专利名称：可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置的制作方法
技术领域：
可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置技术领域[0001]本实用新型涉及一种试验装置，尤其涉及一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置。
背景技术：
[0002]涡轮增压是内燃机强化、节能、环保的最重要技术措施之一。与自然进气内燃机相比，采用先进的可变几何润轮增压器，Variable Geometry Turbocharger,简称VGT,尤其是其主要形式的可变喷嘴环润轮增压器，Variable Nozzle Turbocharger,简称VNT,可以进一步提高性能，可实现节能汽油机10% 20%和柴油机20% 40%的目标，配合其他技术手段可达到欧IV、欧V和欧VI的排放水平。与混合动力和电动汽车技术相比，涡轮增压技术成本优势明显。随着国IV以上汽车排放标准的实施，第一代普通涡轮增压器、第二代旁通放气涡轮增压器将逐步退出汽车市场，第三代可变喷嘴环涡轮增压器应用将日益广泛。[0003]喷嘴环是可变喷嘴环涡轮增压器的核心部件，其气动热力性能对可变喷嘴环涡轮增压器涡轮级性能有重要影响，其可靠性基本上决定着可变喷嘴环涡轮增压器的寿命。喷嘴环的工作环境与航空燃气涡轮发动机的涡轮叶片相似，即在高温、高压、高速且具有一定腐蚀性的燃气中工作，但其工况变化频繁、工作温度较低，目前最高温度一般小于1050°C， 叶片绕自己的旋转轴旋转摆动。喷嘴环恶劣的工作环境与较高的制造精度要求，对其材料品质、加工工艺、试验检测提出了很高的要求。目前一般采用高温静态试验方法进行喷嘴环可靠性考核，但喷嘴环实际工作状态是运动的，静止状态和运动状态下材料内应力与承受外力均不同，仅满足高温条件，不能真实的反映喷嘴环实际的工作状态，测试的准确性和可信性很差，不能为新产品研发提供实验依据。[0004]此外，目前车用涡轮增压器的可靠性试验一般在专用试验台上按照有关标准进行，也可以安装在发动机上与发动机一起进行可靠性试验。由于国内刚刚开始研发可变几何涡轮增压器，缺乏相关的可靠性试验装置，严重影响了可变几何涡轮增压器产品的开发与应用。实用新型内容[0005]本实用新型的目的是提供一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置解决现有技术中存在的采用高温静态进行喷嘴环可靠性考核，但喷嘴环实际工作状态是运动的，静止状态和运动状态下材料内应力与承受外力均不同，仅满足高温条件，不能真实的反映喷嘴环实际的工作状态，测试的准确性和可信性很差，不能为新产品研发提供实验依据的问题。[0006]本实用新型的技术解决方案是[0007]一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，包括步进电机、传动机构、程控炉和单片机,所述单片机连接所述步进电机,所述步进电机连接所述传动机构，[0008]步进电机作为动力源，通过带动传动机构为试验模拟实境中的运动状态提供动力；[0009]传动机构通过带动连接的夹具，使夹具夹持的试验嗔嘴环运动，为试验提供I旲拟实境的运动状态；[0010]程控炉通过调节程控炉内的温度、压力、气体组成，包括注入气体、烟尘或悬浮颗粒，为试验提供模拟环境；[0011]单片机控制试验装置的运行状态，并调节控制装置的模拟环境与试验喷嘴环的运动状态。[0012]进一步改进在于所述传动机构为偏心轮滑块机构，所述传动机构包括曲柄、连杆和滑块，所述步进电机连接所述连杆的一端，所述连杆的另一端连接有夹具，所述夹具设于所述程控炉内。[0013]进一步改进在于所述步进电机通过联轴器连接所述连杆。进一步改进在于所述传动机构设有速度传感器、力传感器和位移传感器。[0015]进一步改进在于所述程控炉内设有温度传感器和压力传感器。[0016]进一步改进在于所述速度传感器、力传感器、位移传感器、温度传感器和压力传感器均连接所述单片机。[0017]进一步改进在于所述程控炉设有进气接口和排气接口，所述进气接口设有单向阀，所述排气接口设有溢流阀。[0018]一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，能够根据涡轮增压器喷嘴环实际工作载荷谱，即速度谱或设计技术要求模拟喷嘴环实际工作环境状态，即模拟汽车排放高温、高压气体环境下，使喷嘴环叶片绕其旋转中心做往复旋转摆动。