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CN104302890A - 轴向轴承安排 - Google Patents

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CN104302890A
CN104302890A CN201380020536.3A CN201380020536A CN104302890A CN 104302890 A CN104302890 A CN 104302890A CN 201380020536 A CN201380020536 A CN 201380020536A CN 104302890 A CN104302890 A CN 104302890A
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T·杜克勒-舒尔茨
T·科纳
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BorgWarner Inc
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Abstract

本发明涉及一种用于在轴向方向上延伸的旋转轴(10)的、特别是涡轮增压器的旋转轴的轴向轴承安排(11)，该轴向轴承安排具有：一个非旋转的轴向轴承(3)；多个部段(25)，这些部段沿圆周方向分布并且在轴向方向上从该轴向轴承(3)伸出、凹陷到其中或者与其平齐；以及一个接排套环(12，13)，该接排套环在旋转意义上协同地连接到该轴(10)上，其中该接排套环(12，13)包括一个环形的负荷承载表面(15)以用于支持在该轴向轴承的这些部段(25)上；其中这些部段(25)在各自情况下由一个第一边缘(36)和一个第二边缘(37)界定，并且一个部段长度(35)被定义为这两个边缘(36，37)之间在该圆周方向上的弧形长度，并且一个半径(r)被定义为垂直于该轴向方向至与该轴(10)的中心点(34)；其中该部段长度(35)主要地随着半径(r)的增大而增大，并且一个部段宽度(31)被定义为该部段上的外半径和内半径之间的间距。

Description

轴向轴承安排
本发明涉及一种用于旋转轴的、特别是涡轮增压器的旋转轴的轴向轴承安排。具体地讲，本发明涉及一种用于在排气涡轮增压器的压缩机叶轮与涡轮机叶轮之间的旋转轴的轴向轴承安排。
从现有技术中已知的是使用安排在轴向轴承、特别是流体动压轴向轴承的一个圆形环上的多个部段。在此，该轴是通过在其中建立了多个压力场并且转子被安装在轴向方向上的壳体中使用这些部段来“支撑”或支持的。
因此本发明的一个目的是限定一种轴向轴承安排，该轴向轴承安排在生产和组装上并不昂贵同时允许可操作地可靠地尤其在涡轮增压器中安装一个轴。通过本发明，有可能在一个涡轮增压器类型系列中使用功能相同的轴向轴承，仅仅通过替换这些接排套环(密封衬套、轴承套环)就可以适应不同的、特定用途的轴向推力负荷。通过这些接排套环的相对应地适配的负荷承载表面，就有可能用在轴向轴承两侧上的相同的部段构型来在各个推力方向上适应不同的力。区别特征是针对各种各样的修改，尽管接触直径不同，但宽度/长度比率保持大致恒定。通过所述设计举措，同时有可能实现减小所导致的摩擦损失的目标。
这一目的是通过这些独立权利要求的特性来实现的。这些从属权利要求涵盖本发明的多个有利发展。
部段几何形状通常是由楔表面和支座表面构成的；该楔形产生一个变窄的润滑间隙，这确保了在运行过程中的流体动压负荷承载能力。没有楔形的几何形状也是可能的，例如像在阶梯状轴向轴承中那样。
