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技术领域

本发明涉及一种用于发动机的涡轮增压器，更具体地涉及一种用于改进的 涡轮增压器性能的涡轮机叶轮和轴组件。

背景技术

该部分提供关于本发明的背景信息，其未必是现有技术。

涡轮增压发动机利用压缩空气，其导致较大量的空气被强制进入发动机中， 从而产生更多的动力。驱动涡轮压缩机所使用的能量抽取自废排气。当排气离 开发动机时，它们被引导通过布置在排气流中的涡轮机叶轮。气体驱动涡轮机 叶轮，其通过轴直接连接到压缩机上。增加的废气流驱动涡轮机叶轮更快地旋 转，从而为发动机提供更多的空气，进而提供更多的能量。因此，涡轮增压器 使用来自排气的抽取的能量以改善发动机效率。

涡轮增压器通常作为汽车性能的动力增强装置，但如今涡轮增压器越来越 常规地用来提供更大的扭矩给小容量的发动机。使用涡轮增压发动机的优势包 括改善的燃料效率和减少的排气排放物。涡轮增压器的部件通常包括限定压缩 机室和涡轮机室的壳体，压缩机叶轮设置在压缩机室中，涡轮机叶轮设置在涡 轮机室中。涡轮机轴设置成在涡轮机叶轮和压缩机叶轮之间连接。

参考图4，示出了传统的涡轮机叶轮和轴组件，其中涡轮机叶轮包括具有 从其第一轴向面延伸的多个叶片112的本体部分110。涡轮机轴114在焊接位置 118处焊接到涡轮机叶轮本体110的后表面。当前涡轮机叶轮和轴组件的一个问 题可能是涡轮机叶轮的不平衡，其会引起噪音和客户抱怨。为了解决该涡轮机 叶轮不平衡的问题，涡轮机叶轮和轴组件通常在焊接过程结束后通过旋转在平 衡机上的组件而被平衡，所述平衡机识别出能够通过移除涡轮机叶轮上不同位 置处的物质而修正的不平衡，从而获得平衡的涡轮机叶轮和轴组件。

然而，本发明发现，由于涡轮机叶轮和涡轮机轴之间的缝是焊接的，因此 在涡轮机叶轮和轴中形成残余应力。该残余应力与在焊接过程中被输入到部件 的热量输入直接相关。焊接操作通过使用聚焦束例如通过电子束焊接来执行， 但是激光焊接或摩擦焊接也可以使用。在焊接过程完成后，散焦束可以用来加 宽加热操作以释放施加在涡轮机叶轮和轴上的残余应力的一些。然而，在焊接 过程后被已经适当平衡的涡轮机叶轮和轴组件被置于使用在温度可超过600 ℃的涡轮增压器中。涡轮机叶轮和轴组件的加热会引起来自焊接过程的残余应 力释放从而导致叶轮扭曲。根据本申请发现的理论，由于焊接位置118过于靠 近涡轮机叶轮，因此需要大量的热来充分地缓解大质量涡轮机叶轮中的残余应 力。

发明内容

因此，本发明的意图在于将焊接位置移离涡轮机叶轮本体的质量，使得焊 接被移离涡轮机叶轮的大质量，并且散焦束可更容易消除焊接位置中的残余应 力。此外，通过将焊接位置移离涡轮机叶轮的本体，焊接可被置于更低操作温 度位置以最小化叶轮不平衡减缓上的焊接残余应力释放的影响。因此，本发明 提供一种用于涡轮增压器的涡轮机叶轮及轴组件，其包括包括本体部分的涡轮 机叶轮，该本体部分支撑在其第一轴向面上的多个叶片。毂在第二轴向面上从 本体部分延伸。毂具有预定的直径和长度。轴在与轴向面隔开的焊接位置处焊 接到毂。焊接位置与本体部分的第二轴向面轴向地隔开的距离为毂直径的至少 50％、更优选地至少75％。

