專利名稱：渦輪增壓器的渦輪軸的連接方法
技術領域：
本發明涉及一種連接用于內燃機的增壓器(渦輪增壓器)的葉輪(渦輪機葉輪和壓縮機葉輪)和渦輪軸的方法。
在渦輪增壓器中，設在排氣通道的近似中點處的渦輪機殼體和設在進氣通道的近似中點處的壓縮機殼體通過中央殼體的中間部分相互連接在一起，可旋轉地支撐于渦輪機殼體內的渦輪機葉輪和可旋轉地支撐于壓縮機殼體內的壓縮機葉輪通過可旋轉地支撐于中央殼體內的渦輪軸的中間部分而同軸地連接在一起。
在這種渦輪增壓器中，從內燃機中排出的廢氣通過廢氣入口流入渦輪機殼體中，此廢氣以渦流似的形式沿著螺旋通道流動。隨后，廢氣從螺旋通道流至噴嘴通道，然后噴在渦輪機葉輪上從而使其旋轉。
當渦輪機葉輪這樣旋轉時，渦輪機葉輪的扭矩通過渦輪軸傳遞給壓縮機葉輪，壓縮機葉輪與渦輪機葉輪同步旋轉。當壓縮機葉輪與渦輪機葉輪同步旋轉時，在進氣口附近的吸入空氣通過由壓縮機葉輪旋轉產生的吸入力被吸入壓縮機殼體中，然后在壓力下經排放通道和螺旋通道被送至吸入空氣的出口。
因此，在壓縮機殼體內被壓縮的吸入空氣被強制供給燃燒室，因此吸入空氣的增壓效率得到提高。在此過程中，燃料的噴射量由于吸入空氣的量的增加而增加，從而可以獲得較大的燃燒功率和爆炸功率，使得提高內燃機的輸出功率成為可能。
此時，渦輪機葉輪必須以100,000至160,000轉/分的高速旋轉。同時其還暴露在最高溫度高達900℃的廢氣中。因此，在渦輪增壓器的制造中，渦輪機葉輪、壓縮機葉輪和渦輪軸必須高精度地設置在同一旋轉軸線上。尤其是，在將它們連接在一起時不能產生加工誤差(葉輪和渦輪軸的旋轉軸線偏離)，這一點非常重要。
通常來說，葉輪和渦輪軸通常由電子束焊接進行連接；在這種情況下，產品精度取決于焊接前的處理(接邊加工)的精度。
通常來說，這種接邊加工的操作如下所述。
首先，如圖9所示，在渦輪機葉輪50上設有裝配孔51，在渦輪軸60的一端與渦輪機葉輪50相連的一側設有凸臺61。該凸臺61安裝在裝配孔51中并形成間隙部分52，渦輪軸60的一端在對接部分53處靠在渦輪機葉輪50上以進行定位。
在另一種方法中，渦輪機葉輪和渦輪軸相互靠在一起，在通過焊接夾具將它們固定住的狀態下進行定位。
在這些傳統的方法中，考慮到焊接時的變形等，前一種方法要求在裝配部分52處提供間隙。因此，由于存在間隙，很難保證渦輪機葉輪50和渦輪軸60的同軸性。
另外，在連接時，對接部分53的整個周邊都被電子束焊接或類似處理所熔化，對接部分53的熔化很可能會導致在該部分處發生彎曲變形。
另外，由于渦輪軸60在軸向上發生收縮，可能會產生例如軸向的尺寸精度受損的問題。
在后一種方法中，渦輪機葉輪50和渦輪軸60的定位取決于所用夾具的精度，因此很難保證穩定的同軸性。另外，由于夾具誤差和長期時效變化，很難保證精確的同軸性。
此外，和前一種方法一樣，渦輪機葉輪和渦輪軸的整個對接部分被電子束焊接或類似處理所熔化，因此可能在該部分處發生彎曲變形。另外，由于渦輪軸在軸向上發生收縮，可能會產生例如軸向的尺寸精度受損的問題。
