CN100400889C - 内燃机的涡轮增压器和其中使用的压缩机叶轮 - Google Patents

Abstract

一种在无钻孔的涡轮增压器(10)内使用的压缩机叶轮(16)，该压缩机叶轮包括从其朝向该中心壳体轴向突伸的整体轮毂(30)，该轮毂具有孔(34)，该孔在其中从孔开放端部分地延伸到封闭端，该孔包括螺纹部分(40)以便接纳与该轴(18)螺纹连接的部分，该轴穿过该涡轮增压器壳体并且在相反端装接到涡轮(28)上。该轮毂特别地如此构造，即螺纹部分具有与孔的其余部分相比相对增大的壁厚，该其余部分为设置在螺纹部分与孔的封闭端之间。该孔构造成在螺纹部分与孔的封闭端之间提供壁厚减小的部分(38)，以便提供优先的应力消除机构。通过以这种的方式构造，压缩机叶轮在操作上确保了当出现涉及应力的压缩机叶轮损坏时，轴被保持在涡轮增压器内的适当位置。

Description

内燃机的涡轮增压器和其中使用的压缩机叶轮

技术领域

本发明涉及涡轮增压器的技术领域，尤其涉及这样的一种压缩机叶轮结构，其特别地构造成提供所需的压缩机叶轮损坏机构，以便在压缩机叶轮损坏的情况下防止对涡轮增压器的进一步损坏。

背景技术

用于汽油和柴油内燃机的涡轮增压器在本领域是已知的装置，其通过使用离开内燃机的废气的体积流动使得吸入到内燃机的燃烧室的空气流增压或升压。具体地说，离开发动机的废气引导到涡轮增压器的涡轮机壳体，以便使得由废气驱动的涡轮在壳体内旋转。

该由废气驱动的涡轮安装到轴的一端上，径向空气压缩机叶轮安装到共同的该轴的相反一端上。因此，涡轮的旋转运动也使得空气压缩机叶轮在涡轮增压器的压缩机壳体内旋转，该压缩机壳体与涡轮机壳体是分开的。空气压缩机叶轮的旋转运动使得吸入空气进入压缩机壳体，并且在其与燃料混合且在发动机燃烧室内燃烧之前进行所需量的增压或升压。

已知的是，借助钻穿压缩机叶轮和涡轮的孔，将压缩机叶轮和涡轮装接到共同的轴上。该共同轴延伸穿过该孔。紧固件装接到共同轴的外端，以便防止压缩机叶轮和涡轮脱离该共同轴。

另外已知的是，在没有钻穿压缩机叶轮和涡轮的孔的情况下，也可将压缩机叶轮和涡轮装接到共同轴的相应端上。在这种“无钻孔”的涡轮增压器结构中，压缩机叶轮和涡轮构形成具有设置在其中的局部孔，其具有螺纹以便实现和允许与在共同轴的端部上的对应螺纹进行螺纹连接。

这种无钻孔的涡轮增压器的已知问题在于，压缩机叶轮通常由铝制成，并且如果过度旋转，在孔内的铝制的螺纹区域可能损坏。已知的是将出现这种损坏，这是因为在常规结构中，孔的螺纹部分是孔的最薄弱的部分，因此该部分是最易于出现螺纹滑扣和/或应力断裂。

因此，当损坏时，对于压缩机叶轮孔中的螺纹可能出现螺纹滑扣。当螺纹滑扣发生时，轴轮组件不再固定在涡轮增压器内，并且由于涡轮排气而自由地脱离。如果该轴轮组件不再固定，则旋转组件的高惯性可能是危险的。

因此，所希望的是构造成用于无钻孔的涡轮增压器的压缩机叶轮和共同轴的组件，以便防止损坏，并且防止损坏的压缩机叶轮脱离共同轴，由此将该共同轴保持在涡轮增压器内就位。

发明内容

依据本发明的原理提供了一种在无钻孔的涡轮增压器内使用的改进的压缩机叶轮。无钻孔的涡轮增压器包括具有第一轴向侧和第二轴向侧的中心壳体。轴穿过中心壳体轴向地定位，该轴具有第一轴向端和第二轴向端。涡轮机壳体与中心壳体第一轴向侧连接，涡轮设置在涡轮机壳体内并与该轴的第一轴向端连接。

压缩机壳体与中心壳体第二轴向侧连接，并且压缩机叶轮设置在压缩机壳体内。压缩机叶轮构造成具有设置在其中的部分孔(partialbore)，其具有在该孔的开放端附近的螺纹部分。该轴的第二轴向端包括与该孔的螺纹部分连接的螺纹部分。压缩机叶轮构形成围绕该孔的螺纹部分具有比该孔的其余部分相对更大的壁厚。该孔的该加厚部分设置成便于防止在该孔内沿螺纹区域出现不希望的应力断裂。

