鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接方法與連接結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接結構和連接方法，連接結構包括鈦鋁渦輪(2)、42CrMo合金轉軸(1)和彈性圓柱鎖緊銷釘(3)，所述鈦鋁渦輪(2)端部有外螺紋，從渦輪端看外螺紋旋向與渦輪葉輪旋向相同；所述42CrMo合金轉軸(1)端部有與鈦鋁渦輪(2)端部外螺紋過盈配合的內螺紋；所述鈦鋁渦輪(2)和42CrMo合金轉軸(1)的配合部位開有供彈性圓柱鎖緊銷釘(3)裝配的銷釘孔，所述銷釘孔與42CrMo合金轉軸的軸向夾角為15°-30°，可實現(xiàn)鈦鋁合金增壓器渦輪葉輪與42CrMo合金轉軸之間的持久可靠連接，且工藝過程簡單、易于實現(xiàn)工程化，能夠滿足增壓器渦輪轉軸的連接強度要求。
【專利說明】鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接方法與連接結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于車用渦輪增壓【技術領域】，具體涉及一種鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接方法與連接結構。
【背景技術】
[0002]渦輪轉軸是車用渦輪增壓器的核心部件之一，由渦輪和轉軸連接而成。目前，車用柴油機渦輪增壓器的渦輪普遍采用鑄造鎳基高溫合金K418 (該材料密度為8.0X 103kg/m3)，轉軸采用42CrMo合金鋼材料。對于由K418合金制造的增壓器渦輪和42CrMo合金鋼制造的轉軸，通常可以采用摩擦焊接工藝實現(xiàn)渦輪轉軸的可靠連接。然而，由于K418合金的密度比較大，由K418合金制造的增壓器渦輪轉動慣量也相對較大，導致廢氣渦輪增壓發(fā)動機的瞬態(tài)響應性較差，發(fā)動機在起動和加速時的冒黑煙現(xiàn)象嚴重。
[0003]為降低渦輪增壓器轉子的轉動慣量、提高廢氣渦輪增壓發(fā)動機的瞬態(tài)響應性、減少起動/加速時的冒黑煙現(xiàn)象，車用增壓器渦輪可以采用比強度較高的鑄造鈦鋁合金材料代替K418合金。由于鈦鋁合金的密度僅為3.87X 103kg/m3，彈性模量為500°C時161GPa，同時鈦鋁合金材料又具有良好的高溫性能和抗氧化性能，用鈦鋁合金制造的增壓器渦輪葉輪，不僅能夠降低渦輪增壓器轉子的轉動慣量，而且還有助于提高渦輪的氣動性能，達到提高渦輪增壓發(fā)動機瞬態(tài)響應性、改善發(fā)動機性能的目的。然而，由于鈦鋁合金屬于金屬間化合物，采用常規(guī)焊接方法，很難實現(xiàn)鈦鋁渦輪與42CrMo合金轉軸的可靠連接。
[0004]在鈦鋁渦輪與42CrMo合金轉軸的連接方面，通過對國內外公開的技術資料和專利的檢索，共查找到3個相關的發(fā)明專利。其中，專利號為97125874.0和200810110548.6的這兩個專利提出直接采用機械過盈連接的方法實現(xiàn)鈦鋁合金渦輪與42CrMo合金轉軸之間的連接，但是由于車用增壓器渦輪與轉軸連接部位工作溫度較高，且增壓器工作轉速波動較大，直接采用機械過盈連接的方法將難以有效地保證鈦鋁合金渦輪與42CrMo合金轉軸連接強度的長期穩(wěn)定性。專利號為201310166758.8的專利提出過盈螺紋和銷釘防松動相結合的連接方法與連接結構，鈦鋁合金渦輪采用內螺紋，42CrMo合金轉軸采用外螺紋，銷釘孔與渦輪轉軸的軸線相平行，該連接方法與連接結構雖然可以實現(xiàn)鈦鋁渦輪轉軸的可靠連接，但是由于鈦鋁合金材料的切削性能較差，鈦鋁合金渦輪在加工內螺紋的過程中很容易發(fā)生崩裂且加工精度普遍不高，同時，由于增壓器渦輪轉軸較長，與渦輪轉軸軸線平行的銷釘孔加工難度較大。