尤其是，在上述傳統方法中，渦輪軸的一部分(對接部分53)被焊接熔化，因此渦輪軸60產生收縮。鑒于此原因，渦輪機葉輪50和渦輪軸首先焊接，然后，如

圖10所示，必須對渦輪軸60的軸主體的彎曲進行調節，并對位于軸的一端處的推力軸承等進行微加工，以提高整體精度。具體地說，在焊接了具有如圖10中實線所示輪廓的結構后，該渦輪軸60必須進行切削加工以形成如圖中雙點劃線所示的形狀，并進行軸線調節和微加工推力軸承等。因此，與焊接前只在渦輪軸60上進行加工的情況相比較，這種加工難于進行并且需要花費很多時間。
鑒于上述問題提出了本發明。本發明的一個技術目的是提供一種可提高葉輪和渦輪軸的連接精度的連接方法。
也就是說，在一種將葉輪和渦輪軸連接在一起的渦輪增壓器的渦輪軸的連接方法中，葉輪具有可插入渦輪軸的一個端部以進行固定的裝配孔，而渦輪軸與葉輪的旋轉軸線同心地定位，此方法的特征在于，葉輪的裝配孔的內周壁的至少一部分為錐形，使得從裝配孔的開口處向內直徑逐漸變小，在與葉輪相連的渦輪軸的一端設有能夠與錐形內周壁緊密接觸的錐形軸向對接部分以及具有固定直徑的可插入裝配孔中的插入部分，葉輪和渦輪軸相互連接且固定在一起，從而在旋轉軸線上同軸。
在此方法中，也可以構造成在渦輪軸的一端設有具有固定直徑的插入部分，并設有與插入部分相連且從插入部分處開始直徑逐漸增大的錐形部分，使得插入部分和較大直徑部分設置成同軸。
在這種情況下，葉輪包括通過被可旋轉地支撐的渦輪軸的中間部分而同軸地連接在一起的渦輪機葉輪和壓縮機葉輪等。
同樣，也可以構造成使葉輪和渦輪軸相互焊接在一起，這是通過熔合渦輪軸上軸向對接部分以外的其它部分和葉輪的錐形內周壁來實現的。
對于以上述方法使用的渦輪機葉輪來說，最好是可插入渦輪軸的一個端部的裝配孔的內周壁的至少一部分為錐形，使得從裝配孔的開口處向內直徑逐漸減小。
在這里，渦輪軸適于這樣的結構，其在渦輪軸的一端設有能夠與渦輪機葉輪內的裝配孔的錐形內周壁緊密接觸的錐形軸向對接部分以及具有固定直徑的可插入裝配孔內的插入部分。在這種情況下，可以具有這樣的結構，即帶有固定直徑的插入部分設于渦輪軸的一端，并且設有與插入部分相連且直徑逐漸增大的錐形部分，使得插入部分和錐形部分設置成同軸。
可以將本發明的渦輪增壓器應用在所有類型的渦輪增壓器的生產中，只要是具有葉輪和渦輪軸的類型，例如可變增壓渦輪、可燃噴嘴增壓渦輪、直性底架增壓渦輪以及序列渦輪。
在本發明中，可以構造成在渦輪軸上焊接熔化的部分以外的部分上設置軸向對接部分，因此可以防止在渦輪軸承受熔化收縮時軸向尺寸的變化。
另外，可以構造成在錐形結構中形成軸向對接部分，另一方面，在錐形結構中還形成了可產生接觸的裝配壁的內周壁的至少一部分，從而葉輪和渦輪軸可相互緊密地接觸而不會失效，而且它們被引導成同軸地定位，從而可以很容易地保證同軸性的精度。
另外，可以構造成除了軸向對接部分之外，還設置了具有固定直徑的插入部分，從而使軸向對接部分的緊密接觸性能穩定，在軸向對接部分處錐形表面相互接觸對接部分。
同時，由于存在錐形軸向對接部分，與渦輪軸的軸向正交的方向上的運動受到限制，因此防止了在焊接時渦輪軸受熱彎曲。
