一種軸上組件安裝配合結構的製作方法
2023-06-12 22:50:46
本發明屬於機械軸上安裝組件技術領域，涉及一種安裝配合結構，尤其是一種軸上組件安裝配合結構，特別適用於類似於渦輪增壓器類型的產品。
背景技術：
眾所周知，渦輪增壓器是從內燃發動機攝入熱廢氣並通過渦輪葉輪將包含在廢氣中的能量轉化為動能(轉動)，渦輪葉輪安裝在一個軸向的快速旋轉的軸上。渦輪葉輪沿著軸傳遞旋轉運動帶動一個壓縮葉輪旋轉，該壓縮葉輪將空氣吸入渦輪增壓器並且壓縮空氣以通過入口歧管向發動機的汽缸供氣。使用的渦輪增壓器可大大提高內燃機的總效率。在渦輪增壓器的設計中一個重要的考慮因素包括減少能量損耗，以最大限度地提高效率，並確保快速響應發動機排氣，從而減少渦輪遲滯。
渦輪機組件包括安裝在高速旋轉的軸上的渦輪葉輪。渦輪機也用在其他依靠安裝在軸上的渦輪葉輪通過軸將氣流的能量轉化為動能(旋轉)傳送到系統的另一部件的應用場合。
很多情況下使用陶瓷渦輪葉輪，特別是在渦輪葉輪工作溫度非常高的情況下，例如，渦輪增壓器中的使用。由於耐高溫和相對較低的陶瓷材料密度，陶瓷渦輪一般是用來作為金屬渦輪一種替代品，這些金屬通常是由鎳鉻合金。這些特性使得陶瓷渦輪能夠在較高的工作溫度下使用，而轉動慣量相對於鎳鉻合金的渦輪葉輪降低。相比於鎳鉻合金的渦輪葉輪，陶瓷渦輪葉輪更輕，有更高的強度，而且更耐腐蝕。使用陶瓷渦輪葉輪使得渦輪增壓器具有以下使用合金渦輪葉輪不具備的優點：
●更快的反應速度，減少渦輪遲滯；
●可在發動機低轉速下工作，有助於減少車輛在城市區域低速移動下的高排放；
●轉動更快，允許渦輪增壓器在給定流量的情況下減小體積；
●更持久。
雖然使用陶瓷渦輪葉輪具有許多優點，但在渦輪組件中通常優選使用金屬軸，因為相比於其他材料，金屬軸可以容忍一個較大的負載，而且更容易製造。然而，安裝一個陶瓷渦輪葉輪到一個金屬軸上存在問題，部分原因是由於軸上的金屬材料的熱膨脹係數比陶瓷葉輪結構中使用的陶瓷材料的膨脹係數大很多。
常規安裝一個快速旋轉部件到一個軸上的方法包括軸上的縱向鍵的使用，將縱向鍵嚙合入相應部件的槽或鍵槽。該軸的一部分通過一個緊密滑動配合固定在該部件的一個孔中。軸的所述部分的外圓周表面具有一個縱向(軸向)延伸的鍵嚙合在相應的部件的縱向(軸向)延伸的鍵槽內。相對鍵與鍵槽的側表面嚙合以傳遞扭矩。例如，如果部件轉動，鍵槽的尾側表面抵接鍵的尾側表面以從部件傳遞扭矩到軸。鍵是在鍵槽內的緊密滑動配合部件以限制所述軸和部件之間的旋轉遊隙。該鍵可以是與軸一體形成的花鍵，或者它可以是位於軸和葉輪之間對準鍵槽對的一個單獨的部件。比如，我們知道的安裝在軸上的滑輪。
已知類型的鍵連接方式並不適用於在高速渦輪機械的軸上安裝渦輪葉輪，因為它有可能引起不平衡和震動。為了客服這些問題，傳統的方法是使用緊縮配合的方式將金屬渦輪葉輪安裝到高速旋轉的金屬軸上。然而，這種方法不適用於直接將陶瓷渦輪葉輪安裝到金屬軸上，因為如果組件受熱溫度上升，金屬軸會比陶瓷渦輪葉輪膨脹得更快而導致在陶瓷渦上的高應力或破裂。
