CN104405449A - 一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构与连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构与连接方法，所述涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构包括涡轮和转轴，所述涡轮上有内锥螺纹，所述涡轮的内锥螺纹旋向与涡轮转轴转动方向相同，所述涡轮的内锥螺纹孔底部有锥螺纹过盈旋紧预留环槽；所述转轴的一端有与涡轮内锥螺纹配合的外锥螺纹，所述转轴的外锥螺纹小端螺纹顶径与涡轮内锥螺纹小端的螺纹底径相等；所述涡轮和转轴采用加热涡轮内锥螺纹部位或冷却转轴外锥螺纹部位的方法，通过螺纹连接部位的锥螺纹过盈装配将涡轮与转轴连接在一起形成完整的涡轮转轴。该连接结构与连接方法能实现增压器涡轮与转轴的可靠连接，并有利于提高涡轮转轴的可靠性与寿命。
Description
技术领域
本发明属于涡轮增压技术领域，具体涉及一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构与连接方法。
背景技术
涡轮转轴是涡轮增压器的核心零部件之一，由涡轮和转轴连接而成。由于涡轮转轴在工作过程中高速旋转，涡轮转轴的连接强度直接影响着涡轮增压器的可靠性与使用寿命。目前，增压器涡轮普遍采用铸造镍基高温合金K418，转轴采用42CrMo合金钢材料。对于由K418合金制造的涡轮和42CrMo合金钢制造的转轴，可以采用摩擦焊、电子束焊等实现涡轮转轴的可靠连接。
近年来，为提高涡轮增压发动机的瞬态响应性，增压器涡轮可以采用密度较小、比强度较高的钛铝合金材料制造；此外，为提高增压器涡轮的最高允许工作温度同时降低涡轮的转动惯量，涡轮也可以采用陶瓷材料制造。对于由钛铝合金或陶瓷材料制造的增压器涡轮，很难采用常规的焊接方法，实现钛铝合金涡轮或陶瓷涡轮与42CrMo合金钢转轴之间的可靠连接，不能够满足增压器涡轮转轴的连接强度要求。
在增压器涡轮转轴连接方面，专利号分别为97125874.0和200810110548.6的两个专利公开了一种采用机械过盈连接方法实现钛铝合金涡轮与42CrMo合金转轴连接的技术途径。专利号为201310166758.8的专利公开了一种采用过盈螺纹和销钉防松动相结合的涡轮叶轮与转轴连接方法与连接结构，该连接方法与连接结构可以实现涡轮转轴的可靠连接，但是存在涡轮叶轮与转轴螺纹连接过盈量难以保证以及销钉孔加工难度大、成本高的问题。专利号为201310294220.5的专利公开了一种钛铝涡轮叶轮与转轴的通孔连接方法与连接结构，该连接方法与连接结构可以实现涡轮转轴的可靠连接，但是钛铝涡轮叶轮中心需要加工通孔，这会造成涡轮叶轮心部强度的降低。
发明内容
本发明为解决增压器涡轮与转轴之间的连接问题，提出一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构与连接方法。
涡轮转轴由涡轮与转轴通过锥螺纹过盈装配连接而成，其中，涡轮上有内锥螺纹，涡轮内锥螺纹孔底部有锥螺纹过盈旋紧预留环槽，可以使涡轮与转轴装配时在涡轮内锥螺纹部位加热膨胀或转轴外锥螺纹部位冷却收缩状态下实现充分旋紧以保证过盈量。转轴上有与涡轮内锥螺纹相配合的外锥螺纹，涡轮与转轴通过锥螺纹过盈装配连接在一起。结合涡轮转轴的结构尺寸，合理设计涡轮的内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽尺寸以及转轴的外锥螺纹尺寸，涡轮与转轴装配时采用加热涡轮内锥螺纹部位或冷却转轴外锥螺纹部位的方法，通过涡轮内锥螺纹与转轴外锥螺纹的过盈装配实现涡轮转轴的可靠连接。
本发明的技术方案：
一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构，包括涡轮1和转轴2，所述涡轮1上有内锥螺纹，所述涡轮1的内锥螺纹锥度θ1取值范围为1-15°，所述涡轮1的内锥螺纹牙型为三角螺纹或双圆弧螺纹，所述涡轮1的内锥螺纹旋向与涡轮转轴工作时的转动方向相同，有利于保证涡轮转轴工作时螺纹连接部位始终处于旋紧状态；所述涡轮1的内锥螺纹孔底部有锥螺纹过盈旋紧预留环槽，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的宽度为1-6倍的锥螺纹螺距，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的直径大于涡轮内