涡轮增压器轴系结构及振动抑制方法与流程

本发明涉及涡轮增压器，特别是一种涡轮增压器轴系结构及振动抑制方法。

背景技术：

1、涡轮增压器是提高内燃机功率密度、降低燃油消耗的核心部件，其轴系的高速旋转稳定性直接决定了增压器的性能与可靠性。轴系的运动轨迹控制及临界转速的合理设定，是避免转子振动、防止断轴的关键技术指标。

2、目前主流的涡轮增压器轴系通常采用浮动轴承配合止推轴承的结构形式，其结构包括转轴、涡端浮动轴承、压端浮动轴承、中间体、止推轴承及轴承端盖等。该类传统结构在实际应用中存在以下显著的局限性：

3、1.轴心运动轨迹难以控制：浮动轴承本质上是一种流体动压润滑轴承，转子在轴承内孔中存在较大的径向游隙。在高速运转及变工况条件下，转子轴心容易产生大幅度的漂移和晃动，导致轴系振动加剧，难以满足高精度旋转的要求。

4、2.临界转速设计不合理：现有轴系通常缺乏有效的弹性阻尼支撑结构，导致轴系的弯曲刚度较高，临界转速往往落在增压器的工作转速区间（即“硬支撑”模式）。当转子转速接近临界转速时，系统会发生剧烈共振，极大地增加了轴系疲劳断裂的风险，限制了增压器向更高转速发展。

5、3.无法适应动力输出需求：传统增压器轴系仅负责驱动压气机叶轮，其叶轮端（压端）缺乏可靠的轴向定位和功率输出接口。由于浮动轴承的轴向承载能力弱且轴系轴向窜动量大，无法在压端连接发电机等负载进行动力输出，限制了涡轮增压技术在余能回收（如电动增压、发电）等领域的拓展应用。

6、尽管现有技术中已有部分改进方案，例如专利cn200910124264.7等，但其改进重点多集中于优化润滑油路或止推结构，仍未同时解决上述关于运动轨迹控制、临界转速规避及动力输出适配性的问题。因此，亟需一种新型增压器轴系，以解决现有技术的上述痛点。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种涡轮增压器轴系结构及振动抑制方法，其通过引入角接触球轴承、预紧波簧及弹性环的组合结构，显著提升了轴系的高速运转稳定性和动力输出能力，它解决了现有浮动轴承支撑模式下转子轴心运动轨迹范围大、轴系临界转速偏高且与工作转速重合易引发共振、以及压端缺乏刚性轴向定位导致无法进行高速动力输出的问题。

2、本发明的技术方案是：涡轮增压器轴系结构，包括主轴、涡轮、轴承内圈相关组件、叶轮、支持壳体组件、轴承外圈相关组件和轴系振动减缓组件；

3、主轴两端分别为涡端和压端，主轴从压端向涡端设有轴径依次递增的叶轮安装段、中间段和涡轮连接段，中间段与涡轮连接段之间设有环形台阶面a；

4、涡轮固接在主轴涡轮连接段的端面上；

5、轴承内圈相关组件包括套装在主轴中间段上并从主轴压端向涡端依次紧邻设置的压端密封轴套、角接触球轴承b、轴承间轴套和角接触球轴承a；角接触球轴承a和角接触球轴承b的内圈分别与主轴中间段相对固定；

6、叶轮套装在主轴的叶轮安装段上，其靠近压端的一侧端面被定位，其靠近涡端一侧端面与压端密封轴套相抵，进而使压端密封轴套-角接触球轴承b-轴承间轴套-角接触球轴承a依次紧贴并压紧在主轴环形台阶面a上；

7、支持壳体组件包括轴承体、涡端端盖和压端端盖；轴承体内部设有贯通其两端面的安装通道，安装通道中设有波簧抵持面a和波簧抵持面b，安装通道将轴承内圈相关组件和轴承外圈相关组件容纳在内，轴承体朝向叶轮一侧的端面为压端端面，轴承体朝向涡轮一侧的端面为涡端端面；涡端端盖的内孔密封转动安装在主轴涡轮连接段上，并与轴承体涡端端盖固定连接；压端端盖的内孔密封转动安装在压端密封轴套上，并与轴承体压端端面固定连接；

8、轴承外圈相关组件包括轴承外套环a、轴承外套环b、波簧a和波簧b；轴承外套环a与涡端端盖锁定为一体，轴承外套环b与压端端盖锁定为一体；轴承外套环a固定套装在角接触球轴承a的外圈上，并与角接触球轴承a的外圈端面相抵；轴承外套环b固定套装在角接触球轴承b的外圈上，并与角接触球轴承b的外圈端面相抵；波簧a和波簧b均套装在轴承间轴套上；波簧a压缩设置在波簧抵持面a与轴承外套环a端面之间，其为角接触球轴承a提供预紧力；波簧b压缩设置在波簧抵持面b与轴承外套环b的端面之间，其为角接触球轴承b提供预紧力；