鑑於上述困難，各種替代方法已被用於將陶瓷渦輪安裝到一個金屬軸上。在一種已知的方法中，陶瓷渦輪葉輪和軸承的一部分被製成一體的，軸承的這一部分通過連接部件和金屬軸尾部連接，這個連接部件被設計用來適應不同的熱膨脹係數。這樣的方法在專利US4,704,074中報導。雖然這種方法有效，但是他們設計相對複雜，同時也約束了類似於渦輪增壓器這樣的複雜機械的設計。
因此，需要一種方法將快速旋轉的部件安裝到軸上以克服或至少減輕現有技術存在的問題。這樣的需求對於將渦輪葉輪安裝到軸上用於克服或至少減輕現有技術存在的問題特別需要。特別的，需要一種改進的方法將陶瓷渦輪葉輪安裝到金屬軸承上以克服或至少減輕現有技術存在的問題。同樣的，需要適用於渦輪增壓器的方法以及適用於這種方法的渦輪增壓器。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種軸上組件安裝配合結構，本發明的結構適用於軸以及軸上部件之間具有較大熱膨脹係數差異的情況，能夠有效避免由於不同的膨脹係數造成部件在使用中損壞，能夠延長使用壽命。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：
這種軸上組件安裝配合結構，包含一個可高速旋轉、且安裝在軸上並和軸一起沿軸的縱向軸線共同旋轉的軸上部件；所述軸上部件具有一個表面，該表面定義了一個至少被部分穿過的中心軸向孔；所述軸上部件還包括至少2個在所述中心軸向孔表面的縱向鍵槽，每個鍵槽都具有前側表面和尾側表面；軸的一部分伸入所述的中心軸向孔當中，軸該部分的外圓周表面具有和鍵槽相應數量的縱向鍵，每個鍵都有前側表面和尾側表面，並且鍵契合入相應的鍵槽中形成鍵/鍵槽組合；其中，至少在室溫下，鍵槽比鍵寬，並且每個鍵相對於其對應的鍵槽是周向偏移的；至少有一對鍵/鍵槽組合具有第一偏移，其鍵和鍵槽的前側表面鄰接另一個前側表面，並且在他們的尾側表面間具有空隙；同時，至少有另一對鍵/鍵槽組合具有第二偏移，其鍵和鍵槽的尾側表面鄰接另一個尾側表面，並且在他們的前側表面間具有空隙。
本發明的一種實施例中，上述軸上部件是渦輪葉輪。
進一步，以上所述鍵/鍵槽組合的個數是偶數。
上述的鍵/鍵槽組合是在軸的圓周上成對稱分布的。
上述鍵/鍵槽組合被布置成徑向相對的對，即每兩個徑向相對的鍵/鍵槽組合為一對。
進一步，以上每一對徑向相對的鍵/鍵槽組合都具有相同的第一或第二偏移。
進一步，所述軸上部件與軸之間設置有四個鍵/鍵槽組合，並且這四個鍵/鍵槽組合被布置成兩對徑向相對的對，在其中一對中的每一個鍵/鍵槽組合都具有所述的第一偏移，其中另一對中的每一個鍵/鍵槽組合都具有所述的第二偏移。
進一步，所述鍵/鍵槽組合中的每個鍵都具有徑向外端表面，該徑向外端表面和其他的側表面互相連接；每個鍵槽都具有徑向外底面，該徑向外底面和其側表面互相連接，並且與鍵槽相應的鍵的徑向外端表面相反；至少在室溫情況下，在每個鍵的徑向外端表面和鍵槽的徑向外底面間存在空隙。
進一步，至少在室溫條件下，軸的外圓周表面和所述中心軸向孔的表面間存在空隙。
進一步，在室溫情況下，軸和軸上部件的唯一接觸點是在具有所述第一偏移的至少一個鍵/鍵槽組合中的鍵和鍵槽的前側表面，以及具有所述第二偏移的至少一個鍵/鍵槽組合中的鍵和鍵槽的尾側表面，軸和鍵以及軸上部件的其他配合位置則存在空隙。
