某型液壓驅(qū)動(dòng)可變噴嘴渦輪增壓器—滾柱磨損研究

夏曉屹

摘 要：某型液壓驅(qū)動(dòng)可變噴嘴渦輪增壓器在研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滾柱磨損導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和硬件測(cè)量，并結(jié)合理論分析，找出承力滾柱分布位置是影響磨損的主要原因。通過(guò)模擬分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法找到滾柱的合理的分布位置以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。并且通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：增壓器 可變噴嘴 滾柱 磨損

中圖分類(lèi)號(hào)：TK403 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（c）-0003-02

渦輪增壓技術(shù)已成為提高燃油效率， 減少排放的一個(gè)行之有效的途徑.可變噴嘴增壓器與傳統(tǒng)增壓器相比，極大改善了低速時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和加速能力。且可調(diào)節(jié)范圍廣，在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可變噴嘴增壓器的效率均高于傳統(tǒng)增壓器。相應(yīng)的，節(jié)油性能也更上一層樓?？勺儑娮煸鰤浩髟趪?guó)外已有很多成熟的技術(shù)和應(yīng)用，在中國(guó)還處于研發(fā)階段，還有很多技術(shù)難題需要攻克。可變噴嘴渦輪增壓器的機(jī)械磨損問(wèn)題就是在實(shí)際應(yīng)用中一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。該文作者就在實(shí)際應(yīng)用中遇到機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)磨損并卡死的現(xiàn)象，這直接影響增壓器的性能，無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際要求也無(wú)法實(shí)現(xiàn)可變?cè)鰤浩鞯膬?yōu)勢(shì)功能，甚至于直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作。因此對(duì)機(jī)械磨損的的分析研究是非常必要的，該文將詳述作者在研發(fā)可變噴嘴增壓器遇到的問(wèn)題以及解決方案。

1 滾珠磨損的理論研究

1.1 某型增壓器在實(shí)際運(yùn)用中遇到的問(wèn)題

可變噴嘴渦輪增壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)于普通增壓器要復(fù)雜的多，圖1是某可變噴嘴增壓器的可變噴嘴的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主要原理是通過(guò)控制葉片開(kāi)角的大小來(lái)控制進(jìn)氣量的大小，來(lái)滿(mǎn)足不同工況的需求。它的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：主傳動(dòng)搖臂，聯(lián)動(dòng)環(huán)，搖臂，葉片，滾柱和銷(xiāo)釘組成。主傳動(dòng)搖臂由液壓驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán)，聯(lián)動(dòng)環(huán)再帶動(dòng)搖臂，搖臂與葉片焊接成一體，搖臂的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)葉片繞著各自的旋轉(zhuǎn)中心一起運(yùn)動(dòng)，來(lái)達(dá)到控制葉片開(kāi)合角度，從而達(dá)到控制進(jìn)氣量的目的，來(lái)滿(mǎn)足不同工況下的需求。

在某實(shí)際應(yīng)用中，由于工況較惡劣，出現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)環(huán)卡死無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)，或者響應(yīng)速度很慢的嚴(yán)重問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)后硬件拆檢后發(fā)現(xiàn)，滾柱磨損量遠(yuǎn)超過(guò)允許的磨損量范圍，已磨出了一個(gè)明顯的平面（如圖3所示），滾珠與聯(lián)動(dòng)環(huán)之間已經(jīng)不再是純滾動(dòng)，這將直接導(dǎo)致聯(lián)動(dòng)環(huán)卡死無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)。也符合實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)反饋。

1.2 首先從力學(xué)角度分析下滾柱實(shí)際受力情況

（1）利用三維模型了解運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各運(yùn)動(dòng)件之間的接觸點(diǎn)

聯(lián)動(dòng)環(huán)與滾珠之間是有間隙的，所以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只可能有兩個(gè)滾珠同時(shí)受到聯(lián)動(dòng)軸上傳過(guò)來(lái)的扭矩，如圖2，紅色線是滾珠圓心位置在圓周上的分布，藍(lán)色，綠色，和黑色線是聯(lián)動(dòng)軸的內(nèi)徑，可以看出無(wú)論是哪個(gè)滾珠和聯(lián)動(dòng)軸接觸只可能有兩個(gè)滾珠與聯(lián)動(dòng)環(huán)接觸并承載聯(lián)動(dòng)軸上傳來(lái)的力。

