某型液壓驅動可變噴嘴渦輪增壓器—滾柱磨損研究

夏曉屹

摘 要：某型液壓驅動可變噴嘴渦輪增壓器在研發過程中出現機械運動機構滾柱磨損導致機械結構卡死的現象。通過對實驗結果的數據分析和硬件測量，并結合理論分析，找出承力滾柱分布位置是影響磨損的主要原因。通過模擬分析和實驗相結合的方法找到滾柱的合理的分布位置以滿足實際應用的要求。并且通過發動機實驗證實了方案的可行性和有效性。

關鍵詞：增壓器 可變噴嘴 滾柱 磨損

中圖分類號：TK403 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0003-02

渦輪增壓技術已成為提高燃油效率， 減少排放的一個行之有效的途徑.可變噴嘴增壓器與傳統增壓器相比，極大改善了低速時的響應時間和加速能力。且可調節范圍廣，在所有轉速范圍內可變噴嘴增壓器的效率均高于傳統增壓器。相應的，節油性能也更上一層樓。可變噴嘴增壓器在國外已有很多成熟的技術和應用，在中國還處于研發階段，還有很多技術難題需要攻克。可變噴嘴渦輪增壓器的機械磨損問題就是在實際應用中一個常見的問題。該文作者就在實際應用中遇到機械運動結構磨損并卡死的現象，這直接影響增壓器的性能，無法滿足發動機的實際要求也無法實現可變增壓器的優勢功能，甚至于直接導致發動機無法正常工作。因此對機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可變噴嘴增壓器遇到的問題以及解決方案。

1 滾珠磨損的理論研究

1.1 某型增壓器在實際運用中遇到的問題

可變噴嘴渦輪增壓器的機械結構相對于普通增壓器要復雜的多，圖1是某可變噴嘴增壓器的可變噴嘴的機械結構，其主要原理是通過控制葉片開角的大小來控制進氣量的大小，來滿足不同工況的需求。它的傳動機構主要由：主傳動搖臂，聯動環，搖臂，葉片，滾柱和銷釘組成。主傳動搖臂由液壓驅動，帶動聯動環，聯動環再帶動搖臂，搖臂與葉片焊接成一體，搖臂的運動會帶動葉片繞著各自的旋轉中心一起運動，來達到控制葉片開合角度，從而達到控制進氣量的目的，來滿足不同工況下的需求。

在某實際應用中，由于工況較惡劣，出現了聯動環卡死無法正常運動，或者響應速度很慢的嚴重問題。實驗后硬件拆檢后發現，滾柱磨損量遠超過允許的磨損量范圍，已磨出了一個明顯的平面（如圖3所示），滾珠與聯動環之間已經不再是純滾動，這將直接導致聯動環卡死無法正常運動。也符合實際應用的試驗反饋。

1.2 首先從力學角度分析下滾柱實際受力情況

（1）利用三維模型了解運動過程中各運動件之間的接觸點

聯動環與滾珠之間是有間隙的，所以在運動過程中只可能有兩個滾珠同時受到聯動軸上傳過來的扭矩，如圖2，紅色線是滾珠圓心位置在圓周上的分布，藍色，綠色，和黑色線是聯動軸的內徑，可以看出無論是哪個滾珠和聯動軸接觸只可能有兩個滾珠與聯動環接觸并承載聯動軸上傳來的力。

（2）分析原因并尋求解決方案

聯動環和滾柱之間的間隙是造成聯動環偏心運動的主要原因。可以通過增加滾珠節圓得直徑，減少間隙。滾柱的數量和位置也會影響聯動環的偏心量。當聯動環內徑與滾珠節圓位置一定時，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，受到機械結構本生的限制，滾珠必須位于2個葉片中間，總共有11個葉片即ε必須為16.36的倍數。c為聯動環的位移量，由此根據滾珠的不同位置和數量計算出實際的c值。如：ε=16.36時，c=0.130，ε=32.72時，c=0.149，ε=49.08時，c=0.191.綜合考慮機械結構的限制，可以安裝的滾珠數量，得出減小聯動環的內徑由4個滾珠增加到5個是較合理的方案。

