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CN105492739A - 用于涡轮增压器的挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承 - Google Patents

用于涡轮增压器的挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承 Download PDF

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CN105492739A
CN105492739A CN201480047318.3A CN201480047318A CN105492739A CN 105492739 A CN105492739 A CN 105492739A CN 201480047318 A CN201480047318 A CN 201480047318A CN 105492739 A CN105492739 A CN 105492739A
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bearing
oil
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flexure pivot
shaft bearing
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Application number
CN201480047318.3A
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K·柳
Z·阿什顿
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BorgWarner Inc
Original Assignee
BorgWarner Inc
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Publication date
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Abstract

一种用于涡轮增压器的轴承壳体(12)具有穿过轴承壳体(12)的可旋转轴(14)，轴承壳体(12)具有轴颈轴承(30)，轴颈轴承(30)具有用于支撑轴承壳体(12)中的可旋转轴(14)的挠曲支点可倾瓦块(40)。挠曲支点可倾瓦块(40)可具有通过各瓦块(40)的供油孔(50)，以直接润滑各瓦块表面(44)。轴颈轴承(30)在轴承的外表面上优选地具有周向凹槽(52)，周向凹槽(52)与供油孔(50)对齐，从而有助于将油送至供油孔(50)。

Description

用于涡轮增压器的挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年9月5日提交的标题为“用于涡轮增压器的挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承”的美国临时申请第61/874,106号以及于2014年1月30日向美国专利和商标局提交的标题为“用于半浮式挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承的定向润滑”的美国临时申请第61/933,448号的优先权和全部权益。
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮增压器的浮环轴颈轴承。更具体地，本发明涉及具有用于径向支撑涡轮增压器的轴承壳体中的轴的挠曲支点可倾瓦块的浮环轴颈轴承。
背景技术
