CN113167676B - 用于使失衡的轴/轮组件平衡的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于使失衡的轴/轮组件平衡的方法。根据本发明，平衡方法包括以下步骤：测量轮/轴组件(2)相对于机械轴(6)的纵轴线(18)的失衡值，然后测量轮表面上存在的至少两个不同的目标区域(20)的位置。本发明的显著之处在于，它涉及根据在步骤a)和b)中进行的测量从叶轮(4)的表面去除材料(22)，以减少轴/轮组件(2)的失衡值。这样，与现有技术相比，本发明提出的平衡方法更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及用于使失衡的轴-轮组件平衡的方法，该轴-轮组件包括保持在机械轴的端部的叶轮。特别地，本发明涉及用于使失衡的热力发动机的涡轮增压器部件平衡的方法，该涡轮增压器部件包括焊接至机械轴的端部的涡轮机叶轮。本发明还涉及适于实现所述平衡方法的自动平衡站。
背景技术
涡轮增压器以已知的方式可以提高热力发动机的效率。为此，涡轮增压器包括保持在机械轴的一端的涡轮机叶轮和保持在所述轴的另一端的压气机叶轮。涡轮机叶轮置于发动机的排气流中，使得压气机叶轮通过机械轴被驱动旋转。压气机叶轮置于发动机的进气管中，以在将进气喷射到发动机中之前对进气进行压缩。然后，涡轮增压器的旋转速度可以达到非常高的速度，约为250,000rpm。这样，机械轴与涡轮机叶轮之间的不平衡很容易产生振动，这可能会引起像口哨声一样的噪声污染以及涡轮增压器的过早磨损。
通常，涡轮机叶轮是铸件，其原始表面不允许将其精确焊接到机械轴的端部。此外，在焊接过程中，填充金属在焊接部件上的分布也没有得到很好的控制。因此，机械轴的旋转轴线或多或少地相对于焊接部件的惯性中心偏移。
因此，有必要控制每个焊接部件的偏移或者称为失衡的不平衡的数值，以确保该数值有效地包含在涡轮增压器制造商规定的公差范围内。在相反的情况下，执行平衡操作。该操作包括从涡轮机叶轮上去除少量材料，以使焊接部件的惯性轴线更接近机械轴的旋转轴线。使用零件的数字模板以自动地进行所述材料去除，该数字模板可操作以根据不平衡值对要去除的材料的数量、去除形状以及其在涡轮机叶轮上的位置进行建模。然后将这些信息传输到机械手，以便机械手利用磨盘执行该去除操作。
现在，在涡轮机叶轮和机械轴焊接期间，涡轮机叶轮的原始表面不允许非常精确地控制涡轮机叶轮相对于机械轴的旋转轴线的倾斜角。这种不精确性导致涡轮机叶轮表面在被基座固定时相对于其理论位置偏移了零点几毫米。换句话说，数字模板没有考虑与涡轮机叶轮相对于机械轴的倾斜角的变化有关的所谓的回差现象(backlash phenomenon)的存在。根据回差幅值，机械臂实际去除的材料的量相对于期望的去除材料量有所不同。因此，平衡的结果根据其回差值而在焊接部件与另一部件之间存在显著不同。每次平衡后检查不平衡值。如果平衡不充分，则将重新进行平衡操作，直到焊接部件的失衡值符合预期。这些重复的平衡操作的缺点是减慢了所述部件的生产率，并在较小程度上削弱了其结构。
本发明旨在通过提出一种用于使失衡的轴-轮组件平衡的更精确的方法来解决该问题，该轴-轮组件包括保持在机械轴的端部的叶轮。
发明内容
为此，本发明提出了一种用于使失衡的轴-轮组件平衡的方法，该轴-轮组件包括保持在机械轴端部的叶轮，该方法执行以下步骤：
a)测量所述轴-轮组件相对于所述机械轴的纵向轴线的失衡值；
b)测量存在于叶轮表面上的至少两个不同目标区域的位置；然后
c)根据步骤a)和b)的测量结果，去除叶轮表面的材料，以减小轴-轮组件的不平衡值。
换句话说，本发明提出的平衡方法在进行叶轮表面处的材料去除之前考虑了叶轮表面的实际位置。在执行步骤c)之前，通过测量叶轮表面上几个点的例如相对于机械轴的纵轴线的位置，本发明使得可以考虑叶轮例如相对于其上焊接有叶轮的机械轴的倾斜角和实际位置。这样，本发明可以允许更好地控制在叶轮表面上实际去除的材料的位置和数量。换句话说，因回差现象和/或叶轮与机械轴之间的偏移——这是因为叶轮和机械轴的组装过程中存在一定的误差——导致的所需的移除材料的量与实际去除材料的量之间的差异显著减小。这样，相对于现有技术以更加精确的方式实施轴-轮组件的平衡。这有利地使得可以减少在机械轴的端部处焊接的涡轮机叶轮的平衡周期的数量，以满足涡轮增压器制造商的期望。
