車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)及性能碩士論文分析

1、車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)及性能碩士論文分析第 1 章 緒論1.1 研究的背景和意義進(jìn)入工業(yè)文明社會(huì)以來，人類對(duì)自然環(huán)境的破壞日益嚴(yán)重。時(shí)至今日，環(huán)境問題已開始嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量，乃至威脅到人類的生存，其中汽車尾氣是一個(gè)重要污染源1。為減少尾氣污染，各國環(huán)保部門對(duì)汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求日益提高，并提高了大排量汽車的稅率。所以，廣大車企一方面在減小汽車的排量，另一方面在降低尾氣污染物質(zhì)的排放量。渦輪增壓器以發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)與其同軸的壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的壓力，并提高其氧氣含量2-4，其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。渦輪增壓器以不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)有用功而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力與燃油效率的雙

2、贏5。因此，增壓器在汽車中的地位顯得更加重要。隨著渦輪增壓器的普及應(yīng)用，對(duì)汽車渦輪增壓器的要求日益提高，要求其在高溫高速的惡劣工況下有較高的效率和足夠長的壽命。車用渦輪增壓器主要由蝸殼、渦輪軸、渦輪、葉輪和軸承幾部分構(gòu)成6，其中軸承對(duì)渦輪軸起支撐作用，是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)渦輪增壓器的效率、可靠性和壽命起著至關(guān)重要的作用7。目前的渦輪增壓器多采用浮環(huán)軸承，即動(dòng)壓滑動(dòng)軸承。動(dòng)壓滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低，有較高的可靠性，對(duì)徑向空間要求低，有利于渦輪增壓器的輕量化設(shè)計(jì)。運(yùn)行時(shí)油膜形成良好，有效將旋轉(zhuǎn)件與非旋轉(zhuǎn)件隔離開，故其有較高的壽命8。因此，目前的渦輪增壓器多采用動(dòng)壓滑動(dòng)軸承。但是滑動(dòng)軸承也有其

3、缺點(diǎn)，如：徑向間隙較大，對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)控制精度不高，對(duì)潤滑油的壓力和品質(zhì)要求高，并且高速運(yùn)行時(shí)，摩擦力矩大，且油膜的渦動(dòng)可能造成噪音和振動(dòng)9。與其相比，滾動(dòng)軸承有顯著的優(yōu)點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力矩小，能有效縮短渦輪響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)擁有更高的機(jī)械效率，能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗；滾動(dòng)軸承可以通過預(yù)緊實(shí)現(xiàn)對(duì)游隙的合理控制，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度，并且能夠?qū)u輪軸動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)精確的控制10。其缺點(diǎn)在于：壽命不及浮環(huán)軸承長，且后期維修難度大，費(fèi)用高。不過，其擁有高精度、抗高溫、振動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，在高速高溫惡劣工況環(huán)境中具有高可靠性、低噪聲、高軸向承載能力，對(duì)提升渦輪增壓器效率和性能有顯著作用，所以滾動(dòng)軸承必將成為渦輪增壓

4、器更好的選擇，具有極高的應(yīng)用價(jià)值和良好的發(fā)展前景11-12。.1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀渦輪增壓技術(shù)通過渦輪增壓器一側(cè)的壓氣機(jī)提高發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的進(jìn)氣量，此舉的作用是同時(shí)提高汽缸內(nèi)的氧氣含量和燃料燃燒時(shí)的壓力，可以提高燃料的燃燒效率，并凈化尾氣13-15。被業(yè)內(nèi)稱為發(fā)動(dòng)機(jī)歷史上的第二個(gè)里程碑。渦輪增壓器在增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度和提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率兩方面有巨大的優(yōu)勢，柴油機(jī)由于其自身特點(diǎn)，普遍裝有渦輪增壓器。在歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，其大型柴油機(jī)上均使用渦輪增壓器，在中、小型柴油機(jī)上其裝機(jī)比例依然可達(dá) 80%，國內(nèi)濰柴、玉柴、東風(fēng)集團(tuán)和一汽集團(tuán)等大型柴油機(jī)企業(yè)都在推廣使用渦輪增壓技術(shù)。與此同時(shí)，國外公司