（2）分析原因并尋求解決方案

聯(lián)動(dòng)環(huán)和滾柱之間的間隙是造成聯(lián)動(dòng)環(huán)偏心運(yùn)動(dòng)的主要原因?？梢酝ㄟ^(guò)增加滾珠節(jié)圓得直徑，減少間隙。滾柱的數(shù)量和位置也會(huì)影響聯(lián)動(dòng)環(huán)的偏心量。當(dāng)聯(lián)動(dòng)環(huán)內(nèi)徑與滾珠節(jié)圓位置一定時(shí)，如圖3所示，建立出偏心位移量的模型，其中ε是滾珠所在的位置，受到機(jī)械結(jié)構(gòu)本生的限制，滾珠必須位于2個(gè)葉片中間，總共有11個(gè)葉片即ε必須為16.36的倍數(shù)。c為聯(lián)動(dòng)環(huán)的位移量，由此根據(jù)滾珠的不同位置和數(shù)量計(jì)算出實(shí)際的c值。如：ε=16.36時(shí)，c=0.130，ε=32.72時(shí)，c=0.149，ε=49.08時(shí)，c=0.191.綜合考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，可以安裝的滾珠數(shù)量，得出減小聯(lián)動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑由4個(gè)滾珠增加到5個(gè)是較合理的方案。

1.3 解決方案

通過(guò)減少聯(lián)動(dòng)環(huán)在運(yùn)動(dòng)中的偏心量，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中盡可能與各滾珠的接觸概率相同，由之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，各滾珠的磨損量是非均布的，也就是說(shuō)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中除接觸點(diǎn)的概率不同，扭矩載荷也不是均勻分布的在各個(gè)滾珠，所以必須通過(guò)合理布置滾柱的位置，使扭力據(jù)盡可能的均布到每個(gè)滾珠，這樣可以減少單個(gè)滾珠的承力和磨損。然而整個(gè)可變截面機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中受到空氣載荷，摩擦力等外力的綜合影響，很難通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出受力情況。所以只有通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)了解實(shí)際受力情況。首先對(duì)滾珠可以擺放的位置進(jìn)行編號(hào)，從主搖臂開(kāi)始順時(shí)針?lè)较蚓幪?hào)如圖4所示。方案一取1，3，5，7，9位置，方案二選2，4，6，8，10位置。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

200 h快速磨損實(shí)驗(yàn)

快速磨損實(shí)驗(yàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)康木褪球?yàn)證運(yùn)動(dòng)件的磨損量。因此發(fā)動(dòng)機(jī)工況為額定轉(zhuǎn)速（10 min）到最大扭矩轉(zhuǎn)速（10 min）為一個(gè)循環(huán)，可變噴嘴的運(yùn)動(dòng)為1 s一個(gè)循環(huán)（開(kāi)-關(guān)-開(kāi)），200 h等同于720，000個(gè)循環(huán)因此快速磨損實(shí)驗(yàn)是相當(dāng)惡劣的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖5為不同方案可測(cè)得的磨損量的分布及數(shù)值對(duì)比。綠色為原始設(shè)計(jì)，橘黃色為方案一，紫色為方案二。5個(gè)滾柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都優(yōu)于原始設(shè)計(jì)，且達(dá)到設(shè)計(jì)要求（紅色線為設(shè)計(jì)要求）。而且主要磨損都集中在7～10位置.因此進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化選1，4，7，8，9為方案3，進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如圖6所示為方案三與原始設(shè)計(jì)的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，方案三設(shè)計(jì)磨損達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且磨損量在滾柱上的分布較遠(yuǎn)始設(shè)計(jì)更均勻。

3 結(jié)語(yǔ)

由此對(duì)方案三進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)反饋良好，實(shí)驗(yàn)中無(wú)卡死現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)后硬件檢測(cè)滾柱上沒(méi)有磨出平面，滾柱表面有圓周方向的發(fā)亮表面磨損和部分劃痕，但都在允許范圍之內(nèi)，客戶(hù)反應(yīng)良好。

因此方案三滿(mǎn)足了客戶(hù)的要求。從研發(fā)角度考慮，工程應(yīng)用可能的更惡劣的工況，下一步可以從滾柱材料上作進(jìn)一步分析，采用更耐磨的材料來(lái)研發(fā)更具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代可變噴嘴渦輪增壓器。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙佳佳.可變噴嘴渦輪增壓器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程，2005，27（5）.

[2] 王延生，黃佑生.車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓器[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

[3] ASTM E140-07 Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness，Vickers Hardness，Rockwell Hardness，Superficial Hardness and Scleroscope Hardness.This standard has been approved for use by agencies of the department of Defense.

