CN108050062B - 一种机械增压器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于汽车发动机零部件技术领域的机械增压器结构，所述的机械增压器结构的螺旋转子(4)的每道转子叶片(6)的齿顶圆(7)一侧与左渐开线(8)圆滑过渡连接，齿顶圆(7)另一侧与右渐开线(9)圆滑过渡连接，左渐开线(8)与左包络线(10)圆滑过渡连接，右渐开线(9)与右包络线(11)圆滑过渡连接，左包络线(10)与左齿根线(12)圆滑过渡连接，右包络线(11)与凹进的右齿根线(13)一侧圆滑过渡连接，本发明的机械增压器结构，结构简单，使得螺旋转子具有面积利用系数大、啮合间隙恒定的特性，具有延缓回流过程、降低排气脉动和提高绝热效率的特点，降低增压器工作时的工作噪音，提高增压器NVH特性。

Description

一种机械增压器结构
技术领域
本发明属于汽车发动机零部件技术领域，更具体地说，是涉及一种机械增压器结构。
背景技术
发动机增压技术可以在不增加缸体容积的情况下就能大幅提高发动机的功率和扭矩，因而越来越受到重视。相比较其它增压方式，机械增压由于存在低速、瞬态响应敏锐且匹配发动机容易等特点，在汽车上得到越来越多的广泛应用。机械增压器是一种由齿轮驱动的双转子压缩机械，借助于转子相互啮合相继完成进气、压缩和排气三个过程的工作循环。传统形式下，气体的回流是在基元容积与排气口连通的一瞬间，由高压气体向基圆容积回流均压而实现。机械增压器工作状态下进、排气口气流脉动辐射产生气体动力性噪音。转子旋转时，增压器进、排气腔不断发生由大变小、又由小变大的周期性变化。不均匀的进、排气流作用于周围介质引起了压力脉动。一般通过设置回流口方式降低流量脉动，从而减小压力脉动，降低气体噪音。机械增压器回流口一般设置于壳体径向排气口部位，在转子旋转到预设角度时，回流口开始工作并将排气高压引入密封腔室完成回流过程。增压器工作状态下密封腔室逐个扫过回流口，对回流气体产生一次次的干扰进而引起压力脉动，另外，密封腔室与排气口连通之后，回流冲击造成的压力脉动更为剧烈。此外，机械增压器中回流冲击造成能量损失，该损失将消耗的功率转化成热量为气体吸收，从而进一步升高排气温度，降低了增压器的容积效率。增压器输出的高压气体提高了发动机升功率，升功率与增压比成正比例关系。但是，增压器在保证高增压比的同时也面临诸多问题，噪音问题是其中一项。现有技术中降低机械增压器噪音常用方法：1、预进气结构设计，在壳体径向排进开口位置设置回流孔；2、转子型线设计，从传统的两叶改为三叶型；3、工艺改进，改善转子平衡品质并提高同步齿轮制造精度；4、采取消声和隔声等辅助措施。以上针对气体动力性噪音的措施，在降低噪音值方面效果还不太令人满意，从而无法有效达到降低噪音的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单，成本低，通过对转子叶片型线及回流口结构进行改变，从而使得螺旋转子具有面积利用系数大、啮合间隙恒定的特性，具有延缓回流过程、降低排气脉动和提高绝热效率的特点，从而有效降低增压器工作时的工作噪音，降低回流动压波动，提高增压器NVH特性，从而提高发动机整体性能质量的机械增压器结构。
要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：
本发明为一种机械增压器结构，所述的机械增压器结构包括增压器壳体，增压器壳体内部的工作腔室内安装转轴Ⅰ和转轴Ⅱ，转轴Ⅰ上安装一个螺旋转子，转轴Ⅱ上安装一个螺旋转子，所述的螺旋转子包括转子本体，转子本体上设置多道凸出的转子叶片，每一道转子叶片从转子本体一端延伸到转子本体另一端，每道所述的转子叶片包括齿顶圆、左渐开线、右渐开线、左包络线、右包络线、左齿根线、右齿根线，向上凸出的齿顶圆一侧与凸出的左渐开线圆滑过渡连接，向上凸出的齿顶圆另一侧与凸出的右渐开线圆滑过渡连接，左渐开线与凹进的左包络线圆滑过渡连接，右渐开线与凹进的右包络线圆滑过渡连接，所述的左包络线与凹进的左齿根线一端圆滑过渡连接，左齿根线另一侧与相邻另一个转子叶片的右齿根线圆滑过渡连接，右包络线与凹进的右齿根线一侧圆滑过渡连接，右齿根线另一端与相邻另一个转子叶片的左齿根线圆滑过渡连接。
