本申請是申請?zhí)枮?01380038136.5、申請日為2013年7月26日、名稱為“帶有平衡矯正和強(qiáng)制導(dǎo)向的壓縮機(jī)葉輪”的中國專利申請的分案申請。

本發(fā)明涉及一種帶有平衡矯正和強(qiáng)制導(dǎo)向的壓縮機(jī)葉輪。

背景技術(shù)：

當(dāng)今內(nèi)燃發(fā)動機(jī)必須滿足消費(fèi)者和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)所要求的愈來愈嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和效率標(biāo)準(zhǔn)。因此，汽車制造商和供應(yīng)商在研究和開發(fā)用于改善內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的運(yùn)行的技術(shù)方面耗用了大量精力和資金。渦輪增壓器是發(fā)動機(jī)開發(fā)的尤其使人感興趣的一個領(lǐng)域。

渦輪增壓器使用普通情況下浪費(fèi)掉的排氣能量來驅(qū)動渦輪機(jī)。渦輪機(jī)被安裝到一個軸上，這個軸又驅(qū)動壓縮機(jī)。渦輪機(jī)將排氣的熱能和動能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)動力。渦輪增壓器的目的是通過增大進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣的密度來提高發(fā)動機(jī)的容積效率。壓縮機(jī)吸入周圍空氣并且將其壓縮到進(jìn)氣歧管中并且最終壓縮到汽缸中。因此，在每個進(jìn)氣沖程上都有更大量的空氣進(jìn)入這些汽缸。

參照圖1，渦輪增壓器利用了來自發(fā)動機(jī)排氣歧管的排氣流動來驅(qū)動一個渦輪機(jī)葉輪10。一旦排氣已穿過了渦輪機(jī)葉輪并且該渦輪機(jī)葉輪已經(jīng)從該排氣中提取了能量，用過的排氣就從渦輪機(jī)殼體（未示出）排出。渦輪機(jī)葉輪提取的能量被轉(zhuǎn)化為一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動接著驅(qū)動一個壓縮機(jī)葉輪32。該壓縮機(jī)葉輪將空氣抽入渦輪增壓器中、將該空氣壓縮、并且將其輸送至發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣側(cè)。

該旋轉(zhuǎn)組件包括一體的渦輪機(jī)葉輪10和軸11。該壓縮機(jī)葉輪32被安裝到軸11上。該軸11在一個動液軸承系統(tǒng)18上旋轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)被供以典型地由該發(fā)動機(jī)所供應(yīng)的油。油是經(jīng)由一個進(jìn)油口21來輸送的以供應(yīng)給軸頸軸承和止推軸承二者。該止推軸承59控制該旋轉(zhuǎn)組件相對于渦輪機(jī)殼體和壓縮機(jī)殼體中的這些空氣動力學(xué)特征的軸向位置。按照與軸頸軸承相似的方式，推力負(fù)載典型地是由多個傾斜式動液軸承承載的，這些動液軸承與一個拋油環(huán)40的互補(bǔ)的且面向軸向方向的多個旋轉(zhuǎn)表面協(xié)同工作。該渦輪增壓器包括一個殼體20，該殼體帶有一個腔33。止推軸承59和插入件60被布置在該腔內(nèi)并且提供了一個排油腔35。一旦被使用，油就排到該軸承殼體并且通過排油口22離開，該排油口流體地連接到發(fā)動機(jī)的曲軸箱。

將壓縮機(jī)葉輪安裝到渦輪機(jī)軸上的傳統(tǒng)方法是通過多個同軸的圓周表面的緊密配合（葉輪孔到軸的外直徑）。小的間隙將運(yùn)行過程中的不平衡性的變化或遷移最小化。不平衡會引起軸承的毀滅性失效，該失效是由產(chǎn)生的力和激發(fā)的振動模式導(dǎo)致的。為了幫助防止傳統(tǒng)設(shè)計中的不平衡遷移，葉輪孔與軸直徑之間的配合必須被維持在非常緊密的公差。相應(yīng)地，葉輪孔和軸直徑上的公差也必須非常緊密。應(yīng)注意的是這些緊密公差必須在軸的整個長度上得到維持。緊密公差導(dǎo)致更高的生產(chǎn)成本。此外，葉輪孔與軸直徑之間的緊密配合使得這些部件的組裝更加困難，更不用說拆卸。將壓縮機(jī)葉輪安裝到渦輪機(jī)軸上的這種方法沒有解決該葉輪相對于該軸的機(jī)械增長和熱增長的差異。對于在鋼制軸上被導(dǎo)向的鋁制葉輪來說，不同的熱增長和機(jī)械增長可以高達(dá)組裝間隙的三倍。因此，在使用中不利的不平衡遷移是可能的。

