实施例，中间套筒164在图5中单独示出。中间套筒164可以是基本上圆柱形和细长的，以便在第一端部168和第二端部170之间延伸。中间套筒164还可以包括中心孔开口166，中心孔开口166轴向地延伸穿过中间套筒164并基本上以轴线104为中心。中心孔开口166在直径上可以略大于轴115的直径。在一些实施例中，中间套筒164可以包括组装在一起以协同地限定中间套筒164的多个零件。例如，
中间套筒164可以包括外圆柱形套筒172、第一间隔件端部174(即，第一短截端部)和第二间隔件端部176(即，第二短截端部)。圆柱形套筒172可以是中空圆柱形的，并且可以在其中接纳转子构件134(例如，多个永磁体)。第一间隔件端部174可以是环形的，并且第一间隔件端部174可以在第一端部168处被固定并接纳在套筒172中。同样，第二间隔件端部176可以是环形的，并且第二间隔件端部176可以在第二端部170处被固定并接纳在套筒172中。如图5所示，第一间隔件端部174可以包括内径表面178，内径表面178沿着其轴向长度的大部分从径向向内延伸的台阶180到第一端部168具有基本上恒定的直径。类似地，第二间隔件端部176可以包括内径表面182，内径表面182沿着其轴向长度的大部分从径向向内延伸的台阶184到第二端部170具有基本上恒定的直径。
27.旋转组102还可以包括压缩机叶轮构件192(即，第二叶轮构件)。在一些实施例中，压缩机叶轮构件192可以包括上述压缩机叶轮113。压缩机叶轮构件192还可以包括间隔件环188。间隔件环188可以是具有中心开口190的环形。
28.此外，旋转组102可以包括紧固件194(例如，带螺纹紧固件)。紧固件194在一些实施例中可以是螺母，其被构造成紧固到轴115的第二端部162，如下文将详细讨论的。
29.现在将根据示例实施例详细讨论轴承系统105。轴承系统105可以包括第一轴承201(图3)和第二轴承202(图4)。第一轴承201和第二轴承202可以是滚子元件轴承。
30.第一轴承201可以包括第一内座圈211、第一外座圈212和多个第一滚子元件213。第一内座圈211可以是环形的，具有第一内径向表面214，第一内径向表面214可以具有沿着其大部分长度基本上恒定的直径。第一外座圈212可以是环形的。第一滚子元件213可以径向地设置在第一内座圈211和第一外座圈212之间，并且可以接纳在限定在第一内座圈211和第一外座圈212中的凹槽或滚道内。第一内座圈211可以具有大于第一外座圈212的轴向长度。第一外座圈212可以设置到第一内座圈211的一个端部，并且突出端部216可以从第一外座圈212轴向地突出并轴向地远离涡轮叶轮111。突出端部216可以限定外径向表面218。
31.第二轴承202可以包括第二内座圈221、第二外座圈222和多个第二滚子元件223。第二内座圈221可以是环形的，具有第二内径向表面224，第二内径向表面224可以沿着其大部分长度具有基本上恒定的直径。第二内径向表面224在直径上可以略大于轴115的直径。第二外座圈222可以是环形的。第二滚子元件223可以径向地设置在第二内座圈221和第二外座圈222之间。第二外座圈222可以设置到第二内座圈221的一个端部，并且突出端部226可以从第二外座圈222轴向地突出并轴向地远离压缩机叶轮113。突出端部226可以限定外径向表面228。
32.现在将参考图2至图5讨论涡轮增压器100的组装。如将要讨论的，旋转组102可以例如使用如图5中表示的压力机250来组装。组件的零件可以通过各种机械配合附接。对于轴115上的不同部件可以存在不同的机械配合。在一些实施例中，一些零件可以在交接表面之间以过盈配合附连在一起。此外，在一些实施例中，零件可以在交接表面之间以间隙配合连接。
33.当组装时(图2至图5)，轴115可以延伸穿过中间外壳109。涡轮叶轮111可以设置在外壳109的一侧上，并且压缩机叶轮113设置在相对侧上。涡轮外壳106(图1)可以固定到中间外壳109并配合在涡轮叶轮111上，并且压缩机外壳107可以固定到中间外壳109并配合在压缩机叶轮107上。
34.此外，轴115可以接纳在第一轴承201的第一内座圈211内和第二轴承202的第二内座圈221内。如图3所示，第一内径向表面214可以过盈配合(在第一过盈配合251处)到轴115的座表面116。因此，即使在考虑公差时，第一内径向表面214也可以具有比座表面116略小的直径。因此，第一内径向表面214可以经由该过盈配合251固定地附接到座表面116。应当理解，第一轴承201可以形成和附接为使得第一内座圈211和用于第一滚子元件213的滚道与轴115基本上同轴，并且以轴线104为中心。应当理解，第一内径向表面214可以是用于对中和同轴地对齐其它表面的控制表面，以保持涡轮机械100的高精度制造。