另外，可以構造成除了軸向對接部分之外，渦輪軸還可以在焊接熔化的部分以外的位置處設有對接部分，其靠在其中形成有裝配孔的表面上，并且在焊接時限制了渦輪軸的軸向運動，從而可靠地防止了渦輪軸的位移。
在這種方法中，可以構造成在與葉輪相連的渦輪軸的一端設置具有固定直徑的可插入裝配孔內的插入部分，而不是設置錐形軸向對接部分，而且在插入部分上設有靠在其中形成有裝配孔的表面上且限制了渦輪軸的軸向運動的對接部分，因此可以在焊接時防止渦輪軸的軸向運動。
在本發明中，當通過例如焊接將葉輪和渦輪軸連接在一起時，可以防止因渦輪軸4的軸向收縮而產生的尺寸變化，因而可以提高產品的精度。
尤其是，當將具有可插入渦輪軸的一個端部以進行固定的裝配孔的葉輪和可定位在此葉輪的旋轉軸線上的渦輪軸連接在一起時，可以構造成葉輪的裝配孔的內周壁的至少一部分從裝配孔的開口處向內逐漸收縮，另一方面，在將與葉輪相連的渦輪軸的一端處設有能與內周壁緊密接觸的錐形軸向對接部分以及可插入裝配孔內且具有固定直徑的插入部分，使得葉輪和渦輪軸很容易設置成同軸，從而簡化了加工工序并提高了產品精度。
實施例1如圖7所示，在渦輪增壓器12中，壓縮機殼體13和渦輪機殼體14通過中央殼體15的中間部分相互連接在一起；在中央殼體15內支撐有渦輪軸4，使其能圍繞其軸線L旋轉。渦輪軸4的一端突出到壓縮機殼體內，裝備有多個葉片2的渦輪機葉輪1安裝在突出部分上。
在下文中將詳細地介紹將用于如上所述構造的渦輪增壓器12中的渦輪軸4和渦輪機葉輪1連接在一起的方法。
(渦輪機葉輪的接邊加工)在廢氣流動所產生的力作用下旋轉的渦輪機葉輪1具有圍繞圓柱形主體而形成的葉片2。如圖1所示，在旋轉軸線L上設有可插入渦輪軸4以進行固定的圓柱形裝配孔3。裝配孔3的內周壁3a設有臺階部分3b，從臺階部分3b處向裝配孔3的開口延伸的內周壁的整個周邊組成了直徑比裝配孔3的前端部分的直徑更大的大直徑部分3c。比大直徑部分3c更靠近開口的部分的內周壁的整個周邊為錐形，這樣直徑在沿開口的方向上增大，此部分組成了錐形邊緣部分3d。
在渦輪機葉輪1上進行如上所述的接邊加工，以便通過焊接與渦輪軸4連接。
如圖2所示，渦輪軸4是圓柱形軸，在其一端設有可插入裝配孔3中以進行固定的頭部5。頭部5的直徑大于渦輪軸4的中間部分的直徑，并且設有推力軸承5a等。
頭部5的前端部分設有插入部分6，其具有固定的直徑即沒有任何變化的直徑。插入部分6與直徑逐漸增大的錐形軸向對接部分7相連，插入部分6與軸向對接部分7基本設置成同軸。
在被加工出基本正確的輪廓之后，此渦輪軸4進行熱處理以提高硬度，并通過拋光進行精整加工。
(渦輪機葉輪和渦輪軸的連接)接下來將介紹將如上所述進行了加工的渦輪機葉輪1和渦輪軸4連接在一起的工藝。
在清理渦輪機葉輪1和渦輪軸4之后，渦輪軸4的頭部5插入渦輪機葉輪1的裝配孔3中。此時，如圖3和4所示，插入部分6安裝到裝配孔3內，實現所謂的套筒接合；然而，前端6a并不靠在裝配孔3的底部8上，而在插入部分6的前端和裝配孔3的底部8之間留下小的間隙10。設置間隙10目的是在渦輪增壓器的操作過程中將從渦輪機葉輪1到渦輪軸4的熱傳遞減小至較小程度。
