具有提供组合的轴颈轴承和推力轴承功能的推力轴承的涡轮增压器

摘要

涡轮增压器典型地具有分开的液体动压式轴颈轴承和推力轴承。提供了一种用于涡轮增压器的、将轴颈轴承的功能合并到推力轴承中并同时维持了推力轴承功能的涡轮增压器推力轴承以产生一种具有减小的轴向空间范围的涡轮增压器。这样一个推力轴承包括一个孔，该孔被确定轮廓以具有在围绕该孔周向分布的多个斜体-瓦面副。其结果是，可以减小该涡轮增压器轴承壳体和轴的轴向长度。

说明书

发明领域

实施例总体上涉及涡轮增压器，并且更具体地讲涉及涡轮增压器中的 轴承系统。

发明背景

涡轮增压器是一种强制进气系统。它们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，从而允许燃烧更多的燃 料，因此在没有明显增加发动机重量的情况下提升了发动机的马力。这使 得能够使用一台较小的涡轮增压的发动机来替代一个较大物理尺寸的正 常吸气的发动机，因此减少了车辆的质量以及空气动力学的前端面积。

涡轮增压器的旋转组件以异常高的速度旋转，对小转子而言是在 200,000RPM的数量级，对大转子而言是在80,000RPM的数量级。典型 地，涡轮增压器的旋转组件是由被称为内部加压式或液体动压轴承的一类 轴承来支撑的。在这类轴承中，轴相对于该轴所存在于其中的孔的旋转在 旋转方向上带动润滑剂，从而导致在相对低速的元件与相对高速的元件之 间产生油楔。该系统的挤压膜性质导致在该轴上施加一个非对称的力。由 该不平衡施加到轴承上的力的大小与轴速度的平方成比例。

图1示出了一种典型的浮动轴承涡轮增压器(10)的截面视图。涡轮 增压器(10)包括一个涡轮机级(12)和一个压缩机级(14)。涡轮增压 器利用来自发动机排气歧管的排气流来驱动一个位于该涡轮机壳体(未示 出)内的一个涡轮机叶轮(16)。一旦排气已经通过涡轮机叶轮(16)并 且该涡轮机叶轮(16)已经从该排气中提取能量，则用过的排气通过一个 出口导流器离开涡轮机壳体并且被输送到车辆下行管并且通常输送到后 处理装置，如催化转化器、微粒收集器和NO_x收集器。由涡轮机叶轮(16) 提取的能量被转换成旋转运动，该旋转运动然后驱动一个压缩机叶轮 (18)。压缩机叶轮(18)抽取空气进入涡轮压缩机(10)、压缩这些空气 并且将该空气输送到该发动机的进气侧。该旋转组件有以下主要部件构 成：涡轮机叶轮(16)；一个轴(20)，该涡轮机叶轮(16)被安装在该轴 上；一个压缩机叶轮(18)，其也被安装在该轴(20)上；一个抛油环(22)； 以及多个推力部件。轴(20)具有一个相关联的旋转轴线(21)。

轴(20)在被供油的、典型地由发动机供应油的一个液体动压轴承系 统上旋转。该轴承系统可以被提供在一个轴承壳体(23)中。油是经由一 个供油口(24)来传送的，以对多个轴颈轴承(26)和多个推力轴承(28) 都供油。在涡轮增压器的这两个轴颈轴承中的每一个轴颈轴承上典型地使 用了相同的系统。该轴颈轴承的功能是控制、维持以及衰减该旋转组件的 径向振荡。一个分开的推力轴承(28)控制并维持该旋转组件相对于该涡 轮机壳体和压缩机壳体(未示出)中的这些空气动力学特征的轴向位置。 这些推力负荷典型地是由结合一对推力垫圈(26)的互补的轴向面向的旋 转表面工作的多个倾斜的液体动压轴承来承载的。在一些涡轮增压器中， 一个推力垫圈是抛油环(22)的一部分，并且另一个则是互补组件的一部 分。在其他涡轮增压器中，该推力垫圈是被制作在一个圆柱形零件上的、 具有线轴形状的、带有两个相反面的单一零件，并且推力轴承孔的底部部 段保持开放(像马蹄一样)以接受该推力垫圈。一旦被使用，油就排泄到 轴承壳体(23)并且通过与发动机曲轴箱流体连接的一个排油口(32)离 开。

