CN103362557B - 一种叶轮与涡轮轴的连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，属于增压器技术领域。本发明的叶轮，包括叶片、鼻锥和设置在叶轮尾段的盲孔，叶轮尾段均匀地开设有一条以上的窄槽，窄槽的一端延伸至叶轮的末端，另一端加工出直径大于窄槽宽度的圆孔。上述叶轮与涡轮轴的连接结构，包括一端固连于涡轮上的涡轮轴、上述的叶轮和止推套，涡轮轴的轴端与叶轮上的盲孔过盈配合，涡轮轴与窄槽位置相对应处设置有环形台阶，止推套的内腔为锥形，内腔套设在叶轮的尾段，且该尾段受压变形，卡入环形台阶内。本发明不仅叶轮与涡轮轴加工容易、组装快速、转子总成的不平衡量低、经济效益高，而且叶轮与涡轮轴的加工尺寸限制小，可以应用于外径很小的叶轮上。

Description

一种叶轮与涡轮轴的连接结构

技术领域

本发明涉及一种叶轮及叶轮与涡轮轴的连接结构，更具体地说，涉及一种增压器内的插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构。

背景技术

增压器是提高进入汽缸内的可燃混合气或空气压力的装置。如图4所示，增压器的动作基本原理是，涡轮（6）利用内燃机废气中的能量产生旋转，而这个运动将部分能量经过涡轮轴（2）传递给连在涡轮轴（2）另一端的叶轮（1），当叶轮（1）在增压器内转动时，将推动（或压缩）外界空气进入内燃机。由于压缩的作用，空气的密度得到提高，从而提高了内燃机气缸内的进气量，使得功率提高和高效燃烧成为可能。同时，在中间体（5）内安装有浮动轴承（4）、止推轴承（3）和润滑***，用以支撑由叶轮（1）和涡轮（6）组成的转子总成能够高速旋转运动，保持稳定，而且限制其轴向位移，避免与涡壳或压壳发生摩擦，造成损坏。

由于涡轮增压器运转的快慢，是根据发动机需求的扭矩和排放要求而定的，而在各种转速下，这些要求是随着工况瞬息变化的。这些变化使得涡轮增压器转子总成在各种高低速之间被强迫性调整，这意味着叶轮和涡轮内部承受着剧烈的应力变化，造成材料机械疲劳。这种疲劳在高应力区会最先形成，造成部分材料剥离，使得涡轮增压器无法继续工作。为了延长涡轮增压器的寿命增加可靠性，就必须对每一个零部件进行分析，找出高应力之处，设法改善。经验和分析表明，叶轮的轴孔，是造成高应力的主要原因。可以说，整个转子组件的寿命长短取决于叶轮和涡轮轴的连接方式，而目前有二种常用的连接方式：通孔和盲孔。通孔式结构简单，如中国专利申请号201210100765.3，申请公布日为2012年8月1日，发明创造名称为：一种压缩机叶轮与轴的连接装置和方法，该申请案涉及一种压缩机叶轮与轴的连接装置和方法，属于压缩机技术领域，压缩机叶轮与轴的连接装置包括叶轮，叶轮绕轴线旋转且包括有在轴向方向延伸的具有外表面的叶轮杆轴，外表面在包括轴线的截面内具有锥形轮廓并在垂直于轴线的截面内具有非圆形对称轮廓，叶轮杆轴还包括轴向方向延伸的开口；齿轮轴，齿轮轴包括在所述轴向上延伸的孔，其中孔为在齿轮轴旋转时接受叶轮杆轴并啮合叶轮杆轴；螺栓插在叶轮开口和孔中用于将叶轮连接到齿轮轴；其中，螺栓和孔通过施必牢螺纹啮合。该申请案将螺栓和齿轮轴通过施必牢螺纹进行啮合，保证了在高速运转时转子组件的可靠性，但其不足之处在于：该申请案的叶轮最大应力区位于叶轮中间的螺栓处，螺栓易产生机械疲劳，降低了使用寿命。