在示例性的实施例中，本发明的压缩机叶轮具有包括直径扩大部分的孔，该直径扩大部分设置在孔螺纹部分与封闭端之间。该直径扩大部分旨在设计成具有与孔的螺纹部分相比减小的壁厚，以便在孔内形成应力集中部分。该应力集中部分在操作上以牺牲方式承受在孔内的任何不希望的应力，当这种应力产生时，其可能使得压缩机叶轮在离开孔的螺纹部分的位置处优先地剪切断裂。由此使得在操作上保持压缩机叶轮的螺纹部分与轴连接。

在另一示例性的实施例中，本发明的压缩机叶轮构形成具有围绕孔同心地设置的直径减小的部分，由此在操作上提供孔的壁厚减小的部分。如同以上的实施例，该壁厚减小的部分设置在孔内位于螺纹部分与封闭端之间的位置处，以便在高应力的工作状态下提供压缩机叶轮的相同类型的优先剪切断裂。

附图说明

参照附图并结合对本发明的最佳实施方式的详细描述，可更好地理解本发明的以上的和其它的特征、优点、和方面。

图1是包括依据本发明构造的压缩机叶轮的无钻孔的涡轮增压器的截面图；

图2是本发明的压缩机叶轮的第一实施例的截面图；和

图3是本发明的压缩机叶轮的第二实施例的截面放大图。

具体实施方式

依据本发明的原理构造成的压缩机叶轮用于无钻孔(boreless)的涡轮增压器并且大致构形成包括一孔，该孔在螺纹部分与孔的封闭端之间具有壁厚减小的部分。通过以这种方式进行构形，压缩机叶轮在工作时确保了当压缩机叶轮剪切断裂以脱离共同轴时共同轴与压缩机叶轮的一部分保持装接。

参照图1，从左侧到右侧，涡轮增压器10具有压缩机壳体12，其适于接收来自空气吸入口14的空气，并将所接收的空气分配到可旋转地设置在压缩机壳体12内的压缩机叶轮16。压缩机叶轮16与共同轴18的第一端联接。

背板20设置在一端处的压缩机壳体12与在另一端处的中心壳体22之间。共同轴18穿过设置在压缩机叶轮与中心壳体22之间的止推环24，并且延伸穿过位于中心壳体22内的轴承组件26。

中心壳体在与压缩机壳体的相反侧与(未示出的)涡轮机壳体联接。涡轮机壳体适于接收来自内燃机发动机的废气并且将废气分配到设置在涡轮机壳体内的废气涡轮或涡轮28。该涡轮与共同轴18的第二端联接。

压缩机叶轮16具有在向远端延伸进入空气吸入口14的端部处具有较小的外径。压缩机叶轮的外径随后逐渐增加以便在背板附近的位置处达到最大外径。压缩机叶轮16包括多个叶片，其定向成借助旋转运动压缩吸入的空气或使其增压。从最大的外径尺寸，压缩机叶轮外径迅速变小到压缩机叶轮轮毂30，其轴向远离该叶轮突伸并轴向穿过背板。压缩机叶轮轮毂终止于置靠在止推环24上的端部。

图2示出了本发明的压缩机叶轮轮毂30的第一实施例，其构形成沿其轴向长度具有大致均匀的外径。该轮毂30包括靠近置靠在止推环24上的端部沿外侧表面沿周边设置的凹槽32。该凹槽32具有的外径小于压缩机叶轮轮毂的其余部分的外径。压缩机叶轮轮毂包含设置在其中的孔34，以便接纳***的共同轴的端部。该孔包括螺纹部分40以便提供与共同轴的螺纹连接，由此使得压缩机叶轮装接到轴上。

从左侧到右侧详细地参照在压缩机叶轮轮毂内的孔34，该孔包括第一封闭端35和从其轴向延伸一距离的第一直径部分36。从第一直径部分向右移动一段距离，该孔包括直径扩大部分38，其直径大于第一直径部分的直径。

螺纹部分40从直径扩大部分38轴向延伸一距离并且其直径小于直径扩大部分38的直径。在示例性的实施例中，螺纹部分40的直径稍大于第一直径部分36的直径。轴向移动离开螺纹部分40，孔34包括靠近孔的开放端43的第二直径扩大部分42。在该压缩机叶轮的该第一实施例中，轮毂30具有直径恒定的在外侧轴向突伸的表面。

在示例性的实施例中，对于与特定的无钻孔的涡轮增压器确定尺寸，第一实施例的压缩机叶轮包括这样的轮毂，其外表面直径大约为31毫米，孔深度大约为33毫米，该孔的特征在于具有：大约为12毫米的第一直径部分36，其长度为7毫米；大约为16毫米的直径扩大部分38，其长度为8毫米；直径大约为14毫米且长度大约为15毫米的螺纹部分40；大约为17毫米的第二直径扩大部分42，其长度为3毫米。