对于一个典型的浮动轴颈轴承，在运转中存在两个液体动压膜。如图 2中所描绘的，一个液体动压膜运行在轴承壳体(23)的静止的内孔(34) 的表面与轴颈轴承(26)的旋转的外周表面(36)之间。另一个液体动压 膜运行在轴颈轴承(26)的旋转的内周表面(38)与轴(20)的较快移动 的外周表面(40)之间。虽然轴承壳体(23)是静止的(相对于轴(20))， 取决于该外油膜扭矩与内油膜扭矩之间的扭矩平衡，轴颈轴承(26)以该 轴(20)速度的大约10％至30％旋转。这些轴颈轴承(26)典型地通过使 用位于轴承壳体(23)中的多个凹槽中的多个保持环(42)来固持在适当 位置。

一个斜体-瓦面轴颈轴承系统典型地具有一个“非旋转轴承”，其仅具 有一个旋转的油膜系统，并且这是在该旋转轴的外表面与在旋转意义上静 止的轴承中的孔的内表面之间的系统轴承。在这种轴承设计中，典型地在 该轴承的外表面与该轴承壳体的内表面(23)之间仍然存在一个非旋转油 膜。该非旋转油膜仅被用作一个衰减机构，从而不产生次同步响应。一个 典型的斜体瓦面轴承被抑制旋转而能够浮动并且被该外油膜通过一个非 旋转装置来衰减。除了该轴承系统承受不平衡负荷的能力之外，消除这些 旋转流体膜之一(即轴颈轴承(26)的外周表面(36)与轴承壳体孔(34) 的内周表面之间的流体膜)减少了次同步振动传递的路径，这消除了将振 动传递通过轴承壳体成为令人不快的噪声的机会。一种斜体瓦面设计的内 油膜系统在由非旋转轴承的基本内直径的表面与旋转轴(20)的外周表面 (40)形成的环状空间之外使用了一对轴向限定的三凹穴斜体-瓦面特征， 以便人为地创造该旋转组件的旋转轴上的稳定平衡负荷。

这些轴承的功能要求部分地确定了该涡轮增压器的轴向长度，因为这 些轴承被放置成使这些叶轮的悬伸质量最小化。该推力轴承典型地是在压 缩机端轴颈轴承的外侧，因此增加了该涡轮增压器的轴向长度。这些轴承 的轴向跨度成为该涡轮增压器的轴向长度的一个关键因素，并且因此是在 将一个涡轮增压器、或更常见的多个涡轮增压器装配到车辆的发动机舱内 的过程中的一个关键因素。

现代车辆的发动机室通常是紧凑的以减小车辆的前部面积，并且这对 将涡轮增压器装配到车辆的不同接口上带来了困难。通过汽车制造商的努 力来改善车辆的空气动力学特性，再加上对发动机的更好的燃料效率的驱 动，同时满足日益严格的排放，分配给涡轮增压器的空间变得更成问题。 随着越来越接受两级涡轮增压器现象的出现，车辆制造商正在尝试将两个 涡轮增压器装配到分配给单个涡轮增压器的空间中，所以涡轮增压器的尺 寸变得越来越重要。

因此，对于一种用于减小涡轮增压器的轴向长度的系统存在一种需 求。

发明概述

多个实施例涉及一种涡轮增压器推力轴承，该推力轴承在其孔中结合 有一种斜体-瓦面构形。以此方式，在该推力轴承中可以实现轴颈轴承和推 力轴承的功能，从而消除了对于一个分开的轴颈轴承的需求。其结果是， 可以减小该涡轮增压器的轴向长度。

附图的简要说明

本发明是通过举例而非限制的方式展示在这些附图中的，其中类似的 参考数字表示相似的部分，并且在这些附图中：

图1是一个典型的浮动轴承涡轮增压器的截面视图；

图2是一个典型的涡轮增压器浮动轴承的近距视图；

图3是具有一个组合的轴颈轴承和推力轴承系统的一个涡轮增压器的 截面视图；

图4是被配置成提供一个组合的轴颈轴承和推力轴承系统的一个推力 轴承的视图；

图5是图4中示出的推力轴承的截面视图；

图6描绘了该推力轴承的近距视图；

图7是该推力轴承的一个斜体-瓦面副的近距视图；并且

图8是一个推力轴承的截面视图。

发明详细说明

在此描述的安排涉及具有一个推力轴承的涡轮增压器装置，该推力轴 承被配置成在其内提供压缩机端轴颈轴承功能而同时仍支持推力轴承功 能。在此披露了多个详细的实施例；然而，应当理解的是，这些披露的实 施例仅旨在作为示范。因此，在此披露的特定结构性和功能性细节不应被 解释为限制，而仅仅是作为权利要求书的基础和作为传授本领域技术人员 在几乎任何适当详细的结构中以不同方式采用本文中的这些方面的代表 性基础。此外，在此所用的术语和短语并不旨在限制、而是提供对可能实 施方式的可理解描述。图3至图8示出了多个安排，但这些实施例并不限 于所展示出的结构或应用。