所述的螺旋转子包括左螺旋转子和右螺旋转子，左螺旋转子固定安装在转轴Ⅰ上，右螺旋转子固定安装在转轴Ⅱ上，左螺旋转子上的转子叶片与右螺旋转子上的转子叶片设置为旋向相反的结构，每个螺旋转子的转子本体上设置三个转子叶片。
所述的机械增压器结构的增压器壳体上还设置回流口，回流口与进气口设置在增压器壳体同一侧位置，回流口包括转子形线面a、上边界面b、转子形线面c、下边界面d，转子形线面a和转子形线面c均设置为截面呈向外凸出的弧形面结构，上边界面b和下边界面d均设置为截面呈直线结构，回流口入口对准排气口。
所述的螺旋转子的每个转子叶片的左渐开线和右渐开线设置为对称结构，左包络线和右包络线设置为对称结构，左齿根线和右齿根线设置为对称结构，左齿根线和右齿根线设置在转子本体上。
所述的螺旋转子的一个工作循环包括进气过程、保持过程、密封过程、回流过程、出气过程，螺旋转子完成一个工作循环的转子总旋转角由进气旋转角ψ1、保持旋转角ψ2、密封旋转角ψ3、回流旋转角ψ4和排气旋转角ψ5组成，所述的螺旋转子在一个工作循环中的转子总旋转角大小取值范围在570度至590度之间。
所述的螺旋转子的左螺旋转子的转子扭转角的取值范围在90度-110度之间，螺旋转子的右螺旋转子的转子扭转角的取值范围在90度-110度之间。
所述的回流口还包括回流口底面，回流口的回流口底面与回流口入口位置相对，回流口底面设置为截面呈凹进的弧形面结构，回流口底面与回流口侧面的结合部为圆角过渡结构，回流口侧面包括转子形线面a、上边界面b、转子形线面c、下边界面d。
采用本发明的技术方案，能得到以下的有益效果：
本发明所述的机械增压器结构，在设计或制作机械增压器时，对增压器的结构进行改进，机械增压器工作状态下基元容积大小与排量呈正比例关系，因此，需要转子叶片在使用上要求转子型线具有较大的面积利用系数。因此，对每个转子叶片的结构进行改进，使得转子叶片包括齿顶圆、左渐开线、右渐开线、左包络线、右包络线、左齿根线、右齿根线，这样的结构，齿顶圆、齿根线、渐开线和中心距之间呈几何关系。而转子扭转角变化影响着增压器气流特性，上述结构设置，减小了转子间排气啮合速度，增压器从而获得更少的真空和噪音，同时可以提高增压器绝热效率和减小输入功率。而转子面积利用系数大，能够保证增压器单位体积下的排量。转子啮合间隙恒定，使得增压器运转中保证两转子啮合间隙一致，有利于设计和加工过程中间隙调整，同时降低增压器泄漏量，全面有效降低增压器工作噪音。本发明所述的机械增压器结构，结构简单，成本低，通过对转子叶片型线及回流口结构进行改变，从而使得螺旋转子具有面积利用系数大、啮合间隙恒定的特性，具有延缓回流过程、降低排气脉动和提高绝热效率的特点，从而有效降低增压器工作时的工作噪音，降低回流动压波动，提高增压器NVH特性，从而提高发动机整体性能质量。
附图说明
下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：
图1为本发明所述的机械增压器结构的整体结构示意图；
图2a为本发明所述的机械增压器结构的左螺旋转子的剖视结构示意图；
图2b为本发明所述的机械增压器结构的右螺旋转子的剖视结构示意图；
图3为本发明所述的机械增压器结构的回流口的横截面结构示意图；
图4为本发明所述的机械增压器结构的回流口的轴截面结构示意图；
附图标记：1、增压器壳体；2、转轴Ⅰ；3、转轴Ⅱ；4、螺旋转子；5、转子本体；6、转子叶片；7、齿顶圆；8、左渐开线；9、右渐开线；10、左包络线；11、右包络线；12、左齿根线；13、右齿根线；14、左螺旋转子；15、右螺旋转子；16、回流口；17、转子形线面a；18、上边界面b；19、转子形线面c；20、下边界面d；21、排气口；22、回流口底面；23、回流口侧面；24、进气口；25、密封腔室；26、排气腔室；27、泄露三角形区域；28、轴承板总成。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：
