刘大诚;史立伟
【摘 要】相比于普遍使用的浮动轴承，在涡轮增压器中使用球轴承具有机械效率高和加速响应快的优势。以车用球轴承涡轮增压器为研究对象，用有限元法对轴承-转子系统进行了转子动力学特性的研究，对轴承-转子系统的临界转速进行了计算与分析，这是判断转子工作转速是否稳定和涡轮增压器工作是否可靠的重要依据；建立了增压器模型，并对比了计算结果和试验结果，证明了方法的可行性。通过整机试验表明，球轴承涡轮增压器能够满足当前车用发动机的需求，能够提高发动机的工作性能。%Turbochargers in ball bearings have much advantage than floating busing bearings,such as high mechanical efficiency and fast accelerate response.The paper studied obj ect that was ball bearing turbocharger of vehicle,researched on rotor dynamic characteristics of bearing-rotor system,and used finite element method to analyze the critical speed of bearing-rotor system which is the very important basis to j udging whether the rotor work is stable and turbocharger work is reliable. Comparing and analyzing the computing and experimental results,it proves the feasibility and
accuracy of setting up model on bearing-rotor system of ball bearing turbocharger.After the test of prototype,it was proved that ball bearing turbo-charger can meet the current needs of vehicle engine and improve the working performance of the engine.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2014(000)012
【总页数】3页(P53-55)
【关键词】涡轮增压器;球轴承;转子动力学;临界转速
【作 者】刘大诚;史立伟
【作者单位】淮安信息职业技术学院 汽车工程系，江苏 淮安 223003;山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049
【正文语种】中 文
【中图分类】O347.6
随着各国汽车保有量的不断增加和排放法规的日益严格，进一步降低内燃机排放和发展节能汽车成为当前社会与环境领域的一个重要研究内容；而涡轮增压器既能满足降低排放和提高燃油经济性的要求，又能提高动力性和驾驶性能，成为提高车辆动力性，改善经济性和排放性能的必备措施。
目前，车用汽油机或柴油机上广泛采用了废气涡轮增压技术，利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的压气机叶轮(位于进气道内)，叶轮将空气压缩后供入气缸，增大进气密度，提高发动机的充气效率，从而提高发动机的动力性和经济性，并改善其排放性能。与自然进气发动机相比，涡轮增压技术可实现节能10%～20%(汽油机)和20%～40%(柴油机)的目标[1]，能带来良好的经济效益和社会效益；但涡轮增压会使发动机在工作过程中产生更多的热量，而且气缸内的压力和平均工作温度大幅度提高，从而使发动机的力学性能和润滑性能受到一定影响。同时，由于涡轮增压器的启动会有一定滞后，所以在驾驶平顺性方面欠佳，加速时会有突兀感。
涡轮增压器的主轴转速高达每分钟十几万转甚至几十万转。由于惯性的存在，涡轮延时是涡轮增压器工作中存在的主要弊端之一，而轴承是造成涡轮延时的关键部件；同时，轴承作为
