DE3535197A1 - Verfahren und einspannvorrichtung zum dynamischen ausgleichen einer aus der einspannvorrichtung und einem rotor bestehenden einheit - Google Patents

Verfahren und einspannvorrichtung zum dynamischen ausgleichen einer aus der einspannvorrichtung und einem rotor bestehenden einheit

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    • G01M1/02—Details of balancing machines or devices
    • G01M1/04—Adaptation of bearing support assemblies for receiving the body to be tested
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/32—Correcting- or balancing-weights or equivalent means for balancing rotating bodies, e.g. vehicle wheels
    • F16F15/322—Correcting- or balancing-weights or equivalent means for balancing rotating bodies, e.g. vehicle wheels the rotating body being a shaft

Description

Verfahren und Einspannvorrichtung zum dynamischen Ausgleichen einer aus der Einspannvorrichtung und einem Rotor bestehenden Einheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspannvorrichtung für einen Rotationstest eines keramischen Rotors, die in der Lage ist, einen dynamischen Ausgleich einer aus der Einspannvorrichtung und dem in der Einspannvorrichtung montierten keramischen Rotor bestehenden Einheit durchzuführen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum dynamischen Ausgleich der aus der Einspannvorrichtung und dem Rotor bestehenden Einheit.
Es sind diverse Ausführungsformen von Rotoren für Turbolader und Axialturbinen sowie andere Anwendungszwecke bekannt. In neuerer Zeit werden derartige Rotoren zunehmend aus keramischen Materialien hergestellt. Diese Materialien besitzen eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und ein geringes Gewicht. Normalerweise werden derartige Keramikrotoren hergestellt, indem man einem ausgewählten keramischen Material einen organischen Binder zusetzt, das aus dem keramischen Material und dem Binder bestehende Gemisch in eine geeignete Form spritzgießt, den Binder von dem Form-
stück entfernt und schließlich das Formstück brennt. Um eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit der Keramikrotoren sicherzustellen, werden alle diese Produkte zerstörungsfreien und Rotationstest unterzogen. 5
Bei einem Rotationstest eines Keramikrotors wird der Rotor mit hoher Geschwindigkeit gedreht, um zu überprüfen, ob der Rotor vorgegebene Standardanforderungen in bezug auf sein Betriebsverhalten erfüllt. Normalerweise wird der zu testende Keramikrotor in einer geeigneten metallischen Einspannvorrichtung mit zylindrischer Form, die ein Fixierloch aufweist, montiert, wobei der Rotor mittels Schrumpfpassung oder Preßpassung in dem Loch fixiert wird. Die Einspannvorrichtung ist an einer Antriebswelle einer Rotationstestvorrichtung befestigt. Um Vibrationen der aus dem Keramikrotor und der Einspannvorrichtung bestehenden Einheit bei einer hohen Testgeschwindigkeit zu verhindern, muß die Einheit vor dem Rotationstest dynamisch ausgeglichen bzw. ausgewuchtet werden. Hierzu ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Einspannvorrichtung mit dem daran fixierten Keramikrotor auf einer dynamischen Auswuchtmaschine montiert wird, um eine dynamische Unwucht festzustellen. Die aus der Einspannvorrichtung und dem Keramikrotor bestehende Einheit wird dann dynamisch ausgewuchtet, indem erforderliche Mengen an Material von geeigneten Abschnitten der metallischen Einspannvorrichtung abgetrennt werden.
Ein derartiges herkömmliches Auswuchtverfahren, bei dem die aus der Einspannvorrichtung und dem Rotor bestehende Einheit durch Materialentfernung von einer metallischen Einspannvorrichtung dynamisch ausgewuchtet wird, ist jedoch zeitaufwendig und beschwerlich und macht ein hohes Maß an Facharbeit erforderlich. Darüberhinaus ist die Anzahl der Einsätze einer metallischen Einspannvorrichtung
begrenzt, da in wiederholter Weise von der Einspannvorrichtung Material für die diversen Rotoren abgetrennt wird. Daher ist das bekannte Verfahren in bezug auf seinen Wirkungsgrad und seine Wirtschaftlichkeit nachteilig, und zwar insbesondere dann, wenn eine große Anzahl von Keramikrotoren getrestet werden muß. Dies stellt beim Stand der Technik ein Problem dar, das einer Lösung bedarf.
Ein anderes Problem bei dem vorstehend beschriebenen bekannten Verfahren besteht darin, daß die metallische Einspannvorrichtung, in der ein Keramikrotor mittels Schrumpfpassung befestigt ist, wieder erhitzt werden muß, um eine Entfernung des Keramikrotors von der Einspannvorrichtung nach Beendigung des Rotationstests zu ermöglichen. Die Vorgänge zur Montage und Demontage des Keramikrotors von der metallischen Einspannvorrichtung erfordern ebenfalls viel Zeit. Darüberhinaus bewirken das Erhitzen und Schrumpfen der metallischen Einspannvorrichtung zur Montage des Keramikrotors und das darauffolgende Erhitzen zur Entfernung des Rotors, daß die metallische Einspannvorrichtung oxydiert, da sie einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. Dies führt dazu, daß die Lebenserwartung der metallischen Einspannvorrichtung weiter reduziert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspannvorrichtung zum dynamischen Ausgleich bzw. Auswuchten einer aus der Einspannvorrichtung und einem daran befestigten Keramikrotors bestehenden Einheit zur Verfügung zu stellen.