如附图1、附图2所示，本发明为一种机械增压器结构，所述的机械增压器结构包括增压器壳体1，增压器壳体1内部的工作腔室内安装转轴Ⅰ2和转轴Ⅱ3，转轴Ⅰ2上安装一个螺旋转子4，转轴Ⅱ3上安装一个螺旋转子4，所述的螺旋转子4包括转子本体5，转子本体5上设置多道凸出的转子叶片6，每一道转子叶片6从转子本体5一端延伸到转子本体5另一端，每道所述的转子叶片6包括齿顶圆7、左渐开线8、右渐开线9、左包络线10、右包络线11、左齿根线12、右齿根线13，向上凸出的齿顶圆7一侧与凸出的左渐开线8圆滑过渡连接，向上凸出的齿顶圆7另一侧与凸出的右渐开线9圆滑过渡连接，左渐开线8与凹进的左包络线10圆滑过渡连接，右渐开线9与凹进的右包络线11圆滑过渡连接，所述的左包络线10与凹进的左齿根线12一端圆滑过渡连接，左齿根线12另一侧与相邻另一个转子叶片6的右齿根线13圆滑过渡连接，右包络线11与凹进的右齿根线13一侧圆滑过渡连接，右齿根线13另一端与相邻另一个转子叶片6的左齿根线12圆滑过渡连接。在本发明所述的机械增压器结构中，螺旋转子具有90度至110度螺旋角，这样，增压器在高转速工况下，转子叶型使增压器具有内压缩特性，该特性可降低增压器排气压力脉动，降低噪音。此外，本发明的螺旋转子90度至110度螺旋角的结构，可以降低两转子间啮合线速度和增压器吸气口进气线速度，从而进一步降低噪音。
上述结构，在设计或制作机械增压器时，对增压器的结构进行改进，机械增压器工作状态下基元容积大小与排量呈正比例关系，因此，需要转子叶片在使用上要求转子型线具有较大的面积利用系数。因此，对每个转子叶片的结构进行改进，使得转子叶片包括齿顶圆7、左渐开线8、右渐开线9、左包络线10、右包络线11、左齿根线12、右齿根线13，这样的结构，齿顶圆、齿根线、渐开线和中心距(注：中心距指转轴Ⅰ和转轴Ⅱ两平行轴线之间的距离)之间呈几何关系(关于几何关系注：齿顶圆直径D，齿顶圆半径re，齿根圆直径ri，中心距A，基圆直径(间接参数)rb，变量(间接参数)t，其中齿顶圆直径和中心距为已知参数。)
ri＝A-D/2 (齿根圆直径)
Figure BDA0001502058910000051
(基圆直径)
(渐开线方程)
增压器工作状况下，螺旋转子扭转角变化影响着增压器气流特性，上述结构设置，减小了转子间排气啮合速度，增压器从而获得更少的真空和噪音，同时可以提高增压器绝热效率和减小输入功率。而转子面积利用系数大，能够保证增压器单位体积下的排量。转子啮合间隙恒定，使得增压器运转中保证两转子啮合间隙一致，有利于设计和加工过程中间隙调整，同时降低增压器泄漏量，全面有效降低增压器工作噪音。本发明所述的机械增压器结构，结构简单，成本低，通过对转子叶片型线及回流口结构进行改变，从而使得螺旋转子具有面积利用系数大、啮合间隙恒定的特性，具有延缓回流过程、降低排气脉动和提高绝热效率的特点，从而有效降低增压器工作时的工作噪音，降低回流动压波动，提高增压器NVH特性，从而提高发动机整体性能质量。
所述的螺旋转子4包括左螺旋转子14和右螺旋转子15，左螺旋转子14固定安装在转轴Ⅰ2上，右螺旋转子15固定安装在转轴Ⅱ3上，左螺旋转子14上的转子叶片6与右螺旋转子15上的转子叶片6设置为旋向相反的结构，每个螺旋转子4的转子本体5上设置三个转子叶片6。上述结构，转轴Ⅰ2和转轴Ⅱ3通过齿轮带动转动，在增压器工作时，左螺旋转子和右螺旋转子相互配合，借助于两个螺旋转子相互啮合相继完成进气、压缩和排气三个过程的工作循环。螺旋转子三个叶片最大优点：(1)噪音低，互换性好(2)易于生产制造，加工精度高(3)增压器面积利用系数大(4)转子间啮合间隙恒定，全面提升性能。所述的机械增压器结构的增压器壳体1上还设置回流口16，回流口16与进气口24设置在增压器壳体1同一侧位置，回流口16包括转子形线面a17、上边界面b18、转子形线面c19、下边界面d20，转子形线面a17和转子形线面c19均设置为截面呈向外凸出的弧形面结构，上边界面b18和下边界面d20均设置为截面呈直线结构，回流口16入口对准排气口21。上述结构，通过回流口结构设置，回流气体流动方向和密封腔室气体流动方向一致性。同一流动方向减小回流能量损失，同时降低回流动压波动，回流时间长。回流口设计能够延长回流时间，降低气体流动脉动，减小压力脉动，降低气体噪音，降低增压器噪音。