[4] Hydrawlic Control Valve for Advanced Variable Nozzle Turbocharger.Patrick Rayner， John Skowron.Honeywell Turbo Technologies ES-002-012.endprint

摘 要：某型液壓驅(qū)動(dòng)可變噴嘴渦輪增壓器在研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滾柱磨損導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和硬件測(cè)量，并結(jié)合理論分析，找出承力滾柱分布位置是影響磨損的主要原因。通過(guò)模擬分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法找到滾柱的合理的分布位置以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。并且通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：增壓器 可變噴嘴 滾柱 磨損

中圖分類(lèi)號(hào)：TK403 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（c）-0003-02

渦輪增壓技術(shù)已成為提高燃油效率， 減少排放的一個(gè)行之有效的途徑.可變噴嘴增壓器與傳統(tǒng)增壓器相比，極大改善了低速時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和加速能力。且可調(diào)節(jié)范圍廣，在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可變噴嘴增壓器的效率均高于傳統(tǒng)增壓器。相應(yīng)的，節(jié)油性能也更上一層樓?？勺儑娮煸鰤浩髟趪?guó)外已有很多成熟的技術(shù)和應(yīng)用，在中國(guó)還處于研發(fā)階段，還有很多技術(shù)難題需要攻克?？勺儑娮鞙u輪增壓器的機(jī)械磨損問(wèn)題就是在實(shí)際應(yīng)用中一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。該文作者就在實(shí)際應(yīng)用中遇到機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)磨損并卡死的現(xiàn)象，這直接影響增壓器的性能，無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際要求也無(wú)法實(shí)現(xiàn)可變?cè)鰤浩鞯膬?yōu)勢(shì)功能，甚至于直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作。因此對(duì)機(jī)械磨損的的分析研究是非常必要的，該文將詳述作者在研發(fā)可變噴嘴增壓器遇到的問(wèn)題以及解決方案。

1 滾珠磨損的理論研究

1.1 某型增壓器在實(shí)際運(yùn)用中遇到的問(wèn)題

可變噴嘴渦輪增壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)于普通增壓器要復(fù)雜的多，圖1是某可變噴嘴增壓器的可變噴嘴的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主要原理是通過(guò)控制葉片開(kāi)角的大小來(lái)控制進(jìn)氣量的大小，來(lái)滿(mǎn)足不同工況的需求。它的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：主傳動(dòng)搖臂，聯(lián)動(dòng)環(huán)，搖臂，葉片，滾柱和銷(xiāo)釘組成。主傳動(dòng)搖臂由液壓驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán)，聯(lián)動(dòng)環(huán)再帶動(dòng)搖臂，搖臂與葉片焊接成一體，搖臂的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)葉片繞著各自的旋轉(zhuǎn)中心一起運(yùn)動(dòng)，來(lái)達(dá)到控制葉片開(kāi)合角度，從而達(dá)到控制進(jìn)氣量的目的，來(lái)滿(mǎn)足不同工況下的需求。

在某實(shí)際應(yīng)用中，由于工況較惡劣，出現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)環(huán)卡死無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)，或者響應(yīng)速度很慢的嚴(yán)重問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)后硬件拆檢后發(fā)現(xiàn)，滾柱磨損量遠(yuǎn)超過(guò)允許的磨損量范圍，已磨出了一個(gè)明顯的平面（如圖3所示），滾珠與聯(lián)動(dòng)環(huán)之間已經(jīng)不再是純滾動(dòng)，這將直接導(dǎo)致聯(lián)動(dòng)環(huán)卡死無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)。也符合實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)反饋。

1.2 首先從力學(xué)角度分析下滾柱實(shí)際受力情況

（1）利用三維模型了解運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各運(yùn)動(dòng)件之間的接觸點(diǎn)

聯(lián)動(dòng)環(huán)與滾珠之間是有間隙的，所以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只可能有兩個(gè)滾珠同時(shí)受到聯(lián)動(dòng)軸上傳過(guò)來(lái)的扭矩，如圖2，紅色線是滾珠圓心位置在圓周上的分布，藍(lán)色，綠色，和黑色線是聯(lián)動(dòng)軸的內(nèi)徑，可以看出無(wú)論是哪個(gè)滾珠和聯(lián)動(dòng)軸接觸只可能有兩個(gè)滾珠與聯(lián)動(dòng)環(huán)接觸并承載聯(lián)動(dòng)軸上傳來(lái)的力。

