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技术领域

本发明属于机械领域、特别是机械工程领域并且可以特别有利地应用到涡轮增压器装置上。

背景技术

在活塞式发动机形式的内燃机上使用涡轮增压器装置，用于通过流入的空气的、提供的正压辅助活塞的空气吸入。为此，涡轮增压器通常具有涡轮机，该涡轮机在废气流中通过热空气驱动并且与压缩机轮固定地安装在同一个轴上，该压缩机轮又在内燃机的进气通道中使流入的空气的压力增大。相当大的转矩需要以非常高的转速（几万到十万转/分钟）通过将涡轮机与压缩机轮连接的轴传输。在机械设计过程中遇到的挑战尤其包括相对于充斥在废气流中的高温的稳定性和轴在非常高的转速下的轴承装置。在这样的背景下，在轴承的油润滑设计方面还存在其他的问题，这些轴承通常设计成滑动轴承，有时具有浮动的轴承衬套。相应地，必须在轴上可靠和稳定地设置用于径向支承装置和轴向支承装置的轴承元件以及用于涡轮增压器装置的壳体内的油室的密封的密封元件。

在这样的背景下，一种已知的设计方案是基于将轴向轴承元件、密封套筒元件和压缩机轮（叶轮）沿轴向先后从轴的第一端部推入，然后利用旋拧到轴的外螺纹上的中心螺纹螺母将其沿轴向相互固定的支撑，从而即使在运行过程中出现机械负荷时，也不必担心各个部分会相对于轴松动，而且各个部件与轴一起旋转。

在此，为了确保上述装置的连贯一致，可以采取如下附加的措施，设置一定的弹性和/或弹性元件，用于补偿这些部件可能发生的沉降行为。为此，可能例如将轴杆构造成“膨胀螺栓”。

发明内容

在现有技术的背景下，本发明的目的是，提供一种用于涡轮增压器装置的转子，其中以技术上简单且廉价的方式确保了各个部件的长期并且可靠地连贯一致。

该目的通过本发明的根据权利要求1的关于用于涡轮增压器装置的转子的特征实现。从属权利要求是本发明的有利的设计方案。此外，通过本发明提供根据权利要求9和10的具有根据本发明的转子的涡轮增压器装置和用于这种转子的轴。

具体地说，本发明涉及一种用于涡轮增压器装置的转子，其具有轴并且具有沿轴向先后布置和固定在轴上的叶轮、密封套筒元件和与轴共同旋转的轴向轴承元件，其中密封套筒元件和旋转的轴向轴承元件利用设置在至少一个所述元件上的内螺纹与设置在轴上的第一外螺纹旋拧并支撑抵靠轴肩。

通过螺旋连接至轴，所述螺纹连接与密封套筒元件和/或与轴共同旋转的轴向轴承元件相关联，所述部件的至少一个与轴牢固地连接和固定，并且在一定的情况下另一部件牢固夹持在旋拧的部件和轴肩之间。通常可以构造成压缩机轮的叶轮可以额外通过专门的固定、例如在轴上的另一螺旋连接固定在轴的第一端部上。以这种方式可以实现，将各个部件更牢固和更可靠地固定在轴上，并且即使单个部件松开也可以确保其他部件连贯一致。在此可产生的弹性力比利用单个的螺旋连接的方式将所有的部件固定在轴端部处更高。由此，一方面增加了连贯一致的可靠性，另一方面还实现了更大的转矩的传输，因为安装到轴上的部件通过其连贯一致性而附加地增大，可以经由转子传输整个转矩。

为此可以有利地设置，密封套筒元件具有内螺纹，该内螺纹与轴的第一外螺纹旋拧在一起，并且与轴共同旋转的轴向轴承元件轴向布置在密封套筒元件和轴肩之间。

在这种情况下，例如基本上具有环形的轴向轴承片的轴向轴承元件可以在轴上自由移动。在这种情况下，轴向轴承元件仅以过盈配合的方式在径向方向上固定在轴上并且通过密封套筒元件的夹持作用轴向固定在轴上。