该目的因此是通过具有权利要求1的特征的一个轴向轴承安排来实现的。有待安装的轴限定了轴向方向。半径是垂直于所述轴向方向来测量的。圆周方向是与该半径和该轴向方向相垂直地延伸的。这些单独的部段的长度是在该圆周方向上限定的并且因此指代一个弧形长度。这些单独的部段在该圆周方向上是由一个第一边缘和一个第二边缘来界定的。该第一边缘特别地是界定这些部段的楔表面的那个边缘。
部段长度在所述两个边缘之间延伸。这些部段的宽度是在该半径方向上测量的。
在常规部段的情况下，部段长度完全不会随着半径的增大而增大、或者仅仅是非常缓慢地增大。这导致在具有增大直径的常规部段的情况下部段宽度与部段长度的比率增大。根据本发明已经确定的是在快速旋转的轴承的情况下，部段宽度与部段长度的比率对可获得的负荷承载能力以及导致的摩擦损失具有决定性的影响。因此已经确定的是如果该部段长度随着半径的增大而更剧烈地增大以便与现有构型相比使得部段宽度与部段长度的比率随着半径增大而保持恒定，则可以改善负荷承载能力和摩擦损失。在此，该部段几何形状是基于期望的轴向推力负荷并且因此基于这些接排套环的负荷承载表面等级来加以配置的。对于所述构型而言，限定的是该第一边缘不是笔直地延伸而是具有多个台阶的、是弧形的或者具有不同斜率的多个线性部分。
特别优选地提供的是不仅该楔长度而且该支座长度也随半径的增大而增大。为了进一步优化负荷承载能力和摩擦损失，在实验中已经确定的是支座长度与楔长度的比率应当随着半径的变化而尽可能小地变化。因此优选限定的是支座长度与楔长度的比率在整个部段宽度上是至多0.5、并且优选是0.25。
本发明的进一步的细节、优点和特征将通过参照附图从以下对多个示例性实施例的说明中变得清楚，在附图中：
图1 是具有根据本发明的第一示例性实施例和第二示例性实施例的一个轴向轴承安排的一个排气涡轮增压器的示意性略微简化的截面图示，
图2 示出了根据本发明的第一示例性实施例和第二示例性实施例的轴向轴承安排的截面视图，
图3 示出了根据本发明的第一示例性实施例的轴向轴承安排的一个接排套环的两个不同的视图，
图4 示出了根据本发明的第二示例性实施例的轴向轴承安排的一个接排套环的两个不同的视图，
图5 示出了根据本发明的第一示例性实施例和第二示例性实施例的一个轴向轴承，
图6 以两个不同的图示示出了根据本发明的第一示例性实施例的轴向轴承安排，
图7 以两个不同的图示示出了根据本发明的第二示例性实施例的轴向轴承安排，并且
图8至图11示出了根据本发明的第一示例性实施例和第二示例性实施例的轴向轴承安排的多个部段的不同实施例。
下面将参照图1至图11来对根据本发明的轴向轴承安排11的多个实施例进行说明。
图1是一个排气涡轮增压器1的示意性地略微简化的截面图示。排气涡轮增压器1包括一个涡轮机壳体5和一个压缩机壳体9。涡轮机壳体5和压缩机壳体9通过一种轴承壳体8而彼此相连。压缩机壳体9的涡轮机侧末端是由一个压缩机后壁4形成的。一个压缩机叶轮2被布置在压缩机壳体9中。一个涡轮机叶轮6被布置在涡轮机壳体5中。压缩机叶轮2和涡轮机叶轮6在旋转意义上协同地安排在轴10上。轴10通过多个轴承衬套7径向动地安装在轴承壳体8中。对于轴10的轴向安装而言，轴向轴承安排11被提供在轴承壳体8中的。涡轮机叶轮6是借助于一个内燃发动机的排气流而旋转设置的。由此，压缩机叶轮2通过轴10而同样是旋转设置的。该内燃发动机的充入空气是通过压缩机叶轮2来增压的。
图2是针对两个示例性实施例的轴向轴承安排11的截面图示。该轴向轴承安排11包括一个轴向轴承3、一个密封衬套12以及一个轴承套环13。为了简化图示，在此不再示出轴10，仅仅示出轴10的轴线14。为了简化，密封衬套12和轴承套环13在本申请中还被称作“接排套环(run-on collars)”。密封衬套12和轴承套环13在旋转意义上协同地座在轴10上。轴向轴承3在旋转意义上固定地支撑在壳体、特别是轴承壳体8中。以下将描述轴向轴承3的面向轴承套环13的一侧的实施例。然而，轴向轴承3的相反侧以及密封衬套12的以其面侧抵靠轴向轴承3的那个表面同样是以相对应的方式配置成一个轴向轴承安排的。