將壓縮機(jī)葉輪安裝到渦輪機(jī)軸上的另一傳統(tǒng)方法包括創(chuàng)建過盈導(dǎo)向配合以允許更大的制造公差并且應(yīng)對不同的熱增長。通過柱形的導(dǎo)向凸臺，這種方法導(dǎo)致了組裝問題。葉輪必須被加熱或者通過力被驅(qū)動到該軸上。該引導(dǎo)凸臺的長度可能使得軸或孔的少量跳動都是關(guān)鍵的。如果所得組件沒有通過內(nèi)芯平衡檢查，用于重新轉(zhuǎn)位的葉輪的移除會導(dǎo)致對葉輪和軸的損壞。例如，渦輪機(jī)葉輪材料（例如鈦）易于擦傷并且可能在完全坐好之前卡住。在此類情況下，報廢成本非常高。

由于需要平衡該壓縮機(jī)葉輪，將壓縮機(jī)葉輪安裝到渦輪機(jī)軸上變得更為復(fù)雜。壓縮機(jī)葉輪平衡矯正傳統(tǒng)上是通過在兩個平面上移除金屬來實現(xiàn)的。后平面是通過從壓縮機(jī)葉輪后壁的周緣上移除材料來矯正的。在葉片之間扇形化或在該后壁上機(jī)加工出一個臺階狀凹座是所使用的兩種方法。這種材料移除對該零件的壽命來說是極其關(guān)鍵的，因為矯正區(qū)域可能是受高應(yīng)力的。因此，移除可能對疲勞壽命產(chǎn)生不利的影響。

前部矯正平面是葉輪的鼻部。它受到輕微應(yīng)力，因此可以被切掉而不會限制損害其功能。最根本的問題是產(chǎn)生足夠的后壁矯正以使報廢最少而不引起過早失效。

因此，需要用于將壓縮機(jī)葉輪精確導(dǎo)向到軸上的結(jié)構(gòu)和方法，而沒有極度精密的機(jī)加工的成本或過盈配合的組裝缺點。還進(jìn)一步需要一種簡化對壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行平衡而不損害該葉輪的疲勞強(qiáng)度的設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本文提供了一種渦輪增壓器，該渦輪增壓器包括一個渦輪機(jī)葉輪、一個附接到該渦輪機(jī)葉輪上的軸、以及與該渦輪機(jī)葉輪相反地布置在該軸上的一個壓縮機(jī)葉輪。該壓縮機(jī)葉輪包括一個后壁和一個軸向孔。一個導(dǎo)向墊圈鄰近于該壓縮機(jī)葉輪后壁定位。該導(dǎo)向墊圈具有內(nèi)直徑和外直徑并且包括一個錐形導(dǎo)向環(huán)，該錐形導(dǎo)向環(huán)延伸到該壓縮機(jī)葉輪的軸向孔之中。該渦輪增壓器可以包括鄰近于該壓縮機(jī)葉輪的鼻部末端定位的一個第二導(dǎo)向墊圈。

在本文描述的技術(shù)的某些方面，該壓縮機(jī)葉輪包括一個埋頭孔，該埋頭孔經(jīng)尺寸確定且被配置成用來接納該錐形導(dǎo)向環(huán)。該導(dǎo)向墊圈可以包括從內(nèi)直徑延伸到外直徑的一個缺口。一個螺母被擰到該軸上并且可操作來在該壓縮機(jī)葉輪上提供軸向夾緊力，由此在該導(dǎo)向環(huán)延伸進(jìn)入該孔之中時致使該導(dǎo)向墊圈收縮到該軸上。該壓縮機(jī)葉輪可以被夾緊在該螺母與布置在該軸上的一個肩臺之間。

該導(dǎo)向墊圈可以進(jìn)一步包括一個從該導(dǎo)向環(huán)延伸的短柱環(huán)，其中該短柱環(huán)被壓入該軸向孔中。除此之外，該壓縮機(jī)葉輪和導(dǎo)向墊圈可以包括協(xié)作性轉(zhuǎn)位特征。

