渦輪增壓器執(zhí)行器彈簧應(yīng)力松弛試驗(yàn)

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引言

由電機(jī)、推桿、彈簧、閥桿、襯套等零件組成的增壓器執(zhí)行器是保障渦輪增壓器工作在合理轉(zhuǎn)速內(nèi)的重要控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)增壓器壓力達(dá)到一定限值，在電機(jī)作用下，執(zhí)行器將廢氣旁通閥打開(kāi)，部分廢氣直接流經(jīng)旁通閥，防止渦輪增壓器超速。在執(zhí)行器中，閥桿與襯套之間會(huì)設(shè)計(jì)一定間隙，以防止受熱后閥桿與襯套擠壓。執(zhí)行器彈簧的作用就是彌補(bǔ)這個(gè)間隙，防止閥桿與襯套敲擊產(chǎn)生噪聲。彈簧作為常見(jiàn)的彈性元件，工作過(guò)程主要是承受反復(fù)加載、卸載的過(guò)程，失效模式主要表現(xiàn)為疲勞斷裂[1]。然而，用于渦輪增壓器執(zhí)行器的彈簧長(zhǎng)期處于壓縮和高溫的環(huán)境中，彈簧受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，不可避免會(huì)產(chǎn)生蠕變或應(yīng)力松弛現(xiàn)象[2]。研究渦輪增壓器執(zhí)行器彈簧在高溫、壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力松弛規(guī)律對(duì)渦輪增壓器執(zhí)行器彈簧的選材和降低噪聲等方面具有重大意義。

1 試驗(yàn)方法和對(duì)象

1.1 試驗(yàn)方法

研究發(fā)現(xiàn)，彈簧的應(yīng)力松弛現(xiàn)象受彈簧材料、受力狀態(tài)、工作時(shí)間、工作溫度等多方面因素影響。彈簧荷載損失率與初始載荷密切相關(guān)，相同作用時(shí)間內(nèi)，初始載荷越大，應(yīng)力松弛越容易發(fā)生[3-4]。本文通過(guò)控制彈簧壓縮長(zhǎng)度來(lái)研究彈簧的應(yīng)力松弛與高溫的關(guān)系。試驗(yàn)中，采用恒溫烤箱對(duì)壓縮狀態(tài)下的彈簧進(jìn)行加熱，恒溫保持一定時(shí)間后，取出彈簧，冷卻至室溫后，復(fù)測(cè)彈簧力。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

以某渦輪增壓器執(zhí)行器圓柱螺旋彈簧為研究對(duì)象，由彈簧手冊(cè)[5]可知，彈簧的基本參數(shù)包括彈簧線徑d、彈簧外徑D、彈簧內(nèi)徑D1、彈簧中徑D2、自由高度H、節(jié)距t、螺旋方向等，彈簧參數(shù)標(biāo)注如圖1 所示，彈簧的基本參數(shù)如表1 所示。

圖1 彈簧參數(shù)標(biāo)注圖

表1 圓柱螺旋彈簧的基本參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 工作時(shí)間對(duì)應(yīng)力松弛的影響

將Inconel718 材料圓柱螺旋彈簧壓縮至12.4mm，放置于恒溫烤箱中，烤箱溫度逐漸升高至700 ℃后保持恒溫，維持一定時(shí)間后，冷卻至室溫，再壓縮至12.4 mm，測(cè)量彈簧力。試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 彈簧力與時(shí)間關(guān)系（700 ℃）

由圖2 可知，700 ℃的恒定溫度下，1 h 后，彈簧力衰減了55%；32 h 后，彈簧力衰減了85%。由此可見(jiàn)，工作時(shí)間越長(zhǎng)，彈簧力衰減越多。

將Inconel718 材料圓柱螺旋彈簧壓縮至12.4mm，放置于恒溫烤箱中，烤箱溫度逐漸升高至600 ℃后保持恒溫，維持1 h 后，冷卻至室溫，再壓縮至12.4 mm，測(cè)量彈簧力。然后，在原彈簧的基礎(chǔ)上重復(fù)以上試驗(yàn)2 次，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，600 ℃的恒定溫度下，1 h 后，彈簧力衰減了約35%；2 h 后，彈簧力衰減了約45%；3 h后，彈簧力衰減力度與2 h 后的彈簧衰減力度持平。由此可見(jiàn)，彈簧力衰減主要發(fā)生在2 h 內(nèi)，隨著時(shí)間推移，彈簧衰減速率逐漸降低。

2.2 工作溫度對(duì)應(yīng)力松弛的影響

圖3 彈簧力與時(shí)間關(guān)系（600 ℃）

將Inconel 718 材料圓柱螺旋彈簧壓縮至12.4mm，放置于恒溫烤箱中，烤箱溫度逐漸升高至450 ℃后保持恒溫，維持1 h 后，冷卻至室溫，再壓縮至12.4 mm，測(cè)量彈簧力。然后，在原彈簧的基礎(chǔ)上重復(fù)以上試驗(yàn)2次。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

對(duì)比圖3 和圖4 可知，相同時(shí)間內(nèi)，彈簧的工作溫度越高，彈簧力越小，即彈簧應(yīng)力松弛越明顯。

圖4 彈簧力與時(shí)間關(guān)系（450 ℃）

2.3 彈簧材料對(duì)應(yīng)力松弛的影響

將SUS304 材料圓柱螺旋彈簧壓縮至12.4 mm，放置于恒溫烤箱中，烤箱溫度逐漸升高至450 ℃后保持恒溫，維持1 h 后，冷卻至室溫，再壓縮至12.4 mm，測(cè)量彈簧力。然后，在原彈簧的基礎(chǔ)上重復(fù)以上試驗(yàn)2 次。試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 SUS304 材料彈簧力與時(shí)間關(guān)系（450 ℃）

對(duì)比圖4 和圖5 可知，經(jīng)過(guò)3 h 的450 ℃高溫試驗(yàn)，Inconel 718 材料圓柱螺旋彈簧的彈簧力衰減了約10%，SUS304 材料圓柱螺旋彈簧的彈簧力衰減了約50%。因此，Inconel 718 材料圓柱螺旋彈簧在450 ℃時(shí)的高溫應(yīng)力松弛遠(yuǎn)小于SUS304 材料圓柱螺旋彈簧。

3 結(jié)論

1）相同時(shí)間內(nèi)，彈簧的工作溫度越高，彈簧的載荷損失率越大。

2）相同溫度下，彈簧的工作時(shí)間約長(zhǎng)，彈簧的載荷損失率越大。

3）在450℃工作溫度下，相同工作時(shí)間內(nèi)，Inconel 718 材料圓柱螺旋彈簧的高溫應(yīng)力松弛遠(yuǎn)小于SUS304 材料圓柱螺旋彈簧。最終通過(guò)整車道路試驗(yàn)，選擇Inconel 718 材料圓柱螺旋彈簧作為渦輪增壓器執(zhí)行器彈簧，有效解決了發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作情況下渦輪增壓器執(zhí)行器敲擊噪聲的問(wèn)題。