進一步，所述軸具有比所述軸上部件更大的膨脹係數，軸與軸上部件之間的空隙是在工作過程中容許軸和鍵的熱膨脹的發生。
進一步，每個鍵僅延伸到其相應鍵槽長度的一部分。
進一步，所述鍵是與所述軸整體形成的鍵齒結構。
進一步，所述軸上部件是由陶瓷材料構成，所述軸由金屬材料構成。
進一步，其中每個鍵都具有中心縱向軸線，每個鍵槽都具有中心縱向軸線；至少在一個鍵/鍵槽組合中具有所述的第一偏移，即鍵的中心縱向軸線相對於鍵槽的中心縱向軸線前側發生偏移；至少在一個鍵/鍵槽組合中具有所述的第二偏移，即鍵的中心縱向軸線相對於鍵槽的中心縱向軸線尾側發生偏移。
進一步，當上述軸上部件是渦輪葉輪時，所述軸在遠離渦輪葉輪的一端還安裝有壓縮葉輪。
本發明具有以下有益效果：
本發明的軸上組件安裝配合結構中，通過軸與軸上部件之間的鍵/鍵槽組合實現兩種部件的安裝，並且在兩種部件的配合中，至少有一對鍵/鍵槽組合具有第一偏移，其鍵和鍵槽的前側表面鄰接另一個前側表面，並且在他們的尾側表面間具有空隙；同時，至少有另一對鍵/鍵槽組合具有第二偏移，這種配合關係有效避免了由於軸與軸上部件之間的熱膨脹係數不同導致運行過程中的受力損壞。
進一步，雖然本發明中提及的間隙是在室溫的情況下，但這種鍵控安裝結構可以在渦輪增壓器期望運行所需的全溫度範圍進行配置。例如，假設渦輪增壓器所遭受的環境溫度很可能冷到凍點以下，那麼安裝裝置將被以最低的預期溫度進行配置以提供一個合適的配合，該配合可以提供足夠間隙以適應軸升溫至正常工作溫度範圍時最大的熱膨脹的發生。
進一步，本發明的結構適用於所有在軸的材料比部件的材料具有較大熱膨脹係數的情況下。因此，雖然本發明特別適用於在渦輪增壓器中安裝渦輪葉輪到軸上的應用，但是它也可以調整以適應其他的應用。
附圖說明
圖1是根據本發明的一個方面設計的渦輪增壓器實例的橫截面圖；
圖2是圖1所示的渦輪增壓器的渦輪葉輪和軸組件的形成部分的分解透視圖；
圖3是圖2的渦輪葉輪和軸組件的前視圖，展示了架設在軸上的渦輪葉輪和渦輪葉輪的中心轂部以及軸的橫截面；
圖4是圖3中的細節的放大圖；
圖5是圖4省略軸的部分；
圖6是圖4但省略渦輪葉輪的部分。
具體實施方式
本發明的軸上組件安裝配合結構為：包含一個可高速旋轉、且安裝在軸上並和軸一起沿軸的縱向軸線共同旋轉的軸上部件；所述軸上部件具有一個表面，該表面定義了一個至少被部分穿過的中心軸向孔；所述軸上部件還包括至少2個在所述中心軸向孔表面的縱向鍵槽，每個鍵槽都具有前側表面和尾側表面；軸的一部分伸入所述的中心軸向孔當中，軸該部分的外圓周表面具有和鍵槽相應數量的縱向鍵，每個鍵都有前側表面和尾側表面，並且鍵契合入相應的鍵槽中形成鍵/鍵槽組合；其中，至少在室溫下，鍵槽比鍵寬，並且每個鍵相對於其對應的鍵槽是周向偏移的；至少有一對鍵/鍵槽組合具有第一偏移，其鍵和鍵槽的前側表面鄰接另一個前側表面，並且在他們的尾側表面間具有空隙；同時，至少有另一對鍵/鍵槽組合具有第二偏移，其鍵和鍵槽的尾側表面鄰接另一個尾側表面，並且在他們的前側表面間具有空隙。
