一種雙螺桿機械增壓器的型線設計

劉厚根，敖方源，李成佳，黃 薇，劉永盛

（中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083）

近年來，我國環境污染越來越嚴重，石油資源越來越少，國家已把節能、環保作為發展經濟的一項重要國策，并且已把它列入汽車產業振興規劃當中。汽油機增壓技術已有半個世紀的發展歷史，增壓器可以提高發動機動力性能，輸出功率最多可提高55%[1]。同時，其還可以改善燃油經濟性，降低廢氣排放和實現高原功率補償。本文在渦輪增壓和羅茨式機械增壓的基礎上，提出了雙螺桿式機械增壓，并且通過對比，得出了雙螺桿機械增壓綜合性能的技術優越性。本文設計了轉子的端面型線，為這種型線在雙螺桿機械增壓器上的應用提供了理論依據。

1 工作原理

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

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

2 技術優勢

按照增壓器的驅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械增壓。機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械增壓相比，雙螺桿機械增壓具有如下的優勢。

2.1 與廢氣渦輪增壓相比

（1）螺桿機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）螺桿機械增壓具有優良的發動機瞬態加速特性。

（3）螺桿機械增壓對排氣系統的影響較小，更為環保。

（4）螺桿機械增壓使發動機的泵氣損失較小。

（5）螺桿機械增壓器易于安裝，操作性好。

2.2 與羅茨式機械增壓相比

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

（2）螺桿機械增壓適用范圍更廣。

（3）螺桿機械增壓具有較低的噪聲和振動。

（4）螺桿機械增壓器體積更小，質量更輕[3]。

3 一種雙螺桿機械增壓器的型線設計

3.1 雙螺桿機械增壓器轉子端面型線組成

螺桿轉子型線設計是影響雙螺桿機械增壓器工作性能的關鍵因素。本文所采用的陰陽轉子齒數比為5:3的型線，是在陰陽轉子齒數比為6:4的單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的基礎上，稍做調整所形成的，比齒數比為6:4的螺桿型線具有更大的面積利用系數，更高的容積效率，其綜合性能優越，便于加工實現。各段組成齒曲線性質如表1[4]所示。齒數比為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

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，并使擺線IJ的形成點向內移動。另外，將圓弧齒曲線擴大一角度，形成保護角，使擺線CD的形成點I處于陽轉子外圓之內，保護了對嚙合性能很敏感的擺線形成點,研究中取保護角為5°。修正后，便于轉子在加工、安裝、運行及儲運中保護擺線形成點。限制直線段DE的長度在0.5~2mm的允許范圍之內，研究中取DE段的長度為0.625%A（A為兩轉子的中心距）。處在低壓側的直線段AB的長度，由于不影響氣密性，通常從制造工藝出發，使其與圓弧BC光滑過渡[4]。

3.2 雙螺桿機械增壓器的端面型線方程

本文以奇瑞SQR372內燃機為例，對其采用雙螺桿機械增壓器的性能變化情況進行計算分析。雙螺桿機械增壓器的設計增壓壓力比為πC=1.6，設計目標為：在轉速不變的情況下，內燃機最大功率提升20%[5]。確定雙螺桿機械增壓器陰陽轉子中心距A=48mm。運用齒輪嚙合原理、微分幾何，建立推導出端面型線方程。

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

（1）AB與GH段

（2）BC與HI段

（3）I點與CD段方程

（4）D點與IJ段

（5）DE與JK段

（6）EF與KL段

4 轉子端面型線圖形

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

圖2 陰陽轉子型線圖

根據計算，其面積利用系數為0.495 6，比傳統陰陽轉子齒數比為6:4的型線的面積利用系數為0.469 6高出5.54%。

5 結束語

本文介紹了雙螺桿機械增壓器的工作原理及在增壓方面的技術優勢,設計了一種雙螺桿機械增壓器的轉子型線。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方程。通過Matlab語言編程繪圖驗證了所得齒曲線參數方程的正確性。該端面型線參數方程的建立為后期的螺桿轉子加工提供了理論依據，是推導螺旋齒面方程及設計刀具的基礎。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化,對螺旋齒面方程進行討論。

[1]劉厚根.機械增壓器的研究現狀與開發建議[J].車用發動機，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.雙螺桿機械增壓器現狀及其發展趨勢[J].流體機械，2011（08）：38-43.