要注意的是，步骤b)可以与步骤c)同时、在步骤c)之前或在步骤c)之后实施，步骤a)包括测量轴-轮组件的惯性中心与机械轴的旋转轴线之间的距离。
根据本发明的另一个特征，测量目标区域相对于机械轴位置的位置。当在步骤b)和c)之间移动轴-轮组件时，该实施例是特别有利的。根据替代实施例，测量目标区域相对于用于保持机械轴的装置的位置。
根据本发明的另一特征，目标区域存在于叶轮的一个或多个面上，相对于机械轴径向地或基本径向地延伸。径向延伸到机械轴的表面是优选的，以便获得有关回差现象的幅值的更准确的信息。
根据本发明的另一个特征，目标区域存在于叶轮的同一面上。有利地，该实施方式使得可以探测(sound)同一面的多个点，以便检测例如与叶轮的制造和/或处理方法相关的潜在的表面缺陷。换句话说，本发明尤其使得可以检测和考虑与用于制造叶轮的模具有关的缺陷。
根据本发明的另一个特征，目标区域与机械轴间隔相同或基本相同的距离。该实施例对于测量叶轮和机械轴之间的回差值是特别有利的。
根据本发明的另一个特征，目标区域与机械轴间隔的距离是叶轮的最大半径的数值的0.7倍与0.99倍之间。要注意的是，最大半径定义了在叶轮中内接或基本内接的最大圆。换句话说，当轮在其叶片之间包括开口时，叶轮的最大半径终止于界定最深开口的腹板上。该实施例允许更精确地测量叶轮和机械轴之间的失衡值。根据本发明的另一个特征，在至少四个目标区域进行位置测量。
根据本发明的另一个特征，目标区域相对于机械轴间隔开相同或基本相同的角向距离。该实施例允许整体地测量叶轮的回差值。根据替代实施例，可以在期望进行材料去除的层级上将一部分目标区域分组。该实施例允许对为了校正部件的失衡值而必须去除的材料进行更精确的计算。
根据本发明的另一个特征，在目标区域内或目标区域附近进行所述材料去除。该实施例允许更精确地去除一定量的材料。
根据本发明的另一个特征，目标区域的位置借助于抵靠叶轮表面而施加的工具来测量。优选地，该工具是用于磨削叶轮的装置，其在目标区域位置的测量期间是被激活的。当磨削装置相对于其旋转轴线稍微偏心时，该实施例有利地允许更精确地检测目标区域的位置。根据另一个优点，通过抑制/消除在该方法中激活磨削装置的步骤来减少所需的平衡时间。
根据本发明的另一个特征，使用非接触式测量装置来测量目标区域的位置。举例来说，非接触式测量装置可以包括光学检测装置和/或电磁检测装置。优选地，非接触式测量装置位于用于测量轴-轮组件的失衡值的测量站处。
根据本发明的另一个特征，在去除步骤之前且根据目标区域的位置的测量，该方法执行计算叶轮相对于机械轴的倾斜角和/或位置的步骤，以便限定要在叶轮表面上进行的材料去除区域的形状和深度。
根据本发明的另一个特征，考虑在磨削工具于叶轮表面附近的移动期间目标区域的位置，使用磨削工具在叶轮表面上去除材料。换句话说，本发明提出根据从目标区域的位置计算出的曲率变化来修改磨削工具的被编程的行程。
当然，上述不同的特征、变型和实施例可以根据各种组合彼此关联，只要它们不会彼此矛盾或彼此排斥即可。
本发明还提出一种用于使失衡的轴-轮组件自动平衡的自动平衡站，该自动平衡站适于保持与叶轮成一体的机械轴，该自动平衡站构造成实施上述自动平衡方法中的一种，并且包括：
-用于测量轴-轮组件相对于机械轴的纵向轴线的失衡值/不平衡值的测量装置；和
-用于测量存在于叶轮表面上的多个不同目标区域的位置的测量装置；和
-用于根据在叶轮表面上的多个目标区域的位置来去除叶轮表面上的一定量材料的去除装置。
根据平衡站的另一实施例，用于测量多个目标区域的位置的测量装置和去除装置位于同一站。优选地，用于测量多个目标区域的位置的测量装置包括适于与叶轮接触以测量目标区域的位置的工具。根据一个特定的实施例，该工具包括磨削装置，该磨削装置优选在目标区域位置测量期间是被激活的。
根据另一实施例，去除装置是磨削类型、铣削类型或等同类型的。
根据平衡站的替代实施例，用于测量失衡值的测量装置和用于测量目标区域的位置的测量装置位于同一站。优选地，测量装置是非接触式的。举例来说，非接触式测量装置可以包括光学检测装置和/或电磁检测装置。
附图说明
