CN114776386B - 一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构，转轴的一端设置连接部，且涡轮的中部设有连接槽，且连接槽的内圈尺寸不大于连接部的外围尺寸，连接部过盈配合至连接槽内，连接部的外围尺寸是根据涡轮增压器工作扭矩和材料特性进行确定。本发明所述的一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构，特殊四边形轮廓型面结构参数方程适用与不同规格的涡轮转轴连接结构，该连接结构简单，机械加工容易实现，且采用锥体型面连接方式，连接可靠且保证强度要求。

Description

一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构

技术领域

本发明属于涡轮增压器结构设计领域，尤其是涉及一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构。

背景技术

增压器涡轮是增压器的重要部件之一。目前增压器涡轮普遍采用镍基高温合金K418材料，但该材料密度大(8.0×103kg/m3)，转动惯量较大，发动机启动时导致明显的涡轮迟滞效应。为了降低涡轮的转动惯量，提升发动机的瞬态响应性，涡轮采用低密度、高强度的钛铝合金材料可显著提升增压器性能。

虽然钛铝涡轮可以大大提升发动机瞬态响应性，但钛铝合金材料属于金属间化合物，不能很好地与钢轴进行可靠连接，因此不能采用常规的摩擦焊接方式。国内外对钛铝涡轮与转轴连接进行了大量研究，通过现有技术的钎焊方法对其进行焊接，可在一定的强度和温度下实现二者的可靠连接，但在较为恶劣工况下工作时仍存在一定的局限性；而通过螺纹过盈连接提出了不同的涡轮和转轴连接方式，排除了焊接带来的连接可靠问题，但钛铝合金加工难度较大，在其表面加工螺纹时加工精度不高且容易发生崩裂；还有通过钛铝涡轮由贯穿其中的转轴和锁紧螺母固定的连接结构度要求，这类涡轮贯穿连接方式易加工且可满足连接强度要求，但由于涡轮材料的减少其结构强度有所降低，不利于涡轮的极端运行工况。由上可知，采用稳定可靠的钛铝涡轮与转轴的连接方式显得极其重要。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构，以能够实现钛铝涡轮与转轴的可靠性连接，从而提高增压器运行稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构，转轴的一端设置连接部，且涡轮的中部设有连接槽，且连接槽的内圈尺寸不大于连接部的外围尺寸，连接部过盈配合至连接槽内，连接部的外围尺寸是根据涡轮增压器工作扭矩和材料特性进行确定。

进一步的，所述连接部的横截面是梯形结构，连接部的竖截面是四边形轮廓，连接部的外边缘均为弧形结构。

进一步的，所述连接部能够在涡轮转动过程中传递扭矩，满足增压器使用要求，所述连接部外围的尺寸参数方程为：

x和y为四边形轮廓边长，l是轮廓偏移量，D₁是四边形轮廓外接圆直径；D₂是四边形轮廓外接圆直径；l需满足0<l≤D₁/32；

D₁的大小和其内接圆直径D₂、轮廓偏移量l有关，关系如下式所示：

D₁＝D₂+4l

进一步的，所述连接部的外围尺寸是根据涡轮增压器工作扭矩和材料特性进行确定的方法是，连接部根部外接圆直径D₁的大小与工作扭矩N、转轴合金材料的最大许用切应力τ_perm和四边形轮廓面的极惯性矩J_p之间应满足：

相对于现有技术，本发明所述的一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构具有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构，特殊四边形轮廓型面结构参数方程适用与不同规格的涡轮转轴连接结构。

(2)本发明所述的一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构，该连接结构简单，机械加工容易实现，且采用锥体型面连接方式，连接可靠且保证强度要求。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的转轴和连接部配合的下视图；

图2为本发明实施例所述的转轴与涡轮配合的剖面示意图。

图3为本发明实施例所述的42CrMn钢轴的极限扭矩和连接轮廓外接圆直径的关系分析图。

附图标记说明：

1-转轴；2-涡轮；3-连接部。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-3所示，一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构,包括转轴，转轴1的一端设置连接部3，且钛铝涡轮2的中部设有连接槽，且连接槽的内圈尺寸不大于连接部3的外围尺寸，连接部3过盈配合至连接槽内，连接部3的外围尺寸是根据钛铝涡轮2增压器工作扭矩和材料特性进行确定，所述连接部3的横截面是梯形结构，连接部3的竖截面是四边形轮廓，如图1所示，连接部3是外边缘均为弧形的四边形轮廓结构。