图3示出了根据第一示例性实施例的轴承套环13。图4示出了根据第二示例性实施例的轴承套环13。在所有示例性实施例中，相同的或功能相同的零件是由相同的参考数字来标注的。图3和图4在各自情况下示出了轴承套环13的一个平面视图和一个截面视图。
轴承套环13至少在其面向轴向轴承3的一侧包括一个负荷承载表面15。一个第一环绕槽16被径向地布置在所述负荷承载表面15的外侧。一个环形的第一密封表面17被径向地安排在第一环绕槽16的外侧。一个第二环绕槽18被径向地布置在负荷承载表面15的内侧。一个第三密封表面19被径向地布置在第二槽18的内侧。还可想到的一个实施例不具有第二槽18，这样使得该负荷承载表面在内直径处直接会合进入该密封表面中。
在根据图4的第二示例性实施例中，负荷承载表面15被设计得更大，从而省去了第一槽16，并且负荷承载表面15直接会合进入第一密封表面17中。
具体情况是在径向方向上观察时第一密封表面17、第三密封表面19以及负荷承载表面15对准。
图5示出了根据第一示例性实施例和第二示例性实施例的轴向轴承3。
轴向轴承3包括一个支架20。所述支架20被安装在涡轮增压器1的壳体中。在此，支架20在该壳体中的位置是通过多个凸耳21来限定的。此外，轴向轴承3在支架20上包括一个环形的第二密封表面22和一个环形的第四密封表面23。在组装好的状态下，第二密封表面22是与第一密封表面17相对布置的。第四密封表面23是与第三密封表面19相对布置的。
一个凹陷的环形部段接收座24在第二密封表面22与第四密封表面23之间被布置在支架20上。第二密封表面22和第三密封表面23相对于所述环形部段接收座24是升高的，并且这些部段的支座表面优选地位于一个平面中。多个部段25被布置在这些环形部段接收座24上。这些部段25特别地是沿圆周均匀地分布的。这些部段25各自包括一个楔表面26和一个支座表面27。在轴向轴承安排11的静止状态下，轴承套环13的负荷承载表面15可以抵靠所述这些部段25、特别是抵靠这些支座表面27。
此外，图5示出了两个供油孔28和两个配油孔29。这些配油孔29被形成为通孔并且因此将在这两个环形部段接收座表面24之间的油分配在轴向轴承3的两侧上。这些供油孔28在径向方向上延伸并且在各自情况下开放进入一个配油孔29。这些配油孔不必是圆形的。
密封衬套12被支持在轴向轴承3的这个相反侧上(未展示出)。所述相反侧在这些部段的区域中具有与朝向该轴承套环方向取向的那侧相类似的设计，尽管不言自明地可能省去油凹穴。
图6和图7示出了带有轴向轴承3和轴承套环13(接排套环)的轴向轴承安排11的组装好的状态。这两个图示出了轴向轴承安排11的一个平面视图和一个截面侧视图。在此，在各自情况下仅仅展示了轴承套环13的一半。再次为了清晰起见，没有示出轴10，仅仅指示出了该轴10的轴线14。图6示出了第一示例性实施例，并且图7示出了第二示例性实施例。具体情况是在根据本发明的涡轮增压器类型系列内使用了至少这两个示例性实施例。可以根据一种应用中产生的轴向推力负荷来实现该负荷承载表面在这些接排套环上的进一步的分级。
在图6中标绘了负荷承载表面15的在径向方向上测量的第一宽度30。图6还示出了同样在该径向方向上测量的这些部段25的第二宽度(部段宽度)31。在所述示例性实施例中，第一宽度30小于第二宽度31。如在轴向方向上观察到的，负荷承载表面15因此不会与这些部段25完全重叠。
图7示出了来自相同类型系列的、但却用于适应较高轴向力的轴向轴承安排11。在此，负荷承载表面15被设计成是非常大的、并且与这些部段25完全重叠。
图8至图11示出了这些单独的部段25在它们被使用于这两个示例性实施例时的不同的实施例。
