某型液压驱动可变喷嘴涡轮增压器—滚柱磨损研究

夏晓屹

摘 要：某型液压驱动可变喷嘴涡轮增压器在研发过程中出现机械运动机构滚柱磨损导致机械结构卡死的现象。通过对实验结果的数据分析和硬件测量，并结合理论分析，找出承力滚柱分布位置是影响磨损的主要原因。通过模拟分析和实验相结合的方法找到滚柱的合理的分布位置以满足实际应用的要求。并且通过发动机实验证实了方案的可行性和有效性。

关键词：增压器 可变喷嘴 滚柱 磨损

中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0003-02

涡轮增压技术已成为提高燃油效率， 减少排放的一个行之有效的途径.可变喷嘴增压器与传统增压器相比，极大改善了低速时的响应时间和加速能力。且可调节范围广，在所有转速范围内可变喷嘴增压器的效率均高于传统增压器。相应的，节油性能也更上一层楼。可变喷嘴增压器在国外已有很多成熟的技术和应用，在中国还处于研发阶段，还有很多技术难题需要攻克。可变喷嘴涡轮增压器的机械磨损问题就是在实际应用中一个常见的问题。该文作者就在实际应用中遇到机械运动结构磨损并卡死的现象，这直接影响增压器的性能，无法满足发动机的实际要求也无法实现可变增压器的优势功能，甚至于直接导致发动机无法正常工作。因此对机械磨损的的分析研究是非常必要的，该文将详述作者在研发可变喷嘴增压器遇到的问题以及解决方案。

1 滚珠磨损的理论研究

1.1 某型增压器在实际运用中遇到的问题

可变喷嘴涡轮增压器的机械结构相对于普通增压器要复杂的多，图1是某可变喷嘴增压器的可变喷嘴的机械结构，其主要原理是通过控制叶片开角的大小来控制进气量的大小，来满足不同工况的需求。它的传动机构主要由：主传动摇臂，联动环，摇臂，叶片，滚柱和销钉组成。主传动摇臂由液压驱动，带动联动环，联动环再带动摇臂，摇臂与叶片焊接成一体，摇臂的运动会带动叶片绕着各自的旋转中心一起运动，来达到控制叶片开合角度，从而达到控制进气量的目的，来满足不同工况下的需求。

在某实际应用中，由于工况较恶劣，出现了联动环卡死无法正常运动，或者响应速度很慢的严重问题。实验后硬件拆检后发现，滚柱磨损量远超过允许的磨损量范围，已磨出了一个明显的平面（如图3所示），滚珠与联动环之间已经不再是纯滚动，这将直接导致联动环卡死无法正常运动。也符合实际应用的试验反馈。

1.2 首先从力学角度分析下滚柱实际受力情况

（1）利用三维模型了解运动过程中各运动件之间的接触点

联动环与滚珠之间是有间隙的，所以在运动过程中只可能有两个滚珠同时受到联动轴上传过来的扭矩，如图2，红色线是滚珠圆心位置在圆周上的分布，蓝色，绿色，和黑色线是联动轴的内径，可以看出无论是哪个滚珠和联动轴接触只可能有两个滚珠与联动环接触并承载联动轴上传来的力。

（2）分析原因并寻求解决方案

联动环和滚柱之间的间隙是造成联动环偏心运动的主要原因。可以通过增加滚珠节圆得直径，减少间隙。滚柱的数量和位置也会影响联动环的偏心量。当联动环内径与滚珠节圆位置一定时，如图3所示，建立出偏心位移量的模型，其中ε是滚珠所在的位置，受到机械结构本生的限制，滚珠必须位于2个叶片中间，总共有11个叶片即ε必须为16.36的倍数。c为联动环的位移量，由此根据滚珠的不同位置和数量计算出实际的c值。如：ε=16.36时，c=0.130，ε=32.72时，c=0.149，ε=49.08时，c=0.191.综合考虑机械结构的限制，可以安装的滚珠数量，得出减小联动环的内径由4个滚珠增加到5个是较合理的方案。

1.3 解决方案

通过减少联动环在运动中的偏心量，使其在运动过程中尽可能与各滚珠的接触概率相同，由之前的实验结果看，各滚珠的磨损量是非均布的，也就是说在实际运动过程中除接触点的概率不同，扭矩载荷也不是均匀分布的在各个滚珠，所以必须通过合理布置滚柱的位置，使扭力据尽可能的均布到每个滚珠，这样可以减少单个滚珠的承力和磨损。然而整个可变截面机械结构在运动中受到空气载荷，摩擦力等外力的综合影响，很难通过数学模型计算出受力情况。所以只有通过对比实验来了解实际受力情况。首先对滚珠可以摆放的位置进行编号，从主摇臂开始顺时针方向编号如图4所示。方案一取1，3，5，7，9位置，方案二选2，4，6，8，10位置。