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明針對目前鈦鋁合金材料在車用增壓器渦輪應用過程中面臨的鈦鋁渦輪與42CrMo合金轉軸的連接問題，提出一種鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接方法與連接結構，能夠實現(xiàn)鈦鋁渦輪與42CrMo合金轉軸的持久可靠連接，滿足鈦鋁增壓器渦輪轉軸的連接強度要求。
[0006]本發(fā)明的技術方案:[0007]一種鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接結構，包括鈦鋁渦輪2、42CrMo合金轉軸I和彈性圓柱鎖緊銷釘3，其特征在于:所述鈦鋁渦輪2端部有外螺紋，從渦輪端看外螺紋旋向與渦輪葉輪旋向相同；所述42CrMo合金轉軸I端部有與鈦鋁渦輪2端部外螺紋過盈配合的內螺紋；所述鈦鋁渦輪2和42CrMo合金轉軸I的配合部位開有供彈性圓柱鎖緊銷釘3裝配的銷釘孔，所述銷釘孔與42CrMo合金轉軸的軸向夾角為15° -30°，銷釘孔數(shù)量為2-4個并均布，銷釘孔直徑為2-3mm，銷釘孔穿透42CrMo合金轉軸并進入鈦鋁渦輪內部3-5mm。
[0008]為避免在渦輪輪背處產生局部應力集中，提高鈦鋁渦輪強度，防止鈦鋁渦輪飛散等故障，優(yōu)選鈦鋁渦輪2輪背與螺紋過渡部分有180°過渡圓角，可以有效克服鈦鋁渦輪韌性較差的缺陷，提高螺紋的強度。
[0009]為進一步提高連接強度和連接可靠性，優(yōu)選鈦鋁渦輪2外螺紋和42CrMo合金轉軸I內螺紋的牙底和牙頂均有圓弧，且牙底圓弧半徑小于牙頂圓弧半徑。
[0010]一種鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0011]a、鈦鋁渦輪與42CrMo合金轉軸過盈螺紋連接結構參數(shù)和銷釘鎖緊結構參數(shù)的確定:鈦鋁渦輪采用外螺紋，42CrMo合金轉軸采用內螺紋，螺紋連接部位過盈配合，從渦輪端看，螺紋旋向與增壓器轉軸的轉動方向相同，鈦鋁渦輪背盤與螺紋之間有180°過渡圓角，內螺紋和外螺紋的牙底和牙頂均有圓弧，且牙底圓弧半徑小于牙頂圓弧半徑；
[0012]b、鈦鋁合金渦輪外螺紋、定位端面、輪背與螺紋180°過渡圓弧的加工；
[0013]c、42CrMo合金轉軸內螺紋與定位端面的加工；
[0014]d、鈦鋁合金渦輪和42CrMo合金轉軸過盈螺紋裝配:采取加熱42CrMo合金轉軸螺紋連接套的措施，通過螺紋旋緊實現(xiàn)鈦鋁渦輪與42CrMo轉軸的裝配；
[0015]e、鈦鋁渦輪轉軸鎖緊銷釘孔加工:對完成過盈螺紋裝配的鈦鋁渦輪轉軸在B端面加工鎖緊銷釘孔，銷釘孔與渦輪轉軸軸向夾角為15° -30°，孔的數(shù)量為2-4個并均布，孔的直徑為2-3mm，銷釘孔為盲孔，孔深要保證穿透42CrMo合金轉軸并進入鈦鋁合金渦輪內部 3-5mm ；
[0016]f、彈性圓柱銷與鈦鋁渦輪轉軸的裝配:將與銷釘孔相匹配的彈性圓柱銷裝入鈦鋁渦輪轉軸的鎖緊銷釘孔中，彈性圓柱銷不超出B端面；
[0017]g、對完成螺紋過盈鎖緊連接的鈦鋁增壓器渦輪轉軸進行其他部位的加工。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019]鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接結構，能夠實現(xiàn)鈦鋁渦輪與42CrMo合金轉軸之間的持久可靠連接；既可以有效地保證渦輪與轉軸的連接強度，防止渦輪轉軸工作受熱時出現(xiàn)松動；同時降低了鈦鋁渦輪連接螺紋的加工難度；連接結構簡單易行，連接強度持久可靠，能夠滿足鈦鋁增壓器渦輪轉軸的工程化應用需要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是鈦鋁渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接結構示意圖。
