涡轮增压器执行器弹簧应力松弛试验

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引言

由电机、推杆、弹簧、阀杆、衬套等零件组成的增压器执行器是保障涡轮增压器工作在合理转速内的重要控制机构。当增压器压力达到一定限值，在电机作用下，执行器将废气旁通阀打开，部分废气直接流经旁通阀，防止涡轮增压器超速。在执行器中，阀杆与衬套之间会设计一定间隙，以防止受热后阀杆与衬套挤压。执行器弹簧的作用就是弥补这个间隙，防止阀杆与衬套敲击产生噪声。弹簧作为常见的弹性元件，工作过程主要是承受反复加载、卸载的过程，失效模式主要表现为疲劳断裂[1]。然而，用于涡轮增压器执行器的弹簧长期处于压缩和高温的环境中，弹簧受机械应力和热应力的作用，不可避免会产生蠕变或应力松弛现象[2]。研究涡轮增压器执行器弹簧在高温、压缩状态下的应力松弛规律对涡轮增压器执行器弹簧的选材和降低噪声等方面具有重大意义。

1 试验方法和对象

1.1 试验方法

研究发现，弹簧的应力松弛现象受弹簧材料、受力状态、工作时间、工作温度等多方面因素影响。弹簧荷载损失率与初始载荷密切相关，相同作用时间内，初始载荷越大，应力松弛越容易发生[3-4]。本文通过控制弹簧压缩长度来研究弹簧的应力松弛与高温的关系。试验中，采用恒温烤箱对压缩状态下的弹簧进行加热，恒温保持一定时间后，取出弹簧，冷却至室温后，复测弹簧力。

1.2 试验对象

以某涡轮增压器执行器圆柱螺旋弹簧为研究对象，由弹簧手册[5]可知，弹簧的基本参数包括弹簧线径d、弹簧外径D、弹簧内径D1、弹簧中径D2、自由高度H、节距t、螺旋方向等，弹簧参数标注如图1 所示，弹簧的基本参数如表1 所示。

图1 弹簧参数标注图

表1 圆柱螺旋弹簧的基本参数

2 试验结果

2.1 工作时间对应力松弛的影响

将Inconel718 材料圆柱螺旋弹簧压缩至12.4mm，放置于恒温烤箱中，烤箱温度逐渐升高至700 ℃后保持恒温，维持一定时间后，冷却至室温，再压缩至12.4 mm，测量弹簧力。试验结果如图2 所示。

图2 弹簧力与时间关系（700 ℃）

由图2 可知，700 ℃的恒定温度下，1 h 后，弹簧力衰减了55%；32 h 后，弹簧力衰减了85%。由此可见，工作时间越长，弹簧力衰减越多。

将Inconel718 材料圆柱螺旋弹簧压缩至12.4mm，放置于恒温烤箱中，烤箱温度逐渐升高至600 ℃后保持恒温，维持1 h 后，冷却至室温，再压缩至12.4 mm，测量弹簧力。然后，在原弹簧的基础上重复以上试验2 次，试验结果如图3 所示。

由图3 可知，600 ℃的恒定温度下，1 h 后，弹簧力衰减了约35%；2 h 后，弹簧力衰减了约45%；3 h后，弹簧力衰减力度与2 h 后的弹簧衰减力度持平。由此可见，弹簧力衰减主要发生在2 h 内，随着时间推移，弹簧衰减速率逐渐降低。

2.2 工作温度对应力松弛的影响

图3 弹簧力与时间关系（600 ℃）

将Inconel 718 材料圆柱螺旋弹簧压缩至12.4mm，放置于恒温烤箱中，烤箱温度逐渐升高至450 ℃后保持恒温，维持1 h 后，冷却至室温，再压缩至12.4 mm，测量弹簧力。然后，在原弹簧的基础上重复以上试验2次。试验结果如图4 所示。

对比图3 和图4 可知，相同时间内，弹簧的工作温度越高，弹簧力越小，即弹簧应力松弛越明显。

图4 弹簧力与时间关系（450 ℃）

2.3 弹簧材料对应力松弛的影响

将SUS304 材料圆柱螺旋弹簧压缩至12.4 mm，放置于恒温烤箱中，烤箱温度逐渐升高至450 ℃后保持恒温，维持1 h 后，冷却至室温，再压缩至12.4 mm，测量弹簧力。然后，在原弹簧的基础上重复以上试验2 次。试验结果如图5 所示。

图5 SUS304 材料弹簧力与时间关系（450 ℃）

对比图4 和图5 可知，经过3 h 的450 ℃高温试验，Inconel 718 材料圆柱螺旋弹簧的弹簧力衰减了约10%，SUS304 材料圆柱螺旋弹簧的弹簧力衰减了约50%。因此，Inconel 718 材料圆柱螺旋弹簧在450 ℃时的高温应力松弛远小于SUS304 材料圆柱螺旋弹簧。

3 结论

1）相同时间内，弹簧的工作温度越高，弹簧的载荷损失率越大。

2）相同温度下，弹簧的工作时间约长，弹簧的载荷损失率越大。

3）在450℃工作温度下，相同工作时间内，Inconel 718 材料圆柱螺旋弹簧的高温应力松弛远小于SUS304 材料圆柱螺旋弹簧。最终通过整车道路试验，选择Inconel 718 材料圆柱螺旋弹簧作为涡轮增压器执行器弹簧，有效解决了发动机正常工作情况下涡轮增压器执行器敲击噪声的问题。