（2）分析原因并尋求解決方案

聯(lián)動(dòng)環(huán)和滾柱之間的間隙是造成聯(lián)動(dòng)環(huán)偏心運(yùn)動(dòng)的主要原因。可以通過(guò)增加滾珠節(jié)圓得直徑，減少間隙。滾柱的數(shù)量和位置也會(huì)影響聯(lián)動(dòng)環(huán)的偏心量。當(dāng)聯(lián)動(dòng)環(huán)內(nèi)徑與滾珠節(jié)圓位置一定時(shí)，如圖3所示，建立出偏心位移量的模型，其中ε是滾珠所在的位置，受到機(jī)械結(jié)構(gòu)本生的限制，滾珠必須位于2個(gè)葉片中間，總共有11個(gè)葉片即ε必須為16.36的倍數(shù)。c為聯(lián)動(dòng)環(huán)的位移量，由此根據(jù)滾珠的不同位置和數(shù)量計(jì)算出實(shí)際的c值。如：ε=16.36時(shí)，c=0.130，ε=32.72時(shí)，c=0.149，ε=49.08時(shí)，c=0.191.綜合考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，可以安裝的滾珠數(shù)量，得出減小聯(lián)動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑由4個(gè)滾珠增加到5個(gè)是較合理的方案。

1.3 解決方案

通過(guò)減少聯(lián)動(dòng)環(huán)在運(yùn)動(dòng)中的偏心量，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中盡可能與各滾珠的接觸概率相同，由之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，各滾珠的磨損量是非均布的，也就是說(shuō)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中除接觸點(diǎn)的概率不同，扭矩載荷也不是均勻分布的在各個(gè)滾珠，所以必須通過(guò)合理布置滾柱的位置，使扭力據(jù)盡可能的均布到每個(gè)滾珠，這樣可以減少單個(gè)滾珠的承力和磨損。然而整個(gè)可變截面機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中受到空氣載荷，摩擦力等外力的綜合影響，很難通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出受力情況。所以只有通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)了解實(shí)際受力情況。首先對(duì)滾珠可以擺放的位置進(jìn)行編號(hào)，從主搖臂開(kāi)始順時(shí)針?lè)较蚓幪?hào)如圖4所示。方案一取1，3，5，7，9位置，方案二選2，4，6，8，10位置。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

200 h快速磨損實(shí)驗(yàn)

快速磨損實(shí)驗(yàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)康木褪球?yàn)證運(yùn)動(dòng)件的磨損量。因此發(fā)動(dòng)機(jī)工況為額定轉(zhuǎn)速（10 min）到最大扭矩轉(zhuǎn)速（10 min）為一個(gè)循環(huán)，可變噴嘴的運(yùn)動(dòng)為1 s一個(gè)循環(huán)（開(kāi)-關(guān)-開(kāi)），200 h等同于720，000個(gè)循環(huán)因此快速磨損實(shí)驗(yàn)是相當(dāng)惡劣的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖5為不同方案可測(cè)得的磨損量的分布及數(shù)值對(duì)比。綠色為原始設(shè)計(jì)，橘黃色為方案一，紫色為方案二。5個(gè)滾柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都優(yōu)于原始設(shè)計(jì)，且達(dá)到設(shè)計(jì)要求（紅色線為設(shè)計(jì)要求）。而且主要磨損都集中在7～10位置.因此進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化選1，4，7，8，9為方案3，進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如圖6所示為方案三與原始設(shè)計(jì)的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，方案三設(shè)計(jì)磨損達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且磨損量在滾柱上的分布較遠(yuǎn)始設(shè)計(jì)更均勻。

3 結(jié)語(yǔ)

由此對(duì)方案三進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)反饋良好，實(shí)驗(yàn)中無(wú)卡死現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)后硬件檢測(cè)滾柱上沒(méi)有磨出平面，滾柱表面有圓周方向的發(fā)亮表面磨損和部分劃痕，但都在允許范圍之內(nèi)，客戶(hù)反應(yīng)良好。

因此方案三滿(mǎn)足了客戶(hù)的要求。從研發(fā)角度考慮，工程應(yīng)用可能的更惡劣的工況，下一步可以從滾柱材料上作進(jìn)一步分析，采用更耐磨的材料來(lái)研發(fā)更具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代可變噴嘴渦輪增壓器。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙佳佳.可變噴嘴渦輪增壓器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程，2005，27（5）.