从而更加真实、准确的测试和反映出喷嘴环质量和性能的可靠性，为研发和制造质量更加可靠、性能更加优越的新型喷嘴环奠定了坚实的基础。[0019]一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，使用步进电机作为动力源，用单片机作为程序载体，编写程序自由控制步进电机运动的速度以及时间，通过偏心轮滑块机构传递力和速度，使用夹具来固定待测喷嘴环，采用程控炉作为控温装置，且炉盖以及连杆通过处均装有高压密封圈，此外增加单向阀、溢流阀等装置，使其具有可靠的注气和排气接口，并且在传动机构的连杆处、终端，即涡轮增压器喷嘴环，安装了应变式力传感器，可以在试验全程实时获得负载和行程的具体数据。[0020]本实用新型的传动机构通过极位夹角和行程速度变化系数参数值来控制，没有急回特性，这保证了速度的均匀变化，为了保证传动时轻便省力，效率高，本实用新型采用了较小的压力角和较大的传动角，为了减小摩擦阻力，本实用新型的滑块部分采用铜和铝为材料，经过机加工后抛光制成，因此保证了较小的摩擦系数。因此，本实用新型的传动机构具有良好的传动性能和较高的传动效率。[0021]在试验中，经过高温和时间的共同作用，涡轮增压器喷嘴环各组件会发生形变，组件间的配合间隙也随之发生变化，因此试验过程中负载以及运动行程均会发生变化，为了实时检测负载以及行程具体数据，本实用新型在传动机构的连杆处和终端，即涡轮增压器喷嘴环，安装了应变式力传感器，可以在试验全程实时获得负载和行程的具体数据。[0022]本实用新型控制温度的部分采用程控炉，用于试验中加热时间和温度的自动控制，时间和温度控制准确，能克服测定中温度过冲现象，且炉内加高压密封圈和单向阀，保证炉内气体压强最大可达两个标准大气压，即2. 02X 10 Pa,内壁采用防火材料，具有耐高温、耐压和耐腐蚀的优点。本实用新型设有轻触薄膜面板按键输入信息和数据，操作方便，可靠性高，是准确理想的测控仪器，控温准确，升温速度快，定时方便，操作简单，对时间和温度等参数可进行程序化控制。[0023]本实用新型的有益效果是本实用新型可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，根据喷嘴环实际工作载荷谱或设计技术要求编程控制喷嘴环叶片运动速度与试验时间，可编程控制与调节试验温度，可更换实验炉内部环境气体，能够最大程度模拟喷嘴环实际工作状态，实现喷嘴环可靠性试验考核，从而满足高性能、高可靠性喷嘴环的生产技术要求，为喷嘴环研发、生产提供生产与质量保证条件。本实用新型一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，可应用于现有普通涡轮增压器试验台架上，结构设计合理，操作简便，运行稳定，一次可连续稳定运行上千小时，保障了实际生产喷嘴环质量和性能的可靠性，也为研发质量和性能更加优越的新型喷嘴环奠定坚实基础。
[0024]图I是本实用新型一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置的结构示意图；[0025]图2是传动结构的偏心轮滑块机构的说明图；[0026]其中1_步进电机，2-单片机，3-传动机构，4-速度传感器，5-连杆，6-滑块，7-力传感器，8-位移传感器，9-夹具，10-进气接口，11-排气接口，12-温度传感器，13-压力传感器，14-程控炉，15-联轴器，16-机架，30-曲柄，31-转动副一，32-转动副二，33-转动副二，34-移动副。
具体实施方式
[0027]
以下结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。[0028]如 图I和图2所示，实施例提供一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置， 包括步进电机I、传动机构3、程控炉14和单片机2，所述单片机2连接所述步进电机1，所述步进电机I连接所述传动机构3,步进电机I作为动力源,通过带动传动机构3为试验模拟实境中的运动状态提供动力；传动机构3通过带动连接的夹具9,使夹具9夹持的试验喷嘴环运动，为试验提供模拟实境的运动状态；通过调节程控炉14内的温度、压力、气体组成，包括注入气体、烟尘或悬浮颗粒，为试验提供模拟环境；单片机2控制试验装置的运行状态，并调节控制装置的模拟环境与试验喷嘴环的运动状态，所述传动机构3为偏心轮滑块机构，所述传动机构3包括曲柄30、连杆5和滑块6，所述步进电机I连接所述连杆5的一端，所述连杆5的另一端连接有夹具9，所述夹具9设于所述程控炉14内，所述步进电机 I通过联轴器15连接所述连杆5，所述传动机构3设有速度传感器4、力传感器7和位移传感器8，所述程控炉14内设有温度传感器12和压力传感器13，所述速度传感器4、力传感器7、位移传感器8、温度传感器12和压力传感器13均连接所述单片机2，所述程控炉14设有进气接口 10和排气接口 11，所述进气接口 10设有单向阀，所述排气接口 11设有溢流阀。