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CN106068388A - 压缩机叶轮‑轴组件 - Google Patents

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CN106068388A
CN106068388A CN201580011677.8A CN201580011677A CN106068388A CN 106068388 A CN106068388 A CN 106068388A CN 201580011677 A CN201580011677 A CN 201580011677A CN 106068388 A CN106068388 A CN 106068388A
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CN
China
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axle
compressor impeller
hole
coupling part
leader
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CN201580011677.8A
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English (en)
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J·马维尔
S·查加尔
R·卡森
S·伯尼
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BorgWarner Inc
Original Assignee
BorgWarner Inc
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Publication date
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Abstract

一种涡轮增压器(1)包括设置在压缩机壳体(12)中的压缩机叶轮(50)、设置在涡轮机壳体(11)中的涡轮机叶轮(40)以及将压缩机叶轮(50)连接至涡轮机叶轮(40)的轴(60)。轴(60)包括邻接一端并支撑轴颈轴承(7a、7b)的轴颈部分(63)、邻接支撑推力轴承(20)的轴颈部分(63)的推力部分(64)、邻接具有形成在其外表面上的表面特征(72)的推力部分(64)的连接部分(66)以及邻接连接部分(66)的引导部分(69)。引导部分(69)和连接部分(66)容纳在压缩机叶轮(50)的盲孔(58)中并且配置为将轴(60)连接至压缩机叶轮(50)。

Description

压缩机叶轮-轴组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年3月11日提交的发明名称为“压缩机叶轮-轴组件”的美国临时申请第61/951,060号的优先权和全部权益，其以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种具有轴的涡轮增压器，该轴具有提供了与压缩机叶轮的改进连接的表面特征。
背景技术
废气涡轮增压器设置在发动机上，从而在比正常吸气配置更大的空气密度下将空气输送至发动机进气口。这样就允许更多的燃料得到燃烧，从而在不显著增加发动机重量的同时增强发动机的马力。
一般来说，废气涡轮增压器包括涡轮机部分和压缩机部分，并利用来自发动机排气歧管的排气流(该排气流从涡轮入口进入涡轮机部分)来驱动位于涡轮机壳体中的涡轮机叶轮。涡轮机叶轮通过在这些部分之间延伸的轴来驱动位于压缩机部分中的压缩机叶轮。如上所述，由压缩机部分压缩的空气随后提供给发动机进气口。涡轮增压器的压缩机部分包括压缩机叶轮及其相关的压缩机壳体。过滤的空气经轴向地吸入压缩机进气口中，该进气口限定了轴向延伸到压缩机叶轮的通道。压缩机叶轮的旋转迫使加压空气流从压缩机叶轮径向向外地流入压缩机蜗壳中，以便进行后续加压以及流向发动机。
在一些涡轮增压器中，轴延伸通过压缩机叶轮中形成的轴向通孔，并且与轴的螺纹端接合的螺母用来将压缩机叶轮固定到轴。