[2] 王延生，黃佑生.車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓器[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

[3] ASTM E140-07 Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness，Vickers Hardness，Rockwell Hardness，Superficial Hardness and Scleroscope Hardness.This standard has been approved for use by agencies of the department of Defense.

[4] Hydrawlic Control Valve for Advanced Variable Nozzle Turbocharger.Patrick Rayner， John Skowron.Honeywell Turbo Technologies ES-002-012.endprint

摘 要：某型液壓驅(qū)動(dòng)可變噴嘴渦輪增壓器在研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滾柱磨損導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和硬件測(cè)量，并結(jié)合理論分析，找出承力滾柱分布位置是影響磨損的主要原因。通過(guò)模擬分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法找到滾柱的合理的分布位置以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。并且通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：增壓器 可變噴嘴 滾柱 磨損

中圖分類(lèi)號(hào)：TK403 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（c）-0003-02

渦輪增壓技術(shù)已成為提高燃油效率， 減少排放的一個(gè)行之有效的途徑.可變噴嘴增壓器與傳統(tǒng)增壓器相比，極大改善了低速時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和加速能力。且可調(diào)節(jié)范圍廣，在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可變噴嘴增壓器的效率均高于傳統(tǒng)增壓器。相應(yīng)的，節(jié)油性能也更上一層樓?？勺儑娮煸鰤浩髟趪?guó)外已有很多成熟的技術(shù)和應(yīng)用，在中國(guó)還處于研發(fā)階段，還有很多技術(shù)難題需要攻克?？勺儑娮鞙u輪增壓器的機(jī)械磨損問(wèn)題就是在實(shí)際應(yīng)用中一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。該文作者就在實(shí)際應(yīng)用中遇到機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)磨損并卡死的現(xiàn)象，這直接影響增壓器的性能，無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際要求也無(wú)法實(shí)現(xiàn)可變?cè)鰤浩鞯膬?yōu)勢(shì)功能，甚至于直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作。因此對(duì)機(jī)械磨損的的分析研究是非常必要的，該文將詳述作者在研發(fā)可變噴嘴增壓器遇到的問(wèn)題以及解決方案。

1 滾珠磨損的理論研究

1.1 某型增壓器在實(shí)際運(yùn)用中遇到的問(wèn)題

可變噴嘴渦輪增壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)于普通增壓器要復(fù)雜的多，圖1是某可變噴嘴增壓器的可變噴嘴的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主要原理是通過(guò)控制葉片開(kāi)角的大小來(lái)控制進(jìn)氣量的大小，來(lái)滿(mǎn)足不同工況的需求。它的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：主傳動(dòng)搖臂，聯(lián)動(dòng)環(huán)，搖臂，葉片，滾柱和銷(xiāo)釘組成。主傳動(dòng)搖臂由液壓驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán)，聯(lián)動(dòng)環(huán)再帶動(dòng)搖臂，搖臂與葉片焊接成一體，搖臂的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)葉片繞著各自的旋轉(zhuǎn)中心一起運(yùn)動(dòng)，來(lái)達(dá)到控制葉片開(kāi)合角度，從而達(dá)到控制進(jìn)氣量的目的，來(lái)滿(mǎn)足不同工況下的需求。

在某實(shí)際應(yīng)用中，由于工況較惡劣，出現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)環(huán)卡死無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)，或者響應(yīng)速度很慢的嚴(yán)重問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)后硬件拆檢后發(fā)現(xiàn)，滾柱磨損量遠(yuǎn)超過(guò)允許的磨損量范圍，已磨出了一個(gè)明顯的平面（如圖3所示），滾珠與聯(lián)動(dòng)環(huán)之間已經(jīng)不再是純滾動(dòng)，這將直接導(dǎo)致聯(lián)動(dòng)環(huán)卡死無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)。也符合實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)反饋。

1.2 首先從力學(xué)角度分析下滾柱實(shí)際受力情況

（1）利用三維模型了解運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各運(yùn)動(dòng)件之間的接觸點(diǎn)

聯(lián)動(dòng)環(huán)與滾珠之間是有間隙的，所以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只可能有兩個(gè)滾珠同時(shí)受到聯(lián)動(dòng)軸上傳過(guò)來(lái)的扭矩，如圖2，紅色線是滾珠圓心位置在圓周上的分布，藍(lán)色，綠色，和黑色線是聯(lián)動(dòng)軸的內(nèi)徑，可以看出無(wú)論是哪個(gè)滾珠和聯(lián)動(dòng)軸接觸只可能有兩個(gè)滾珠與聯(lián)動(dòng)環(huán)接觸并承載聯(lián)動(dòng)軸上傳來(lái)的力。