在本發明的較佳實施例中，所述鍵/鍵槽組合的個數是偶數。所述的鍵/鍵槽組合是在軸的圓周上成對稱分布的。
在本發明的最佳實施例中，所述鍵/鍵槽組合被布置成徑向相對的對，即每兩個徑向相對的鍵/鍵槽組合為一對。每一對徑向相對的鍵/鍵槽組合都具有相同的第一或第二偏移。所述軸上部件與軸之間設置有四個鍵/鍵槽組合，並且這四個鍵/鍵槽組合被布置成兩對徑向相對的對，在其中一對中的每一個鍵/鍵槽組合都具有所述的第一偏移，其中另一對中的每一個鍵/鍵槽組合都具有所述的第二偏移。
所述鍵/鍵槽組合中的每個鍵都具有徑向外端表面，該徑向外端表面和其他的側表面互相連接；每個鍵槽都具有徑向外底面，該徑向外底面和其側表面互相連接，並且與鍵槽相應的鍵的徑向外端表面相反；至少在室溫情況下，在每個鍵的徑向外端表面和鍵槽的徑向外底面間存在空隙。
至少在室溫條件下，軸的外圓周表面和所述中心軸向孔的表面間存在空隙。
進一步的，在室溫情況下，軸和軸上部件的唯一接觸點是在具有所述第一偏移的至少一個鍵/鍵槽組合中的鍵和鍵槽的前側表面，以及具有所述第二偏移的至少一個鍵/鍵槽組合中的鍵和鍵槽的尾側表面，軸和鍵以及軸上部件的其他配合位置則存在空隙。
所述軸具有比所述軸上部件更大的膨脹係數，軸與軸上部件之間的空隙是在工作過程中容許軸和鍵的熱膨脹的發生。每個鍵僅延伸到其相應鍵槽長度的一部分。所述鍵是與所述軸整體形成的鍵齒結構。所述軸上部件是由陶瓷材料構成，所述軸由金屬材料構成。
進一步，其中每個鍵都具有中心縱向軸線，每個鍵槽都具有中心縱向軸線；至少在一個鍵/鍵槽組合中具有所述的第一偏移，即鍵的中心縱向軸線相對於鍵槽的中心縱向軸線前側發生偏移；至少在一個鍵/鍵槽組合中具有所述的第二偏移，即鍵的中心縱向軸線相對於鍵槽的中心縱向軸線尾側發生偏移。
本發明軸上組件安裝配合結構適用於所有軸及其軸上結構配合安裝的情況下，本發明的技術方案特別適合渦輪增壓器，即軸上部件是渦輪葉輪。在這種情況下，所述軸上在遠離渦輪葉輪的一端還安裝有壓縮葉輪。
下面結合實施例和附圖對本發明做進一步詳細描述：
圖1展示了根據本發明的一種理念設計的渦輪增壓器1的實施案例。渦輪增壓器1具有殼體2，其由渦輪機殼體部分4，一個中央殼體部分6，壓縮機殼體部分8和用於壓縮機葉輪的殼體的後蓋9組成。在殼體2內安裝的是渦輪增壓器1的工作部件，包括一個渦輪葉輪10，一個連接軸12和壓縮葉輪14。
渦輪外殼4安裝在中央殼體6的一側，並且包裹著渦輪葉輪10。渦輪葉輪10包括一系列從一個中央輪轂18上支出的渦輪葉片16。一個盲孔20通過22的後壁向中央輪轂18的軸向部分方向延伸。能夠快速旋轉的渦輪葉輪10通過孔20安裝在軸12的一端和軸12一起沿縱向軸X旋轉。在本實施案例中，正常運行的渦輪增壓器的渦輪葉輪和軸在圖4和2中箭頭所示的方向上旋轉。除非另有規定，在本規範中，渦輪葉輪10，軸12，以及其他任何被安裝的同時快速旋轉的組件所描述的「領先」和「落後」的關係特徵，應理解為指的是在箭頭的方向旋轉時特徵的相對配置。
渦輪殼體部分4定義的排氣入口26用於從相關聯的內燃發動機(未示出)引導廢氣到渦輪葉輪10的葉片16和廢氣出口28。可以想到的是，在使用中，廢氣出口將以常規的方式被適當地連接到排氣系統(未示出)。
