JP2013508599A - 排気ガスターボチャージャ摩擦ベアリングのベアリング遊びを決定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、排気ガスターボチャージャ摩擦ベアリングのベアリング遊びを決定する方法に関し、方法は：
−排気ガスターボチャージャまたは本体群を停止状態から最大回転速度まで加速し、同時に振動加速度をセンサにより記録するステップと、
−少なくとも１つの回転速度で摩擦ベアリングの連続音周波数を決定するステップと、
−決定された連続音周波数を、予め実験的に決定されたベアリング遊び範囲が連続音周波数範囲に割り当てられているグラフにプロットするステップと、
−決定された連続音周波数がベアリング遊びの目標範囲に存在するか否かを確認するステップとを含んでいる。

Description

本発明は、請求項１による排気ガスターボチャージャのラジアル摩擦ベアリングのベアリング遊びを決定する方法に関する。

ラジアル摩擦ベアリングは、排気ガスターボチャージャで一般的に利用されるベアリングの一種である。浮遊（回転）と固定（非回転）ベアリングブッシングとの間は基本的に区別されている。これらは、動作中に、個々の部分の形状および潤滑油の特性により特性が影響される振動系を構成する。回転の結果として、潤滑油膜に渦が発生することがあり、この渦は、半周波数渦、オイルホワールまたはオイルホイップという用語でも知られており、自励振動を生起させることができる。このような摩擦ベアリング系の固有振動数は、一方で特定の振動加速度レベルを超えた場合に、他方で排気ガスターボチャージャが低騒音モーター環境に配置されている場合に、回転シャフトに励起されたときの音響が顕著になる。周波数が主に２００〜１５００Ｈｚの範囲のいわゆる連続音等、これに関連する厄介な騒音を抑制すべく、系の固有振動数に影響する対策を講じることができる。ベアリング遊びは、特に影響力がある対策を構成する。これは、外部および／または内部ベアリング遊びであり得る。

摩擦ベアリングブッシングとシャフトまたはベアリング筐体との間のベアリング遊びを確認可能にすべく、ベアリングブッシングとシャフトおよびベアリング筐体ボアは現在のところ、ベアリング遊びの各々の要件を満たす適切なワークピース対の組み合わせが可能になるように測定する必要がある。

しかし、この手順は極めて複雑であるため、生産コストが増大する。

従って、本発明の目的は、簡単且つ技術的に信頼性の高い方法により、排気ガスターボチャージャの摩擦ベアリングのベアリング遊びの決定に利用できる排気ガスターボチャージャ摩擦ベアリングのベアリング遊びを決定する方法を開発することである。

この目的は、請求項１の特徴により実現される。

本明細書において、本発明の範囲内で行われる研究により、摩擦ベアリングにおいてベアリング遊びと連続音発生（レベルと周波数）の間に関係があることを示した。更に影響を及ぼすパラメータとして、残留アンバランスおよび油剛性の値が含まれ、油圧、油温および油粘度に依存する。本発明によれば、ベアリング遊びと連続音周波数の関係を用いてベアリング遊びを決定する。これによれば、本発明は、画定された境界内で個々の部分の形状測定および割当てを行うことなく極めて厳密な精度でベアリング遊びを得ることができる。

本発明による方法の特定の利点には、ベアリング遊びを決定するために排気ガスターボチャージャのベアリングを分解する必要が無いという事実が含まれている。本発明によれば、選択をするために、内部ベアリング遊び（ベアリングブッシングボアとシャフトの間）および外部ベアリング遊び（ベアリングブッシング外径とベアリング筐体の間）の両方を決定かまたは確認することが工程中で可能であることが好都合である。

このように、本発明は、製造されてバランスが取れた排気ガスターボチャージャが、特定の境界内のベアリング遊びをもたせて製造され、且つベアリング遊びの合致した境界値を観察することができる。

本発明による方法は同様に、損耗測定値を得るために用いることができ、その場合排気ガスターボチャージャを分解することなくベアリング遊びの変更の監視および決定が可能である。

従属請求項は本発明の好都合な発展形を含んでいる。

連続音周波数は好適には、バランスを取った後に動作バランス台上で排気ガスターボチャージャまたはその本体群（コンプレッサ筐体およびタービン筐体以外、且つ制御部品以外の排気ガスターボチャージャの全部品）の製造工程中に決定される。