进一步的适用领域将在下面的描述中变得显而易见。在该发明内容部分的 描述和具体实施例仅出于示意目的，并不意于限制本发明的范围。

本发明进一步提供如下方案：

1、一种用于涡轮增压器的涡轮机叶轮和轴组件，包括：

涡轮机叶轮，其包括：本体部分，所述本体部分在其第一轴向面上支撑多 个叶片，和在第二轴向面上从所述本体部分延伸的毂，所述毂具有直径；

轴，其在与所述第二轴向面隔开的焊接位置处焊接到所述毂，所述焊接位 置与所述本体部分的所述第二轴向面轴向地隔开的距离为所述直径的至少 50％。

2、如方案1所述的涡轮机叶轮和轴组件，其特征在于，所述轴包括圆筒形 本体和在其被焊接到所述涡轮机叶轮的所述毂的端部处的径向延伸的凸缘部 分。

3、如方案1所述的涡轮机叶轮和轴组件，其特征在于，所述轴是中空的。

4、如方案1所述的涡轮机叶轮和轴组件，其特征在于，所述毂包括在其中 的中空部分。

5、一种涡轮增压器，包括：

壳体，其包括用于接收发动机排气流的进口、涡轮机室和用于排气排出的 出口；

涡轮机叶轮和轴组件，其布置在所述涡轮机室中，并且包括：涡轮机叶轮， 所述涡轮机叶轮具有本体部分和毂，所述本体部分在其第一轴向面上支撑多个 叶片，所述毂在与所述第一轴向面相反的第二轴向面上从所述本体部分延伸， 所述毂具有直径；和轴，所述轴具有在与所述第二轴向面隔开的焊接位置处焊 接到所述毂的第一端，其中所述焊接位置与所述本体部分的第二轴向面轴向隔 开的距离为所述直径的至少50％。

6、如方案5所述的涡轮增压器，其特征在于，所述轴包括圆筒形本体和在 其被焊接到所述涡轮机叶轮的所述毂的所述第一端部处的径向延伸的凸缘部 分。

7、如方案5所述的涡轮增压器，其特征在于，所述轴是中空的。

8、如方案5所述的涡轮增压器，其特征在于，所述毂包括在其中的中空部 分。

9、如方案5所述的涡轮增压器，其特征在于，还包括附接到所述轴的第二 端并布置在压缩机室中的压缩机叶轮。

10、如方案5所述的涡轮增压器，其特征在于，还包括布置在所述涡轮机 叶轮的所述第二轴向面和所述焊接位置之间的密封件。

11、一种发动机，包括：

限定出多个气缸的发动机结构，所述气缸接收在其中的相应活塞，并且所 述发动机结构具有与所述气缸中每个联通的进气口和排气通道；

涡轮增压器，其包括：

壳体，其包括用于接收来自所述排气通道的发动机排气流的进口、涡轮机 室和用于排气排出的出口；

涡轮机叶轮和轴组件，其布置在所述涡轮机室中，并且包括：涡轮机叶轮， 所述涡轮机叶轮具有本体部分和毂，所述本体部分在其第一轴向面上支撑多个 叶片，所述毂在与所述第一轴向面相反的第二轴向面上从所述本体部分延伸， 所述毂具有直径；和轴，所述轴在与所述第二轴向面隔开的焊接位置处焊接到 所述毂，其中所述焊接位置与所述本体部分的第二轴向面轴向隔开的距离为所 述直径的至少50％。

12、如方案11所述的发动机，其特征在于，所述轴包括圆筒形本体和在其 被焊接到所述涡轮机叶轮的所述毂的端部处的径向延伸的凸缘部分。

13、如方案11所述的发动机，其特征在于，所述轴是中空的。

14、如方案11所述的发动机，其特征在于，所述毂包括在其中的中空部分。

15、如方案11所述的发动机，其特征在于，还包括附接到所述轴的第二端 并布置在压缩机室中的压缩机叶轮。

16、如方案11所述的发动机，其特征在于，所述压缩机室与空气进口联通， 并且压缩空气出口与所述气缸的所述进气通道联通。

17、如方案11所述的发动机，其特征在于，还包括布置在所述涡轮机叶轮 的所述第二轴向面和所述焊接位置之间的密封件。

附图说明

这里所描述的附图仅仅是出于对所选择实施例而非所有可能实施例的示意 性目的，并且不意图限制本发明的范围：

图1是根据本发明原理的使用涡轮增压器的发动机的示意图；

图2是根据本发明原理的涡轮机叶轮和轴组件的横截面图；

图3是根据本发明的替代实施例的涡轮机叶轮和轴组件的横截面图；和

图4是现有技术的涡轮机叶轮和轴组件的横截面图。

在全部几幅图中，相应的附图标记代表相应的部件。

具体实施方式

现在将参考附图更完整地描述示意性的实施例。

提供了示意性实施例使得本发明将更彻底并且将完整地传递范围给本领域 技术人员。众多具体的细节以具体组件、装置和方法的例子给出，以提供本发 明实施例的完整理解。对于本领域技术人员来说显而易见的是，具体细节并非 都需要使用，示意性实施例可以以许多不同的形式实现，并且其都不构成本发 明范围的限制。在某些实施例中，公知的过程、公知的装置结构和公知的技术 将不再详述。

此处所使用的术语仅出于描述具体示意性实施例的目的，并且不意图是限 制性的。如此处所使用，单数形式“一”、“一个”、“该”也可意于包括复数形 式，除非文中明确相反指示。术语“包含”、“包含有”、“包括”和“具有”是 包括性的，因此指明存在陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和／或部件，但 是不排除存在或额外的一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件 和／或它们的组。这里描述的方法步骤、过程和操作不应解释成必须要求它们在 所讨论或者示出的具体顺序中执行，除非特别标识为执行的顺序。还应当理解 额外或者替代的步骤也可被应用。