2 试验验证

200 h快速磨损实验

快速磨损实验为发动机台架试验目的就是验证运动件的磨损量。因此发动机工况为额定转速（10 min）到最大扭矩转速（10 min）为一个循环，可变喷嘴的运动为1 s一个循环（开-关-开），200 h等同于720，000个循环因此快速磨损实验是相当恶劣的实验。实验结果如图6所示。图5为不同方案可测得的磨损量的分布及数值对比。绿色为原始设计，橘黄色为方案一，紫色为方案二。5个滚柱的实验结果都优于原始设计，且达到设计要求（红色线为设计要求）。而且主要磨损都集中在7～10位置.因此进行进一步优化选1，4，7，8，9为方案3，进一步验证实验结果。如图6所示为方案三与原始设计的对比，实验结果显示，方案三设计磨损达到设计要求，且磨损量在滚柱上的分布较远始设计更均匀。

3 结语

由此对方案三进行发动机实验，且实验反馈良好，实验中无卡死现象。实验后硬件检测滚柱上没有磨出平面，滚柱表面有圆周方向的发亮表面磨损和部分划痕，但都在允许范围之内，客户反应良好。

因此方案三满足了客户的要求。从研发角度考虑，工程应用可能的更恶劣的工况，下一步可以从滚柱材料上作进一步分析，采用更耐磨的材料来研发更具竞争力的新一代可变喷嘴涡轮增压器。

参考文献

[1] 赵佳佳.可变喷嘴涡轮增压器电控系统设计[J].汽车工程，2005，27（5）.

[2] 王延生，黄佑生.车辆发动机废气涡轮增压器[M].北京：国防工业出版社，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：某型液压驱动可变喷嘴涡轮增压器在研发过程中出现机械运动机构滚柱磨损导致机械结构卡死的现象。通过对实验结果的数据分析和硬件测量，并结合理论分析，找出承力滚柱分布位置是影响磨损的主要原因。通过模拟分析和实验相结合的方法找到滚柱的合理的分布位置以满足实际应用的要求。并且通过发动机实验证实了方案的可行性和有效性。

关键词：增压器 可变喷嘴 滚柱 磨损

中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0003-02

涡轮增压技术已成为提高燃油效率， 减少排放的一个行之有效的途径.可变喷嘴增压器与传统增压器相比，极大改善了低速时的响应时间和加速能力。且可调节范围广，在所有转速范围内可变喷嘴增压器的效率均高于传统增压器。相应的，节油性能也更上一层楼。可变喷嘴增压器在国外已有很多成熟的技术和应用，在中国还处于研发阶段，还有很多技术难题需要攻克。可变喷嘴涡轮增压器的机械磨损问题就是在实际应用中一个常见的问题。该文作者就在实际应用中遇到机械运动结构磨损并卡死的现象，这直接影响增压器的性能，无法满足发动机的实际要求也无法实现可变增压器的优势功能，甚至于直接导致发动机无法正常工作。因此对机械磨损的的分析研究是非常必要的，该文将详述作者在研发可变喷嘴增压器遇到的问题以及解决方案。

1 滚珠磨损的理论研究

1.1 某型增压器在实际运用中遇到的问题

可变喷嘴涡轮增压器的机械结构相对于普通增压器要复杂的多，图1是某可变喷嘴增压器的可变喷嘴的机械结构，其主要原理是通过控制叶片开角的大小来控制进气量的大小，来满足不同工况的需求。它的传动机构主要由：主传动摇臂，联动环，摇臂，叶片，滚柱和销钉组成。主传动摇臂由液压驱动，带动联动环，联动环再带动摇臂，摇臂与叶片焊接成一体，摇臂的运动会带动叶片绕着各自的旋转中心一起运动，来达到控制叶片开合角度，从而达到控制进气量的目的，来满足不同工况下的需求。

在某实际应用中，由于工况较恶劣，出现了联动环卡死无法正常运动，或者响应速度很慢的严重问题。实验后硬件拆检后发现，滚柱磨损量远超过允许的磨损量范围，已磨出了一个明显的平面（如图3所示），滚珠与联动环之间已经不再是纯滚动，这将直接导致联动环卡死无法正常运动。也符合实际应用的试验反馈。

1.2 首先从力学角度分析下滚柱实际受力情况

（1）利用三维模型了解运动过程中各运动件之间的接触点

联动环与滚珠之间是有间隙的，所以在运动过程中只可能有两个滚珠同时受到联动轴上传过来的扭矩，如图2，红色线是滚珠圆心位置在圆周上的分布，蓝色，绿色，和黑色线是联动轴的内径，可以看出无论是哪个滚珠和联动轴接触只可能有两个滚珠与联动环接触并承载联动轴上传来的力。

