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摘 要：作为节能减排的有效手段，涡轮增压技术对于现代工业和环境体系的影响越来越广泛，其生产制造技术也越来越被人们所关注。从精度和结构特点来看，涡轮增压器核心精密零件的自动装配存在一定难度。本文通过剖析增压器内部结构，说明装配难点存在位置，并对涡轮增压器各精密零件自动装配设计原理及实现过程加以阐述、说明。同时从静态验证和动态验证两个方面验证核心涡轮增压器核心精密零件自动装配的可行性。
关键词：自动装配设计;涡轮增压器;精密零件;质量评估
中图分类号：U461 文献标识码：A 文章编号：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 technology’s influence for modern industry and environment system is wider. It’s 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 turbocharger’s 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 導言
1975年，涡轮增压器在保时捷上首次应用，并在之后的数十年中被各主机应用于各小型车辆中。在卡车领域、农用机械领域，其应用也越来越广泛[1]。
涡轮增压的兴起与日趋严苛的环保法规有直接的关系。目前汽车企业所采用的传统节能减排技术主要包括轻量化、涡轮增压、缸内直喷、启停系统等。从目前来看，涡轮增压技术是最为有效的技术之一。从图1中可以很直观的看到其优势。
涡轮增压器利用发动机排出的废气来驱动涡轮，并不消耗发动机本身的输出功率[3]，其弥补了自然吸气式发动机的先天不足，使发动机在不改变排气量的情况下可以提高输出功率30%以上[2]。
涡轮增压器高速发展，可以说机遇与挑战并存，如何提升涡轮增压器的性能、确保其一致性、延长其寿命是我们不得不研究的课题。涡轮增压器连接到发动机的排气歧管[4]，排出的废气推动涡轮，其工作转速高达十几万，甚至二十几万转，同时涡端的工作温度在1000度左右[5]。这无疑对涡轮增压器核心转子带来巨大的考验。这里所说的核心转子即是我们此次所研究的对象，即涡轮部件、浮动轴承、隔套、活塞环、轴封等。在这些精密零件高速旋转时，自发动机主油道来的机油充满轴承与涡轮轴之间的间隙及轴承与壳体之间的间隙，使轴承在内外层油膜间随涡轮轴同向旋转，随后经回油管回到油底壳[6]。
2 增压器精密零件自动装配设计
2.1 轴封、活塞环自动压装设计
从图2中我们可以看到两个活塞环与轴封的装配关系。主要难点还是在于活塞环的内径比轴封的外径小，要将活塞环装入必须使用特制的工装，要将活塞环外撑之后压入轴封的槽内。同时此结构又是双环结构，所以涉及到两种不同内部高度的装配导向套。
图3中两种类型装配导向套分别对应轴封的上层活塞环槽与下层活塞环槽。
装配活塞环的压装过程如图4所示。压装机构沿装配导向套向下移动，通过装配导向套与限位机构配合，将活塞环准确装入轴封的活塞环槽中。
轴封和活塞环的自动装配过程涉及轴封送料、转运，活塞环送料、转运，上下两层活塞环的压装以及装配导向套的自动放置等动作，具体流程如下图所示：
下图展示了活塞环与轴封装配主体机构及配套机构，包括轴封送料机构及转运机构，活塞环送料机构，活塞环压装机构等。
2.2 涡轮部件、浮动轴承、隔套自动装配设计
涡轮部件、浮动轴承、隔套自动装配的难点还是在于装配精准度的控制，浮动轴承和涡轮轴的双边间隙只有0.02mm左右，这对机械手的夹持精度、移动精度都是一个挑战。此部分涉及自动装配的精密零件如下图所示。
浮动轴承、隔套与涡轮部件的自动装配过程涉及浮动轴承送料、转运，隔套送料、转运以及浮动轴承、隔套的装配，具体流程如下图所示。 这套机构整合了浮动轴承的拾取机构、隔套的拾取机构、浮动轴承和隔套的转运机构以及浮动轴承和隔套的自动装配机构等，如下图所示。
采用三爪形式的夹爪结构夹持浮动轴承和隔套。A气爪夹持1号浮动轴承，B气爪夹持2号浮动轴承，C气爪夹持隔套，如下图所示。
气爪与控制上下运动的气缸之间设置一个运动连接块，其上端连接用于上下运动的气缸，其侧边设置线性导轨，其下端连接气爪。当气缸推动夹持有零件的气爪向下运行，到达指定位置后气爪松开，即可将零件装配到涡轮部件上，如下图所示。
