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大众汽车公司的机械式G型增压器

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大众汽车公司的机械式G型增压器大众汽车公司的机械式G型增压器 着发表于1905年,由勒隆?雷克斯撰写.那是一份美国 专利说明书. ,图2所示为获得专利的螺旋压气原理螺旋由呈渐开线的圆周型线形成(图2(a)l让 另一条渐开线错开一点开始,结果得出一条螺线的内外边界线,其壁厚为c(图2(hi图2 (c)和图2(d)为其立体图图2(所示为两条点对称的螺旋线.当作平移运动时,螺旋线上 的每一个点都在作圆周运动. f) IG40型和G60型增压器图2勒隆?雷克斯的螺旋压t机原理 在此后的几十年中,这种螺旋压气原理没有受到重视.未能实现的主要原因是无...
大众汽车公司的机械式G型增压器
大众汽车公司的机械式G型增压器 着发表于1905年,由勒隆?雷克斯撰写.那是一份美国 专利说明. ,图2所示为获得专利的螺旋压气原理螺旋由呈渐开线的圆周型线形成(图2(a)l让 另一条渐开线错开一点开始,结果得出一条螺线的内外边界线,其壁厚为c(图2(hi图2 (c)和图2(d)为其立体图图2(所示为两条点对称的螺旋线.当作平移运动时,螺旋线上 的每一个点都在作圆周运动. f) IG40型和G60型增压器图2勒隆?雷克斯的螺旋压t机原理 在此后的几十年中,这种螺旋压气原理没有受到重视.未能实现的主要原因是无法制 造螺旋叶片又薄又高,浇铸成问,机加工也成问题.由于制造工艺不精密,以致膨胀腔 或工作腔中的轴向和径向泄漏损失严重,效率太低采用现代的加工后,例如数控铣 削,才成功地解决加工不精密的问题,使螺旋叶片机械的原理成熟,从而可投人批量生产. 根据螺旋叶片原理成批制造的第一批压缩机当时被用作制冷剂的压缩机.直到7O年代 初,这种机器才得到了决定性的发展,其重点是改善制造工艺,改善螺旋叶片及与其匹配的部 件之间的径向密封图3所示为轿车空调装置用的三电公司螺旋叶片压缩机带有螺旋 叶片(25)的壳体分为3块(1O,l1,l2).挤气盘的螺旋叶片(26)支承在驱动轴(13) 原稿收到日期为l992年9月2日,修改稿收到日期为l993年4月26日 162?汽车工程1994年(第16卷)第3期 的偏心销上.与勒隆?雷克斯的膨胀机相反,这种螺旋叶片压缩机需要平衡块(331).它 偏心地设置在驱动轴上,同时它又是调节偏心的机构.以上各零件详见图4. 图5的球形联轴器(参见图3的26,34和37)具有阻止螺旋盘相对转动的作用,从而 使旋转运动变成压气过程.同时,该联轴器还有平衡压气过程中产生的轴向力的作用,因为 这是一种单侧作用的压气机结构.螺旋叶盘相互之间的轴向密封借 助于端面槽中的密封条 (图3中的252和262)以及制冷剂与机油的混合液,而螺旋气道进出口的压力差则是由设 计结构决定的(活塞环效应). 瑞士A{;h1f0r公司申请专利的是另一种按螺旋原理的结构,既可用于压缩液体,又 可用于压缩气体.采用这种机器,随着结构的不同,工作介质靠处于活动的或静止的壳体螺 道中的一条或多条螺旋叶片移动输送.图6所示为一种简单的结构... 圈6fi~lfor公司的螺旋压缩机 2G型增压器的结构 之所以称为G型增压器,是因为螺旋叶片的形状与字母G很相像螺旋叶片构成 1994年(第16卷)第3期汽车工程163 该增压器的工作室,按型号的不同,工作室深度分为40ram和60mm(实为59.5Ir玎n1两种 这种增压器由60个零件组成 图7为G60型增压器的纵向剖视图.