Desweiteren bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zum dynamischen Ausgleichen bzw. Auswuchten der aus der Einspannvorrichtung und dem Keramikrotor bestehenden Einheit.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum dynamischen Ausgleichen bzw. Auswuchten einer aus einer metallischen Einspannvorrichtung und einem daran befestigten Keramikrotor bestehenden Einheit, bei der der Keramikrotor einen Wellenabschnitt und die metallische Einspannvorrichtung an ihrem einen axialen Ende ein Fixierloch aufweist, gelöst, das die folgenden Schritte umfaßt:
Einsetzen des Wellenabschnittes des Keramikrotors in das Fixierloch der metallischen Einspannvorrichtung, um dadurch den Keramikrotor an der metallischen Einspannvorrichtung zu fixieren, so daß die vorstehend erwähnte Einheit gebildet wird; und
dynamisches Ausgleichen bzw. Auswuchten der Einheit durch Fixieren von mindestens einem Ausgleichsstück in mindestens einem von einer Vielzahl von Ausgleichslöchern, die in der metallischen Einspannvorrichtung ausgebildet sind, wobei diese Ausgleichslöcher in einer Außenfläche der metallischen Einspannvorrichtung offen sind.
Bei dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren kann die aus der Einspannvorrichtung und dem Rotor bestehende Einheit sehr rasch dynamisch ausgewuchtet werden, indem in einfacher Weise eine geeignete Anzahl von Ausgleichsstücken in den geeigneten Ausgleichslöchern fixiert wird, ohne dabei irgendwelche Teile bzw. Abschnitte der Einspannvorrichtung entfernen zu müssen, wie dies beim Verfahren des Standes der Technik der Fall ist. Der dynamische Auswuchtvorgang wird daher in einem kürzeren Zeitraum beendet. Darüberhinaus kann die Einspannvorrichtung in wiederholter Weise verwendet werden, da sie keinem Schneid- oder Schleifvorgang zur Entfernung von Material zum dynamischen Auswuchten ausgesetzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Ausgleichslöcher als Gewindebohrungen zur Aufnahme von mit Aißengewinde versehenen Schrauben ausgebildet.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Ausgleichslöcher in Radialrichtung der metallischen Einspannvorrichtung ausgebildet sind und daß die Einheit dynamisch ausgewuchtet wird, indem die radiale Position des mindestens einen Ausgleichsstücks in dem entsprechenden mindestens einen Ausgleichsloch verändert wird.
Alternativ dazu kann die Einheit auch so dynamisch ausgewuchtet werden, indem das mindestens eine Ausgleichsstück aus dem entsprechenden Ausgleichsloch entfernt und/oder in diesem fixiert wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt das mindestens eine Ausgleichsstück Stücke unterschiedlicher Größen. Alternativ dazu kann das mindestens eine Ausgleichsstück auch Stücke mit unterschiedlichem Gewicht umfassen.
Der Wellenabschnitt des Keramikrotors kann in dem Fixierloch über ein Klebemittel fixiert werden. Hierdurch wird die nutzbare Lebensdauer der Einspannvorrichtung verlängert, da die Fixierung des Rotos an der Einspannvorrichtung bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur durchgeführt werden kann.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Einspannvorrichtung einer allgemein zylindrischen Form zur Rotation eines Keramikrotors in einem dynamisch ausgeglichenen Zustand vorgesehen, die die folgenden Teile umfaßt:
Einen axialen Endabschnitt mit einem Fixierloch, in das ein Wellenabschnitt des Keramikrotors eingesetzt und dort fixiert ist, und Ausgleichsabschnitte, die durch eine Vielzahl von Ausgleichslöchern gebildet sind, die in dem einen axialen Endabschnitt und dem anderen axialen Endabschnitt der Einspannvorrichtung ausgebildet und die in einer Außenfläche der Einspannvorrichtung offen sind. Die Ausgleichslöcher sind in der Lage, darin ein Ausgleichsstück zu halten.
