CN107035427B - 一种涡轮增压器可变喷嘴组件及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器可变喷嘴组件，包括一体成型的叶片组件和喷嘴环；叶片组件的一端为叶片，中间为转轴，另一端为摇臂，摇臂通过转轴带动叶片运动；喷嘴环的内壁上设置有摇臂安装槽和与摇臂安装槽连通的转轴通孔，使得转轴设置在转轴通孔内，叶片和摇臂分别伸出转轴通孔的两端；摇臂与转轴连接的那一端朝内，摇臂的另一端朝外；摇臂能够穿过摇臂安装槽。本发明还公开了其装配方法。本发明在改变叶片的设定角度调节流向涡轮的排气流动的同时，采用一体成型的叶片组件，取消了单独的摇臂设计，减少了零部件数量，提高了整体的可靠性，简化了装配工艺，降低了成本，具有广阔的市场前景。

Description

一种涡轮增压器可变喷嘴组件及其装配方法

技术领域

本发明属于机械领域，尤其是涉及一种涡轮增压器可变喷嘴组件及其装配方法。

背景技术

涡轮增压器是与内燃式发动机结合使用的装置，用于通过压缩输送到发动机进气口的空气以便与燃料混合并在发动机中燃烧来增大发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中压缩机叶轮和安装在涡轮机壳体中的涡轮。其中，涡轮机壳体与压缩机壳体分开地形成，并且还有另一个中间壳体连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间，用于轴承的安装。涡轮机壳体限定出包围涡轮的大致环形流道。涡轮机组件包括流道通到涡轮中的喷嘴。排气从流道通过该喷嘴流到涡轮，并驱动涡轮转动。涡轮机带动同轴连接的压缩机转动。空气经过压缩机叶轮被压缩，然后从壳体出口连接到发动机进气口。

在利用涡轮增压器来助推发动机性能方面的一个挑战是在发动机的整个工作范围内实现期望大小的发动机功率输出。已经发现，利用固定喷嘴尺寸的涡轮增压器通常不容易达到该目的，因此在对涡轮增压器提供的助推量提供更大程度的控制这一目的的驱使下，已经研发出了可变喷嘴尺寸的涡轮增压器。一种类型的可变尺寸涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括涡轮机喷嘴中的一组可变叶片。这些叶片可转动地安装在喷嘴环中并连接于使得叶片角度能够改变的驱动机构。改变叶片的设定角度对改变涡轮机喷嘴中的有效流动面积具有影响，因此能够通过控制叶片相对位置来调节流向涡轮的排气流动。通过这种方式，能够调节涡轮的功率输出，这使得与利用固定喷嘴尺寸的涡轮增压器所通常能够实现的相比，能够在更大程度上控制发动机功率的输出。

一般地，可变叶片组件包括喷嘴环，该喷嘴环以可以旋转的方式支撑与喷嘴环的一个面临近的叶片。叶片具有延伸穿过喷嘴环中的安装孔的转轴，并且叶片摇臂刚性地固定于该轴体的伸出超过喷嘴环的相反面的端部。因此，能够通过使叶片摇臂旋转而使叶片绕由所述转轴限定的轴线旋转，从而改变叶片的设定角。

可变喷嘴组件另一面由于零部件数量众多，并且加工精度要求极高，装配工艺复杂，产品的可靠性受到了严格考验，目前可变喷嘴技术在柴油机涡轮增压器上应用广泛，但是当面临温度更高的汽油机涡轮增压器时，目前的设计结构已无法保证产品的可靠性及一致性，同时，现有柴油机涡轮增压器上的可变喷嘴环也由于其复杂的工艺导致零部件成本居高不下。

