渦輪增壓器精密零件自動裝配研究

莊力寅，徐寶富

摘? 要：作為節(jié)能減排的有效手段，渦輪增壓技術(shù)對于現(xiàn)代工業(yè)和環(huán)境體系的影響越來越廣泛，其生產(chǎn)制造技術(shù)也越來越被人們所關(guān)注。從精度和結(jié)構(gòu)特點來看，渦輪增壓器核心精密零件的自動裝配存在一定難度。本文通過剖析增壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，說明裝配難點存在位置，并對渦輪增壓器各精密零件自動裝配設(shè)計原理及實現(xiàn)過程加以闡述、說明。同時從靜態(tài)驗證和動態(tài)驗證兩個方面驗證核心渦輪增壓器核心精密零件自動裝配的可行性。

關(guān)鍵詞：自動裝配設(shè)計;渦輪增壓器;精密零件;質(zhì)量評估

中圖分類號：U461? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）05-0106-05

Study on Automatic Assembly of Turbocharger Precision Components

ZHUANG Li-yin， XU Bao-fu

（School of Mechanical Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： As an effective means of energy saving and emission reduction， turbo technologys influence for modern industry and environment system is wider. Its manufacturing technology is getting more and more attention from people. In terms of precision and structure， it is difficult to assemble the core precision parts of turbocharger automatically. By analyzing the internal structure of turbocharger， this paper explains the difficulties of assembly process and describes the design principle and realization process of automatic assembly of turbochargers precision parts. The feasibility of automatic assembly of core precision parts of the core turbocharger is verified from two aspects of static verification and dynamic verification.

1? ? 導(dǎo)言

1975年，渦輪增壓器在保時捷上首次應(yīng)用，并在之后的數(shù)十年中被各主機應(yīng)用于各小型車輛中。在卡車領(lǐng)域、農(nóng)用機械領(lǐng)域，其應(yīng)用也越來越廣泛[1]。

渦輪增壓的興起與日趨嚴苛的環(huán)保法規(guī)有直接的關(guān)系。目前汽車企業(yè)所采用的傳統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)主要包括輕量化、渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、啟停系統(tǒng)等。從目前來看，渦輪增壓技術(shù)是最為有效的技術(shù)之一。從圖1中可以很直觀的看到其優(yōu)勢。

渦輪增壓器利用發(fā)動機排出的廢氣來驅(qū)動渦輪，并不消耗發(fā)動機本身的輸出功率[3]，其彌補了自然吸氣式發(fā)動機的先天不足，使發(fā)動機在不改變排氣量的情況下可以提高輸出功率30%以上[2]。

渦輪增壓器高速發(fā)展，可以說機遇與挑戰(zhàn)并存，如何提升渦輪增壓器的性能、確保其一致性、延長其壽命是我們不得不研究的課題。渦輪增壓器連接到發(fā)動機的排氣歧管[4]，排出的廢氣推動渦輪，其工作轉(zhuǎn)速高達十幾萬，甚至二十幾萬轉(zhuǎn)，同時渦端的工作溫度在1000度左右[5]。這無疑對渦輪增壓器核心轉(zhuǎn)子帶來巨大的考驗。這里所說的核心轉(zhuǎn)子即是我們此次所研究的對象，即渦輪部件、浮動軸承、隔套、活塞環(huán)、軸封等。在這些精密零件高速旋轉(zhuǎn)時，自發(fā)動機主油道來的機油充滿軸承與渦輪軸之間的間隙及軸承與殼體之間的間隙，使軸承在內(nèi)外層油膜間隨渦輪軸同向旋轉(zhuǎn)，隨后經(jīng)回油管回到油底殼[6]。

2? ? 增壓器精密零件自動裝配設(shè)計

2.1? ?軸封、活塞環(huán)自動壓裝設(shè)計

從圖2中我們可以看到兩個活塞環(huán)與軸封的裝配關(guān)系。主要難點還是在于活塞環(huán)的內(nèi)徑比軸封的外徑小，要將活塞環(huán)裝入必須使用特制的工裝，要將活塞環(huán)外撐之后壓入軸封的槽內(nèi)。同時此結(jié)構(gòu)又是雙環(huán)結(jié)構(gòu)，所以涉及到兩種不同內(nèi)部高度的裝配導(dǎo)向套。

圖3中兩種類型裝配導(dǎo)向套分別對應(yīng)軸封的上層活塞環(huán)槽與下層活塞環(huán)槽。

裝配活塞環(huán)的壓裝過程如圖4所示。壓裝機構(gòu)沿裝配導(dǎo)向套向下移動，通過裝配導(dǎo)向套與限位機構(gòu)配合，將活塞環(huán)準確裝入軸封的活塞環(huán)槽中。

軸封和活塞環(huán)的自動裝配過程涉及軸封送料、轉(zhuǎn)運，活塞環(huán)送料、轉(zhuǎn)運，上下兩層活塞環(huán)的壓裝以及裝配導(dǎo)向套的自動放置等動作，具體流程如下圖所示：

下圖展示了活塞環(huán)與軸封裝配主體機構(gòu)及配套機構(gòu)，包括軸封送料機構(gòu)及轉(zhuǎn)運機構(gòu)，活塞環(huán)送料機構(gòu)，活塞環(huán)壓裝機構(gòu)等。

2.2? ?渦輪部件、浮動軸承、隔套自動裝配設(shè)計

渦輪部件、浮動軸承、隔套自動裝配的難點還是在于裝配精準度的控制，浮動軸承和渦輪軸的雙邊間隙只有0.02mm左右，這對機械手的夾持精度、移動精度都是一個挑戰(zhàn)。此部分涉及自動裝配的精密零件如下圖所示。

浮動軸承、隔套與渦輪部件的自動裝配過程涉及浮動軸承送料、轉(zhuǎn)運，隔套送料、轉(zhuǎn)運以及浮動軸承、隔套的裝配，具體流程如下圖所示。