[0021]圖2是內螺紋與外螺紋的結構局部放大圖。
[0022]I 42CrMo合金轉軸2鈦鋁渦輪3彈性圓柱鎖緊銷釘【具體實施方式】
[0023]一種鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接方法，包括以下步驟:
[0024]a、鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接結構設計:確定鈦鋁合金渦輪與42CrMo合金轉軸過盈螺紋連接結構參數(shù)和銷釘鎖緊結構參數(shù)，鈦鋁合金渦輪采用外螺紋，42CrMo合金轉軸采用內螺紋，螺紋連接部位有一定過盈量，通過A端面進行定位，從渦輪端看，螺紋旋向與增壓器轉軸的轉動方向相同，鈦鋁渦輪背盤與螺紋之間有180°過渡圓角，內螺紋和外螺紋的牙底和牙頂均有圓弧，且牙底圓弧半徑小于牙頂圓弧半徑，如圖1和圖2所示；例如，當鈦鋁渦輪直徑為Φ95πιπι、軸承體渦輪端軸孔直徑為Φ30mm、從渦輪端看增壓器轉動方向為左旋時，鈦鋁渦輪螺紋過盈配合連接尺寸參數(shù)為M16X l-p6p6-LH，轉軸螺紋過盈配合連接尺寸參數(shù)為M16 X 1-H7H7-LH，螺紋長度為12mm，鈦鋁渦輪和42CrMo轉軸配合端面A與軸線的垂直度小于0.05，鈦鋁渦輪背盤與螺紋之間的180°過渡圓角為R3，鈦鋁渦輪外螺紋和轉軸外螺紋的牙底和牙頂圓弧分別為R0.3和R0.5，牙頂均有圓弧銷釘孔與渦輪轉軸軸向夾角為30° ,銷釘孔數(shù)量為3個均布,孔直徑為2mm,銷釘孔深為6mm ；
[0025]b、鈦鋁合金渦輪外螺紋、輪背與螺紋180°過渡圓弧、定位端面加工:按照步驟a確定的尺寸參數(shù)，對鈦鋁渦輪的螺紋連接部位、輪背與螺紋180°過渡圓弧、定位端面A進行加工；
[0026]c、42CrMo合金轉軸內螺紋與定位端面的加工:按照步驟a確定的結構尺寸參數(shù)，對42CrMo轉軸的螺紋連接部位和定位端面A進行加工；
[0027]d、鈦鋁合金渦輪和42CrMo合金轉軸過盈螺紋裝配:采取對42CrMo合金轉軸螺紋連接套加熱的技術措施，通過螺紋旋緊實現(xiàn)鈦鋁渦輪與42CrMo轉軸的過盈螺紋裝配；
[0028]e、鈦鋁渦輪轉軸鎖緊銷釘孔加工:按照步驟a確定的結構尺寸參數(shù)，對完成過盈螺紋裝配的鈦鋁渦輪轉軸在B端面加工鎖緊銷釘孔；
[0029]f、彈性圓柱銷與鈦鋁渦輪轉軸的裝配:根據(jù)鎖緊銷釘孔的直徑和深度選取合適的彈性圓柱銷，將與銷釘孔相匹配的彈性圓柱銷裝入鈦鋁渦輪轉軸的鎖緊銷釘孔中，保證彈性圓柱銷不超出B端面；
[0030]g、鈦鋁渦輪轉軸其他部位的加工:按照鈦鋁渦輪轉軸的結構參數(shù)，對完成螺紋過盈鎖緊連接的鈦鋁增壓器渦輪轉軸進行其他部位的加工。
[0031]對于渦輪直徑為Φ95πιπι、軸承體渦輪端軸孔直徑為Φ30πιπι、從渦輪端看增壓器轉動方向為左旋的渦輪增壓器，優(yōu)選螺紋過盈鎖緊連接結構為:鈦鋁渦輪外螺紋采用Μ16Χ l-p6p6-LH，42CrMo合金轉軸內螺紋采用M16X 1-H7H7-LH，鈦鋁渦輪外螺紋和42CrMo合金轉軸內螺紋長度均為12_，鈦鋁渦輪和42CrMo合金轉軸的配合端面與軸線的垂直度小于0.05 ;鈦鋁渦輪背盤與螺紋之間的180°過渡圓角為R3 ;鈦鋁渦輪外螺紋和42CrMo合金轉軸內螺紋的牙底和牙頂圓弧分別為R0.3和R0.5 ;圓弧銷釘孔與渦輪轉軸軸向夾角為30° ,銷釘孔數(shù)量為3個均布,孔直徑為2mm,銷釘孔深為6mm。