参见图3，在此示出了具有根据实施例配置的一个推力轴承(52)的 一个涡轮增压器(50)。涡轮增压器(50)包括一个轴(20)被接纳于其 中的一个轴承壳体(23)。轴(20)包括靠近涡轮机级(12)的一个涡轮 机区域(51)。该轴(20)还包括靠近压缩机级(14)的一个压缩机区域 (53)。在这样一个涡轮增压器(50)中，提供多个轴颈轴承(26)来支 撑轴(20)的涡轮机区域(51)。然而，根据本文的多个实施例，没有提 供轴颈轴承来支撑轴(20)的压缩机区域(53)。

图4至图8示出了根据本文中的实施例配置的推力轴承(52)的一个 实例。推力轴承(52)可以包括一个主体(55)。推力轴承(52)可以是 任何适合类型的推力轴承。例如，该推力轴承(52)可以具有通过引用结 合于此的美国专利号No.7，401，980中传授的类型。然而，推力轴承(52) 可以是任何涡轮增压器推力轴承，例如通过多个油沟来分配油的推力轴 承。

正如在大多数类型的推力轴承(包括美国专利号7，401，980中传授的 那种类型)中，推力轴承(52)可以包括关于其一个轴向面向侧(58)提 供的一个阵列的斜坡(54)和瓦面(56)副。每个斜坡-瓦面副都可以装配 在一个预定的弧长内。例如，斜坡(54)可以被包含在弧长(ξ_R)内， 并且该瓦面可以被包含在长度(ξ_P)内。油可以通过连接推力轴承(52) 的这两个轴向面向侧(58、59)的一个横切的贯穿槽(60)(还被称作键 座)来供应至每个斜坡(54)。

一个推力垫圈(62)可以被基本上提供成邻近推力轴承(52)的各轴 向面向侧(58、59)，如图5中所示出的。正如在一个典型的推力轴承中， 这些推力垫圈(62)可以经由推力轴承(52)向该轴承壳体施加该旋转组 件的负荷，以便设定和维持该轴的轴向位置以及该压缩机叶轮和涡轮机叶 轮相对于它们对应的壳体的相对位置。一对推力垫圈(62)各自的向内面 向的旋转表面(64)的相对表面速度为一些油施加运动并且在其穿过收缩 斜坡(54)时压缩该油。在推力轴承(52)中可以提供任何适合数量的槽 (60)。该斜坡-瓦面副可以被提供在相邻的槽(60)之间。这些特征可以 提供推力轴承(52)所要求的负荷承载能力。可以认识到的是，可以修改 斜坡与瓦面的比率以实现期望的负荷和效率。斜坡(54)和瓦面(56)能 够以任何适合的方式形成在该推力轴承(52)中，例如通过铸压、机加工 或其他合适的方法。

推力轴承(52)可以包括一个油渠(66)和多个输油沟(68)。油渠 (66)可以与这些输油沟(68)流体联通。可以在推力轴承(52)的这些 轴向面向表面(58、59)的每一个上提供一个周边槽(70)以将油分配至 这些下部的(即不由这些输油沟(68)直接供给的)斜坡(54)和瓦面(56)。

推力轴承(52)可以包括一个内孔(72)，该内孔可以接纳轴(20) 的一部分。内孔(72)可以具有一条相关联的中心轴线(74)。推力轴承 (52)可以具有围绕该中心轴线(84)延伸的相关联的圆周方向。

这些槽(60)可以开通至孔(72)并且与其流体联通。这些槽(60) 和孔(72)轴向地延伸通过推力轴承(52)。孔(72)的在这些槽(60) 之间的部分被称作轴瓦(74)。

根据本文中的多个实施例，孔(72)可以被配置成用于提供一个轴颈 轴承的功能。为此目的，孔(72)可以确定轮廓以提供多个斜体-瓦面副(78)。 参见图6和图7，每个斜体-瓦面副(78)都可以包括一个斜体部分(80) 和一个瓦面部分(82)。这些斜体-瓦面副(78)能够以任何适合的方式来 形成，例如通过任何适合的机加工工艺。