这些单独的部段25在各自情况下是由一个楔表面26和一个支座表面27组成的。楔表面26由一个第一边缘36来界定。支座表面27由一个第二边缘37来界定。这些部段25具有在圆周方向上测量的一个部段长度35。所述部段长度是由一个楔长度32和一个支座长度33构成的。这些部段25具有在半径r的方向上测量的一个部段宽度31。
在图8中，第一边缘36的轮廓具有两个台阶。在图9中，第一边缘36以弧形方式延伸，从而在此使得部段长度35与第一边缘36线性延伸的情况下相比更剧烈地增大。
在图10中，第一边缘36被形成有不同的曲率。这样产生了第一边缘36的一个第一区域，在该第一区域中第一边缘36是弯曲的以使得部段长度35增大。
图11示出了具有不同斜率的两个线性部分的一个第一边缘36。在此，在部段25的一个径向外部区域中，第一边缘36是更陡峭地倾斜的，从而使得部段长度35在此更剧烈地增大。
在轴向轴承安排11中，油被引导至在这些供油孔28的外部侧的这些凹穴处。油经由所述供油孔28和这些配油孔29通到轴向轴承3的两侧。为了使油不能直接流出，密封衬套12与轴承套环13之间的油室在向内和向外的方向上被密封。通过所述类型的油供应，油被直接输送到需要油的位置处并且同时防止直接流出。将油直接供应至两侧是有利的。由此始终有足够的油可供使用，而不管推力负荷的方向如何。同时，相对于油经由一个孔供应至旋转部件的实施例，飞溅损失还以及因此的摩擦损失也被相当大地减小。通过上述的这些具体实施为密封环的密封表面，就有可能使油即便在关闭发动机之后仍保留在该轴向轴承中，该油于是在重新起动该发动机时可供直接使用。
一个涡轮增压器类型系列的不同涡轮增压器用单一轴向轴承3得到就负荷承载能力而言的可变性是有利的。轴向轴承3被构造有一定数目的带最优宽度/长度比的部段25。就楔长度32而言，这些楔表面26可以具有带阶梯的或不带阶梯的设计。部段的尺寸和数目是相对于对应的类型系列所期望的最大推力负荷来配置的。轴向轴承3的最大负荷承载能力是在与这些接排套环(密封衬套12和轴承套环13)的负荷承载表面最大重叠的情况下获得的。如果在一种应用中期望一个低的轴向推力负荷，则可以减小负荷承载表面15与这些部段25之间的重叠面积。通过组合不同的重叠面积和/或不同的部段25，就有可能在每个推力负荷方向上反作用于这些不同的轴向推力负荷。如果该推力负荷方向是在一个方向上比在另一个方向上下降得相当大的，则应当相对应地配置重叠面积，其结果是进而减少摩擦损失。
在该类型系列的不同涡轮增压器中，相对应的接排套环的内直径和外直径两者都保持不变。只改变与这些部段25的重叠。与这些部段25的重叠面积越大，负荷承载表面以及由此的负荷承载能力就越大。外部环绕槽(第一槽16)使这种加压供应所要求的密封表面面积最小化，并且由此使摩擦损失最小化。
本发明可以不言自明地不仅被实施成在此描述的由密封衬套、轴向轴承以及轴承套环构成的组合，而且还能实施成例如在其中集成有该轴向轴承的分体式轴向轴承或轴承衬套。
所述流体动力作用表面优选具有楔形的形式，然而例如球形、阶梯状或波浪形的其他形式也是可能的。
部段几何尺寸还可以具有与上述说明的实例有关的镜像反转形式。也就是说，该第二边缘不是笔直地延伸而是相对应地以可变的形式延伸。
除以上本发明的书面说明之外，为了其额外的披露，特此明确地参考在图1至图11对本发明的图解展示。
在本发明中，在特别是一个类型系列中的不同的轴向轴承安排的情况下优选的是，不改变该轴向轴承；取而代之的是适配该接排套环的负荷承载表面的尺寸。因此优选的是提供以下安排和方法，特别是结合上述关于部段25的实施例：
a)用于旋转轴(10)、特别是涡轮增压器(1)的旋转轴的轴向轴承安排(11)，具有
-一个非旋转的轴向轴承(3)，
-多个特别是楔形的部段(25)，这些部段在轴向方向上从该非旋转轴向轴承(3)伸出、凹陷到其中或者与其平齐，以及
-一个接排套环(12，13)，该接排套环在旋转意义上协同地连接到该轴(10)上，