通过以这种方式构造，第一实施例的压缩机叶轮轮毂30旨在设计成沿螺纹部分具有相对增大壁厚的孔，以便降低和/或消除导致压缩机叶轮与轴之间的螺纹连接脱开的涉及应力的情况的出现概率。轮毂30还旨在设计成沿由直径扩大部分38限定的部分具有相对减小的壁厚。孔直径扩大部分38旨在定位在螺纹部分40与孔的封闭端35之间，以便在孔中在离开与轴螺纹连接的位置处提供应力集中部分(stressriser)。这在操作上增加了在该构造的壁厚减小的区域中出现涉及压缩机叶轮轮毂损坏的任何应力的可能性。

如果压缩机叶轮轮毂在该区域内出现了涉及损坏的应力，则压缩机叶轮的在轴的下游的部分在孔的该壁厚减小的部分处剪切断裂(shearaway)，由此使得轮毂30的其余部分保持其与共同轴的螺纹接合，并且防止该共同轴移动穿过止推环24。

图3示出了本发明的第二实施例的压缩机叶轮轮毂44。在该实施例中，压缩机叶轮轮毂44包括这样的外径，从左到右从最大直径渐缩到延伸预定轴向长度的第一直径部分45。直径扩大或加强的部分46从第一直径部分45沿外径轴向地延伸一距离，并且其尺寸确定成具有大于第一直径部分45的直径的直径。

从直径扩大部分46轴向地离开，第一直径减小部分48使得第二直径减小部分50暴露出来，该第二直径减小部分轴向延伸到置靠在止推环上的轮毂的开放端52，凹槽48切入压缩机叶轮轮毂中。第二直径减小部分50的尺寸确定成其直径小于压缩机叶轮轮毂的其余外表面。

在一示例性的实施例中，对于特定的无钻孔的涡轮增压器中使用的情况来确定尺寸，轮毂外表面第一直径部分45大约为31毫米，其长度为4毫米，直径扩大部分46大约为38毫米，其长度为12毫米，第一直径减小部分48大约为31毫米，其长度为4毫米，而第二直径减小部分50大约为27毫米，其长度为2毫米。

第二实施例的压缩机叶轮轮毂具有孔54，其从封闭端56轴向延伸到开放端52，从左到右该孔包括从封闭端56轴向延伸一距离的第一直径部分58。直径扩大部分60从第一直径部分58延伸，并且其尺寸确定成具有大于该第一直径部分的直径。

直径扩大部分60构形成具有在其中沿周边设置的凹槽62。凹槽62同心地定位在孔内位于轮毂外表面的第一直径部分45。轮毂旨在以如下方式构形，即，孔凹槽62和外表面第一直径部分45配合以便在轮毂中提供最小壁厚部分，以用作以下将详细描述的应力集中部分。

在孔内向右移动，螺纹部分64在孔内从直径扩大部分60轴向延伸一距离。螺纹部分64的尺寸确定成具有小于直径扩大部分60的直径，并且以螺纹形式接纳与轴的螺纹端部螺纹连接的部分，以便将压缩机叶轮固定到其上。孔54包括从螺纹部分64轴向延伸到轮毂开放端52的第二直径扩大部分66。

螺纹部分64旨在定位在孔内位于与轮毂外表面的直径扩大部分或加强部分46同心的位置处，以便沿该部分提供增加的壁厚，并由此加强与轴螺纹连接的轮毂部分。

以这种方式来构造该轮毂可起到控制或消除压缩机叶轮轮毂沿轮毂的螺纹部分剪切破坏的可能性，由此确保轮毂的一部分保持与共同轴装接，以便防止轴移动穿过止推环，由此降低该压缩机叶轮损坏所涉及的风险。

孔的直径增大的第二阶部位于压缩机叶轮轮毂的外径较小的位置处，即在该加厚部分与压缩机叶轮轮毂的外径从其最大值减小的部分之间。这种结构在轮毂中在超过螺纹部分的位置处形成有直径减小的区域。因此，如果出现了压缩机叶轮的损坏，则该损坏不会导致螺纹断裂，并且不会使得共同轴移动穿过止推环。

在示例性的实施例中，对于与特定的无钻孔的涡轮增压器确定尺寸，第二实施例的压缩机叶轮的孔深度大约为33毫米，该孔的特征在于具有：大约为12毫米的第一直径部分58，其长度为7毫米；大约为16毫米的直径扩大部分60，其长度为7毫米；直径大约为22毫米且长度大约为4毫米的凹槽；直径大约为14毫米且长度大约为15毫米的螺纹部分64；以及大约为17毫米的第二直径扩大部分66，其长度为3毫米。

