增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法與連接結構的製作方法

2023-06-25 14:39:46 2

增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法與連接結構的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法與連接結構，根據渦輪轉軸的結構參數、工作溫度和最大工作扭矩以及渦輪葉輪和轉軸材料的熱膨脹係數，通過合理設計渦輪轉軸的圓錐螺紋連接結構參數和裝配工藝參數，進行渦輪葉輪的圓錐外螺紋、180°過渡圓弧與A端面以及轉軸的圓錐內螺紋與B端面的加工，採取加熱轉軸圓錐內螺紋部位的措施，按照確定的擰緊力矩，通過螺紋旋緊將渦輪葉輪與轉軸裝配在一起，然後再按照渦輪轉軸的結構參數，對完成圓錐螺紋裝配的渦輪轉軸進行其他部位的加工。本發明可實現增壓器渦輪葉輪與轉軸之間的可靠連接，能夠滿足增壓器渦輪轉軸的連接強度要求，而且工藝過程簡單，易於實現工程化應用。
【專利說明】增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法與連接結構
【技術領域】
[0001]本發明屬於車用渦輪增壓【技術領域】，具體涉及一種增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法與連接結構。
【背景技術】
[0002]渦輪轉軸是渦輪增壓器的關鍵部件之一，由渦輪葉輪和轉軸連接而成。由於渦輪轉軸在工作過程中高速旋轉，渦輪葉輪與轉軸的連接強度不僅影響著渦輪轉軸的可靠性，而且影響著整個渦輪增壓器的可靠性。目前，車用渦輪增壓器的渦輪葉輪主要採用鑄造鎳基高溫合金K418材料，轉軸採用42CrMo合金鋼材料。對於由K418合金製造的渦輪葉輪和42CrMo合金鋼製造的轉軸，工程中普遍採用摩擦焊接、電子束焊接等工藝實現渦輪轉軸的可靠連接。但是，由於K418合金的密度為8.9X103kg / m3，由K418合金製造的渦輪葉輪轉動慣量比較大，發動機在起動和加速時的冒黑煙現象較為嚴重。
[0003]為降低渦輪增壓器轉子的轉動慣量，減弱發動機在起動/加速時的冒黑煙現象，車用增壓器渦輪葉輪可以採用比強度較高的鑄造鈦鋁合金材料。鈦鋁合金的密度為
3.87X 103kg / m3，約為K418合金密度的43%，同時，鈦鋁合金具有良好的高溫性能和抗氧化性能，採用鈦鋁合金製造的增壓器渦輪葉輪，能夠有效地降低渦輪增壓器轉子的轉動慣量，提高渦輪增壓發動機的瞬態響應性，改善發動機性能。由於鈦鋁合金材料屬於金屬間化合物，採用常規的焊接方法，很難實現鈦鋁合金渦輪葉輪與42CrMo合金轉軸之間的可靠連接，難以滿足車用增壓器渦輪轉軸的連接強度要求。
[0004]在增壓器渦輪轉軸連接方面，專利號分別為97125874.0和200810110548.6的兩個專利公開了一種採用機械過盈連接方法實現鈦鋁合金渦輪與42CrMo合金轉軸連接的技術途徑。專利號為201310166758.8的專利公開了一種採用過盈螺紋和銷釘防鬆動相結合的渦輪葉輪與轉軸連接方法與連接結構，該連接方法與連接結構可以實現渦輪轉軸的可靠連接，但是存在鈦鋁渦輪葉輪內螺紋以及銷釘孔加工難度大的問題。專利號為201310250054.9的專利公開了一種鈦鋁渦輪和轉軸的雙圓弧自鎖過盈螺紋連接方法與結構，該連接方法與連接結構可以實現渦輪轉軸的可靠連接，但是存在鈦鋁渦輪葉輪雙圓弧內螺紋加工難度大、螺紋過盈量難以有效保證等問題。專利號為201310294220.5的專利公開了一種鈦鋁渦輪葉輪與轉軸的通孔連接方法與連接結構，該連接方法與連接結構可以實現渦輪轉軸的可靠連接，但是鈦鋁渦輪葉輪中心需要加工通孔，這會造成渦輪葉輪心部強度的顯著降低。專利號為201310384372.4的專利公開了一種鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接方法與連接結構，該連接方法與連接結構也可以實現渦輪轉軸的可靠連接，但是螺紋的過盈量加工難度大，且在渦輪轉軸上需要安裝銷釘，加大了渦輪轉軸的動平衡難度。