通过非限制性示例给出的以下与附图相关的描述将允许很好地理解本发明的组成以及如何实现本发明：
-图1是轴-轮组件的纵向截面的示意图，该轴-轮组件包括焊接到机械轴的端部的叶轮；
-图2是图1所示的轴-轮组件的底部的示意图，包括在叶轮的后表面上存在的几个目标区域；
-图3是根据图2所示的目标区域的位置的测量值计算出的叶轮的后表面的回差的建模图；
-图4是图1所示的轴-轮组件的底部的示意图，其包括由根据本发明的平衡方法制成的材料去除区域；
-图5是根据本发明的自动平衡站的第一实施例的纵向截面的示意图；
-图6是根据本发明的自动平衡站的第二实施例的纵向截面的示意图。
具体实施方式
根据本发明，轴-轮组件2是指保持在机械轴6的端部的叶轮4，如图1所示。如所知晓的，叶轮包括锥形或基本锥形的轮毂8，该轮毂在后表面10与鼻部12之间延伸。叶轮包括从轮毂8径向延伸的多个翼片14。翼片围绕所述轮毂以规则的间隔分布，从而使得气流能够致使叶轮4绕着旋转轴线16枢转，穿过后表面10的中心和轮毂鼻部12的中心。
叶轮4通常是铸件，其原始表面阻止了将该叶轮精确地焊接在机械轴6的一端上。这样，叶轮的旋转轴线16和机械轴6的旋转轴线18相对于彼此略有偏移，并倾斜一角度β，如图1所示。因此，焊接部件的惯性中心19远离机械轴6的旋转轴线18(参见图2)，这使得当轴-轮组件2用作涡轮增压器涡轮时会产生轴-轮组件2的机械振动和过早磨损。本发明提出了相对于现有技术的用于使失衡的轴-轮组件2平衡的更准确的方法，以弥补这些缺点。
根据第一示例性实施例，根据本发明的平衡方法执行测量轴-轮组件2的失衡值的第一步骤，例如测量轴-轮组件的静态失衡值。如所知晓的，测量了轴-轮组件2的惯性中心19与机械轴6的旋转轴线18之间的偏移。在测量值未包含在预定的公差范围内的情况下，平衡方法执行以下步骤。
根据第二步骤，如图2所示，测量存在于叶轮4的表面上的四个不同的目标区域20A、20B、20C和20D的位置。更准确地，四个目标区域存在于轮毂8的后表面10上。每个目标区域与机械轴6以相同或基本相同的距离间隔开，该距离在后表面10的半径R的0.7倍至0.99倍之间，优选为后表面10的半径R的约0.8倍。应当注意，根据本发明，半径R对应于内切于或基本上内切于后表面并界定出后表面的圆的半径。根据替代实施例，当叶轮在其叶片之间包括开口时，半径R在腹板处终止，该腹板在后表面10处界定最深的开口。优选地，测量四个目标区域相对于机械轴6的纵轴线18的位置。
根据替代实施例，四个目标区域的位置也可以相对于与轴-轮组件不同的同一参考系进行测量，例如相对于与适于使轴-轮组件相对于机械轴6的旋转轴线18枢转的装置关联的参考系。
目标区域20A、20B、20C和20D相对于机械轴6的旋转轴线18彼此间隔开相同或基本相同的角向距离α。根据本示例，该角向距离α的值约为90°。要注意的是，本发明不限于目标区域的数量，也不限于上述角向距离的值。例如，目标区域的一部分可以位于期望进行材料去除的区域中。
根据第三步骤，由目标区域20A、20B、20C和20D的测量位置计算出轮毂的后表面10相对于机械轴6的旋转轴线18的倾斜角。此后，考虑该倾斜角的值来计算轴-轮组件2的失衡校正，以确定要去除的材料的量、要去除的材料的位置以及去除材料的形状。该倾斜角的值例如可以是数字模板的调节变量，以已知的方式使用该数字模板来计算和识别待去除的材料的面积。优选地，计算后表面10处并尽可能接近目标区域的材料去除区域。
根据图4所示的第四步骤，根据先前的计算，使用磨削工具在轮毂8的后表面10上进行材料去除22。该实施例提供了以比现有技术更精确的方式来计算材料去除的形状和位置的优点。实际上，知道后表面10相对于机械轴6的倾斜角的值，就可以更精确地控制从所述后表面去除的材料的位置和量。
平衡方法可以包括将在下文中描述的几个替代实施例。要注意的是，这些替代实施例并非旨在限制本发明的保护范围，而是相反地，示出了本发明的众多可能替代实施例的一部分。
根据上述示例性实施例的第一替代方案，在识别材料去除区域22的第三步骤期间，根据目标区域20A、20B、20C和20D的位置，计算出叶轮上材料去除区域22的形状和位置，以使其在所述区域的厚度等于或大于阈值。该阈值被选择成使得保持叶轮4的一定的机械强度。换句话说，根据本发明的方法可以避免由于在磨削过程中有关叶轮表面的实际位置的不确定性而在后表面10上去除易于减弱叶轮的机械强度的太重要的材料。优选地，该阈值被选择成使得，叶轮在去除区域处的沿基本上平行于其旋转轴线16的方向的厚度不小于或等于0.5毫米，优选地小于或等于0.2毫米。