依据本发明的原理构造成的压缩机叶轮具有这样的轮毂部分，其旨在设计成提供优先的应力消除机构，以便将任何所涉及的损坏引导到压缩机叶轮的离开与轴螺纹连接的部分，从而使得该轴在涡轮增压器内保持其正确的位置。本发明的压缩机叶轮还构形成便于加强轮毂的围绕螺纹部分的区域，以便确保不在该部分中出现任何的涉及应力的损坏，而是出现在轮毂的轴向离开该部分的部分中并朝向轮毂孔的端部。通过使用模制或加工技术，本发明的压缩机叶轮可由常规用于形成该叶轮的适当强度的材料制成。

尽管详细地描述了本发明的最佳实施方式，但是本领域的普通技术人员应当理解，可在不脱离本发明的范围的情况下，对实施本发明的结构和实施方式进行各种变型。

Claims (11)

1.一种在涡轮增压器内使用的压缩机叶轮，该压缩机叶轮包括具有多个从其径向突伸的叶片的主体以及离开该主体轴向突伸一距离的整体轮毂，该轮毂具有孔，该孔包括螺纹部分以便使得与带螺纹的轴进行螺纹接合，该孔还包括封闭端以及位于孔螺纹部分与该封闭端之间的壁厚减小部分，其中该轮毂包括外表面，其具有沿该壁厚减小部分定位的直径减小部分。

2.如权利要求1所述的压缩机叶轮，其特征在于，该孔螺纹部分靠近该孔的开口，并且该孔包括位于该孔螺纹部分与该封闭端之间的直径扩大部分，还包括位于该封闭端与该直径扩大部分之间的另一直径部分，其小于该直径扩大部分。

3.如权利要求1所述的压缩机叶轮，其特征在于，该孔壁厚减小部分位于轴向离开该叶轮叶片的一距离处。

4.一种用于内燃机发动机的涡轮增压器，该涡轮增压器包括：

具有第一侧和第二侧的中心壳体；

轴向定位在该中心壳体内的轴，该轴具有第一端和第二端；

与该中心壳体的该第一侧连接的涡轮机壳体；

设置在该涡轮机壳体内的涡轮，该涡轮与该轴的该第一端连接；

与该中心壳体的该第二侧连接的压缩机壳体；以及

设置在该压缩机壳体内的压缩机叶轮，该压缩机叶轮包括从其轴向突伸的整体轮毂，该轮毂包括设置在其中的具有螺纹部分的部分孔，该压缩机叶轮可沿该螺纹部分与该轴的该第二端以螺纹方式连接；

其中，该轮毂孔包括比该螺纹部分的壁厚相对更薄的壁部分，并且该相对更薄的壁部分轴向地定位在该孔内位于该孔的该螺纹部分与封闭端之间，并且该轮毂包括外表面，其具有位于该孔螺纹部分与该封闭端之间的直径减小部分。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，该轮毂孔包括直径扩大部分，其设置在螺纹部分与封闭端之间，并且该孔包括在该直径扩大部分与封闭端之间延伸的直径部分，其直径小于该直径扩大部分。

6.如权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，轮毂外表面包括沿该孔螺纹部分的至少一部分定位的直径扩大部分。

7.一种在无钻孔的涡轮增压器内使用的压缩机叶轮，该涡轮增压器具有穿过中心壳体设置的共用轴，以及与该轴的一端装接的涡轮，该涡轮设置在装接到该中心壳体上的涡轮机壳体内，该压缩机叶轮装接到该轴的相反端上并且设置在装接到该中心壳体上的压缩机壳体内，该压缩机叶轮包括从其朝向该中心壳体轴向突伸的整体轮毂，该轮毂具有孔，该孔从孔开放端部分地延伸到封闭端中，该孔包括螺纹部分以便接纳与该轴螺纹连接的部分，该螺纹部分的壁厚大于该孔的位于该螺纹部分与该封闭端之间的部分，该轮毂包括直径减小部分，其围绕该轮毂的位于该孔螺纹部分与该孔封闭端之间的外表面周向延伸。

8.如权利要求7所述的压缩机叶轮，其特征在于，该轮毂孔包括直径扩大部分，其设置在螺纹部分与封闭端之间。

9.如权利要求7所述的压缩机叶轮，其特征在于，该轮毂孔包括设置在直径扩大部分与封闭端之间的另一直径部分，其直径小于该直径扩大部分的直径。

10.如权利要求9所述的压缩机叶轮，其特征在于，轮毂外表面包括沿该孔螺纹部分的至少一部分定位的直径扩大部分。

11.如权利要求7所述的压缩机叶轮，其特征在于，轮毂外表面包括沿该孔螺纹部分的至少一部分定位的直径扩大部分。

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