35.另外，第一外座圈212可以固定地附接到中间外壳109的套筒138。第一外座圈212可以过盈配合到套筒138。因此，第一轴承201可以支撑旋转组102以相对于外壳109围绕轴线104旋转。
36.此外，第一内座圈211的突出端部216可以接纳在中间套筒164的第一间隔件端部174内。外径向表面218可以过盈配合(在第二过盈配合252处)到第一间隔件端部174的相对表面。因此，由于第二过盈配合252，中间套筒164可以与第一内座圈211对中并基本上同轴，并且因此与轴115对中并基本上同轴。
37.轴115也可以接纳在中心孔开口166内，并且可以延伸穿过中间套筒164。轴115可以间隙配合在中心孔开口166内。因此，即使在考虑公差时，中间套筒164的最小直径部段也可以大于轴115的外径，以便限定第一间隙配合261。换句话说，在轴115的外表面和中间套筒164的内表面之间可以存在径向间隙。
38.另外，中间套筒164的第二间隔件端部176可以接纳第二内座圈221。第二内座圈221的外径向表面218可以过盈配合(在第三过盈配合253处)到第二间隔件端部176的相对表面，如图4所示。因此，第二内座圈221可以与中间套筒164对中并基本上同轴，中间套筒164又与第一内座圈211对中并基本上同轴，并且第一内座圈211又与轴115对中并基本上同轴。
39.轴115也可以接纳在第二内座圈221内，并且可以延伸穿过第二内座圈221。轴115可以间隙配合在第二内座圈221内。因此，即使在考虑公差时，第二内径向表面224的最小直径部段也可以大于轴115的外径的部段，以便限定第二间隙配合262(图4)。换句话说，在轴115的外表面和第二内径向表面224之间可以存在径向间隙。
40.另外，第二外座圈222可以固定地附接到中间外壳109的帽盖146。第二外座圈222可以过盈配合到帽盖146。因此，第二轴承202可以支撑旋转组102以相对于外壳109围绕轴线104旋转。
41.第二内座圈221可以部分地接纳在间隔件环188内。在一些实施例中，间隔件环188可以在第四过盈配合254处过盈配合到第二内座圈221(图4)。另外，压缩机叶轮113的后轮毂280可以过盈配合并在第五过盈配合255处接纳在间隔件环188的另一端部处。轴115可以在第三间隙配合263处延伸穿过压缩机叶轮113。
42.另外，紧固件194可以紧固到轴115的第二端部162。紧固件194可以抵靠压缩机叶轮113。因此，紧固件194可以将压缩载荷施加到旋转组102。压缩机叶轮113和间隔件环188、内座圈221等可以压缩在一起。此外，紧固件194可以在轴115的第二端部162处支撑旋转质量体(压缩机叶轮113、间隔件环188、内座圈221等)。
43.图5还图示了制造和组装涡轮增压器100的方法。在一些实施例中，零件中的至少
一些可以使用常规压制过程利用至少一个常规压力机250压配合在一起。压力机250在图5中示意性地示出，并且应当理解，单个压力机250可以模块化地构造和重新构造以将旋转组102的零件连结在一起。备选地，压力机250可以表示两个或更多个压力机，它们被顺序地用于组装旋转组102的零件。
44.因此，在一些实施例中，旋转组102的两个或更多个零件可以在压力机250内沿着轴线104一起前进以被连结。具体地，压力机250可以用来在第一过盈配合251处将第一内座圈211压配合到轴115。随后，压力机250可以用来在第二过盈配合252处将第一内座圈211压配合到中间套筒164。第二过盈配合252可以在轴115延伸穿过中间套筒164时和在中间套筒164设置在中间外壳109内时形成。然后，第二内座圈221可以滑动配合到轴115，并且压力机250可以用来将第二内座圈221压配合到中间套筒164。然后，压力机250可以用来将间隔件环188压配合在第二内座圈221上，并且将压缩机叶轮压配合在间隔件环188中。最后，紧固件194可以紧固到轴115的第二端部162。
45.因此，本公开的轴承布置105、制造方法和其它特征提供了许多优点。这些特征提高了制造效率，提高了精度，并且因此改善了性能。
46.虽然在前述详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量变型。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或构造。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供实现本公开的示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的范围的情况下，可以对示例性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种改变。