一種雙螺桿機(jī)械增壓器的型線設(shè)計

劉厚根，敖方源，李成佳，黃 薇，劉永盛

（中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

近年來，我國環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，石油資源越來越少，國家已把節(jié)能、環(huán)保作為發(fā)展經(jīng)濟(jì)的一項重要國策，并且已把它列入汽車產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃當(dāng)中。汽油機(jī)增壓技術(shù)已有半個世紀(jì)的發(fā)展歷史，增壓器可以提高發(fā)動機(jī)動力性能，輸出功率最多可提高55%[1]。同時，其還可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性，降低廢氣排放和實(shí)現(xiàn)高原功率補(bǔ)償。本文在渦輪增壓和羅茨式機(jī)械增壓的基礎(chǔ)上，提出了雙螺桿式機(jī)械增壓，并且通過對比，得出了雙螺桿機(jī)械增壓綜合性能的技術(shù)優(yōu)越性。本文設(shè)計了轉(zhuǎn)子的端面型線，為這種型線在雙螺桿機(jī)械增壓器上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 工作原理

雙螺桿機(jī)械增壓器實(shí)質(zhì)上是一臺無油螺桿式空氣壓縮機(jī)，在工作時，依靠兩個同步齒輪的相互嚙合傳動，帶動陰陽轉(zhuǎn)子高速連續(xù)回轉(zhuǎn)。隨著兩個螺桿轉(zhuǎn)子的嚙合，空間逐漸減小，當(dāng)壓縮到一定程度時，氣流由另一側(cè)的出口排出，在這個過程中，空氣已經(jīng)明顯壓縮，所以屬于內(nèi)壓縮方式，氣流在排出時更為順暢。轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與殼體之間互不接觸，不會因壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相互摩擦，傳動效率高。

雙螺桿機(jī)械增壓器是直接利用引擎出力來驅(qū)動，其可以將高密度空氣送入汽缸內(nèi)以提高引擎的輸出功率。其驅(qū)動力來自引擎曲軸，一般都是利用皮帶連接曲軸皮帶輪，間接將曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)的扭力帶動增壓器，達(dá)到增壓目的[2]。增壓能夠強(qiáng)化發(fā)動機(jī)的工作過程，即采用雙螺桿機(jī)械增壓器將氣體在進(jìn)入氣缸前預(yù)先進(jìn)行壓縮，提高發(fā)動機(jī)的升功率，提高進(jìn)入氣缸的氣體密度，使同等功率下，減小氣體的體積。在氣缸容積不變、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的情況下，增壓使發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的混合氣空燃比大幅度上升，有利于提高發(fā)動機(jī)的熱效率。因此，通過對進(jìn)入氣缸的空氣進(jìn)行預(yù)壓縮，可以提高內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，從而提高發(fā)動機(jī)的負(fù)荷率，以達(dá)到改善動力性能的目的，并相應(yīng)地減少燃料燃燒產(chǎn)生的有害氣體的排放。

2 技術(shù)優(yōu)勢

按照增壓器的驅(qū)動來源不同可以將其主要分為兩大類，分別為廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓。機(jī)械增壓目前主要包括羅茨式及雙螺桿式類型。與廢氣渦輪增壓和羅茨式機(jī)械增壓相比，雙螺桿機(jī)械增壓具有如下的優(yōu)勢。

2.1 與廢氣渦輪增壓相比

（1）螺桿機(jī)械增壓可全程提高扭矩與功率，尤其低速扭矩特性更加卓越。

（2）螺桿機(jī)械增壓具有優(yōu)良的發(fā)動機(jī)瞬態(tài)加速特性。

（3）螺桿機(jī)械增壓對排氣系統(tǒng)的影響較小，更為環(huán)保。

（4）螺桿機(jī)械增壓使發(fā)動機(jī)的泵氣損失較小。

（5）螺桿機(jī)械增壓器易于安裝，操作性好。

2.2 與羅茨式機(jī)械增壓相比

（1）螺桿機(jī)械增壓效率更高，螺桿式機(jī)械增壓器比羅茨式機(jī)械增壓器能效平均高30%。

（2）螺桿機(jī)械增壓適用范圍更廣。

（3）螺桿機(jī)械增壓具有較低的噪聲和振動。

（4）螺桿機(jī)械增壓器體積更小，質(zhì)量更輕[3]。

3 一種雙螺桿機(jī)械增壓器的型線設(shè)計

3.1 雙螺桿機(jī)械增壓器轉(zhuǎn)子端面型線組成

螺桿轉(zhuǎn)子型線設(shè)計是影響雙螺桿機(jī)械增壓器工作性能的關(guān)鍵因素。本文所采用的陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)比為5:3的型線，是在陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)比為6:4的單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的基礎(chǔ)上，稍做調(diào)整所形成的，比齒數(shù)比為6:4的螺桿型線具有更大的面積利用系數(shù)，更高的容積效率，其綜合性能優(yōu)越，便于加工實(shí)現(xiàn)。各段組成齒曲線性質(zhì)如表1[4]所示。齒數(shù)比為6：4的端面型線如圖1[4]所示。