三组气爪单元呈并列式排布，每组气爪单元均有气缸固定块与线性导轨固定于背板之上，实现整体联动。
气爪单元的来回运转由横向滑轨实现，承担将气爪单元送至零件拾取位置以及装配位置的任务。同样考虑到精度问题，电缸的驱动要以线性导轨辅助，保证整个机构的稳定性。
3 精密零件自动装配质量水平分析
此部分对轴封、活塞环、涡轮部件、浮动轴承等零件进行静态质量水平对比分析以及动态质量水平对比分析。
3.1 精密零件自动装配静态质量水平分析
基于装配过程动作分解，共识别轴封六个装配风险位置，如下图所示。
上图显示了轴封1-1位置在装配前后三维扫描的极差分布。经自动装配的轴封，装配前此位置圆周上测量点的极差都在0.04内，装配后的数据没有明显变化，比较稳定。而经手动装配的轴封，在装配后此位置出现了4个较大的极差变化点，说明出现了一定程度的磨损。
在轴封1-2风险位置，自动装配的表现同样优于手动装配。经手动装配的零件出现了一定程度的磨损，而经自动装配的零件基本保持了良好的状态。
结合涡轮部件装配过程动作分解，共识别其两个风险位置，如上图所示。
从涡轮部件风险位置1的测量结果来看，手动装配后部分产品粗糙度出现较明显上升，最大的点达到0.27左右，均值也有所上升，达到0.1863。自动装配过程在装配前后数值没有出现明显浮动。
对于单个浮动轴承，共识别出两个风险位置，如上图所示。
浮动轴承1-2号位置的极差情况如上图所示。手动装配的产品，此位置的粗糙度在装配后均值明显变大并出现了多个异常点，表明有不同程度的磨损。而经自动装配的产品，粗糙度分布区间与装配前基本相同，整体质量水平明显优于手动装配的产品。
2号浮动轴承与1号浮动轴承动作过程与风险位置相同，故不做进一步采样分析。
3.2 精密零件自动装配动态质量水平分析
核心动平衡反映的指标较多，与产品相关的指标主要有初始动不平衡值、动平衡合格率、去量次数分布、最终动平衡值等。
下图展示了自动装配与手动装配初始动不平衡值的分布情况。经手动装配的核心部件在低速端的动不平衡平均值为29.5mg.mm，在高速端的平均值为20.89mg.mm。而经自动装配的核心部件在低速端的动不平衡平均值为28.02mg.mm，高速端平均值为19.03mg.mm。总体来看，经自动装配的零件初始动不平衡量较小，包括均值、最大值和最小值。
测量动不平衡量之后，需要对核心部件进行去量校正，自动装配和手动装配的核心部件需要去量校正的次数分布如下图所示。经手动装配的核心部件，零次去量和一次去量的占比合计为74%，而经自动装配的零件，此占比合计为84%。说明自動装配的核心部件在动不平衡去量校正过程中更易于获得合格产品且效率更高，同时也反映了自动装配核心部件的质量水平要稍优于手动装配的零件。
4 结论
1）结合轴封、浮动轴承、涡轮部件等零件的结构特点，设计并制造自动装配机构，可以实现各零件的自动装配过程。
2）对自动装配、手动装配的轴封、活塞环、涡轮部件、浮动轴承、隔套等零件进行静态质量水平评估，自动装配过程展现了更好的稳定性、一致性，优于手动装配。
3）经自动装配的核心部件，初始均值、最大值、最小值都小于经手动装配的核心部件。同时，自动装配核心部件的零次去量率、一次去量率占比较高，优于手动装配产品。
参考文献：
[1]龙侦发. 车用涡轮增压技术的发展和应用[J]. 山东工业技术，2016（22）： 233.
[2]Daichi Wakaki，Yuta Sakuka，Nobuhiko Yamasaki. Study on Rotational Frequency Noise in a Centrifugal Compressor for Automobile Turbochargers[J]. Journal of Thermal Science.2014，53-59.
[3]许冀阳，郭炎伟，吴晨. 废气涡轮增压汽油机的使用与维护[J] . 汽车实用技术， 2016，1： 166-167.
[4]李静，黑中垒. 浅析涡轮增压技术[J]. 科技视界， 2015（12）： 93.
[5]G.WALLACE，A.P.JACKSON，S.P.MIDSON. High-quality aluminum turbocharger impellers produced by thixocasting [J]. TRANSACTIONS OF NONFERROUS METALS SOCIETY OF CHINA. 2010：1786-1791.
