增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法与连接结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法与连接结构，根据涡轮转轴的结构参数、工作温度和最大工作扭矩以及涡轮叶轮和转轴材料的热膨胀系数，通过合理设计涡轮转轴的圆锥螺纹连接结构参数和装配工艺参数，进行涡轮叶轮的圆锥外螺纹、180°过渡圆弧与A端面以及转轴的圆锥内螺纹与B端面的加工，采取加热转轴圆锥内螺纹部位的措施，按照确定的拧紧力矩，通过螺纹旋紧将涡轮叶轮与转轴装配在一起，然后再按照涡轮转轴的结构参数，对完成圆锥螺纹装配的涡轮转轴进行其他部位的加工。本发明可实现增压器涡轮叶轮与转轴之间的可靠连接，能够满足增压器涡轮转轴的连接强度要求，而且工艺过程简单，易于实现工程化应用。
【专利说明】增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法与连接结构
【技术领域】
[0001]本发明属于车用涡轮增压【技术领域】，具体涉及一种增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法与连接结构。
【背景技术】
[0002]涡轮转轴是涡轮增压器的关键部件之一，由涡轮叶轮和转轴连接而成。由于涡轮转轴在工作过程中高速旋转，涡轮叶轮与转轴的连接强度不仅影响着涡轮转轴的可靠性，而且影响着整个涡轮增压器的可靠性。目前，车用涡轮增压器的涡轮叶轮主要采用铸造镍基高温合金K418材料，转轴采用42CrMo合金钢材料。对于由K418合金制造的涡轮叶轮和42CrMo合金钢制造的转轴，工程中普遍采用摩擦焊接、电子束焊接等工艺实现涡轮转轴的可靠连接。但是，由于K418合金的密度为8.9X103kg / m3，由K418合金制造的涡轮叶轮转动惯量比较大，发动机在起动和加速时的冒黑烟现象较为严重。
[0003]为降低涡轮增压器转子的转动惯量，减弱发动机在起动/加速时的冒黑烟现象，车用增压器涡轮叶轮可以采用比强度较高的铸造钛铝合金材料。钛铝合金的密度为
3.87X 103kg / m3，约为K418合金密度的43%，同时，钛铝合金具有良好的高温性能和抗氧化性能，采用钛铝合金制造的增压器涡轮叶轮，能够有效地降低涡轮增压器转子的转动惯量，提高涡轮增压发动机的瞬态响应性，改善发动机性能。由于钛铝合金材料属于金属间化合物，采用常规的焊接方法，很难实现钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴之间的可靠连接，难以满足车用增压器涡轮转轴的连接强度要求。
[0004]在增压器涡轮转轴连接方面，专利号分别为97125874.0和200810110548.6的两个专利公开了一种采用机械过盈连接方法实现钛铝合金涡轮与42CrMo合金转轴连接的技术途径。专利号为201310166758.8的专利公开了一种采用过盈螺纹和销钉防松动相结合的涡轮叶轮与转轴连接方法与连接结构，该连接方法与连接结构可以实现涡轮转轴的可靠连接，但是存在钛铝涡轮叶轮内螺纹以及销钉孔加工难度大的问题。专利号为201310250054.9的专利公开了一种钛铝涡轮和转轴的双圆弧自锁过盈螺纹连接方法与结构，该连接方法与连接结构可以实现涡轮转轴的可靠连接，但是存在钛铝涡轮叶轮双圆弧内螺纹加工难度大、螺纹过盈量难以有效保证等问题。专利号为201310294220.5的专利公开了一种钛铝涡轮叶轮与转轴的通孔连接方法与连接结构，该连接方法与连接结构可以实现涡轮转轴的可靠连接，但是钛铝涡轮叶轮中心需要加工通孔，这会造成涡轮叶轮心部强度的显著降低。专利号为201310384372.4的专利公开了一种钛铝增压器涡轮转轴的螺纹过盈锁紧连接方法与连接结构，该连接方法与连接结构也可以实现涡轮转轴的可靠连接，但是螺纹的过盈量加工难度大，且在涡轮转轴上需要安装销钉，加大了涡轮转轴的动平衡难度。
