CN103244194B - 一种涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法与连接结构 - Google Patents

一种涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法与连接结构 Download PDF

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本发明涉及一种涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法和连接结构，通过合理设计钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴的螺纹连接结构和工艺参数，进行钛铝涡轮叶轮内螺纹与配合端面以及42CrMo转轴外螺纹与配合端面的机械加工，采取对钛铝涡轮叶轮螺纹连接部位加热或对42CrMo转轴螺纹连接部位冷却的措施，实现钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴的螺纹装配，对连接在一起的涡轮转轴进行盲孔加工，并将弹性圆柱销装入盲孔中，在此基础上按照涡轮转轴的结构参数对已连接好的涡轮转轴进行其他部位的机械加工。本发明综合了螺纹连接和过盈连接这两种连接方式的优点，能够实现钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴之间的持久可靠连接，满足增压器涡轮叶轮与转轴的连接强度要求。

Description

一种涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法与连接结构
技术领域
本发明属于机械设计与制造技术领域，具体涉及一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法。
背景技术
涡轮转轴是涡轮增压器的核心零部件之一，通常由涡轮叶轮和转轴连接而成。目前车用柴油机增压器的涡轮叶轮普遍采用铸造镍基高温合金K418材料(材料密度为8.0×103kg/m3)，转轴采用42CrMo合金钢材料。对于由K418材料制造的增压器涡轮叶轮和42CrMo合金钢制造的转轴，可以采用摩擦焊接工艺实现涡轮叶轮与转轴的可靠连接，形成涡轮转轴。然而，由于K418材料密度较大，由K418材料制造的涡轮叶轮转动惯量也较大，导致废气涡轮增压发动机的瞬态响应性较差，特别是对于车用发动机。
为降低涡轮增压器转子的转动惯量、提高废气涡轮增压发动机的瞬态响应性、减少起动/加速时的冒黑烟现象和改善发动机低速性能，涡轮叶轮可以采用比强度较高的铸造钛铝合金材料。钛铝合金材料的密度仅为3.9×103kg/m3，同时钛铝合金材料又具有良好的高温性能和抗氧化性能，且弹性模量较大，用钛铝材料制造的增压器涡轮叶轮，能够显著降低涡轮增压器转子的转动惯量。但是由于钛铝合金材料属于金属间化合物，采用常规的焊接方法，很难实现钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴之间的可靠连接，不能够满足增压器涡轮叶轮与转轴的连接强度要求。
在钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴的连接方面，通过对国内外相关技术资料报道和专利的检索，查找到申请号分别为97125874.0和200810110548.6的两个发明专利，这两个专利提出采用机械过盈连接方法实现钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴的连接。但是，由于涡轮叶轮与转轴的连接部位工作温度较高，钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴之间的过盈连接强度会随着增压器使用时间的增加而下降，这种机械过盈连接方法难以保证钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴之间连接强度的长期稳定性。
发明内容
本发明针对现有技术中钛铝合金材料在增压器涡轮应用过程中面临的钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴的连接问题，提出一种钛铝增压器涡轮与转轴的螺纹过盈连接方法。该方法综合螺纹连接和过盈连接这两种连接方式的优点，通过合理设计钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴连接部位的结构和工艺参数，可实现钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴的持久可靠连接，满足钛铝增压器涡轮转轴的连接强度要求。
本发明的技术方案：
一种涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法，其中，转轴端部具有与涡轮叶轮端部螺纹连接的外螺纹部，所述涡轮叶轮端部具有与所述外螺纹部相对应的内螺纹部，转轴还具有一凸缘，该凸缘具有与所述涡轮叶轮端部相配合的配合端面，该方法包括以下步骤：
a、根据增压器的涡轮叶轮、转轴以及轴承体的结构参数，确定涡轮叶轮与转轴螺纹连接部分的结构参数，螺纹连接部位具有一定过盈量，从涡轮端看，螺纹旋向与转轴的转动方向相同，其中涡轮叶轮材料是钛铝合金，转轴材料是42CrMo合金；
b、涡轮叶轮内螺纹和所述涡轮叶轮端部的端面的机械加工；
c、转轴外螺纹和所述配合端面的机械加工；
d、涡轮叶轮和转轴的螺纹装配旋紧，形成涡轮转轴；
e、涡轮转轴的盲孔机械加工，对完成螺纹装配旋紧连接的涡轮转轴，在B端面进行盲孔加工，盲孔数为3-6个并均匀布置，孔盲孔深度要保证穿过转轴外缘并深入涡轮叶轮内部3-5mm，所述B端面为位于所述凸缘上、背向涡轮叶轮侧的端面；
f、弹性圆柱销与涡轮转轴盲孔的装配，将弹性圆柱销装入涡轮转轴的盲孔中，装配后的弹性圆柱销应不超出B端面；
g、按照涡轮转轴的结构参数，对已连接好的涡轮转轴进行其他部位的机械加工。
本发明的有益效果是：
钛铝增压器涡轮与转轴的螺纹过盈连接方法通过合理设计螺纹连接结构与工艺参数，解决了钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的连接问题，实现了钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴之间的持久可靠连接，能够满足钛铝涡轮叶轮与转轴连接的工程化应用需要。采用螺纹过盈连接方法既可以有效地保证涡轮叶轮与转轴的连接强度，又可以防止涡轮转轴工作受热时出现松动；同时，配合端面可以使涡轮叶轮与转轴的螺纹连接在装配过程中实现良好定位。通过对完成螺纹装配连接的涡轮转轴加工盲孔并放置弹性圆柱销，可以更好地防止涡轮叶轮与转轴之间发生相对运动，更加有效地保证涡轮转轴的连接强度，特别是对于转速波动较大和使用寿命较长的车用涡轮增压器。在完成钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴连接的基础上，根据涡轮转轴的结构参数进行其他部位的机械加工，可以更好地保证涡轮转轴的整体加工精度。该连接方法的工艺简单稳定，连接强度持久可靠，易于实现工程化。
附图说明
图1是钛铝涡轮叶轮和42CrMo转轴螺纹连接结构示意图。
1 钛铝涡轮叶轮 2 弹性圆柱销 3 42CrMo转轴
具体实施方式
一种涡轮叶轮与转轴连接结构，包括转轴和涡轮叶轮，所述转轴端部有螺纹，所述螺纹旋向与涡轮旋向相同，涡轮叶轮与转轴连接处有与转轴端部螺纹过盈配合的螺纹。
优选在转轴和涡轮叶轮上设置圆柱销孔，采用圆柱销固连涡轮叶轮和转轴。
优选圆柱销孔周向对称设置，数量为3-6个。
优选圆柱销孔穿透转轴，伸入涡轮叶轮3-5毫米。
一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法，包括以下步骤：
a、钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴螺纹连接结构设计：根据增压器涡轮叶轮和转轴以及轴承体的结构参数，确定钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴螺纹过盈连接部分的结构参数，螺纹旋向要与增压器转动方向(从涡轮端看)相同，螺纹连接部位要具有一定的过盈量，如图1所示。例如，涡轮叶轮直径为Φ95mm，轴承体涡轮端轴孔直径为Φ27mm，增压器转动方向为左旋(从涡轮端看)，钛铝涡轮叶轮螺纹连接尺寸参数为M12×1-H7H7-LH，42CrMo转轴螺纹连接尺寸参数为M12×1-p6p6-LH，螺纹长度不超过涡轮叶轮背盘端面，钛铝涡轮叶轮和42CrMo转轴的配合端面A的粗糙度为1.6，与轴线的垂直度为0.05；
b、钛铝涡轮叶轮内螺纹与配合端面的机械加工：按照步骤a确定的尺寸参数，对钛铝涡轮叶轮的螺纹连接部位和配合端面A进行加工；
c、42CrMo转轴外螺纹与配合端面的机械加工：按照步骤a确定的尺寸参数，对42CrMo转轴的螺纹连接部位和配合端面A进行加工；
d、钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴的装配：通过对钛铝涡轮叶轮的螺纹连接部位加热或者对42CrMo转轴的螺纹连接部位冷却，降低螺纹连接部位的相对过盈量，然后进行螺纹旋紧，将钛铝涡轮叶轮和42CrMo转轴连接在一起；
e、涡轮转轴盲孔的机械加工：如图1所示，对已连接的涡轮转轴在B端面进行盲孔加工，盲孔直径根据涡轮转轴的具体结构来确定，盲孔数为3-6个并均匀布置，盲孔深度要保证穿过42CrMo转轴外缘并深入涡轮叶轮内部3-5mm，
f、弹性圆柱销与涡轮转轴盲孔的装配：如图1所示，根据盲孔直径选取合适的弹性圆柱销，并将弹性圆柱销装入涡轮转轴的盲孔中，装配后的弹性圆柱销应不超出B端面，
g、涡轮转轴其他部位的机械加工：按照涡轮转轴的结构参数要求，对已连接好的涡轮转轴进行其他部位的机械加工。
优选涡轮叶轮螺纹连接尺寸参数为M12×1-H7H7-LH，42CrMo转轴螺纹连接尺寸参数为M12×1-p6p6-LH。

