DE10343801A1

DE10343801A1 - Verfahren zum Auswuchten eines Turboladerrotors mit elektrischer Rotationsmaschine

Info

Publication number: DE10343801A1
Application number: DE10343801A
Authority: DE
Inventors: Shoji Toyota Sasaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2023-09-23
Also published as: JP2004116317A; DE10343801B4; FR2844877A1

Abstract

Verfahren zum Auswuchten eines Turboladerrotors, der ein Turbinenlaufrad, ein Verdichterlaufrad und einen Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine aufweist, und der mittels einer Lagerung drehbar gelagert ist, wobei das Auswuchten hinsichtlich einer Primärresonanz und das Auswuchten hinsichtlich einer Sekundärresonanz gleichzeitig durchgeführt werden, um sowohl die Primärresonanz als auch die Sekundärresonanz zu minimieren. Dadurch kann selbst dann, wenn die sekundäre Eigenfrequenz des Turboladerrotors nahe an den Betriebsdrehzahlbereich des Turboladerrotors kommt, eine Beeinträchtigung des Betriebs des Turboladerrotors aufgrund Sekundärresonanz verhindert werden, da das Auswuchten im Voraus unter Berücksichtigung dieser Situation durchgeführt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine und insbesondere ein Verfahren zum Auswuchten eines Turboladerrotors.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Ein Turbolader ist so aufgebaut, dass ein Turboladerrotor (Laufzeug, Turboladerläufer) bestehend aus einem Turbinenlaufrad mit einem Verdichterlaufrad, die über eine Welle verbunden sind, mittels einer Lagerung drehbar gelagert ist. Der Aufbau des Turboladerrotors ist von ausserordentlich hoher Steifigkeit. Sollten dennoch Biegeschwingungen auftreten, so ist deren Eigenfrequenz sehr hoch. Der Turboladerrotor wird jedoch im Allgemeinen bei hohen Drehzahlen von über 100.000 Umdrehungen pro Minute betrieben. Folglich kann die Eigenfrequenz nahe an der Drehzahl liegen. Um einen Resonanzbruch zu vermeiden, werden deshalb üblicherweise im Voraus Maßnahmen zum Auswuchten eines jeden Produkts getroffen.

Das Auswuchten wird so durchgeführt, dass der Turboladerrotor in einer Testvorrichtung angeordnet wird und, während der Turboladerrotor in Drehung versetzt wird, schrittweise Teile des Turboladerrotors entfernt bzw. abgetragen werden. Die in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2002-47944 offenbarte Erfindung betrifft eine vorteilhafte Form eines Verdichterlaufrads zum Auswuchten durch Entfernen bzw. Abtragen eines Teils des Verrdichterlaufrads, und einen vorzugsweise abzutragenden Teil. Die in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2002-39904 offenbarte Erfindung betrifft eine vorteilhafte Position, an der ein Beschleunigungsaufnehmer zur Erfassung von Schwingungen während des Auswuchtens angebracht ist.

Bislang bestand ein Turboladerrotor aus einem Turbinenlaufrad und einem Verdichterlaufrad, die mittels einer Welle verbunden waren, so dass das Verdichterlaufrad vom Turbinenlaufrad angetrieben wurde. Da jedoch in den letzten Jahren die elektronische Steuerung inbesondere auf dem Gebiet der Antriebssteuerung von Kraftfahrzeugen Einzug hielt, ist der Einbau eines elektrischen Motors oder eines Motors/Generators (in dieser Beschreibung allgemein als "elektrische Rotationsmaschine" bezeichnet) weit verbreitet, so dass der Turbolader entsprechend den Betriebszuständen des Verbrennungsmotors und des Kraftfahrzeugs effizienter betrieben wird. Der Einbau einer elektrischen Rotationsmaschine verlängert jedoch den Turboladerrotor um die Länge der elektrischen Rotationsmaschine und erhöht die rotierende Masse. Folglich kann es dazu kommen, dass eine sekundäre Eigenfrequenz des Turboladermotors in einen Bereich absinkt, in dem die Eigenfrequenz nahe an der Betriebedrehzahl des Turboladerrotors liegt, wobei eine bislang noch nicht berücksichtigte Sekundärresonanz auftritt.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung entstand in Anbetracht des oben erwähnten Problems der Sekundärresonanz. Es daher ist die Aufgabe der Erfindung, eine am Turboladerrotor im Voraus vorzunehmende Maßnahme zu liefern, um das Auftreten von Sekundärresonanz zu verhindern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 der Erfindung gelöst. Es wird ein Verfahren zum Auswuchten eines Turboladerrotors, der ein Turbinenlaufrad, ein Verdichterlaufrad und einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine aufweist, und der mittels einer Lagerung drehbar gelagert ist, geliefert, wobei ein Auswuchten hinsichtlich der Primärresonanz und ein Auswuchten hinsichtlich der Sekundärresonanz gleichzeitig durchgeführt werden, um sowohl die Primär- als auch die Sekundärresonanz zu minimieren.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand abhängiger Ansprüche. Das Auswuchten wird vorzugsweise selbst dann durch Entfernen bzw. Abtragen von Teilen des Turboladerrotors durchgeführt, wenn das Auswuchten hinsichtlich der Primärresonanz und das Auswuchten hinsichtlich der Sekundärresonanz gleichzeitig erfolgt, um sowohl die Primär- als auch die Sekundärresonanz zu minimieren.

