一种陶瓷增压器涡轮转轴及其成型工艺的制作方法

本发明属于涡轮增压器结构设计领域，具体涉及一种陶瓷增压器涡轮转轴。

背景技术：

涡轮增压器是涡轮增压发动机的关键部件之一，涡轮转轴作为涡轮增压器的核心零部件，主要由涡轮和转轴连接而成。目前，涡轮增压器的涡轮普遍采用铸造镍基高温合金k418材料(材料密度为8.0×10³kg/m³)，转轴采用42crmo合金钢材料。对于由镍基高温合金k418材料制造的增压器涡轮和42crmo合金钢制造的转轴，可以采用摩擦焊接或电子束焊接工艺实现涡轮与转轴的可靠连接，形成涡轮转轴。然而，由于k418合金材料密度较大，由k418合金制造的涡轮转动惯量也较大，导致涡轮增压发动机的瞬态响应性较差。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和改善发动机的低速性能，增压器涡轮可以采用密度较小的陶瓷等新材料。

此外，对于汽油发动机所使用的涡轮增压器而言，由于增压器涡轮进口温度在1000℃以上，传统的镍基高温合金k418材料将难以满足使用要求，陶瓷等新材料应用于汽油发动机涡轮增压器不仅可以满足使用温度要求，而且可以降低涡轮的转动惯量，提高涡轮增压发动机的瞬态响应性。

但是，当增压器涡轮采用陶瓷等新材料时，由于陶瓷等新材料与42crmo合金钢材料的相容性较差，很难采用摩擦焊接工艺或电子束焊接工艺实现增压器涡轮转轴的可靠连接。因此，当增压器涡轮采用陶瓷等新材料制造时，涡轮转轴需要采用新结构与新工艺，进行陶瓷等新材料涡轮同转轴的连接，以充分保证增压器涡轮转轴的可靠性。

技术实现要素：

本发明提出一种陶瓷增压器涡轮转轴。可实现对涡轮转轴连接结构的锁紧，进而形成完整的涡轮转轴。

本发明的技术方案：

一种陶瓷增压器涡轮转轴结构，包括涡轮、转轴和卡环，所述涡轮靠近转轴的一端轮毂上从内向外依次设有涡轮外螺纹和涡轮光轴，所述涡轮外螺纹的螺纹旋向同增压器涡轮转轴工作时的旋转方向相反；所述涡轮光轴上设有用于装配卡环的涡轮环槽，所述涡轮光轴的直径小于或等于涡轮外螺纹的螺纹底径；

所述转轴靠近涡轮的一端设有同涡轮外螺纹相装配的转轴内螺纹孔，所述转轴内螺纹孔的底部有同涡轮光轴相装配的转轴光孔，所述转轴光孔上设有用于装配卡环的转轴环槽，所述转轴内螺纹孔与转轴光孔之间设有转轴工艺环槽，所述转轴工艺环槽和转轴环槽之间的转轴光孔上有用于装配卡环的转轴导向倒角；

所述卡环为弹性开口环，所述卡环的一端外侧有用于装配的卡环导向倒角，所述卡环的卡环导向倒角的角度同转轴导向倒角的角度相同，所述卡环另一端外侧有用于防重复定位的卡环装配工艺斜面；

所述涡轮和转轴通过涡轮外螺纹和转轴内螺纹孔旋紧装配在一起，所述卡环同时装配在涡轮环槽和转轴环槽中。

进一步的，所述涡轮外螺纹与轮背之间有涡轮定位凸台和过渡圆弧。

进一步的，所述卡环的卡环装配工艺斜面的法线方向同卡环的轴线夹角在3°-15°之间。

上述陶瓷增压器涡轮转轴的成型工艺，包括以下步骤：

a、确定涡轮、转轴和卡环的尺寸参数：根据增压器的涡轮转轴和轴承体的结构参数，确定涡轮同转轴和卡环装配的涡轮外螺纹、涡轮光轴、涡轮环槽、涡轮定位凸台和过渡圆弧的尺寸，确定转轴同涡轮和自锁环装配的转轴内螺纹孔、转轴光孔、转轴环槽、转轴导向倒角和转轴工艺环槽的尺寸，确定卡环的内径、外径、宽度、开口角度、卡环导向倒角和卡环装配工艺斜面的尺寸；

b、涡轮、转轴和卡环的加工：按照步骤a确定的涡轮、转轴和卡环的结构尺寸参数，进行加工，进行转轴加工，进行卡环加工；

c、涡轮与卡环的装配：将卡环放置在涡轮环槽中，卡环装配工艺斜面靠近涡轮外螺纹一侧，卡环导向倒角则远离涡轮外螺纹一侧；

d、涡轮与转轴的螺纹旋紧装配：将步骤c中装有卡环的涡轮同转轴通过螺纹旋紧装配在一起，保证涡轮外端面与转轴2的外端面贴合，使卡环同时装配在涡轮环槽和转轴环槽中，形成完整的涡轮转轴，如图5所示。

本发明的有益效果是：

一种陶瓷增压器涡轮转轴及连接工艺，采用螺纹连接与卡环锁紧相结合的组合结构，在合理确定涡轮、转轴和卡环尺寸参数的基础上，通过涡轮、转轴和卡环的加工与装配，可以实现陶瓷增压器涡轮转轴的可靠连接，能够有效地解决增压器涡轮采用陶瓷等新材料时存在的涡轮转轴连接问题。