Die Ausgleichslöcher sind vorzugsweise in Radialrichtung der Einspannvorrichtung ausgebildet. Sie können aus einer ersten Gruppe von Löchern und einer zweiten Gruppe von Löchern bestehen, die in dem einen axialen Endabschnitt und dem anderen axialen Endabschnitt ausgebildet sind. In diesem Fall sind die Löcher der ersten und der zweiten Gruppe in Umfangsrichtung der Einspannvorrichtung im gleichen Abstand voneinander angeordnet. Darüberhinaus kann die erste und zweite Gruppe von Löchern aus zwei Sätzen von Löchern bestehen, die in Axialrichtung der Einspannvorrichtung im Abstand voneinander angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Einspannvorrichtung handelt es sich bei den Ausgangslöchern um Gewindebohrungen zur Aufnahme von Teilen, die mit einem Außengewinde versehen sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
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Figur 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Keramikrotors;
Figur 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einspann-
vorrichtung, die zum Testen des Keramikrotors der Figur 1 verwendet wird;
die Figur ren 3,4
und 5 Schnitte entlang den Linien III-III,
IV-IV und V-V in Figur 2; und
Figur 6 einen Schnitt durch eine bekannte Einspannvorrichtung zum Testen eines Keramikrotors.
Ein Keramikrotor, bei dem die Erfindung Anwendung findet, besteht normalerweise aus Siliciumnitrid (Si,N-), Siliciumcarbid (SiC) oder SIALON. Es können jedoch auch andere geeignete keramische Materialien Verwendung finden, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O-) und Zircondioxid (ZrO2), unter der Voraussetzung, daß die verwendeten keramischen Materialien die erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Keramikrotors erfüllen. Gemäß einem Herstellungsver-
fahren wird ein geeigneter Binder mit einem solchen keramischen Material vermischt, und das Gemisch wird zu einer gewünschten Form spritzgegossen. Nach der Entfernung des Binders wird das geformte Keramikstück zu dem gewünschten
Keramikrotor gebrannt.
25
Obwohl derartige Keramikrotoren in erster Linie für Turbolader und Axialturbinen Verwendung finden, ist das erfindungsgemäße dynamische Ausgleichs- bzw. Auswuchtverfahren auf beliebige Typen von Keramikrotoren, die einen Wellenabschnitt an ihrer einen axialen Seite aufweisen, anwendbar. Ein Beispiel eines Keramikrotors eines Turboladers ist in Figur 1 dargestellt, wobei dieser Keramik-
rotor 10 einen Wellenabschnitt 12 an einer axialen Seite und einen Schaufelabschnitt 16 an einem Ende des Wellenabschnittes 12 aufweist. Der Schaufelabschnitt 16 besitzt eine Vielzahl von mit Umfangsabstand angeordneten Schaufeln 14.
Zur Durchführung eines Rotationstests des Keramikrotors 10 wird der Wellenabschnitt 12 an einer geeigneten metallischen Einspannvorrichtung zylindrischer Form, die ebenfalls erfindungsgemäß ausgebildet ist, fixiert. Ein Beispiel einer derartigen Einspannvorrichtung ist in den Figuren 2 bis 5 dargestellt.
Die in Figur 2 mit 18 bezeichnete zylindrische metallische Einspannvorrichtung wird zur Halterung des Turbolader-Keramikrotors 10 der Figur 1 verwendet und ist an einer Rotationstestvorrichtung montiert, so daß ein Rotationstest des Rotors 10 durchgeführt werden kann, nachdem die aus der Einspannvorrichtung 18 und dem Rotor 10 bestehende Einheit dynamisch ausgewuchtet worden ist. Die metallische Einspannvorrichtung 18 besteht aus gekohltem Stahl S45C (gemäß japanischer Industrienorm) für Maschinenkonstruktionen. An einem axialen Endabschnitt der metallischen Einspannvorrichtung 18 ist ein abgestuftes Fixierloch 20 vorgesehen, das an der Mittellinie der Einspannvorrichtung ausgebildet ist. Das Fixierloch 20 besteht aus einem äußeren Abschnitt mit großem Durchmesser und einem inneren Abschnitt mit kleinem Durchmesser, welch letzterer einen Durchmesser besitzt, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des Wellenabschnittes 12 des Keramikrotors 10. Der Keramikrotor 10 ist derart an der metallischen Einspannvorrichtung 18 montiert, daß der Wellenabschnitt 12 in den Abschnitt mit kleinem Durchmesser des abgestuften Fixierloches 20 eingesetzt ist. Das andere axiale Ende
der metallischen Einspannvorrichtung 18 besitzt ein Montageloch 26, das koaxial zu dem Fixierloch 20 ausgebildet ist. Die metallische Einspannvorrichtung 18 ist so an der Rotationstestvorrichtung befestigt, daß eine Antriebswelle der Testvorrichtung in das Montageloch 26 eingesetzt ist.
