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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201380038136.5(22)申请日 2013.07.2661/680491 2012.08.07 USF02B 39/00(2006.01)F02B 37/00(2006.01)F02C 6/12(2006.01)(71)申请人博格华纳公司地址美国密歇根州(72)发明人 DM德克尔(74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公司 72001代理人张昱 李婷(54) 发明名称带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮(57) 摘要一种涡轮增压器，包括：一个涡轮机叶轮(10)；附接到该涡轮机叶轮(10)上的一个轴(111)；以及与该涡轮机叶轮。
2、(10)相反地布置在该轴(111)上的一个压缩机叶轮(132)。该压缩机叶轮(132)包括一个后壁(134)和一个轴向孔(137)；并且一个导向垫圈(150)邻近于该压缩机叶轮后壁(134)被定位。该导向垫圈(150)包括内直径(162)和外直径(160)并且包括延伸进入该压缩机叶轮(132)的轴向孔(137)中的一个锥形导向环(154)。该导向垫圈(150)包括从该内直径(162)延伸到该外直径(160)的一个缺口(164)。一个螺母(113)被拧到该轴(111)上并且可操作来在该压缩机叶轮(132)上提供轴向夹紧力，由此在该导向环(154)延伸进入该孔(137)之中时致使该导向垫圈(150。
3、)收缩到该轴(111)上。(30)优先权数据(85)PCT国际申请进入国家阶段日2015.01.16(86)PCT国际申请的申请数据PCT/US2013/052205 2013.07.26(87)PCT国际申请的公布数据WO2014/025554 EN 2014.02.13(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书5页 附图2页(10)申请公布号 CN 104487674 A(43)申请公布日 2015.04.01CN 104487674 A1/2 页21.一种涡轮增压器，包括 ：一个涡轮机叶轮 (10) ；一个轴 (111)，该轴附接。
4、到该涡轮机叶轮 (10) 上 ；一个压缩机叶轮 (132)，该压缩机叶轮与该涡轮机叶轮 (10) 相反地布置在该轴 (111)上，其中该压缩机叶轮 (132) 包括一个后壁 (134) 和一个轴向孔 (137) ；以及一个邻近于该压缩机叶轮后壁 (134) 定位的导向垫圈 (150)，该导向垫圈包括内直径(162)、外直径 (160)、以及延伸进入该轴向孔 (137) 中的一个锥形导向环 (154)。2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中该压缩机叶轮(132)包括一个埋头孔(138)，该埋头孔经尺寸确定并且被配置成用来接纳该锥形导向环 (154)。3.根据权利要求 2 所述的涡轮增压器，其中。
5、该导向垫圈 (150) 包括从该内直径 (162)延伸到该外直径 (160) 的一个缺口 (164)。4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，进一步包括一个螺母(113)，该螺母被拧到该轴(111)上并且可操作来在该压缩机叶轮(132)上提供轴向夹紧力，由此在该导向环(154)延伸进入该孔 (137) 中时致使该导向垫圈 (150) 收缩到该轴 (111) 上。5.根据权利要求 1 所述的涡轮增压器，其中该导向垫圈 (151) 进一步包括一个从该导向环 (155) 延伸的短柱环 (157)，其中该短柱环 (157) 被压入该轴向孔 (137) 中。6.一种涡轮增压器，包括 ：一个涡轮机叶轮 (23。