发明内容
在一些方面，涡轮增压器包括压缩机部分，该压缩机部分包括压缩机壳体以及设置在压缩机壳体中的压缩机叶轮。涡轮增压器还包括涡轮机部分，该涡轮机部分包括涡轮机壳体以及设置在涡轮机壳体中的涡轮机叶轮。轴将压缩机叶轮连接到涡轮机叶轮。轴包括第一端、第二端、轴颈部分、推力部分、圆柱形连接部分和引导部分；其中第一端连接到涡轮机叶轮；第二端与第一端相对并连接到压缩机叶轮；轴颈部分邻接第一端并支撑轴承；推力部分邻接轴颈部分并且具有比轴颈部分更小的横截面尺寸，推力部分支撑另一轴承；圆柱形连接部分邻接推力部分、具有比推力部分更小的横截面尺寸并具有在其外表面上形成的表面特征；以及，引导部分邻接连接部分并包括第二端，引导部分具有比连接部分更小的横截面尺寸。引导部分和连接部分容纳在压缩机叶轮的盲孔中，并且配置为将轴连接到压缩机叶轮。
涡轮增压器包括一个或多个以下特征：压缩机叶轮包括鼻部以及与鼻部轴向间隔开的后壁。孔在后壁处打开并包括内表面，该内表面呈阶梯形以与轴引导部分、连接部分和推力部分的形状和尺寸相对应。表面特征限定了设置在连接部分的外表面与孔的内表面之间的空腔。表面特征包括滚花。粘合剂设置于连接部分与孔的表面之间，并且表面特征配置为使粘合剂保持在连接部分上。引导部分通过过盈配合连接到孔的第一部分，而连接部分通过粘合剂连接到孔的第二部分。推力部分通过过盈配合连接到孔的第三部分。压缩机叶轮的盲孔包括配置为促进压缩机叶轮与轴之间的连接的表面特征。表面特征包括滚花表面。
在一些方面，旋转组件包括压缩机叶轮和轴。压缩机叶轮包括鼻部以及与鼻部轴向隔开的后壁，该后壁具有在后壁处打开的盲孔。轴包括第一端、第二端、轴颈部分、推力部分、连接部分和引导部分；其中第一端连接到涡轮机叶轮；第二端与第一端相对；轴颈部分邻接第一端；推力部分邻接轴颈部分并具有比轴颈部分更小的横截面尺寸；连接部分邻接推力部分并具有比推力部分更小的横截面尺寸；以及，引导部分邻接连接部分和第二端两者并具有比连接部分更小的横截面尺寸。连接部分是圆柱形的且具有外表面，该外表面包括配置为在其上保持粘合剂的轴表面特征。孔包括内表面，该内表面呈阶梯形以与轴引导部分和连接部分的形状相对应。此外，引导部分和连接部分容纳在压缩机叶轮的盲孔中，并且配置为将轴连接到压缩机叶轮。
旋转组件可包括一个或多个下列特征：轴表面特征限定了设置在连接部分的外表面与孔的内表面之间的空腔。轴表面特征包括滚花。粘合剂设置在连接部分与孔的表面之间。引导部分通过过盈配合连接到孔的第一部分，而连接部分通过粘合剂连接到孔的第二部分。压缩机叶轮的盲孔包括配置为促进压缩机叶轮与轴之间的连接的孔表面特征。
在废气涡轮增压器中，压缩机叶轮包括在其中容纳轴的一端的盲孔，并且使用粘合剂将压缩机叶轮固定到轴端。由于孔并未延伸到压缩机叶轮的鼻部，相反而是结束于压缩机叶轮的轮毂中，因此，能够形成工作面积(例如，针对压缩机叶轮的给定直径的入口面积)比起其中孔延伸通过压缩机叶轮鼻部的一些传统压缩机叶轮更大的压缩机叶轮。通过提供入口面积针对给定压缩机叶轮直径更大的压缩机叶轮，对于给定的空气流量而言，该压缩机叶轮能够制造地更小，这转而改进了涡轮增压器的瞬态反应。
此外，相对于具有延伸通过压缩机叶轮鼻部的孔的一些压缩机叶轮而言，压缩机叶轮的转动惯量减小了，其原因在于给定进口段面积的质量减小并且质量更集中靠近旋转轴线。由于压缩机叶轮的转动惯量减小，因而，涡轮增压器的瞬态响应进一步得到改善。
与为了允许通过螺母固定到轴上而具有延伸通过压缩机叶轮鼻部的孔的一些压缩机叶轮相比，具有盲孔的压缩机叶轮允许自由地设计压缩机叶轮鼻部的形状，这反过来使得压缩机叶轮鼻部的空气动力阻力降低。
轴包括促进压缩机叶轮与轴外表面之间的粘合的特征。具体地讲，在轴的圆柱形部分的外表面上设置有滚花。圆柱形轴的形状和滚花表面有助于轴与压缩机叶轮恰当对准，并且还提供了位于轴与压缩机叶轮的内表面之间的用于在装配时容纳和保持粘合剂的空腔。由于粘合剂通过滚花空腔保持在所需的区域中，因此，避免了在轴与压缩机叶轮的装配期间将粘合剂从压缩机中挤出，由此压缩机叶轮可以稳固地固定到轴。
本发明的其他目的和用途及其变体将在阅读下面的说明书以及审阅附图后变得显而易见。
附图说明
图1是包括粘合在压缩机叶轮的盲孔内的轴的废气涡轮增压器的侧剖视图。
图2是图1的涡轮增压器的放大部分的剖视图，其示出了压缩机涡轮-轴的连接。