Die Einspannvorrichtung 18 ist mit vier Sätzen von Ausgleichslöchern in der Form von Gewindebohrungen 22, 24 , 28 und 30 versehen, die in den gegenüberliegenden Endabschnitten ausgebildet sind, welche den Fixier- und Montagelöchern 20, 26 entsprechen, wie in den Figuren 3-5 dargestellt (die Löcher 24 sind nur in Figur 2 gezeigt). Genauer gesagt, sind sämtliche Gewindebohrungen 22, 24, 28 und 30 in radialer Richtung der Einspannvorrichtung 18 ausgebildet, so daß sie sich durch die Ringwände der Einspannvorrichtung erstrecken, welche die Fixier- und Montagelöcher 20, 26 umgrenzen. Mit anderen Worten, die erste Gruppe von Löchern 22 und 24 ist in den Abschnitt des Fixierloches 20 mit kleinem Durchmesser geöffnet, während sich die zweite Gruppe von Löchern 28 und 30 in das Montageloch 26 hin öffnet.
Sämtliche dieser Löcher 22, 24, 28 und 30 sind zur äußeren Umfangsflache der metallischen Einspannvorrichtung 18 hin offen, so daß sie leicht zugänglich sind. Wie in Figur 3 gezeigt, besitzen die acht Gewindebohrungen 22 in Umfangsrichtung der Einspannvorrichtung 18 einen gleichen Abstand voneinander. In entsprechender Weise sind die acht Gewindebohrungen 24 in Umfangsrichtung in gleichen Abständen angeordnet. Wie in Figur 2 gezeigt, sind diese beiden Sätze von Gewindebohrungen 22 und 24 eine kurze Strecke voneinander entlang der Achse des Abschnittes des Fixierlochs 20 mit kleinem Durchmesser im Abstand angeordnet. Die vier Gewindebohrungen 28 und die vier Gewindebohrungen 30 sind ebenfalls gleichwinklig ausgebildet, wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, und entlang der Achse des Montagelochs 26 in einem geringen Abstand voneinander angeordnet, wie in
Figur 2 gezeigt. Die beiden Sätze von Löchern 28 und 30 sind so ausgebildet, daß die Löcher 30 zwischen den Löchern 28 angeordnet sind, wie die Querschnitte der Figuren 4 und 5 zeigen. Sämtliche Löcher 22, 24 , 28 und 30 sind mit Gewinde versehen, so daß Ausgleichsstücke in der Form von mit Außengewinde versehenen Schrauben 34 eingeschraubt werden können.
Die Gewindebohrungen 22, 24, 28 und 30 dienen zur Aufnahme der Ausgleichsschrauben 34 zum dynamischen Auswuchten der metallischen Einspannvorrichtung 18, genauer gesagt der aus der Einspannvorrichtung L8 und dem Keramikrotor 10 bestehenden Einheit. Die Gewindebohrungen 22 und 24 sind an den gleichen Umfangsstellen ausgebildet, wobei die Bohrungen 24 zwischen den Bohrungen 22 angeordnet sein können, wie der Schnitt der Figur 3 zeigt. Bei dieser speziellen Ausführungsform'sind sämtliche Bohrungen 22, 24, 28, 30 so ausgebildet, daß sie sich in das abgestufte Fixierloch 20 oder Montageloch 26 hinein öffnen. Dies stellt jedoch keine Voraussetzung zur Ausbildung der Gewindebohrungen durch die Ringwände der metallischen Einspannvorrichtung 18 dar. Wenn die aus der Einspannvorrichtung und dem Rotor bestehende Einheit 10, 18 lediglich durch Einschrauben der Schrauben 34 in die Bohrungen 22 und 28 richtig dynamisch ausgewuchtet werden kann, kann man auf die Gewindebohrungen 24 und 30 verzichten.
In entsprechender Weise wie bei einer herkömmlich ausgebildeten Einspannvorrichtung besitzt die metallische Einspannvorrichtung 18 drei Gewindebohrungen 32, die näher am Boden des Montagelochs 26 angeordnet sind als die Gewindebohrungen 28, 30, wie in Figur 2 gezeigt. Die Gewindebohrungen 3 2 sind in Umfangsrichtung der Einspann-
vorrichtung 18 im gleichen Abstand voneinander angeordnet und öffnen sich in das Montageloch 26, so daß Fixierschrauben in die Bohrungen 3 2 zur Befestigung der Antriebswelle der in das Montageloch 26 eingesetzten Rotationstesteinrichtung eingeschraubt werden können.
Obwohl ein Keramikrotor an einer metallischen Einspannvorrichtung mittels Schrumpfpassung oder einemandereπ üblichen Verfahren befestigt werden kann, ist der Keramikrotor 10 dieser Ausführungsform vorzugsweise unter Verwendung eines geeigneten Klebemittels an der metallischen Einspannvorrichtung 18 befestigt, um dadurch den Wellenabschnitt 12 im Fixierloch 20 zu befestigen. Das verwendete Klebemittel muß eine Bindungsfestigkeit besitzen, die ausreichend hoch ist, um eine bei einem Rotationstest des Rotors 10 unter hoher Geschwindigkeit auftretende Kraft aufnehmen zu können. Beispielsweise wird der Turbolader-Keramikrotor 10 der Figur 1 mit 140.000 - 200.000 UpM in üblichen Rotationstests gedreht. Für derartige Tests stellt ein thermoplastisches Harz oder ein Wachs ein geeignetes Klebemittel dar. Es wird insbesondere bevorzugt, ein Klebemittel zu verwenden, das bei etwa 150° C in einen schmelzflüssigen Zustand erweicht werden kann.