这些斜体部分(80)可以具有任何适合的构形。这些斜体部分(80) 可以总体上是弓形的。斜体部分(80)可以从距离中心轴线(84)的第一 径向距离(R1)处开始。沿旋转方向(88)移动，该斜体部分(80)可以 总体上周向地延伸。可以从该斜体部分(80)的起点到该斜体(80)的终 点(例如是处于或靠近该斜体部分(80)与瓦面部分(82)之间的过渡(86)) 减小斜体部分(80)距离中心轴线(84)的径向距离。这种径向距离的减 小可以沿该斜体部分(80)的长度基本上连续地发生，或者这种径向距离 的减小可以用一种不连续的方式发生，例如通过一步或多步或突然的轮廓 变化。这些斜体部分(80)可以由偏离中心轴线(84)的半径来限定。

斜体部分(80)可以用距离中心轴线(84)的第二径向距离(R2)向 瓦面部分(82)过渡。第二径向距离(R2)可以小于第一径向距离(R1)。 整个瓦面部分(82)可以与中心轴线(84)相距一个基本上恒定的径向距 离。这些瓦面部分(82)各自可以被提供成有与孔(72)的一条中心轴线 (84)相距基本上相同的半径。能够以任何适合的方式发生从斜体(80) 到瓦面(82)的过渡(86)。在一个实施例中，从斜体(80)到瓦面(82) 的过渡可以形成沿孔(72)延伸的一条线。该线可以基本上平行于中心轴 线(84)，或者该线可以不平行于该中心轴线(84)。此外，斜体(80)与 瓦面(82)之间的过渡可以甚至不是一条线，因为该过渡可能是朝向中心 轴线(84)方向的非线性过渡。

每个斜体-瓦面副(78)都可以具有一个相关联的弧长(θ_TL)，该弧 长可以等于或可以不等于一个对应的斜坡(54)-瓦面(56)副的弧长。这 些斜体-瓦面副(78)可以彼此大致相等，或者在一个或多个方面中至少一 个斜体-瓦面副(78)可以不同于其他的斜体-瓦面副(78)。

在一个实施例中，斜体部分(80)的起点与该斜体部分的终点(例如 过渡点(86))之间的半径差值可以小于大约0.1毫米、并且更特别的是大 约0.05毫米。

能够以彼此成任何适合的比例的方式来提供斜体部分(80)和瓦面部 分(82)。在一个实施例中，每个组合的斜体-瓦面的总弧长可以是大约50％ 的瓦面和大约50％的斜体。该斜体部分的弧长可以构成每个斜体-瓦面副 (78)的总弧长的大部分。也就是说，对每个斜体-瓦面副(78)而言，该 斜体部分的弧长可以大于该瓦面部分的弧长。在一个实施例中，每个斜体 -瓦面副(78)的总弧长可以是大约30％的瓦面部分和大约70％的斜体部 分。自然地，可以根据需要取决于手头的应用来修改这些斜体部分(80) 和瓦面部分(82)的相对比例。

可以存在任何适合数量的斜体-瓦面副(78)。虽然图5中示出的实施 例示出了五个斜体-瓦面副(78)，可以理解的是实施例并不受限于这个数 量。在一些实例中，可以为每个轴瓦(74)提供一个斜体-瓦面副(78)。 在其他实例中，可以存在比轴瓦(74)的数目少的斜体-瓦面副(78)。

应当指出的是，这些斜体-瓦面副(78)可以或者可以不与推力轴承(52) 的这些轴向面向侧(58、59)上的斜坡(54)-瓦面(56)副中对应的一副 的构形相关。例如，斜坡(54)与瓦面(56)之间的过渡(57)可以基本 上径向地对准一个对应的斜体-瓦面副(78)之间的过渡(86)。在其他实 例中，斜坡(54)与瓦面(56)之间的过渡(57)可以偏离一个对应的斜 体-瓦面副(78)之间的过渡(86)。

当轴(20)被接纳在推力轴承(52)的孔(72)中时，在该轴与该孔 之间可以限定一个环形间隙(90)。由于在此描述的这些斜体-瓦面副(78) 的构形，间隙(90)围绕可以与轴(20)的旋转轴线基本上共线的中心轴 线(84)是不同的。因此，可以认识到的是，与瓦面部分(82)相比，在 斜体部分(80)中轴(20)的外周表面(40)与这些轴瓦(74)之间的距 离可以更大。

该本发明性组合推力轴承(52)可以被该推力轴承中的、装配在该轴 承壳体中的一个销上的一个孔口(75)约束而不能围绕其中心线(21)旋 转。

应当指出的是，图3至图6中示出的实施例是关于一个沿顺时针方向 旋转的轴。然而，可以理解的是，这些实施例不受限于这样一种安排。确 实，如果该轴沿逆时针方向旋转，则这些斜坡(54)、瓦面(56)、斜体(80) 以及瓦面(81)的上述关系相对于彼此应是相同的，但却是在相反的方向 上。也就是说，在该旋转方向上，这些斜坡(54)和瓦面(80)将在它们 对应的瓦面(56、82)的前面。