现有叶片组件式的可变喷嘴环设计，其叶片与摇臂均采用分开生产加工，再进行组装，装配采用焊接或者铆接，这种设计结构具有以下缺点：

1、叶片与摇臂分开设计，很大程度上增加了零部件数量，降低了可靠性；

2、叶片与摇臂一般采用焊接或者铆接工艺进行装配，多少个叶片就需要焊接/铆接多少次，增加了装配难度，同时也增加了装配时间，提高了产品的成本；

3、叶片与摇臂的装配角度主要靠工装保证，工装本身存在较大误差，故装配完成后存在叶片与摇臂的角度一致性较差的问题，会导致各叶片开度不一致，从而引起增压器性能波动。

发明内容

本发明提供一种新的结构、工艺都更简单的可变喷嘴组件，通过降低零部件数量，简化零部件生产及装配工艺，达到降低零部件成本，提高零部件可靠性的目的。本发明是通过以下技术方案实现，一种涡轮增压器可变喷嘴组件，包括一体成型的叶片组件和喷嘴环；叶片组件的一端为叶片，中间为转轴，另一端为摇臂，摇臂通过转轴带动叶片运动；喷嘴环的内壁上设置有摇臂安装槽和与摇臂安装槽连通的转轴通孔，使得转轴设置在转轴通孔内，叶片和摇臂分别伸出转轴通孔的两端；摇臂与转轴连接的那一端朝内，摇臂的另一端朝外；摇臂能够穿过摇臂安装槽。转轴通孔的孔径与转轴的最大外径相匹配。

叶片组件的数量可以根据不同的增压器机型进行匹配计算得出，可以是9个，也可以是11个，或者其他任意合适的数量；同一个涡轮增压器可变喷嘴组件上所有叶片组件具有相同的形状及尺寸，各叶片组件装配完成后首尾相连，通过前一个叶片组件尾端与后一个叶片组件的前端之间的开度控制通过的废气量及废气角度。叶片为气流提供导向作用，叶片可以设置为不同的形状，可以为平面，也可以为曲面。叶片的长度及叶片的高度需要根据增压器的进气量计算得出，要使废气对涡轮做功效率最大化。转轴与叶片相连接为一体，为叶片开闭提供转动支撑。优选地转轴呈圆柱状。摇臂为叶片转动提供驱动力，摇臂一端与转轴相连接为一体。

进一步地，转轴依次分为第一段、中间段和第三段；中间段的外径小于第一段的外径和第三段的外径。因为转轴对直径尺寸精度要求很高，需要进行精确加工处理，中间段设计为小径段可以减少转轴的加工工作量，降低加工成本，同时，还可以通过减少转轴与圆形通孔的接触面积来减小摩擦力损失。喷嘴环的转轴通孔直径略大于转轴的第一段和第三段的直径，用于叶片组件转动支撑。

进一步地，摇臂与转轴相连的部位的外径小于转轴第三段的外径，从而保证安装方便。优选地，转轴第一段的外径和转轴第三段的外径相等。

进一步地，摇臂两端之间采用平面体连接并光滑过渡。

进一步地，叶片组件通过铸造进行一体制作而成。也可以是其他合适的方法。叶片组件各部件采用相同的材质制成，目的是保证叶片组件的强度。

进一步地，还包括同步环；摇臂设置在同步环的内壁的凹槽中，使得摇臂能够随同步环转动而运动，从而驱动叶片运动。

进一步地，还包括***件和间隔套；***件通过间隔套与喷嘴外环连接；间隔套依次分为第一间隔套段、第二间隔套段和第三间隔套段；第二间隔套段的外径大于第一间隔套段的外径和第三间隔套段的外径；***件上设置有与第一间隔套段的外径匹配的孔洞供第一间隔套段***；喷嘴环上设置有与第三间隔套段的外径匹配的孔洞供第三间隔套段***；叶片设置在第二间隔套段与***件、喷嘴环围成的空间中，且叶片能够在空间运动。

该空间的大小刚好够叶片运动即可。喷嘴环朝向叶片的一面是平面，主要是与叶片底部配合，并通过两个平面(即喷嘴环朝向叶片的一面和***件朝向叶片的一面)的间隙大小(即第二间隔套段与***件、喷嘴环围成的空间大小)控制废气从该间隙的泄漏量。如果间隙比较大，废气泄漏量比较多，导致涡轮效率降低，在叶片关闭时尤为明显，如果间隙比较小，会存在高温下因膨胀而导致卡滞，从而功能失效。间隔套的主要作用是为***件提供支撑，保证***件与喷嘴环之间的间隙。