渦輪軸4的錐形對接部分7靠在裝配孔3的內周壁內的錐形邊緣部分3d上；由于錐形部分相互間緊密接觸，渦輪軸4在軸線L方向上的定位自動地進行，兩個部件被引導成形成同軸。因此，渦輪機葉輪1和渦輪軸4相互間以穩定的方式緊密接觸，不存在任何間隙。
另外，插入部分6抵達裝配孔3的最里面的小直徑部分，插入部分6的周邊側面和小直徑的內周壁3a相互間接觸，使得軸向對接部分7和錐形邊緣部分3d相互間以非常穩定的方式緊密接觸。
插入部分6和軸向對接部分7之間的位置關系不限于本實施例的介紹。例如，可以在裝配孔3的最里面的部分設置錐形部分，用此錐形部分作為軸向對接部分，而用于穩定緊密接觸的插入部分位于裝配孔3的開口側。通過將錐形軸向對接部分7設置在盡可能接近裝配孔3的開口的位置處，可很容易地減少軸向的連接誤差，因而達到提高渦輪機葉輪1和渦輪軸4的連接精度的目的。
(焊接)如圖3和4所示，當渦輪軸4的插入部分6插入渦輪機葉輪1的裝配孔3中使軸向對接部分7與錐形邊緣部分3d緊密接觸時，渦輪機葉輪1的裝配孔3的錐形周邊部分3d和位于渦輪軸4的軸向對接部分7附近的凸臺5相互面對，在它們之間形成小的間隙。錐形周邊部分3d和凸臺5通過電子束焊接連接在一起。由于渦輪軸4的熔點低于渦輪機葉輪1的材料的熔點，凸臺5比開口處的周邊部分3d更早熔化。圖4顯示了熔化的焊接部分11。在錐形周邊部分3d和凸臺5的整個周邊上進行焊接，使渦輪機葉輪1和渦輪軸4連接成一體。如圖所示，熔化部分11位于與軸向對接部分7相隔開的位置。由于此熔合，可防止渦輪軸4變短，從而防止渦輪軸在軸向長度上的變化。渦輪軸4的軸向精度通過軸向對接部分7得到保持。
由于在錐形周邊部分3d和凸臺5的整個周邊上進行焊接，因此在渦輪軸4上因熱量而導致了彎曲應力的產生，此彎曲應力可以通過軸向對接部分7在正交于旋轉軸線的方向上進行控制來處理，因此可以防止渦輪軸4由于焊接而發生彎曲。
在下面將參考圖8的流程圖來表示將渦輪機葉輪1和渦輪軸4連接在一起的工藝。
在工序1中，在渦輪機葉輪1上進行接邊加工。在這里加工出可裝入軸向對接部分7的裝配孔3，并形成位于外周邊上的多個葉片2，從而基本完成渦輪機葉輪。
在工序2中，通過將不銹鋼材料制成軸，調整軸和頭部的外形，通過感應淬火使整體硬度達到要求，并對軸進行精拋光，從而制備渦輪軸4。
接下來在工序3中，對渦輪機葉輪1和渦輪軸4進行清理。
在完成清理后，在工序4中，通過電子束焊接將渦輪機葉輪1和渦輪軸4相互連接在一起。
在工序5中，在渦輪機葉輪1的輪蓋部分上進行精拋光。
接下來在工序6中對整個部件進行平衡，并且在工序7中對整個部件進行清理，完成整個工藝。
如上所述，根據此實施例，在焊接熔化的部分以外的部分設置了軸向對接部分7，因此可以防止渦輪軸4的軸向尺寸的變化。
另外，僅通過使軸向對接部分7和錐形周邊部分3d相互間形成緊密接觸，即，僅通過將插入部分6插入裝配孔3中而使渦輪機葉輪和渦輪軸4相互靠在一起，就可以引導渦輪機葉輪1和渦輪軸4形成同軸地設置，從而容易地保證了同軸性的精度。