本文還提供了一種渦輪增壓器，該渦輪增壓器包括一個渦輪機(jī)葉輪、一個附接到該渦輪機(jī)葉輪上的軸、以及與該渦輪機(jī)葉輪相反地布置在該軸上的一個壓縮機(jī)葉輪。該軸包括一個導(dǎo)向凸臺并且該壓縮機(jī)葉輪包括一個軸向孔，該軸向孔經(jīng)尺寸確定以在該導(dǎo)向凸臺與該軸向孔之間提供過盈配合。

在本文描述的技術(shù)的其他方面，該導(dǎo)向凸臺的形狀是圓化的。該渦輪增壓器可以進(jìn)一步包括鄰近于該壓縮機(jī)葉輪的鼻部末端定位的一個導(dǎo)向插入件。該壓縮機(jī)葉輪包括一個埋頭孔，該埋頭孔經(jīng)尺寸確定并且被配置成用來將該導(dǎo)向插入件接納在其中。該導(dǎo)向插入件包括內(nèi)直徑、外直徑、以及一個從內(nèi)直徑延伸到外直徑的缺口。一個螺母被擰到該軸上并且在該壓縮機(jī)葉輪上提供軸向夾緊力，由此在該導(dǎo)向插入件被推入該埋頭孔之中時致使該導(dǎo)向插入件收縮到該軸上。

本文還設(shè)想了一種將壓縮機(jī)葉輪組裝到軸上的方法。在一個實施例中，該方法包括：確定壓縮機(jī)葉輪的不平衡；將一個墊圈定位在該軸上，其中該墊圈具有不均勻的重量分布；并且將該壓縮機(jī)葉輪鄰近于該墊圈定位在該軸上。將該墊圈相對于該壓縮機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)以使得該墊圈的不均勻的重量分布補(bǔ)償該不平衡。該墊圈相對于該壓縮機(jī)葉輪的位置是例如通過夾緊來維持的。該方法可以進(jìn)一步包括從該墊圈上移除材料。

在本文描述的技術(shù)的其他方面，該壓縮機(jī)葉輪包括一個軸向孔并且該墊圈包括一個延伸到該軸向環(huán)中的錐形導(dǎo)向環(huán)。該墊圈包括內(nèi)直徑、外直徑、以及一個從內(nèi)直徑延伸到外直徑的缺口。該方法進(jìn)一步包括將該壓縮機(jī)葉輪和墊圈夾緊在一起，由此在該導(dǎo)向環(huán)延伸進(jìn)入該孔中時致使該導(dǎo)向墊圈收縮到該軸上。

在此，在本文的考慮詳細(xì)說明部分和附圖部分之后，所披露的技術(shù)的這些方面和其他方面將變得清楚。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由所提出的權(quán)利要求書來確定而不是由給出的主題是否解決了該背景部分中指出的任何或所有問題或者是否包含在概述部分中敘述的任何特征或方面來確定。

附圖說明

參照以下附圖來說明所披露的技術(shù)、包括該優(yōu)選實施例的非限制性和非窮盡的實施例，其中遍及各個視圖用相同的參考數(shù)字表示相同的部分，除非另外指明。

圖1是一個典型的渦輪增壓器的截面的側(cè)視圖；

圖2是一個局部截面?zhèn)纫晥D，示出了根據(jù)第一示例性實施例的一個帶有平衡矯正和強(qiáng)制導(dǎo)向的壓縮機(jī)葉輪；

圖3是如圖2中所示的導(dǎo)向墊圈的平面頂視圖；

圖4是一個局部截面?zhèn)纫晥D，示出了該導(dǎo)向墊圈的一種替代性的構(gòu)造；

圖5是一個導(dǎo)向墊圈的平面底視圖，示出了該壓縮機(jī)葉輪和導(dǎo)向墊圈的多個協(xié)作性轉(zhuǎn)位特征；

圖6是在圖5中示出的導(dǎo)向墊圈的局部截面?zhèn)纫晥D；

圖7是一個局部截面?zhèn)纫晥D，示出了根據(jù)第二示例性實施例的一個具有強(qiáng)制導(dǎo)向的壓縮機(jī)葉輪的鼻部末端；并且

圖8是一個局部截面?zhèn)纫晥D，示出了在圖7中示出的具有強(qiáng)制導(dǎo)向的壓縮機(jī)葉輪的后壁部分。

具體實施方式

以下將參照附圖更全面地說明實施例，這些附圖形成本文的一個部分并且通過圖示的方式示出多個具體示例性實施例。這些實施例是以足夠的細(xì)節(jié)予以披露的從而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。然而，實施例能以許多不同的形式來實施并且不應(yīng)解釋為局限于在此闡述的這些實施例。因此，以下的詳細(xì)說明部分并不是在限制意義上進(jìn)行的。應(yīng)該理解的是，在附圖中并未示出渦輪增壓器的所有部件，并且本披露考慮到了使用如本領(lǐng)域已知的各種渦輪增壓器部件。渦輪增壓器的構(gòu)造在本領(lǐng)域中被普遍理解的，并且對于理解在此全面說明和披露的本申請的技術(shù)而言不必全面說明渦輪增壓器的每一個部件。

