[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明属于车用涡轮增压技术领域，具体涉及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。

背景技术

涡轮转轴是车用涡轮增压器的核心部件之一，由涡轮和转轴连接而成。目前，车用柴油机涡轮增压器的涡轮普遍采用铸造镍基高温合金K418(该材料密度为8.0×10³kg/m³)，转轴采用42CrMo合金钢材料。对于由K418合金制造的增压器涡轮和42CrMo合金钢制造的转轴，通常可以采用摩擦焊接工艺实现涡轮转轴的可靠连接。然而，由于K418合金的密度比较大，由K418合金制造的增压器涡轮转动惯量也相对较大，导致废气涡轮增压发动机的瞬态响应性较差，发动机在起动和加速时的冒黑烟现象严重。

为降低涡轮增压器转子的转动惯量、提高废气涡轮增压发动机的瞬态响应性、减少起动/加速时的冒黑烟现象，车用增压器涡轮可以采用比强度较高的铸造钛铝合金材料代替K418合金。由于钛铝合金的密度仅为3.87×10³kg/m³，弹性模量为500℃时161GPa，同时钛铝合金材料又具有良好的高温性能和抗氧化性能，用钛铝合金制造的增压器涡轮叶轮，不仅能够降低涡轮增压器转子的转动惯量，而且还有助于提高涡轮的气动性能，达到提高涡轮增压发动机瞬态响应性、改善发动机性能的目的。然而，由于钛铝合金属于金属间化合物，采用常规焊接方法，很难实现钛铝涡轮与42CrMo合金转轴的可靠连接。

在钛铝涡轮与42CrMo合金转轴的连接方面，通过对国内外公开的技术资料和专利的检索，共查找到3个相关的发明专利。其中，专利号为97125874.0和200810110548.6的这两个专利提出直接采用机械过盈连接的方法实现钛铝合金涡轮与42CrMo合金转轴之间的连接，但是由于车用增压器涡轮与转轴连接部位工作温度较高，且增压器工作转速波动较大，直接采用机械过盈连接的方法将难以有效地保证钛铝合金涡轮与42CrMo合金转轴连接强度的长期稳定性。专利号为201310166758.8的专利提出过盈螺纹和销钉防松动相结合的连接方法与连接结构，钛铝合金涡轮采用内螺纹，42CrMo合金转轴采用外螺纹，销钉孔与涡轮转轴的轴线相平行，该连接方法与连接结构虽然可以实现钛铝涡轮转轴的可靠连接，但是由于钛铝合金材料的切削性能较差，钛铝合金涡轮在加工内螺纹的过程中很容易发生崩裂且加工精度普遍不高，同时，由于增压器涡轮转轴较长，与涡轮转轴轴线平行的销钉孔加工难度较大。

发明内容

本发明针对目前钛铝合金材料在车用增压器涡轮应用过程中面临的钛铝涡轮与42CrMo合金转轴的连接问题，提出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，能够实现钛铝涡轮与42CrMo合金转轴的持久可靠连接，满足钛铝增压器涡轮转轴的连接强度要求。

本发明的技术方案：

一种钛铝增压器涡轮转轴的螺纹过盈锁紧连接结构，包括钛铝涡轮2、42CrMo合金转轴1和弹性圆柱锁紧销钉3，其特征在于：所述钛铝涡轮2端部有外螺纹，从涡轮端看外螺纹旋向与涡轮叶轮旋向相同；所述42CrMo合金转轴1端部有与钛铝涡轮2端部外螺纹过盈配合的内螺纹；所述钛铝涡轮2和42CrMo合金转轴1的配合部位开有供弹性圆柱锁紧销钉3装配的销钉孔，所述销钉孔与42CrMo合金转轴的轴向夹角为15°-30°，销钉孔数量为2-4个并均布，销钉孔直径为2-3mm，销钉孔穿透42CrMo合金转轴并进入钛铝涡轮内部3-5mm。

为避免在涡轮轮背处产生局部应力集中，提高钛铝涡轮强度，防止钛铝涡轮飞散等故障，优选钛铝涡轮2轮背与螺纹过渡部分有180°过渡圆角，可以有效克服钛铝涡轮韧性较差的缺陷，提高螺纹的强度。

为进一步提高连接强度和连接可靠性，优选钛铝涡轮2外螺纹和42CrMo合金转轴1内螺纹的牙底和牙顶均有圆弧，且牙底圆弧半径小于牙顶圆弧半径。

一种钛铝增压器涡轮转轴的螺纹过盈锁紧连接方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、钛铝涡轮与42CrMo合金转轴过盈螺纹连接结构参数和销钉锁紧结构参数的确定：钛铝涡轮采用外螺纹，42CrMo合金转轴采用内螺纹，螺纹连接部位过盈配合，从涡轮端看，螺纹旋向与增压器转轴的转动方向相同，钛铝涡轮背盘与螺纹之间有180°过渡圆角，内螺纹和外螺纹的牙底和牙顶均有圆弧，且牙底圆弧半径小于牙顶圆弧半径；

b、钛铝合金涡轮外螺纹、定位端面、轮背与螺纹180°过渡圆弧的加工；

c、42CrMo合金转轴内螺纹与定位端面的加工；