配合间隙对涡轮增压器运动性能的影响

徐素颖

【摘要】叶轮与壳体之间的安装配合间隙直接影响涡轮增压器特性。按装配合尺寸链是设计与分析工件尺寸的依据。减小叶轮与壳体的安装配合间隙可以提高增压效果。小惯量叶轮是有利增加叶轮的转动速度以及叶轮转动平稳性要求。安装小惯量叶轮的涡轮增压器的特点是体积小，增压性能高。

【关键词】叶轮轴结构

叶轮

配合间隙

运动性能

1介绍

废气涡轮增压器作为一种节能、环保、增效的发动机的辅助进气装置已经受到了极大的重视。涡轮增压器在各类发动机上的的应用都得到了显著的效果。涡轮增压器的应用实践表明，发动机安装了涡轮增压器之后不仅可以提高发动机的功率和机械效率，同时可降低发动机排放的尾气的浓度，提高燃油的燃烧率。

废气涡轮增压器的是利用发动机排放的尾气作为其动力源，不附加任何其他能源。其特点是叶轮轴和叶轮的高转速。改变和控制涡轮增压器的动力输入是进一步提高涡轮增压器性能与适应性的有效途径。

2涡轮增压器叶轮轴的结构与分析

在涡轮增压器叶轮轴的装配图中，废气中的叶轮作为主动叶轮。它与涡轮机壳体组成废气机工作单元。是用耐热合金铸造成型。成型后的叶轮只对其叶片的外轮廓进行加工。叶轮轴的加工是在叶轮与轴焊接之后进行。因此叶轮的加工精度及其与轴的同轴度加工对焊接和后续的精加工都会产生影响。

叶轮轴是按照柔性轴的工作条件设计。轴的工作转速应大于而且不接近于第一阶临界转速。一般取轴的转速大于1.4倍的第一阶临界转速小于0.7倍的第二阶临界转速。在柔性轴的启动过程中，转速从0.8到1.4倍的第一阶临界转速时。由于过渡时间短，所以轴在瞬间发生共振后即趋于平稳转动。此时轴材料自身的阻尼特性对于消除瞬间共振的不利影响方面起着很大的作用。

叶轮轴包括叶轮与轴两个部分。从叶轮大端起始轴的直径逐级减小。轴的最大直径在焊接接口处。最小直径在压气机叶轮安装处。轴的中间段是轴承安装段。轴的最小直径与中间段直径相差较大。轴断裂容易发生在这一过渡处。应采取措施减小应力集中。对于变截面控制输入动力的增压器。要注意在调节输入进气时不要让轴转速在共振区中停留时间过长。

3叶轮轴装配间隙分析

涡轮增压器存在着两个相互分离的装配关系。一个是轴上零件的装配尺寸关系。一个是机体壳体间的装配尺寸关系。两个装配尺寸是相互关联。形成的轴向尺寸决定了叶轮与壳体的间隙。轴承的径向间隙决定叶轮转动的平稳性。

叶轮与壳体的间隙是决定涡轮增压器效率的主要因素。同时影响着涡轮增压器的性能。轴承的间隙决定着叶轮转动平稳性。图2所示是涡轮增压器的装配图。轴是由两个径向滑动和一个推力轴承支承。这两类轴承都是安装在中间壳体上。与中间体的连接只有一个止推轴承的固定支承底板，限定叶轮轴向尺寸与中间体的位置，同时可以确定废气机叶轮的位置。废气机壳体与中间体安装后就确定了叶轮与壳体的配合间隙。

压气机叶轮与壳体的配合间隙的装配确定。这一方向的零件安装在轴的另一端。零件是軸端密封环和叶轮。影响叶轮与壳体间的配合间隙是止推轴承的轴向尺寸和密封环的尺寸、叶轮加工尺寸和形状精度。

涡轮机壳体和叶轮轴的安装装配尺寸链。如图3所示。涡轮增压器的零件是由各个零件生产厂家提供。特别是在涡轮增压器生产相对集中的地区已经形成了专业化零件的制造与生产。零部件的生产已经形成由各个专业化制造厂制造的格局。拥有产品生产许可的整机厂不再靠整体加工的模式生产而是采用专业化协同的方式进行生产。零件的加工质量完全可以达到完全互换装配法的要求。

压器的两个叶轮组成的装配尺寸关系分析。叶轮装配后与壳体的配合间隙是基本要求。根据叶轮轴的轴向定位分析。两个叶轮的装配尺寸链可以分开讨论。图3（a）是压气机端的装配尺寸链。图3（b）废气机端的装配尺寸链。通过装配尺寸链可以看出。涡轮增压器叶轮与壳体的装配关系是简单。参与的工件数量少。理论上讲装配尺寸是容易控制。减小叶轮与壳体问的配合间隙有利于提高涡轮增压器性能。

4叶轮与壳体的配合间隙的确定和叶轮形状的改进

叶轮与壳体的配合间隙选择一直控制在比较大的数值范围内。配合间隙值的选取是以不与相配合的壳体碰撞为前提。由装配尺寸的关系可以计算出装配后叶轮与壳体配合的上下偏差值。设计壳体加工时的最小尺寸大于与叶轮配合尺寸的上偏差。就可以保证在叶轮的转动过程中不与壳体接触。叶轮小端可以控制间隙是原来间隙值的1/4。即叶轮小端轮廓与壳体的间隙保持在O.05-0.1mm。叶轮的大端是位于壳体内部。从叶轮的工作图样可以将叶轮小端面轮廓加工成与壳体具有相同要求的形状。控制这一段的配合间隙就能达到进气的要求。叶轮大端的轮廓与壳体的间隙应采用大间隙。以利于涡轮增压器吸人气体的送出。采用减小叶轮直径和减小轮毂质量的设计方法。采用小惯量叶轮、减小叶轮的转动阻力。小惯量叶轮的转动惯量小动平衡的敏感系数小。因此小惯量叶轮可以用提高叶轮转速的方法来提高增压器的性能。

5结论

废气涡轮增压器叶轮轴的结构直接影响了轴的支承、轴上零件的安装和装配间隙。叶轮轮廓与壳体的配合间隙的适当减小可以减小叶轮的直径。达到减小叶轮惯量的目的。涡轮增压器中的废气机和压气机叶轮与壳体的安装间隙可以通过零件的加工要求得到有效的降低。叶轮的装配尺寸链通过中间壳体上的止推轴承确定了各自的装配关系。简化的装配尺寸链中相互联系的尺寸关系明晰。计算结果表明叶轮与壳体的间隙可以减小。在减小叶轮与壳体间隙的状态下。可以通过减小叶轮小端面与壳体的间隙。提高涡轮增压器的工作效率。