Durch Verwendung eines derartigen Klebemittels kann der Keramikrotor auf unterschiedliche Art und Weise leicht an der metallischen Einspannvorrichtung fixiert werden. Ein beispielhaftes Verfahren hierzu umfaßt die folgenden Schritte: Erhitzen der metallischen Einspannvorrichtung auf eine vorgegebene Temperatur, beispielsweise mit Hilfe einer heißen Platte; Aufbringen eines Überzuges des Klebemittels auf die Innenfläche des Fixierlochs in der metallischen Einspannvorrichtung und dadurch Aufschmelzen
des Klebemittels auf der Innenfläche; und Einsetzen des Wellenabschnittes des Keramikrotors in das Fixierloch in der Einspannvorrichtung sowie Befestigen des Wellenabschnittes an der Einspannvorrichtung. Ein anderes zur Verfügung stehendes Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Erhitzen der metallischen Einspannvorrichtung auf die vorgegebene Temperatur; Einsetzen des Wellenabschnittes des Keramikrotors in das Fixierloch in der Einspannvorrichtung; und Einspritzen des Klebemittels in einen Spalt zwischen dem Wellenabschnitt des Rotors und der Innenfläche des Fixierlochs, während die Einspannvorrichtung und der Rotor relativ zueinander gedreht werden. Zur Entfernung des Keramikrotors von der metallischen Einspannvorrichtung nach Beendigung eines Rotationstests wird die Einspannvorrichtung wieder erhitzt, um das Klebemittel aufzuschmelzen, so daß der Keramikrotor in einfacher Weise aus dem Fixierloch herausgezogen werden kann. Bei der Befestigung des Keramikrotors an der Einspannvorrichtung muß der Wellenabschnitt des Rotors nicht unbedingt über seine Gesamtlänge verklebt werden, solange wie der Wellenabschnitt mit einer Bindungskraft an der Einspannvorrichtung fixiert ist, die ausreichend hoch ist, um die beim Rotationstest auftretenden Spannungen auszuhalten.
Obwohl, wie vorstehend erläutert, in herkömmlicher Weise eingesetzte Fixierverfahren, beispielsweise Schrumpfpassungs- oder Preßpassungsverfahren, Verwendung finden können, um den Keramikrotor an der metallischen Einspannvorrichtung zu befestigen, wird der Einsatz eines Klebemittels bevorzugt, da hierbei eine geringere Aufheiztemperatur der Einspannvorrichtung Anwendung finden kann als bei den Schrumpfpassungs- oder Preßpassungsverfahren.
Diese niedrigere Aufheiztemperatur bedeutet eine geringere Oxydation der metallischen Einspannvorrichtung und somit eine längere nutzbare Lebensdauer derselben. Darüberhinaus wird durch die Verwendung eines Klebemittels in beträchtliche'r Weise Arbeitszeit zur Fixierung des Rotors an der Einspannvorrichtung eingespart.
Die aus der metallischen Einspannvorrichtung und dem daran befestigten Keramikrotor bestehende Einheit wird auf einer dynamischen Auswuchtmaschine montiert, um die Einheit vor einem Rotationstest des Keramikrotors dynamisch auszuwuchten. Um das dynamische Gleichgewicht der Einheit herzustellen, werden die Größe und Richtung einer Unwucht der Einheit von der Auswuchtmaschine erfaßt, und eine geeignete Anzahl von Ausgleichsschrauben wird in die entsprechenden Gewindebohrungen eingeschraubt, so daß die aus der Einspannvorrichtung und dem Rotor bestehende Einheit dynamisch ausgeglichen ist.
Genauer gesagt kann das dynamische Gleichgewicht der Einheit auf verschiedene Weise hergestellt werden: Beispielsweise durch Veränderung der radialen Stellungen der Ausgleichsschrauben in den Gewindebohrungen, durch Entfernen oder Befestigen der geeigneten Schrauben, durch Verwenden von Ausgleichsschrauben unterschiedlicher Längen und/oder Gewichte oder durch Kombinationen dieser Verfahren. In jedem Fall kann die aus der Einspannvorrichtung und dem Rotor bestehende Einheit mit einem Schraubendreher sehr rasch dynamisch ausgewuchtet werden, während die Einheit auf der Auswuchtmaschine installiert ist. Die Ausgleichsschrauben werden in den entsprechenden Bohrungen mit einem geeigneten Klebezement oder einem anderen Bindemittel fixiert.