由上述可见，通孔式远不如盲孔式，所以在需要低速大扭矩或承受扭矩变化剧烈的发动机上，经常使用盲孔叶轮的技术，譬如JeanLuc等人在美国专利号：4986733中所提出的无通孔式叶轮设计，如图1所示，它是用内螺纹（101）与涡轮轴（2）上的螺牙（201）紧密连接在一起的，这种通过螺纹连接叶轮（1）的设计，对部件的制造是相对耗时而且昂贵的，因为需要在叶轮（1）和涡轮轴（2）上都需要加工出精密的螺纹。同时，由于各种加工尺寸的原因，使得这种连接方式无法应用在外径较小的叶轮（1）上。再者，由于转子总成是靠螺纹来完成固定，这种连接方式对螺纹和锁紧的方式要求很高，原因是要避免转子总成的不平衡量过大。因此，一种新的叶轮连接理念被提出来，根据这种理念，叶轮具有盲孔，但无螺纹。因此，涡轮轴轴端也就没有螺纹的需求。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中增压器转子总成的不平衡量过大，增压器的寿命低、可靠性差，且用螺纹连接的方式，加工精度要求高，制造耗时、昂贵，并且不能应用于外径较小的叶轮上的不足，提供一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，采用本发明提供的技术方案，不仅叶轮与涡轮轴加工容易、组装快速、转子总成的不平衡量低、经济效益高，而且叶轮与涡轮轴的加工尺寸限制小，可以应用于外径很小的叶轮上，同时本发明的技术方案可以有效地改善增压器的性能和延长疲劳寿命。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种插销紧轴式叶轮，包括叶片、鼻锥和设置在叶轮尾段的盲孔，所述的盲孔的轴线与叶轮的轴线重合，所述的叶轮尾段均匀地开设有一条以上的窄槽。

作为本发明进一步的改进，所述的窄槽的一端延伸至叶轮的末端，另一端加工出直径大于窄槽宽度的圆孔。

作为本发明进一步的改进，所述的鼻锥外形为流线型。

作为本发明进一步的改进，所述的窄槽设置为3或4或6条。

作为本发明进一步的改进，所述的叶轮的材质为铝或铝合金。

本发明的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，包括一端固连于涡轮上的涡轮轴、上述的插销紧轴式叶轮和止推套，所述的涡轮轴的轴端与叶轮上的盲孔过盈配合，所述的涡轮轴的轴端上加工有一对或一对以上的平行面，形成一个非圆形的几何截面，所述的涡轮轴与窄槽位置相对应处设置有环形台阶，所述的止推套的内腔为锥形，所述的内腔套设在叶轮的尾段，且该尾段受压变形，卡入环形台阶内。

作为本发明进一步的改进，所述的每对平行面间的距离均小于盲孔的孔径，用于安装时的排气。

作为本发明进一步的改进，所述的叶轮的尾段端面紧压在止推套上。

作为本发明进一步的改进，所述的涡轮轴的轴端和叶轮的盲孔上均加工有倒角。

作为本发明进一步的改进，所述的涡轮轴的材质硬度大于叶轮的材质硬度。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，叶轮尾段均匀地开设有一条以上的窄槽，涡轮轴与窄槽位置相对应处设置有环形台阶，止推套的内腔为锥形，内腔套设在叶轮的尾段，且该尾段受压变形，卡入环形台阶内，窄槽为叶轮的尾段提供了受压变形的空间，限制叶轮工作时向进气端的轴向移动，因而避免了擦壳的风险；