图3是分离的压缩机叶轮的剖视图。
图4是涡轮增压器轴的一端的前透视图。
图5是图4的轴的放大部分的前透视图。
具体实施方式
参照图1和图2，废气涡轮增压器1包括涡轮机部分2、压缩机部分3以及设置在压缩机部分3与涡轮机部分2之间并将压缩机部分3连接到涡轮机部分2的中心轴承壳体8。涡轮机部分2包括涡轮机壳体11，涡轮机壳体11限定废气入口13、废气出口10以及设置在废气入口13与废气出口10之间的流体路径中的涡轮机蜗壳9。涡轮机叶轮40设置在涡轮机蜗壳9与废气出口10之间的涡轮机壳体11中。
压缩机部分3包括压缩机壳体12，压缩机壳体12限定空气入口16、空气出口18和压缩机蜗壳14。压缩机叶轮50设置在空气入口16与压缩机蜗壳14之间的压缩机壳体12中。
轴60将涡轮机叶轮40连接至压缩机叶轮50。将轴60支撑来用于经由一对轴向间隔开的轴颈轴承7、绕轴承壳体8中的孔17内的旋转轴线R旋转。例如，压缩机侧轴颈轴承7a支撑邻近压缩机部分3的轴60，而涡轮机侧轴颈轴承7b支撑邻近涡轮机部分2的轴60。通过圆柱形轴颈轴承间隔件15维持压缩机侧轴颈轴承7a和涡轮机侧轴颈轴承7b之间的轴向间隔。此外，推力轴承组件20设置在轴承壳体8内以便为轴60提供轴向支撑。
在使用时，涡轮机壳体11中的涡轮机叶轮40通过从发动机的排气歧管供给的废气流入而可旋转地驱动。由于轴60可旋转地支撑在轴承壳体8中并且将涡轮机叶轮40连接至压缩机壳体12中的压缩机叶轮50，故涡轮机叶轮40的旋转引起压缩机叶轮50的旋转。当压缩机叶轮50旋转时，其经由来自压缩机空气出口18的流出而增大输送到发动机的气缸的空气质量流速、空气流密度和空气压力，该压缩机空气出口18连接至发动机的空气进气歧管(未示出)。
参照图3，压缩机叶轮50包括轮毂51，轮毂51沿压缩机叶轮50的前侧上的鼻部52与压缩机叶轮50的后侧上的后壁53之间的轴向方向延伸。后壁53的外周边缘55限定压缩机叶轮50的外径。压缩机叶轮叶片56(其可包括与分流叶片交替的所有叶片)从轮毂51向外延伸并以大致相等的间隔围绕压缩机叶轮50的旋转轴线57沿周向方向设置。
压缩机叶轮50还包括盲孔58，该盲孔58从与旋转轴线57同轴的后壁53向内延伸，并在轮毂51内终止。例如，孔58可延伸到大致对应于叶片56的轴向长度的深度。孔58的横截面形状为圆柱形并具有沿轴向方向的非均匀直径。特别地，孔58限定压缩机叶轮内表面59，压缩机叶轮内表面59包括具有大致平滑和规整(例如，无表面特征)的表面的三个阶梯形同轴圆柱形部分81、82、83。阶梯形圆柱形部分81、82、83形成为对应于轴60的形状和尺寸，如下面进一步讨论的。
第一圆柱形部分81在后壁53与第一孔肩部84之间延伸。第一圆柱形部分81具有第一孔半径rb1。第二圆柱形部分82在第一孔肩部84与第二孔肩部85之间延伸，并具有比第一孔半径rb1小的第二孔半径rb2。第三圆柱形部分83在第二孔肩部85与孔58的盲端86之间延伸，并具有比第二孔半径rb2小的第三孔半径rb3。轴60的端部62容纳在孔58内并固定到相应的圆柱形部分80、81、82，如下面进一步讨论的。
参照图1、图2和图4，轴60包括焊接至涡轮机叶轮40的第一端61以及与第一端61相对的第二端62。轴60的横截面形状为圆柱形，并具有沿轴向方向的非均匀直径，从而使得轴60具有四个阶梯形同轴圆柱形部分63、64、66、69。特别地，邻接第一端61的轴60的一部分提供轴颈部分63。轴颈部分63为圆柱形(例如，为均匀直径并具有圆形横截面)并具有第一轴半径rs1。轴颈部分63限定支撑一对轴向间隔开的轴颈轴承7a、7b的轴承表面。为此，轴颈部分具有足以延伸通过轴承壳体8的轴向孔17的长度。
轴60包括邻接轴颈部分63的推力部分64。推力部分64为圆柱形。推力部分64的外表面大致平滑和规整(例如，无表面特征)，并限定支撑推力轴承组件20的轴承表面。推力部分64具有比轴颈部分63的第一轴半径rs1小的第二轴半径rs2，由此第一轴肩部65限定在轴颈部分63与推力部分64之间。
轴60包括邻接推力部分64的连接部分66。连接部分66为圆柱形。连接部分66具有比推力部分64的第二轴半径rs2小的第三轴半径rs3，由此第二轴肩部67限定在推力部分64与连接部分66之间。连接部分66的外表面具有促进轴60连接至压缩机叶轮50的表面特征72。在所示实施例中，连接部分66的外表面是滚花的。