进一步地，***件上设置有活塞环。方便与涡轮增压器的其他部件密封连接。***件位于叶片与涡轮增压器的涡壳之间。其中，***件朝向叶片的一端呈圆盘状，为叶片提供密封及轴向保护，并且与叶片的上端面之间有一定的间隙，防止因高温膨胀导致叶片卡滞，该间隙作用等同于叶片与喷嘴环之间的间隙。***件背向叶片的一端设计为圆筒状，并且该圆筒状结构***涡壳的圆筒形的排气孔中。活塞环设置在***件上***涡壳排气筒中的部分上，用于减少***件和涡壳之间间隙导致的废气泄露。活塞环的数量是1道或者多道。当为多道时，其轴向排列在***件上***涡壳排气筒中的部分上。优选为2道。

进一步地，间隔套的数量是≥3个。优选3-5个。

进一步地，摇臂安装槽包括依次连接的内侧段、中段和外侧段；外侧段与转轴通孔连接；内侧段的厚度小于中段的厚度；中段的厚度小于外侧段的厚度；外侧段的厚度等于转轴通孔的厚度。内侧段两侧的凸台的厚度与内侧段的厚度相同。内侧段两侧的凸台的作用中包括用于当喷嘴环装配到涡轮增压器时，由隔热罩通过该内侧段两侧的凸台为喷嘴环提供轴向支撑。

进一步地，喷嘴环的背向叶片的那一面的转轴通孔周围设置有环形开口凸起，为摇臂提供轴向支撑。

进一步地，叶片组件的数量是8-16个；摇臂安装槽和转轴通孔均与叶片组件的数量相同。同步环上有与叶片组件数量相等并且与摇臂末端配合的凹槽，用于驱动叶片组件与同步环的同步运动。

进一步地，摇臂与转轴相连的部位的外径小于转轴第三段的外径，从而保证安装方便。如下所述，由于摇臂与转轴相连的部位的外径小于转轴第三段的外径才使得步骤一中转轴能够装入直径与转轴相匹配的转轴通孔内。

本发明还公开了一种如上所述的涡轮增压器可变喷嘴组件的装配方法，包括以下步骤：

步骤一、将叶片组件安装到喷嘴环上，具体为，将摇臂朝向摇臂安装槽的方向，转轴对准转轴通孔，使得摇臂穿过摇臂安装槽，转轴装入转轴通孔内，叶片露在转轴通孔外；

步骤二、将摇臂转动到背向摇臂安装槽的方向；

步骤三、安装间隔套和***件；

步骤四、安装同步环；

步骤三和步骤四不存在先后顺序。

进一步地，步骤三具体为将间隔套的第三间隔套段***到喷嘴环上与第三间隔套段的外径匹配的孔洞中，然后再将间隔套的第一间隔套段***到***件上与第一间隔套段的外径匹配的孔洞中。