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1，有利于涡轮转轴装配时在涡轮内锥螺纹部位加热膨胀或转轴外锥螺纹部位冷却收缩状态下实现充分旋紧以保证过盈量与连接强度；所述涡轮1的内锥螺纹孔深度不超过轮背所在平面，有利于提高涡轮心部强度与超速裕度；所述转轴2的一端有与涡轮1内锥螺纹配合的外锥螺纹，所述转轴2的外锥螺纹锥度θ2与涡轮1的内锥螺纹锥度θ1相等，所述转轴2的外锥螺纹小端螺纹顶径Φ2与涡轮1的内锥螺纹小端螺纹底径Φ1相等，所述转轴2的外锥螺纹部位与转轴光轴过渡部位有过渡圆角，有利于避免转轴在螺纹与光轴过渡部位出现局部应力集中；所述转轴2外锥螺纹大端靠近光轴的螺纹底径大于光轴的直径，有利于提高转轴2的螺纹部位以及螺纹与光轴过渡部位的强度；所述涡轮1和转轴2采用加热涡轮1内锥螺纹部位或冷却转轴2外锥螺纹部位的方法，通过内锥螺纹与外锥螺纹的过盈装配将涡轮1与转轴2连接在一起形成完整的涡轮转轴。
一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接方法，包括以下步骤：
a、确定涡轮转轴锥螺纹连接结构的尺寸参数：根据涡轮转轴与轴承体的结构参数，确定涡轮的内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽尺寸参数以及转轴的外锥螺纹尺寸参数，涡轮内锥螺纹锥度θ1取值范围为1-15°，内锥螺纹的牙型为三角螺纹或双圆弧螺纹，内锥螺纹旋向与涡轮工作时的转动方向相同，内锥螺纹孔底部有锥螺纹过盈旋紧预留环槽，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的宽度为1-6倍螺距，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的直径大于内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1，涡轮的内锥螺纹孔深度不超过涡轮轮背所在的平面，如图1所示；转轴的外锥螺纹与涡轮的内锥螺纹相配合，转轴外锥螺纹锥度θ2与涡轮内锥螺纹锥度θ1相等，牙型与涡轮内锥螺纹的牙型相同，转轴的外锥螺纹小端螺纹顶径Φ2与涡轮内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1相等，转轴外锥螺纹部位与转轴光轴过渡部位的过渡圆角半径为0.5-5mm，转轴外锥螺纹大端靠近光轴的螺纹底径大于光轴的直径，如图2所示；
b、涡轮内锥外螺纹孔的加工：按照步骤a中确定的涡轮内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽尺寸参数，加工涡轮的内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽；
c、转轴外锥螺纹的加工：按照步骤a中确定的转轴外锥螺纹尺寸参数，加工转轴的外锥螺纹以及外锥螺纹部位与光轴过渡部位的过渡圆角；
d、确定涡轮转轴的锥螺纹过盈装配工艺参数：根据涡轮和转轴材料的热膨胀系数以及涡轮转轴的尺寸参数、连接部位最高工作温度和最大工作扭矩，确定涡轮与转轴在锥螺纹过盈装配时涡轮内锥螺纹部位的加热温度或转轴外锥螺纹部位的冷却温度以及拧紧力矩；
e、涡轮与转轴的锥螺纹过盈装配：按照步骤d中确定的涡轮转轴锥螺纹过盈装配工艺参数，采取加热涡轮内锥螺纹部位的方式或者采取冷却转轴外锥螺纹部位的方式，通过螺纹旋紧将涡轮与转轴连接在一起形成涡轮转轴。
本发明的有益效果是：通过合理设计涡轮转轴锥螺纹连接结构的尺寸参数与过盈装配工艺参数，可以实现涡轮与转轴的可靠连接，能够有效解决由钛铝合金、陶瓷等材料制造的涡轮与转轴之间的连接问题。采用涡轮上有内锥螺纹和转轴上有外锥螺纹的连接结构可以在保证涡轮转轴连接强度的前提下，提高涡轮的轮毂强度。在结构上采用锥螺纹和在装配工艺上采取加热涡轮内锥螺纹部位或冷却转轴外锥螺纹部位的方式来实现涡轮转轴的锥螺纹过盈连接，可以充分保证涡轮转轴的连接强度，并有利于保证涡轮转轴连接的同轴度与垂直度要求。涡轮内锥螺纹孔底部有锥螺纹过盈旋紧预留环槽可以使涡轮与转轴在装配过程中实现充分旋紧，保证涡轮转轴锥螺纹连接的过盈量，提高涡轮转轴连接的可靠性。转轴外锥螺纹部位与转轴光轴过渡部位有过渡圆角可以避免出现局部应力集中，转轴外锥螺纹大端靠近光轴的螺纹底径大于光轴的直径可以提高转轴光轴与螺纹过渡部位的强度与刚度。该连接结构与连接方法可以使涡轮与转轴之间实现可靠连接，并有利于提高涡轮转轴的可靠性与寿命。
附图说明
图1是涡轮1结构示意图。
图2是转轴2的结构示意图。
1涡轮1 2转轴2