6、2) ；一个轴 (211)，该轴被附接到该涡轮机叶轮 (10) 上并且包括一个导向凸台 (250) ；一个压缩机叶轮 (232)，该压缩机叶轮与该涡轮机叶轮 (10) 相反地布置在该轴 (211)上，其中该压缩机叶轮 (232) 包括一个轴向孔 (237)，该轴向孔经尺寸确定以在该导向凸台(250) 与该轴向孔 (237) 之间提供过盈压配合。7.根据权利要求 6 所述的涡轮增压器，其中该导向凸台 (250) 的形状是圆化的。8.根据权利要求6所述的涡轮增压器，进一步包括一个螺母(213)，该螺母被拧到该轴(211) 上并且可操作来在该压缩机叶轮 (232) 上提供轴向夹紧力。9.根据权利要求。
7、8所述的涡轮增压器，其中该压缩机叶轮(232)被夹紧在该螺母(213) 与一个布置在该轴 (211) 上的肩台 (214) 之间。10.根据权利要求6所述的涡轮增压器，进一步包括邻近于该压缩机叶轮(232)的鼻部末端 (236) 定位的一个导向插入件 (256)。11.根据权利要求 10 所述的涡轮增压器，其中该压缩机叶轮 (232) 包括一个埋头孔(238)，该埋头孔经尺寸确定并且被配置成用来在其中接纳该导向插入件 (256)。12.一种用于将压缩机叶轮 (132，232) 组装到轴 (111，211) 上的方法，该方法包括 ：确定压缩机叶轮 (132，232) 的不平衡 ；在该轴(111，。
8、211)上定位一个垫圈(150，252)，其中该垫圈(150，252)具有不均匀的重量分布 ；将该压缩机叶轮 (132，232) 邻近于该垫圈 (150，252) 定位在该轴 (111，211) 上 ；相对于该压缩机叶轮(132，232)转动该垫圈(150，252)以使得该垫圈的不均匀的重量分布补偿该不平衡 ；并且维持该垫圈 (150，252) 相对于该压缩机叶轮 (132，232) 的位置。权 利 要 求 书CN 104487674 A2/2 页313.根据权利要求 12 所述的方法，进一步包括从该垫圈 (150，252) 中移除材料。14.根据权利要求 12 所述的方法，其中该压缩机叶轮 。
9、(132) 包括一个轴向孔 (137) 并且该垫圈 (150) 包括一个延伸进入该轴向孔 (137) 之中的一个锥形导向环 (154)。15.根据权利要求14所述的方法，其中该垫圈(150)包括内直径(162)、外直径(160)、以及从该内直径(162)延伸到该外直径(160)的一个缺口(164)，并且进一步包括将该压缩机叶轮 (132) 与该垫圈 (150) 夹紧在一起，由此在该导向环 (154) 延伸进入该孔 (137) 之中时致使该垫圈 (150) 收缩到该轴 (111) 上。权 利 要 求 书CN 104487674 A1/5 页4带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮0001 背景000。
10、2 当今内燃发动机必须满足消费者和政府监管机构所要求的愈来愈严格的排放标准和效率标准。因此，汽车制造商和供应商在研究和开发用于改善内燃发动机的运行的技术方面耗用了大量精力和资金。涡轮增压器是发动机开发的尤其使人感兴趣的一个领域。0003 涡轮增压器使用普通情况下浪费掉的排气能量来驱动涡轮机。涡轮机被安装到一个轴上，这个轴又驱动压缩机。涡轮机将排气的热能和动能转换成驱动压缩机的旋转动力。涡轮增压器的目的是通过增大进入发动机的空气的密度来提高发动机的容积效率。压缩机吸入周围空气并且将其压缩到进气歧管中并且最终压缩到汽缸中。因此，在每个进气冲程上都有更大量的空气进入这些汽缸。0004 参照图 1，涡。