1.3 解決方案

通過減少聯動環在運動中的偏心量，使其在運動過程中盡可能與各滾珠的接觸概率相同，由之前的實驗結果看，各滾珠的磨損量是非均布的，也就是說在實際運動過程中除接觸點的概率不同，扭矩載荷也不是均勻分布的在各個滾珠，所以必須通過合理布置滾柱的位置，使扭力據盡可能的均布到每個滾珠，這樣可以減少單個滾珠的承力和磨損。然而整個可變截面機械結構在運動中受到空氣載荷，摩擦力等外力的綜合影響，很難通過數學模型計算出受力情況。所以只有通過對比實驗來了解實際受力情況。首先對滾珠可以擺放的位置進行編號，從主搖臂開始順時針方向編號如圖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 試驗驗證

200 h快速磨損實驗

快速磨損實驗為發動機臺架試驗目的就是驗證運動件的磨損量。因此發動機工況為額定轉速（10 min）到最大扭矩轉速（10 min）為一個循環，可變噴嘴的運動為1 s一個循環（開-關-開），200 h等同于720，000個循環因此快速磨損實驗是相當惡劣的實驗。實驗結果如圖6所示。圖5為不同方案可測得的磨損量的分布及數值對比。綠色為原始設計，橘黃色為方案一，紫色為方案二。5個滾柱的實驗結果都優于原始設計，且達到設計要求（紅色線為設計要求）。而且主要磨損都集中在7～10位置.因此進行進一步優化選1，4，7，8，9為方案3，進一步驗證實驗結果。如圖6所示為方案三與原始設計的對比，實驗結果顯示，方案三設計磨損達到設計要求，且磨損量在滾柱上的分布較遠始設計更均勻。

3 結語

由此對方案三進行發動機實驗，且實驗反饋良好，實驗中無卡死現象。實驗后硬件檢測滾柱上沒有磨出平面，滾柱表面有圓周方向的發亮表面磨損和部分劃痕，但都在允許范圍之內，客戶反應良好。

因此方案三滿足了客戶的要求。從研發角度考慮，工程應用可能的更惡劣的工況，下一步可以從滾柱材料上作進一步分析，采用更耐磨的材料來研發更具競爭力的新一代可變噴嘴渦輪增壓器。

參考文獻

[1] 趙佳佳.可變噴嘴渦輪增壓器電控系統設計[J].汽車工程，2005，27（5）.

[2] 王延生，黃佑生.車輛發動機廢氣渦輪增壓器[M].北京：國防工業出版社，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：某型液壓驅動可變噴嘴渦輪增壓器在研發過程中出現機械運動機構滾柱磨損導致機械結構卡死的現象。通過對實驗結果的數據分析和硬件測量，并結合理論分析，找出承力滾柱分布位置是影響磨損的主要原因。通過模擬分析和實驗相結合的方法找到滾柱的合理的分布位置以滿足實際應用的要求。并且通過發動機實驗證實了方案的可行性和有效性。

關鍵詞：增壓器 可變噴嘴 滾柱 磨損

中圖分類號：TK403 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0003-02

渦輪增壓技術已成為提高燃油效率， 減少排放的一個行之有效的途徑.可變噴嘴增壓器與傳統增壓器相比，極大改善了低速時的響應時間和加速能力。且可調節范圍廣，在所有轉速范圍內可變噴嘴增壓器的效率均高于傳統增壓器。相應的，節油性能也更上一層樓。可變噴嘴增壓器在國外已有很多成熟的技術和應用，在中國還處于研發階段，還有很多技術難題需要攻克。可變噴嘴渦輪增壓器的機械磨損問題就是在實際應用中一個常見的問題。該文作者就在實際應用中遇到機械運動結構磨損并卡死的現象，這直接影響增壓器的性能，無法滿足發動機的實際要求也無法實現可變增壓器的優勢功能，甚至于直接導致發動機無法正常工作。因此對機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可變噴嘴增壓器遇到的問題以及解決方案。