【发明内容】
[0005]本发明针对增压器涡轮叶轮与转轴之间的连接问题，提出一种增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法与连接结构。通过合理设计涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接结构参数以及装配工艺参数，能够实现增压器涡轮叶轮与转轴之间的持久可靠连接，满足增压器涡轮转轴的连接强度要求。
[0006]本发明的技术方案:
[0007]一种增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接结构，包括增压器涡轮叶轮2和转轴1，其特征在于:所述转轴I采用圆锥内螺纹，所述涡轮叶轮与转轴螺纹配合部分采用圆锥外螺纹，从涡轮端看所述圆锥螺纹的旋向与涡轮转轴工作时的转动方向相同，圆锥螺纹的锥度Θ为4-10°，所述涡轮叶轮的背盘与螺纹过渡部分有180°过渡圆弧，涡轮叶轮A端面与转轴B端面之间有间隙，间隙大小为1-3倍螺纹螺距。
[0008]优选转轴I上圆锥内螺纹的螺纹长度为0.6-1.2倍螺纹公称直径，螺距为0.05-0.08倍螺纹公称直径。此范围的螺纹长度和螺距有利于装配的牢固。
[0009]优选涡轮叶轮2与转轴螺纹配合部分采用的圆锥外螺纹的长度比转轴I上圆锥内螺纹的螺纹长度小1-2倍螺距，便于装配。
[0010]一种增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法，包括以下步骤:
[0011]a、确定涡轮转轴的圆锥螺纹连接结构参数:根据涡轮转轴的结构参数，确定涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接结构参数，转轴采用圆锥内螺纹，螺纹长度为0.6-1.2倍螺纹公称直径；涡轮叶轮采用圆锥外螺纹，外螺纹长度比转轴内螺纹长度小1-2倍螺距，螺距为0.05-0.08倍螺纹公称直径；圆锥螺纹的锥度角Θ为4-10° ;从涡轮端看，螺纹旋向与涡轮转轴转动方向相同；涡轮叶轮的背盘与圆锥外螺纹之间有180°过渡圆弧，涡轮叶轮A端面与转轴B端面之间有间隙，间隙大小为1-3倍螺纹螺距；
[0012]b、确定涡轮转轴的圆锥螺纹装配工艺参数:根据涡轮叶轮和转轴材料的热膨胀系数以及涡轮转轴的结构参数、工作温度和最大工作扭矩，确定涡轮叶轮与转轴在螺纹装配过程中的拧紧力矩以及转轴圆锥内螺纹部位的加热温度；
[0013]C、涡轮叶轮圆锥外螺纹和180°过渡圆弧以及A端面的加工:按照步骤a中确定的涡轮叶轮圆锥螺纹连接结构参数，加工涡轮叶轮的圆锥外螺纹、180°过渡圆弧以及A端面；
[0014]d、转轴圆锥内螺纹与B端面的加工:按照步骤a中确定的转轴圆锥螺纹连接结构参数，加工转轴圆锥内螺纹与B端面；
[0015]e、涡轮叶轮与转轴的螺纹装配:采取加热转轴圆锥内螺纹部位的措施，按照步骤b中确定的拧紧力矩，通过螺纹旋紧将涡轮叶轮与转轴装配在一起；
[0016]f、按照涡轮转轴的结构参数，对完成圆锥螺纹装配的涡轮转轴进行其他部位的加工。
[0017]本发明的有益效果是:
[0018]增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法与连接结构，通过合理设计涡轮叶轮与转轴圆锥螺纹的结构参数与装配工艺参数，可以实现增压器涡轮转轴的可靠连接，能够解决钛铝合金涡轮叶轮与42CrMo合金转轴之间连接问题。采用圆锥螺纹连接结构以及在装配过程中采取加热内螺纹部位和控制拧紧力矩的措施可以有效地实现螺纹的过盈连接，保证涡轮转轴的连接强度。涡轮叶轮采用圆锥外螺纹可以更好地保证涡轮叶轮在工作过程中受热后，螺纹连接部位不松脱。在涡轮叶轮的轮背与螺纹段之间采用180°过渡圆弧，可以避免产生局部应力集中。涡轮转轴在完成过螺纹装配的基础上，再进行其他部位的加工，可以提高涡轮转轴的整体加工精度。该连接方法与连接结构简单易行，连接强度持久可靠，能够满足车用增压器涡轮转轴的工程化应用需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是增压器涡轮转轴的圆锥螺纹连接结构示意图。