11、轮增压器利用了来自发动机排气歧管的排气流动来驱动一个涡轮机叶轮 10。一旦排气已穿过了涡轮机叶轮并且该涡轮机叶轮已经从该排气中提取了能量，用过的排气就从涡轮机壳体(未示出)排出。涡轮机叶轮提取的能量被转化为一种旋转运动，这种旋转运动接着驱动一个压缩机叶轮 32。该压缩机叶轮将空气抽入涡轮增压器中、将该空气压缩、并且将其输送至发动机的进气侧。0005 该旋转组件包括一体的涡轮机叶轮 10 和轴 11。该压缩机叶轮 32 被安装到轴 11上。该轴 11 在一个动液轴承系统 18 上旋转，该系统被供以典型地由该发动机所供应的油。油是经由一个进油口 21 来输送的以供应给轴颈轴承和止推轴承二者。该止推。
12、轴承 59 控制该旋转组件相对于涡轮机壳体和压缩机壳体中的这些空气动力学特征的轴向位置。按照与轴颈轴承相似的方式，推力负载典型地是由多个倾斜式动液轴承承载的，这些动液轴承与一个抛油环 40 的互补的且面向轴向方向的多个旋转表面协同工作。该涡轮增压器包括一个壳体 20，该壳体带有一个腔 33。止推轴承 59 和插入件 60 被布置在该腔内并且提供了一个排油腔 35。一旦被使用，油就排到该轴承壳体并且通过排油口 22 离开，该排油口流体地连接到发动机的曲轴箱。0006 将压缩机叶轮安装到涡轮机轴上的传统方法是通过多个同轴的圆周表面的紧密配合 ( 叶轮孔到轴的外直径 )。小的间隙将运行过程中的不平衡。
13、性的变化或迁移最小化。不平衡会引起轴承的毁灭性失效，该失效是由产生的力和激发的振动模式导致的。为了帮助防止传统设计中的不平衡迁移，叶轮孔与轴直径之间的配合必须被维持在非常紧密的公差。相应地，叶轮孔和轴直径上的公差也必须非常紧密。应注意的是这些紧密公差必须在轴的整个长度上得到维持。紧密公差导致更高的生产成本。此外，叶轮孔与轴直径之间的紧密配合使得这些部件的组装更加困难，更不用说拆卸。将压缩机叶轮安装到涡轮机轴上的这种方法没有解决该叶轮相对于该轴的机械增长和热增长的差异。对于在钢制轴上被导向的铝制叶轮来说，不同的热增长和机械增长可以高达组装间隙的三倍。因此，在使用中不利的不平衡迁移是可能的。000。
14、7 将压缩机叶轮安装到涡轮机轴上的另一传统方法包括创建过盈导向配合以允许更大的制造公差并且应对不同的热增长。通过柱形的导向凸台，这种方法导致了组装问题。叶轮必须被加热或者通过力被驱动到该轴上。该引导凸台的长度可能使得轴或孔的少量跳说 明 书CN 104487674 A2/5 页5动都是关键的。如果所得组件没有通过内芯平衡检查，用于重新转位的叶轮的移除会导致对叶轮和轴的损坏。例如，涡轮机叶轮材料 ( 例如钛 ) 易于擦伤并且可能在完全坐好之前卡住。在此类情况下，报废成本非常高。0008 由于需要平衡该压缩机叶轮，将压缩机叶轮安装到涡轮机轴上变得更为复杂。压缩机叶轮平衡矫正传统上是通过在两个平面上。
15、移除金属来实现的。后平面是通过从压缩机叶轮后壁的周缘上移除材料来矫正的。在叶片之间扇形化或在该后壁上机加工出一个台阶状凹座是所使用的两种方法。这种材料移除对该零件的寿命来说是极其关键的，因为矫正区域可能是受高应力的。因此，移除可能对疲劳寿命产生不利的影响。0009 前部矫正平面是叶轮的鼻部。它受到轻微应力，因此可以被切掉而不会限制损害其功能。最根本的问题是产生足够的后壁矫正以使报废最少而不引起过早失效。0010 因此，需要用于将压缩机叶轮精确导向到轴上的结构和方法，而没有极度精密的机加工的成本或过盈配合的组装缺点。还进一步需要一种简化对压缩机叶轮进行平衡而不损害该叶轮的疲劳强度的设计。0011。