【發明內容】

[0005]本發明針對增壓器渦輪葉輪與轉軸之間的連接問題，提出一種增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法與連接結構。通過合理設計渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接結構參數以及裝配工藝參數，能夠實現增壓器渦輪葉輪與轉軸之間的持久可靠連接，滿足增壓器渦輪轉軸的連接強度要求。
[0006]本發明的技術方案:
[0007]一種增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接結構，包括增壓器渦輪葉輪2和轉軸1，其特徵在於:所述轉軸I採用圓錐內螺紋，所述渦輪葉輪與轉軸螺紋配合部分採用圓錐外螺紋，從渦輪端看所述圓錐螺紋的旋向與渦輪轉軸工作時的轉動方向相同，圓錐螺紋的錐度Θ為4-10°，所述渦輪葉輪的背盤與螺紋過渡部分有180°過渡圓弧，渦輪葉輪A端面與轉軸B端面之間有間隙，間隙大小為1-3倍螺紋螺距。
[0008]優選轉軸I上圓錐內螺紋的螺紋長度為0.6-1.2倍螺紋公稱直徑，螺距為0.05-0.08倍螺紋公稱直徑。此範圍的螺紋長度和螺距有利於裝配的牢固。
[0009]優選渦輪葉輪2與轉軸螺紋配合部分採用的圓錐外螺紋的長度比轉軸I上圓錐內螺紋的螺紋長度小1-2倍螺距，便於裝配。
[0010]一種增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法，包括以下步驟:
[0011]a、確定渦輪轉軸的圓錐螺紋連接結構參數:根據渦輪轉軸的結構參數，確定渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接結構參數，轉軸採用圓錐內螺紋，螺紋長度為0.6-1.2倍螺紋公稱直徑；渦輪葉輪採用圓錐外螺紋，外螺紋長度比轉軸內螺紋長度小1-2倍螺距，螺距為0.05-0.08倍螺紋公稱直徑；圓錐螺紋的錐度角Θ為4-10° ;從渦輪端看，螺紋旋向與渦輪轉軸轉動方向相同；渦輪葉輪的背盤與圓錐外螺紋之間有180°過渡圓弧，渦輪葉輪A端面與轉軸B端面之間有間隙，間隙大小為1-3倍螺紋螺距；
[0012]b、確定渦輪轉軸的圓錐螺紋裝配工藝參數:根據渦輪葉輪和轉軸材料的熱膨脹係數以及渦輪轉軸的結構參數、工作溫度和最大工作扭矩，確定渦輪葉輪與轉軸在螺紋裝配過程中的擰緊力矩以及轉軸圓錐內螺紋部位的加熱溫度；
[0013]C、渦輪葉輪圓錐外螺紋和180°過渡圓弧以及A端面的加工:按照步驟a中確定的渦輪葉輪圓錐螺紋連接結構參數，加工渦輪葉輪的圓錐外螺紋、180°過渡圓弧以及A端面；
[0014]d、轉軸圓錐內螺紋與B端面的加工:按照步驟a中確定的轉軸圓錐螺紋連接結構參數，加工轉軸圓錐內螺紋與B端面；
[0015]e、渦輪葉輪與轉軸的螺紋裝配:採取加熱轉軸圓錐內螺紋部位的措施，按照步驟b中確定的擰緊力矩，通過螺紋旋緊將渦輪葉輪與轉軸裝配在一起；
[0016]f、按照渦輪轉軸的結構參數，對完成圓錐螺紋裝配的渦輪轉軸進行其他部位的加工。
[0017]本發明的有益效果是:
[0018]增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法與連接結構，通過合理設計渦輪葉輪與轉軸圓錐螺紋的結構參數與裝配工藝參數，可以實現增壓器渦輪轉軸的可靠連接，能夠解決鈦鋁合金渦輪葉輪與42CrMo合金轉軸之間連接問題。採用圓錐螺紋連接結構以及在裝配過程中採取加熱內螺紋部位和控制擰緊力矩的措施可以有效地實現螺紋的過盈連接，保證渦輪轉軸的連接強度。渦輪葉輪採用圓錐外螺紋可以更好地保證渦輪葉輪在工作過程中受熱後，螺紋連接部位不鬆脫。在渦輪葉輪的輪背與螺紋段之間採用180°過渡圓弧，可以避免產生局部應力集中。渦輪轉軸在完成過螺紋裝配的基礎上，再進行其他部位的加工，可以提高渦輪轉軸的整體加工精度。該連接方法與連接結構簡單易行，連接強度持久可靠，能夠滿足車用增壓器渦輪轉軸的工程化應用需要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是增壓器渦輪轉軸的圓錐螺紋連接結構示意圖。