根据上文所述的第一示例性实施例的第二替代方案，在识别材料去除区域的第三步骤期间，目标区域20A、20B、20C和20D的测量位置被用于对图3所示的后表面10的周边30的曲率建模。换句话说，目标区域的数量和位置被选择成使得，能够对后表面10的至少一部分的曲率或回差建模。应当注意，周边可以是局部的，并且仅包括后表面10中的易于包括材料去除区域的部分。与此同时，如所知晓的，该方法从数字模板识别出叶轮上的材料去除区域，以减小轴-轮组件2的失衡值。换句话说，与目标区域位置的测量值无关地计算材料去除区域22的位置和形状。在图4所示的方法的第四步骤期间，使用磨削工具进行材料去除22。如所知晓的，使用机械臂移动磨削工具，该机械臂的行程根据材料去除区域的期望位置和形状进行编程。根据本发明，以考虑从目标区域20的位置计算出的后表面10的曲率的方式来修改磨削工具的行程。换句话说，以考虑后表面10的表面的实际位置的方式来修改传送到机械臂的材料去除区域22的坐标。该实施例有利地使得可以不修改数字模板，也可以不修改通常由现有技术使用的材料去除区域22的形状和位置的计算。因此，该替代实施例可以快速且容易地适用于现有的平衡方法。
根据上文描述的第一示例性实施例的第三替代方案，在第二步骤期间，在轮毂8的与轮毂8的后表面10相对的前表面(见图1)上选择目标区域20。前表面24也相对于轮毂8径向地或大致径向地延伸。前表面24也可以界定叶片26。在这种情况下，优选地在前表面24处进行在第四步骤期间执行的材料去除，以便允许更精确的平衡。
根据上文所述的第一示例性实施例的第四替代方案，在第二步骤期间，当叶轮的表面例如由于其制造方法和/或由于其操作过程中的碰撞而包括不规则部时，更多数量的目标区域(优选地在4至20之间)是有利的。因此，有利的是，平衡方法可以考虑这种类型的缺陷，以便更准确地校正轴-轮组件2的失衡值。目标区域不必在叶轮的表面均匀地分布。
根据上述第一示例性实施例的第五替代方案，在第二步骤期间，相对于存在于轴-轮组件2上的参考点测量目标区域的位置。作为非限制性示例，该参考点可以是轴-轮组件的物理特征，例如机械轴6的自由端或叶轮4的翼片。潜在地，参考点可以是施加在叶轮上的颜色标记。当必须移动轴-轮组件2以进行第四磨削步骤时，该实施例是特别有利的。
根据上述第一示例性实施例的第六替代方案，材料去除区域22的形状和位置的计算在测量目标区域20的位置之前进行。该实施例有利地允许帮助对位于材料去除区域22上和/或接近材料去除区域22的目标区域20的测量。因此，可以减少目标区域20的数量和/或提高材料去除22的精度。
根据上述第一示例性实施例的第七替代方案(未示出)，在轮毂8的鼻部12处进行材料去除22。
本发明还涉及用于自动平衡如图5所示的轴-轮组件2的失衡的自动平衡站32A，其适于实施如上所述的平衡方法。为此，平衡站32A包括用于在测量站36与磨削站38之间移动轴-轮组件2的输送机34。
测量站36包括用于测量轴-轮组件2的失衡的装置37。测量站由控制单元50控制，用于测量轴-轮组件2的惯性中心19与机械轴6的旋转轴线18之间的距离，以获得所述组件的失衡值。
磨削站38包括支撑件40，该支撑件适于保持轴-轮组件2的机械轴6，同时允许其围绕所述轴的旋转轴线16枢转。使用固定在铰接臂44末端的磨盘42进行抛光。铰接臂包括适于检测磨盘42与叶轮4的表面之间的接触的装置。换句话说，铰接臂44包括用于通过物理接触来测量存在于叶轮上的多个目标区域20的位置的装置，该叶轮与由支撑件40保持的机械轴成一体。磨削站还由控制单元50控制，以允许去除叶轮4的表面上的一定量的材料。
控制单元50包括用于存储平衡方法的存储装置和未示出的计算装置，其可操作以使测量站36、输送机34和磨削站38同步，使得自动执行上述平衡方法。平衡站还包括界面52，以便使操作员能够选择和控制由控制单元50存储的平衡方法。