（2）本发明的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，涡轮轴的轴端与叶轮上的盲孔过盈配合，涡轮轴的材质硬度大于叶轮的材质硬度，涡轮轴的轴端上加工有一对或一对以上的平行面，每对平行面间的距离均小于盲孔的孔径，一方面，涡轮轴与叶轮配合时，盲孔内部部分材料产生塑性变形，被迫膨胀，而未接触部分仍处于弹性状态，有效地传递扭矩使叶轮转动；另一方面，叶轮被装上涡轮轴时，盲孔内的空气可以经由平行面与盲孔内的空隙排出，避免造成装配上的困难；

（3）本发明的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，窄槽的一端延伸至叶轮的末端，另一端加工出直径大于窄槽宽度的圆孔，该圆孔有利于叶轮尾段的受压变形，使得组装更加方便，效率更高；

（4）本发明的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，鼻锥外形为流线型，不仅可以减少气体流量损失，还可以避免叶片在进口外径处发生的失速现象，进而使增压器可使用的有效范围和性能得以改善，另外，流线型的鼻锥对离心力带来的各种应力有所改善，有效延长了叶轮的疲劳寿命；

（5）本发明的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，由于叶轮被完全固定在涡轮轴上，叶轮的尾段端面紧压在止推套上，使整个转子总成牢固地形成一体，不需要采用螺纹连接，不会带来额外的螺纹锁紧产生的不平衡量；

（6）本发明的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，涡轮轴的轴端和叶轮的盲孔上均加工有倒角，便于涡轮轴与叶轮的安装；

（7）本发明的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，叶轮与涡轮轴的加工尺寸限制小，可以应用于外径很小的叶轮上。

附图说明

图1为现有技术中增压器的叶轮与涡轮轴的连接结构示意图；

图2为现有技术中增压器的叶轮结构示意图；

图3为图2的B-B方向剖视图；

图4为现有技术中中间体转子组件总成的剖视图；

图5为本发明的一种插销紧轴式叶轮的剖视结构示意图；

图6为本发明的一种插销紧轴式叶轮的尾段局部放大剖视图；

图7为图6的A-A方向剖视图；

图8为本发明中止推套的剖面结构示意图；

图9为本发明的叶轮与涡轮轴的连接结构局部剖视图；

图10为本发明中涡轮轴的局部结构示意图；

图11为本发明中涡轮轴轴端的3种截面示意图；

图12为本发明中叶轮与涡轮轴轴端配合的结构示意图；

图13为本发明的一种插销紧轴式叶轮的应力分析图；

图14为本发明的叶轮与涡轮轴的连接结构局部放大剖视示意图。

示意图中的标号说明：

1、叶轮；101、内螺纹；102、盲孔；103、最大应力区；104、窄槽；105、六角形鼻头；106、鼻锥；2、涡轮轴；201、螺牙；202、轴端；203、平行面；204、环形台阶；3、止推轴承；4、浮动轴承；5、中间体；6、涡轮；7、止推套；701、内腔。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

结合图5、图6和图7，本发明的一种插销紧轴式叶轮，包括叶片、鼻锥106和设置在叶轮1尾段的盲孔102，盲孔102的轴线与叶轮1的轴线重合，叶轮1尾段均匀地开设有一条以上的窄槽104，窄槽104的一端延伸至叶轮1的末端，另一端加工出直径大于窄槽104宽度的圆孔，鼻锥106外形为流线型，叶轮1的材质为铝或铝合金，作为本发明的优选方案，窄槽104设置为3或4或6条。

结合图8、图9、图10、图11以及图14，本发明的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，包括一端固连于涡轮6上的涡轮轴2、上述的插销紧轴式叶轮1和止推套7，涡轮轴2的轴端202与叶轮1上的盲孔102过盈配合，涡轮轴2与窄槽104位置相对应处设置有环形台阶204，止推套7的内腔701为锥形，内腔701套设在叶轮1的尾段，且该尾段受压变形，卡入环形台阶204内，叶轮1的尾段端面紧压在止推套7上。涡轮轴2的轴端202上加工有一对或一对以上的平行面203，形成一个非圆形的几何截面（如图11所示），每对平行面203间的距离均小于盲孔102的孔径，且平行面203的长度必须恰当，用于安装时的排气，同时保证涡轮轴2的轴端202与叶轮1的盲孔102过盈配合。涡轮轴2的轴端202和叶轮1的盲孔102上均加工有倒角，涡轮轴2的材质硬度大于叶轮1的材质硬度。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

