上海毅永机电工程有限公司 闫东
摘要：近年来，我国机械制造产业的相关技术发展迅速，汽车制造产业的整体水平也正在逐步向高标准要求靠拢。还有效提高了汽车制造业的生产水平，促进了社会和经济的快速发展，是我国当前发展进程中的一项重要的任务。实现这一目标需要拥有更高级的技能，开发更好的方法，并提出适当和合理的理论。本文对涡轮增压器咬合机座的受力分析与应用进行了深入的讨论，并研究了咬合机座的受力分析如何应用于汽车工程以及咬合机座的受力分析理论如何更好地应用于汽车制造行业。
关键词：机械；力学；工程力学；弹性力学机械制造；汽车制造;机械设计；受力分析
引言：
随着人类的发展，推动社会不断发展的不仅是经济社会的不断发展，还有日益先进的科学技术。科技被称为主要生产力，极大地影响着人们的生活方式和出行方式。当今社会，汽车已成为人们生活中不可或缺的交通工具，汽车工业不断发展，机器设备也不断发展，推动了社会生产力的发展。随着人们生活水平和生活质量的提高，人们的需求也越来越高。因此，机械设计过程的受力分析在实际生产中的应用也应进一步发展，这也促进了机械制造理论在汽车制造上的发展。
1.汽车涡轮增压器发展现状
1.1行业定义
涡轮增压技术是使用一种空气压缩机通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。
1.2行业发展概况
1950年代初，涡轮增压技术逐渐应用于汽车制造业。随着国内外排放法规的实施，涡轮增压技术已经从最初的增加动力、降低油耗的发展趋势转变为减少碳排放的环境保护一个重要措施。 2015年，我国乘用燃油车平均消耗量约为7.66升/百公里，与2020年5.0升/百公里的目标有一定差距。现阶段，车企选择的“节能降耗”关键技术包括轻量化高效燃气轮机、涡轮增压技术与自动变速箱、油电混合动力、电子设备控制系统等，其中涡轮增压技术被广泛认为是经济发展较为合理的“节能降耗”技术。涡轮增压器行业发展，既能有效缓解能源和环境压力，又能推动汽车产业可持续发展。 2017年，我国汽车配件涡轮增压器市场总销量从170万台增长到750万台，年均复合增长率为23.62%。涡轮增压产业的发展已经明显超过世界目前12.18%的年均复合增长率；目前中国汽车销量年均复合增长率为10.71%，也明显高于目前世界6.33%的年均复合增长率。 2018年，我国车用燃气轮机占燃气轮机销售市场总量的81.56%，伴随着汽车工业的快速发展。涡轮增压产业的发展，不仅可以合理减轻电能消耗和环境压力，而且可以促进汽车产业的可持续发展。总的来说，我国汽车油耗限制逼近、?二氧化碳减排以及相关政策的发布推动涡轮增压器行业快速发展。涡轮增压器在装配过程中的质量控制极为重要。
2.涡轮增压器咬合机座设计与计算
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图1
涡轮增压器咬合设备主要功能是实现上壳和下壳体的咬合翻遍，保证壳体咬合翻遍后的密封功能。咬合设备主要由焊接下框架、铝型材上框架，咬合机座、20吨气液增压缸、咬合工装和导轨等组成。 其中咬合机座的强度设计尤为重要。
2.1涡轮增压器咬合机座的设计
（1）气源增压缸的负载选型和工作原理
气液增压缸按照客户要求选型为负载20吨。即在气压为5kgf/cm2的压力下，增压负载20吨。
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图2
预行程增压缸的控制回路及工作原理：
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图3
（2）涡轮增压器咬合机座的结构设计
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图4
考虑到咬合负载20吨，要选择合理的机械设计机构和合适的材质、钢板厚度。材质选择Q235普通碳素结构钢，Q其含碳量为0.12%-0.22%，其强度、塑性和焊接等综合性能较好。气液增压缸固定机座的结构设计成两块侧板拼接，两个板中间做挖成C形，C形板的上面、中间和下面增加链接板和采用焊接方式固定。为增加焊接牢固，把中间板端面接触位置倒直角10mm,增加焊接接触面。把咬合产品和咬合的工装放在两个板中间C形槽中定位平台内进行咬合，实现涡轮增压器的胶合翻遍功能。
（3）涡轮增压器咬合机座强度的受力分析与应用
冯·米塞斯屈服准则：冯·米塞斯屈服准则（von Mises）于1913年提出了一个屈服准则，这个屈服准则被称为von Mises屈服准则。该准则又称为最大形变能理论，适用于金属材料。能用来对塑性材料疲劳和破坏的评价。
数学上，冯·米塞斯准则可表达为：当第二偏应力张量不变量J2D达到临界值是时，从该临界值开始、材料就出现屈服且进入塑性状态。
其主应力公式为：
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上述公式中σs表达为材料的屈服点；
上述公式中K表达为材料的剪切屈服强度；和等效应力相比，其公式为：
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冯·米塞斯应力是材料力学中的第四屈服理论，主要是对塑性材料的，考虑的主要是疲劳效应，用冯·米塞斯应用来评估咬合机座的强度。
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图5
（4）选择solidworks simulation仿真软件
在solidworks simulation仿真软件中创建一个 Simulation 算例；新建算例名称为新算例输入名称“20吨气液增压缸机座仿真受力分析”；在simulation界面下的菜单览选择零件3D实体选项，点击右键，选择“应用/编辑材料”，在solidworks simulation 材质库中选择材质“Q235”，查找资料和结合solidworks材质库确定其屈服强度为235000000N/M^2；
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图6
在simulation界面下的菜单览右键点击“夹具”选项，选择“固定几何体”，固定涡轮增压器的机座底面；
在simulation界面下的菜单览右键点击“外部载荷”选项，选择“力”，力的方向选择“法向”，力的单位选择Metric(G)，设定仿真力值20000kgf(20吨）；
在simulation界面下的菜单览右键点击“网格”选项，选择“生成网络”，完成3D立体模型进行网格划分。
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图7
在simulation界面下的菜单览右键点击“运行”，进行算例计算：
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图8
把计算的结果von mises应力和碳钢Q235的屈服力对比。通过设计改变板材的厚度，仿真计算结果von mises应力小于碳钢Q235的屈服力，设计的负载20吨的C形槽固定结构满足要求。经测试总结，两侧立板的厚度在70mm，最为合适。
经过机械结构概念设计和理论受力分析，在把这种理论应用到涡轮增压器组装项目上，是当前机械制造行业和汽车制造行业理论结合实际的一种解决方案和应用。
3.总结
随着社会经济的不断发展前进,涡轮增压器咬合机座的受力分析与应用在机械制造和汽车工程中应来越来越广阔，要想在激烈的竞争环境下取得主动,就必须按机械设计的要求去制作和加工,在结合实现项目遇见的问题加以分析和解决。设计工程人员应该进行科学地的选择材质和板厚、按照项目流程的标准化的生产模式,综合考虑材料的各种力学性能和特征。逐步完善机械制造设备的动作功能和客户的需求，降低成本，促进企业不断发展。 随着人类社会的进步，经济的讯速发展提升了汽车行业的能力。在汽车组装行业的理论设计和制造过程中，必须和实际工程应用相结合，机械设计的工作原理和机械受力分析在制造业，尤其是汽车制造业应用中有很好的发展空间。不仅促进了汽车制造与组装的提高，而且使机械制造和设计工作更加具体，创造了更多的经济效益，促进了社会的长远发展。也促进了机械设计工作的顺利开展。
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