Die auf diese Weise dynamisch ausgewuchtete Einheit aus der metallischen Einspannvorrichtung und dem Keramikrotor wird dann auf der Rotationstestvorrichtung montiert, um den beabsichtigten Rotationstest des Rotors durchzuführen. Nach Beendigung des Rotationstests wird die Einheit von der Rotationstestvorrichtung demontiert. Die entfernte metallische Einspannvorrichtung kann dann wieder für einen anderen Keramikrotor verwendet werden. Es ist möglich, die gleiche metallische Einspannvorrichtung in wiederholter Weise für viele Keramikrotoren zu verwenden, da die Einheit aus der Einspannvorrichtung und dem Rotor durch Verwendung von Ausgleichsschrauben dynamisch ausgewuchtet wird und keine Abschnitte der Einspannvorrichtung abgeschnitten werden, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist. Darüberhinaus wird es durch die Verwendung eines Klebemittels zur Fixierung des Keramikrotors an der Einspannvorrichtung möglich, zu verhindern, daß die Einspannvorrichtung einer hohen Temperatur ausgesetzt wird (zur Herstellung einer Schrumpfpassung des Rotors in der Einspannvorrichtung), wodurch die metallische Einspannvorrichtung halbdauerhaft verwendet werden kann.
Vorstehend wurden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführung sformen beschränkt ist und daß diverse Änderungen durchgeführt werden können. Beispielsweise können diverse andere Teile anstelle von Schrauben als Ausgleichsstücke eingesetzt werden. In jedem Fall ist es jedoch erforderlieh, daß die Ausgleichsstücke in geeigneten Ausgleichslöchern, die in der metallischen Einspannvorrichtung ausgebildet sind, lösbar fixiert werden.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird nunmehr eine Ausführungsform eines Verfahrens zum dynamischen Auswuchten der Einheit aus dem Turbolader-Keramikrotor 10 der Figur und der metallischen Einspannvorrichtung 18 der Figur 2 beschrieben. Der Turbolader-Keramikrotor 10 wurde aus Siliciumnitrid (Si3N4) hergestellt und besaß einen Durchmesser von 60 mm an seinem Schaufelabschnitt 16. In der Zwischenzeit wurde die metallische Einspannvorrichtung 18 aus gekohltem Stahl S45C hergestellt und so ausgebildet, daß der Durchmesser des Abschnittes des Fixierlochs 20 mit kleinem Durchmesser um 30 Mm größer war als der Durchmesser des Wellenabschnittes 12 des Rotors 10.
Anfangs wurde die metallische Einspannvorrichtung 18 auf eine heiße Platte gebracht und 10 Minuten lang auf 150° C erhitzt. Danach wurde die Innenfläche des Fixierlochs 20 mit Paraffin beschichtet und der Wellenabschnitt 12 des Keramikrotors 10 in das Fixierloch 20 eingesetzt. Die auf diese Weise erhaltene Einheit aus der metallischen Einspannvorrichtung 18 und dem daran befestigten Keramikrotor 10 wurde auf einer dynamischen Auswuchtmaschine montiert, und die Einheit wurde dynamisch ausgewuchtet, indem die Radial-Stellungen der Ausgleichsschrauben in den Gewindebohrungen 22, 24, 28 und 30 eingestellt wurden. Der dynamische Auswuchtvorgang war in 15 Minuten beendet.
Daraufhin wurde die dynamisch ausgewuchtete Einheit aus der metallischen Einspannvorrichtung 18 und dem Rotor 10 an einer Rotationstestvorrichtung befestigt und mit 150.000 UpM in Umdrehungen versetzt. Der Test erbrachte während der Rotation der Einheit keine Unnormalitäten des Turbolader-Keramikrotors 10.
Nach Beendigung des Rotationstests wurde die Einheit 18, 10 aus der Einspannvorrichtung und dem Rotor auf die heiße Platte gebracht und wieder auf 150° C Io Minuten lang erhitzt. Der Turbolader-Keramikrotor 10 wurde dann von der metallischen Einspannvorrichtung 18 entfernt. Ein neuer Turbolader-Keramikrotor 10 wurde in der vorstehend beschriebenen Weise auf der gleichen metallischen Einspannvorrichtung 18 fixiert. Die Einheit aus Einspannvorrichtung und Rotor wurde auf der Auswuchtmaschine dynamisch ausgewuchtet und mit 150.000 UpM einem Rotationstest auf der Rotationstestvorrichtung unterzogen. Während des Tests konnten keine unnormalen Zustände festgestellt werden. Wie beim vorhergehenden Vorgang wurde der dynamische Auswuchtvorgang in 15 Minuten beendet. In der gleichen Weiise wurde die gleiche metallische Einspannvorrichtung 18 wiederholt mit unterschiedlichen Keramikrotoren 10 eingesetzt, und die Einheit wurde in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben dynamisch ausgewuchtet. In den Rotationstests konnten keine Unnormalitäten festgestellt werden. Es wurde somit festgestellt, daß die erfindungsgemäß ausgebildete metallische Einspannvorrichtung 18 in halbdauerhafter Weise eingesetzt werden kann.