本实施例的一种插销紧轴式叶轮，包括叶片、鼻锥106和设置在叶轮1尾段的盲孔102，盲孔102的轴线与叶轮1的轴线重合，叶轮1尾段均匀地开设有3条窄槽104，窄槽104的一端延伸至叶轮1的末端，另一端加工出直径大于窄槽104宽度的圆孔，圆孔有利于叶轮1尾段的受压变形，使得组装更加方便，效率更高。窄槽104为叶轮1的尾段提供了受压变形的空间，限制叶轮1工作时向进气端的轴向移动，因而避免了擦壳的风险。与带有螺纹盲孔的叶轮1相比，本实施例的一种插销紧轴式叶轮取消了叶轮1因装配而需要的六角形鼻头105（如图2和图3所示），本实施例中的叶轮1是借着适当的工装压入涡轮轴2和止推套7的，因此叶轮1的叶片进口内外径尺寸都可以减小，且不影响最大流量，如图5所示，虚线表示的是传统的叶轮1设计，实线表示本实施例的改进设计。鼻锥106外形为流线型，不仅可以减少气体流量损失，还可以避免叶片在进口外径处发生的失速现象，进而使增压器可使用的有效范围和性能得以改善，另外，流线型的鼻锥106对离心力带来的各种应力有所改善，有效延长了叶轮1的疲劳寿命。叶轮1的材质为铝，铝的质量轻，加工性能好。另外，图13是本实施例的一种插销紧轴式叶轮的应力分析图，由图可见，盲孔102的位置远离最大应力区103，使得叶轮1的使用寿命与带内螺纹盲孔的叶轮1相比，基本一致。

本实施例的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，包括一端固连于涡轮6上的涡轮轴2、上述的插销紧轴式叶轮1和止推套7，为了能够使叶轮1转动，涡轮轴2的轴端202与叶轮1上的盲孔102过盈配合，经过计算和实验，仅需将盲孔102的孔径适当地小于涡轮轴2的外径即可。涡轮轴2与窄槽104位置相对应处设置有环形台阶204，当增压器工作时，叶轮1由于背面气压常会大于叶轮1进口气压，此时叶轮1可能向其进气端移动，如果移动过大，叶轮1将与压壳接触、磨损而损毁，为防止此类问题的发生，止推套7的内腔701设计为锥形，内腔701套设在叶轮1的尾段，且该尾段受压变形，卡入环形台阶204内。根据扭矩的需求，涡轮轴2的轴端202上加工有一对或一对以上的平行面203，形成一个非圆形的几何截面（如图11所示），具体在本实施例中，平行面203加工有一对，每对平行面203间的距离均小于盲孔102的孔径，且平行面203的长度必须恰当，用于安装时的排气，同时保证涡轮轴2的轴端202与叶轮1的盲孔102过盈配合，涡轮轴2的材质硬度大于叶轮1的材质硬度。如图12所示，一方面，涡轮轴2与叶轮1配合时，盲孔102内部部分材料产生塑性变形，被迫膨胀，而未接触部分仍处于弹性状态，原来尺寸不受影响，盲孔102的内径形状在过盈力的作用下已不是圆形，涡轮轴2与叶轮1之间没有松脱或滑动的可能性，有效地传递扭矩使叶轮1转动；另一方面，叶轮1被装上涡轮轴2时，盲孔102内的空气可以经由平行面203与盲孔102内的空隙排出，避免造成装配上的困难。由于叶轮1被完全固定在涡轮轴2上，叶轮1的尾段端面紧压在止推套7上，使整个转子总成牢固地形成一体，不需要采用螺纹连接，不会带来额外的螺纹锁紧产生的不平衡量。涡轮轴2的轴端202和叶轮1的盲孔102上均加工有倒角，便于涡轮轴与叶轮的安装。由于叶轮1与涡轮轴2的加工尺寸限制小，本实施例的一种叶轮与涡轮轴的连接结构可以应用于外径很小的叶轮1上。

