一种双螺杆机械增压器的型线设计

刘厚根，敖方源，李成佳，黄 薇，刘永盛

（中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083）

近年来，我国环境污染越来越严重，石油资源越来越少，国家已把节能、环保作为发展经济的一项重要国策，并且已把它列入汽车产业振兴规划当中。汽油机增压技术已有半个世纪的发展历史，增压器可以提高发动机动力性能，输出功率最多可提高55%[1]。同时，其还可以改善燃油经济性，降低废气排放和实现高原功率补偿。本文在涡轮增压和罗茨式机械增压的基础上，提出了双螺杆式机械增压，并且通过对比，得出了双螺杆机械增压综合性能的技术优越性。本文设计了转子的端面型线，为这种型线在双螺杆机械增压器上的应用提供了理论依据。

1 工作原理

双螺杆机械增压器实质上是一台无油螺杆式空气压缩机，在工作时，依靠两个同步齿轮的相互啮合传动，带动阴阳转子高速连续回转。随着两个螺杆转子的啮合，空间逐渐减小，当压缩到一定程度时，气流由另一侧的出口排出，在这个过程中，空气已经明显压缩，所以属于内压缩方式，气流在排出时更为顺畅。转子与转子之间、转子与壳体之间互不接触，不会因压缩机的运转而产生相互摩擦，传动效率高。

双螺杆机械增压器是直接利用引擎出力来驱动，其可以将高密度空气送入汽缸内以提高引擎的输出功率。其驱动力来自引擎曲轴，一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮，间接将曲轴运转的扭力带动增压器，达到增压目的[2]。增压能够强化发动机的工作过程，即采用双螺杆机械增压器将气体在进入气缸前预先进行压缩，提高发动机的升功率，提高进入气缸的气体密度，使同等功率下，减小气体的体积。在气缸容积不变、内燃机转速恒定的情况下，增压使发动机气缸内的混合气空燃比大幅度上升，有利于提高发动机的热效率。因此，通过对进入气缸的空气进行预压缩，可以提高内燃机的输出功率，从而提高发动机的负荷率，以达到改善动力性能的目的，并相应地减少燃料燃烧产生的有害气体的排放。

2 技术优势

按照增压器的驱动来源不同可以将其主要分为两大类，分别为废气涡轮增压和机械增压。机械增压目前主要包括罗茨式及双螺杆式类型。与废气涡轮增压和罗茨式机械增压相比，双螺杆机械增压具有如下的优势。

2.1 与废气涡轮增压相比

（1）螺杆机械增压可全程提高扭矩与功率，尤其低速扭矩特性更加卓越。

（2）螺杆机械增压具有优良的发动机瞬态加速特性。

（3）螺杆机械增压对排气系统的影响较小，更为环保。

（4）螺杆机械增压使发动机的泵气损失较小。

（5）螺杆机械增压器易于安装，操作性好。

2.2 与罗茨式机械增压相比

（1）螺杆机械增压效率更高，螺杆式机械增压器比罗茨式机械增压器能效平均高30%。

（2）螺杆机械增压适用范围更广。

（3）螺杆机械增压具有较低的噪声和振动。

（4）螺杆机械增压器体积更小，质量更轻[3]。

3 一种双螺杆机械增压器的型线设计

3.1 双螺杆机械增压器转子端面型线组成

螺杆转子型线设计是影响双螺杆机械增压器工作性能的关键因素。本文所采用的阴阳转子齿数比为5:3的型线，是在阴阳转子齿数比为6:4的单边不对称摆线-销齿圆弧型线的基础上，稍做调整所形成的，比齿数比为6:4的螺杆型线具有更大的面积利用系数，更高的容积效率，其综合性能优越，便于加工实现。各段组成齿曲线性质如表1[4]所示。齿数比为6：4的端面型线如图1[4]所示。

表1 单边不对称摆线-销齿圆弧型线的组成齿曲线性质

图1 单边不对称摆线-销齿圆弧型线

这种单边不对称摆线-销齿圆弧型线与原始不对称型线的主要区别在于：采用径向直线AB及DE倒棱修正，去除了原始不对称型线外圆上的摆线形成点，并使摆线IJ的形成点向内移动。另外，将圆弧齿曲线扩大一角度，形成保护角，使摆线CD的形成点I处于阳转子外圆之内，保护了对啮合性能很敏感的摆线形成点,研究中取保护角为5°。修正后，便于转子在加工、安装、运行及储运中保护摆线形成点。限制直线段DE的长度在0.5~2mm的允许范围之内，研究中取DE段的长度为0.625%A（A为两转子的中心距）。处在低压侧的直线段AB的长度，由于不影响气密性，通常从制造工艺出发，使其与圆弧BC光滑过渡[4]。

3.2 双螺杆机械增压器的端面型线方程

本文以奇瑞SQR372内燃机为例，对其采用双螺杆机械增压器的性能变化情况进行计算分析。双螺杆机械增压器的设计增压压力比为πC=1.6，设计目标为：在转速不变的情况下，内燃机最大功率提升20%[5]。确定双螺杆机械增压器阴阳转子中心距A=48mm。运用齿轮啮合原理、微分几何，建立推导出端面型线方程。

由于螺杆转子都是通过一个齿曲线旋转生成，所以只需研究一对啮合的齿即可。本文直接给出转子一对啮合齿的齿曲线参数方程，式中所有长度单位为mm，角度单位为rad，具体推导过程省略。

（1）AB与GH段

（2）BC与HI段

（3）I点与CD段方程

（4）D点与IJ段

（5）DE与JK段

（6）EF与KL段

4 转子端面型线图形

采用Matlab语言绘制出双螺杆机械增压器单边不对称摆线-销齿圆弧型线的参数方程图形，通过程序计算得到一对啮合的阴阳转子型线，如图2所示。

图2 阴阳转子型线图

根据计算，其面积利用系数为0.495 6，比传统阴阳转子齿数比为6:4的型线的面积利用系数为0.469 6高出5.54%。

5 结束语

本文介绍了双螺杆机械增压器的工作原理及在增压方面的技术优势,设计了一种双螺杆机械增压器的转子型线。型线采用单边不对称摆线-销齿圆弧型线，给出其一对啮合齿曲线的参数方程。通过Matlab语言编程绘图验证了所得齿曲线参数方程的正确性。该端面型线参数方程的建立为后期的螺杆转子加工提供了理论依据，是推导螺旋齿面方程及设计刀具的基础。由于篇幅所限,以后还将对该型线的性能作全面的分析及优化,对螺旋齿面方程进行讨论。

[1]刘厚根.机械增压器的研究现状与开发建议[J].车用发动机，2004（10）：1-3.

[2]CorkyBell.Supercharged:design，testing and installation of supercharger systems[M].Bentley Publishers，2001.

[3]曾宪龙，何志龙，邢子文.双螺杆机械增压器现状及其发展趋势[J].流体机械，2011（08）：38-43.