9、轴系振动减缓组件包括涡端弹性环和压端弹性环；涡端弹性环安装在轴承外套环a外圆面与安装通道内壁之间，并被周向和轴向定位，其与安装通道内壁之间相对固定；压端弹性环安装在轴承外套环b外圆面与安装通道内壁之间，并被轴向和周向定位，其与安装通道内壁之间相对固定。

10、本发明进一步的技术方案是：涡端弹性环和压端弹性环的结构完全一致；两者材质均为弹簧钢，两者均为一体成型的圆环形构件；两者均包括圆环本体，圆环本体外圆面上呈环形均布设有多个外弧凸条，圆环本体内孔壁上呈环形均布设有多个内弧凸条，外弧凸条和内弧凸条的长度方向均平行于圆环本体的轴向方向；所有外弧凸条和所有内弧凸条均错位布置；定义外弧凸条长度方向两侧边之间的凸弧面为外工作面，定义内弧凸条长度方向两侧边之间的凹弧面为内工作面；所有的外工作面共环形面a，所有的内工作面共环形面b，环形面a、环形面b、圆环本体外圆面和圆环本体内孔壁共轴心线；圆环本体装配后，所有的外工作面同时与轴承体安装通道内壁紧密接触，所有的内工作面同时与轴承外套环a外圆面或轴承外套环b外圆面形成间隙配合。

11、本发明再进一步的技术方案是：圆环本体上设有销孔a；与此相应的，轴承外套环a或轴承外套环b上设有与销孔a位置对应的销孔x；圆环本体装配后，通过锁定销穿过销孔a和销孔x，即将圆环本体与轴承外套环a锁定为一体，或将圆环本体与轴承外套环b锁定为一体，从而限制圆环本体的周向运动。

12、本发明更进一步的技术方案是：外弧凸条和内弧凸条的数量分别为4-8个，并且外弧凸条的数量与内弧凸条的数量一致；外弧凸条的外工作面占圆心角α，内弧凸条的内工作面占圆心角β，α的取值范围为5-15°，β的取值范围为5-15°，任意相邻的圆心角α与圆心角β之间的间隔圆心角γ均相同；在圆环本体的完整圆周角度内，所有的圆心角α与所有的圆心角β互不重叠，以使圆心角α和圆心角β在一个完整圆周角度内交替布置。

13、本发明更进一步的技术方案是：外弧凸条长度方向的两侧边沿与圆环本体外圆面之间均通过圆弧斜坡a平滑过渡，内弧凸条长度方向的两侧边沿与圆环本体内孔壁之间均通过圆弧斜坡b平滑过渡；外弧凸条长度方向的两端边沿与圆环本体端面之间均设有用于平缓过渡的外倒角面，内弧凸条长度方向的两端边沿与圆环本体端面之间均设有用于平缓过渡的内倒角面。

14、本发明更进一步的技术方案是：定义圆环本体外圆半径与圆环本体内孔半径之差为圆环本体的厚度s1，s1的取值范围为1-1.5mm；定义环形面a半径与圆环本体外圆半径之差为外弧凸条的厚度s2，s2的取值范围为0.13-0.2倍的s1；定义圆环本体内孔半径与环形面b半径之差为内弧凸条的厚度s3，s3的取值范围为0.13-0.2倍的s1。

15、本发明更进一步的技术方案是：所述主轴与所述轴承间轴套对应的区段设有装配工艺段，该装配工艺段包括缩径段和设于缩径段两端的锥形过渡段，两锥形过渡段用于将缩径段与中间段的标准外径区段平滑衔接。

16、本发明更进一步的技术方案是：波簧b初始装配压缩量多于波簧a初始装配压缩量，以使角接触球轴承a和角接触球轴承b均能维持受控的正预紧状态。

17、本发明更进一步的技术方案是：轴承外套环a和轴承外套环b的内孔中分别设有外圈定位面a和外圈定位面b；轴承外套环a通过外圈定位面a与角接触球轴承a的外圈端面相抵；轴承外套环b通过外圈定位面b与角接触球轴承b的外圈端面相抵。

18、本发明更进一步的技术方案是：主轴叶轮安装段的端面上通过轴系锁紧螺钉固定连接有联轴器花键套，联轴器花键套的外圆面上设有叶轮定位面，联轴器花键套内部设有贯通其两端面的阶梯形螺栓孔，阶梯形螺栓孔包括相对远离主轴的第一孔段和相对靠近主轴的第二孔段，第一孔段中设有用于动力输出的内花键；主轴叶轮安装段的端面上设有与阶梯形螺栓孔对应的内螺纹孔，轴系锁紧螺钉穿过阶梯形螺栓孔拧入所述内螺纹孔中，从而将联轴器花键套轴向固定，并将叶轮-压端密封轴套-角接触球轴承b-轴承间轴套-角接触球轴承a依次压紧在主轴环形台阶面a上，同时通过轴承外套环a和轴承外套环b分别维持波簧a和波簧b的预紧力。