废气涡轮增压器将压缩空气传递至发动机进气口，使得能燃烧更多的燃料，从而在没有明显增加发动机重量的情况下提高发动机的马力。涡轮增压器通常包括连接至发动机的排气歧管的涡轮机壳体、中心轴承壳体以及连接至发动机的进气歧管的压缩机壳体。涡轮机壳体中的涡轮机叶轮通过从排气歧管供应的废气的流入而可旋转地驱动。可旋转地支撑于中心轴承壳体中的轴将涡轮机叶轮连接至压缩机壳体中的压缩机叶轮，使得涡轮机叶轮的旋转引起压缩机叶轮的旋转。随着压缩机叶轮的旋转，这增大了经由发动机的进气歧管传递至发动机的汽缸的空气质量流率、气流密度和空气压力。
轴承通常在中心轴承壳体中位于轴与中心轴承壳体之间，以便可旋转地支撑轴。在一些涡轮增压器中，浮环或半浮环轴颈轴承用于支撑轴。然而，一些浮环或半浮环轴承在扩大的操作速度范围内与一个或多个大幅度次同步运动相关联。仍然需要提供一种涡轮增压器中的改进的轴颈轴承，以通过降低旋转组件的次同步响应和整体轴承负荷来提高稳定性。
发明内容
在一些方面，提供了一种全浮环或半浮环轴颈轴承，其位于中心轴承壳体中，用于径向支撑在涡轮机叶轮与压缩机叶轮之间从其中延伸通过的轴。全浮环或半浮环轴颈轴承沿其邻近轴的内表面包括多个挠曲支点可倾瓦块(FPTP)。在一些实施例中，全浮环或半浮环轴颈轴承将挠曲支点可倾瓦块一体为单件式轴承。相比一些没有FPTP的浮环或半浮环轴承，全浮环或半浮环FPTP轴颈轴承有利地提供了幅度降低的次同步轴运动响应。如此一来，减少了旋转轴的振动并使得轴和叶轮变得稳定，从而提高了涡轮增压器的耐用性和效率。
在一些方面，提供了一种用于具有挠曲支点可倾瓦块的半浮式轴颈轴承的润滑系统。润滑系统适当地对流向半浮式FPTP轴颈轴承的油流动速率进行限制。在一些实施例中，通过将油导向至狭窄间歇来降低所需的油流动速率，使得半浮式FPTP轴承的油流动速率与典型的固定几何形状半浮式轴承相一致。
在一些方面，将润滑油导向到润滑最为重要的瓦块表面，这样做可以消除半浮式FPTP轴颈轴承中浪费的油流。油经由穿过FPTP腹板的供油孔或者经由瓦之间的供油孔直接地供应至瓦块表面，并且借助于轴的旋转将油朝向瓦块表面拉动。
所公开的技术包括(1)通过FPTP腹板对瓦块表面进行定向润滑以及(2)通过供油孔在每个瓦块(邻近FPTP)之间进行定向润滑。这两种供油方式都可通过轴承带外径上的周向槽来增强，以便有助于向供油孔进行供给。
供油孔的直径和位置上游和/或瓦块到转子间隙可有助于约束油的流动并且将油限制至薄膜润滑的关键区域。定向润滑同时提供了较低的整体流动速率和集中在瓦块前沿的供油。因此，经由穿过每个瓦或在每个瓦之间的供油孔的用于半浮式轴颈轴承的定向润滑可以降低整体的油流动速率并将油集中在最需要进行润滑的瓦块前沿处。
附图说明
当结合附图参考以下详细描述时，本发明将变得更易于阅读和更容易理解，其中：
图1是包括挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承的废气涡轮增压器的横截面图。
图2是全浮式挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承的示意性端视图；
图3是图2的挠曲支点可倾瓦块轴承的横截面侧视图；
图4是半浮式挠曲支点可倾瓦块轴承的横截面侧视图；
图5是图4的轴承的端视图；
图6A是全浮环轴颈轴承的横截面侧视图；
图6B是图6A的全浮环轴颈轴承的端视图；
图6C是图6A的全浮环轴颈轴承的透视图；
图7A是全浮环挠曲支点可倾瓦块轴承的横截面侧视图；
图7B是图7A的全浮环挠曲支点可倾瓦块轴承的端视图；
图7C是图7A的全浮环挠曲支点可倾瓦块轴承的透视图；
图7D是图7A的全浮环挠曲支点可倾瓦块轴承的另一透视图；
图8A是半浮环轴颈轴承的横截面侧视图；
图8B是图8A的半浮环轴颈轴承的端视图；
图8C是图8A的半浮环轴颈轴承的透视图；
图9A是半浮环挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承的横截面侧视图；
图9B是图9A的半浮环挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承的端视图；
