JP2007132928A - ロータのアンバランスを動的に測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータのアンバランスを動的に測定する方法を提供する。
【解決手段】ハウジング１内に設置され、高い角速度で回転し、ベアリングハウジング１４で保持されているロータのアンバランスを動的に測定する方法は、以下のステップを有する。ベアリングハウジング１４をハウジング１に固定する際、両者の間に弾性エレメント６を挟むことにより、ベアリングハウジング１４がハウジング１に対し相対的に三次元いずれの方向にも動けるようにし、またロータを、駆動するうえで適切な作動位置に取り付けるステップ。ロータをほぼ通常の作動速度まで加速するステップ。ロータがほぼ通常の作動速度で回転している間に、アンバランスに起因する振動および振動の位相ポジションを求めるステップ。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハウジング内に設置され、かつ高い角速度で回転し、別々のベアリングハウジングで保持されているロータのアンバランスを動的に測定する方法、およびこの方法の実施に適した装置に関する。本発明は、特に排気ガスターボチャージャのロータのアンバランスを測定する方法および装置に関する。

排気ガスターボチャージャに取り付けられているロータは、作動中は毎分１０万回以上の超高速で回転することも多く、そうした高速回転時のノイズやベアリングにかかる過大な負荷を軽減するため、極めて高い精度でバランスをとっておかなければならない。こうしたロータは通常、ベアリングハウジング内で保持されているシャフト、そのシャフトの一端に取り付けられたタービンホイール、および該シャフトの他端に設置されたコンプレッサホイールから構成されている。ロータのアンバランスは、精度面の理由から、ほぼ通常の作動速度に対応する角速度で測定するが、その場合、ロータはタービンハウジング内のベアリングハウジング内に組み込まれており、タービンホイールに圧縮空気を当てることによって必要な回転数に上げてゆく。しかし、この方法では、ロータの質量に比べ、ベアリングハウジングとタービンハウジングの質量が相対的に大きいため、ロータのアンバランスに起因する振動が大幅に減少し、測定の精度や感度に影響を受ける欠点があった。

下記特許文献１では、排気ガスで駆動するターボチャージャのロータを高速で作動させながらバランスをとる方法が紹介されているが、その方法では、ロータを保持しているターボチャージャの中間ハウジングが、タービンホイールとコンプレッサホイールを内包するハウジングパーツと固く連結し、こうした構造のユニットが、ハウジングパーツと噛み合う柔軟な蛇腹ホースによって、空間内の三次元すべての方向に動けるよう一つのフレームに入れられ可動に保持されている。しかし、この場合には、ターボチャージャの中間ハウジングに取り付けたハウジングパーツが、振動特性、すなわちアンバランスの測定に大きく影響する。ハウジングパーツに加速度検出器を設置し、該加速度検出器の信号と光学的な方法で測定した位相角を同時に処理してアンバランスの大きさと位置を検出している。
欧州特許第０４２６６７６号明細書

本発明の課題は、冒頭で提示したような、極めて高い精度でアンバランスを測定できる方法を創出することである。また本発明は、この方法を実現するうえで特に適した装置を創出することも課題としている。

上記の課題の方法は請求項１で提示した特徴で、また装置については請求項２で示した特徴によって解決している。なお、この項において、各構成要素につき、実施形態の構成要素の番号をかっこ書きで付す。
ハウジング（１）内に設置され、高角速度で回転し、ベアリングハウジング（４）で保持されているロータのアンバランスを動的に測定する本発明の方法は、次のステップを含んでいる。

ベアリングハウジング（１４）をハウジング（１）に固定する際、両者の間に弾性エレメント（６）を挟み、そのエレメント（６）によって該ベアリングハウジング（１４）が該ハウジング（１）に対し空間内の三次元いずれの方向にも動けるようにし、またロータは該ハウジング（１）内の駆動に適した作動位置に取り付けるステップ。
該ロータをほぼ通常の作動速度まで加速するステップ。

該ロータがほぼ通常の速度で回転している間に、アンバランスに起因する振動を測定するステップ。
アンバランスに起因する振動を測定する測定回転数で回転するロータの角度ポジションにおいて、アンバランスに起因する振動の位相ポジションを求めるステップ。
測定で得られたアンバランスに起因する振動と位相ポジションを用いて、補正が必要なロータのアンバランスを検出するステップ。

本発明の方法の場合、アンバランスに起因する振動が発生するのは、ロータ、ベアリングハウジング（１４）、および該ベアリングハウジング（１４）で保持するベアリングのみであって、ハウジング（１）やその固定具などの他の質量は振動しないという長所がある。そのため測定装置の振動するパーツの質量を、ロータをベアリングで保持するために必要なパーツなど極最小限に抑えることができ、冒頭で示したような従来の技術に比べ、振動するパーツを大幅に削減できるようになっている。振動するパーツの質量に起因するアンバランス測定上のエラーも大きく減少し、アンバランスの測定精度が大幅に改善されるという長所も得られる。