快速旋轉的壓縮葉輪14安裝在軸12的另一端。壓縮葉輪被安裝在背板9和壓縮機殼體部分8之間。背板9被安裝到所述渦輪中心殼體部分6的相對側，壓縮機殼體部分8被安裝在背板9上。壓縮機外殼部分8定義了一個空氣入口30和一個壓縮空氣出口32。渦輪葉輪10驅動壓縮葉輪14旋轉，通過進氣口30吸入環境空氣，將空氣壓縮並通過出口32排出。在實際使用中，出氣口32以常規方式連接到相關聯的內燃發動機(未示出)的進氣歧管(未示出)用於引導壓縮空氣到相關聯的內燃發動機的氣缸。
軸12穿過中央殼體部分6和後蓋9，並且以一種已知的方式通過一種承載系統作為可旋轉支撐並沿軸向固定在殼體上。
圖2到6描述了一種根據本發明的一種方法將渦輪葉輪10安裝到軸12上。
渦輪葉輪10是由陶瓷材料製成的一個單一的整體部件。任何合適的陶瓷材料都可被使用，在一個具體實施案例中，渦輪葉輪10採用氮化矽的鋁合金材料製造。渦輪軸12由金屬材料如鋼和其他合金製造，例如鉻鎳合金。
渦輪軸12的一端有一個大直徑密封凸臺36以及沿該凸臺36的軸向突出並伸入孔20的一個插栓部分38。凸臺36固定在所述渦輪端的中央殼體部分6端壁的一個孔中，在凸臺36和孔之間有設置合適的密封裝置。
保持高速旋轉的渦輪葉輪10與軸12之間通過鍵驅動的方式連接。四個縱向延伸的鍵齒40在插栓部分38的圓周上以一定的間隔分部。每個鍵齒40至少沿插栓的自由端到密封凸臺36延伸一定長度。參考旋轉方向A，每個鍵齒具有前側表面42、後側表面44，以及一個在前側表面42和後側表面44之間的徑向外端表面46。
渦輪葉輪也具有相應數目的鍵槽或凹槽48部署在所述孔20的表面20A上。鍵槽48開在渦輪葉輪的後壁22上，並且朝孔20的封閉端沿孔的軸的縱向方向延伸。參照旋轉的方向，每個鍵槽48都有前側表面50，尾側表面52和在側表面50和52之間延伸的徑向外底面54。
安裝和配置鍵齒40和鍵槽48是為了使每個鍵齒40能夠在相應的鍵槽48中進行滑動配合，形成一個鍵/鍵槽的組合56。鍵齒40可以沿著整個鍵槽48的長度延伸，或者它們可以僅沿鍵槽48長度的一部分進行延伸。在後一種情況下，鍵齒40將從插栓38的自由末端朝著凸臺36延伸至插栓36的一部分長度。
至少在室溫下，組件中鍵槽48比鍵齒40寬。
每個鍵/鍵槽組合56被構造成鍵40相對於其各自的鍵槽48沿周向偏移，這樣的配置使得鍵和鍵槽的側表面只有一面相接觸，在鍵齒40和鍵槽48的另一個側表面有一個空隙。按照本發明，至少有一對鍵/鍵槽組合56'具有第一偏移，並且至少有一對鍵/鍵槽組合56"具有第二偏移，該偏移和第一偏移相反。在具有第一偏移的鍵/鍵槽組合56'中，鍵齒40相對於鍵槽48的前側表面發生偏移，這樣的結構使得鍵和鍵槽前側表面42和50彼此緊鄰，並且在鍵齒40和鍵槽48的尾側表面44和52間存在空隙。在具有第二偏移的鍵/鍵槽組合56″中，鍵齒40相對於鍵槽48尾側表面發生偏移，這樣的結構使得鍵和鍵槽的尾側表面44和52彼此緊鄰，並且在鍵和鍵槽的前側表面42和50之間存在空隙。在如圖所示的實施實例中，四對鍵齒/鍵槽組合56被布置成徑向相對的對，其中一對相對的組合擁有相同的偏移量，而另一對相對的組合具有相反的偏移。因此，第一對相對的鍵/鍵槽組合的56'和56'分別具有第一偏移的，而另一對鍵/鍵槽組合的56″和56″具有第二偏移。