当元件或者层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或者“耦 接到”另一元件或层时，其可以是直接在另一元件或层上、直接地接合、连接 或者耦接到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为 “直接在另一元件或层上”、“直接地接合到”、“直接地连接到”或“直接地耦 接到”另一元件或层，则会不具有中间元件或层。用于描述元件之间关系的其 它词应以类似形式来解释(如，“之间”相对于“直接地之间”，“邻近”相对于 “直接地邻近”，等)。如这里使用，术语“和／或”包括一个或多个相关列出项 的任一和所有组合。

参考图1，现在将描述根据本发明原理的涡轮增压器发动机的示意图。发 动机10包括发动机结构12，其在其中具有气缸14。如本领域所已知，活塞16 配置在气缸14内且连接到曲轴18。气缸14限定与进气口22，排气口24和燃 料喷射器26联通的燃烧室20。进气口22接收来自涡轮增压器34的压缩机32 的压缩空气流30。排气口24与联通到涡轮增压器34的涡轮机38的发动机排气 流管道36联通。当发动机排气流36通过涡轮机38时，涡轮机叶轮40被引起 在涡轮机壳体42中旋转并且驱动被连接到压缩机32的压缩机叶轮46的涡轮机 轴44。因此，排气流36引起涡轮增压器涡轮机叶轮40和压缩机叶轮46的旋转， 其然后压缩被传送至发动机的空气进气22的进气空气48。压缩空气冷却器49 可以冷却输送至空气进气22的压缩空气，且可以包括风扇50。

根据本发明的原理，涡轮机叶轮40和轴44以独特的形式装配，从而消除 焊接的涡轮机叶轮和轴组件的不平衡问题。特别地，如图2所示，涡轮机叶轮 40包括本体部分52，本体部分52支撑在其第一轴向面56上的多个叶片54。毂 58在第二轴向面60上从本体部分52延伸。毂58具有预定的直径D。轴44在 与第二轴向面60间隔距离d_w的焊接位置62处焊接到毂58。根据本发明的优选 方面，焊接位置62与第二轴向面轴向隔开的距离d_w为毂58的直径D的至少 50％、更优选地至少75％。通过与涡轮机叶轮40的本体部分52间隔的该优选 焊接距离，焊接位置62被移离本体52的大质量部分，使得较少的热被置于到 该部分上，并因此产生更少的残余应力。另外，当焊接区域通过散焦束加热时， 在释放焊接过程产生的残余应力方面，在围绕焊接位置52的更小质量区域中的 应力释放将更有效。此外，焊接位置62与涡轮机叶轮的本体52隔开距离d_w使 焊接位置62移动到涡轮增压器34内的较低操作温度位置，从而最小化在叶轮 不平衡减缓上的焊接残余应力释放的影响。典型地活塞环密封件设置在邻近当 前实际焊接位置处，从而防止油从轴承壳体离开。将焊接位置移动到位置62使 得焊接位于活塞环密封件63(图1示意性地示出)的油湿润侧，从而将焊接位 置62置于显著更冷的位置。

为了进一步降低残余应力，通过提供中空圆筒状轴来减小轴44的质量也是 有利的。额外地，毂58也可以是中空的以减少焊接区域的质量从而消除这些部 件的扭曲。注意，通过提供中空轴44和毂58中的中空区域来消除额外质量是 可选的，但是其会增加部件的冷却率同时还减少在焊接过程期间产生的残余应 力。在图2示出的实施例中，轴44在其被焊接到涡轮机叶轮40的毂部分58的 端部处设置有环状凸缘部分64。如所示，焊接位置62设置在凸缘64和毂58 之间的交界面处。

根据图3示出的替代实施例，焊接位置62’可以设置在毂部分58和轴44’ 的无凸缘端部。注意在该位置处，焊接直径可被减少到轴44’的直径使得需要更 少的焊接的周向区域，因此在所形成的焊接部件中提供更少的残余应力。注意， 毂58内的中空区域的量可以延伸到涡轮机叶轮40的本体部分52中。通过这些 额外的修改，涡轮机叶轮和轴的重量可被减少，从而进一步减少涡轮机叶轮的 惯性并且提供叶轮不平衡减缓。根据本发明的原理，通过所提出的设计结构， 不平衡引起的噪音问题可以被消除或者显著地减少，从而显著地改善部件质量 和性能。

前述实施例的描述仅出于示出和描述的目的而被提供。不意于穷尽或者限 制本发明。特定实施例的各元件或特征总体不被限制到该特定实施例，相反， 在适用时，是可以互换的且可以应用在所选择的实施例中，即便为被具体示出 或描述。相同部分也可以以多种方式变换。这些变换不被认为脱离本发明，并 且所有这些修改都意图被包括在本发明的范围内。