此外，可以有利地附加地或替代地规定，轴向轴承元件具有与轴的外螺纹旋拧在一起的内螺纹。

在这种情况下，轴向轴承元件独立附加地旋拧到轴的外螺纹上并且压紧抵靠轴肩。

以这种方式，由于密封套筒元件和轴向轴承元件的各个螺旋连接的轴向按压力可以相加。

此外，可以有利地规定，轴向轴承元件或轴向轴承元件的轴向的部分区段与密封套筒元件一体地构造。

在这种情况下，可以减少推到轴上的各个部件的数量，并且进一步提高它们的连贯一致性。由此，可由转子传输的转矩增加，并且转子的刚性整体提高。然后，可附加地传输的转矩一方面通过叶轮和密封套筒元件之间的摩擦并且另一方面通过轴向轴承元件和轴肩之间的摩擦来确定。

通过推入的部件稳定的连贯一致性，由此尤其通过转子刚度的增大，转子和轴的振动性能从而也得到改善，这在涡轮增压器在运行过程中转速高的情况下和在对应于发动机的不同负荷状态可预期的转速的变化的情况下都是非常有利的。以这种方式，转子的各个部件由于振动而松动同样更加不可能。

本发明的另一有利的设计方案规定，叶轮利用轴向地从轴的端部出发旋拧的中心的螺旋连接元件、尤其是旋拧到轴的第二外螺纹上的螺纹螺母，相对于密封套筒元件、轴向轴承元件和尤其是肩轴轴向支撑。

由于叶轮利用轴向按压力抵靠在密封套筒元件和在一定情况下轴向轴承元件上的螺旋连接，除了叶轮的固定还产生静摩擦，该静摩擦还可以用于除了由轴体本身传输的转矩之外的转矩的、经由已被推到轴的所述部件的附加的传输。此外，通过将推入的部件轴向压紧在一起，转子的刚度增大超过轴体的刚度。通常作为单侧的螺旋连接元件的是旋拧在轴杆外侧上的螺纹螺母，然而还可以考虑，在轴的盲孔中形成内螺纹，在该内螺纹中可以旋拧密封体（abschlussk?rper），该密封体向外延伸超出轴的直径，在那里包围轴并且在叶轮上施加轴向力。

在将具有螺纹的各个部件安装到轴上时，符合目的地一个接一个地拧紧，从通常最靠近轴肩设置地轴向轴承元件开始、然后接着是密封套筒元件并且最后是叶轮。

本发明还可以有利地以如下方式设置，使得轴的第二外螺纹和轴的第一外螺纹具有相互反向的螺距。

在这种情况下，可以确保施加到叶轮上的转矩，例如可以在运行过程中在空气阻力中存在的转矩-该空气阻力对抗叶轮的旋转-将叶轮相对于轴旋转，并且还防止，与叶轮相邻的元件、即通常的密封套筒元件由于静摩擦力在相同的方向上一起旋转。

由此产生转子的连贯一致相对于不希望的旋转的、附加的稳定性，这种不希望的旋转可能导致各个零件的不希望的松动。

此外，还可以进一步有利地规定，轴的第二外螺纹和轴的第一外螺纹具有螺旋角不同的、同向的螺距，其中第一外螺纹构造地比第二外螺纹更陡。

在外螺纹的这样的设计方案中，同样是，当其中一个部件旋转时，静摩擦相对件的共同旋转被阻止，即例如在叶轮初级旋转的情况下，密封套筒元件的共同旋转被阻止，因为螺纹的不同的螺距会导致部件的相互挤压的加强，这通过一开始在安装时已经产生的按压力被阻止。

本发明除了涉及一种如以上已经描述的转子之外，还涉及一种具有这种转子和壳体的涡轮增压器装置，其中在按照本发明的壳体上设置相对于壳体固定的轴向轴承片，该轴向轴承片构造成环区段形、朝一侧开放用于安装目的，并且由轴贯穿。

