CN101813098A - 一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，包括成扭矩传递关系的压气叶轮和转子轴，压气叶轮的进口端设有螺纹旋向与转子轴旋转方向相反的螺纹孔，压气叶轮出口端同轴设有直径大于螺纹孔顶径的定位孔；转子轴设有与压气叶轮螺纹孔相配合形成自锁连接的螺纹轴和与叶轮定位孔形成小过盈的定位轴，定位轴末端设有侧面与压气叶轮出口端端面紧密贴合的轴肩，压气叶轮螺纹孔与转子轴的螺纹轴的连接螺纹是三角形或梯形的单头、双头或三头螺纹；压气叶轮进口端面设有安装和校准动平衡的工艺孔。本发明的有益效果是，压气叶轮与转子轴连接牢固、扭矩传递可靠、安全裕度大、安装和拆卸不变形、加工简单、操作技能要求低、使用寿命长。
Description
技术领域 本发明涉及一种涡轮增压器转子部件，特别涉及一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构。
背景技术 涡轮增压器是在发动机排量不变的条件下提高汽油或柴油内燃机功率的一种附加装置，其利用内燃机排气道排出的废气驱动涡轮，涡轮通过转子轴带动压气叶轮旋转，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之压缩进入发动机汽缸，以通过增大空气密度而加大发动机汽缸的进气量，随后加大进油量，使发动机在不增大排量的条件下达到提高功率的目的。
目前，柴油机用涡轮增压器的转子部件支撑形式有外支撑和内支撑两种，外支撑转子是指转子轴的两轴承之间布置压气叶轮和涡轮，内支撑是指压气叶轮和涡轮悬伸在转子轴的两端，或者表述为两轴承布置在压气叶轮和涡轮之间。对于内支撑结构的涡轮增压器，通常叶轮中心采用通孔以与转子部件采取过盈配合连接，对于高压比的压气叶轮由于叶轮外径的线速度增加到叶轮若采用通孔结构形式，其轮背端孔口因为高转速产生的离心应力过大，叶轮可靠性和寿命急剧降低失去应用的可能。从有限元强度分析的结果只有采用螺纹连接的方式，其实施方式通常是在叶轮的轮背后附加一段半径较小的回转体，作为设置螺纹轮毂的实体，实现与转子部件的螺纹连接。因为采用轮背后螺纹连接的结构，布置上容易实现，且设计计算简单，叶轮最大应力的位置可以方便的调整和布置，从而可以设计出结构类似，尺寸不同的轮背结构和螺纹连接方式，但这种连接方式的不足之处是叶轮的轮背后附加一段结构使叶轮轴向尺寸增加，重量增加，转动惯量增大，叶轮加工去除的材料增加，制造成本增加。对于外支撑滚动轴承结构的涡轮增压器，压气叶轮与转子轴的连接主要有以下两种方式，一是在叶轮圆柱内孔设有键槽，转子轴的连接配合处布置键槽，配合凸出的键，叶轮和转子轴通过键和键槽的配合面传递叶轮工作需要的扭矩；二是叶轮内孔为光孔，在叶轮的进口端面上布置环状锥形的凹槽构成弹性槽结构，叶轮内孔与转子轴配合圆柱段采用过盈配合的连接方式，在装配时将叶轮加热膨胀后套在转子轴上，且在套装前对转子轴配合段进行喷砂处理形成粗糙毛面，以提高配合接触面的摩擦系数，达到叶轮与转子轴的扭矩传递目的，环状锥形凹槽使叶轮的进口端与转子轴形成弹性压紧，以改善接触应力的分布状态，提高叶轮的紧固的可靠性和使用寿命。而在内支撑结构的高增压涡轮增压器应用较普遍的叶轮与转子轴的螺纹连接方式在外支撑结构的增压器上没有采用，原因之一是外支撑转子轴的动力学特性对叶轮重量和重心位置比较敏感，同时受限于空间尺寸，叶轮轮背不能加布置螺纹的附加实体；其二是几十年的设计惯例，压气叶轮采用设计为弹性槽过盈配合的结构成为理所当然的行业“设计标准”；其三是螺纹连接是完全非线性的接触问题，有限元分析需要较高的理论基础和实践验证的经验积累。