（2）分析原因并尋求解決方案

聯(lián)動(dòng)環(huán)和滾柱之間的間隙是造成聯(lián)動(dòng)環(huán)偏心運(yùn)動(dòng)的主要原因?？梢酝ㄟ^(guò)增加滾珠節(jié)圓得直徑，減少間隙。滾柱的數(shù)量和位置也會(huì)影響聯(lián)動(dòng)環(huán)的偏心量。當(dāng)聯(lián)動(dòng)環(huán)內(nèi)徑與滾珠節(jié)圓位置一定時(shí)，如圖3所示，建立出偏心位移量的模型，其中ε是滾珠所在的位置，受到機(jī)械結(jié)構(gòu)本生的限制，滾珠必須位于2個(gè)葉片中間，總共有11個(gè)葉片即ε必須為16.36的倍數(shù)。c為聯(lián)動(dòng)環(huán)的位移量，由此根據(jù)滾珠的不同位置和數(shù)量計(jì)算出實(shí)際的c值。如：ε=16.36時(shí)，c=0.130，ε=32.72時(shí)，c=0.149，ε=49.08時(shí)，c=0.191.綜合考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，可以安裝的滾珠數(shù)量，得出減小聯(lián)動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑由4個(gè)滾珠增加到5個(gè)是較合理的方案。

1.3 解決方案

通過(guò)減少聯(lián)動(dòng)環(huán)在運(yùn)動(dòng)中的偏心量，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中盡可能與各滾珠的接觸概率相同，由之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，各滾珠的磨損量是非均布的，也就是說(shuō)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中除接觸點(diǎn)的概率不同，扭矩載荷也不是均勻分布的在各個(gè)滾珠，所以必須通過(guò)合理布置滾柱的位置，使扭力據(jù)盡可能的均布到每個(gè)滾珠，這樣可以減少單個(gè)滾珠的承力和磨損。然而整個(gè)可變截面機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中受到空氣載荷，摩擦力等外力的綜合影響，很難通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出受力情況。所以只有通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)了解實(shí)際受力情況。首先對(duì)滾珠可以擺放的位置進(jìn)行編號(hào)，從主搖臂開(kāi)始順時(shí)針?lè)较蚓幪?hào)如圖4所示。方案一取1，3，5，7，9位置，方案二選2，4，6，8，10位置。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

200 h快速磨損實(shí)驗(yàn)

快速磨損實(shí)驗(yàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)康木褪球?yàn)證運(yùn)動(dòng)件的磨損量。因此發(fā)動(dòng)機(jī)工況為額定轉(zhuǎn)速（10 min）到最大扭矩轉(zhuǎn)速（10 min）為一個(gè)循環(huán)，可變噴嘴的運(yùn)動(dòng)為1 s一個(gè)循環(huán)（開(kāi)-關(guān)-開(kāi)），200 h等同于720，000個(gè)循環(huán)因此快速磨損實(shí)驗(yàn)是相當(dāng)惡劣的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖5為不同方案可測(cè)得的磨損量的分布及數(shù)值對(duì)比。綠色為原始設(shè)計(jì)，橘黃色為方案一，紫色為方案二。5個(gè)滾柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都優(yōu)于原始設(shè)計(jì)，且達(dá)到設(shè)計(jì)要求（紅色線為設(shè)計(jì)要求）。而且主要磨損都集中在7～10位置.因此進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化選1，4，7，8，9為方案3，進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如圖6所示為方案三與原始設(shè)計(jì)的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，方案三設(shè)計(jì)磨損達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且磨損量在滾柱上的分布較遠(yuǎn)始設(shè)計(jì)更均勻。

3 結(jié)語(yǔ)

由此對(duì)方案三進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)反饋良好，實(shí)驗(yàn)中無(wú)卡死現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)后硬件檢測(cè)滾柱上沒(méi)有磨出平面，滾柱表面有圓周方向的發(fā)亮表面磨損和部分劃痕，但都在允許范圍之內(nèi)，客戶(hù)反應(yīng)良好。

因此方案三滿(mǎn)足了客戶(hù)的要求。從研發(fā)角度考慮，工程應(yīng)用可能的更惡劣的工況，下一步可以從滾柱材料上作進(jìn)一步分析，采用更耐磨的材料來(lái)研發(fā)更具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代可變噴嘴渦輪增壓器。

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