5、渦輪增壓技術(shù)發(fā)展迅速，使用滾動(dòng)軸承的渦輪增壓器已經(jīng)較為成熟，取得了渦輪增壓技術(shù)上的突破。1.2.1 國外車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承的發(fā)展現(xiàn)狀在國外，使用滾動(dòng)軸承的渦輪增壓器可追溯至 20 多年前。1993 年，美國Honeywell 生產(chǎn)的使用滾動(dòng)軸承的渦輪增壓器在 Nissan 的車輛上進(jìn)行試用16。1994 年，瑞士 ABB 公司開始將滾動(dòng)軸承應(yīng)用于 VTR.4 系列渦輪增壓器17。同年，美國 Garrett 開始研究渦輪增壓器用滾動(dòng)軸承，之后將其應(yīng)用到自行生產(chǎn)的產(chǎn)品中18。近年來，日本 IHI 公司開發(fā)出分別適用于轎車、客車和卡車使用的滾動(dòng)軸承式的渦輪增壓器19。2013 年，日本 NSK

6、公司開發(fā)出適用于車用渦輪增壓器的高性能盒式滾動(dòng)軸承。該軸承具有以下三個(gè)特點(diǎn)：1 運(yùn)用摩擦分析技術(shù)，對(duì)軸承關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保證其在擁有高效率的同時(shí)具有長壽命和高可靠性。同時(shí)，其裝配質(zhì)量高，保證運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有低振動(dòng)和低噪聲。2 采用耐熱鋼，大大提高軸承的耐咬合性。3 保持架采用耐高溫樹脂材料，降低了滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)阻力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，縮短其響應(yīng)時(shí)間20。目前國外的車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承已經(jīng)較為成熟，正處于推廣和進(jìn)一步完善階段。.第 2 章 車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)和主參數(shù)設(shè)計(jì)車用渦輪增壓器轉(zhuǎn)速極高，啟停頻繁，轉(zhuǎn)速變化范圍寬，同時(shí)由于受發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的烤炙，工作溫度高。所以，要求應(yīng)用于渦輪增壓器的滾動(dòng)軸承具

7、有高精度、耐高溫、低振動(dòng)和工作轉(zhuǎn)速范圍寬等特點(diǎn)。因此，本章結(jié)合渦輪增壓器的工況特點(diǎn)和軸承的安裝空間，選擇軸承各零件的材料，設(shè)計(jì)軸承的整體結(jié)構(gòu)和各零件的結(jié)構(gòu)，選擇保持架引導(dǎo)方式，并計(jì)算其引導(dǎo)間隙，對(duì)潤滑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，初步確定軸承的基本參數(shù)。2.1 軸承材料車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承的工況特點(diǎn)是高溫、高速和重載34，對(duì)其要求是在有一定壽命的前提下，滿足精度要求，同時(shí)要有盡可能小的摩擦力矩。所以對(duì)軸承材料的要求是：套圈的高溫硬度58HRC；尺寸穩(wěn)定性好；抗氧化性能好、耐磨性組織穩(wěn)定、殘余應(yīng)力??；良好的抗熱裂性和抗蠕變性；滾動(dòng)體和保持架應(yīng)有小的密度；材料之間匹配性好。高速鋼具有優(yōu)良的紅硬性和很高的抗疲

8、勞強(qiáng)度，所以全球各國多使用高速鋼作為高溫高速軸承材料。目前可作為高速高溫軸承材料的高速鋼有鉬系和鎢系兩大類。鉬系的比如我國的Cr4Mo4V，美國的M1、M2和M50；鎢系的比如我國的W9Cr4V、W18Cr4V，前蘇聯(lián)的P18、P9和英國的T1等。.2.2 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)該軸承在車用增壓器中的安裝空間，本軸承設(shè)計(jì)為雙列角接觸球軸承的形式，兩內(nèi)圈結(jié)構(gòu)相同，帶有斜坡，外圈采用雙擋邊引導(dǎo)，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)提高軸承的高速穩(wěn)定性有利。車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-3 所示。接觸角的大小影響軸承對(duì)徑向載荷和軸向載荷的取向，主要承受徑向載荷的滾動(dòng)軸承通常取較小的接觸角，主要承受軸向載荷的滾動(dòng)軸承往

