CN103321685A - 钛铝涡轮叶轮与转轴的通孔连接方法与连接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构和连接方法,连接结构包括转轴、钛铝涡轮叶轮和轴端锁紧螺母,所述钛铝涡轮叶轮心部有通孔,转轴端部有螺纹,螺纹旋向从涡轮端看与涡轮转轴工作时转动方向相同,螺纹下部是转轴连接部,转轴连接部穿过涡轮叶轮通孔,转轴连接部与涡轮叶轮通孔为过渡配合或间隙配合,轴端锁紧螺母安装在转轴端部的螺纹上。本发明针对钛铝涡轮叶轮与转轴的连接问题,采用通孔连接与螺纹锁紧结构,能够实现钛铝涡轮叶轮与42CrMo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;同时具有结构简单、易于加工等特点。

Description

钛铝涡轮叶轮与转轴的通孔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通孔连接方法与连接结构。
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材料制造的增压器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,增压器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,进而提高增压发动机的瞬态响应性。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,通过对国内外有关学术论文、专利等文献资料的检索,共查找到2个相关的发明专利。其中,专利号为97125874.0和200810110548.6的这两个专利提出直接采用机械过盈连接方法实现钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴之间的连接。由于车用增压器涡轮叶轮与转轴连接部位的工作温度较高,且增压器工作转速波动较大,直接采用机械过盈连接的方法将难以有效地保证钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴连接强度的长期稳定性;采用过盈螺纹和销钉防松动相结合的连接方法,虽然可以实现涡轮转轴的可靠连接,但是由于需要加工销钉孔和放置销钉,其工艺较为复杂,而且加大了涡轮转轴的动平衡难度;采用双圆弧自锁过盈螺纹连接的方法同样也可以实现钛铝涡轮叶轮与转轴之间的可靠连接,但是双圆弧自锁过盈螺纹的加工精度要求高,且需要专用的加工设备,装配时需要采取加热措施,加工和装配均存在一定的难度。
发明内容
本发明针对目前钛铝合金材料在车用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叶轮与转轴的通孔连接方法与连接结构。
本发明的技术方案:
一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构,包括转轴、钛铝涡轮叶轮和轴端锁紧螺母,所述钛铝涡轮叶轮心部有通孔,转轴端部有螺纹,螺纹旋向从涡轮端看与涡轮转轴工作时转动方向相同,螺纹下部是转轴连接部,转轴连接部穿过涡轮叶轮通孔,转轴连接部与涡轮叶轮通孔为过渡配合或间隙配合,轴端锁紧螺母安装在转轴端部的螺纹上。
一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接方法,包括以下步骤:
a、钛铝涡轮叶轮与转轴的通孔连接与轴端螺纹锁紧结构设计,根据钛铝涡轮叶轮和转轴的结构参数以及涡轮材料与转轴材料的热膨胀系数,确定涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构尺寸参数,转轴与涡轮叶轮通孔之间为过渡配合或间隙配合,根据涡轮叶轮材料与转轴材料以及涡轮转轴工作时承受的最大工作扭矩和最高温度,确定轴端螺纹锁紧结构尺寸参数,从涡轮端看,螺纹旋向要与增压器转轴的转动方向相同;
b、钛铝涡轮叶轮内孔与配合端面的机械加工;
c、42CrMo转轴通孔连接部位、螺纹连接部位、配合端面的机械加工;
d、涡轮转轴锁紧螺母的机械加工;
e、钛铝涡轮叶轮、转轴以及锁紧螺母的装配,轴端锁紧螺母的拧紧力矩要大于涡轮转轴的最大工作扭矩和压气机端锁紧螺母的拧紧力矩;
f、已完成装配涡轮转轴的其他部位机械加工。
本发明的有益效果是:
钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构,通过合理设计通孔连接结构尺寸参数,解决了钛铝增压器涡轮叶轮与42CrMo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,能够满足钛铝增压器涡轮叶轮与转轴连接的工程化应用需要。采用通孔连接方法既可以有效地保证涡轮叶轮与转轴的连接强度,又能够显著降低钛铝涡轮叶轮和转轴的机械加工和装配工艺难度。转轴与涡轮叶轮通孔之间采用过渡配合或间隙配合,可以避免在涡轮叶轮通孔部位产生附加应力,降低涡轮的心部应力。在轴端采用耐高温均质螺母进行锁紧,可以防止涡轮叶轮与转轴之间发生相对运动。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,可以有效地保证涡轮转轴的整体加工精度。该连接方法结构简单、工艺稳定,连接强度持久可靠,易于实现大批量制造。
附图说明
图1是钛铝涡轮叶轮和42CrMo转轴通孔连接结构示意图。
1 42CrMo转轴  2 钛铝涡轮叶轮  3 锁紧螺母
具体实施方式
一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构,包括钛铝涡轮叶轮、转轴、耐高温均质锁紧螺母,所述转轴与钛铝涡轮叶轮通过通孔连接,钛铝涡轮叶轮心部有通孔,转轴与涡轮叶轮通孔之间为过渡配合或间隙配合,转轴的涡轮端部有螺纹,螺纹旋向从涡轮端看与涡轮转轴工作时的转动方向相同,涡轮转轴通过耐高温均质螺母在涡轮端进行锁紧。
为增大叶轮与转轴连接的可靠性,优选转轴端部螺纹深入涡轮叶轮通孔中3-5个螺距,可以使锁紧螺母与转轴更加紧密得夹紧涡轮叶轮,保证涡轮叶轮和转轴连接的可靠性。
一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接方法,包括以下步骤:
a、钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴通孔连接与螺纹锁紧结构设计:根据钛铝涡轮叶轮和转轴的结构参数以及涡轮材料与转轴材料的热膨胀系数,确定涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构尺寸,转轴与涡轮叶轮通孔之间为过渡配合或间隙配合,根据涡轮叶轮材料与转轴材料以及涡轮转轴承受的最大工作扭矩和最高工作温度,确定轴端螺纹锁紧结构的尺寸参数,从涡轮端看螺纹旋向与转轴的转动方向相同;例如,钛铝涡轮叶轮直径为Φ95mm,转轴在浮环轴承处的直径为Φ14.3mm,从涡轮端看涡轮工作时的转动方向为左旋,选择的钛铝涡轮叶轮与42CrMo转轴通孔连接与螺纹锁紧结构参数为:钛铝涡轮叶轮通孔连接尺寸参数为
Figure BSA0000092495960000041
转轴与通孔连接部位的尺寸参数为转轴的螺纹段尺寸参数为M10×1-3h4h-LH,转轴螺纹段深入涡轮叶轮孔中4mm,锁紧螺母的尺寸参数为M10×1-4H-LH,涡轮叶轮和转轴的配合端面A的粗糙度为1.6,端面A与轴线的垂直度为0.05,涡轮叶轮和锁紧螺母的配合端面B的粗糙度为1.6,端面B与轴线的垂直度为0.05;
b、钛铝涡轮叶轮通孔与配合端面的机械加工:按照步骤a确定的尺寸参数,对钛铝涡轮叶轮的通孔以及配合端面A和B进行加工;
c、42CrMo转轴与通孔连接部分、外螺纹以及配合端面A的机械加工:按照步骤a确定的尺寸参数,对转轴与通孔的连接部位、配合端面A进行加工;
d、耐高温均质锁紧螺母的机械加工:按照步骤a确定的尺寸参数,对锁紧螺母进行加工;
e、钛铝涡轮叶轮、42CrMo合金转轴以及螺母的装配:按照步骤a确定的结构,对钛铝涡轮叶轮、42CrMo合金转轴以及螺母进行装配,轴端锁紧螺母的拧紧力矩大于涡轮转轴的最大工作扭矩和压气机端锁紧螺母的拧紧力矩;
f、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,对已连接好的钛铝涡轮转轴进行其他部位的机械加工;
对于钛铝涡轮叶轮直径为Φ95mm、转轴在浮环轴承处直径为Φ14.3mm、从涡轮端看转动方向为左旋的涡轮增压器,优选钛铝涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构参数为:钛铝涡轮叶轮通孔尺寸参数为
Figure BSA0000092495960000051
42CrMo转轴与通孔的连接尺寸参数为
Figure BSA0000092495960000052
转轴螺纹连接的尺寸参数为M10×1-3h4h-LH,锁紧螺母的尺寸参数为M10×1-4H-LH,转轴端部螺纹深入涡轮叶轮通孔中4mm,涡轮叶轮和转轴配合端面A的粗糙度为1.6,端面A与轴线的垂直度为0.05,涡轮叶轮和锁紧螺母配合端面B的粗糙度为1.6,端面B与轴线的垂直度为0.05。