[0020]I轉軸2渦輪葉輪
【具體實施方式】
[0021]一種增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接結構，包括增壓器渦輪葉輪和轉軸，其特徵在於，所述轉軸採用圓錐內螺紋，螺紋長度為0.6-1.2倍螺紋公稱直徑，螺距為
0.05-0.08倍螺紋公稱直徑，所述渦輪葉輪與轉軸螺紋配合部分有圓錐外螺紋，圓錐外螺紋的長度比轉軸內螺紋長度小1-2倍螺距，從渦輪端看所述圓錐螺紋的旋向與渦輪轉軸工作時的轉動方向相同，圓錐螺紋的錐度角Θ為4-10°，所述渦輪葉輪的背盤與螺紋過渡部分有180°過渡圓弧，渦輪葉輪A端面與轉軸B端面之間有間隙，間隙大小為1-3倍螺紋螺距。
[0022]一種增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法，包括以下步驟:
[0023]a、確定渦輪轉軸的圓錐螺紋連接結構參數。根據渦輪轉軸的結構參數，確定渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接結構參數，轉軸採用圓錐內螺紋，螺紋長度為0.6-1.2倍螺紋公稱直徑，螺距為0.05-0.08倍螺紋公稱直徑；渦輪葉輪採用圓錐外螺紋，外螺紋長度比轉軸內螺紋長度小1-2倍螺距；螺紋錐度角Θ為4-10°，從渦輪端看，螺紋旋向與渦輪轉軸轉動方向相同；渦輪葉輪的背盤與圓錐外螺紋之間有180°過渡圓弧，渦輪葉輪A端面與轉軸B端面之間有間隙，間隙大小為1-3倍螺紋螺距，如圖1所示。例如，對於渦輪葉輪直徑為Φ95πιπι、轉軸與軸承接觸部位的直徑為Φ 14mm、從渦輪端看轉動方向為左旋的渦輪轉軸，轉軸的圓錐內螺紋尺寸參數為ZM18X1-H7H7-LH，內螺紋長度為18mm，錐度Θ為8°，渦輪葉輪的圓錐外螺紋尺寸參數為ZM18X l-p6p6-LH，外螺紋長度為15mm，渦輪葉輪背盤與外螺紋之間的180°過渡圓角為Rl.5，渦輪葉輪A端面與轉軸B端面之間的間隙為2mm。
[0024]b、確定渦輪轉軸的圓錐螺紋裝配工藝參數。根據渦輪葉輪和轉軸材料的熱膨脹係數以及渦輪轉軸的結構參數、工作溫度和最大工作扭矩，確定渦輪葉輪與轉軸在螺紋裝配過程中的擰緊力矩以及轉軸圓錐內螺紋部位的加熱溫度；例如，對於渦輪葉輪直徑為Φ95πιπι、轉軸與軸承接觸部位的直徑為Φ 14mm、渦輪葉輪表面工作溫度為750°C、最大工作扭矩為60N.m，渦輪葉輪材料為鈦鋁合金、轉軸材料為42CrMo合金的增壓器渦輪轉軸，渦輪葉輪與轉軸在螺紋裝配過程中轉軸圓錐內螺紋部位的加熱溫度為550°C，擰緊力矩為150N.m。
[0025]C、渦輪葉輪圓錐外螺紋、180°過渡圓弧以及A端面的加工，按照步驟a中確定的渦輪葉輪圓錐螺紋連接結構參數，加工渦輪葉輪的圓錐外螺紋、180°過渡圓弧以及A端面；
[0026]d、轉軸圓錐內螺紋與B端面的加工，按照步驟a中確定的轉軸圓錐螺紋連接結構參數，加工轉軸圓錐內螺紋與B端面；
[0027]e、渦輪葉輪與轉軸的螺紋裝配，採取加熱轉軸圓錐內螺紋部位的措施，按照步驟b中確定的擰緊力矩，通過螺紋旋緊將渦輪葉輪與轉軸裝配在一起。
[0028]f、按照渦輪轉軸的結構參數，對完成圓錐螺紋裝配的渦輪轉軸進行其他部位的加工。
