JP2016223877A - バランス修正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】締結部材により回転軸に締結された回転体のアンバランス修正時にレーザ光照射にて発生する熱により締結部材が緩むことを防止する。
【解決手段】まず、コンプレッサインペラ２０２（回転体）のアンバランス位相を検出する。次に、コンプレッサインペラ２０２を回転させた状態で、インペラナット２２１（締結部材）にレーザ光を照射してインペラナット２２１とシャフト２１２（回転軸）とを点溶接した後に、インペラナット２２１にレーザ光を照射した当該インペラナット２２１の一部を除去することによりアンバランスを修正する。このようにインペラナット２２１をシャフト２１２に点溶接した後に、レーザ光照射によるアンバランス修正を行うことにより、アンバランス修正時に発生する熱によって締結部材が緩むことを防止することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、ターボチャージャのコンプレッサインペラなどの回転体のアンバランスを修正するバランス修正方法に関する。

回転体のアンバランスを修正する技術として、コンプレッサインペラを回転させた状態でインペラナットにレーザ光を照射して当該インペラナットの一部を切削（除去）することにより、コンプレッサインペラのアンバランスを修正（調整）するものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−２０３８０３号公報 特開２０１１−１１２５１４号公報

ところで、インペラナット（締結部材）にレーザ光を照射してアンバランスを修正する場合、レーザ光照射にて発生する熱によりインペラナットが熱膨張し、インペラナットが緩むおそれがある。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、締結部材によって回転軸に締結された回転体のアンバランス修正時にレーザ光照射にて発生する熱によって締結部材が緩むことを防止することが可能なバランス修正方法を提供することを目的とする。

本発明は、締結部材によって回転軸に締結された回転体のアンバランスを修正するバランス修正方法であって、前記回転体のアンバランス位相を検出し、前記回転体を回転させた状態で、前記締結部材に前記アンバランス位相でレーザ光を照射して前記締結部材と回転体とを点溶接した後に、前記締結部材に前記アンバランス位相でレーザ光を照射して当該締結部材の一部を除去することにより、前記回転体のアンバランスを修正することを特徴としている。

本発明によれば、レーザ光照射により締結部材と回転軸とを点溶接した後に、締結部材にレーザ光を照射して回転体のアンバランスを修正しているので、アンバランス修正時に発生する熱によって締結部材が緩むことを防止することができる。しかも、アンバランス位相でのレーザ光照射により締結部材の点溶接を行っているので、その点溶接工程時にアンバランス位置の質量が除去される。これにより、次工程で行うアンバランス修正工程時における質量除去量を低減することが可能になる。

本発明のバランス修正方法によれば、締結部材によって回転軸に締結された回転体のアンバランス修正時にレーザ光照射にて発生する熱によって締結部材が緩むことを防止することができる。

バランス修正装置の一例の概略構成を示す正面図である。 図１のバランス修正装置の側面図である。 ターボチャージャのコンプレッサインペラの側面図である。 コンプレッサインペラの部分拡大図である。 バランス修正の一例を示すフローチャートである。 バランス修正の一例を示すタイミングチャートである。 点溶接工程時及びアンバランス修正工程時におけるコンプレッサインペラの部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−ターボチャージャ−
まず、バランス修正を行うターボチャージャ２００の一例について図１〜図４を参照して説明する。

この例のターボチャージャ２００は、タービンホイール（例えば、インコネル（登録商標）製）２０１、及び、コンプレッサインペラ（例えば、アルミニウム合金製）２０２などを備えており、そのタービンホイール２０１に一体形成されたシャフト２１２（図４参照）の端部にコンプレッサインペラ２０２が連結されている。タービンホイール２０１はタービンハウジング２１０内に収容されており、コンプレッサインペラ２０２はコンプレッサハウジング２２０内に収容されている。タービンハウジング２１０には、タービンホイール２０１を回転駆動する流体を流す流路（スクロール）が形成されている。

上記シャフト２１２を支持するベアリング（図示せず）はセンターハウジング２３０内に収容されており、このセンターハウジング２３０の両側に上記タービンハウジング２１０とコンプレッサハウジング２２０とが取り付けられている。

図３及び図４に示すように、シャフト２１２には、コンプレッサインペラ２０２側の先端部に雄ねじ２１２ａが形成されている。このシャフト２１２の先端部にコンプレッサインペラ２０２が挿入されており、当該シャフト２１２の先端部の雄ねじ２１２ａにねじ込まれたインペラナット２２１によってコンプレッサインペラ２０２がシャフト２１２に締結されている。

−バランス修正装置−
本実施形態のバランス修正装置１００は、図１及び図２に示すように、コンプレッサ側のレーザ発振器１、タービン側のレーザ発振器２、駆動エア供給装置３、回転センサ４、加速度センサ５、架台６、及び、演算制御装置７などを備えている。

架台６は、ターボチャージャ２００を着脱自在に支持することができる。架台６にターボチャージャ２００を支持した状態で、当該ターボチャージャ２００の回転中心（タービンホイール２０１の回転中心）が水平方向に沿うようになっている。