平衡站不限于上述实施例。例如，根据图6所示的替代实施例，平衡站32B包括非接触式测量装置54，该非接触式测量装置适于测量存在于叶轮表面上的目标区域20的位置。非接触式测量装置54由控制单元50控制，以进行或完成由铰接臂44进行的位置测量。这些非接触式测量装置54可以是光学性质的，例如使用激光距离传感器或使用电磁感应距离传感器。当然，本发明不限于这些仅示例，从而本领域技术人员可以选择其他类型的传感器来执行这些测量。优选地，非接触式测量装置54存在于测量站36处。
Claims (14)
1.一种用于使失衡的轴-轮组件(2)平衡的方法，所述轴-轮组件包括保持在机械轴(6)端部的叶轮(4)，该方法执行以下步骤：
a)测量所述轴-轮组件(2)相对于所述机械轴(6)的纵轴线(18)的失衡值；
b)测量存在于叶轮(4)的表面上的至少两个不同的目标区域(20)相对于机械轴(6)的纵轴线(18)的位置；然后
c)由在步骤b)中测量的位置计算叶轮(4)相对于机械轴(6)的倾斜度；
d)根据在步骤a)中进行的失衡值的测量和在步骤c)中进行的倾斜度的计算，限定将在叶轮(4)的表面处进行的材料去除的形状和深度；
e)根据在步骤d)中限定的材料去除的形状和深度，去除叶轮(4)的表面上的一定量的材料，以减小所述轴-轮组件(2)的失衡值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标区域(20)存在于所述叶轮(4)的一个或多个面上，并相对于所述机械轴(6)径向地或基本上径向地延伸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标区域(20)存在于所述叶轮(4)的相同面(10)上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标区域(20)与所述机械轴(6)间隔开相同或基本相同的距离。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标区域(20)与所述机械轴(6)间隔的距离在所述叶轮(4)的最大半径(R)的数值的0.7倍至0.99倍之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标区域(20)相对于所述机械轴(6)间隔开相同或基本相同的角向距离(α)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在目标区域内或在目标区域附近进行材料去除。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用抵靠叶轮(4)的表面施加的工具测量所述目标区域(20)的位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用非接触式测量装置(54)测量所述目标区域(20)的位置。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，考虑在磨削工具于叶轮(4)表面附近的移动期间所述目标区域(20)的位置，使用磨削工具进行叶轮(4)的表面的材料去除。
11.一种用于使失衡的轴-轮组件(2)自动平衡的自动平衡站，所述自动平衡站适于保持与叶轮(4)成一体的机械轴(6)，所述自动平衡站构造成实施根据权利要求1所述的方法，且包括：
-用于测量轴-轮组件(2)相对于机械轴(6)的纵轴线(18)的失衡值的测量装置(37)；和
-用于测量存在于叶轮(4)表面上的多个不同的目标区域(20)的位置的测量装置；和
-用于根据叶轮(4)表面上的多个目标区域(20)的位置来去除叶轮(4)表面上的一定量的材料的去除装置。
12.根据权利要求11所述的自动平衡站，其特征在于，用于测量多个目标区域(20)的位置的测量装置和所述去除装置位于同一站。
13.根据权利要求12所述的自动平衡站，其特征在于，所述测量装置包括工具，所述工具适于与叶轮(4)接触以测量所述目标区域(20)的位置。
14.根据权利要求11所述的自动平衡站，其特征在于，用于测量失衡值的测量装置(37)和用于测量目标区域(20)的位置的测量装置位于同一站。
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