Es ist weiterhin vorteilhaft, Teile des Turboladerrotors an einem bezüglich des Auswuchtens hinsichtlich der Primär- und der Sekundärresonanz gemeinsamen Abschnitt abzutragen. Wenn das Abtragen nicht an einen gemeinsamen Abschnitt vorgenommen wird, sollte es vorzugsweise an wenigstens zwei unterschiedlichen Abschnitten vorgenommen werden.

In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn einer der beiden Abschnitte zum Auswuchten hinsichtlich der Primärresonanz, und der andere Abschnitt zum Auswuchten hinsichtlich der Sekundärresonanz dient.

Vorteilhafterweise ist einer der wenigstens zwei Abschnitte ein Abschnitt des Turbinenlaufrads, und der andere ein Abschnitt des Verdichterlaufrads.

Darüber hinaus weist der Abschnitt für das Verdichterlaufrad vorzugsweise eine Schraubenmutter zum Befestigen des Verdichterlaufrads an der Welle des Turboladerrotors auf.

Gemäß dem Verfahren zum Auswuchten des Turboladerrotors werden beim Auswuchten des Turboladerrotors, der ein Turbinenlaufrad, ein Verdichterlaufrad und einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine umfasst, und der mittels einer Lagerung drehbar gelagert ist, das Auswuchten hinsichtlich der Primärresonanz und das Auswuchten hinsichtlich der Sekundärresonanz gleichzeitig durchgeführt, um sowohl die Primär- als auch die Sekundärresonanz zu minimieren. Folglich kann selbst dann, wenn die sekundäre Eigenfrequenz des Turboladerrotors, der aufgrund seiner größeren axialen Länge und seiner erhöhten Drehmasse Sekundärresonanz verursacht, nahe an den Betriebsdrehzahlbereich des Turboladerrotors kommt, eine negative Auswirkung auf den Betrieb des Turboladerrotors aufgrund von Sekundärresonanz verhindert werden, da das Auswuchten im Voraus unter Berücksichtigung dieser Situation durchgeführt wird.

Falls das Auswuchten hinsichtlich der Primärressonanz und das Auswuchten hinsichtlich der Sekundäresonanz zur Minimierung sowohl der Primär- als auch der Sekundärresonanz gleichzeitig und durch Abtragen eines Teils des Turboladerrotors erfolgt, können die Primär- und die Sekundärresonanz, wie oben erwähnt, leicht dadurch vermieden werden, dass ein Teil des Materials an einem bestimmten Abschnitt des Turboladerrotors abgetragen wird. Abgesehen von dem Fall, in dem das Abtragen eines oberen Abschnitts des Turboladerrotors hinsichtlich der Primärresonanz und hinsichtlich der Sekundärresonanz an nur einem gemeinsamen Abschnitt durchgeführt werden muss, ist es im Falle, dass das Abtragen an zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten erfolgt, im Allgemeinen möglich, die Anpassung zur Verhinderung der Primär- und der Sekundärresonanz so schnell wie möglich und ohne gegenseitige Behinderung durchzuführen. Wenn ausserdem einer der wenigstens zwei Abschnitte ein Abschnitt des Turbinenlaufrads, und der andere ein Abschnitt des Verdichterlaufrads ist, sind die Abschnitte weit voneinander entfernt. Folglich kann der Einfluss des Materialabtrags an einem Abschnitt auf den anderen Abschnitt minimiert werden, und Primär- und Sekundärresonanz können bestmöglichst vermieden werden.