このため、例えばセンサを用いて、回転速度が上昇しているときに生じる振動加速度を判定することができる。その後、内部および／または外部ベアリング遊びにより生じた連続音を良好に測定可能な予め選択された１つまたは２つの回転速度で定義された周波数分解能を用いる周波数解析（フーリエ変換）がある。その結果生じた周波数スペクトルにおいて、大きい振幅を有する曲線最大値が、予め固定された１つの周波数範囲または予め固定された２つの周波数範囲内で探索される。各々の周波数範囲で見つかった最大値は、求める連続音周波数を構成し、その周波数に起因する内部または外部ベアリング遊びに割り当てることができる。

研究により、ターボチャージャの種類に応じて、良好に測定可能な連続音が得られ、且つ当該連続音周波数を明確に測定可能な特に適切な回転速度が存在することが示されている。例えば、車輪径が約４０ｍｍの排気ガスターボチャージャは、１５００００ｒｐｍで安定した範囲を有する。しかし、原理的には１２００００ｒｐｍまたは１８００００ｒｐｍ等、他の回転速度も可能である。

更に、加速振動信号を記録するセンサの使用が好適な実施形態を構成し、この場合当該センサをコンプレッサ筐体側に取り付けるのが好都合である。タービン筐体またはベアリング筐体側への取り付けも原理的には可能であるが、これは前記場所で得られる信号が弱いため好ましくない。

試験台の実施形態に依存して、筐体が既に組み立てられた完全な排気ガスターボチャージャまたは本体群だけに機能向上（ｒａｍｐ ｕｐ）を施すことができ、後者の場合は特別な試験台筐体、いわゆるマスター筐体が必要となる。

本発明の更なる詳細事項、利点および特徴は、添付図面の各図の以下の説明から明らかになる。

回転速度が上昇する間、振動加速度を時間の関数として示すグラフを示す。 定常回転速度が１８００００ｒｐｍの場合の周波数解析を示すグラフを示す。 連続音周波数と内側ベアリング遊びの関係を説明するグラフを示す。 異なる周波数分解能を用いて決定される連続音の最大値（例：ターボチャージャ回転速度が１５００００ｒｐｍの場合）を示す。 ターボチャージャに割り当てた連続音周波数をプロットし、更に３つのベアリング遊び範囲を例示的に指定している、１００個のターボチャージャの測定結果のグラフを示す。 排気ガスターボチャージャの一部切断した透視図を示す。

図６に示す排気ガスターボチャージャ１は、本明細書の末尾に示す参照符号のリストに列挙された特徴を有し、図６に示すターボチャージャ１の場合の用語「本体群」は、タービン筐体２、コンプレッサ筐体３、および制御部品１１、１２および１４を除く全ての部品を意味するものと理解されたい。

このようなターボチャージャ１のベアリング遊びが本発明の方法により決定されたならば、図６に現れた本体群は最初に組立てられる。その後本体群は、これ以上詳細に図示しないバランス台でバランスが取られる。バランス台の設計に応じて、本体群はターボチャージャとして完成するのに必要な筐体および制御部品を既に含んでいてもよい。

バランスを取った後に、本体群またはターボチャージャは、回転速度が上昇する間、停止状態から最大回転速度まで加速される。摩擦ベアリングの振動加速度レベルは、この回転速度上昇期間中に決定される。このため、振動加速度は例えば、センサ（図１で「ＢＡセンサ」と称する）により、上昇期間中に必要とされるターボチャージャ１の時間に対してプロットすることができる。

摩擦ベアリングの種類に応じて、ＢＡセンサの格納された時間信号は続いてフーリエ変換により１または２つの回転速度において解析される。使用する回転速度または回転速度群は、同様の試験台条件（ターボチャージャの付属品、センサの位置、オイル供給の種類）の下で、等価なターボチャージャ種類に基づいて予め決定された。

図２に、フーリエ変換により決定された、周波数３０００Ｈｚに対応するターボチャージャ回転速度が１８００００ｒｐｍの場合の周波数解析を示す。ターボチャージャの回転周波数を反映する３０００Ｈｚにおける最大値とは別に、連続音を特徴付ける更なる最大値を１０８５Ｈｚで認識することができる。回転速度上昇に必要とされる時間の関数として、適当な分解能で周波数解析を実行することが好都合である。

この周波数分解能を図４に示す。本発明の範囲内で行われた研究により、図４からわかるように、用いた分解能に応じて連続音曲線の形状の高さ（振幅）および幅（周波数）が大きく変化するため、２Ｈｚ〜４Ｈｚの間の周波数分解能が特に好適な結果につながることが示された。幅が小さい曲線により可能な限り正確な連続音周波数が得られ、これは２Ｈｚ〜４Ｈｚの分解能の場合である。