图3是涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构示意图。
具体实施方式
一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构，包括涡轮1和转轴2，所述涡轮1上有内锥螺纹，所述涡轮1的内锥螺纹锥度θ1取值范围为1-15°，所述涡轮1的内锥螺纹旋向与涡轮转轴工作时的转动方向相同；所述涡轮1的内锥螺纹孔底部有锥螺纹过盈旋紧预留环槽，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的宽度为1-6倍的锥螺纹螺距，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的直径大于内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1；所述转轴2的一端有与涡轮1内锥螺纹配合的外锥螺纹，所述转轴2的外锥螺纹锥度θ2与涡轮1的内锥螺纹锥度θ1相等，所述转轴2的外锥螺纹部位与转轴光轴过渡部位有过渡圆角；所述涡轮1和转轴2采用加热涡轮1内锥螺纹部位或冷却转轴2外锥螺纹部位的方法，通过内锥螺纹与外锥螺纹的过盈装配将涡轮1与转轴2连接在一起形成完整的涡轮转轴。
优选涡轮1的内锥螺纹孔深度不超过轮背所在平面，有利于提高涡轮心部强度与超速安全裕度。
优选涡轮1的内锥螺纹牙型为三角螺纹或双圆弧螺纹，有利于在保证涡轮转轴连接强度的前提下，降低锥螺纹的加工难度。
优选转轴2的外锥螺纹大端靠近光轴的螺纹底径大于光轴的直径，有利于提高转轴2的螺纹部位以及螺纹与光轴过渡部位的强度与刚度。
优选转轴2的外锥螺纹小端螺纹顶径Φ2与涡轮1内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1相等，有利于保证涡轮转轴在过盈装配时充分旋紧和有足够的过盈量，进而有利于提高涡轮转轴的连接强度。
一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接方法，包括以下步骤：
a、确定涡轮转轴锥螺纹连接结构的尺寸参数：根据涡轮转轴与轴承体的结构参数，确定涡轮的内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽尺寸参数以及转轴的外锥螺纹尺寸参数，涡轮内锥螺纹锥度θ1取值范围为1-15°，内锥螺纹的牙型为三角螺纹或双圆弧螺纹，内锥螺纹旋向与涡轮工作时的转动方向相同，内锥螺纹孔底部有锥螺纹过盈旋紧预留环槽，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的宽度为1-6倍螺距，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的直径大于内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1，涡轮的内锥螺纹孔深度不超过涡轮轮背所在的平面，如图1所示；转轴的外锥螺纹与涡轮的内锥螺纹相配合，转轴外锥螺纹锥度θ2与涡轮内锥螺纹锥度θ1相等，牙型与涡轮内锥螺纹的牙型相同，转轴的外锥螺纹小端螺纹顶径Φ2与涡轮内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1相等，转轴外锥螺纹部位与转轴光轴过渡部位的过渡圆角半径为0.5-5mm，转轴外锥螺纹大端靠近光轴的螺纹底径大于光轴的直径，如图2所示。例如，对于某增压器涡轮转轴，涡轮直径为Φ90mm、涡轮与转轴连接部位的外径与长度分别为Φ25mm和18mm，转轴靠近连接部位的光轴直径为Φ16mm，涡轮转轴工作时的转动方向为左旋，确定的涡轮内锥螺纹锥度θ1为2°，内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1为Φ18mm，内锥螺纹牙型为三角螺纹，螺距为1.5mm，内锥螺纹孔深为15mm，内锥螺纹旋向为左旋，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的宽度为3mm，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的直径为Φ20mm；确定的转轴外锥螺纹锥度θ2为2°，外锥螺纹牙型为三角螺纹，螺距为1.5mm，转轴的外锥螺纹小端螺纹顶径Φ2为Φ18mm，外锥螺纹长度为12mm，转轴外锥螺纹部位与转轴光轴过渡部位的过渡圆角半径为1mm。