16、 概述0012 本文提供了一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括一个涡轮机叶轮、一个附接到该涡轮机叶轮上的轴、以及与该涡轮机叶轮相反地布置在该轴上的一个压缩机叶轮。该压缩机叶轮包括一个后壁和一个轴向孔。一个导向垫圈邻近于该压缩机叶轮后壁定位。该导向垫圈具有内直径和外直径并且包括一个锥形导向环，该锥形导向环延伸到该压缩机叶轮的轴向孔之中。该涡轮增压器可以包括邻近于该压缩机叶轮的鼻部末端定位的一个第二导向垫圈。0013 在本文描述的技术的某些方面，该压缩机叶轮包括一个埋头孔，该埋头孔经尺寸确定且被配置成用来接纳该锥形导向环。该导向垫圈可以包括从内直径延伸到外直径的一个缺口。一个螺母被拧到该轴上并且可操作。
17、来在该压缩机叶轮上提供轴向夹紧力，由此在该导向环延伸进入该孔之中时致使该导向垫圈收缩到该轴上。该压缩机叶轮可以被夹紧在该螺母与布置在该轴上的一个肩台之间。0014 该导向垫圈可以进一步包括一个从该导向环延伸的短柱环，其中该短柱环被压入该轴向孔中。除此之外，该压缩机叶轮和导向垫圈可以包括协作性转位特征。0015 本文还提供了一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括一个涡轮机叶轮、一个附接到该涡轮机叶轮上的轴、以及与该涡轮机叶轮相反地布置在该轴上的一个压缩机叶轮。该轴包括一个导向凸台并且该压缩机叶轮包括一个轴向孔，该轴向孔经尺寸确定以在该导向凸台与该轴向孔之间提供过盈配合。0016 在本文描述的技术的其他。
18、方面，该导向凸台的形状是圆化的。该涡轮增压器可以进一步包括邻近于该压缩机叶轮的鼻部末端定位的一个导向插入件。该压缩机叶轮包括一个埋头孔，该埋头孔经尺寸确定并且被配置成用来将该导向插入件接纳在其中。该导向插入件包括内直径、外直径、以及一个从内直径延伸到外直径的缺口。一个螺母被拧到该轴上并且在该压缩机叶轮上提供轴向夹紧力，由此在该导向插入件被推入该埋头孔之中时致使该导向插入件收缩到该轴上。0017 本文还设想了一种将压缩机叶轮组装到轴上的方法。在一个实施例中，该方法包括 ：确定压缩机叶轮的不平衡 ；将一个垫圈定位在该轴上，其中该垫圈具有不均匀的重量说 明 书CN 104487674 A3/5 页6。
19、分布 ；并且将该压缩机叶轮邻近于该垫圈定位在该轴上。将该垫圈相对于该压缩机叶轮旋转以使得该垫圈的不均匀的重量分布补偿该不平衡。该垫圈相对于该压缩机叶轮的位置是例如通过夹紧来维持的。该方法可以进一步包括从该垫圈上移除材料。0018 在本文描述的技术的其他方面，该压缩机叶轮包括一个轴向孔并且该垫圈包括一个延伸到该轴向环中的锥形导向环。该垫圈包括内直径、外直径、以及一个从内直径延伸到外直径的缺口。该方法进一步包括将该压缩机叶轮和垫圈夹紧在一起，由此在该导向环延伸进入该孔中时致使该导向垫圈收缩到该轴上。0019 在此，在本文的考虑详细说明部分和附图部分之后，所披露的技术的这些方面和其他方面将变得清楚。。
20、然而，应当理解的是，本发明的范围应当由所提出的权利要求书来确定而不是由给出的主题是否解决了该背景部分中指出的任何或所有问题或者是否包含在概述部分中叙述的任何特征或方面来确定。0020 图0021 参照以下附图来说明所披露的技术、包括该优选实施例的非限制性和非穷尽的实施例，其中遍及各个视图用相同的参考数字表示相同的部分，除非另外指明。0022 图 1 是一个典型的涡轮增压器的截面的侧视图 ；0023 图 2 是一个局部截面侧视图，示出了根据第一示例性实施例的一个带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮 ；0024 图 3 是如图 2 中所示的导向垫圈的平面顶视图 ；0025 图 4 是一个局部截面侧视。