Vergleichsbeispiel
Zum Vergleich wurde eine herkömmliche metallische Einspannvorrichtung 40 der Figur 6 zur Durchführung eines Rotationstests des Turbolader-Keramikrotors 10 der Figur 1 eingesetzt. Die metallische Einspannvorrichtung 40 wurde aus gekohltem Stahl S45C hergestellt und besaß ein abgestuftes Fixierloch 42 an ihrem einen axialen Endabschnitt. Das Fixierloch 42 besaß einen axial inneren Abschnitt mit
kleinem Durchmesser, dessen Durchmesser um 30 pm geringer war als der Durchmesser des Wellenabschnittes 12 des Rotors 10. Darüberhinaus besaß die metallische Einspannvorrichtung 40 ein Montageloch 44 am anderen Endabschnitt zur Aufnahme einer Antriebswelle der Auswuchtmaschine und der Rotationstestvorrichtung, so daß die metallische Einspannvorrichtung 40 hieran befestigt werden konnte.
Die Einspannvorrichtung 40 wurde anfangs 10 Minuten lang in einem elektrischen Ofen auf 450° C erhitzt. Der Wellenabschnitt 12 des Turbolader-Keramikrotors 10 wurde dann in das Fixierloch 4 2 eingesetzt. Somit wurde die Rotorwelle 12 mittels Schrumpfpassung im Fixierloch 42 fixiert. Die aus der metallischen Einspannvorrichtung 40 und dem Keramikrotor 10 bestehende Einheit wurde auf der dynamischen Auswuchtmaschine montiert und durch Entfernung von geeigneten Materialmengen von Abschnitten A und B (Figur 6) mit einer Schleifvorrichtung dynamisch ausgewuchtet. Zur Durchführung dieses Auswuchtvorganges waren etwa 40 Minuten erforderlich.
Die auf diese Weise ausgewuchtete Einheit aus der Einspannvorrichtung 40 und dem Rotor 10 wurde an der Rotationstestvorrichtung befestigt, und es wurde ein Rotationstest mit 150.000 UpM durchgeführt. Während dieses Tests konnten keine Abnormalitäten der Einspannvorrichtung 40 und des Rotors 10 festgestellt werden.
Nach dem Rotationstest wurde die Einheit 40, 10 über eine Stunde in dem elektrischen Ofen auf 450° C erhitzt, und der Keramikrotor 10 wurde von der metallischen Einspannvorrichtung 40 entfernt. Man stellte fest, daß die metallische Einspannvorrichtung 40 auf ihren Oberflächen oxidiert worden war. Die oxidierte metallische Einspannvorrichtung 40
wurde für einen anderen Turbolader-Keramikrotor 10 verwendet, und die Einheit 40, 10 aus der Einspannvorrichtung und dem Rotor wurde auf der Auswuchtmaschine montiert, um die Einheit dynamisch auszuwuchten. Eine Auswuchtung der Einheit war jedoch aufgrund der im vorhergehenden Zyklus entfernten großen Materialmengen unmöglich, die eine zum Ausgleich zu große Unwucht der Einheit erzeugten.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zum dynamischen Ausgleichen bzw. Auswuchten einer aus einer metallischen Einspannvorrichtung und einem daran befestigten Keramikrotor bestehenden Einheit, bei der der Keramikrotor einen Wellenabschnitt und die metallische Einspannvorrichtung an ihrem einen axialen Ende ein Fixierloch aufweist, vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfaßt: Einsetzen des Wellenabschnittes des Keramikrotors in das Fixierloch der metallischen Einspannvorrichtung, um dadurch den Keramikrotor zur Ausbildung der Einheit an der metallischen Einspannvorrichtung zu fixieren, und dynamisches Auswuchten der Einheit durch Fixieren von mindestens einem Ausgleichsstück in mindestens einem einer Vielzahl von Ausgleichslöchern, die in der metallischen Einspannvorrichtung ausgebildet sind und sich zu einer Außenfläche der Einspannvorrichtung hin öffnen, Erfindungsgemäß wird ferner eine metallische Einspannvorrichtung einer zylindrischen Form zum Rotierenlassen eines Keramikrotors im dynamisch ausgewuchteten Zustand vorgeschlagen, die ein Fixierloch in ihrem einen axialen Endabschnitt aufweist, in das ein Wellenabschnitt des Keramikrotors eingesetzt und dort fixiert wird. Die Einspannvorrichtung besitzt desweiteren Ausgleichsabschnitte, die durch eine Vielzahl von Ausgleichslöchern gebildet sind, welche in dem einen axialen Endabschnitt und dem anderen axialen Endabschnitt ausgebildet sind.
Die Ausgleichslöcher sind zu einer Außenfläche der Einspannvorrichtung hin offen und können Ausgleichsstücke aufnehmen.