随着柴油机技术的发展，其设计和制造水平也不断提高。特别是船用柴油机强化程度的不断提高，导致涡轮增压器的压气压力和转速也相应提高，叶轮内孔承受的拉伸应力不断增加。作为结构简单的键槽连接方式由于接触应力大，对应用该扭矩传递方式的涡轮增压器而言已经没有任何安全裕度。虽然采用带有进口端环状锥形凹槽弹性的扭矩传递结构，通过控制配合的过盈量对于使用要求提高的应用环境，叶轮紧固的可靠性是不会受到影响的，但这种结构叶轮需要经过加热才能安装和拆卸，对操作工人的技能要求高，在安装和拆卸过程中容易发生叶轮过烧而造成报废的情况，同时，加热会导致叶轮硬度下降，为防止叶轮在工作过程中疲劳寿命降低，叶轮必须具有足够硬度，因此，一般在安装、拆卸两到三次后，检查叶轮硬度达不到最低硬度要求，就需要对叶轮作报废处理，从而导致用户使用成本增加。
发明内容 本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种连接牢固、扭矩传递可靠、安全裕度大、安装和拆卸不变形、加工简单、操作技能要求低、制造成本低的涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，包括相互固定连接并形成扭矩传递关系的压气叶轮和转子轴，所述压气叶轮的进口端设有螺纹孔，螺纹孔的螺纹旋向与转子轴旋转方向相反，压气叶轮的出口端设有与进口端螺纹孔同轴线且直径大于螺纹孔顶径的定位孔；所述转子轴设有螺纹轴、定位轴，螺纹轴与压气叶轮的螺纹孔配合可在工作时形成自紧定连接，定位轴与压气叶轮的定位孔形成小过盈配合；所述转子轴还设有轴肩，轴肩位于定位轴末端，轴肩的侧面与压气叶轮出口端的端面紧密贴合。
在本发明中充分利用现代有限元强度分析手段和设计应用经验，解决了压气叶轮在高速旋转下进口端轮毂孔扩张和径向剪切应力轴向分布梯度较大的问题，从而可以突破性地在叶轮进口端设置螺纹，进而采用叶轮与转子轴以螺纹连接在一起的结构形式。
采用如上技术方案后，压气叶轮与转子轴由连接螺纹、转子轴的轴肩及叶轮的出口端面实现固定连接，压气叶轮的定位孔与转子轴定位轴的小过盈配合，实现压气叶轮与转子轴定心同轴的目的，其中，小过盈是指定位孔与定位轴的配合过盈量较小，满足不需对叶轮加热就可完成压气叶轮的装配和拆卸要求的情形；同时，由于压气叶轮与转子轴的连接螺纹方向与转子轴旋转方向相反，在涡轮增压器工作过程中，压气叶轮与转子轴的螺纹连接存在一种越来越紧的趋势。故其连接牢固、扭矩传递可靠、安装和拆卸不变形、加工方便、操作技能要求低、制造成本低；同时，因为叶轮安装和拆卸不需加热，不存在热膨胀问题，安装后叶轮没有冷却收缩后导致的轴向位置偏差，叶轮的实际子午间隙与设计值吻合度高、一致性好；另外，可以根据需要设计压气叶轮与转子轴的螺纹配合长度，达到叶轮及转子轴部件工作强度所需的足够的安全裕度和使用寿命。
优选的，压气叶轮进口端的端面上呈环状均布有8～16个设定直径和深度的工艺孔，工艺孔中或者紧密连接有平衡柱，平衡柱的尾端低于压气叶轮进口端的端面；工艺孔的数量、直径大小和深度的设置按照压气叶轮的尺寸规格、叶片数量、加工工艺水平确定，以提高对压气叶轮及转子部件动的动平衡校准工作效率为原则；工艺孔中是否连接有平衡柱，是根据压气叶轮及转子部件的动平衡校准情况而定，需要时，在其中一个工艺孔中连接一个或者多个平衡柱，否则，不需要平衡柱。工艺孔可以是光孔或螺纹孔，当工艺孔是光孔结构形式时，平衡柱与其采用过盈配合，平衡柱的材料与压气叶轮的材料的热膨胀系数接近，以确保在压气叶轮工作温度升高后，平衡柱与压气叶轮连接牢固；当工艺孔螺纹孔结构形式时，平衡柱为与之形成螺纹紧固连接的螺纹柱，螺纹连接拆装方便，利于在平衡校准时调换与平衡柱相配的工艺孔孔位；同时，设置工艺孔的另一作用是供装配和拆卸使用，工艺孔与压气叶轮的拧紧工具的扭矩传递销轴配合，工艺孔采用螺纹结构形式，可确保在装配或拆卸过程中，拧紧工具通过螺钉压紧在压气叶轮的进口端面上，螺钉代替扭矩传递销轴与工艺孔以螺纹配合方式连接，二者之间无相对运动，不会对工艺孔造成损伤而影响叶轮使用寿命；另外，在需要通过加重满足动平衡要求时，平衡柱与工艺孔以螺纹连接的方式实现，连接紧固、平衡柱在工艺孔的深度上的位置可调整，更容易实现精确的动平衡要求，而平衡柱的尾端低于压气叶轮进口端的端面使其端面外观平整，使用安全；实现装配或拆卸目的。