21、图，示出了该导向垫圈的一种替代性的构造 ；0026 图 5 是一个导向垫圈的平面底视图，示出了该压缩机叶轮和导向垫圈的多个协作性转位特征 ；0027 图 6 是在图 5 中示出的导向垫圈的局部截面侧视图 ；0028 图 7 是一个局部截面侧视图，示出了根据第二示例性实施例的一个具有强制导向的压缩机叶轮的鼻部末端 ；并且0029 图 8 是一个局部截面侧视图，示出了在图 7 中示出的具有强制导向的压缩机叶轮的后壁部分。0030 详细说明0031 以下将参照附图更全面地说明实施例，这些附图形成本文的一个部分并且通过图示的方式示出多个具体示例性实施例。这些实施例是以足够的细节予以披露的从而使得本领域。
22、技术人员能够实践本发明。然而，实施例能以许多不同的形式来实施并且不应解释为局限于在此阐述的这些实施例。因此，以下的详细说明部分并不是在限制意义上进行的。应该理解的是，在附图中并未示出涡轮增压器的所有部件，并且本披露考虑到了使用如本领域已知的各种涡轮增压器部件。涡轮增压器的构造在本领域中被普遍理解的，并且对于理解在此全面说明和披露的本申请的技术而言不必全面说明涡轮增压器的每一个部件。0032 图 2 示出了根据第一示例性实施例的一个带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮。压缩机叶轮 132 包括一个后壁 134 和一个鼻部末端 136。压缩机叶轮 132 还包括一个接纳轴 111 的轴向孔 137。。
23、一个导向垫圈 150 邻近该后壁 134 定位并且包括一个锥形的导向环154，该导向环延伸到该轴向孔137中。该压缩机叶轮132可以包括一个埋头孔138，该埋头孔经尺寸确定且被配置成用来接纳该锥形导向环 154。还可以利用位于该压缩机叶轮说 明 书CN 104487674 A4/5 页7的鼻部末端 136 处的第二导向垫圈 150 将该压缩机叶轮 132 安装到该轴 111 上。一个螺母113 通过螺纹 115 被附接到该轴 111 上。该螺母可操作来在压缩机叶轮 132 上提供轴向夹紧力，由此在该导向环 154 延伸进入孔 137 内时致使导向垫圈 150 收缩到该轴 111 上。因为该导向。
24、垫圈是带缺口的，轴向负载引起圆周方向上的收缩，使得该垫圈收缩而接合该轴，由此产生刚性导向。这个安排提供了强制导向，无论孔和轴的尺寸如何变化。只要维持该夹紧负载，这个安排还有助于防止平衡迁移。公差可以更大并且制造工艺可以更稳健。夹紧之前的更大间隙使得组装更容易。0033 参照图3，可以认识到导向垫圈150包括一个垫圈部分152和一个由此轴向延伸的锥形导向环 154。该垫圈 150 具有内直径 162 和外直径 160、并且具有个在内直径与外直径之间延伸的一个缺口 164。相应地，导向垫圈 150 包括由内直径 162 限定的一个孔口 156。如上所提及的，由于锥形导向环 154 被压入该压缩机叶。
25、轮 132 的轴向孔 137 之中，导向垫圈150 收缩而夹紧在轴 111 上。相应地，当导向环 154 被压入轴向孔 137 之中时，孔口 156 收缩并且缺口 164 变窄。0034 从该图中可以认识到，缺口164致使该导向垫圈150具有不均匀的重量分布，这可以用来补偿压缩机叶轮的不平衡。在图 3 中还示出了一个材料移除区域 158。可以从这个区域中移除材料以进一步补偿压缩机叶轮 132 中的不平衡。因此，该导向垫圈可以相对于压缩机叶轮132旋转地定位以有助于补偿压缩机叶轮132中的任何不平衡。在这种情况下，该导向垫圈是由钢构成的，钢的密度大约是铝的三倍并且大约是钛的两倍。0035 图 4。