（2）分析原因并寻求解决方案

联动环和滚柱之间的间隙是造成联动环偏心运动的主要原因。可以通过增加滚珠节圆得直径，减少间隙。滚柱的数量和位置也会影响联动环的偏心量。当联动环内径与滚珠节圆位置一定时，如图3所示，建立出偏心位移量的模型，其中ε是滚珠所在的位置，受到机械结构本生的限制，滚珠必须位于2个叶片中间，总共有11个叶片即ε必须为16.36的倍数。c为联动环的位移量，由此根据滚珠的不同位置和数量计算出实际的c值。如：ε=16.36时，c=0.130，ε=32.72时，c=0.149，ε=49.08时，c=0.191.综合考虑机械结构的限制，可以安装的滚珠数量，得出减小联动环的内径由4个滚珠增加到5个是较合理的方案。

1.3 解决方案

通过减少联动环在运动中的偏心量，使其在运动过程中尽可能与各滚珠的接触概率相同，由之前的实验结果看，各滚珠的磨损量是非均布的，也就是说在实际运动过程中除接触点的概率不同，扭矩载荷也不是均匀分布的在各个滚珠，所以必须通过合理布置滚柱的位置，使扭力据尽可能的均布到每个滚珠，这样可以减少单个滚珠的承力和磨损。然而整个可变截面机械结构在运动中受到空气载荷，摩擦力等外力的综合影响，很难通过数学模型计算出受力情况。所以只有通过对比实验来了解实际受力情况。首先对滚珠可以摆放的位置进行编号，从主摇臂开始顺时针方向编号如图4所示。方案一取1，3，5，7，9位置，方案二选2，4，6，8，10位置。

2 试验验证

200 h快速磨损实验

快速磨损实验为发动机台架试验目的就是验证运动件的磨损量。因此发动机工况为额定转速（10 min）到最大扭矩转速（10 min）为一个循环，可变喷嘴的运动为1 s一个循环（开-关-开），200 h等同于720，000个循环因此快速磨损实验是相当恶劣的实验。实验结果如图6所示。图5为不同方案可测得的磨损量的分布及数值对比。绿色为原始设计，橘黄色为方案一，紫色为方案二。5个滚柱的实验结果都优于原始设计，且达到设计要求（红色线为设计要求）。而且主要磨损都集中在7～10位置.因此进行进一步优化选1，4，7，8，9为方案3，进一步验证实验结果。如图6所示为方案三与原始设计的对比，实验结果显示，方案三设计磨损达到设计要求，且磨损量在滚柱上的分布较远始设计更均匀。

3 结语

由此对方案三进行发动机实验，且实验反馈良好，实验中无卡死现象。实验后硬件检测滚柱上没有磨出平面，滚柱表面有圆周方向的发亮表面磨损和部分划痕，但都在允许范围之内，客户反应良好。

因此方案三满足了客户的要求。从研发角度考虑，工程应用可能的更恶劣的工况，下一步可以从滚柱材料上作进一步分析，采用更耐磨的材料来研发更具竞争力的新一代可变喷嘴涡轮增压器。

参考文献

[1] 赵佳佳.可变喷嘴涡轮增压器电控系统设计[J].汽车工程，2005，27（5）.

[2] 王延生，黄佑生.车辆发动机废气涡轮增压器[M].北京：国防工业出版社，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：某型液压驱动可变喷嘴涡轮增压器在研发过程中出现机械运动机构滚柱磨损导致机械结构卡死的现象。通过对实验结果的数据分析和硬件测量，并结合理论分析，找出承力滚柱分布位置是影响磨损的主要原因。通过模拟分析和实验相结合的方法找到滚柱的合理的分布位置以满足实际应用的要求。并且通过发动机实验证实了方案的可行性和有效性。

关键词：增压器 可变喷嘴 滚柱 磨损

中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0003-02

涡轮增压技术已成为提高燃油效率， 减少排放的一个行之有效的途径.可变喷嘴增压器与传统增压器相比，极大改善了低速时的响应时间和加速能力。且可调节范围广，在所有转速范围内可变喷嘴增压器的效率均高于传统增压器。相应的，节油性能也更上一层楼。可变喷嘴增压器在国外已有很多成熟的技术和应用，在中国还处于研发阶段，还有很多技术难题需要攻克。可变喷嘴涡轮增压器的机械磨损问题就是在实际应用中一个常见的问题。该文作者就在实际应用中遇到机械运动结构磨损并卡死的现象，这直接影响增压器的性能，无法满足发动机的实际要求也无法实现可变增压器的优势功能，甚至于直接导致发动机无法正常工作。因此对机械磨损的的分析研究是非常必要的，该文将详述作者在研发可变喷嘴增压器遇到的问题以及解决方案。