[6]华晓峰. 不应忽略涡轮增压器全浮动轴承的润滑[J]. 汽车维护与修理， 2010（12）： 2.
关键词：自动装配设计;涡轮增压器;精密零件;质量评估
中图分类号：U461 文献标识码：A 文章编号：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 technology’s influence for modern industry and environment system is wider. It’s 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 turbocharger’s 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 導言
1975年，涡轮增压器在保时捷上首次应用，并在之后的数十年中被各主机应用于各小型车辆中。在卡车领域、农用机械领域，其应用也越来越广泛[1]。
涡轮增压的兴起与日趋严苛的环保法规有直接的关系。目前汽车企业所采用的传统节能减排技术主要包括轻量化、涡轮增压、缸内直喷、启停系统等。从目前来看，涡轮增压技术是最为有效的技术之一。从图1中可以很直观的看到其优势。
涡轮增压器利用发动机排出的废气来驱动涡轮，并不消耗发动机本身的输出功率[3]，其弥补了自然吸气式发动机的先天不足，使发动机在不改变排气量的情况下可以提高输出功率30%以上[2]。
涡轮增压器高速发展，可以说机遇与挑战并存，如何提升涡轮增压器的性能、确保其一致性、延长其寿命是我们不得不研究的课题。涡轮增压器连接到发动机的排气歧管[4]，排出的废气推动涡轮，其工作转速高达十几万，甚至二十几万转，同时涡端的工作温度在1000度左右[5]。这无疑对涡轮增压器核心转子带来巨大的考验。这里所说的核心转子即是我们此次所研究的对象，即涡轮部件、浮动轴承、隔套、活塞环、轴封等。在这些精密零件高速旋转时，自发动机主油道来的机油充满轴承与涡轮轴之间的间隙及轴承与壳体之间的间隙，使轴承在内外层油膜间随涡轮轴同向旋转，随后经回油管回到油底壳[6]。
2 增压器精密零件自动装配设计
2.1 轴封、活塞环自动压装设计
从图2中我们可以看到两个活塞环与轴封的装配关系。主要难点还是在于活塞环的内径比轴封的外径小，要将活塞环装入必须使用特制的工装，要将活塞环外撑之后压入轴封的槽内。同时此结构又是双环结构，所以涉及到两种不同内部高度的装配导向套。
图3中两种类型装配导向套分别对应轴封的上层活塞环槽与下层活塞环槽。
装配活塞环的压装过程如图4所示。压装机构沿装配导向套向下移动，通过装配导向套与限位机构配合，将活塞环准确装入轴封的活塞环槽中。
轴封和活塞环的自动装配过程涉及轴封送料、转运，活塞环送料、转运，上下两层活塞环的压装以及装配导向套的自动放置等动作，具体流程如下图所示：
下图展示了活塞环与轴封装配主体机构及配套机构，包括轴封送料机构及转运机构，活塞环送料机构，活塞环压装机构等。
2.2 涡轮部件、浮动轴承、隔套自动装配设计
涡轮部件、浮动轴承、隔套自动装配的难点还是在于装配精准度的控制，浮动轴承和涡轮轴的双边间隙只有0.02mm左右，这对机械手的夹持精度、移动精度都是一个挑战。此部分涉及自动装配的精密零件如下图所示。
浮动轴承、隔套与涡轮部件的自动装配过程涉及浮动轴承送料、转运，隔套送料、转运以及浮动轴承、隔套的装配，具体流程如下图所示。 这套机构整合了浮动轴承的拾取机构、隔套的拾取机构、浮动轴承和隔套的转运机构以及浮动轴承和隔套的自动装配机构等，如下图所示。
采用三爪形式的夹爪结构夹持浮动轴承和隔套。A气爪夹持1号浮动轴承，B气爪夹持2号浮动轴承，C气爪夹持隔套，如下图所示。
气爪与控制上下运动的气缸之间设置一个运动连接块，其上端连接用于上下运动的气缸，其侧边设置线性导轨，其下端连接气爪。当气缸推动夹持有零件的气爪向下运行，到达指定位置后气爪松开，即可将零件装配到涡轮部件上，如下图所示。
三组气爪单元呈并列式排布，每组气爪单元均有气缸固定块与线性导轨固定于背板之上，实现整体联动。
气爪单元的来回运转由横向滑轨实现，承担将气爪单元送至零件拾取位置以及装配位置的任务。同样考虑到精度问题，电缸的驱动要以线性导轨辅助，保证整个机构的稳定性。