如本文所使用，术语“滚花”是指形成为具有一系列脊部74，例如其中脊部74布置成提供如菱形图案等图案。滚花不限于菱形图案并可以可替代地包括轴向或周向对齐的脊部、螺旋脊部、点刻点等。当轴60与压缩机叶轮50装配在一起时，设置在连接部分66上的滚花表面提供轴60的最外部分与压缩机叶轮孔58的表面之间的空腔76。空腔76为邻近脊部74之间的凹陷。空腔76容纳和保持用以将轴60固定到压缩机叶轮50的粘合剂，并确保在连接部分66的表面上以良好的分布方式来维持粘合剂。
轴60进一步包括引导部分69，该引导部分69邻接连接部分66并在连接部分66与轴第二端62之间延伸。引导部分69为圆柱形。引导部分69具有比连接部分66的第三轴半径rs3小的第四轴半径rs4，由此第三轴肩部70限定在连接部分66与引导部分69之间。引导部分69的外表面大致平滑和规整(例如，无表面特征)。当轴60与压缩机叶轮50装配在一起时，引导部分69用于将轴60引导入孔58中并将轴旋转轴线R与压缩机叶轮旋转轴线57轴向地对齐。
在使用时，引导部分69、连接部分66、以及推力部分64的一部分容纳在压缩机叶轮孔58内。特别地，引导部分69设置在孔58的第三圆柱形部分83内，其中轴第二端62抵靠孔盲端86，连接部分66设置在孔58的第二圆柱形部分82内，其中第三轴肩部70抵靠第二孔肩部84，推力部分64的一部分设置在第一圆柱形部分81内，其中第二轴肩部67抵靠第一孔肩部84。此外，压缩机叶轮内表面59的尺寸设计为使得轴引导部分69与第三圆柱形部分83中的压缩机叶轮内表面59过盈配合，且轴推力部分64与第一圆柱形部分81中的压缩机叶轮内表面59过盈配合。在第二圆柱形部分82中，压缩机叶轮内表面69的尺寸设计为使得当空腔76限定在孔内表面59和轴60的中部时连接部分66的滚花的径向最外尖端接合孔表面59。粘合剂用于将连接部分66固定到孔内表面。该粘合剂为高温粘合剂以经受涡轮增压器1的高温工作环境。在一些实施例中，粘合剂为高温厌氧粘合剂。厌氧粘合剂通过完全填充金属部件之间的间隙而工作。使用厌氧粘合剂防止了松脱处发生振动，并且还保护接头免受可由潮湿引起的腐蚀或锈蚀的影响。
连接部分66和引导部分69的配置(其中包括它们相应的圆柱形形状结合第二肩部67和第三肩部70以及设置在连接部分66上的滚花表面的存在)配合来促进轴60与压缩机叶轮50的恰当的轴向和径向对准。
在所示实施例中，轴连接部分66的外表面是滚花的。然而，轴60不限于这种配置。例如，在一些实施例中，连接部分66的外表面大致平滑和规整(例如，无表面特征)。粘合剂施加到连接部分66的外表面，以促进连接至压缩机叶轮50，如上文所述。
在所示实施例中，压缩机叶轮内表面59包括形成为不具有表面特征的三个阶梯形同轴圆柱形部分81、82、83。然而，压缩机叶轮内表面59不限于这种配置。例如，圆柱形部分81、82、83中的一个或多个(尤其是第二圆柱形部分82)可以形成为具有表面特征(比如，滚花)，以提供压缩机叶轮内表面59与轴60之间的键并且促使粘合剂在孔58内保持在适当的位置。
虽然已经出于说明的目的详细地公开了本发明的特定优选实施例，但应当认识到的是，所公开装置的变型或修改(包括部件的重新布置)落在本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种涡轮增压器(1)，其包括：
压缩机部分(3)，其包括压缩机壳体(12)以及设置在所述压缩机壳体(12)中的压缩机叶轮(50)，
涡轮机部分(2)，其包括涡轮机壳体(11)以及设置在所述涡轮机壳体(11)中的涡轮机叶轮(40)，以及
轴(60)，其将所述压缩机叶轮(50)连接至所述涡轮机叶轮(40)，所述轴(60)包括：
连接至所述涡轮机叶轮的第一端(61)，
与所述第一端(61)相对的第二端(62)，所述第二端(62)连接至所述压缩机叶轮(50)，
轴颈部分(63)，其邻接所述第一端(61)并支撑轴承(7)，
推力部分(64)，其邻接所述轴颈部分(63)并具有比所述轴颈部分(63)小的横截面尺寸，所述推力部分(64)支撑另一轴承(20)，
圆柱形连接部分(66)，其邻接所述推力部分(64)、具有比所述推力部分(64)小的横截面尺寸并具有形成于其外表面上的表面特征(72)，以及
引导部分(69)，其邻接所述连接部分(66)并包括所述第二端(62)，所述引导部分(69)具有比所述连接部分(66)小的横截面尺寸，