1 滚珠磨损的理论研究

1.1 某型增压器在实际运用中遇到的问题

可变喷嘴涡轮增压器的机械结构相对于普通增压器要复杂的多，图1是某可变喷嘴增压器的可变喷嘴的机械结构，其主要原理是通过控制叶片开角的大小来控制进气量的大小，来满足不同工况的需求。它的传动机构主要由：主传动摇臂，联动环，摇臂，叶片，滚柱和销钉组成。主传动摇臂由液压驱动，带动联动环，联动环再带动摇臂，摇臂与叶片焊接成一体，摇臂的运动会带动叶片绕着各自的旋转中心一起运动，来达到控制叶片开合角度，从而达到控制进气量的目的，来满足不同工况下的需求。

在某实际应用中，由于工况较恶劣，出现了联动环卡死无法正常运动，或者响应速度很慢的严重问题。实验后硬件拆检后发现，滚柱磨损量远超过允许的磨损量范围，已磨出了一个明显的平面（如图3所示），滚珠与联动环之间已经不再是纯滚动，这将直接导致联动环卡死无法正常运动。也符合实际应用的试验反馈。

1.2 首先从力学角度分析下滚柱实际受力情况

（1）利用三维模型了解运动过程中各运动件之间的接触点

联动环与滚珠之间是有间隙的，所以在运动过程中只可能有两个滚珠同时受到联动轴上传过来的扭矩，如图2，红色线是滚珠圆心位置在圆周上的分布，蓝色，绿色，和黑色线是联动轴的内径，可以看出无论是哪个滚珠和联动轴接触只可能有两个滚珠与联动环接触并承载联动轴上传来的力。

（2）分析原因并寻求解决方案

联动环和滚柱之间的间隙是造成联动环偏心运动的主要原因。可以通过增加滚珠节圆得直径，减少间隙。滚柱的数量和位置也会影响联动环的偏心量。当联动环内径与滚珠节圆位置一定时，如图3所示，建立出偏心位移量的模型，其中ε是滚珠所在的位置，受到机械结构本生的限制，滚珠必须位于2个叶片中间，总共有11个叶片即ε必须为16.36的倍数。c为联动环的位移量，由此根据滚珠的不同位置和数量计算出实际的c值。如：ε=16.36时，c=0.130，ε=32.72时，c=0.149，ε=49.08时，c=0.191.综合考虑机械结构的限制，可以安装的滚珠数量，得出减小联动环的内径由4个滚珠增加到5个是较合理的方案。

1.3 解决方案

通过减少联动环在运动中的偏心量，使其在运动过程中尽可能与各滚珠的接触概率相同，由之前的实验结果看，各滚珠的磨损量是非均布的，也就是说在实际运动过程中除接触点的概率不同，扭矩载荷也不是均匀分布的在各个滚珠，所以必须通过合理布置滚柱的位置，使扭力据尽可能的均布到每个滚珠，这样可以减少单个滚珠的承力和磨损。然而整个可变截面机械结构在运动中受到空气载荷，摩擦力等外力的综合影响，很难通过数学模型计算出受力情况。所以只有通过对比实验来了解实际受力情况。首先对滚珠可以摆放的位置进行编号，从主摇臂开始顺时针方向编号如图4所示。方案一取1，3，5，7，9位置，方案二选2，4，6，8，10位置。

2 试验验证

200 h快速磨损实验

快速磨损实验为发动机台架试验目的就是验证运动件的磨损量。因此发动机工况为额定转速（10 min）到最大扭矩转速（10 min）为一个循环，可变喷嘴的运动为1 s一个循环（开-关-开），200 h等同于720，000个循环因此快速磨损实验是相当恶劣的实验。实验结果如图6所示。图5为不同方案可测得的磨损量的分布及数值对比。绿色为原始设计，橘黄色为方案一，紫色为方案二。5个滚柱的实验结果都优于原始设计，且达到设计要求（红色线为设计要求）。而且主要磨损都集中在7～10位置.因此进行进一步优化选1，4，7，8，9为方案3，进一步验证实验结果。如图6所示为方案三与原始设计的对比，实验结果显示，方案三设计磨损达到设计要求，且磨损量在滚柱上的分布较远始设计更均匀。

3 结语

由此对方案三进行发动机实验，且实验反馈良好，实验中无卡死现象。实验后硬件检测滚柱上没有磨出平面，滚柱表面有圆周方向的发亮表面磨损和部分划痕，但都在允许范围之内，客户反应良好。

因此方案三满足了客户的要求。从研发角度考虑，工程应用可能的更恶劣的工况，下一步可以从滚柱材料上作进一步分析，采用更耐磨的材料来研发更具竞争力的新一代可变喷嘴涡轮增压器。

参考文献

[1] 赵佳佳.可变喷嘴涡轮增压器电控系统设计[J].汽车工程，2005，27（5）.

[2] 王延生，黄佑生.车辆发动机废气涡轮增压器[M].北京：国防工业出版社，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