9、往取較大的接觸角。過大的接觸角會(huì)使旋滾比增大，從而導(dǎo)致軸承發(fā)熱和磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響滾動(dòng)軸承的效率和使用壽命42。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，接觸角初選為 15o。.第 3 章 基于滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析的軸承主參數(shù)優(yōu)化.233.1 滾動(dòng)軸承模型的建立.233.1.1 滾動(dòng)軸承坐標(biāo)系.233.1.2 滾動(dòng)軸承各接觸元件間相互作用.243.2 軸承動(dòng)力學(xué)微分方程.313.3 軸承性能參數(shù)計(jì)算.343.4 軸承動(dòng)力學(xué)模型求解結(jié)果.363.5 本章小結(jié).42第 4 章 高溫環(huán)境對(duì)軸承性能的影響.434.1 本文所采用的熱影響分析方法.434.2 高溫環(huán)境對(duì)軸承各零件的影響.434.3 整套軸承的熱變形.494.4

10、本章小結(jié).53第 5 章 車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承試驗(yàn).555.1 試驗(yàn)機(jī)構(gòu)成.555.2 試驗(yàn)方案.565.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備.565.4 試驗(yàn)監(jiān)控.585.5 試驗(yàn)后軸承檢測.595.6 數(shù)據(jù)分析.605.7 本章小結(jié).61第 5 章 車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承試驗(yàn)5.1 試驗(yàn)機(jī)構(gòu)成為進(jìn)行車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承的性能測試，設(shè)計(jì)并制造了相應(yīng)的超高速滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)主要由試驗(yàn)頭、加載裝置、潤滑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。試驗(yàn)機(jī)主體部分如圖 5-1 所示。該試驗(yàn)頭內(nèi)，僅安裝用于試驗(yàn)的渦輪增壓器滾動(dòng)軸承，其自身就是試驗(yàn)機(jī)軸系的支撐軸承，與其真實(shí)使用情況相似。被測軸承安裝于試驗(yàn)頭，既是試驗(yàn)軸承又是支撐軸承。外圈

11、溫度傳感器和外圈振動(dòng)傳感器的安裝空間均由試驗(yàn)頭提供，其內(nèi)部開有油道，為軸承提供潤滑油。試驗(yàn)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速控制、信號(hào)采集與處理均在 Labview 開發(fā)的可視化集成環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)通過串口與變頻器通訊，變頻器直接控制電主軸的轉(zhuǎn)速。各傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理、波形顯示和數(shù)據(jù)輸出。.結(jié)論本文分析了車用渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工況特點(diǎn)，完成了車用渦輪增壓器軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，并對(duì)滾動(dòng)軸承主參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了熱影響下的軸承接觸負(fù)荷、接觸應(yīng)力和剛度。在自主研發(fā)的超高速車用渦輪增壓器滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該軸承性能穩(wěn)定，可以滿足車用渦輪增壓器的工況要求。本文主要做了以下幾方面的研究：1 根據(jù)軸承的使用工況和材料匹配性，選擇了軸承套圈和滾動(dòng)體材料。對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)保持架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選擇了其引導(dǎo)方式，并對(duì)引導(dǎo)間隙進(jìn)行了計(jì)算。完成了軸承的初步設(shè)計(jì)。2 建立了軸承的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。通過對(duì)模型的求解研究軸承的單側(cè)預(yù)緊量和內(nèi)外圈溝曲率半徑對(duì)軸承最大接觸應(yīng)力、壽命以及功率損失的影響規(guī)律，對(duì)軸承的單側(cè)預(yù)緊量和內(nèi)外滾道的溝曲率半徑進(jìn)行了優(yōu)化。3 采用有限元法和經(jīng)典赫茲理