因为轴通常被作为整体预组装，即还安装有推入的部件、例如与轴共同旋转的轴向轴承元件、密封套筒元件和转轮，所述轴和壳体连接，转子通常必须被从一侧横向于轴的纵向方向推入壳体中。因此，轴不能推动穿过相对于壳体固定的、环形的轴承元件并且必须已经预组装所有的环形轴承元件，或者从侧面推入相对于壳体固定的轴承元件中。就轴向轴承片而言，这通过如下方式成为可能，即相对于壳体固定的轴向轴承片不是完整的环，而仅是具有开口的环区段，轴以及与轴共同旋转的轴向轴承元件可以插入该开口中。相对于壳体固定的轴向轴承片的另一部件可以在轴安装后加入并旋拧以完成轴向轴承。

除了上面提到的类型的转子和涡轮增压器装置之外，本发明还涉及一种用于上述类型的转子的轴，其中轴在第一轴端部和轴肩之间具有第一外螺纹，在该轴肩处从第一轴端部观察轴直径急剧增加，并且除了所述第一外螺纹之外轴还具有另一螺纹、特别是第二外螺纹，该第二外螺纹与第一外螺纹是空间上分开的。

设置两个独立的螺纹，或换句话说分别具有一个螺纹的、两个空间上相互分离的轴向区段，实现了一方面叶轮和另一方面推入到轴上的密封套筒元件和/或与轴共同旋转的轴向轴承元件的单独的固定和轴向压力施加或支撑。这种方式比所有的部件通过单螺旋连接的彼此压紧抵靠和抵靠轴肩的情况更可靠地防止了一些部件相对于轴松动。此外，可能总体上比单螺旋连接的情况施加更高的轴向力。

下面，借助附图中的实施例示出和接着讨论本发明。

附图说明

在附图中：

图1示出了通过根据现有技术的涡轮增压器装置的转子的纵剖面图，其具有壳体的一部分，

图2示出了图1的放大的细节图，

图3示出了通过根据本发明的涡轮增压器装置的转子的纵剖面图，其具有壳体的一部分，

图4示出了图3的放大的细节图，

图5至8示出了包含密封套筒元件和与轴共同旋转的轴向轴承元件的组合套筒的不同视图，

图9示出了具有压缩机轮和推到轴上的组合套管的转子的示图，部分为侧视图，部分为纵剖面图，

图10示出了图9的示图，其中，省略了压缩机轮和组合套筒，

图11示出了相对于壳体固定的轴向轴承片的示图，

图12示出了具有旋拧到其上的组合套筒的轴的细节图，

图13示出了具有与轴共同旋转的轴向轴承元件的、推入到轴上的部件和旋拧的密封套筒元件的轴的细节图，

图14详细地示出了与轴共同旋转的轴向轴承元件的两个部件和密封套筒元件的纵剖面图，

图15示出了具有部分未装配的轴的、与在图14中所示的部件配合的转子的侧视图，

图16示出了装配有在图14中所示的部件和压缩机轮的转子，

图17示出了轴上的组合套管的纵剖面图的细节图，以及

图18示出了轴上的组合套管的纵剖面图的另一实施方式的细节图。

具体实施方式

图1以通过转子的轴的纵剖面图和壳体部分的局部图示出根据现有技术的涡轮增压器装置2的一部分。转子在排气侧具有涡轮机轮18，该涡轮机轮由活塞式内燃发动机的废气流驱动。涡轮机轮18与叶轮/压缩机轮4安装在共同的轴3上，该叶轮/压缩机轮在进气通道中将空气输送至内燃机的进气阀并且为了实现更有效的燃烧的目的在活塞室中压缩空气。

压缩机轮4利用螺纹螺母13固定在轴3上，该螺纹螺母作为中心螺纹连接元件旋拧在轴3的端部侧的外螺纹上并且利用各种附加元件的中间层将压缩机轮4压紧抵靠轴肩。

此外，在涡轮增压器装置2的壳体15的内部中设置有两个径向轴承19、20，这些径向轴承用于轴3的径向支承，甚至转速通常为几万转/分钟至几十万转/分钟的情况下的径向支承。径向轴承例如采取浮动的滑动轴承的形式，其中浮动的轴承套筒可以相对于关于壳体固定的轴承元件大约以轴的转速的一半的速度旋转。