另外，通過沿著軸向對接部分7設置具有固定直徑的插入部分6，可使軸向對接部分7和錐形周邊部分3d以非常穩定的方式相互緊密接觸，從而使渦輪軸4幾乎不會產生軸向偏差。
同時，由于設有軸向對接部分7，渦輪軸4的運動被限制在正交于軸向的方向上，因此可以有效防止在焊接時因熱量而導致渦輪軸4發生彎曲。
另外，在本實施例中還省去了在連接渦輪軸和渦輪機葉輪1后為調整渦輪軸的形狀而對其進行拋光的工序，從而減少了加工工作及難度。
盡管在上述實施例中是將渦輪軸和渦輪機葉輪相互連接在一起，然而無須說明同一技術也可用于連接渦輪軸和壓縮機葉輪。另外，對于連接的方式沒有特別的限制；可以采用除電子束焊接之外的其他焊接方式或一些其他的連接方式。實施例2盡管在實施例1中在插入部分6和裝配孔3的底部8之間存在間隙10，但也可以采用如圖5所示的在此處設有對接部分38的結構。
在圖5所示的實施例中，在裝配孔3的內周壁30上設有臺階部分31，該臺階部分31具有正交于渦輪軸4的旋轉軸線的表面32。位于臺階部分31的前端部分(圖中左手部分)為小直徑部分33。
渦輪軸4在其前端設有可插入小直徑部分33中的凸臺34，在凸臺34和渦輪軸4的外周邊部分35之間設有臺階部分36。臺階部分36的角部倒成平直部分37。
在這種方式下，當將渦輪機葉輪1和渦輪軸4相互連接在一起時，在裝配孔3的臺階部分31和渦輪軸4的臺階部分36相互緊靠處形成了對接部分38。當通過焊接將兩個部件相互連接時，在對接部分38外的部分被熔化，在此例中為位于對接部分38之后(圖5中右手側)的焊接部分39。因此，對接部分38沒有被熔化，其和錐形軸向對接部分7一起更可靠地有助于防止因渦輪軸4的軸向收縮而引起的尺寸變化。
渦輪軸4在其前端設有可插入小直徑部分33中的凸臺34，在凸臺34和渦輪軸4的外周邊部分35之間設有臺階部分36。臺階部分36的角部倒成平直部分37。
在這種方式下，當將渦輪機葉輪1和渦輪軸4相互連接在一起時，在裝配孔3的臺階部分31和渦輪軸4的臺階部分36相互緊靠處形成了對接部分38。當通過焊接將兩個部件相互連接時，在對接部分38以外的部分被熔化，在此例中為焊接部分39。因此可以防止因渦輪軸4的軸向收縮而引起的尺寸變化。
在這種情況下，為了同軸地設置渦輪機葉輪1和渦輪軸4，裝配孔3的內周壁30和渦輪軸4的外周壁35之間的間隙S應盡可能地小，渦輪軸4強迫性地插入裝配孔3中，從而可使軸和葉輪設置成同軸，且實際上不發生任何錯誤。
工業應用本發明可應用于內燃機的渦輪增壓器設備的制造，可提供具有提高的渦輪機葉輪和渦輪軸的連接精度的高質量的渦輪增壓器設備。
權利要求
1.一種用于將葉輪和渦輪軸連接在一起的渦輪增壓器的渦輪軸的連接方法，所述葉輪具有可插入所述渦輪軸的一個端部以進行固定的裝配孔，所述渦輪軸位于所述葉輪的旋轉軸線上，所述連接方法的特征在于所述葉輪的裝配孔的內周壁的至少一部分為錐形，使得從所述裝配孔的開口處向內其直徑減小；在與所述葉輪相連接的所述渦輪軸的一端設有能夠與所述錐形內周壁緊密接觸的錐形軸向對接部分，以及具有固定直徑的可插入所述裝配孔中的插入部分；和所述葉輪和所述渦輪軸相互連接并固定在一起，使得兩者在所述旋轉軸線上同軸。