优选的，工艺孔为M6、M8、M10螺纹孔中的一种；所述平衡柱为与工艺孔相配合的螺纹柱；螺纹孔的直径过小，相匹配的平衡柱直径相应减小，其拧紧工具当然就小，必然带来操作不方便和拧紧不牢固的隐患；螺纹孔的直径过大，相匹配的平衡柱直径相应增大，其质量必然加大，难以达到动平衡校准的精准度要求。平衡柱的尾部拧紧结构与普通紧定螺钉的尾部结构一致，如适用于内六角扳手的内六角扳手孔、适用于梅花头改锥的十字沉头孔、适用于一字改锥的一字形开槽等；以满足加工简单、操作方便、拧紧力矩足够、拧紧牢固为原则。
优选的，工艺孔为M8的螺纹孔，数量为12个；可较好满足叶轮的装配拆卸力矩要求，确保工艺孔不被损坏，同时，满足平衡加平衡柱的配重方式要求，平衡柱与工艺孔连接牢固，可以较快实现动平衡校准。
优选的，压气叶轮螺纹孔与转子轴螺纹轴的连接螺纹是单头、双头或三头螺纹中的一种；连接螺纹的头数多少决定了安装和拆卸的速度，而对连接强度不产生影响，但螺旋升角和自紧性能会因此发生变化，只要满足其螺纹连接的自紧性能要求即可，故安装和拆卸快捷、工作效率高。
优选的，压气叶轮的螺纹孔与转子轴的螺纹轴的连接螺纹形式是标准三角形螺纹或者标准梯形螺纹中的一种；此两种螺纹形式属于常用的螺纹形式，加工刀具无特殊要求，并且既能满足力矩传递要求，也可确保自紧性能要求，其结构简单、加工方便、制造成本低。
优选的，压气叶轮的螺纹孔和定位孔之间连接有过渡孔，过渡孔的孔径大于定位孔孔径和螺纹孔底径，过渡孔与定位孔和螺纹孔之间呈圆滑过渡连接；过渡孔的设置利于改善压气叶轮的工作应力分布，过渡孔与定位孔和螺纹孔之间呈圆滑过渡连接，消除连接处的应力集中隐患，从而确保压气叶轮的工作寿命长。
本发明的有益效果是，压气叶轮与转子轴连接牢固、扭矩传递可靠、安全裕度大、安装和拆卸不变形、叶轮安装后无轴向位置偏差、叶轮的实际子午间隙一致性好、加工和装配简单、操作技能要求低、制造成本低、使用寿命长。
附图说明 图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的压气叶轮主视图；
图3是本发明的平衡柱结构示意图；
图4是本发明图3的俯视图；
图5是本发明现有技术中端面带环状锥形的凹槽弹性槽结构的压气叶轮，图中15为环状锥形的凹槽弹性槽。
具体实施方式 下面结合附图对本发明作进一步的说明：
实施例1参见图1、图2，一种用于FET-R涡轮增压器的压气叶轮与转子轴的连接结构，包括相互固定连接并形成扭矩传递关系的压气叶轮1和转子轴2，所述压气叶轮1的进口端设有螺纹孔11，螺纹孔11的螺纹旋向与转子轴2旋转方向相反，压气叶轮1的出口端设有与进口端螺纹孔11同轴线且直径大于螺纹孔11顶径的定位孔12；所述转子轴2设有螺纹轴21、定位轴22，螺纹轴21与压气叶轮1的螺纹孔11配合形成自紧连接，定位轴22与压气叶轮1的定位孔12形成小过盈配合；所述转子轴2还设有轴肩23，轴肩23位于定位轴22末端，轴肩23的侧面与压气叶轮1出口端的端面14紧密贴合。所述压气叶轮1螺纹孔11与转子轴2螺纹轴21的连接螺纹是标准三角形单头螺纹。所述压气叶轮1进口端的端面上环状均布12个螺纹直径为M8的工艺孔31，在一个或多个工艺孔31中由螺纹配合有平衡柱32(图中未示出)。
参见图3、图4，所述平衡柱32为螺纹柱，其尾端设有内六角扳手孔321。
针对实施例1，只需改变部分结构参数即可实现以下实施例2～6。
实施例2参见图1，所述压气叶轮1螺纹孔11与转子轴2螺纹轴21的连接螺纹是标准三角形双头螺纹。
本实施例的其余结构与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例3参见图1，所述压气叶轮1螺纹孔11与转子轴2螺纹轴21的连接螺纹是标准三角形三头螺纹。