Wenn beim Auswuchten ein Teil des Materials an einer Schraubenmutter abtragen wird, und der Abtrag ungeeignet ist, kann das Auswuchten nur durch Ersetzen der Schraubenmutter rückgängig gemacht werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Das oben erwähnte Ausführungsbeispiel, die Aufgabe, die Merkmale und die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels unter Berücksichtungung der beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden. Dabei ist.
1 eine schematische Darstellung, die beispielhaft einen Turboladerrotor mit einer elektrischen Rotationsmaschine zeigt, auf den das Auswuchtverfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung angewandt ist; 2 eine schematische Darstellung, die einen Primärresonanzmodus des in 1 gezeigten Turboladerrotors darstellt;
3 eine schematische Darstellung, die einen Sekundärresonanzmodus des in 1 gezeigten Turboladerrotors darstellt; und
4 ein Ansicht, die speziell den in 1 gezeigtet Turboladerrotor darstellt, auf den das Auswuchtverfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel angewandt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNGSBEIPIELS
In der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels genauer beschrieben.
1 zeigt schematisch ein Beispiel eines Turboladerrotors mit einer elektrischen Rotationsmaschine, bei dem eine Welle S, an deren Endabschnitte ein Turbinenlaufrad T und ein Verdichterlaufrad C vorgesehen sind, an ihrem mittleren Abschnitt mittels einer Lagerung B-B drehbar gelagert, und ein Rotor M einer elektrischen Rotationsmaschine zwischen dem Verdichterlaufrad und der Lagerung vorgesehen ist. Wenn der Turboladerrotor nicht ausgewuchtet ist, kann Primärresonanz auftreten, bei der ein in 2 gezeigter Primärbiegemodus verstärkt wird. Folglich wird der Turboladerrotor zu Vermeidung der Primärresonanz ausgewuchtet. Wenn der Turboladerrotor jedoch durch den Einbau eines Rotors M einer elektrischen Rotationsmaschine zusätzlich zum Turbinenlaufrad T und dem Verdichterlaufrad C verlängert wird, kann Sekundärresonanz auftreten, bei der ein in 3 gezeigter Sekundärbiegemodus im Betriebsdrehzahlbereich des Turboladerrotors verstärkt wird. Dabei ist zu beachten, dass die in 2 bzw. 3 gezeigten Verformungen im Primärbiegemodus bzw. im Sekundärbiegemodus zum Zweck der Erläuterung übertrieben dargestellt sind. Die Biegungen im Sekundärbiegemodus, in dem Biegungen an zwei oder mehreren Abschnitten auftreten, werden entsprechend der Anordnung des Turbinenlaufrads T, des Verdichterlaufrads C, des Rotors M einer elektrischen Rotationsmaschine und der Lagerung jeweils in bestimmten Formen erzeugt.
4 ist eine Seitenansicht des in den 1 bis 3 gezeigten Turboladerrotors. Ein Turbinenlaufrad 12 ist an einem Ende einer Welle 10 angebracht. Ein Verdichterlaufrad 16 ist am anderen Ende der Welle 10 angebracht, wobei zwischen dem Turbinenlaufrad 12 und dem Verdichterlaufrad 16 eine Lagerung 14 vorgesehen ist. Zwischen. der Lagerung 14 und dem Verdichterlaufrad 16 ist ein Rotor 18 einer elektrischen Rotationsmaschine vorgesehen. Das Turbinenlaufrad 12 ist an einem Ende der Welle 10 an einem Nabenabschnitt 20 angeschweißt. Das Verdichterlaufrad 16 ist am anderen Ende der welle 10 mittels einer Schraubenmutter 22 befestigt.
Das Auswuchten des aus dem Turbinenlaufrad 12 und der Welle 10 zusammengesetzten Körpers, und das Auswuchten des Verdichterlaufrads 16 erfolgt bevor der zusammengesetzte Körper und das Verdichterlaufrad 16 miteinander verbunden werden. Zu diesem Zeitpunkt wird der Materialabtrag zum Auswuchten normalerweise an den mit 24, 26, 28, 30 bezeichneten Abschnitten durchgeführt.
Als Nächstes werden das Verdichterlaufrad 16 und der Rotor 18 einer elektrischen Rotationsmaschine an den aus der Welle 10 und dem Turbinenlaufrad 12 bestehenden Körper angebracht und zu einer Einheit zusammenbebaut. Dann wird die Welle 10 an den beiden Lagerungsabschnitten 14-14 mittels einer Lagerung (nicht dargestellt) drehbar gelagert. Das Turbinenlaufrad 12 wird durch verdichtete Luft mit einer Temperatur von 400°C oder höher angetrieben. Dann wird das Auswuchten des gesamten Turboladerrotors durchgeführt, wobei Schwingungen durch einen im Turboladergehäuse vorgesehenen Schwingungsaufnehmer (nicht dargestellt) erfasst werden. Zu diesem Zeitpunkt ist es vorteilhaft, dass der für den Materialabtrag zum Auswuchten geeignete Abschnitt ein Abschnitt der Nabe 21 auf Seiten des Turbineunlaufrads, und ein Abschnitt der Schraubenmutter 22 auf Seiten des Verdichterlaufrads 16 ist. Wenn ein Teil des Materials an der Schraubenmutter 22 abgetragen wird, kann, falls die Lage des Abtrags nicht geeignet war, der Abtrag nur durch Ersetzen der Schraubenmutter 22 rückgängig gemacht werden.