この方法を実現するため、ベアリングハウジング（１４）内に保持され、かつ高い角速度で回転するロータのアンバランスを動的に測定する本発明の装置は、ハウジング（１）を装備し、該ハウジング（１）には、前記ロータと前記ベアリングハウジング（１４）を、ロータをほぼ通常の回転速度で駆動するうえで適切なポジションに設置でき、また前記ハウジング（１）は、軸方向および放射方向に設けられた弾性エレメント（６）を備え、その弾性エレメント（６）によって、前記ハウジング（１）に対して空間内の三次元いずれの方向にも動けるよう前記ベアリングハウジング（１４）が取り付けられている。本発明の装置は、製造が容易でコスト面でも優れ、かつロータのアンバランス測定も極めて高い精度で実現できる。

ハウジング（１）には、複数個、特に４個の弾性エレメント（６）を、回転体の回転軸と同軸に、円周上に等間隔で規則的に配置することが好ましい。このような配置にすることにより、半径方向の剛性がほぼ同じであるベアリングハウジング（１４）のベアリング保持力に、弾力性を持たせることが可能となる。
本発明の他の実施例では、ベアリングハウジング（１４）の固定用の面上で、弾性エレメント（６）をベアリングリング（１０）で互いに連結することも可能であり、またベアリングハウジング（１４）をベアリングリング（１０）に固定するクランプ留め手段（１６）を取り付けることもできる。このような構造にすると、ベアリングハウジング（１４）を個別にスプリングエレメントと連結する必要がなくなり、結果的に装置の扱いが極めて簡素化される。また、該ベアリングリング（１０）でスプリングエレメントをカプセル状にすることも可能であり、カプセル化すれば損傷防止効果も期待できる。さらに、ベアリングリング（１０）の可動範囲を制限することにより、ロータハウジングの振動の振幅を最大値に限定することも可能となる。本発明の装置では、ベアリングリング（１０）に振動検出器、特に加速度検出器を設置することもできる。

また本発明の他の実施例では、弾性エレメント（６）を円の一部分である扇型にし、放射方向内側の扇形部分（７）、放射方向外側の扇形部分（８）、および前記二つの扇形部分を互いに連結するスプリングエレメント（９）で構成させている。弾性エレメント（６）をこのような構造にすることで、ハウジング（１）とベアリングリング（１４）を容易に連結でき、軸方向に確保すべき空間を大幅に縮小できる長所が得られる。

弾性エレメント（６）によって、放射方向内側の扇形部分（７）はハウジング（１）に、放射方向外側の扇形部分（８）はベアリングリング（１０）に固定すると、該両扇形部分がベアリングリング（１０）を超えて放射方向に突出せず、優れた効果が得られることも明らかになっている。該両扇形部分を互いに連結するスプリングエレメント（９）は、Ｓ字形もしくはＺ字形に曲げてもよい。そのような形状に曲げると、放射方向に大きな空間を確保せずともスプリングの弾力性が得られる利点がある。該両扇形部分（７，８）およびそれらを互いに連結するスプリングエレメント（９）は、スプリング鋼板などの単体から容易に製造でき、また低コストで製造することも可能である。

次に、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳述する。
図１に示す、この発明の一実施形態に係るアンバランス測定装置には、ベースないし本体にボルト２で設置できるハウジング１が備えられている。このハウジング１は、流体チャンネル３とリング状のスパイラルハウジング４を備え、該スパイラルハウジング４のセンター開口部５は、流体チャンネル３と連結している。スパイラルハウジング４の、流体チャンネル３と反対側の前面には、スパイラルチャンネル４ａ、および該スパイラルチャンネル４ａの縦の中心軸と同軸のリング面４ｂが取り付けられており、また該リング面４ｂには、該縦の中心軸から等距離で相互間の間隔も同一の位置に、いずれも同一形状の、弾性エレメント６が４個のボルトで固定されている。

図２からも判るように、弾性エレメント６はほぼ扇型の形状になっており、また窪みによって、放射方向内側の扇形部分７、放射方向外側の扇形部分８、および前記両扇形部分を互いに連結するＺ字形のスプリングエレメント９に分割されている。弾性エレメント６は、それぞれ一つの固体から成り、スプリング材、特にスプリング鋼の鋼板から成形すれば容易かつ安価に製造することが可能である。

弾性エレメント６は、その内側の扇形部分７でスパイラルハウジング４に固定され、放射方向外側に向かって延びている。該エレメント６の外側の扇形部分８では、スパイラルハウジング４と反対側の面に、ベアリングリング１０がボルトで固定されている。この場合、該ベアリングリング１０は、その盛り上がったリング面が外側の扇形部分８と接触し、また軸方向においては、スプリングエレメント９、扇形部分７およびスパイラルハウジング４のいずれからも距離がとられている。スパイラルハウジング４の前面は、スプリングエレメント９と扇形部分８のエリア内が軸方向において後退しているため、ここでもスプリングエレメント９と扇形部分８に対し軸方の距離が確保されている。さらに、扇形部分８の放射方向外側の縁とハウジング１との間にも空間が設けられている。そのため、扇形部分８および該扇形部分８と堅固に連結したベアリングリング１０は、スプリングエレメント９で保持され、ハウジング１およびスパイラルハウジング４に対し放射方向にも軸方向にも振動できるようになっている。