[0020]I转轴2涡轮叶轮
【具体实施方式】
[0021]一种增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接结构，包括增压器涡轮叶轮和转轴，其特征在于，所述转轴采用圆锥内螺纹，螺纹长度为0.6-1.2倍螺纹公称直径，螺距为
0.05-0.08倍螺纹公称直径，所述涡轮叶轮与转轴螺纹配合部分有圆锥外螺纹，圆锥外螺纹的长度比转轴内螺纹长度小1-2倍螺距，从涡轮端看所述圆锥螺纹的旋向与涡轮转轴工作时的转动方向相同，圆锥螺纹的锥度角Θ为4-10°，所述涡轮叶轮的背盘与螺纹过渡部分有180°过渡圆弧，涡轮叶轮A端面与转轴B端面之间有间隙，间隙大小为1-3倍螺纹螺距。
[0022]一种增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法，包括以下步骤:
[0023]a、确定涡轮转轴的圆锥螺纹连接结构参数。根据涡轮转轴的结构参数，确定涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接结构参数，转轴采用圆锥内螺纹，螺纹长度为0.6-1.2倍螺纹公称直径，螺距为0.05-0.08倍螺纹公称直径；涡轮叶轮采用圆锥外螺纹，外螺纹长度比转轴内螺纹长度小1-2倍螺距；螺纹锥度角Θ为4-10°，从涡轮端看，螺纹旋向与涡轮转轴转动方向相同；涡轮叶轮的背盘与圆锥外螺纹之间有180°过渡圆弧，涡轮叶轮A端面与转轴B端面之间有间隙，间隙大小为1-3倍螺纹螺距，如图1所示。例如，对于涡轮叶轮直径为Φ95πιπι、转轴与轴承接触部位的直径为Φ 14mm、从涡轮端看转动方向为左旋的涡轮转轴，转轴的圆锥内螺纹尺寸参数为ZM18X1-H7H7-LH，内螺纹长度为18mm，锥度Θ为8°，涡轮叶轮的圆锥外螺纹尺寸参数为ZM18X l-p6p6-LH，外螺纹长度为15mm，涡轮叶轮背盘与外螺纹之间的180°过渡圆角为Rl.5，涡轮叶轮A端面与转轴B端面之间的间隙为2mm。
[0024]b、确定涡轮转轴的圆锥螺纹装配工艺参数。根据涡轮叶轮和转轴材料的热膨胀系数以及涡轮转轴的结构参数、工作温度和最大工作扭矩，确定涡轮叶轮与转轴在螺纹装配过程中的拧紧力矩以及转轴圆锥内螺纹部位的加热温度；例如，对于涡轮叶轮直径为Φ95πιπι、转轴与轴承接触部位的直径为Φ 14mm、涡轮叶轮表面工作温度为750°C、最大工作扭矩为60N.m，涡轮叶轮材料为钛铝合金、转轴材料为42CrMo合金的增压器涡轮转轴，涡轮叶轮与转轴在螺纹装配过程中转轴圆锥内螺纹部位的加热温度为550°C，拧紧力矩为150N.m。
[0025]C、涡轮叶轮圆锥外螺纹、180°过渡圆弧以及A端面的加工，按照步骤a中确定的涡轮叶轮圆锥螺纹连接结构参数，加工涡轮叶轮的圆锥外螺纹、180°过渡圆弧以及A端面；
[0026]d、转轴圆锥内螺纹与B端面的加工，按照步骤a中确定的转轴圆锥螺纹连接结构参数，加工转轴圆锥内螺纹与B端面；
[0027]e、涡轮叶轮与转轴的螺纹装配，采取加热转轴圆锥内螺纹部位的措施，按照步骤b中确定的拧紧力矩，通过螺纹旋紧将涡轮叶轮与转轴装配在一起。
[0028]f、按照涡轮转轴的结构参数，对完成圆锥螺纹装配的涡轮转轴进行其他部位的加工。