图9C是图9A的半浮环挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承的透视图；
图9D是图9A的半浮环挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承的另一透视图；
图10是挠曲支点可倾瓦块轴承的横截面侧视图，该挠曲支点可倾瓦块轴承带有穿过FPTP腹板的供油孔，以供油来实现定向润滑；
图11是图10的轴承的端视图；
图12是图10的轴承的透视图；
图13是挠曲支点可倾瓦块轴承的横截面侧视图，该挠曲支点可倾瓦块带有三个供油孔，以在每个挠曲支点可倾瓦块之间供油实现定向润滑；以及
图14是图13的轴承的端视图。
具体实施方式
参照图1，废气涡轮增压器100包括涡轮机段102、压缩机段106和设置在压缩机段106与涡轮机段102之间并将压缩机段106连接至涡轮机段102的中心轴承壳体12。涡轮机段102包括涡轮机壳体(未示出)和设置在涡轮机壳体中的涡轮机叶轮104。压缩机段106包括压缩机壳体(未示出)和设置在压缩机壳体中的压缩机叶轮108。涡轮机叶轮104经由轴14连接至压缩机叶轮108。轴14经由一对轴向隔开的轴颈轴承8，10支撑来绕旋转轴线116在形成在轴承壳12中的孔16内部旋转。例如，压缩机侧轴颈轴承8支撑与压缩机段106邻近的轴14，而涡轮机侧轴颈轴承10支撑与涡轮机段102邻近的轴14。如下文讨论，轴颈轴承8，10是全浮环挠曲支点可倾瓦块(FPTP)轴承。
压缩机侧轴颈轴承8与涡轮机侧轴颈轴承10之间的轴向间距由圆柱形轴颈轴承隔圈110保持。另外，推力轴承组件112设置在轴承壳体12中，以便对轴14提供轴向支撑。轴14在压缩机侧轴颈轴承8的压缩机侧具有减少的直径，并且在直径之间的过渡部分处形成有台肩。压缩机叶轮108以及包括推力轴承120、推力垫圈组件122及甩油盘124的推力轴承组件112均支撑在轴14的直径减小部分。轴14的终端14a轴向地延伸越过压缩机叶轮108并且包括外螺纹。螺母126与该螺纹啮合并且充分地拧紧以便抵在台肩上夹持压缩机叶轮108和推力轴承组件112。
使用时，涡轮机壳体中的涡轮机叶轮104通过从发动机的排气歧管供应的废气的流入而可旋转地驱动。由于轴14将涡轮机叶轮104连接至压缩机壳体中的压缩机叶轮108，因此，涡轮机叶轮104的旋转引起压缩机叶轮108的旋转。随着压缩机叶轮108的旋转，这增大了经由从压缩机段106的流出而传递至发动机的汽缸的空气质量流率、气流密度和空气压力，压缩机段106连接至发动机的进气歧管(未示出)。
涡轮增压器轴承系统通过来自发动机的油进行润滑。诸如油等流体在中心轴承壳体12中循环，以便润滑轴颈轴承8，10、轴14和壳体壁。油经由供油口31在压力下供给至轴承壳体12中，以润滑轴颈轴承8，10内和周围的轴承表面。更具体地，油穿过独立的轴承供应通道33和35，以润滑推力轴承组件112和轴颈轴承8，10。供应通道33和35相对于两个轴颈轴承8，10在大致轴向中心位置处打开，使得油可在两个方向上轴向地流动来润滑轴承表面。轴颈轴承8，10具有轴向中心的润滑油流口或孔36，其接收来自相应的供应通道33，35的油。在一些实施例中，流向压缩机段106的油可通过如在博格华纳的美国专利第8,348,595号中所示的轴承壳体与压缩机壳体之间的插入件和密封系统进行阻挡，该专利通过引用的方式并入本文中。在轴颈轴承8，10上方流动并从其中流过的油最终在轴承壳体集油腔37内汇集，以便通过出口孔39实现返回循环。
参照图2和图3，全浮环FPTP轴颈轴承8，10大体上结构相似，因此将只对涡轮机侧轴颈轴承10进行详细描述。轴颈轴承10径向地支撑中心轴承壳体12内的轴14，并且用于防止它们之间的接触并控制旋转轴14的运动。在流体动力润滑时，油留在轴承10、轴14和孔16之间，从而形成流体膜并防止金属间的接触。轴颈轴承10形成两个流体动力油膜；中心轴承壳体孔16与轴颈轴承外表面22之间的外膜26以及轴颈轴承内表面20与轴14的外表面18之间的内膜24，由此使得轴颈轴承10可在中心轴承壳体12中的内膜24与外膜26之间浮动。另外，允许轴承10可绕轴14旋转或转动，而不需要与轴承10或轴承壳体12直接接触。