其有益效果是：

1、叶片、转轴与摇臂采用一体生产再机加工的设计方法，取消了单独的摇臂设计，减少了零部件数量，提高了整体的可靠性；

2、喷嘴环上设计用于叶片组件安装的摇臂安装槽，极大的简化了装配工艺，降低了零部件成本，压缩了装配工时；

3、由于一体成型，因此叶片与摇臂的角度和间隙主要通过模具和机加工保证，相对于装配工装一致性更好。

附图说明

图1是本发明的涡轮增压器可变喷嘴组件的结构分解示意图一。

图2是本发明的叶片组件的结构示意图。

图3是本发明的叶片组件的剖切结构示意图。

图4是本发明的喷嘴环的结构示意图一。

图5是本发明的喷嘴环的结构示意图二。

图6是本发明的叶片组件通过摇臂安装槽和转轴通孔安装到喷嘴环上的局部放大结构示意图。

图7是本发明的叶片组件与喷嘴环安装完成后的剖切结构示意图。

图8是本发明的涡轮增压器可变喷嘴组件的结构分解示意图二。

图9是本发明的叶片组件通过摇臂安装槽和转轴通孔安装到喷嘴环上的结构示意图。

图10是本发明的叶片组件与喷嘴环安装完成后的结构示意图。

图11是本发明的叶片组件与喷嘴环、同步环安装完成后的结构示意图。

图12是可变喷嘴涡轮增压器涡端剖切结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1示出了本发明的一个具体实施例。在该实施例中，涡轮增压器可变喷嘴组件包括***件1、叶片组件2、喷嘴环4、同步环5和间隔套3。***件1上设置有2道活塞环11。叶片组件2为一体成型的结构，其一端是叶片21，中间是转轴22，另一端是摇臂23。本实施例中的涡轮增压器可变喷嘴组件包括11个相同的叶片组件2。在不同的涡轮增压器可变喷嘴组件中，叶片组件的数量可以有所不同，不限于11个。

***件1朝向叶片21的一端呈圆盘状，为叶片21提供密封及轴向保护，并且与叶片21的上端面之间有一定的间隙，防止因高温膨胀导致叶片卡滞。***件1背向叶片21的一端设计为圆筒状，2道活塞环11轴向排列在***件1的该圆筒状结构上。

喷嘴环4的内壁上设置有摇臂安装槽42和与摇臂安装槽42联通的转轴通孔41。转轴22匹配设置在转轴通孔41中，叶片21和摇臂23分别外露在转轴通孔41的两端。转轴22的数量与转轴通孔41的数量相同。

组装好的涡轮增压器可变喷嘴组件的摇臂23与转轴22连接的那一端朝内，摇臂23的另一端朝外，见图7所示。同步环5的内壁上设置有用于与摇臂23匹配的凹槽51，摇臂23的尾端设置在其中。当同步环5转动时带动摇臂23转动，通过转轴22带动叶片21转动，从而调整叶片角度，调节流向涡轮的排气流动。

间隔套3依次分为第一间隔套段31、第二间隔套段32和第三间隔套段，如图8所示。第二间隔套段32的外径大于第一间隔套段31的外径和第三间隔套段的外径。***件1上设置有与第一间隔套段31的外径匹配的孔洞12(如图8所示)供第一间隔套段31***；喷嘴环4上设置有与第三间隔套段的外径匹配的孔洞43(如图4所示)供第三间隔套段***。叶片21设置在第二间隔套段32与***件1、喷嘴环4围成的空间中。叶片21并非卡死在该空间，而是能够在该空间运动。

图2和3示出了叶片组件2的一个具体实施方式。转轴22依次分为第一段24、中间段25和第三段26。中间段25的外径小于第一段24的外径和第三段26的外径。第一段24的外径和第三段26的外径相等。摇臂与第三段26的相接部分27的外径小于第三段26的外径。第一段24与叶片21连接。叶片组件2整体为铸造或其他方式打造的一体成型结构。转轴通孔41的孔径与转轴22的最大外径相匹配。

图4和5分别主要示出了喷嘴环4朝向和背向叶片的那一面的结构。如图4和5所示，摇臂安装槽42包括依次连接的内侧段46、中段45和外侧段44；外侧段44与转轴通孔41连接。内侧段46的厚度小于中段45的厚度；中段45的厚度小于外侧段44的厚度。外侧段44的厚度等于转轴通孔41的厚度。喷嘴环4的背向叶片的那一面的转轴通孔41周围设置有环形开口凸起43，为摇臂提供轴向支撑。内侧段46两侧的凸台47的厚度与内侧段46的厚度相同。内侧段46两侧的凸台47的作用中包括用于当喷嘴环装配到涡轮增压器时，由隔热罩通过内侧段46两侧的凸台47为喷嘴环4提供轴向支撑。

装配过程如图6-11所示，包括以下步骤：

步骤一、将叶片组件安装到喷嘴环4上，具体为，将摇臂23朝向摇臂安装槽42的方向，转轴22对准转轴通孔，使得摇臂23穿过摇臂安装槽42，转轴22装入转轴通孔内，叶片21露在转轴通孔外，如图6和9所示。

步骤二、将摇臂23转动到背向摇臂安装槽42的方向，如图7和10所示；

步骤三、安装间隔套和***件。具体为将间隔套3的第三间隔套段***到喷嘴环4上与第三间隔套段的外径匹配的孔洞中，然后再将间隔套3的第一间隔套段31***到***件1上与第一间隔套段31的外径匹配的孔洞12中。