Das Verfahren zum gleichzeitigen Auswuchten hinsichtlich der Primär- und der Sekundärresonanz, um sowohl die Primär- als auch die Sekundärresonanz zu minimieren, ändert sich von Produkt zu Produkt in Anhängigkeit von der Lagebeziehung zwischen dem Abtragsabschnitt, der zum Auswuchten hinsichtlich der Primärresonanz abgetragen werden muss, und dem Abtragsabschnitt, der zum Auswuchten der Sekundärresonanz abgetragen werden muss. Stimmen die beiden Abschnitte überein, wird natürlich nur an einem Abschnitt abgetragen. Wenn die Abschnitte jedoch nicht übereinstimmen, werden sie vorteilhafterweise so gewählt, dass sie sich an unterschiedlichen Abschnitten des Turboladerrotors befinden. Wenn beispielsweise der Materialabtragsabschnitt zum Auswuchten hinsichtlich der Primärresonanz als ein Abschnitt des Turbinenlaufrads gewählt wird, sollte der Materialabtragsabschnitt zum Auswuchten der Sekundärresonanz vorzugsweise als ein Abschnitt des Verdichterlaufrads gewählt werden. Die Abtragsabschnitte sollten vorteilhafterweise so weit wie möglich auseinander liegen, um eine Überlagerung der Anpassung hinsichtlich der Primärresonanz und der Anpassung hinsichtlich der Sekundärresonanz zu vermeiden.
Wenn das Auswuchten hinsichtlich der Primärresonanz und das Auswuchten hinsichtlich der Sekundärresonanz gleichzeitig durchgeführt werden, um sowohl die Primär- als auch die Sekundärresonanz zu minimieren, können die Abtragungsabschnitte sowohl an unterschiedlichen Winkelpositionen als auch an unterschiedlichen Positionen in axialer Richtung gewählt werden. Wenn beispielsweise eine Winkelposition für den Materialabtrag zum Auswuchten hinsichtlich der Primärresonanz optimal geeignet ist, die Winkelposition zum Auswuchten hinsichtlich der Sekundärresonanz jedoch ungeeignet ist, kann die Anpassung durch Verlagern des Materialabtragungsabschnitts zum Auswuchten hinsichtlich der Prinärresonanz bezüglich der optimalen Winkelposition erfolgen, um sowohl die Primär- als auch die Sekundärrresonanz zu minimieren. Durch dieses Verfahren zur Minimierung sowohl der Primär- als auch der Sekundärresonanz kann das Auswuchten sowohl hinsichtlich der Primär- als auch hinsichtlich der Sekundärresonanz erzielt werden.
Während die Erfindung mit Bezug auf ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ausführlich erläutert wurde, ist es für den Fachmann klar, dass die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeipiel begrenzt ist, und dass die Erfindung auch in Form anderer Ausführungsbeispiele realisiert werden kann, die im Schutzbereich der Erfindung liegen.
Es wird ein Verfahren zum Auswuchten eines Turboladerrotors vorgeschlagen, der ein Turbinenlaufrad, ein Verdichterlaufrad und einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine aufweist, und der mittels einer Lagerung drehbar gelagert ist, wobei das Auswuchten der Primärresonanz und das Auswuchten der Sekundärresonanz gleichzeitig durchgeführt werden, um sowohl die Primärresonanz als auch die Sekundärresonanz zu minimieren. Dadurch kann selbst wenn die sekundäre Eigenfrequenz des Turboladerrotors nahe am Betriebsdrehzahlbereich des Turboladerrotors liegt, eine negative Beeinträchtigung des Betriebs des Turboladerrotors aufgrund des Auftretens von Sekundärresonanz vermieden werden, da das Auswuchten im Voraus unter Berücksichtigung dieser Situation durchgeführt wird.

Claims

Verfahren zum Auswuchten eines Turboladerrotors, der ein Turbinenlaufrad (12), ein Verdichterlaufrad (16) und einen Rotor (18) einer elektrischen Rotationsmaschine aufweist, und der mittels Lagerung (14) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet dass das Auswuchten hinsichtlich einer Primärresonanz und das Auswuchten hinsichtlich einer Sekundärresonanz gleichzeitig durchgeführt werden, um sowohl die Primär- als auch die Sekundärresonanz zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswuchten durch Abtragen eines Teils des Turboladerrotors durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen eines Teils des Turboladerrotors an wenigstens zwei unterschiedlichen Abschnitten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Abschnitte zum Auswuchten hinsichtlich der Primärresonanz, und der andere Abschnitt zum Auswuchten hinsichtlich der Sekundärresonanz dient.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der wenigstens zwei Abschnitte ein Abschnitt des Turbinenlaufrads (12), und der andere ein Abschnitt des Verdichterlaufrads (16) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des Verdichterlaufrads (16) eine Schraubenmutter (22) zur Befestigung des Verdichterlaufrads (16) an einer Welle (10) des Turboladerrotors umfasst.