在全浮环FPTP轴颈轴承10中，内油膜24和外油膜26均起到轴承表面的作用。这可以与提供在半浮环FPTP轴颈轴承中的对应内外油膜相比，其中内油膜起到轴承表面的作用，但外油膜起到阻尼器的作用。在这一点上，全浮环FPTP轴颈轴承10相对于一些类似的半浮环FPTP轴颈轴承是有利的，这是因为在使用时，全浮环FPTP轴颈轴承10比半浮环FPTP轴颈轴承功率损失更少。
参照图4和图5，替代实施例的轴颈轴承为类似地位于中心轴承壳体12内并可旋转地支撑轴14的半浮环挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承30。再者，油循环穿过中心轴承壳体12并形成轴外表面18与轴承内表面20之间的内间隙或内油膜24以及轴承外表面22与壳体内表面16之间的外间隙或外油膜26。轴承30在内油膜24与外油膜26之间浮动，然而，轴承30在其远端中包括保持凹口32，用于接收固定至轴承壳体12的防转销34，以阻止轴承30的旋转。外油膜用作用于抑制轴14的运动的挤压膜阻尼器。
轴承10，30中的每一个还包括从轴承内表面20周向延伸并围绕轴外表面18延伸的多个挠曲支点可倾瓦块40。挠曲支点可倾瓦块40与形成轴承内表面20的轴承壁一体地形成。例如，挠曲支点可倾瓦块40通过径向延伸的连接膜42与轴承内表面20一体地连接，并且形成邻近并面向轴外表面18的周向延伸的内瓦块表面44。在一些实施例中，轴承10，30加工成单件式。使得挠曲支点可倾瓦块40能响应于轴14的运动而围绕连接膜42枢转，从而使轴14与轴承壳体12之间的振动最小化；稳定轴14、涡轮机叶轮和压缩机叶轮的旋转；并由此在降低振动水平的同时提高涡轮增压器的耐用性和效率。
图2和图3的轴承10包括形成于轴承内表面20的中心处的挠曲支点可倾瓦块40。相比之下，图4和图5的轴承30包括两组挠曲支点可倾瓦块40，在轴承30的一个轴向端30a处有一组三个、四个或更多个的挠性可倾瓦块40，而在轴承30的相对轴向端30b处有另一组三个、四个或更多个的挠性可倾瓦块40。也就是说，挠曲支点可倾瓦块40形成在轴承30的相对端处，并因此串联。
图6A至图6C示出了全浮环轴颈轴承。图7A至图7D示出了具有形成于轴承内表面的中心处的多个挠曲支点可倾瓦块40的全浮环挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承10。图8A至图8C示出了半浮环轴颈轴承。此外，图9A至图9D示出了具有围绕轴承内表面的相对端串联形成的多个挠曲支点可倾瓦块40的半浮式挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承30。
本发明的挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承10，30提供了一种涡轮增压器中的稳定转子轴承系统，其中，传送到轴承壳体的轴承力降至最低并且整体轴运动响应幅度较小，从而提供了增强的耐用性和降低的噪音、振动和刺耳声(NVH)问题、更小的容差和关键的平衡杆需求，以及由于轴承功率损失的降低而带来的提高的整体涡轮增压器效率。
再参照图4和图5，如前所述，半浮式FPTP轴颈轴承30依赖于向内轴承跨距的加压油供给。油通常通过供应通道33，35输送至半浮环FPTP轴颈轴承30的供油口36。油流经由供油口36供应至轴承跨距的中心。油随后轴向地流向瓦块间隙以及瓦块40的周围。由于瓦块40的外表面周围的路径留有较大的额外流动区域用于油流动和离开，因此，这种布置有时会使整体涡轮油流动速率可以达到标准水平的八倍至十倍。具有“浸没”润滑的半浮环FPTP轴承在瓦块40周围具有低效率的油流，可能不会提供实用的润滑，并能导致过大的油流动速率。因此，轴承跨距中心的油流孔36可导致半浮式FPTP轴颈轴承30中出现浪费的油流。