其中，所述引导部分(69)和所述连接部分(66)容纳在所述压缩机叶轮(50)的盲孔(58)内并且配置为将所述轴(60)连接至所述压缩机叶轮(50)。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，其中，所述压缩机叶轮(50)包括：
鼻部(52)，以及
与所述鼻部(52)轴向间隔开的后壁(53)，
其中，所述孔(58)在所述后壁处打开并包括内表面(59)，所述内表面(59)是阶梯形的以对应于所述轴引导部分(69)、连接部分(66)和推力部分(64)的形状和尺寸。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，其中，所述表面特征(72)限定设置在所述连接部分(66)的所述外表面与所述孔(58)的内表面之间的空腔(76)。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器(1)，其中，所述表面特征(72)包括滚花。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，其中，粘合剂设置在所述连接部分(66)与所述孔(58)的表面之间，且所述表面特征(72)配置为将所述粘合剂保持在所述连接部分(66)上。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，其中，所述引导部分(69)经由过盈配合连接至所述孔(58)的第一部分(83)，而所述连接部分(66)经由粘合剂连接至所述孔(58)的第二部分(82)。
7.根据权利要求6所述的涡轮增压器(1)，其中，所述推力部分(64)经由过盈配合连接至所述孔(58)的第三部分(81)。
8.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，其中，所述压缩机叶轮(50)的所述盲孔(58)包括配置为促进所述压缩机叶轮(50)与所述轴(60)之间的连接的表面特征(72)。
9.根据权利要求8所述的涡轮增压器(1)，其中，所述表面特征(72)包括滚花表面。
10.一种旋转组件，其包括：
压缩机叶轮(50)，其包括
鼻部(52)，以及
与所述鼻部(52)轴向间隔开的后壁(53)，所述后壁(53)具有在所述后壁(53)处打开的盲孔(58)，以及
轴(60)，其包括
连接至所述涡轮机叶轮的第一端(61)，
与所述第一端(61)相对的第二端(62)，
邻接所述第一端(61)的轴颈部分(63)，
推力部分(64)，其邻接所述轴颈部分(63)并具有比所述轴颈部分(63)小的横截面尺寸，
连接部分(66)，其邻接所述推力部分(64)并具有比所述推力部分(64)小的横截面尺寸，和
引导部分(69)，其邻接所述连接部分(66)和所述第二端(62)两者，所述引导部分(69)具有比所述连接部分(66)小的横截面尺寸，
其中，所述连接部分(66)是圆柱形的且具有外表面，所述外表面包括配置为将粘合剂保持在其上的轴表面特征(72)，并且
所述孔(58)包括内表面，所述内表面是阶梯形的以对应于所述轴引导部分(69)和连接部分(66)的形状，并且
所述引导部分(69)和所述连接部分(66)容纳在所述压缩机叶轮(50)的所述盲孔(58)中，并且配置为将所述轴(60)连接至所述压缩机叶轮(50)。
11.根据权利要求10所述的旋转组件，其中，所述表面特征(72)限定设置在所述连接部分(66)的所述外表面和所述孔(58)的内表面之间的空腔(76)。
12.根据权利要求11所述的旋转组件，其中，所述轴表面特征(72)包括滚花。
13.根据权利要求10所述的旋转组件，其中，粘合剂设置在所述连接部分(66)与所述孔(58)的表面之间。
14.根据权利要求10所述的旋转组件，其中，所述引导部分(69)经由过盈配合连接至所述孔(58)的第一部分，而所述连接部分(66)经由粘合剂连接至所述孔(58)的第二部分。
15.根据权利要求10所述的旋转组件，其中，所述压缩机叶轮(50)的所述盲孔(58)包括配置为促进所述压缩机叶轮(50)与所述轴(60)之间的连接的孔(58)表面特征(72)。
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