涡轮靠近转轴一侧轮毂上有定位凸台不仅可以降低增压器涡轮心部的应力，提高涡轮的许用工作转速，而且可以提高涡轮转轴连接在一定的整体刚度。

卡环分别装配在涡轮环槽和转轴环槽中，可以实现对涡轮与转轴螺纹连接结构的锁紧，防止涡轮与转轴的螺纹连接发生松脱。转轴与卡环上有导向倒角，便于转轴和卡环之间的装配。卡环的一端外侧有装配工艺斜面，可以有效地防止卡环同涡轮与转轴装配过程中由于重复定位而导致无法安装到位的问题。

附图说明

图1是涡轮结构示意图。

图2是转轴结构示意图。

图3是卡环结构示意图。

图4是卡环结构示意图。

图5是陶瓷增压器涡轮转轴结构示意图。

1涡轮2转轴3卡环4涡轮外螺纹5涡轮光轴

6涡轮环槽7涡轮定位凸台8转轴内螺纹孔9转轴工艺环槽

10转轴导向倒角11转轴环槽12转轴光孔13卡环导向倒角

14卡环装配工艺斜面

具体实施方式

一种陶瓷增压器涡轮转轴结构，包括涡轮1、转轴2和卡环3，如图1所示，所述涡轮1靠近转轴2的一端轮毂上从内向外依次设有涡轮外螺纹4和涡轮光轴5，所述涡轮外螺纹4的螺纹旋向同增压器涡轮转轴工作时的旋转方向相反；所述涡轮光轴5上设有用于装配卡环3的涡轮环槽6，所述涡轮光轴5的直径小于或等于涡轮外螺纹4的螺纹底径；

如图2所示，所述转轴2靠近涡轮1的一端设有同涡轮外螺纹4相装配的转轴内螺纹孔8，所述转轴内螺纹孔8的底部有同涡轮光轴5相装配的转轴光孔12，所述转轴光孔12上设有用于装配卡环3的转轴环槽11，所述转轴内螺纹孔8与转轴光孔12之间设有转轴工艺环槽9，所述转轴工艺环槽9和转轴环槽11之间的转轴光孔12上有用于装配卡环3的转轴导向倒角10，；

如图3、4所示，所述卡环3为弹性开口环，所述卡环3的一端外侧有用于装配的卡环导向倒角13，所述卡环3的卡环导向倒角13的角度同转轴导向倒角10的角度相同，所述卡环3另一端外侧有用于防重复定位的卡环装配工艺斜面14；

如图5所示，所述涡轮1和转轴2通过涡轮外螺纹4和转轴内螺纹孔8旋紧装配在一起，所述卡环3同时装配在涡轮环槽6和转轴环槽11中。

所述涡轮外螺纹4与轮背之间有涡轮定位凸台7和过渡圆弧。

所述卡环3的卡环装配工艺斜面14的法线方向同卡环3的轴线夹角优选在3°-15°之间。

上述陶瓷增压器涡轮转轴的成型工艺，包括以下步骤：

a、确定涡轮1、转轴2和卡环3的尺寸参数：根据增压器的涡轮转轴和轴承体的结构参数，确定涡轮1同转轴2和卡环3装配的涡轮外螺纹4、涡轮光轴5、涡轮环槽6、涡轮定位凸台7和过渡圆弧的尺寸，确定转轴2同涡轮1和卡环3装配的转轴内螺纹孔8、转轴光孔12、转轴环槽11、转轴导向倒角10和转轴工艺环槽9的尺寸，确定卡环3的内径、外径、宽度、开口角度、卡环导向倒角13和卡环装配工艺斜面14的尺寸。例如，某增压器涡轮直径为ф95mm，轴承体涡轮端轴孔直径为ф27mm,涡轮转轴工作时的旋转方向为右旋，根据涡轮转轴和轴承体的结构参数，确定的涡轮外螺纹4的尺寸为m16×1-p6p6-lh、涡轮光轴5的直径为ф12mm，确定的涡轮环槽6的深为2.2mm、宽为1.5mm，确定的涡轮定位凸台7高出涡轮轮背1.5mm；确定的转轴内螺纹孔8尺寸为m16×1-h7h7-lh、转轴光孔12的尺寸为ф12mm，确定的转轴环槽11的深为1.7mm、宽为1.5mm，转轴导向倒角10的角度为30°；确定的卡环3装配状态下的内径为ф14mm、外径为ф10mm、宽度为1.5mm、卡环导向倒角13为30°、卡环装配工艺斜面14的法线方向同卡环3的轴线夹角优选值为10°。

b、涡轮1、转轴2和卡环3的加工：按照步骤a确定的涡轮1、转轴2和卡环3的结构尺寸参数，进行涡轮外螺纹4、涡轮光轴5、涡轮环槽6、涡轮定位凸台7和过渡圆弧的加工，进行转轴内螺纹孔8、转轴光孔12、转轴环槽11、转轴导向倒角10和转轴工艺环槽9的加工，进行卡环3加工；

c、涡轮1与卡环3的装配：将卡环3放置在涡轮光轴5上的涡轮环槽6中，卡环3的装配工艺斜面靠近涡轮外螺纹4一侧，卡环导向倒角13则远离涡轮外螺纹4的一侧，如图5所示；

d、涡轮1与转轴2的螺纹旋紧装配：如图5所示，将步骤c中装有卡环3的涡轮1同转轴2通过螺纹旋紧装配在一起，保证涡轮1上的平面b同转轴2上的平面c相贴合，使卡环3同时装配在涡轮环槽6和转轴环槽11中，形成完整的涡轮转轴，因为所述卡环3为弹性开口环，卡环3卡入涡轮环槽6和转轴环槽11中后，由于空间变大，弹性开口环还原，由于转轴导向倒角10处的空间直径小于转轴环槽11空间处的空间直径，所以卡环3不会弹出，实现涡轮1与转轴2的可靠锁紧。