1 滾珠磨損的理論研究

1.1 某型增壓器在實際運用中遇到的問題

可變噴嘴渦輪增壓器的機械結構相對于普通增壓器要復雜的多，圖1是某可變噴嘴增壓器的可變噴嘴的機械結構，其主要原理是通過控制葉片開角的大小來控制進氣量的大小，來滿足不同工況的需求。它的傳動機構主要由：主傳動搖臂，聯動環，搖臂，葉片，滾柱和銷釘組成。主傳動搖臂由液壓驅動，帶動聯動環，聯動環再帶動搖臂，搖臂與葉片焊接成一體，搖臂的運動會帶動葉片繞著各自的旋轉中心一起運動，來達到控制葉片開合角度，從而達到控制進氣量的目的，來滿足不同工況下的需求。

在某實際應用中，由于工況較惡劣，出現了聯動環卡死無法正常運動，或者響應速度很慢的嚴重問題。實驗后硬件拆檢后發現，滾柱磨損量遠超過允許的磨損量范圍，已磨出了一個明顯的平面（如圖3所示），滾珠與聯動環之間已經不再是純滾動，這將直接導致聯動環卡死無法正常運動。也符合實際應用的試驗反饋。

1.2 首先從力學角度分析下滾柱實際受力情況

（1）利用三維模型了解運動過程中各運動件之間的接觸點

聯動環與滾珠之間是有間隙的，所以在運動過程中只可能有兩個滾珠同時受到聯動軸上傳過來的扭矩，如圖2，紅色線是滾珠圓心位置在圓周上的分布，藍色，綠色，和黑色線是聯動軸的內徑，可以看出無論是哪個滾珠和聯動軸接觸只可能有兩個滾珠與聯動環接觸并承載聯動軸上傳來的力。

（2）分析原因并尋求解決方案

聯動環和滾柱之間的間隙是造成聯動環偏心運動的主要原因。可以通過增加滾珠節圓得直徑，減少間隙。滾柱的數量和位置也會影響聯動環的偏心量。當聯動環內徑與滾珠節圓位置一定時，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，受到機械結構本生的限制，滾珠必須位于2個葉片中間，總共有11個葉片即ε必須為16.36的倍數。c為聯動環的位移量，由此根據滾珠的不同位置和數量計算出實際的c值。如：ε=16.36時，c=0.130，ε=32.72時，c=0.149，ε=49.08時，c=0.191.綜合考慮機械結構的限制，可以安裝的滾珠數量，得出減小聯動環的內徑由4個滾珠增加到5個是較合理的方案。

1.3 解決方案

通過減少聯動環在運動中的偏心量，使其在運動過程中盡可能與各滾珠的接觸概率相同，由之前的實驗結果看，各滾珠的磨損量是非均布的，也就是說在實際運動過程中除接觸點的概率不同，扭矩載荷也不是均勻分布的在各個滾珠，所以必須通過合理布置滾柱的位置，使扭力據盡可能的均布到每個滾珠，這樣可以減少單個滾珠的承力和磨損。然而整個可變截面機械結構在運動中受到空氣載荷，摩擦力等外力的綜合影響，很難通過數學模型計算出受力情況。所以只有通過對比實驗來了解實際受力情況。首先對滾珠可以擺放的位置進行編號，從主搖臂開始順時針方向編號如圖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 試驗驗證