[0029]对于涡轮叶轮直径为Φ95πιπι、转轴与轴承接触部位的直径为Φ 14mm、从涡轮端看转动方向为左旋、涡轮叶轮表面工作温度为750°C、最大工作扭矩为60N.m、涡轮叶轮材料为钛铝合金、转轴材料为42CrMo合金的增压器涡轮转轴，优选涡轮转轴的圆锥螺纹连接结构参数为:转轴的圆锥内螺纹尺寸参数为ZM18X1-H7H7-LH，内螺纹长度为18mm，螺纹锥度角Θ为8°，涡轮叶轮的圆锥外螺纹尺寸参数为ZM18Xl-p6p6-LH，外螺纹长度为15_，涡轮叶轮背盘与外螺纹之间的180°过渡圆角为Rl.5，涡轮叶轮A端面与转轴B端面之间的间隙为2_。涡轮叶轮与转轴在螺纹装配过程中优选的装配工艺参数为:转轴圆锥内螺纹部位的加热温度为400°C _600°C，拧紧力矩为120N.m-200N.m。
【权利要求】
1.一种增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法，包括以下步骤: a、确定涡轮转轴的圆锥螺纹连接结构参数:根据涡轮转轴的结构参数，确定涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接结构参数，转轴采用圆锥内螺纹，螺距为0.05-0.08倍螺纹公称直径，螺纹长度为0.6-1.2倍螺纹公称直径；涡轮叶轮采用圆锥外螺纹，外螺纹长度比转轴内螺纹长度小1-2倍螺距；螺纹锥度角Θ为4-10° ;从涡轮端看，螺纹旋向与涡轮转轴转动方向相同；涡轮叶轮的背盘与圆锥外螺纹之间有180°过渡圆弧，涡轮叶轮A端面与转轴B端面之间有间隙，间隙大小为1-3倍螺纹螺距； b、确定涡轮转轴的圆锥螺纹装配工艺参数:根据涡轮叶轮和转轴材料的热膨胀系数以及涡轮转轴的结构参数、工作温度和最大工作扭矩，确定涡轮叶轮与转轴在螺纹装配过程中的拧紧力矩以及转轴圆锥内螺纹部位的加热温度； C、涡轮叶轮圆锥外螺纹和180°过渡圆弧以及A端面的加工:按照步骤a中确定的涡轮叶轮圆锥螺纹连接结构参数，加工涡轮叶轮的圆锥外螺纹、180°过渡圆弧以及A端面； d、转轴圆锥内螺纹与B端面的加工:按照步骤a中确定的转轴圆锥螺纹连接结构参数，加工转轴的圆锥内螺纹与B端面； e、涡轮叶轮与转轴的螺纹装配:采取加热转轴圆锥内螺纹部位的措施，按照步骤b中确定的拧紧力矩，通过螺纹旋紧将涡轮叶轮与转轴的装配在一起； f、按照涡轮转轴的结构参数，对完成圆锥螺纹装配的涡轮转轴进行其他部位的加工。
2.根据权利要求1所述的增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接方法，其特征在于:在步骤e中，转轴圆锥内螺纹部位的加热温度为400°C _600°C，拧紧力矩为120N.m-200N.m。
3.一种增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接结构，包括增压器涡轮叶轮(2)和转轴(1)，其特征在于:所述转轴(I)采用圆锥内螺纹，所述涡轮叶轮与转轴螺纹配合部分采用圆锥外螺纹，从涡轮端看所述圆锥螺纹的旋向与涡轮转轴工作时的转动方向相同，圆锥螺纹的锥度角Θ为4-10。，所述涡轮叶轮的背盘与螺纹过渡部分有180°过渡圆弧，涡轮叶轮A端面与转轴B端面之间有间隙，间隙大小为1-3倍螺纹螺距。
4.根据权利要求3所述的增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接结构，其特征在于:所述转轴(I)上圆锥内螺纹的螺纹长度为0.6-1.2倍螺纹公称直径，螺距为0.05-0.08倍螺纹公称直径。
5.根据权利要求4所述的增压器涡轮叶轮与转轴的圆锥螺纹连接结构，其特征在于:所述涡轮叶轮(2)与转轴螺纹配合部分采用的圆锥外螺纹的长度比转轴(I)上圆锥内螺纹的螺纹长度小1-2倍螺距。
【文档编号】B23P11/02GK103846613SQ201410055009
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月12日 优先权日:2014年2月12日
【发明者】王正, 王增全, 王晋伟, 张继忠, 王阿娜, 门日秀, 郭凯 申请人:中国北方发动机研究所(天津)