本発明の方法による周波数解析のために、この範囲から１つの周波数分解能（例：２Ｈｚ）だけを利用することは従来通りである。図４はまた、これがより広い曲線、すなわちより不正確な周波数の決定につながることを明らかにするために、異なる分解能値（１Ｈｚ；１０．２４Ｈｚ）をプロットしている。

特定個数のターボチャージャの研究中にこれらの連続音周波数が決定されたならば、その結果を図５のようにグラフ化することができる。図５の例において、１００個の排気ガスターボチャージャを調べ、その個数をｘ軸に沿ってプロットしている。

周波数はｙ軸に沿ってプロットされており、当該グラフは各々のターボチャージャに割り当てられた決定済み連続音周波数をプロットしている。各々の点は、これらの決定済み連続音周波数を示す。

更に、図５のグラフは、３つのベアリング遊び範囲ＬＳ_１、ＬＳ_２、およびＬＳ_３を明示している。各々の連続音周波数に関するこれらのベアリング遊び範囲は、２つのグラフＬＳＫ_１、ＬＳＫ_２に基づいて図３に明示されているように、実験により行われた研究の結果である。

このように、図５における評価により、合計１００個の測定された排気ガスターボチャージャのどれがどのベアリング遊び範囲に割り当て可能であるかを確認できるようにする。図１〜５に基づいて先に説明した本発明による手順は、適当なソフトウェアを用いて好適且つ電子的に実行するのが現実である。

本発明の書面での開示に加え、前記発明の図１〜６に描かれた例も明示的に参照する。

１ ターボチャージャ
２ タービン筐体
３ コンプレッサ筐体
４ タービンロータ
５ 調整リング
６ ブレードベアリングリング
７ ガイドブレード
８ ブレードシャフト
９ 供給チャネル
１０ シャフトアダプタ
１１ 起動構成
１２ 制御筐体
１３ ガイドブレード７用の空いたスペース
１４ ＲＡＭ素子
１５ タービン筐体２の環状部分
１６ スペーサ／スペーシングローブ
１７ コンプレッサローター
１８ ガイドブレードカスケード／拡散器
１９ ベアリング筐体
ＬＳＫ_１ 回転速度が１８００００ｒｐｍの場合のベアリング遊び曲線
ＬＳＫ_２ 回転速度が１５００００ｒｐｍの場合のベアリング遊び曲線
ＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３ ベアリング遊範囲

Claims (14)

1. 排気ガスターボチャージャ摩擦ベアリングのベアリング遊びを決定する方法であって、
   −前記排気ガスターボチャージャまたは本体群を停止状態から最大回転速度まで加速し、同時に振動加速度をセンサにより記録するステップと、
   −前記ターボチャージャの少なくとも１つの回転速度で前記摩擦ベアリングの連続音周波数を決定するステップと、
   −前記決定された連続音周波数を、予め実験的に決定されたベアリング遊び範囲が連続音周波数範囲に割り当てられているグラフにプロットするステップと、
   −前記決定された連続音周波数がベアリング遊びの目標範囲に存在するか否かを確認するステップとを含む方法。
2. 良好に測定可能な連続音につながる、予め実験的に決定された前記排気ガスターボチャージャの回転速度で前記連続音周波数を決定すべく周波数スペクトルが決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記排気ガスターボチャージャの実験的に決定された２つの回転速度で各々１つの周波数スペクトルが決定される、請求項２に記載の方法。
4. 前記周波数スペクトルまたは周波数スペクトル群がフーリエ変換を用いて決定される、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記周波数スペクトルまたは周波数スペクトル群が事前決定可能な解析周波数に基づいて評価される、請求項２〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記解析周波数が２Ｈｚ〜４Ｈｚの間に存在する、請求項５に記載の方法。
7. 各々の周波数スペクトルにおいて所定の周波数範囲内の最大値が決定される、請求項２〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記最大値が、前記周波数に起因して内部または外部ベアリング遊びに割り当てられる、請求項２〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記連続音周波数が、動作バランス台上で前記排気ガスターボチャージャを製造する間に決定される、請求項２〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 油温、油圧、および／または油粘度がベアリングオイルパラメータとして考慮に入れられる、請求項９に記載の方法。
11. 前記センサが、コンプレッサ筐体側上のターボチャージャまたは本体群に取り付けられている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記最大回転速度が、予め実験的に決定された回転速度の１つを構成する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記ベアリング遊びが、ブッシングボアとシャフトの間の内部ベアリング遊びを構成する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記ベアリング遊びが、ブッシング外径とベアリング筐体ボアの間の外部ベアリング遊びを構成する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。

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