[0029]一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，能够根据涡轮增压器喷嘴环实际工作载荷谱，即速度谱或设计技术要求模拟喷嘴环实际工作环境状态，即模拟汽车排放高温、高压气体环境下，使喷嘴环叶片绕其旋转中心做往复旋转摆动。从而更加真实、准确的测试和反映出喷嘴环质量和性能的可靠性，为研发和制造质量更加可靠、性能更加优越的新型喷嘴环奠定了坚实的基础。[0030]一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，使用步进电机I作为动力源， 用89C51单片机作为程序载体，编写程序自由控制步进电机I运动的速度以及时间，通过偏心轮滑块机构传递力和速度，使用夹具9来固定待测喷嘴环，采用程控炉14作为控温装置， 且炉盖以及连杆5通过处均装有高压密封圈，此外增加单向阀、溢流阀等装置，使其具有可靠的注气和排气接口，并且在传动机构3的连杆5处、终端，即涡轮增压器喷嘴环，安装了应变式力传感器，可以在试验全程实时获得负载和行程的具体数据。[0031 ] 其中，实施例传动机构3采用偏心轮滑块机构，包括曲柄30、连杆5、滑块6和机架 16，偏心轮滑块机构是由曲柄摇杆机构演变而来，具有结构简单，阻尼小，运行平稳的特点。 偏心轮滑块机构的运动副包括转动副一 31、转动副二 32、转动副三33和移动副34，实施例的四个运动副均为低副，下面对偏心轮滑块机构自由度进行分析计算[0032]机构具有确定运动的独立运动参数称为机构的自由度。每个作平面运动的自由构件具有3个自由度，设 一个平面机构由N个构件组成，其中必有一个构件为机架，则活动构件数为n=N-l，在未组成运动副之前，共有3n个自由度，用运动副联接后便引入了约束，减少了自由度。每引入一个活动构件，就增加3个自由度，每引入一个低副就约束掉2个自由度，每引入一个高副就约束掉I个自由度，由各个构件通过平面运动副联接所组成的平面机构的自由度应该等于机构中所有活动构件的总自由度数减去该机构所包括的各运动副所提供的总约束条件数，若机构中共有P ^个低副、P &个高副，则平面机构的自由度F的计算公式为[0033]F=3n_2 Pj-P^[0034]其中，η为活动构件数，P I为低副数，P &为高副数。[0035]由上式可知，机构自由度的数目取决于活动构件数和运动副类型与数目。实施例中偏心轮滑块机构包括3个活动构件和4个低副，因此，偏心轮滑块机构的自由度数为[0036]F=3n-2 Pl-Pi =3 X 3-2 X 4-0=1[0037]由此可知，在偏心轮滑块机构中只要给定一个独立参数Θ，即角位置，用以确定原动件，即曲柄30，的相对位置后，则机构中其他活动构件的相对位置也即确定。因此，当原动件，即曲柄30，的运动规律已知时，则其他活动构件的运动规律也随之确定。所以，该偏心轮滑块机构具有确定的相对运动。[0038]该偏心轮滑块机构由于曲柄30为原动件,因此不会存在死点位置，因此在运动过程中不会出现卡死现象。由于叶片的打开与关闭要求自由流畅，速度变化呈流线型，因此实施例的传动机构3通过极位夹角和行程速度变化系数参数值来控制，没有急回特性，这保证了速度的均匀变化，为了保证传动时轻便省力，效率高，实施例采用了较小的压力角和较大的传动角，为了减小摩擦阻力，实施例的滑块6采用铜和铝为材料，经过机加工后抛光制成，因此保证了较小的摩擦系数。因此，实施例的传动机构3具有良好的传动性能和较高的传动效率。[0039]在试验中，经过高温和时间的共同作用，涡轮增压器喷嘴环各组件会发生形变，组件间的配合间隙也随之发生变化，因此试验过程中负载以及运动行程均会发生变化，为了实时检测负载以及行程具体数据，实施例在传动机构的连杆处和终端，即涡轮增压器喷嘴环，安装了应变式力传感器，可以在试验全程实时获得负载和行程的具体数据。[0040]实施例控制温度的部分采用程控炉14，用于试验中加热时间和温度的自动控制， 时间和温度控制准确，能克服测定中温度过冲现象，且炉内加高压密封圈和单向阀，保证炉内气体压强最大可达两个标准大气压，即2. 02X10 Pa,内壁采用防火材料，具有耐高温、耐压和耐腐蚀的优点。