[0029]對於渦輪葉輪直徑為Φ95πιπι、轉軸與軸承接觸部位的直徑為Φ 14mm、從渦輪端看轉動方向為左旋、渦輪葉輪表面工作溫度為750°C、最大工作扭矩為60N.m、渦輪葉輪材料為鈦鋁合金、轉軸材料為42CrMo合金的增壓器渦輪轉軸，優選渦輪轉軸的圓錐螺紋連接結構參數為:轉軸的圓錐內螺紋尺寸參數為ZM18X1-H7H7-LH，內螺紋長度為18mm，螺紋錐度角Θ為8°，渦輪葉輪的圓錐外螺紋尺寸參數為ZM18Xl-p6p6-LH，外螺紋長度為15_，渦輪葉輪背盤與外螺紋之間的180°過渡圓角為Rl.5，渦輪葉輪A端面與轉軸B端面之間的間隙為2_。渦輪葉輪與轉軸在螺紋裝配過程中優選的裝配工藝參數為:轉軸圓錐內螺紋部位的加熱溫度為400°C _600°C，擰緊力矩為120N.m-200N.m。
【權利要求】
1.一種增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法，包括以下步驟: a、確定渦輪轉軸的圓錐螺紋連接結構參數:根據渦輪轉軸的結構參數，確定渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接結構參數，轉軸採用圓錐內螺紋，螺距為0.05-0.08倍螺紋公稱直徑，螺紋長度為0.6-1.2倍螺紋公稱直徑；渦輪葉輪採用圓錐外螺紋，外螺紋長度比轉軸內螺紋長度小1-2倍螺距；螺紋錐度角Θ為4-10° ;從渦輪端看，螺紋旋向與渦輪轉軸轉動方向相同；渦輪葉輪的背盤與圓錐外螺紋之間有180°過渡圓弧，渦輪葉輪A端面與轉軸B端面之間有間隙，間隙大小為1-3倍螺紋螺距； b、確定渦輪轉軸的圓錐螺紋裝配工藝參數:根據渦輪葉輪和轉軸材料的熱膨脹係數以及渦輪轉軸的結構參數、工作溫度和最大工作扭矩，確定渦輪葉輪與轉軸在螺紋裝配過程中的擰緊力矩以及轉軸圓錐內螺紋部位的加熱溫度； C、渦輪葉輪圓錐外螺紋和180°過渡圓弧以及A端面的加工:按照步驟a中確定的渦輪葉輪圓錐螺紋連接結構參數，加工渦輪葉輪的圓錐外螺紋、180°過渡圓弧以及A端面； d、轉軸圓錐內螺紋與B端面的加工:按照步驟a中確定的轉軸圓錐螺紋連接結構參數，加工轉軸的圓錐內螺紋與B端面； e、渦輪葉輪與轉軸的螺紋裝配:採取加熱轉軸圓錐內螺紋部位的措施，按照步驟b中確定的擰緊力矩，通過螺紋旋緊將渦輪葉輪與轉軸的裝配在一起； f、按照渦輪轉軸的結構參數，對完成圓錐螺紋裝配的渦輪轉軸進行其他部位的加工。
2.根據權利要求1所述的增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接方法，其特徵在於:在步驟e中，轉軸圓錐內螺紋部位的加熱溫度為400°C _600°C，擰緊力矩為120N.m-200N.m。
3.一種增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接結構，包括增壓器渦輪葉輪(2)和轉軸(1)，其特徵在於:所述轉軸(I)採用圓錐內螺紋，所述渦輪葉輪與轉軸螺紋配合部分採用圓錐外螺紋，從渦輪端看所述圓錐螺紋的旋向與渦輪轉軸工作時的轉動方向相同，圓錐螺紋的錐度角Θ為4-10。，所述渦輪葉輪的背盤與螺紋過渡部分有180°過渡圓弧，渦輪葉輪A端面與轉軸B端面之間有間隙，間隙大小為1-3倍螺紋螺距。
4.根據權利要求3所述的增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接結構，其特徵在於:所述轉軸(I)上圓錐內螺紋的螺紋長度為0.6-1.2倍螺紋公稱直徑，螺距為0.05-0.08倍螺紋公稱直徑。
5.根據權利要求4所述的增壓器渦輪葉輪與轉軸的圓錐螺紋連接結構，其特徵在於:所述渦輪葉輪(2)與轉軸螺紋配合部分採用的圓錐外螺紋的長度比轉軸(I)上圓錐內螺紋的螺紋長度小1-2倍螺距。
【文檔編號】B23P11/02GK103846613SQ201410055009
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月12日 優先權日:2014年2月12日
【發明者】王正, 王增全, 王晉偉, 張繼忠, 王阿娜, 門日秀, 郭凱 申請人:中國北方發動機研究所(天津)