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Claims (13)

Tedtke - Bühling - Kinne - GauPE 5SSEbKiS Dipl.-Chem. G. Bühling .. _ . Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe 35 3 5197 Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2 Tel.: 089-5396 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent München 2. Oktober 1985 DE 5211 / case N 5602 D Patentansprüche
1. Verfahren zum dynamischen Ausgleichen bzw. Auswuchten einer aus einer metallischen Einspannvorrichtung und einem daran befestigten Keramikrotors bestehenden Einheit, bei der der Keramikrotor einen Wellenabschnitt und die metallische Einspannvorrichtung an ihrem einen axialen Ende ein Fixierloch aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Einsetzen des Wellenabschnittes des Keramikrotors in das Fixierloch der metallischen Einspannvorrichtung, um dadurch den Keramikrotor zur Herstellung der Einheit an der metallischen Einspannvorrichtung zu fixieren; und
dynamisches Auswuchten der Einheit durch Fixieren von mindestens einem Ausgleichsstück in mindestens einem einer Vielzahl von Ausgleichslöchern, die in der metallischen Einspannvorrichtung ausgebildet und in einer Außenfläche der Einspannvorrichtung offen sind,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Ausgleichslöchern um Gewindebohrungen handelt und daß das mindestens eine Ausgleichsstück eine Schraube mit Außengewinde ist.
Dresdner Bank (München) Kto 3939 844 Deutsche Bank (München) KtO 2861060 Postscheckamt (München) Kto. 670-43-804
3. Verfahren nach Anspruch l,dad urch g e kennzeic hnet, daß die Ausgleichslöcher in Radialrichtung der metallischen Einspannvorrichtung ausgebildet sind und daß die Einheit durch Änderung der radialen Stellung von mindestens einem Ausgleichsstück in dem entsprechenden mindestens einem Ausgleichsloch dynamisch ausgewuchtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch l,da d ure h g e ~ kennzeichnet, daß die Einheit durch Entfernen und/oder Fixieren des mindestens einen Ausgleichsstücks von dem bzw. in dem entsprechenden Ausgleichsloch dynamisch ausgewuchtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch g ekennzeic hnet, daß das mindestens eine Ausgleichsstück Stücke unterschiedlicher Größen umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch l,dadurc h gekennzeichnet, daß das mindestens eine Ausgleichsstück Stücke unterschiedlicher Gewichte umfaßt.
7. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekenn ze ichnet, daß der Wellenabschnitt des Keramikrotors mit einem Klebemittel im Fixierloch fixiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch l,dadurc h g e -
kennzeichnet, daß es sich bei dem Keramikrotor um einen Turbolader-Keramikrotor handelt. 30
9. Einspannvorrichtung zylindrischer Form zum Rotierenlassen eines Keramikrotors im dynamisch ausgewuchteten
Zustand, gekennzeic hnet durch:
Einen axialen Endabschnitt mit einem Fixierloch (20) , in das ein Wellenabschnitt Cl2) des Keramikrotors (10) eingesetzt und darin fixiert ist; und
Ausgleichsabschnitte, die von einer Vielzahl von Ausgleichslöchern (22, 24, 28, 30) gebildet werden, welche in dem einen axialen Endabschnitt und dem anderen axialen Endabschnitt der Einspannvorrichtung (18) ausgebildet sind, zu einer Außenfläche der Einspannvorrichtung hin offen sind und ein Ausgleichsstück aufnehmen können.
10. Einspannvorrichtung nach Anspruch 9,d a durc h gekennzeichnet, daß die Ausgleichslöcher (22, 24, 28, 30) in Radialrichtung der Einspannvorrichtung (18) ausgebildet sind.
11. Einspannvorrichtung nach Anspruch 9,dadurch
gekennzeic hn e t, daß die Ausgleichslöcher aus einer ersten Gruppe von Löchern (22, 24) und einer zweiten Gruppe von Löchern (28, 30) bestehen, die in dem einen axialen Endabschnitt und dem anderen axialen Endabschnitt ausgebildet sind, und daß die Löcher (22, 24; 28, 30) einer jeden Gruppe in Umfangsrichtung der Einspannvorrichtung (18) in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.
12. Einspannvorrichtung nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet, daß sowohl die aste als auch die zweite Gruppe von Löchern (22, 24; 28,30) aus zwei Sätzen von Löchern besteht, die in Axialrichtung der Einspannvorrichtung (18) im Abstand voneinander angeordnet sind.
13. Einspannvorrichtung nach Anspruch 9,da dur c h gekennzeic hnet, daß es sich bei den Ausgleichslöchern (22, 24, 28, 30) um Gewindebohrungen zur Aufnahme von mit Außengewinde versehenen Elementen handelt.
DE19853535197 1984-10-03 1985-10-02 Verfahren und einspannvorrichtung zum dynamischen ausgleichen einer aus der einspannvorrichtung und einem rotor bestehenden einheit Granted DE3535197A1 (de)

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