实施例2

本实施例的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构的基本结构同实施例1，不同之处在于：叶轮1尾段均匀地开设有4条窄槽104，叶轮1的材质为铝合金，涡轮轴2的轴端202上加工有两对平行面203。

实施例3

本实施例的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构的基本结构同实施例1，不同之处在于：叶轮1尾段均匀地开设有6条窄槽104，叶轮1的材质为铝合金，涡轮轴2的轴端202上加工有三对平行面203。

本发明中的中间体转子组件总成装配时，将叶轮1垂直下压，使涡轮轴2进入盲孔102，因为盲孔102和涡轮轴2的轴端202上均设有倒角，故涡轮轴2很容易进入盲孔102，并使盲孔102内的材料发生塑性变形；此时，叶轮1的尾段进入止推套7的内腔701，受挤压变形，并卡入环形台阶204内。叶轮1的尾段凭借回弹力与止推套7的内腔701紧密配合，其端面压紧在止推套7上，使整个转子总成基本上牢固地形成一体。本发明的一种插销紧轴式叶轮及该叶轮与涡轮轴的连接结构，不仅叶轮1与涡轮轴2加工容易、组装快速、转子总成的不平衡量低、经济效益高，而且叶轮1与涡轮轴2的加工尺寸限制小，可以应用于外径很小的叶轮1上，同时本发明的技术方案可以有效地改善增压器的性能和延长疲劳寿命。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种叶轮与涡轮轴的连接结构，其特征在于：包括一端固连于涡轮（6）上的涡轮轴（2）、叶轮（1）和止推套（7），所述的叶轮（1）包括叶片、鼻锥（106）和设置在叶轮（1）尾段的盲孔（102），所述的盲孔（102）的轴线与叶轮（1）的轴线重合，所述的叶轮（1）尾段均匀地开设有一条以上的窄槽（104）；所述的涡轮轴（2）的轴端（202）与叶轮（1）上的盲孔（102）过盈配合，所述的涡轮轴（2）的轴端（202）上加工有一对以上的平行面（203），形成一个非圆形的几何截面，所述的涡轮轴（2）与窄槽（104）位置相对应处设置有环形台阶（204），所述的止推套（7）的内腔（701）为锥形，所述的内腔（701）套设在叶轮（1）的尾段，且该尾段受压变形，卡入环形台阶（204）内。

2.根据权利要求1所述的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，其特征在于：所述的窄槽（104）的一端延伸至叶轮（1）的末端，另一端加工出直径大于窄槽（104）宽度的圆孔。

3.根据权利要求2所述的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，其特征在于：所述的鼻锥（106）外形为流线型。

4.根据权利要求3所述的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，其特征在于：所述的窄槽（104）设置为3或4或6条。

5.根据权利要求4所述的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，其特征在于：所述的叶轮（1）的材质为铝或铝合金。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，其特征在于：每对所述的平行面（203）间的距离均小于盲孔（102）的孔径，用于安装时的排气。

7.根据权利要求6所述的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，其特征在于：所述的叶轮（1）的尾段端面紧压在止推套（7）上。

8.根据权利要求7所述的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，其特征在于：所述的涡轮轴（2）的轴端（202）和叶轮（1）的盲孔（102）上均加工有倒角。

9.根据权利要求8所述的一种叶轮与涡轮轴的连接结构，其特征在于：所述的涡轮轴（2）的材质硬度大于叶轮（1）的材质硬度。