[发明专利]一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构

说明书

技术领域  本发明涉及一种涡轮增压器转子部件，特别涉及一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构。

背景技术  涡轮增压器是在发动机排量不变的条件下提高汽油或柴油内燃机功率的一种附加装置，其利用内燃机排气道排出的废气驱动涡轮，涡轮通过转子轴带动压气叶轮旋转，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之压缩进入发动机汽缸，以通过增大空气密度而加大发动机汽缸的进气量，随后加大进油量，使发动机在不增大排量的条件下达到提高功率的目的。

目前，柴油机用涡轮增压器的转子部件支撑形式有外支撑和内支撑两种，外支撑转子是指转子轴的两轴承之间布置压气叶轮和涡轮，内支撑是指压气叶轮和涡轮悬伸在转子轴的两端，或者表述为两轴承布置在压气叶轮和涡轮之间。对于内支撑结构的涡轮增压器，通常叶轮中心采用通孔以与转子部件采取过盈配合连接，对于高压比的压气叶轮由于叶轮外径的线速度增加到叶轮若采用通孔结构形式，其轮背端孔口因为高转速产生的离心应力过大，叶轮可靠性和寿命急剧降低失去应用的可能。从有限元强度分析的结果只有采用螺纹连接的方式，其实施方式通常是在叶轮的轮背后附加一段半径较小的回转体，作为设置螺纹轮毂的实体，实现与转子部件的螺纹连接。因为采用轮背后螺纹连接的结构，布置上容易实现，且设计计算简单，叶轮最大应力的位置可以方便的调整和布置，从而可以设计出结构类似，尺寸不同的轮背结构和螺纹连接方式，但这种连接方式的不足之处是叶轮的轮背后附加一段结构使叶轮轴向尺寸增加，重量增加，转动惯量增大，叶轮加工去除的材料增加，制造成本增加。对于外支撑滚动轴承结构的涡轮增压器，压气叶轮与转子轴的连接主要有以下两种方式，一是在叶轮圆柱内孔设有键槽，转子轴的连接配合处布置键槽，配合凸出的键，叶轮和转子轴通过键和键槽的配合面传递叶轮工作需要的扭矩；二是叶轮内孔为光孔，在叶轮的进口端面上布置环状锥形的凹槽构成弹性槽结构，叶轮内孔与转子轴配合圆柱段采用过盈配合的连接方式，在装配时将叶轮加热膨胀后套在转子轴上，且在套装前对转子轴配合段进行喷砂处理形成粗糙毛面，以提高配合接触面的摩擦系数，达到叶轮与转子轴的扭矩传递目的，环状锥形凹槽使叶轮的进口端与转子轴形成弹性压紧，以改善接触应力的分布状态，提高叶轮的紧固的可靠性和使用寿命。而在内支撑结构的高增压涡轮增压器应用较普遍的叶轮与转子轴的螺纹连接方式在外支撑结构的增压器上没有采用，原因之一是外支撑转子轴的动力学特性对叶轮重量和重心位置比较敏感，同时受限于空间尺寸，叶轮轮背不能加布置螺纹的附加实体；其二是几十年的设计惯例，压气叶轮采用设计为弹性槽过盈配合的结构成为理所当然的行业“设计标准”；其三是螺纹连接是完全非线性的接触问题，有限元分析需要较高的理论基础和实践验证的经验积累。

随着柴油机技术的发展，其设计和制造水平也不断提高。特别是船用柴油机强化程度的不断提高，导致涡轮增压器的压气压力和转速也相应提高，叶轮内孔承受的拉伸应力不断增加。作为结构简单的键槽连接方式由于接触应力大，对应用该扭矩传递方式的涡轮增压器而言已经没有任何安全裕度。虽然采用带有进口端环状锥形凹槽弹性的扭矩传递结构，通过控制配合的过盈量对于使用要求提高的应用环境，叶轮紧固的可靠性是不会受到影响的，但这种结构叶轮需要经过加热才能安装和拆卸，对操作工人的技能要求高，在安装和拆卸过程中容易发生叶轮过烧而造成报废的情况，同时，加热会导致叶轮硬度下降，为防止叶轮在工作过程中疲劳寿命降低，叶轮必须具有足够硬度，因此，一般在安装、拆卸两到三次后，检查叶轮硬度达不到最低硬度要求，就需要对叶轮作报废处理，从而导致用户使用成本增加。

发明内容  本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种连接牢固、扭矩传递可靠、安全裕度大、安装和拆卸不变形、加工简单、操作技能要求低、制造成本低的涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种涡轮增压器压气叶轮与转子轴的连接结构，包括相互固定连接并形成扭矩传递关系的压气叶轮和转子轴，所述压气叶轮的进口端设有螺纹孔，螺纹孔的螺纹旋向与转子轴旋转方向相反，压气叶轮的出口端设有与进口端螺纹孔同轴线且直径大于螺纹孔顶径的定位孔；所述转子轴设有螺纹轴、定位轴，螺纹轴与压气叶轮的螺纹孔配合可在工作时形成自紧定连接，定位轴与压气叶轮的定位孔形成小过盈配合；所述转子轴还设有轴肩，轴肩位于定位轴末端，轴肩的侧面与压气叶轮出口端的端面紧密贴合。