19、本发明的技术方案是：一种涡轮增压器轴系振动抑制方法，基于上述的涡轮增压器轴系结构，方法如下：

20、s1.动态受力与挤压：当主轴高速旋转产生不平衡离心力或受气流脉动冲击时，力传递至轴承外套环a和轴承外套环b，通过所述轴承外套环a向外挤压所述涡端弹性环，并通过所述轴承外套环b向外挤压所述压端弹性环；其中，轴承外套环a外圆面与轴承体安装通道内壁之间的径向间隙大于涡端弹性环的最大设计变形量，轴承外套环b外圆面与轴承体安装通道内壁之间的径向间隙大于压端弹性环的最大设计变形量，保证弹性环受载变形时，轴承外套环不与轴承体发生刚性接触，维持减振环的柔性耗能机制；

21、s2.弹性阻尼耗能：利用所述涡端弹性环和压端弹性环各自的圆环本体及其上的外弧凸条和内弧凸条发生可控弹性变形，通过外弧凸条与内弧凸条的错位布置，诱导圆环本体发生弯曲及凸条剪切扭转变形，吸收并阻尼振动能量；

22、s3.刚度调控与避震：通过所述涡端弹性环和压端弹性环的柔性变形特性，降低主轴支撑点的等效弯曲刚度，从而将主轴的临界转速调整至工作转速范围外，消除主轴在全部工作转速区间内的共振风险。

23、本发明与现有技术相比具有如下优点：

24、1.实现轴心轨迹精准控制：相较于传统浮动轴承的大游隙特性，其采用一对背靠背布置的角接触球轴承，并通过预紧波簧施加精确预紧力，极大地提高了轴系的旋转精度和刚性。该结构有效地限制了主轴的径向位移和轴向窜动量（整体窜动量在0.2mm以内），显著缩小了轴心的运动轨迹范围，从而大幅降低了高速运转下的振动幅度。

25、2.降低临界转速规避共振：其创新性地引入了弹性环结构。弹性环介于轴承外套环与轴承体之间，形成了“柔性支撑”。弹性环的介入降低了轴系的弯曲刚度，调整了主轴的临界转速，使其位于增压器的工作转速范围外。这一设计巧妙地避开了共振区，消除了高速工作转速下的共振风险，保证了轴系运行的平稳性。

26、3.增强动力输出承载性能：其通过在压端设置高刚性的角接触球轴承组合及专用的联轴器花键套，提供了优异的轴向和径向定位能力。一方面，波簧的预紧力消除了轴承内部的轴向游隙；另一方面，优化的轴向定位结构（如轴承间轴套的定位）确保了叶轮端的轴向刚性。这使得轴系能够承受输出端带来的附加轴向力和径向力，实现了与发电机等负载的稳定连接，拓展了涡轮增压器的功能边界。

27、4.优化装配工艺运行可靠性：其在主轴上增设了装配工艺段（含缩径段），解决了长轴系热装轴承时的推入困难问题；并通过差异化设置压端与涡端波簧的初始压缩量（压端预紧力大于涡端），有效抵消了运行中因热膨胀和气动载荷引起的预紧力损失，保证了全工况下的轴承刚度，进一步抑制了微动磨损，延长了使用寿命。

28、本发明中的轴系振动减缓组件具有如下优点：

29、1.宽频减振效果优异：利用圆环本体上错位布置的外弧凸条和内弧凸条，在受载时能够同时激发薄壁本体的弯曲变形和凸条的扭转变形，通过多维度的弹性形变耗散能量，大幅拓宽了减振频带，显著抑制共振峰值。

30、2.刚位耦合特性优良：通过限定外弧凸条厚度s2、内弧凸条厚度s3均控制在圆环本体厚度s1的0.13-0.2倍范围内，实现了“外硬内软”的力学特性。外弧凸条与轴承体过盈配合提供了定位刚度，限制了转子轴心轨迹的发散，提升了转子轴的稳定性；内弧凸条与外套环间隙配合提供了径向动刚度，二者协同实现了“精定位”与“软支撑”的兼容。

31、3.抗疲劳性能卓越：通过在凸条侧边设置圆弧斜坡（a/b）及端部设置倒角面（外/内），有效优化了力流传递路径，消除了截面突变处的应力集中现象。配合弹簧钢材质及合理的壁厚设计，显著提升了圆环本体在高频交变载荷下的抗疲劳寿命，避免了早期脆性断裂的风险。

32、4.装配稳定性高：借助锁定销将圆环本体与轴承外套环a或b周向固定，防止了工作过程中的相对转动和微动磨损，确保了轴系动力学模型的一致性和长期运行的可靠性。

33、以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。