2.根據權利要求1所述的渦輪增壓器的渦輪軸的連接方法，其特征在于，所述渦輪軸具有與形成有所述裝配孔的表面緊貼在一起并且在焊接時限制所述渦輪軸的軸向運動的對接部分。
3.根據權利要求1或2所述的渦輪增壓器的渦輪軸的連接方法，其特征在于，在所述渦輪軸的一端形成了具有固定直徑的所述插入部分；并設有與所述插入部分相連接的軸向對接部分，所述軸向對接部分為錐形，使得其直徑從所述插入部分處開始逐漸增大，所述插入部分和所述軸向對接部分設置成同軸。
4.根據權利要求1或2所述的渦輪增壓器的渦輪軸的連接方法，其特征在于，通過熔合所述渦輪軸上所述軸向對接部分以外的部分和所述葉輪的所述錐形內周壁，將所述葉輪和所述渦輪軸相互焊接在一起。
5.一種用于根據權利要求1至3中任一項所述的連接方法中的渦輪機葉輪，其特征在于，可插入所述渦輪軸的一個端部的所述裝配孔的所述內周壁的至少一部分為錐形，使得從所述裝配孔的開口處向內其直徑逐漸減小。
6.一種用于根據權利要求1至3中任一項所述的連接方法中的渦輪軸，其特征在于，在與所述渦輪機葉輪相連接的所述渦輪軸的一端設有能夠與所述渦輪機葉輪中裝配孔的錐形內周壁緊密接觸的錐形軸向對接部分，以及具有固定直徑的可插入所述裝配孔中的插入部分。
7.根據權利要求6所述的渦輪軸，其特征在于，在所述渦輪軸的一端形成具有固定直徑的所述插入部分；并設有與所述插入部分相連且直徑逐漸增大的錐形部分，所述插入部分和所述錐形部分設置成同軸。
8.一種用于將葉輪和渦輪軸連接在一起的渦輪增壓器的渦輪軸的連接方法，所述葉輪具有可插入所述渦輪軸的一個端部以進行固定的裝配孔，所述渦輪軸位于所述葉輪的旋轉軸線上，所述連接方法的特征在于在與所述葉輪相連接的所述渦輪軸的一端設有可插入所述裝配孔的具有固定直徑的插入部分；在所述插入部分處設有靠在形成有所述裝配孔的表面上并限制所述渦輪軸的軸向運動的對接部分，從而在焊接時限制所述渦輪軸的軸向運動。
全文摘要
公開了一種有助于提高葉輪和渦輪軸的連接精度的連接方法。在此連接方法中，葉輪1的裝配孔3的內周壁的至少一部分為錐形，使得從裝配孔的開口處向內其直徑逐漸變小；在與葉輪連接的渦輪軸4的一端設有能與錐形內周壁緊密接觸的錐形軸向對接部分7，以及可插入裝配孔3中的具有固定直徑的插入部分6，葉輪1和渦輪軸4相互連接并固定在一起，因而在旋轉軸線上設成同軸。在渦輪軸4上的除在焊接時用于熔合的部分11之外的部分上設有軸向對接部分7，從而可防止在熔化和收縮時渦輪軸4發生軸向尺寸的變化。軸向鄰接部分7為錐形，與之相接觸的裝配孔的內周壁也為錐形，從而使葉輪1和渦輪軸4之間形成緊密接觸，同時被引導而形成同軸。
文檔編號F16B3/00GK1461892SQ0212201
公開日2003年12月17日 申請日期2002年5月31日 優先權日2002年5月31日
發明者清水正三 申請人:有限會社清水渦輪技術