在本實施實例中，除了在每個鍵齒40的側面表面和相應的同一個面的鍵槽48之間存在間隙58、60外，至少在室溫情況下，在每個鍵齒40的徑向外端表面46和其相應的鍵槽48的徑向外底表面54之間存在間隙62，並且在鍵齒40中間的插栓38的圓周外表面64和定義了孔20的表面20A之間也存在空隙。
應當指出的是，在這種結構中，軸12和渦輪葉輪10之間唯一的接觸點是具有第一偏移的鍵和鍵槽組合56'的前側表面42、50以及具有第二偏移的鍵齒40和鍵槽48的組合56″的尾側表面44、52。在包括鍵齒40在內的軸12的其他相應的表面和渦輪葉輪10之間存在空隙58、60、62、64，以允許軸12的熱膨脹。
鍵齒/鍵槽組合56'和56″的非對稱結構使得高速旋轉的渦輪葉輪10能夠保持在軸12上，同時，軸12和孔20的表面20A之間的空隙以及非接觸的鍵齒40和相應的鍵槽48表面之間的空隙58、60、62，在組件加熱到它的正常工作溫度範圍時，被用於允許包括鍵齒40在內的軸12的熱膨脹的發生，不至於使所述渦輪葉輪10承受無法承受的應力導致渦輪葉輪損壞。
雖然本發明中提及的間隙是在室溫的情況下，但應當理解的是，這種鍵控安裝結構可以在渦輪增壓器期望運行所需的全溫度範圍進行配置。例如，假設渦輪增壓器1所遭受的環境溫度很可能冷到凍點以下，那麼安裝裝置將被以最低的預期溫度進行配置以提供一個合適的配合，該配合可以提供足夠間隙以適應軸12升溫至正常工作溫度範圍時最大的熱膨脹的發生。
渦輪葉輪10在鍵齒40上是相對緊密滑動的配合，在許多應用中，這足夠保持渦輪葉輪軸向在軸上的位置。在另一個實例中，孔20可以完全貫穿渦輪葉輪10，並且在插栓部分38的自由端的末端設有轉配了螺母的螺紋段，螺母可以確保渦輪葉輪軸向的固定在軸上。
上述實例僅通過例子進行說明。在附加聲明中定義的不脫離本發明範圍的許多變化是都是可能的。
例如，渦輪葉輪10和所描述的軸12之間鍵連接的布置方式不局限於安裝一個陶瓷渦輪葉輪到一個金屬軸上，還可以用於安裝任何渦輪葉輪到軸上，甚至是安裝任何有孔的部件到軸上，特別是在軸的材料比部件的材料具有較大熱膨脹係數的情況下。因此，雖然本發明特別適用於在渦輪增壓器中安裝渦輪葉輪到軸上的應用，但是它也可以調整以適應其他的應用。
現已發現，如實例中描述的四對鍵/鍵槽組合56的使用在諸如渦輪機械這樣的高速應用中特別好用。然而，只要有至少兩對鍵齒/鍵槽的組合，一個具有第一偏移，一個具有第二偏移，鍵齒/鍵槽組合56的數目就可以根據需要選擇。例如，一個儘可能少的比如兩對鍵齒/鍵槽組合的結構被認為適用於低速應用，超過四對鍵齒/鍵槽組合可應用到需要的地方。鍵齒/鍵槽組合56的對稱布置有助於減少不平衡力，偶數對的鍵齒/鍵槽組合對這樣的布置可能是有利的。然而，在一些應用中，奇數對的鍵齒/鍵槽組合可能更合適。