步骤四、安装同步环5，使得摇臂23的末端安装在同步环5的内壁的凹槽51中。

步骤三和步骤四不存在先后顺序。

图12示出了涡轮增压器可变喷嘴组件在涡轮增压器中的位置，图中A区域圈出了本发明的涡轮增压器可变喷嘴组件的大***置。从图中可以看出涡轮增压器包括涡轮增压器可变喷嘴组件、涡轮100、涡壳101和中间壳102。涡壳100的环形流道接收来自发动机的废气，环形的涡轮增压器可变喷嘴组件设置在涡轮增压器流道与涡轮100之间，将涡壳流道内的废气引导吹向涡轮100，并且可以调整气流吹向涡轮100的角度，从而调节涡轮100的做功效率。涡轮100带动同轴的压轮对发动机进气压缩做功。

以上详细描述了本发明的一个具体实施方式，仅为了说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种涡轮增压器可变喷嘴组件，其特征在于，包括一体成型的叶片组件、喷嘴环、同步环、***件和间隔套；所述叶片组件的一端为叶片，中间为转轴，另一端为摇臂，所述摇臂通过所述转轴带动所述叶片运动；所述喷嘴环的内壁上设置有摇臂安装槽和与所述摇臂安装槽连通的转轴通孔，使得所述转轴设置在所述转轴通孔内，所述叶片和所述摇臂分别伸出所述转轴通孔的两端；所述摇臂与所述转轴连接的那一端朝内，所述摇臂的另一端朝外；所述摇臂能够穿过所述摇臂安装槽；所述摇臂设置在所述同步环的内壁的凹槽中，使得所述摇臂能够随所述同步环转动而运动，从而驱动所述叶片运动；所述***件通过所述间隔套与所述喷嘴环连接；所述间隔套依次分为第一间隔套段、第二间隔套段和第三间隔套段；所述第二间隔套段的外径大于所述第一间隔套段的外径和所述第三间隔套段的外径；所述***件上设置有与所述第一间隔套段的外径匹配的孔洞供所述第一间隔套段***；所述喷嘴环上设置有与所述第三间隔套段的外径匹配的孔洞供所述第三间隔套段***；所述叶片设置在所述第二间隔套段与所述***件、所述喷嘴环围成的空间中，且所述叶片能够在所述空间运动；所述摇臂安装槽包括依次连接的内侧段、中段和外侧段；所述外侧段与所述转轴通孔连接；所述内侧段的厚度小于所述中段的厚度；所述中段的厚度小于所述外侧段的厚度；所述外侧段的厚度等于所述转轴通孔的厚度。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器可变喷嘴组件，其特征在于，所述转轴依次分为第一段、中间段和第三段；所述中间段的外径小于所述第一段的外径和所述第三段的外径。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器可变喷嘴组件，其特征在于，所述***件上设置有活塞环。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器可变喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴环的背向所述叶片的那一面的所述转轴通孔周围设置有环形开口凸起，为所述摇臂提供轴向支撑。

5.如权利要求1所述的涡轮增压器可变喷嘴组件，其特征在于，所述叶片组件的数量是8-16个；所述摇臂安装槽和所述转轴通孔均与所述叶片组件的数量相同。

6.一种如权利要求1所述的涡轮增压器可变喷嘴组件的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将叶片组件安装到喷嘴环上，具体为，将摇臂朝向摇臂安装槽的方向，转轴对准转轴通孔，使得摇臂穿过所述摇臂安装槽，转轴装入所述转轴通孔内，叶片露在所述转轴通孔外；

步骤二、将所述摇臂转动到背向所述摇臂安装槽的方向；

步骤三、安装间隔套和***件；

步骤四、安装同步环；

所述步骤三和所述步骤四不存在先后顺序。

7.如权利要求6所述的装配方法，其特征在于，所述步骤三具体为将所述间隔套的第三间隔套段***到所述喷嘴环上与所述第三间隔套段的外径匹配的孔洞中，然后再将所述间隔套的第一间隔套段***到所述***件上与所述第一间隔套段的外径匹配的孔洞中。

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