通过供油装置21为径向轴承和轴向轴承提供润滑油，其将在下面进一步更详细地讨论。

图2以放大示出了图1的一部分的细节，其中尤其除了压缩机轮4之外，示出了夹在该压缩机轮4和轴肩12之间的环形部件，其中第一部件为密封套筒元件5、第二部件为与轴共同旋转的轴向轴承元件的第一部件8并且第三部件为与轴共同旋转的轴向轴承元件的第二部件8’。这三个所述夹紧的元件5、8、8’可以沿轴向方向在轴3上自由移动并且仅仅通过静摩擦力而被保持在压缩机轮4和轴肩12之间。

图2还示出了轴向轴承片9，该轴向轴承片相对于壳体固定并且径向突出到旋转的轴向轴承元件的第一部件8和第二部件8’之间，并且轴向布置在它们之间。由此，相对于壳体固定的轴向轴承片9形成基本上环形的或环区段形的片，与轴共同旋转的轴向轴承元件的两个部件8、8’在该片上滑动和引导。

在本发明的框架下，图3示出了一种结构，其中在支撑第一外螺纹11的轴3’上旋拧组合套筒22，该组合套筒将密封套筒元件和与轴共同旋转的轴向轴承元件的第一和第二部件一体地结合起来。其中，只有与密封套筒元件对应的轴向区段具有内螺纹，该内螺纹被拧到轴的相应的第一外螺纹11上。轴向轴承元件的第一和第二部件不具有内螺纹并且以精确配合的方式推到轴的与第一外螺纹11相邻的轴向区段上。

组合套筒22通过螺旋连接牢固地支撑抵靠轴3’的轴肩12。此外，从轴3’的第一端部23出发，将压缩机轮4推到轴3’上并且利用螺纹螺母13相对于组合套筒22压紧。为此，螺纹螺母13拧到轴3’的第一端部23上的第二外螺纹14上。为此，螺纹螺母13具有匹配的外轮廓，例如六边形轮廓。

然而有利地，组合套筒22可以在其至少一个元件上、也就是例如在相当于密封套筒元件的轴向区段处，在对应于与轴共同旋转的轴向轴承元件中的一个部件上具有八角形或正方形轮廓，该八角形或正方形轮廓允许工具、例如扳手的接合，用于旋拧。

在图4中，更详细地示出了在图3中概述地示出的结构的一部分。组合套筒22被以放大的比例示出，其具有对应于密封套筒元件的第一轴向区段5、对应于旋转的轴向轴承元件的第一部件8的第二区段和对应于与轴共同旋转的轴向轴承元件的第二部件8’的第三区段。各个区段在图4中通过虚线彼此界定。从图4中还可以看出，由轴向轴承元件的第一部件8和第二部件8'形成的、组合套筒22的第二轴向区段和第三轴向区段不具有内螺纹而是具有圆柱形内表面24，该圆柱形内表面可以被轴向推动经过轴3’的第一外螺纹11。为此，在螺纹切割之后，第一外螺纹11被车削外径，即切削加工，使得外螺纹11的外轮廓尽可能准确地对应元件8、8'的圆柱形内表面24的区域中的轴3’的外轮廓。因此，可以实现组合套筒22的无螺纹的部件和轴之间的精确匹配，并由此实现定心和固定，这有利于避免转子的不平衡。

图4还示出了相对于壳体固定的轴向轴承片9的一部分和组合套筒22的、对应于密封套筒元件5的第一轴向区段上的活塞环16、17。因此，密封套筒元件连同环绕的外槽和在其中引导的活塞环16、17形成轴相对于壳体15的有效密封。

图5、6、7和8以不同的视图示出了组合套筒22，具体地在图5中以正视图、在图6中以侧视图、在图7中以纵剖面图并且在图8中以三维视图形式。尤其在图7中，可以看到组合套筒22的对应于密封套筒元件5、轴向轴承元件的第一部件8和轴向轴承元件的第二部件8'的轴向区段。此外，还可以看出，只有密封套筒元件5具有内螺纹10。