本实施例的其余结构与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例4参见图1，所述工艺孔31为16个螺纹直径为M6的螺纹孔，在一个或多个工艺孔31中由螺纹配合有平衡柱32(图中未示出)。
本实施例的其余结构与实施例1、实施例2或实施例3相同，在此不再赘述。
实施例5参见图1，所述工艺孔31为8个螺纹直径为M10的螺纹孔工艺孔31在压气叶轮1进口端的端面上呈环状均布，在一个或多个工艺孔31中由螺纹配合有平衡柱32(图中未示出)。
本实施例的其余结构与实施例4相同，在此不再赘述。
实施例6参见图1，所述压气叶轮1螺纹孔11与转子轴2螺纹轴21的连接螺纹是标准梯形螺纹。
本实施例的其余结构与实施例1～5中任意一个实施例相同，在此不再赘述。
以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改是可行的，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。
Claims (7)
1.一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，包括相互固定连接并成扭矩传递关系的压气叶轮(1)和转子轴(2)，其特征在于：所述压气叶轮(1)的进口端设有螺纹孔(11)，螺纹孔(11)的螺纹旋向与转子轴(2)旋转方向相反，压气叶轮(1)的出口端轮背处设有与进口端螺纹孔(11)同轴线且直径大于螺纹孔(11)顶径的定位孔(12)；所述转子轴(2)设有螺纹轴(21)、定位轴(22)，螺纹轴(21)与压气叶轮(1)的螺纹孔(11)配合形成自紧连接，定位轴(22)与压气叶轮(1)的定位孔(12)形成小过盈配合；所述转子轴(2)还设有轴肩(23)，轴肩(23)位于定位轴(22)末端，轴肩(23)的侧面与压气叶轮(1)出口端轮背的端面(14)紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，其特征在于：所述压气叶轮(1)进口端的端面上呈环状均布有8～16个设定直径和深度的工艺孔(31)，工艺孔(31)中或者紧密连接有平衡柱(32)，平衡柱(32)的尾端低于压气叶轮(1)进口端端面。
3.根据权利要求2所述的一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，其特征在于：所述工艺孔(31)为M6、M8、M10螺纹孔中的一种；所述平衡柱(32)为与工艺孔(31)相配合的螺纹柱。
4.根据权利要求3所述的一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，其特征在于：所述工艺孔(31)为M8的螺纹孔，数量为12个。
5.根据权利要求1或2所述的一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，其特征在于：所述压气叶轮(1)螺纹孔(11)与转子轴(2)螺纹轴(21)的连接螺纹是单头、双头或者三头螺纹中的一种。
6.根据权利要求1或2所述的一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，其特征在于：所述压气叶轮(1)螺纹孔(11)与转子轴(2)螺纹轴(21)的连接螺纹形式是标准三角形螺纹或者标准梯形螺纹中的一种。
7.根据权利要求1或2所述的一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，其特征在于：所述压气叶轮(1)的螺纹孔(11)和定位孔(12)之间连接有过渡孔(13)，过渡孔(13)的孔径大于定位孔(12)孔径和螺纹孔(11)底径，过渡孔(13)与定位孔(12)和螺纹孔(11)呈圆滑过渡连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100825 |