【權利要求】
1.一種鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接結構，包括鈦鋁渦輪(2)、42CrMo合金轉軸(I)和彈性圓柱鎖緊銷釘(3)，其特征在于:所述鈦鋁渦輪(2)端部有外螺紋，從渦輪端看外螺紋旋向與渦輪葉輪旋向相同；所述42CrMo合金轉軸(I)端部有與鈦鋁渦輪(2)端部外螺紋過盈配合的內螺紋；所述鈦鋁渦輪(2)和42CrMo合金轉軸(I)的配合部位開有供彈性圓柱鎖緊銷釘(3)裝配的銷釘孔，所述銷釘孔與42CrMo合金轉軸的軸向夾角為15° -30°，銷釘孔數(shù)量為2-4個并均布，銷釘孔直徑為2-3mm，銷釘孔穿透42CrMo合金轉軸(I)并進入鈦鋁渦輪(2)內部3-5mm。
2.根據(jù)權利要求1所述的鈦鋁渦輪轉軸螺紋過盈鎖緊連接結構，其特征在于:鈦鋁渦輪(2)的輪背與螺紋過渡部分有180°過渡圓角。
3.根據(jù)權利要求1所述的鈦鋁渦輪轉軸螺紋過盈鎖緊連接結構，其特征在于:鈦鋁渦輪(2)外螺紋和42CrMo合金轉軸(I)內螺紋的牙底和牙頂均有圓弧，且牙底圓弧半徑小于牙頂圓弧半徑。
4.根據(jù)權利要求1所述的鈦鋁渦輪轉軸螺紋過盈鎖緊連接結構，其特征在于:鈦鋁渦輪外螺紋采用M16X l-p6p6-LH，42CrMo合金轉軸內螺紋采用M16X 1-H7H7-LH，鈦鋁渦輪外螺紋和42CrMo合金轉軸內螺紋長度均為12mm，鈦鋁渦輪和42CrMo合金轉軸的配合端面與軸線的垂直度小于0.05。
5.根據(jù)權利要求2所述的鈦鋁渦輪轉軸螺紋過盈鎖緊連接結構，其特征在于:鈦鋁渦輪背盤與螺紋之間的180°過渡圓角為R3。
6.根據(jù)權利要求3所述的鈦鋁渦輪轉軸螺紋過盈鎖緊連接結構，其特征在于:鈦鋁渦輪外螺紋和42CrMo合金轉軸內螺紋的牙底和牙頂圓弧分別為R0.3和R0.5。
7.根據(jù)權利要求1所述的鈦鋁渦輪轉軸螺紋過盈鎖緊連接結構，其特征在于:圓弧銷釘孔與渦輪轉軸軸向夾角為30°，銷釘孔數(shù)量為3個均布，孔直徑為2mm，銷釘孔深為6mm。
8.—種鈦鋁增壓器渦輪轉軸的螺紋過盈鎖緊連接方法，其特征在于:包括以下步驟: a、鈦鋁渦輪與42CrMo合金轉軸過盈螺紋連接結構參數(shù)和銷釘鎖緊結構參數(shù)的確定:鈦鋁渦輪采用外螺紋，42CrMo合金轉軸采用內螺紋，螺紋連接部位過盈配合，從渦輪端看，螺紋旋向與增壓器轉軸的轉動方向相同，鈦鋁渦輪背盤與螺紋之間有180°過渡圓角，內螺紋和外螺紋的牙底和牙頂均有圓弧，且牙底圓弧半徑小于牙頂圓弧半徑； b、鈦鋁合金渦輪外螺紋、定位端面、輪背與螺紋180°過渡圓弧的加工； c、42CrMo合金轉軸內螺紋與定位端面的加工； d、鈦鋁合金渦輪和42CrMo合金轉軸過盈螺紋裝配:采取加熱42CrMo合金轉軸螺紋連接套的措施，通過螺紋旋緊實現(xiàn)鈦鋁渦輪與42CrMo轉軸的裝配； e、鈦鋁渦輪轉軸鎖緊銷釘孔加工:對完成過盈螺紋裝配的鈦鋁渦輪轉軸在B端面加工鎖緊銷釘孔，銷釘孔與渦輪轉軸軸向夾角為15° -30°，孔的數(shù)量為2-4個并均布，孔的直徑為2-3mm，銷釘孔為盲孔，孔深要保證穿透42CrMo合金轉軸并進入鈦鋁合金渦輪內部3_5mm ； f、彈性圓柱銷與鈦鋁渦輪轉軸的裝配:將與銷釘孔相匹配的彈性圓柱銷裝入鈦鋁渦輪轉軸的鎖緊銷釘孔中，彈性圓柱銷不超出B端面； g、對完成螺紋過盈鎖緊連接的鈦鋁增壓器渦輪轉軸進行其他部位的加工。
【文檔編號】F16D1/06GK103438058SQ201310384372
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權日:2013年8月28日
【發(fā)明者】王正, 王增全, 王阿娜, 宋志偉, 柴國英 申請人:中國北方發(fā)動機研究所(天津)