所述的螺旋转子4的每个转子叶片6的左渐开线8和右渐开线9设置为对称结构，左包络线10和右包络线11设置为对称结构，左齿根线12和右齿根线13设置为对称结构，左齿根线12和右齿根线13设置在转子本体5上。
所述的螺旋转子4的一个工作循环包括进气过程、保持过程、密封过程、回流过程、出气过程，螺旋转子4完成一个工作循环的转子总旋转角由进气旋转角ψ1、保持旋转角ψ2、密封旋转角ψ3、回流旋转角ψ4和排气旋转角ψ5组成，所述的螺旋转子4在一个工作循环中的转子总旋转角大小取值范围在570度至590度之间。增压器工作状态下，螺旋转子和增压器壳体形成的腔室相继完成进气、保持、密封、回流和出气工作循环。一个工作循环中，转子总旋转角由进气旋转角ψ1、保持旋转角ψ2、密封旋转角ψ3、回流旋转角ψ4和排气旋转角ψ5组成，根据转子扭转特性一个工作循环中总旋转角大小取值为570度至590度。转子旋转至密封旋转角ψ3位置，转子截面型线在壳体内腔室端平面上投影确定转子形线面a的边界；转子形线面c相对应转子型线a中心对称；上边界面b设置于平行于中心轴线，且过壳体腔室两内孔交线位置；下边界面d设置于壳体轴承孔上方，且满足轴承孔均匀壁厚的位置。回流口深度根据气体流动状态由CFD确定。
所述的螺旋转子4的左螺旋转子14的转子扭转角的取值范围在90度-110度之间，螺旋转子4的右螺旋转子15的转子扭转角的取值范围在90度-110度之间。上述结构，转子扭转角大，从而有利于降低排气啮合速度，降低噪音。
所述的回流口16还包括回流口底面22，回流口16的回流口底面22与回流口16入口位置相对，回流口底面22设置为截面呈凹进的弧形面结构，回流口底面22与回流口侧面23的结合部为圆角过渡结构，回流口侧面23包括转子形线面a17、上边界面b18、转子形线面c19、下边界面d20。上述结构，回流口底面22设置为截面呈凹进的弧形面结构，回流口底面22与回流口侧面23的结合部为圆角过渡结构，从而使得气体流速平缓，减小冲击噪音，起到降噪作用。
本发明所述的机械增压器结构，转子叶片具有良好的工作性能，具有良好的几何对称性，易于生产制造，易于介质密封，且密封间隙一致等特点。
本发明所述的机械增压器结构得工作过程如下：增压器工作状态下，螺旋转子旋转从规定的零度位置开始，产生进气容积，空气经进气口流入。转子从零度转至ψ1过程中进气容积逐步增大至最大，进气腔室逐步充满空气。转子旋转至ψ2，进气腔室一直保持最大充气量。转子旋转至ψ3，进气腔室逐步和进气口脱离接触，进气腔室开始密封。该状态下螺旋转子型线和回流口截面形状重合。转子旋转从ψ3至ψ4过程中，转子端面和回流口脱离重合，排气高压气体经泄漏三角区域轴向流至回流口，回流口和转子端面脱离重合，产生泄漏通道，高压气体经泄漏通道回流至密封容积，密封容积内气体压力随着回流口面积增大逐步升高至排气压力。转子旋转从ψ4至ψ5过程中，转子螺旋面与壳体排气口逐步脱离接触，密封腔室回流结束并进入排气状态，转子旋转至ψ5排气完全结束。腔室完成一个工作循环，其它腔室周而复始该循环。
本发明所述的机械增压器结构，在设计或制作机械增压器器时，对增压器的结构进行改进，机械增压器工作状态下基元容积大小与排量呈正比例关系，因此，需要转子叶片在使用上要求转子型线具有较大的面积利用系数。因此，对每个转子叶片的结构进行改进，使得转子叶片包括齿顶圆、左渐开线、右渐开线、左包络线、右包络线、左齿根线、右齿根线，这样的结构，齿顶圆、齿根线、渐开线和中心距之间呈几何关系。而转子扭转角变化影响着增压器气流特性，上述结构设置，减小了转子间排气啮合速度，增压器从而获得更少的真空和噪音，同时可以提高增压器绝热效率和减小输入功率。而转子面积利用系数大，能够保证增压器单位体积下的排量。转子啮合间隙恒定，使得增压器运转中保证两转子啮合间隙一致，有利于设计和加工过程中间隙调整，同时降低增压器泄漏量，全面有效降低增压器工作噪音。