表1 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的組成齒曲線性質(zhì)

圖1 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線

這種單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線與原始不對稱型線的主要區(qū)別在于：采用徑向直線AB及DE倒棱修正，去除了原始不對稱型線外圓上的擺線形成點(diǎn)，并使擺線IJ的形成點(diǎn)向內(nèi)移動。另外，將圓弧齒曲線擴(kuò)大一角度，形成保護(hù)角，使擺線CD的形成點(diǎn)I處于陽轉(zhuǎn)子外圓之內(nèi)，保護(hù)了對嚙合性能很敏感的擺線形成點(diǎn),研究中取保護(hù)角為5°。修正后，便于轉(zhuǎn)子在加工、安裝、運(yùn)行及儲運(yùn)中保護(hù)擺線形成點(diǎn)。限制直線段DE的長度在0.5~2mm的允許范圍之內(nèi)，研究中取DE段的長度為0.625%A（A為兩轉(zhuǎn)子的中心距）。處在低壓側(cè)的直線段AB的長度，由于不影響氣密性，通常從制造工藝出發(fā)，使其與圓弧BC光滑過渡[4]。

3.2 雙螺桿機(jī)械增壓器的端面型線方程

本文以奇瑞SQR372內(nèi)燃機(jī)為例，對其采用雙螺桿機(jī)械增壓器的性能變化情況進(jìn)行計算分析。雙螺桿機(jī)械增壓器的設(shè)計增壓壓力比為πC=1.6，設(shè)計目標(biāo)為：在轉(zhuǎn)速不變的情況下，內(nèi)燃機(jī)最大功率提升20%[5]。確定雙螺桿機(jī)械增壓器陰陽轉(zhuǎn)子中心距A=48mm。運(yùn)用齒輪嚙合原理、微分幾何，建立推導(dǎo)出端面型線方程。

由于螺桿轉(zhuǎn)子都是通過一個齒曲線旋轉(zhuǎn)生成，所以只需研究一對嚙合的齒即可。本文直接給出轉(zhuǎn)子一對嚙合齒的齒曲線參數(shù)方程，式中所有長度單位為mm，角度單位為rad，具體推導(dǎo)過程省略。

（1）AB與GH段

（2）BC與HI段

（3）I點(diǎn)與CD段方程

（4）D點(diǎn)與IJ段

（5）DE與JK段

（6）EF與KL段

4 轉(zhuǎn)子端面型線圖形

采用Matlab語言繪制出雙螺桿機(jī)械增壓器單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的參數(shù)方程圖形，通過程序計算得到一對嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子型線，如圖2所示。

圖2 陰陽轉(zhuǎn)子型線圖

根據(jù)計算，其面積利用系數(shù)為0.495 6，比傳統(tǒng)陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)比為6:4的型線的面積利用系數(shù)為0.469 6高出5.54%。

5 結(jié)束語

本文介紹了雙螺桿機(jī)械增壓器的工作原理及在增壓方面的技術(shù)優(yōu)勢,設(shè)計了一種雙螺桿機(jī)械增壓器的轉(zhuǎn)子型線。型線采用單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線，給出其一對嚙合齒曲線的參數(shù)方程。通過Matlab語言編程繪圖驗證了所得齒曲線參數(shù)方程的正確性。該端面型線參數(shù)方程的建立為后期的螺桿轉(zhuǎn)子加工提供了理論依據(jù)，是推導(dǎo)螺旋齒面方程及設(shè)計刀具的基礎(chǔ)。由于篇幅所限,以后還將對該型線的性能作全面的分析及優(yōu)化,對螺旋齒面方程進(jìn)行討論。

[1]劉厚根.機(jī)械增壓器的研究現(xiàn)狀與開發(fā)建議[J].車用發(fā)動機(jī)，2004（10）：1-3.

[2]CorkyBell.Supercharged:design，testing and installation of supercharger systems[M].Bentley Publishers，2001.

[3]曾憲龍，何志龍，邢子文.雙螺桿機(jī)械增壓器現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].流體機(jī)械，2011（08）：38-43.