ベアリングリング１０には、ショルダー１２を備えたセンターホール１１が設けられている。該ホール１１で、測定するターボチャージャのコアアセンブリ１５のベアリングハウジング１４にあるリングフランジ１３を受け止めている。ターボチャージャのコアアセンブリ１５をホール１１に挿入すると、フランジ１３は、ベアリングリング１０に取り付けられている止め爪１６によって、ショルダー１２に押し付けられる。

ターボチャージャのコアアセンブリ１５は、ベアリングハウジング１４の他に、該ベアリングハウジング内にベアリングで保持されているシャフトを備え、該シャフトの両端には、それぞれタービンホイール１７とコンプレッサホイール１８が取り付けられている。該タービンホイール１７は、設置された状態のときはスパイラルチャンネル４ａの中およびスパイラルハウジング４の開口部５の中にある。スパイラルチャンネル４ａの中を空気が流れ、適切な方法でタービンホイール１７へ導かれ、該タービンホイールを駆動する。排気は、開口部５および流体チャンネル３を通過する。スパイラルチャンネル４ａと開口部５の内部は、タービンホイール１７まで充分な距離が確保され、ターボチャージャのコアアセンブリ１５が振動しても該タービンホイールが当たらない構造になっている。コンプレッサホイール１８はハウジング１の外部にむき出しの状態で取り付けられるため、タービンホイール１７の駆動時にもほとんど影響を受けることがない。損傷を防止するため、コンプレッサホイールをケージカバーで被覆することも可能である。

タービンホイール１７、シャフトおよびコンプレッサホイール１８で構成されているロータのアンバランスを測定するには、タービンホイール１７を空気で駆動し、ほぼ通常の作動回転数まで加速する。この場合、ロータにアンバランスがあると、ターボチャージャのコアアセンブリ１５とベアリングリング１０から成る振動体が振動する。この振動を、回転数を変えながらベアリングリング１０に設置した振動検出器や加速度検出器で測定する。同時に回転角度計で、測定対象となっている振動の、該ロータに対するその時々の位相ポジションを求める。これらの測定値をコンピュータで処理し、補正すべきアンバランスの角度と大きさを求める。

上記のような装置の場合、アンバランスを測定する際の振動体の中に、ターボチャージャのコアアセンブリ１５、および該コアアセンブリ１５を固定する手段、すなわちクランプ留め手段を含むベアリングリング１０が内包されているため、振動体を極めて小型化できる長所が得られる。したがって、このような装置を使用すれば、従来の技術に比べ測定精度の大幅な改善が可能となる。また、本装置の場合、製造も極めて簡素化され、製造コスト面のメリットも大きい。

本発明の一実施形態に係るアンバランス測定装置の断面図で、中にターボチャージャのコアアセンブリが入った状態を示している。 図１の装置の、弾性エレメントとベアリングリングを内包するユニットの平面図である。

Claims (4)

1. ハウジング（１）内に設置され、高い角速度で回転し、ベアリングハウジング（１４）で保持されているロータのアンバランスを動的に測定する方法であって、
   ベアリングハウジング（１４）をハウジング（１）に固定する際、両者の間に弾性エレメント（６）を挟むことにより、ベアリングハウジング（１４）がハウジング（１）に対し相対的に三次元いずれの方向にも動けるようにし、またロータを、ハウジング（１）内の、駆動するうえで適切な作動位置に取り付けるステップと、
   該ロータをほぼ通常の作動速度まで加速するステップと、
   該ロータがほぼ通常の作動速度で回転している間に、アンバランスに起因する振動を測定するステップと、
   アンバランスに起因する振動を測定する測定回転数で回転するロータの角度ポジションにおいて、アンバランスに起因する振動の位相ポジションを求めるステップと、
   測定で得られたアンバランスに起因する振動と位相ポジションを用いて、ロータの補正すべきアンバランスを求めるステップとを有する方法。
2. ベアリングハウジング（１４）内に保持されており、高い角速度で回転するロータのアンバランスを動的に測定するための装置であって、
   ハウジング（１）を備え、該ハウジング（１）は、前記ロータがほぼ通常の回転速度で駆動するうえで適切なポジションに、前記ベアリングハウジング（１４）を設置でき、前記ハウジング（１）は、軸方向および放射方向に設けられた弾性エレメント（６）を備え、その弾性エレメント（６）を介して、ハウジング（１）に対して三次元いずれの方向にも動けるようにベアリングハウジング（１４）が取り付けられていることを特徴とするロータのアンバランスを動的に測定する装置。
3. 前記弾性エレメント（６）は、回転体の回転軸と同軸に、円周上に等間隔で規則的に４個配置されていることを特徴とする請求項２に記載のロータのアンバランスを動的に測定する装置。
4. 弾性エレメント（６）は、ベアリングハウジング（１４）固定用の面上において、ベアリングリング（１０）によって互いに連結されており、またベアリングリング（１０）には、ベアリングハウジング（１４）を固定するクランプ留め手段が取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載のロータのアンバランスを動的に測定する装置。

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