本发明所述的机械增压器结构，结构简单，成本低，通过对转子叶片型线及回流口结构进行改变，从而使得螺旋转子具有面积利用系数大、啮合间隙恒定的特性，具有延缓回流过程、降低排气脉动和提高绝热效率的特点，从而有效降低增压器工作时的工作噪音，降低回流动压波动，提高增压器NVH特性，从而提高发动机整体性能质量。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种机械增压器结构，其特征在于：所述的机械增压器结构包括增压器壳体(1)，增压器壳体(1)内部的工作腔室内安装转轴Ⅰ(2)和转轴Ⅱ(3)，转轴Ⅰ(2)上安装一个螺旋转子(4)，转轴Ⅱ(3)上安装一个螺旋转子(4)，所述的螺旋转子(4)包括转子本体(5)，转子本体(5)上设置多道凸出的转子叶片(6)，每一道转子叶片(6)从转子本体(5)一端延伸到转子本体(5)另一端，每道所述的转子叶片(6)包括齿顶圆(7)、左渐开线(8)、右渐开线(9)、左包络线(10)、右包络线(11)、左齿根线(12)、右齿根线(13)，向上凸出的齿顶圆(7)一侧与凸出的左渐开线(8)圆滑过渡连接，向上凸出的齿顶圆(7)另一侧与凸出的右渐开线(9)圆滑过渡连接，左渐开线(8)与凹进的左包络线(10)圆滑过渡连接，右渐开线(9)与凹进的右包络线(11)圆滑过渡连接，所述的左包络线(10)与凹进的左齿根线(12)一端圆滑过渡连接，左齿根线(12)另一侧与相邻另一个转子叶片(6)的右齿根线(13)圆滑过渡连接，右包络线(11)与凹进的右齿根线(13)一侧圆滑过渡连接，右齿根线(13)另一端与相邻另一个转子叶片(6)的左齿根线(12)圆滑过渡连接；
所述的螺旋转子(4)包括左螺旋转子(14)和右螺旋转子(15)，左螺旋转子(14)固定安装在转轴Ⅰ(2)上，右螺旋转子(15)固定安装在转轴Ⅱ(3)上，左螺旋转子(14)上的转子叶片(6)与右螺旋转子(15)上的转子叶片(6)设置为旋向相反的结构，每个螺旋转子(4)的转子本体(5)上设置三个转子叶片(6)；
所述的机械增压器结构的增压器壳体(1)上还设置回流口(16)，回流口(16)与进气口(24)设置在增压器壳体(1)同一侧位置，回流口(16)包括转子形线面a(17)、上边界面b(18)、转子形线面c(19)、下边界面d(20)，转子形线面a(17)和转子形线面c(19)均设置为截面呈向外凸出的弧形面结构，上边界面b(18)和下边界面d(20)均设置为截面呈直线结构，回流口(16)入口对准排气口(21)。
2.根据权利要求1所述的机械增压器结构，其特征在于：螺旋转子(4)的每个转子叶片(6)的左渐开线(8)和右渐开线(9)设置为对称结构，左包络线(10)和右包络线(11)设置为对称结构，左齿根线(12)和右齿根线(13)设置为对称结构，左齿根线(12)和右齿根线(13)设置在转子本体(5)上。
3.根据权利要求1所述的机械增压器结构，其特征在于：所述的螺旋转子(4)的一个工作循环包括进气过程、保持过程、密封过程、回流过程、出气过程，螺旋转子(4)完成一个工作循环的转子总旋转角由进气旋转角ψ1、保持旋转角ψ2、密封旋转角ψ3、回流旋转角ψ4和排气旋转角ψ5组成，所述的螺旋转子(4)在一个工作循环中的转子总旋转角大小取值范围在570度至590度之间。
4.根据权利要求1所述的机械增压器结构，其特征在于：所述的螺旋转子(4)的左螺旋转子(14)的转子扭转角的取值范围在90度-110度之间，螺旋转子(4)的右螺旋转子(15)的转子扭转角的取值范围在90度-110度之间。
5.根据权利要求1所述的机械增压器结构，其特征在于：所述的回流口(16)还包括回流口底面(22)，回流口(16)的回流口底面(22)与回流口(16)入口位置相对，回流口底面(22)设置为截面呈凹进的弧形面结构，回流口底面(22)与回流口侧面(23)的结合部为圆角过渡结构，回流口侧面(23)包括转子形线面a(17)、上边界面b(18)、转子形线面c(19)、下边界面d(20)。
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