Claims (3)

1.一种涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法，其中，转轴端部具有与涡轮叶轮端部螺纹连接的外螺纹部，所述涡轮叶轮端部具有与所述外螺纹部相对应的内螺纹部，转轴还具有一凸缘，该凸缘具有与所述涡轮叶轮端部相配合的配合端面，该方法包括以下步骤：
a、根据增压器的涡轮叶轮、转轴以及轴承体的结构参数，确定涡轮叶轮与转轴螺纹连接部分的结构参数，螺纹连接部位具有一定过盈量，从涡轮端看，螺纹旋向与转轴的转动方向相同，其中涡轮叶轮材料是钛铝合金，转轴材料是42CrMo合金；
b、涡轮叶轮内螺纹和所述涡轮叶轮端部的端面的机械加工；
c、转轴外螺纹和所述配合端面的机械加工；
d、涡轮叶轮和转轴的螺纹装配旋紧，形成涡轮转轴；
e、涡轮转轴的盲孔机械加工，对完成螺纹装配旋紧连接的涡轮转轴，在B端面进行盲孔加工，盲孔数为3-6个并均匀布置，孔盲孔深度要保证穿过转轴外缘并深入涡轮叶轮内部3-5mm，所述B端面为位于所述凸缘上、背向涡轮叶轮侧的端面；
f、弹性圆柱销与涡轮转轴盲孔的装配，将弹性圆柱销装入涡轮转轴的盲孔中，装配后的弹性圆柱销应不超出B端面；
g、按照涡轮转轴的结构参数，对已连接好的涡轮转轴进行其他部位的机械加工。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法，其特征在于：所述涡轮叶轮螺纹连接尺寸参数为M12×1-H7H7-LH，转轴螺纹连接尺寸参数为M12×1-p6p6-LH。
3.一种根据权利要求1所述的涡轮叶轮与转轴的螺纹过盈连接方法形成的涡轮叶轮与转轴螺纹过盈连接结构，其特征在于，涡轮叶轮与转轴连接处有与转轴端部螺纹过盈配合的螺纹。
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