200 h快速磨損實驗

快速磨損實驗為發動機臺架試驗目的就是驗證運動件的磨損量。因此發動機工況為額定轉速（10 min）到最大扭矩轉速（10 min）為一個循環，可變噴嘴的運動為1 s一個循環（開-關-開），200 h等同于720，000個循環因此快速磨損實驗是相當惡劣的實驗。實驗結果如圖6所示。圖5為不同方案可測得的磨損量的分布及數值對比。綠色為原始設計，橘黃色為方案一，紫色為方案二。5個滾柱的實驗結果都優于原始設計，且達到設計要求（紅色線為設計要求）。而且主要磨損都集中在7～10位置.因此進行進一步優化選1，4，7，8，9為方案3，進一步驗證實驗結果。如圖6所示為方案三與原始設計的對比，實驗結果顯示，方案三設計磨損達到設計要求，且磨損量在滾柱上的分布較遠始設計更均勻。

3 結語

由此對方案三進行發動機實驗，且實驗反饋良好，實驗中無卡死現象。實驗后硬件檢測滾柱上沒有磨出平面，滾柱表面有圓周方向的發亮表面磨損和部分劃痕，但都在允許范圍之內，客戶反應良好。

因此方案三滿足了客戶的要求。從研發角度考慮，工程應用可能的更惡劣的工況，下一步可以從滾柱材料上作進一步分析，采用更耐磨的材料來研發更具競爭力的新一代可變噴嘴渦輪增壓器。

參考文獻

[1] 趙佳佳.可變噴嘴渦輪增壓器電控系統設計[J].汽車工程，2005，27（5）.

[2] 王延生，黃佑生.車輛發動機廢氣渦輪增壓器[M].北京：國防工業出版社，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：某型液壓驅動可變噴嘴渦輪增壓器在研發過程中出現機械運動機構滾柱磨損導致機械結構卡死的現象。通過對實驗結果的數據分析和硬件測量，并結合理論分析，找出承力滾柱分布位置是影響磨損的主要原因。通過模擬分析和實驗相結合的方法找到滾柱的合理的分布位置以滿足實際應用的要求。并且通過發動機實驗證實了方案的可行性和有效性。

關鍵詞：增壓器 可變噴嘴 滾柱 磨損

中圖分類號：TK403 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0003-02

渦輪增壓技術已成為提高燃油效率， 減少排放的一個行之有效的途徑.可變噴嘴增壓器與傳統增壓器相比，極大改善了低速時的響應時間和加速能力。且可調節范圍廣，在所有轉速范圍內可變噴嘴增壓器的效率均高于傳統增壓器。相應的，節油性能也更上一層樓。可變噴嘴增壓器在國外已有很多成熟的技術和應用，在中國還處于研發階段，還有很多技術難題需要攻克。可變噴嘴渦輪增壓器的機械磨損問題就是在實際應用中一個常見的問題。該文作者就在實際應用中遇到機械運動結構磨損并卡死的現象，這直接影響增壓器的性能，無法滿足發動機的實際要求也無法實現可變增壓器的優勢功能，甚至于直接導致發動機無法正常工作。因此對機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可變噴嘴增壓器遇到的問題以及解決方案。

1 滾珠磨損的理論研究

1.1 某型增壓器在實際運用中遇到的問題

可變噴嘴渦輪增壓器的機械結構相對于普通增壓器要復雜的多，圖1是某可變噴嘴增壓器的可變噴嘴的機械結構，其主要原理是通過控制葉片開角的大小來控制進氣量的大小，來滿足不同工況的需求。它的傳動機構主要由：主傳動搖臂，聯動環，搖臂，葉片，滾柱和銷釘組成。主傳動搖臂由液壓驅動，帶動聯動環，聯動環再帶動搖臂，搖臂與葉片焊接成一體，搖臂的運動會帶動葉片繞著各自的旋轉中心一起運動，來達到控制葉片開合角度，從而達到控制進氣量的目的，來滿足不同工況下的需求。

在某實際應用中，由于工況較惡劣，出現了聯動環卡死無法正常運動，或者響應速度很慢的嚴重問題。實驗后硬件拆檢后發現，滾柱磨損量遠超過允許的磨損量范圍，已磨出了一個明顯的平面（如圖3所示），滾珠與聯動環之間已經不再是純滾動，這將直接導致聯動環卡死無法正常運動。也符合實際應用的試驗反饋。