圖2示出了根據(jù)第一示例性實施例的一個帶有平衡矯正和強(qiáng)制導(dǎo)向的壓縮機(jī)葉輪。壓縮機(jī)葉輪132包括一個后壁134和一個鼻部末端136。壓縮機(jī)葉輪132還包括一個接納軸111的軸向孔137。一個導(dǎo)向墊圈150鄰近該后壁134定位并且包括一個錐形的導(dǎo)向環(huán)154，該導(dǎo)向環(huán)延伸到該軸向孔137中。該壓縮機(jī)葉輪132可以包括一個埋頭孔138，該埋頭孔經(jīng)尺寸確定且被配置成用來接納該錐形導(dǎo)向環(huán)154。還可以利用位于該壓縮機(jī)葉輪的鼻部末端136處的第二導(dǎo)向墊圈150將該壓縮機(jī)葉輪132安裝到該軸111上。一個螺母113通過螺紋115被附接到該軸111上。該螺母可操作來在壓縮機(jī)葉輪132上提供軸向夾緊力，由此在該導(dǎo)向環(huán)154延伸進(jìn)入孔137內(nèi)時致使導(dǎo)向墊圈150收縮到該軸111上。因為該導(dǎo)向墊圈是帶缺口的，軸向負(fù)載引起圓周方向上的收縮，使得該墊圈收縮而接合該軸，由此產(chǎn)生剛性導(dǎo)向。這個安排提供了強(qiáng)制導(dǎo)向，無論孔和軸的尺寸如何變化。只要維持該夾緊負(fù)載，這個安排還有助于防止平衡遷移。公差可以更大并且制造工藝可以更穩(wěn)健。夾緊之前的更大間隙使得組裝更容易。

參照圖3，可以認(rèn)識到導(dǎo)向墊圈150包括一個墊圈部分152和一個由此軸向延伸的錐形導(dǎo)向環(huán)154。該墊圈150具有內(nèi)直徑162和外直徑160、并且具有個在內(nèi)直徑與外直徑之間延伸的一個缺口164。相應(yīng)地，導(dǎo)向墊圈150包括由內(nèi)直徑162限定的一個孔口156。如上所提及的，由于錐形導(dǎo)向環(huán)154被壓入該壓縮機(jī)葉輪132的軸向孔137之中，導(dǎo)向墊圈150收縮而夾緊在軸111上。相應(yīng)地，當(dāng)導(dǎo)向環(huán)154被壓入軸向孔137之中時，孔口156收縮并且缺口164變窄。

從該圖中可以認(rèn)識到，缺口164致使該導(dǎo)向墊圈150具有不均勻的重量分布，這可以用來補(bǔ)償壓縮機(jī)葉輪的不平衡。在圖3中還示出了一個材料移除區(qū)域158?？梢詮倪@個區(qū)域中移除材料以進(jìn)一步補(bǔ)償壓縮機(jī)葉輪132中的不平衡。因此，該導(dǎo)向墊圈可以相對于壓縮機(jī)葉輪132旋轉(zhuǎn)地定位以有助于補(bǔ)償壓縮機(jī)葉輪132中的任何不平衡。在這種情況下，該導(dǎo)向墊圈是由鋼構(gòu)成的，鋼的密度大約是鋁的三倍并且大約是鈦的兩倍。

圖4示出了導(dǎo)向墊圈151的一種替代性的構(gòu)造。在這種情況下，導(dǎo)向墊圈151包括一個帶有錐形導(dǎo)向環(huán)155的墊圈部分153，類似于以上關(guān)于圖3所說明的。然而，在這種情況下，該導(dǎo)向墊圈151還包括從錐形導(dǎo)向環(huán)155沿軸向方向延伸的一個短柱環(huán)157。該短柱環(huán)157可以被壓入壓縮機(jī)葉輪132的軸向孔137之中。因此，該導(dǎo)向墊圈151在組裝操作過程中方便地被維持在位。