b、涡轮内锥外螺纹孔的加工：按照步骤a中确定的涡轮内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽尺寸参数，加工涡轮的内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽。
c、转轴外锥螺纹的加工：按照步骤a中确定的转轴外锥螺纹尺寸参数，加工转轴的外锥螺纹以及外锥螺纹部位与光轴过渡部位的过渡圆角。
d、确定涡轮转轴的锥螺纹过盈装配工艺参数：根据涡轮和转轴材料的热膨胀系数以及涡轮转轴的尺寸参数、连接部位最高工作温度和最大工作扭矩，确定涡轮与转轴在锥螺纹过盈装配时涡轮内锥螺纹部位的加热温度或转轴外锥螺纹部位的冷却温度以及拧紧力矩。例如，对于某增压器涡轮转轴，涡轮为钛铝合金制造，转轴为42CrMo合金制造，涡轮内锥螺纹锥度θ1为2°，内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1为Φ18mm，内锥螺纹牙型为三角螺纹，螺距为1.5mm，内锥螺纹孔深为15mm，内锥螺纹旋向为左旋，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的宽度为3mm，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的直径为Φ20mm；转轴外锥螺纹锥度θ2为2°，外锥螺纹牙型为三角螺纹，螺距为1.5mm，转轴的外锥螺纹小端螺纹顶径Φ2为Φ18mm，外锥螺纹长度为12mm，涡轮与转轴连接部位的最高工作温度为350℃，涡轮转轴的最大工作扭矩80N·m，采用加热涡轮内锥螺纹部位的方式进行涡轮转轴的锥螺纹过盈装配，确定的涡轮内锥螺纹部位加热温度为500℃，涡轮转轴的装配拧紧力矩为125N·m。
e、涡轮与转轴的锥螺纹过盈装配：按照步骤d中确定的涡轮转轴锥螺纹过盈装配工艺参数，采取加热涡轮内锥螺纹部位的方式或者采取冷却转轴外锥螺纹部位的方式，通过螺纹旋紧将涡轮与转轴连接在一起形成涡轮转轴。
对于涡轮直径为Φ90mm、涡轮与转轴连接部位的外径与长度分别为Φ25mm与18mm、转轴靠近连接部位的光轴直径为Φ16mm、涡轮转轴工作时转动方向为左旋、涡轮为钛铝合金制造、转轴为42CrMo合金制造、涡轮与转轴连接部位最高工作温度为350℃、涡轮转轴最大工作扭矩80N·m的增压器涡轮转轴，优选的涡轮转轴锥螺纹连接结构的尺寸参数为：涡轮内锥螺纹锥度θ1为2°，内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1为Φ18mm，内锥螺纹牙型为三角螺纹，螺距为1.5mm，内锥螺纹孔深为15mm，内锥螺纹旋向为左旋，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的宽度为3mm，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的直径为Φ20mm；确定的转轴外锥螺纹锥度θ2为2°，外锥螺纹牙型为三角螺纹，螺距为1.5mm，转轴的外锥螺纹小端螺纹顶径Φ2为Φ18mm，外锥螺纹长度为12mm，转轴外锥螺纹部位与转轴光轴过渡部位的过渡圆角半径为1mm；优选的涡轮转轴锥螺纹过盈装配工艺参数为：采用加热涡轮内锥螺纹部位的方式进行涡轮转轴锥螺纹过盈装配，涡轮内锥螺纹部位加热温度为500℃，涡轮转轴的装配拧紧力矩为125N·m。
Claims (4)
1.一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构，包括涡轮(1)和转轴(2)，其特征在于：所述涡轮(1)上有内锥螺纹，所述涡轮(1)的内锥螺纹锥度θ1取值范围为1-15°，所述涡轮(1)的内锥螺纹牙型为三角螺纹或双圆弧螺纹，所述涡轮(1)的内锥螺纹旋向与涡轮转轴工作时的转动方向相同，所述涡轮(1)的内锥螺纹孔底部有锥螺纹过盈旋紧预留环槽，所述涡轮(1)的内锥螺纹孔深度不超过轮背所在平面；所述转轴(1)的一端有与涡轮(1)内锥螺纹配合的外锥螺纹，所述转轴(2)的外锥螺纹锥度θ2与涡轮(1)的内锥螺纹锥度θ1相等，所述转轴(2)的外锥螺纹部位与转轴光轴过渡部位有过渡圆角；所述涡轮(1)和转轴(2)采用加热涡轮(1)内锥螺纹部位或冷却转轴(2)外锥螺纹部位的方法，通过锥螺纹过盈装配将涡轮(1)与转轴(2)连接在一起形成完整的涡轮转轴。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构，其特征在于：所述涡轮(1)的锥螺纹过盈旋紧预留环槽宽度为1-6倍的锥螺纹螺距，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的直径大于内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构，其特征在于：所述转轴(2)的外锥螺纹小端螺纹顶径Φ2与涡轮(1)内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1相等，所述转轴(2)的外锥螺纹大端靠近光轴的螺纹底径大于光轴的直径。