涡轮增压器的核心部件，其效率与可靠性对涡轮增压器的性能与寿命有重大影响[2]。改进涡轮轴承结构可以减少惯性和涡轮延时，延长涡轮增压器的使用寿命。
目前，车用涡轮增压器普遍使用浮动轴承，它存在着转动阻力和磨损问题以及因磨损而引起的润滑和密封问题，这严重影响着涡轮增压器的推广应用。球轴承机械效率可达95%以上，采用滚动球轴承增压器可使总效率提高5%～7%，在小流量时甚至可提高20%[3-4]，高速滚珠轴承摩擦力小、没有涡轮迟滞效应且工作状态稳定，因而车用涡轮增压器采用球轴承已经成为一种发展趋势。
近年来，有关高速轴系球轴承-转子系统的研究较多，但是由于研究时间不长，技术又涉及到多门学科知识，所以至今还没有建立起完整的球轴承系统理论体系，许多问题还需要进一步深入研究。
涡轮增压器的轴承除了支承转轴、提供润滑和减少摩擦外，还提供了刚度和阻尼，因而会影响整个转子系统的临界转速、振幅和稳定性。球轴承只提供刚度，在动力学分析中一般可简化为弹性支承。对于轴承-转子系统，在动力学分析中主要有临界转速、不平衡响应和稳定性这几方面的内容[5]。针对车用球轴承涡轮增压器，下述只对轴承-转子系统的临界转速进行
分析。临界转速是判定转子工作转速是否存在不稳定性的重要依据，使转子系统的工作转速远离其临界转速可以很好地预防其在工作转速下发生共振现象，提高增压器工作的可靠性。
用有限元法对轴承-转子系统进行动力学分析，其方法是将轴承-转子系统沿轴线划分为圆盘、轴段和轴承座等单元，通过对各单元的分析，建立各单元节点力与节点位移间的关系，将全部单元的运动方程综合在一起，就得到该转子系统的运动微分方程，其广义坐标即是节点的位移[6]。这样，连续质量的转子动力学问题就可以转化为各个子系统有限个自由度的动力学问题。通过求解一组线性代数方程，就可以得到该转子系统的临界转速。
涡轮增压器轴承-转子系统通常由离散的压气机叶轮与涡轮叶轮、旋转零件、具有分布质量及弹性的轴段和轴承座等组成。对于N个节点，其间用N-1个轴段连接而成的转子系统，综合各圆盘及轴段单元的运动方程，可得转子系统的运动方程[7-8]：
式中， 为转子系统的整体质量矩阵；为系统的回转矩阵；为系统的刚度矩阵；上述3个矩阵都是2N×2N阶对称稀疏带状矩阵；U1和U2为系统的位移向量；和为相应的广义力。
求解转子系统的动力学微分方程，通过得到的齐次解就可以获取转子系统的模态振型和涡动频率ω。令自转角速度为Ω，当Ω=ω时，转子的临界转速及相应振型也可以求得。
式1的齐次式为：
设式2的解为：
将式3代入式2，并令cos和sin项的系数分别为0(不同时为0)，Ω=ω，可得：
令，得频率方程为：
通过式5可以求得4N个特征值，但有若干个是负实数，只有正实数的特征值才有意义，它们的算术平方根就是各阶同步正向涡动和同步反向涡动的临界转速。
把球轴承简化为一个弹性支承，利用应用较为广泛的转子动力学专业分析软件DyRoBeS来建立轴承-转子系统模型(见图1)，轴承刚度由DyRoBeS软件中的轴承模块求得。
利用DyRoBeS软件建立的模型，对某型号的涡轮增压器进行动力学性能计算，该增压器采用整体滚珠轴承(见图2)，轴承内、外圈材料为轴承钢GCr15，压气机叶轮的材料为铝合金，涡轮叶轮的材料为K418镍基铸造合金，轴段的材料为42CrMo。
对比试验所测临界转速值与仿真所求临界转速值见表1。
从表1可以看出，仿真计算所得的临界转速与试验所测临界转速相差不大，均在5%以内，因此对此模型转子系统进行动力学特性分析是可行的。
对于球轴承涡轮增压器整机样机进行试验，其主要技术指标符合国家标准[9]的要求，与发动机匹配性能优良，主要技术指标见表2。
近年来，随着涡轮增压器在汽车上的应用越来越广泛，各国车辆排放法规要求的日益严格，车用涡轮增压器需要研究和使用更高效率及可靠性的轴承系统，球轴承的优越性也越来越突出。通过球轴承在车用涡轮增压器上试验应用的分析可知，球轴承的瞬间加速性更好，符合当前排放法规的要求，能够提高发动机的性能。
汽车涡轮增压器*山东省自然科学基金资助项目(ZR2012EM011)
【相关文献】
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