轴(20)的旋转可以导致这些推力垫圈(62)以相同的旋转速度旋转。 在该推力区域中，经由油渠(66)供应至这些输油沟(68)、周边槽(70) 以及这些横切的贯穿槽(60)的润滑油流入这些斜坡(54)。这些推力垫 圈(62)的旋转通过该润滑剂的粘性机制导致这些旋转的推力垫圈(62) 与这些静止的斜坡和瓦面(54、56)之间的液体动压压力增大，以支撑由 该旋转组件针对推力轴承(52)所安装抵靠的轴承壳体(23)施加的轴向 负荷。

进一步地，轴(20)的旋转可以导致在这些推力垫圈(62)之间的圆 柱体(65)以与轴(20)的转速相同的旋转速度旋转。经由油渠(66)供 应至这些输油沟(68)、周边槽(70)以及这些横切的贯穿槽(60)的润 滑油可以通过被旋转轴(20)带动而被载运到这些斜体部分(80)中。由 于轴(20)的外周表面(40)与孔(72)之间的面积减小，从斜体部分(80) 至瓦面部分(82)可以存在该油的液体动压压力的增大。因此，由膜压力 对轴(20)施加一个力。到该油抵达瓦面部分(82)时，以一个足够高的 压力来确保轴(20)不触及推力轴承(52)。进一步地，该多个斜体-瓦面 副(78)可以在轴(20)与孔(72)之间提供多个相对高的压力点，由此 使轴(20)在该孔中保持居中。

在一个实施例中，如图8中所描绘的，可以在由角度(θ_T+θ_L)限定 的斜体区域和瓦面区域中提供一对轴向面向的壁(92)。这些壁(92)的 内边界可以是基本孔或轴瓦直径。这些壁(92)的功能是产生防止蓄积的 润滑油的液体动压压力从斜体部分(80)、瓦面部分(82)、以及旋转轴(20) 的外周表面(40)形成的环形空间轴向逸出的一个凹穴。

可以认识到的是，如在此描述的、被配置成用于在该推力轴承内结合 压缩机端轴颈轴承功能并同时仍然支持推力轴承功能的一个推力轴承 (52)可以提供许多益处。例如，在该推力轴承的内孔上的斜体-瓦面构形 可以获得压缩机侧轴颈轴承，由此潜在地消除了对于压缩机侧轴颈轴承的 需求。因此，通过将压缩机侧轴颈轴承功能合并到推力轴承封皮之中，就 可以使该涡轮增压器轴承壳体的轴向长度减小一个可观的程度。

该轴向长度的减小已经估计到大约20％。图1的涡轮增压器部段可以 用相同的涡轮机叶轮和压缩机叶轮提供与图3中描绘的涡轮增压器相同的 空气动力学功能，但估计后者在涡轮机叶轮与压缩机叶轮(16、18)之间 的轴向长度减小大约20％，并且在短轴处到轴颈轴承直径的肩部(16)与 在该轴颈轴承处到焊接凸台直径的肩部(15)之间的轴向长度减小15％。 这种长度的减小减轻了该涡轮增压器的质量，这进而可以有益于燃料经济 性。

除此之外，可以减小轴(20)的长度，这进而可以创造一个更硬且更 稳定的转子。除了减小该涡轮增压器的总轴向长度之外，压缩机叶轮的悬 伸转动惯量的力矩臂的节点向该轴承中心靠近移动大致相同的量，从而产 生一个更硬的轴，其显示出降低的短轴弯曲和产生较低的压缩机叶轮移 位，因此间隙可以更紧密以产生提高的压缩机级效率。

可以通过减少从该轴承悬伸的压缩机质量来改善转子动力学。进一步 地，由于轴倾斜的减少可以改善止推能力。此外，关于将涡轮增压器封装 到发动机中，该涡轮增压器的轴向长度的减小可以是有益的。最后，通过 免除这些压缩机侧轴颈轴承而可以减少涡轮增压器中的零件数量。在此使 用的术语“一个”被定义为一个或者多于一个。在此使用的术语“多个” 被定义为两个或者多于两个。在此使用的术语“另一个”被定义为至少第 二个或者更多。在此使用的术语“包含”和/或“具有”被定义为包括(即 开放式措辞)。

在此所描述的多个方面可以按其它形式和组合来实施，而不脱离其精 神或本质属性。因此，当然可以理解实施例不限于仅通过举例方式给出的 在此所描述的这些具体细节，并且可以理解在以下的权利要求书的范围之 内不同的修改和变更是可能的。