3 精密零件自动装配质量水平分析
此部分对轴封、活塞环、涡轮部件、浮动轴承等零件进行静态质量水平对比分析以及动态质量水平对比分析。
3.1 精密零件自动装配静态质量水平分析
基于装配过程动作分解，共识别轴封六个装配风险位置，如下图所示。
上图显示了轴封1-1位置在装配前后三维扫描的极差分布。经自动装配的轴封，装配前此位置圆周上测量点的极差都在0.04内，装配后的数据没有明显变化，比较稳定。而经手动装配的轴封，在装配后此位置出现了4个较大的极差变化点，说明出现了一定程度的磨损。
在轴封1-2风险位置，自动装配的表现同样优于手动装配。经手动装配的零件出现了一定程度的磨损，而经自动装配的零件基本保持了良好的状态。
结合涡轮部件装配过程动作分解，共识别其两个风险位置，如上图所示。
从涡轮部件风险位置1的测量结果来看，手动装配后部分产品粗糙度出现较明显上升，最大的点达到0.27左右，均值也有所上升，达到0.1863。自动装配过程在装配前后数值没有出现明显浮动。
对于单个浮动轴承，共识别出两个风险位置，如上图所示。
浮动轴承1-2号位置的极差情况如上图所示。手动装配的产品，此位置的粗糙度在装配后均值明显变大并出现了多个异常点，表明有不同程度的磨损。而经自动装配的产品，粗糙度分布区间与装配前基本相同，整体质量水平明显优于手动装配的产品。
2号浮动轴承与1号浮动轴承动作过程与风险位置相同，故不做进一步采样分析。
3.2 精密零件自动装配动态质量水平分析
核心动平衡反映的指标较多，与产品相关的指标主要有初始动不平衡值、动平衡合格率、去量次数分布、最终动平衡值等。
下图展示了自动装配与手动装配初始动不平衡值的分布情况。经手动装配的核心部件在低速端的动不平衡平均值为29.5mg.mm，在高速端的平均值为20.89mg.mm。而经自动装配的核心部件在低速端的动不平衡平均值为28.02mg.mm，高速端平均值为19.03mg.mm。总体来看，经自动装配的零件初始动不平衡量较小，包括均值、最大值和最小值。
测量动不平衡量之后，需要对核心部件进行去量校正，自动装配和手动装配的核心部件需要去量校正的次数分布如下图所示。经手动装配的核心部件，零次去量和一次去量的占比合计为74%，而经自动装配的零件，此占比合计为84%。说明自動装配的核心部件在动不平衡去量校正过程中更易于获得合格产品且效率更高，同时也反映了自动装配核心部件的质量水平要稍优于手动装配的零件。
4 结论
1）结合轴封、浮动轴承、涡轮部件等零件的结构特点，设计并制造自动装配机构，可以实现各零件的自动装配过程。
2）对自动装配、手动装配的轴封、活塞环、涡轮部件、浮动轴承、隔套等零件进行静态质量水平评估，自动装配过程展现了更好的稳定性、一致性，优于手动装配。
3）经自动装配的核心部件，初始均值、最大值、最小值都小于经手动装配的核心部件。同时，自动装配核心部件的零次去量率、一次去量率占比较高，优于手动装配产品。
参考文献：
[1]龙侦发. 车用涡轮增压技术的发展和应用[J]. 山东工业技术，2016（22）： 233.
[2]Daichi Wakaki，Yuta Sakuka，Nobuhiko Yamasaki. Study on Rotational Frequency Noise in a Centrifugal Compressor for Automobile Turbochargers[J]. Journal of Thermal Science.2014，53-59.
[3]许冀阳，郭炎伟，吴晨. 废气涡轮增压汽油机的使用与维护[J] . 汽车实用技术， 2016，1： 166-167.
[4]李静，黑中垒. 浅析涡轮增压技术[J]. 科技视界， 2015（12）： 93.
[5]G.WALLACE，A.P.JACKSON，S.P.MIDSON. High-quality aluminum turbocharger impellers produced by thixocasting [J]. TRANSACTIONS OF NONFERROUS METALS SOCIETY OF CHINA. 2010：1786-1791.
[6]华晓峰. 不应忽略涡轮增压器全浮动轴承的润滑[J]. 汽车维护与修理， 2010（12）： 2.