参照图10至图12，替代的半浮环FPTP轴颈轴承130包括围绕轴承内表面20的串联的挠曲支点可倾瓦块40。因此，半浮环FPTP轴颈轴承130提供了一种涡轮增压器100中的稳定转子轴承系统，其中，传送到轴承壳体12的轴承力降至最低并且整体轴运动响应幅度较小，从而提供了增强的耐用性和降低的噪音、振动和刺耳声(NVH)问题、更小的容差和关键的平衡杆需求，以及由于轴承功率损失的降低而带来的提高的整体涡轮增压器效率。
半浮环FPTP轴颈轴承130还配置成解决低效率的油流。具体来说，半浮环FPTP轴颈轴承130包括定向润滑，而不是油经由轴向中心孔36仅供给到内轴承跨距中。例如，具有挠曲支点可倾瓦块40的半浮环轴颈轴承130连同挠曲支点可倾瓦块40中的每一个都可以具有油供给。油经由供油孔50直接供应到内瓦块表面44。供油孔50形成在轴端130a，130b附近而非中心，并且供油孔50径向地延伸穿过FPTP连接膜42(图11)。在本实施例中，润滑通过每个挠曲支点可倾瓦块40导向到内瓦块表面44的中心区域(图12)。供油孔50示出为穿过三个瓦块40中的每一个。这使得油流能导向至最需要的地方并将无法使用的流的路径最小化。轴承130的外表面上的周向凹槽52与供油孔轴向对齐，并且便于向每个供油孔50供油，以增强油的供应。
定向润滑使得油流动速率适当地限于半浮式挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承130。半浮式FPTP轴颈轴承130的油流动速率可通过将油导向到狭窄间隙而例如相对于图4中示出的半浮式挠曲支点可倾瓦块轴颈轴承30的构造而降低。将润滑油导向到润滑最至关重要的内瓦块表面44可消除半浮环FPTP轴颈轴承130中浪费的油流。
参考图13和图14，定向润滑并不限于经由通过连接膜42而形成的供油孔50来提供油。例如，替代实施例的半浮环FPTP轴颈轴承230包括经由位于相邻挠曲支点可倾瓦块40之间的供油孔50进行的定向润滑，并且依赖于轴旋转而将油拉向内瓦块表面44。在本实施例中，供油孔50在每一个挠曲支点可倾瓦块40的前沿处打开。
在所说明的实施例中，润滑经由供油孔50在每一个挠曲支点可倾瓦块40(邻近FPTP)之间得以定向。油流导向至需要的地方并且将挠曲支点可倾瓦块40后面的无法使用的流的路径最小化。这种供油方法还可以通过周向凹槽52来增强。周向凹槽52形成在轴承230的外表面上并且与供油孔50轴向对齐，促使油供到每个供油孔50以增强油的供应。周向凹槽52优选地与供油孔50对齐，以实现油的定向流动。
由于供油孔50通过任一方法与挠曲支点可倾瓦块40关联，两个进油孔36到内轴承跨距可以用实心轴承表面消除，以将过量油的浸没润滑更改到轴承跨距的中心。
供油孔50的直径和位置上游和/或瓦块到转子间隙可有助于约束油流并且将油限制为薄膜润滑的关键区域。经由每一个挠曲支点可倾瓦块40之间或穿过每一个挠曲支点可倾瓦块40的供油孔50的定向润滑同时提供了较低的整体流动速率和集中在需要的地方的供油，例如瓦块前沿处。
上文相当详细地描述了本发明的选定说明性实施例。应当理解的是，本文中仅已描述了阐明轴颈轴承和润滑系统所必须考虑的结构。其他常规结构以及系统的那些附属和辅助组件假定为由本领域技术人员已知和了解。此外，虽然上文已描述了轴颈轴承和润滑系统的工作实例，但是轴颈轴承和润滑系统并不限于上文描述的工作实例，而是可以如权利要求书中阐述那样进行各种设计变更。

Claims (15)

1.一种单件式轴颈轴承(30，130，230)，包括：
轴承外表面(22)，
轴承内表面(20)，
围绕所述轴承内表面(20)周向设置的挠曲支点可倾瓦块(40)，其中，所述挠曲支点可倾瓦块(40)通过连接膜(42)与所述轴承内表面(20)一体连接，以及
径向延伸供油孔(50)，所述径向延伸供油孔(50)形成在所述轴承(30，130，230)中并且穿过至少一个挠曲支点可倾瓦块(40)和其对应的连接膜(42)。
