[发明专利]具有用于将叶轮连接到轴的连接器的涡轮增压器

说明书

技术领域

本发明涉及一种连接器，所述连接器用于将叶轮(impeller)连接到轴，并且具体地但不排他地用于将涡轮增压器的叶轮连接到涡轮增压器的轴。

背景技术

涡轮增压器叶轮通常由铝合金制成，以在商业可接受成本下提供具有适当的强度的低转动惯量。叶轮到钢制涡轮增压器的轴的附接通过多种方式实现。例如，由于铝的相对柔弱以及轴的小直径，一种选择是为叶轮设置钢制嵌件，所述嵌件包含能够被螺旋到轴上的螺纹插口。这种布置能够比轴直接螺旋进入铝制主体的连接承受更高的转矩(转矩与通过接头(joint)传递的力量(power)成比例，因此叶轮能够在比直接螺纹连接的情形中的压力比更高的压力比下使用)。

通常，这种嵌件通过冷缩配合被装配到叶轮中；叶轮的铝制主体被加热以使要容纳钢制嵌件的孔扩展，同时嵌件在被插入所述孔中之前被冷却，例如用液氮冷却。形成的过盈连接(interference connection)受到在铝的材料特性被影响之前铝能够被加热到的温度的限制，和钢能够被冷却到的温度的限制。

虽然所述的布置能够令人满意地执行，但在涡轮增压器从静止到满载的循环期间会出现问题。随着涡轮增压器开始旋转，接头受到离心力作用，由此铝背离钢制嵌件向外伸展。这降低了嵌件和叶轮之间的过盈力，并且由于设计的约束条件，已经发现该降低趋于在嵌件的一端处比在另一端处大。由此，嵌件在其端部之一处比在另一端部处被更牢固地夹持。然后涡轮增压器开始加热，并且由于铝合金和钢的不同热膨胀系数，铝比钢更大程度地轴向伸展，从而导致两种金属在叶轮仍牢固地夹持嵌件的位置之外的位置处彼此滑过。在停机时，离心应力消除，但热应力随涡轮增压器的冷却仍留存若干分钟。在该过程中，叶轮在嵌件上的夹持点从一端变化到另一端，并且随着涡轮增压器冷却，嵌件沿着叶轮“行走”。

在某些特有的周期性的条件(例如，高环境温度下的快速往复应用)下，已观察到嵌件能够沿着叶轮移动很远以使得可能发生涡轮增压器故障。虽然通过增大部件之间的起始过盈能够将该影响减轻至某种程度，但由于上述原因，该方案受到限制，并且因此期望实现一种设计，该设计确保在工作循环期间夹持点保持在同一位置处，而不是从嵌件的一端移位到另一端。

因此，EP1394387提出了一种外部钢制约束环，所述约束环加强了在铝制叶轮和嵌件之间的摩擦接触。由于随着涡轮增压器加热，所述环并不如所述叶轮主体一样程度地扩展，叶轮和嵌件之间的夹持点在涡轮增压器的整个工作循环期间保持在环的轴向范围内，由此阻止了叶轮沿着嵌件“行走”的趋势。因此，与无约束环的常规涡轮增压器相比，涡轮增压器的使用寿命能够明显地增大。

然而，这种接头的配置相对复杂。首先，所述嵌件和叶轮孔被制造为紧密度容限(tight tolerances)。其次，通常所述嵌件被冷却，所述叶轮被加热，并且所述嵌件被放置于叶轮孔内部，所述叶轮孔在所述叶轮的轮毂延伸部处。随着所述嵌件变热以及所述叶轮冷却，形成冷缩配合(shrink fit)接头。但是由于所述叶轮的非轴对称的形状，在所述叶轮内部出现一些变形。因此，通常叶轮轮毂延伸部的外表面必须重新研磨为轴对称的，以便使其适合具有约束环的外接头。然后另外的环可被冷缩(shrunk)在所述嵌件的法兰(flange)部上，以防止所述约束环脱离所述叶轮。

发明内容

将期望提供一种在叶轮和轴之间的连接，所述连接更容易安装，但是该连接又能够传递高转矩且能够阻止或降低任何叶轮“行走”的趋势。

因此，在第一方面中，本发明提供了用于将叶轮连接到轴的连接器，具体地用于将涡轮增压器的叶轮连接到涡轮增压器的轴，所述叶轮具有有中央凹处的轴侧(shaft-side)轮毂延伸部，并且所述叶轮由单独的材料构成，该材料具有比轴的材料更大的热膨胀系数，其中：

所述连接器插入所述凹槽中以将所述连接器的对外表面与所述轮毂延伸部的径向内表面摩擦地连接；

所述连接器具有带有螺纹的螺纹部，所述螺纹部被旋拧到所述轴的相应的螺纹部上，使得所述连接器在所述叶轮和所述轴之间提供旋转的固定连接；以及

所述连接器由热膨胀系数比所述轴的材料的热膨胀系数更大的材料构成。

通过由具有这种热膨胀系数的材料构成所述连接器，激励所述叶轮“行走”的差热力(differential thermal forces)可被减小，从而在维持所述接头的最大转矩的同时减小所述叶轮“行走”的任何趋势。另外，也可避免在装配所述连接器之后，所述轮毂延伸部的再次研磨，此时通常没有必要将EP1394387中描述的类型的约束环安装至所述轮毂延伸部。