26、 示出了导向垫圈 151 的一种替代性的构造。在这种情况下，导向垫圈 151 包括一个带有锥形导向环 155 的垫圈部分 153，类似于以上关于图 3 所说明的。然而，在这种情况下，该导向垫圈151还包括从锥形导向环155沿轴向方向延伸的一个短柱环157。该短柱环 157 可以被压入压缩机叶轮 132 的轴向孔 137 之中。因此，该导向垫圈 151 在组装操作过程中方便地被维持在位。0036 如在图 5 和图 6 中所示的，该压缩机叶轮和这些导向垫圈可以包括多个协作性转位特征。例如，在这种情况下，这些协作性转位特征是定位销 166 的形式，该定位销被压入在压缩机叶轮 132 中形成的一个定位。
27、销孔 144 中。该导向垫圈 151 还可以包括沿着缺口164 的一个扩大区域 168，如图所示该扩大区域经尺寸确定以容纳该定位销 166。0037 图 7 和图 8 示出了根据第二示例性实施例的一个带有强制导向的压缩机叶轮。在这种情况下，该压缩机叶轮 232 具有一个后壁 234，该后壁与轴 211 上形成的一个肩台 214相抵。该组件可以还可以包括一个肩台垫圈252，这个肩台垫圈可以用来通过从该垫圈上移除材料来进行平衡补偿。在这种情况下，轴 211 包括一个导向凸台 250，该导向凸台经尺寸确定以在压缩机叶轮 232 的轴向孔 237 与导向凸台 250 之间提供过盈压配合。在这种情况下，。
28、导向凸台 250 的形状是圆化的或球形的。因此，当与传统的压配合和 / 或间隙配合应用相比，该轴向孔和导向凸台的公差可以被放松。0038 这种过盈配合解决了制造公差以及在叶轮与轴之间的热增长和机械增长。此外，这种安排有助于消除间隙配合方法所固有的平衡迁移的可能性。仅需要在局部特征上而不是在整个孔或轴长度上维持紧密公差。跳动公差是不需要的。因此较低成本的制造是可能的。也可以针对材料来订制压配合。因为钛具有比钢更小的热膨胀，因此压配合可以减小，从而进一步减小损坏风险。说 明 书CN 104487674 A5/5 页80039 具体参照图 7，该压缩机叶轮组件还可以包括一个导向插入件 256，该导向。
29、插入件被压入在该压缩机叶轮 232 的鼻部末端 236 内形成的一个埋头孔 238 中。当螺母 213 被拧到这些螺纹215上时，提供了对夹紧垫圈254的轴向夹紧力，该夹紧垫圈进而将该导向插入件 256 压入埋头孔 238 中。导向插入件 256 可以是有缺口的 ( 与以上说明的导向垫圈的方式类似 )，这样使得该导向插入件在被压入埋头孔 238 中时收缩到轴 211 上，由此提供针对压缩机叶轮 232 的鼻部末端的强制导向。而且，该夹紧垫圈 254 可以通过移除材料对该压缩机叶轮中的不平衡提供补偿。0040 还设想了涉及以上所描述的带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮的方法。这些方法因此包括上述。
30、结构和其组件中固有的步骤。在一个示例性实施例中，该方法可以包括 ：确定压缩机叶轮的不平衡 ；将一个垫圈定位在该轴上，其中该垫圈具有不均匀的重量分布 ；并且将该压缩机叶轮邻近于该垫圈定位在该轴上。将该垫圈相对于该压缩机叶轮旋转以使得该垫圈的不均匀的重量分布补偿该不平衡。该垫圈相对于该压缩机叶轮的位置是例如通过夹紧来维持的。该方法可以进一步包括从该垫圈上移除材料。0041 相应地，该带有平衡矫正和强制导向的压缩机叶轮已经针对这些示例性实施例以某种具体程度进行了描述。然而，应了解的是，本发明是由根据现有技术进行解释的权利要求所限定的，因而在不背离在本文包含的发明构思的情况下可以对这些示例性实施例作出修改或改变。说 明 书CN 104487674 A1/2 页9图 1 现有技术图2说 明 书 附 图CN 104487674 A2/2 页10图3图4图5图6图7图8说 明 书 附 图CN 104487674 A。