还示出了，在轴向轴承元件的第一部件8的区域中设置有组合套筒22的多边形外轮廓25。

在图9中示出了转子1的侧视图和局部的纵向剖视图，如已基本在图3和4中所示的。从图9中可以特别清楚地看到，压缩机轮4支撑抵靠组合套筒22处的接触表面26比组合套筒22和轴肩12在接触区域27具有的接触表面更大。很显然，这样可以在组合套筒22和压缩机轮4之间的区域中传输相当大的转矩。当待传输的转矩不被组合套筒22和轴肩12之间的接触表面27所限制时，这是特别有利的，因为组合套筒22其本身具有轴3’上独立的固定部。由此本发明的部分优点得以实现。

图10示出了图9所示的转子，其不具有推入的组合套筒、压缩机轮和紧固螺母13，但是具有第一外螺纹11，该第一外螺纹明显与第二外螺纹14轴向间隔开。

图11以三维视图的形式示出了轴向轴承片9，其相对于壳体固定且具有环区段形的轴承表面9’。该轴承表面在约60°的角度范围内断开，以便在该侧为相对于壳体固定的轴向轴承片保持打开并且实现轴和与轴共同旋转的轴向轴承元件的侧面推入。在推入轴时，与轴共同旋转的轴向轴承元件的第一部件和第二部件8’，8’’定位在相对于壳体固定的轴向轴承片9的两侧。

图13、14、15和16分别以不同的细节和视图示出了涡轮增压器装置的结构，其中密封套筒元件5、与轴共同旋转的轴向轴承元件的第一部件8和轴向轴承元件的第二部件8’构造成分别具有一个中心内螺纹的三个独立的部件。相应地，在轴3’’上设置第一外螺纹11，该第一外螺纹形成这样的轴向长度，使得所有三个元件5、8、8’可以与轴肩12相对而旋拧在其上。利用每个单独的元件5、8、8’可以建立这样的轴向压力，使得各个部件很好地抵抗松动而固定。在这种背景下，为每个部件5、8、8’设置圆周侧的外轮廓是有意义的，这种外轮廓允许工具、例如扳手的接合，以使每个元件可以单独在螺纹11上拧紧。螺纹11几乎延伸至轴肩12，其中在外螺纹11的端部和轴肩12之间还设置轴向间距。轴3’’’具有至少三个不同直径的轴向区段，其中具有最大直径的区域形成轴肩12，具有较小的外直径的区域支承外螺纹11，并且相对于轴的具有外螺纹11的轴向区段，朝向第一轴端部23的轴向区段的直径进一步减小，使得元件5、8、8’可以通过第一轴端部23容易地推到轴上的外螺纹11处。

在轴3’’’的端部侧的区域中，该轴具有第二外螺纹14，用于旋拧螺纹螺母和在螺纹螺母13和密封套管元件5之间固定压缩机轮。

图16在部分地纵剖面图中示出了组装的转子，而图14以纵剖面图上下示出了三个元件5（密封套筒元件）、8（与轴共同旋转的轴向轴承元件的第一部件）和8’（与轴共同旋转的轴向轴承元件的第二部件）。

图17和图18分别示出了一种结构，其中与轴共同旋转的轴向轴承元件的第一部件8和密封套筒元件5一体地结合。在这两个示出的结构中，所谓轴承套管，即轴向轴承元件的第二部件8’与轴向轴承元件的第一部件8分离并且构造成独立的主体。这样可以允许轴向轴承的安装简化，即通过可以为轴设置轴向轴承元件的第二部件并随后由位置固定的轴向轴承片穿透。因此，有可能可以将相对于壳体固定的轴向轴承片构造成两部分的、全包围的轴承元件。在这种情况下，采用侧面开口的轴向轴承片也是可以想到的。

组合套筒（该组合套筒被组合成一体且将部件5（密封套筒元件）和部件8（轴向轴承元件的第一部件）结合起来）可以单独拧到轴的外螺纹11’上。

本发明的所描述的实施方式允许了推到轴上的不同部件（例如与轴共同旋转的轴向轴承元件的部件、密封套管和压缩机轮）的特别牢固的连贯一致。此外，由于安装到轴上的部件非常牢固地连接，转子的弯曲刚度增加，因此轴的易振动性和易形成不平衡性降低。最终，可以通过所述装置在涡轮机轮和压缩机轮之间传输特别高的转矩。