[0041]实施例的有益效果是实施例可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，具有成本低，精度高、体积小、控制方便灵活等优点，能够根据喷嘴环实际工作载荷谱或设计技术要求编程控制喷嘴环叶片运动速度与试验时间，可编程控制与调节试验温度，可更换实验炉内部环境气体，能够最大程度模拟喷嘴环实际工作状态，实现喷嘴环可靠性试验考核， 从而满足高性能、高可靠性喷嘴环的生产技术要求，为喷嘴环研发、生产提供生产与质量保证条件。实施例一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，结构设计合理，操作简便，运行稳定，一次可连续稳定运行上千小时，保障了实际生产喷嘴环质量和性能的可靠性，也为研发质量和性能更加优越的新型喷嘴环奠定坚实基础。[0042]本实用新型可推广用于各种可变几何涡轮增压器实验设施以及相关用途的实验测试设备中。本实用新型·并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
权利要求1.一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，其特征在于，包括步进电机(I)、 传动机构(3)、程控炉(14)和单片机(2)，所述单片机(2)连接所述步进电机(1)，所述步进电机(I)连接所述传动机构(3 )，步进电机(I):作为动力源，通过带动传动机构(3)为试验模拟实境中的运动状态提供动力；传动机构(3):通过带动连接的夹具(9)，使夹具(9)夹持的试验喷嘴环运动，为试验提供模拟实境的运动状态；程控炉(14):通过调节程控炉(14)内的温度、压力、气体组成，包括注入气体、烟尘或悬浮颗粒，为试验提供模拟环境；单片机(2):控制试验装置的运行状态，并调节控制装置的模拟环境与试验喷嘴环的运动状态。
2.如权利要求I所述的可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，其特征在于，所述传动机构(3 )为偏心轮滑块机构，所述传动机构(3 )包括曲柄(30 )、连杆(5 )和滑块(6 )， 所述步进电机(I)连接所述连杆(5 )的一端，所述连杆(5 )的另一端连接有夹具(9 )，所述夹具(9)设于所述程控炉(14)内。
3.如权利要求2所述的可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，其特征在于，所述步进电机(I)通过联轴器(15)连接所述连杆(5 )。
4.如权利要求I所述的可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，其特征在于，所述传动机构(3 )设有速度传感器(4 )、力传感器(7 )和位移传感器(8 )。
5.如权利要求4所述的可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，其特征在于，所述程控炉(14 )内设有温度传感器(12 )和压力传感器(13 )。
6.如权利要求5所述的可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，其特征在于，所述速度传感器(4)、力传感器(7)、位移传感器(8)、温度传感器(12)和压力传感器(13)均连接所述单片机(2)。
7.如权利要求1-6任一项所述的可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，其特征在于，所述程控炉(14)设有进气接口( 10)和排气接口( 11 )，所述进气接口( 10)设有单向阀，所述排气接口( 11)设有溢流阀。
专利摘要本实用新型提供一种可变几何涡轮增压器喷嘴环可靠性试验装置，该种试验装置包括步进电机、传动机构、程控炉和单片机，程控炉为试验提供模拟环境；单片机控制试验装置的运行状态，并调节控制装置的模拟环境与试验喷嘴环的运动状态；本实用新型能够根据喷嘴环实际工作要求编程控制喷嘴环叶片运动速度与试验时间，可编程控制调节试验温度，可更换实验炉内部环境气体，能够最大程度模拟喷嘴环实际工作状态，实现其可靠性试验考核，从而满足高性能、高可靠性喷嘴环的生产技术要求，也为研发质量和性能更加优越的喷嘴环奠定坚实基础。同时该种试验装置可推广用于各种可变几何涡轮增压器实验台架以及相关用途的实验测试设备中。
文档编号G01M13/00GK202735083SQ20122042940
公开日2013年2月13日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者黄若, 张景辉, 钟敏 申请人:常州诚欧动力科技有限公司