如在圖5和圖6中所示的，該壓縮機(jī)葉輪和這些導(dǎo)向墊圈可以包括多個協(xié)作性轉(zhuǎn)位特征。例如，在這種情況下，這些協(xié)作性轉(zhuǎn)位特征是定位銷166的形式，該定位銷被壓入在壓縮機(jī)葉輪132中形成的一個定位銷孔144中。該導(dǎo)向墊圈151還可以包括沿著缺口164的一個擴(kuò)大區(qū)域168，如圖所示該擴(kuò)大區(qū)域經(jīng)尺寸確定以容納該定位銷166。

圖7和圖8示出了根據(jù)第二示例性實施例的一個帶有強(qiáng)制導(dǎo)向的壓縮機(jī)葉輪。在這種情況下，該壓縮機(jī)葉輪232具有一個后壁234，該后壁與軸211上形成的一個肩臺214相抵。該組件可以還可以包括一個肩臺墊圈252，這個肩臺墊圈可以用來通過從該墊圈上移除材料來進(jìn)行平衡補(bǔ)償。在這種情況下，軸211包括一個導(dǎo)向凸臺250，該導(dǎo)向凸臺經(jīng)尺寸確定以在壓縮機(jī)葉輪232的軸向孔237與導(dǎo)向凸臺250之間提供過盈壓配合。在這種情況下，導(dǎo)向凸臺250的形狀是圓化的或球形的。因此，當(dāng)與傳統(tǒng)的壓配合和/或間隙配合應(yīng)用相比，該軸向孔和導(dǎo)向凸臺的公差可以被放松。

這種過盈配合解決了制造公差以及在葉輪與軸之間的熱增長和機(jī)械增長。此外，這種安排有助于消除間隙配合方法所固有的平衡遷移的可能性。僅需要在局部特征上而不是在整個孔或軸長度上維持緊密公差。跳動公差是不需要的。因此較低成本的制造是可能的。也可以針對材料來訂制壓配合。因為鈦具有比鋼更小的熱膨脹，因此壓配合可以減小，從而進(jìn)一步減小損壞風(fēng)險。

具體參照圖7，該壓縮機(jī)葉輪組件還可以包括一個導(dǎo)向插入件256，該導(dǎo)向插入件被壓入在該壓縮機(jī)葉輪232的鼻部末端236內(nèi)形成的一個埋頭孔238中。當(dāng)螺母213被擰到這些螺紋215上時，提供了對夾緊墊圈254的軸向夾緊力，該夾緊墊圈進(jìn)而將該導(dǎo)向插入件256壓入埋頭孔238中。導(dǎo)向插入件256可以是有缺口的（與以上說明的導(dǎo)向墊圈的方式類似），這樣使得該導(dǎo)向插入件在被壓入埋頭孔238中時收縮到軸211上，由此提供針對壓縮機(jī)葉輪232的鼻部末端的強(qiáng)制導(dǎo)向。而且，該夾緊墊圈254可以通過移除材料對該壓縮機(jī)葉輪中的不平衡提供補(bǔ)償。

還設(shè)想了涉及以上所描述的帶有平衡矯正和強(qiáng)制導(dǎo)向的壓縮機(jī)葉輪的方法。這些方法因此包括上述結(jié)構(gòu)和其組件中固有的步驟。在一個示例性實施例中，該方法可以包括：確定壓縮機(jī)葉輪的不平衡；將一個墊圈定位在該軸上，其中該墊圈具有不均勻的重量分布；并且將該壓縮機(jī)葉輪鄰近于該墊圈定位在該軸上。將該墊圈相對于該壓縮機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)以使得該墊圈的不均勻的重量分布補(bǔ)償該不平衡。該墊圈相對于該壓縮機(jī)葉輪的位置是例如通過夾緊來維持的。該方法可以進(jìn)一步包括從該墊圈上移除材料。

相應(yīng)地，該帶有平衡矯正和強(qiáng)制導(dǎo)向的壓縮機(jī)葉輪已經(jīng)針對這些示例性實施例以某種具體程度進(jìn)行了描述。然而，應(yīng)了解的是，本發(fā)明是由根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行解釋的權(quán)利要求所限定的，因而在不背離在本文包含的發(fā)明構(gòu)思的情況下可以對這些示例性實施例作出修改或改變。