该 增压器由两个固定的,分别带有两条螺旋叶片 的半壳以及在两个半壳之间活动的挤气盘构 成在挤气盘的中心板上,两侧各有两条螺旋 叶片,因此,每转一周可形成8个工作室.螺 旋叶片的型线由两个接在一起的半圆构成. 考虑到质量问题,挤气盘用镁合金压铸而 成.壳体用铝台金压铸而成,此外还包括驱动 轴和副轴的轴承座以及空气的进出口接头.挤 气盘支承在两个滚针轴承上,一个滚针轴承在 一一主轴的偏心销上(挤气盘的主偏心轴承),另图7G60型增压器的构造 一 个滚针轴承在副轴的偏心销上,它装在挤气盘的小孔中(摇摆孔轴承).主轴上共有三 个轴承(壳体轴承I,壳体轴承?以及-, 口 []t怍章封闭 一挤挤出 一 ◎ 图8在G型增压器内的空气输送 在第一阶段,由偏心销控制的螺旋叶片处在最高的位置上,通过壳体内圈螺旋叶片下部 的密封,内工作室被分成两部分这两部分全都敞开,其中一部分语向吸气侧,另一部分通 向压缩恻. 在第二阶段,驱动轴转过9o:挤气盘的螺旋叶片也相应作卿周运动.朝吸气侧敞开的 内工作室容积不断增大,从而将空气吸入.用一个小圆圈代表--4’团气体.以跟踪它在螺旋 气道中的路线.驱动轴再转过9o.(第三阶段),偏心销及挤气盘螺旋叶片到达它们的最低 . 164汽车工程1994年(第16卷)第3期 位置此时,外工作室被分成两部分.小圆圈代表的空气前进到螺旋气道的深处内工作室 的进出口被挤气盘螺旋叶片两端封闭.至此,该工作室的吸气过程结束 随着挤气盘螺旋叶片的进一步移动,内工作 室的出口打开,螺旋叶片中心的压缩空气的压力 便传递到工作室中(第四阶段)上述小圆圈代 表的空气受到压缩,同时,内工作室的吸人口打 开,开始一个新的吸气过程 在此后的工作过程中,挤气盘螺旋叶片将压 缩的空气从内工作室压到螺旋叶片的中心(第一, 二阶段),同时,挤气盘螺旋叶片与壳体螺旋 叶片之问的密封位置从吸气口转移到排气口空 气离开螺旋气道沿轴向排出,离开G型增压器 (见图9)蚓9在G型增压器中的空L输送 4G型增压器的运动学原理 为使挤气盘进行上述平移运动,除驱动轴上的偏心销外,还需要第二 个导向件在G 型增压器上则借助于副轴上的偏心销,该销支承在挤气盘的小孔中 (图1O) 无齿带的运动学横型育卣带的矗动学攥型 幽10G型增压器的运动学 平行的曲舾饽动平行的曲柄传动布置两謇 【IG型增压器的运动学 这个运动学模型示出了一个平行的曲柄传 动机构.除死点外,G型增压器两根轴(驱动 轴和副轴)的同步性是靠挤气盘实现的(图 11)在死点上,只有(驱动轴的)驱动曲柄 的旋转方向是明确的为了驱动从动轴(副 轴),原则上还需要另一根连杆.在G型增压器 上,这根连杆由齿带代替.如果没有齿带,死点 时的旋转方向就不一定.在由驱动轴驱动的齿 带的作用下,对旋转方向就作出了明确的规定. 5增压器中力的平衡 1994年(第16卷)第3期汽车工程 图l2右侧所示为G40型增压器的纵向剖 视图,图上画出了最重要的零件.设计结构基 本上与G60型增压器相同.与前面所描述的 一 样,这种螺旋压缩机在挤气盘底板的两侧都 有螺旋叶片.因为底板两侧的螺旋叶片型线是 直接相对的,而且也一样,所以相对的工 作室中所出现的力一样大.因此,作用在挤气 盘底板上的轴向力几乎完全抵消所以,挤气 盘就没有必要像前面介绍的制冷剂压缩机那样 设置止推轴承. 图l2G型增压器的空t密封 为了抵消所出现的惯性力,这两个系统都须采取平衡措施驱动轴的 平衡块设在偏心销 的两侧,它们锻在轴上,或者安装在轴上.副轴上的平衡块完全采用安 装的办法 6G型增压器的气密问题 G型增压器的工作室是由挤气盘和壳体组成的,它们之问的径向气 密是通过尽可能窄的 气隙来实现的.为了达到各工作室的轴向气密,开发了一种特殊的密封机构,因为作为发动 机的增压器,不可能采用由机油或润滑剂支撑的密封技术. 