1.2 首先從力學角度分析下滾柱實際受力情況

（1）利用三維模型了解運動過程中各運動件之間的接觸點

聯動環與滾珠之間是有間隙的，所以在運動過程中只可能有兩個滾珠同時受到聯動軸上傳過來的扭矩，如圖2，紅色線是滾珠圓心位置在圓周上的分布，藍色，綠色，和黑色線是聯動軸的內徑，可以看出無論是哪個滾珠和聯動軸接觸只可能有兩個滾珠與聯動環接觸并承載聯動軸上傳來的力。

（2）分析原因并尋求解決方案

聯動環和滾柱之間的間隙是造成聯動環偏心運動的主要原因。可以通過增加滾珠節圓得直徑，減少間隙。滾柱的數量和位置也會影響聯動環的偏心量。當聯動環內徑與滾珠節圓位置一定時，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，受到機械結構本生的限制，滾珠必須位于2個葉片中間，總共有11個葉片即ε必須為16.36的倍數。c為聯動環的位移量，由此根據滾珠的不同位置和數量計算出實際的c值。如：ε=16.36時，c=0.130，ε=32.72時，c=0.149，ε=49.08時，c=0.191.綜合考慮機械結構的限制，可以安裝的滾珠數量，得出減小聯動環的內徑由4個滾珠增加到5個是較合理的方案。

1.3 解決方案

通過減少聯動環在運動中的偏心量，使其在運動過程中盡可能與各滾珠的接觸概率相同，由之前的實驗結果看，各滾珠的磨損量是非均布的，也就是說在實際運動過程中除接觸點的概率不同，扭矩載荷也不是均勻分布的在各個滾珠，所以必須通過合理布置滾柱的位置，使扭力據盡可能的均布到每個滾珠，這樣可以減少單個滾珠的承力和磨損。然而整個可變截面機械結構在運動中受到空氣載荷，摩擦力等外力的綜合影響，很難通過數學模型計算出受力情況。所以只有通過對比實驗來了解實際受力情況。首先對滾珠可以擺放的位置進行編號，從主搖臂開始順時針方向編號如圖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 試驗驗證

200 h快速磨損實驗

快速磨損實驗為發動機臺架試驗目的就是驗證運動件的磨損量。因此發動機工況為額定轉速（10 min）到最大扭矩轉速（10 min）為一個循環，可變噴嘴的運動為1 s一個循環（開-關-開），200 h等同于720，000個循環因此快速磨損實驗是相當惡劣的實驗。實驗結果如圖6所示。圖5為不同方案可測得的磨損量的分布及數值對比。綠色為原始設計，橘黃色為方案一，紫色為方案二。5個滾柱的實驗結果都優于原始設計，且達到設計要求（紅色線為設計要求）。而且主要磨損都集中在7～10位置.因此進行進一步優化選1，4，7，8，9為方案3，進一步驗證實驗結果。如圖6所示為方案三與原始設計的對比，實驗結果顯示，方案三設計磨損達到設計要求，且磨損量在滾柱上的分布較遠始設計更均勻。

3 結語

由此對方案三進行發動機實驗，且實驗反饋良好，實驗中無卡死現象。實驗后硬件檢測滾柱上沒有磨出平面，滾柱表面有圓周方向的發亮表面磨損和部分劃痕，但都在允許范圍之內，客戶反應良好。

因此方案三滿足了客戶的要求。從研發角度考慮，工程應用可能的更惡劣的工況，下一步可以從滾柱材料上作進一步分析，采用更耐磨的材料來研發更具競爭力的新一代可變噴嘴渦輪增壓器。

參考文獻

[1] 趙佳佳.可變噴嘴渦輪增壓器電控系統設計[J].汽車工程，2005，27（5）.

[2] 王延生，黃佑生.車輛發動機廢氣渦輪增壓器[M].北京：國防工業出版社，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