4.一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定涡轮转轴锥螺纹连接结构的尺寸参数：根据涡轮转轴与轴承体的结构参数，确定涡轮的内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽尺寸参数以及转轴的外锥螺纹尺寸参数，涡轮内锥螺纹锥度θ1取值范围为1-15°，内锥螺纹的牙型为三角螺纹或双圆弧螺纹，内锥螺纹旋向与涡轮工作时的转动方向相同，内锥螺纹孔底部有锥螺纹过盈旋紧预留环槽，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的宽度为1-6倍螺距，锥螺纹过盈旋紧预留环槽的直径大于内锥螺纹小端的螺纹底径Φ1，涡轮的内锥螺纹孔深度不超过涡轮轮背所在的平面；转轴的外锥螺纹与涡轮的内锥螺纹相配合，转轴外锥螺纹锥度θ2与涡轮内锥螺纹锥度θ1相等，牙型与涡轮内锥螺纹的牙型相同，转轴的外锥螺纹小端螺纹顶径Φ2与涡轮的内锥螺纹小端螺纹底径Φ1相等，转轴外锥螺纹部位与转轴光轴过渡部位的过渡圆角半径为0.5-5mm，转轴外锥螺纹大端靠近光轴的螺纹底径大于光轴的直径；
b、涡轮内锥外螺纹孔的加工：按照步骤a中确定的涡轮内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽尺寸参数，加工涡轮的内锥螺纹与锥螺纹过盈旋紧预留环槽；
c、转轴外锥螺纹的加工：按照步骤a中确定的转轴外锥螺纹尺寸参数，加工转轴的外锥螺纹以及外锥螺纹部位与光轴过渡部位的过渡圆角；
d、确定涡轮转轴的锥螺纹过盈装配工艺参数：根据涡轮和转轴材料的热膨胀系数以及涡轮转轴的尺寸参数、连接部位最高工作温度和最大工作扭矩，确定涡轮与转轴在锥螺纹过盈装配时涡轮内锥螺纹部位的加热温度或转轴外锥螺纹部位的冷却温度以及拧紧力矩；
e、涡轮与转轴的锥螺纹过盈装配：按照步骤d中确定的涡轮转轴锥螺纹过盈装配工艺参数，采取加热涡轮内锥螺纹部位的方式或者采取冷却转轴外锥螺纹部位的方式，通过螺纹旋紧将涡轮与转轴连接在一起形成涡轮转轴。
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| CN201410535923.7A CN104405449A (zh) | 2014-09-28 | 2014-09-28 | 一种涡轮转轴锥螺纹过盈连接结构与连接方法 |
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| CN (1) | CN104405449A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114776386A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-22 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构 |
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2014
- 2014-09-28 CN CN201410535923.7A patent/CN104405449A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114776386A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-22 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构 |
| CN114776386B (zh) * | 2022-04-29 | 2023-05-19 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构 |
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