在此采用了一种由聚四氟乙烯和青铜复合而成的密封条,嵌在挤气盘和壳体螺旋叶片端 面上铣出来的槽中,密封条与槽的侧向间隙是经过精密设计而选定的正如在活塞环机构中 常见的情况,空气的压人会传布到槽的底部,并作用到密封条上在壳体上,槽的底部设有 螺旋形波纹弹簧,附加地作用于密封条,将它压在挤气盘的底板上因此,密封系统对公差 不太敏感.为确保在整个运转期间都能获得良好的密封效果,必须尽量做到在槽中的密封条 圆周方向上不存在间隙.由于密封条的滑动速度低,所以摩擦功也很小,而密封效果却是良 好的 7油脂密封 由机油润滑的驱动轴轴承以及长效润滑脂润滑的副轴摇摆孔轴承所采用的油封为径向 油封,一方面要防止机油外泄,另一方面要防止空气进入.副轴的另两个轴承为凹槽滚珠 轴承,轴承厂方面已装好盖板在此特殊的是驱动轴和副轴的偏心轴 承,因为它们受到很大 的离心力的作用. 在离心力很大的情况下,径向油封的 刃口有抬起来的倾向.为防止出现这种情 况,通常采用一根具有相应弹力的管状弹 簧.在中,低转速时,该弹簧的弹力就会 显得过大.密封刃口紧紧地压在轴上,经 过长期运转,密封刃口有可能切人到轴 中.而聚四氟乙烯油封的密封刃口质量较小 卉氟丙帐眭径向t由封有铝质骨架的橐四氟己坶埘 图l3油封的发展 且这种材料在弹性之中具有一定的刚性,因此 166-汽车工程1994年(第16卷)第3期 不需要再加装弹簧.其密封刃口的压力比传统的油封小,这样就可避 免刃口切人轴中(见图l3). 8G型增压器热力学特性 G40型和G60型两种增压器的技术数据列于表lG40型的标定转速 为10350r/rain,最大 压比1.9;G60型的标定转速为10020r/rain,最大压比1.8.G40型的8 个工作室探40ram,理论 排量592mLG60型也有8个工作室,探595mm,理论排量达888mL.两种增压器所有零件 的材料是相同的. 表1G型增压器的技术数据 技术数据G4oBG~0/2 标定转速~tminIo35010020 最大压比1918 理论排量mL5928踮 工作室教88 工作室深度脚n4o595 材料: 壳体压铸铝合盒压铸铝合盒 挤气盘压铸镁舍金压铸镁舍盒 轴喾碳铜喾碳钢 密封条聚四氟乙烯青铜复舍材料聚四氟乙烯青铜复合材料 密封垫氢化丁腈橡胶(Tn~an)氢化丁骑橡胶(1krb衄) 图l4所示为一台G60型增压器的万有特性曲线.增压器进出口压差与转速和流量的关 系用实线表示等功率线(点线)包含纯泵送功率,回流损失,缝隙损失和增压器的机械摩 擦损失.因此,这条曲线表示对增压器的全部驱动功率.图中虚线所示为增压器进出口等温 差曲线.总效率曲线(GW)则表示等熵泵送功率与增压器驱动功率之比值.在中等转速范 围内,总效率达到65%70%(见图14中点划线 一空气流量,n1h’I 图14G-60型增压器的万有特性曲线 图l5所示为这种机械式增压器的理论pV图.增压器从环境(4)中吸气,然后泵送到 接在其后的机器中.要是G型增压器的螺旋叶片长度超过360.,那么所泵送的空气就会发 1994年(第16卷)第3期汽车工程 生内压缩(从1到2).通过节流阀和旁通阀调节负荷,可以调定空气的终端压力 图1.5机械式增压器的理论pV图 当转速n=6ooor/nfm,背压=1.6bar时,一台G40型增压器所测得的PV图示于图l6 中.吸人空气的压力只?1bar,并被泵送到发动机中.最大的吸气容积并非在驱动轴旋 转到有关的工作室开始压缩时才达到(见图8:第1阶段外工作室,第3阶段内工作室),而 是当驱动轴旋转307.时就达到了.这一点可从pV图上清楚地看出来.其原因在于G型增 压器螺旋叶片的几何形状.