连接部3的外围尺寸是根据钛铝涡轮增压器工作扭矩和材料特性进行确定的方法是，

1)确定钛铝涡轮2和转轴连接部3位结构参数，给定工作扭矩的情况下，确定涡轮的连接槽和连接部3顶部连接面的外接圆直径D₁，D₁大小与工作扭矩N、转轴合金材料的最大许用切应力τ_perm和轮廓面的极惯性矩J_p之间应满足：

基于以上方法，四边形轮廓的连接部3的外接圆直径与极限扭矩的大小关系如图3所示(42CoMn钢许用切应力取150MPa，l分别取0.01D₁、0.02D₁、0.03D₁)。由图可见，极限扭矩与外接圆直径大致呈三次幂增长的趋势，且D₁随着轮廓偏移量L的增加而减少，但L接近于0时轮廓趋近于圆将不能承受扭矩。当某型号的涡轮增压器采用D₁＝14mm的型面连接尺寸时，轮廓偏移量若取0.42mm，则内接圆直径D₂＝12.32mm，可获得较大的扭矩，且加工时转轴毛坯直径不小于14mm。

确定D₁和L后，可通过以下参数方程得到四边形轮廓，其形状及尺寸参数如图1所示。

x和y为四边形轮廓边长，L是轮廓偏移量，D₁是四边形轮廓外接圆直径；D₂是四边形轮廓外接圆直径；L需满足0<l≤D₁/32；

D₁的大小和其内接圆直径D₂、轮廓偏移量L有关，关系如下式所示：

D₁＝D₂+4l

b.连接型面锥度的确定：钛铝涡轮2和转轴1采用锥体型面的连接方式，四边形连接型面顶部的外接圆直径D_顶应略大于根部外接圆直径D_根，且应保证：涡轮2加热或转轴冷却后涡轮连接槽根部D_根不小于转轴连接部3顶部D_顶，即保证顺利连接加工，连接部3根部外接圆直径D₁＝14mm，顶部外接圆直径D₁’＝15mm，连接面高度为12mm时，连接型面锥度角β≈2.4°，具体连接方式如图2所示。

c.四边形轮廓型面加工：四边形轮廓面的涡轮凸台和转轴套孔可由数控车床进行加工，按照轮廓曲线方程将数据导入车床后可控制走刀路径，其中涡轮连接槽的加工精度为H7，转轴轮廓面的加工精度为g6。下表是四边形轮廓型面加工参数:

铣刀最大直径	轴公差	孔公差
			5mm	-0.006/-0.017	+0.018/0

d.通过涡轮叶轮加热或转轴冷却连接型面的方式进行装配，恢复后可紧密配合，实现钛铝涡轮2与转轴1的轴向可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种钛铝涡轮与转轴的锥体连接结构，其特征在于：包括转轴(1)，转轴(1)的一端设置连接部(3)，且涡轮(2)的中部设有连接槽，且连接槽的内圈尺寸不大于连接部(3)的外围尺寸，连接部(3)过盈配合至连接槽内，连接部(3)的外围尺寸是根据涡轮(2)增压器工作扭矩和材料特性进行确定；连接部(3)的横截面是梯形结构，连接部(3)的竖截面是四边形轮廓，连接部(3)的外边缘均为弧形结构；连接部(3)能够在涡轮(2)转动过程中传递扭矩，满足增压器使用要求，所述连接部(3)外围的尺寸参数方程为：

x和y为四边形轮廓边长，l是轮廓偏移量，D₁是四边形轮廓外接圆直径；D₂是四边形轮廓内接圆直径；l需满足0<l≤D₁/32；

D₁的大小和其内接圆直径D₂、轮廓偏移量l有关，关系如下式所示：

D₁＝D₂+4l；

连接部(3)的外围尺寸是根据涡轮增压器工作扭矩和材料特性进行确定的方法是，连接部(3)根部外接圆直径D₁的大小与工作扭矩N、转轴合金材料的最大许用切应力τ_perm和四边形轮廓面的极惯性矩J_p之间应满足：

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