2.根据权利要求1所述的单件式轴颈轴承(30，130，230)，其中，所述连接膜(42)配置成允许所述挠曲支点可倾瓦块(40)相对于所述轴承内表面(20)枢转。
3.根据权利要求1所述的单件式轴颈轴承(30，130，230)，其中，所述轴颈轴承是全浮环轴承。
4.根据权利要求1所述的单件式轴颈轴承(30，130，230)，其中，所述轴颈轴承是半浮环轴承。
5.根据权利要求1所述的单件式轴颈轴承(30，130，230)，还包括
凹槽(52)，所述凹槽(52)形成于所述轴承外表面(22)上并且适于给所述供油孔(50)进油。
6.根据权利要求5所述的单件式轴颈轴承(30，130，230)，其中，所述凹槽(52)周向地延伸并且与所述供油孔(50)轴向对齐。
7.一种涡轮增压器(100)，包括：
轴承壳体(12)，所述轴承壳体(12)限定轴向孔(16)；
可旋转轴(14)，所述可旋转轴(14)设置在所述孔(16)中，
单件式轴颈轴承(30，130，230)，所述单件式轴颈轴承(30，130，230)设置在所述孔(16)中并且配置成可旋转地支撑所述轴(14)，所述轴承(30，130，230)包括
轴承外表面(22)，
轴承内表面(20)，
围绕所述轴承内表面(20)周向设置的挠曲支点可倾瓦块(40)，其中，所述挠曲支点可倾瓦块(40)通过连接膜(42)与所述轴承内表面(20)一体连接，以及
径向延伸供油孔(50)，所述径向延伸供油孔(50)形成在所述轴承(30，130，230)中并且穿过至少一个挠曲支点可倾瓦块(40)和其对应的连接膜(42)。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器(100)，其中，所述连接膜(42)配置成允许所述挠曲支点可倾瓦块(40)相对于所述轴承内表面(20)枢转。
9.根据权利要求7所述的涡轮增压器(100)，其中，所述轴颈轴承是全浮环轴承。
10.根据权利要求7所述的涡轮增压器(100)，其中，所述轴颈轴承是半浮环轴承。
11.根据权利要求7所述的涡轮增压器(100)，还包括
凹槽(52)，所述凹槽(52)形成于所述轴承外表面(22)上并且适于给所述供油孔(50)进油。
12.根据权利要求11所述的涡轮增压器(100)，其中，所述凹槽(52)周向地延伸并且与所述供油孔(50)轴向对齐。
13.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述可旋转轴(14)的旋转经由所述供油孔(50)拉动油通过各挠曲支点可倾瓦块(40)至各瓦块表面(44)。
14.一种涡轮增压器(100)，包括：
轴承壳体(12)，所述轴承壳体(12)限定轴向孔(16)；
可旋转轴(14)，所述可旋转轴(14)设置在所述孔(16)中，
单件式轴颈轴承(10，30，130，230)，所述单件式轴颈轴承(10，30，130，230)设置在所述孔(16)中并且配置成可旋转地支撑所述轴(14)，所述轴承包括
轴承外表面(22)，其与所述孔(16)的内表面间隔开，
轴承内表面(20)，
挠曲支点可倾瓦块(40)，其围绕所述轴承内表面(20)周向设置，其中，所述挠曲支点可倾瓦块(40)通过连接膜(42)与所述轴承内表面(20)一体连接，
其中，所述轴颈轴承以相对于所述孔(16)的所述内表面及所述轴(14)的外表面这两者自由旋转的方式设置在所述孔(16)中。
15.根据权利要求14所述的涡轮增压器(100)，包括形成于所述轴承壳体中的并配置成将油输送至所述轴颈轴承(130)的油润滑通道(50)，其中
所述轴承外表面与所述孔(16)的表面之间形成有外油层(26)，
所述轴承内表面与所述轴(14)之间形成有内油层(24)，并且
在涡轮增压器(100)的运转过程中，所述内油层(24)和所述外油层(26)都用做轴承表面。
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