-其中该接排套环(12，13)在面向该轴向轴承(3)的端侧上包括一个环形的负荷承载表面(15)，
-其中该负荷承载表面(15)至少在该轴向轴承安排(11)处于静止位置时可以抵靠这些部段(25)，并且
-其中如在轴向方向上观察到的，该负荷承载表面(15)与这些部段(25)仅仅部分地重叠。
b)根据要点a)所述的轴向轴承安排，其中该接排套环(12，13)是在旋转意义上协同地连接到该轴上的一个轴承套环(13)或者是在旋转意义上协同地连接到该轴上的一个密封衬套(12)。
c)根据以上要点之一所述的轴向轴承安排，其中在该接排套环上的径向方向上测量的负荷承载表面(15)的第一宽度(30)小于在径向方向上测量的这些部段(25)的第二宽度(31)。
d)根据以上要点之一所述的轴向轴承安排，在该接排套环(12，13)的面向该轴向轴承(3)的端侧上包括一个第一环绕槽(16)，其中该第一槽(16)被径向地安排在该负荷承载表面(15)的外侧并且以便直接邻接该负荷承载表面(15)。
e)根据要点d)所述的轴向轴承安排，其中该接排套环(12，13)包括径向地在该第一槽(16)外侧的一个环形的第一密封表面(17)，其中该第一密封表面(17)是与该轴向轴承(3)上的一个第二环形密封表面(22)相反布置的，该第二环形密封表面被径向地布置在这些部段(25)的外侧。
f)根据以上要点之一所述的轴向轴承安排，在该接排套环(12，13)的面向该轴向轴承(3)的端侧上包括一个第二环绕槽(18)，其中该第二槽(18)被径向地安排在该负荷承载表面(15)的内侧并且以便直接邻接该负荷承载表面(15)。
g)根据要点f)所述的轴向轴承安排，其中该接排套环(12，13)包括径向地在该第二槽(18)内侧的一个环形的第三密封表面(19)，其中该第三密封表面(19)是与该轴向轴承(3)上的一个第四密封表面(23)相反布置的，该第四密封表面被径向地布置在这些部段(25)的内侧。
h)包括至少两种涡轮增压器(1)的涡轮增压器类型系列，该至少两种涡轮增压器在各自情况下具有一个用于旋转轴(10)的轴向轴承安排(11)，其中该轴向轴承安排(11)包括
-一个固定的轴向轴承(3)，
-多个部段(25)，这些部段在轴向方向上从该轴向轴承(3)伸出、凹陷到其中或者与其平齐，以及
-在各自情况下一个接排套环(12，13)，该接排套环在旋转意义上协同地连接到该轴(10)上，
-其中该接排套环(12，13)在面向该轴向轴承(3)的那一侧上包括一个环形的负荷承载表面(15)，
-其中该负荷承载表面(15)在该轴向轴承安排(11)处于静止位置时可以抵靠这些部段(25)，
-其中该接排套环(12，13)上的负荷承载表面(15)的尺寸在该至少两种涡轮增压器(1)中是不同的，并且
-其中该轴向轴承(3)和这些部段(25)在该至少两种涡轮增压器(1)中是结构相同的。
i)根据要点h)所述的涡轮增压器类型系列，其中在该至少两种涡轮增压器(1)中部段(25)的数目是相同的。
j)一种用于生产包括至少两种涡轮增压器(1)的涡轮增压器类型系列的方法，该至少两种涡轮增压器在各自情况下具有一个用于旋转轴(11)的轴向轴承安排(11)，其中该轴向轴承安排(11)包括
-一个固定的轴向轴承(3)，
-多个部段(25)，这些部段在轴向方向上从该轴向轴承(3)伸出、凹陷到其中或者与其平齐，以及
-在各自情况下一个接排套环(12，13)，该接排套环在旋转意义上协同地连接到该轴(10)上，
-其中该接排套环(12，13)在面向该部段(25)的那一侧上包括一个环形的负荷承载表面(15)，
-其中该负荷承载表面(15)至少在该轴向轴承安排(11)处于静止位置时可以抵靠这些部段(25)，
-其中在该至少两种涡轮增压器(1)中使用了结构相同的轴向轴承(3)和结构相同的部段(25)，并且