Claims (4)

1.一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构,包括转轴、钛铝涡轮叶轮和轴端锁紧螺母,其特征在于:所述钛铝涡轮叶轮心部有通孔,转轴端部有螺纹,螺纹旋向从涡轮端看与涡轮转轴工作时转动方向相同,螺纹下部是转轴连接部,转轴连接部穿过涡轮叶轮通孔,转轴连接部与涡轮叶轮通孔为过渡配合或间隙配合,轴端锁紧螺母安装在转轴端部的螺纹上。
2.根据权利要求1所述的钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构,其特征在于:转轴端部螺纹深入涡轮叶轮通孔中3-5个螺距。
3.一种钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接方法,包括以下步骤:
a、钛铝涡轮叶轮与转轴的通孔连接与轴端螺纹锁紧结构设计,根据钛铝涡轮叶轮和转轴的结构参数以及涡轮材料与转轴材料的热膨胀系数,确定涡轮叶轮与转轴的通孔连接结构尺寸参数,转轴与涡轮叶轮通孔之间为过渡配合或间隙配合,根据涡轮叶轮材料与转轴材料以及涡轮转轴工作时承受的最大工作扭矩和最高温度,确定轴端螺纹锁紧结构尺寸参数,从涡轮端看,螺纹旋向要与增压器转轴的转动方向相同;
b、钛铝涡轮叶轮内孔与配合端面的机械加工;
c、42CrMo转轴通孔连接部位、螺纹连接部位、配合端面的机械加工;
d、涡轮转轴锁紧螺母的机械加工;
e、钛铝涡轮叶轮、转轴以及锁紧螺母的装配,轴端锁紧螺母的拧紧力矩要大于涡轮转轴的最大工作扭矩和压气机端锁紧螺母的拧紧力矩;
f、已完成装配涡轮转轴的其他部位机械加工。
4.根据权利要求3所述的钛铝增压器涡轮叶轮与转轴的通孔连接方法,其特征在于:涡轮叶轮和转轴的配合端面的粗糙度为1.6,涡轮叶轮和转轴的配合端面与轴线的垂直度为0.05,涡轮叶轮和锁紧螺母的配合端面的粗糙度为1.6,涡轮叶轮和锁紧螺母的配合端面与轴线的垂直度为0.05。
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