当驱动轴旋转307时,其工作室容积正好 最大. 2.0 15 1.O ‘5 当转速=6000r,min1日 背压【.6b自r 工作室窖积cnl 图l6一台G40型增压器的PV图 9G型增压器与其他机械式增压器的比较 罗茨增压器,叶片增压器和G型增压器的比较列于表2中.对比包括: 泵送空气的回 流是否会发生内压缩,密封元件的磨损以及所产生的噪声和惯性矩. 表2机械式增压曩的比较 罗葭增压器叶片增压器G型增压器 回漉高氍,密封低 有取决于有可能曩旋叶片 内压缩无 出口边缘长度超过360. 密封元件的磨损小不接触大,相对速度高小, 相对速虞低 8十I.囔声大 .冲击性供气大,冲击性供气 准稳定供气 惯性矩大大小 ‘ l68汽车工程1994年(第l6卷)第3期 通过测量可知,在没有止回阀的情况下,G型增压器出气管中的回流是轻微的.当螺旋 叶片长度超过360.时,所泵送的空气会发生内压缩磨损则由于密封条相对速度较低而较 轻,同时也由于挤气盘质量轻以及惯性矩偏心距较小.因为有4x2共8-i-I作室,所输送 的空气只是轻微脉动,所以其噪声要比其他增压器小. 1OG型增压器的应用领域 G60型增压器现用于大众汽车1,8L~4缸直列汽油机上,并使该发动机的功率提高到118 kW.无论是汽油机还是柴油机,G60型增压器原则上都适用.图17所示为带G60增压器的1.8 L发动机在柯拉多牌轿车上的安装情况. 崩I7G60型增压器安装于柯拉多牌轿车的情况 除G60型增压器外,自1990年底以来还成批生产G40型增压器.后者与1_3L的4缸 汽油机相配,装用在波罗牌轿车上(图18).与G60型增压器一样,G40型增压器汽油机和 柴油机都适用. 18G型增压器在波罗牌轿车上的应用 l1展望 与内燃机的发展历史相比,G型增压器还相当年轻,大有潜力可挖.通过采用新的工艺, 增压压力还可进一步提高,特别是在低速和中速运转的范围内(图19). 因此,小排量发动 机的传动比档次可拉得 AirConditioning(bnmr?s0rForTheNewGe~eratmnAu【0脚0.SAETechr6- ca1PaperSeriesNr.830540 3Sandeno.rp(Japan)Ell[0pPatent盱0107409A1,1984.52 4AginforAG(Sda,~eiz).DeutschesPatentDP2603462C2,1982.34 5Klaus:?”一PurnpeundSpira]verdicht~:Neuefluid,Okmberl976 6Developmentofv0IbsSupadlaIG—Lad~.SAETechrbzalPaperS口Nr.860l01 7WillmmmMundMilerTh3lahreSedenfeaigungG—LaderAk出把曲?Ko~eren7Aachen199 VDI—Gesellsdm~Fahmengtechnik (张兆奎译王秭垂审校) Volkswagen’SGTypeMechanicalSupercharger H.WeI1brock Akstraet G—typesuperchargerdesignedandmanufacturedbyVolkswagenMotorCo mpany,based onthespiralcompressionpfindpleisdescribedinthepaper.Itsworkingprinci ple,stru~ure andapplicationtosuperchargingofautomotiveengineai’eillustratedanddisc ussedindetail. Keywords:SuperchargerMedmniealtype
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