-其中在各自情况下在该至少两种涡轮增压器(1)中是根据该轴向轴承安排(11)的需求来配置该接排套环(12，13)上的负荷承载表面(15)的尺寸的。
参考符号清单
1  排气涡轮增压器    30 第一宽度
2  压缩机叶轮        31 第二宽度(部段宽度)
3  轴向轴承          32 楔长度
4  压缩机后壁        33 支座长度
5  涡轮机壳体        34 轴的中心
6  涡轮机叶轮        35 部段长度
7  径向轴承衬套      36 第一边缘
8  轴承壳体          37 第二边缘
9  压缩机壳体        α  中心点角度
10 轴
11 轴向轴承安排
12 密封衬套
13 轴承套环
14 轴10的轴线
15 负荷承载表面
16 第一槽
17 第一密封表面
18 第二槽
19 第三密封表面
20 支架
21 凸耳
22 第三密封表面
23 第四密封表面
24 环形部段接收座
25 部段
26 楔表面
27 支座表面
28 供应孔
29 配油孔

Claims (12)

1.一种用于在轴向方向上延伸的旋转轴(10)、特别是涡轮增压器的旋转轴的轴向轴承安排(11)，具有
-一个非旋转的轴向轴承(3)，
-多个部段(25)，这些部段沿圆周方向分布并且在轴向方向上从该轴向轴承(3)伸出、凹陷到其中或者与其平齐，以及
-一个接排套环(12，13)，该接排套环在旋转意义上协同地连接到该轴(10)上，其中该接排套环(12，13)包括一个环形的负荷承载表面(15)以用于支持在该轴向轴承的这些部段(25)上，
-其中这些部段(25)在各自情况下由一个第一边缘(36)和一个第二边缘(37)界定，并且一个部段长度(35)被定义为这两个边缘(36，37)之间在该圆周方向上的弧形长度，并且一个半径(r)被定义为垂直于该轴向方向至与该轴(10)的中心点(34)，
-其中该部段长度(35)主要地随着半径(r)的增大而增大，并且
-一个部段宽度(31)被定义为该部段上的外半径和内半径之间的间距。
2.如权利要求1所述的轴向轴承安排，其中每个部段(25)都是由一个支座表面(27)以及被定位在所述支座前方的一个流体压力作用表面(26)来形成的。
3.如权利要求2所述的轴向轴承安排，其中该支座表面(27)被安排成与该负荷承载表面(15)平行。
4.如权利要求2和3之一所述的轴向轴承安排，其中该部段长度(31)是由该楔表面(26)的一个楔长度(32)和该支座表面(27)的一个支座长度(33)构成的，其中至少该楔长度(32)还优选以及该支座长度(33)主要地随着半径(r)的增大而增大。
5.如权利要求4所述的轴向轴承安排，其中针对所使用的这些不同的负荷承载表面，一个部段(25)的有效的宽度/长度比率被配置成主要是恒定的。
6.如权利要求4所述的轴向轴承安排，其中在垂直于该轴向方向而限定的整个部段宽度(31)上，支座长度(33)与楔长度(32)的比率是至多大约0.5、并且优选是0.25。
7.如以上权利要求之一所述的轴向轴承安排，其中该第一边缘(36)具有至少两个台阶。
8.如以上权利要求之一所述的轴向轴承安排，其中该第一边缘(36)具有至少一个线性部分和至少一个弯曲部分。
9.如以上权利要求之一所述的轴向轴承安排，其中该第一边缘(36)具有一个线性部分。
10.如以上权利要求之一所述的轴向轴承安排，其中该第一边缘(36)具有不同斜率的至少两个线性部分。
11.如以上权利要求之一所述的轴向轴承安排，其中该第一边缘(36)具有该部段长度(31)于此增大的至少一个第一弧形部分以及该部段长度(31)于此减小的至少一个第二弧形部分。
12.具有如以上权利要求之一所述的至少一个轴向轴承安排(11)的一种涡轮增压器(1)、特别是排气涡轮增压器。
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