コンプレッサ側のレーザ発振器１（以下、Ｃ側レーザ発振器１ともいう）は、例えばパルス発振が可能な半導体レーザであって、光軸が水平方向（コンプレッサインペラ２０２の回転軸と平行な方向）に沿うように配置されている。Ｃ側レーザ発振器１は、架台６に取り付けられたターボチャージャ２００のコンプレッサインペラ２０２のインペラナット２２１に、当該コンプレッサインペラ２０２の回転軸方向からパルスレーザ光（以下、単に「レーザ光」ともいう）を照射することができる。このレーザ光照射により、後述するインペラナット２２１の点溶接を行うことができ、また、インペラナット２２１の一部を除去することができる。Ｃ側レーザ発振器１の駆動は演算制御装置７にて制御される。

タービン側のレーザ発振器２（以下、Ｔ側レーザ発振器２ともいう）も、例えばパルス発振が可能な半導体レーザであって、光軸が水平方向（タービンホイール２０１の回転軸と平行な方向）に沿うように配置されている。Ｔ側レーザ発振器２は、架台６に取り付けられたターボチャージャ２００のタービンホイール（回転体）２０１のホイールボス２１１に、当該タービンホイール２０１の回転軸方向からレーザ光を照射することができる。このレーザ光照射によりホイールボス２１１の一部を除去することができる。Ｔ側レーザ発振器２の駆動は演算制御装置７にて制御される。

駆動エア供給装置３は、エア供給源３１及びエアダクト３２などを備えている。エアダクト３２はタービンハウジン２１０のスクロール入口に接続されており、エア供給源３１からの駆動エアをタービンハウジン２１０のスクロールに供給することができる。駆動エアをスクロールに供給することにより、駆動エアがタービンホイール２０１を流れて当該タービンホイール２０１が回転する。タービンホイール２０１の回転速度（回転数）は、エア供給源３１が出力する駆動エアの流量（タービンホイール２０１に流す駆動エアの流量）を調整することにより可変に設定することができる。エア供給源３１が出力する駆動エアの流量は演算制御装置７によって制御される。

回転センサ４は、架台６に装着されたターボチャージャ２００のコンプレッサインペラ２０２の近傍に配置され、そのコンプレッサインペラ２０２の基準位置からの位相（回転角）を検出する。回転センサ４の出力信号から、コンプレッサインペラ２０２の回転角（ターボ回転角）及び回転速度（ターボ回転数）を計測することができる。回転センサ４の出力信号は演算制御装置７に入力される。回転センサ４としては、磁気センサや光センサなどの各種のものを適用することができる。

なお、上記基準位置は、例えば、コンプレッサインペラ２０２へのペイント塗布、シール貼着、切欠き加工などの処理によって設定される。また、回転センサ４にて検出される回転角は、基準位置（＝０度）からコンプレッサインペラ２０２（タービンホイール２０１）が１回転することで０度〜３６０度まで変化する。

加速度センサ５は、ターボチャージャ２００を支持する架台６に取り付けられている。加速度センサ５は、ターボチャージャ２００が回転している状態のときの架台６の振動（ターボチャージャ２００の振動）を検出する。加速度センサ５の出力信号は演算制御装置７に入力される。

演算制御装置７は、例えば、パーソナルコンピュータであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、バックアップＲＡＭ、及び、入出力インターフェースなどを備えている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップなどに基づいて演算処理を実行する。ＲＯＭには、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップなどが記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによる演算結果などを一時的に記憶するメモリである。バックアップＲＡＭは、演算制御装置７をオフする際に保存すべきデータなどを記憶する不揮発性のメモリである。

演算制御装置７の入出力インターフェースには、２台のレーザ発振器１，２、駆動エア供給源３、回転センサ４、及び、加速度センサ５などが接続されている。

−バランス修正−
バランス修正処理を説明する前に、インペラナット２２１やタービンホイール頭部２０１ａへのレーザ光照射について説明する。

本実施形態では、アンバランス修正時等において、回転センサ４の出力信号に基づいてＣ側レーザ発振器１の出力タイミング（レーザ光の照射タイミング）を制御する。

具体的には、コンプレッサインペラ２０２（インペラナット２２１）が回転しているときには、後述するアンバランス位置が回転するので、そのアンバランス位置は所定時間ごとにＣ側レーザ発振器１の光軸上（レーザ光照射位置）を通過する。したがって、そのアンバランス位置がレーザ光照射位置にあるときにパルスレーザ光が照射されるように（アンバランス位相でレーザ光が照射されるように）、Ｃ側レーザ発振器１を制御することにより、アンバランス位置（アンバランス位相）の質量を除去することができる。

また、同様に、Ｔ側レーザ発振器２についても、タービンホイール２０１のアンバランス位相でレーザ光が照射されるように、Ｔ側レーザ発振器２を制御することにより、アンバランス位置（アンバランス位相）の質量を除去することができる。

なお、上記アンバランス位置への１パルスのレーザ光照射による除去量は、インペラナット２２１やホイールボス２１１の各材質及びレーザ発振器１のレーザ出力（エネルギ）によって決まる。通常、アンバランス位置への１回（１パルス）のレーザ光照射による除去量では、アンバランス量（質量除去量）を満足することができないため、コンプレッサインペラ２０２とタービンホイール２０１の回転過程において、アンバランス位置がレーザ発振器１，２の各光軸上に位置するごとに、パルスレーザ光照射を繰り返して行う（連続パルス照射：図６参照）。

次に、上記したバランス修正装置１００を用いてバランス修正を行う場合の一例について、図５のフローチャート及び図６のタイミングチャートを参照して説明する。図５の制御ルーチンは演算制御装置７において実行される。

まず、バランス修正を行う前の処理として、図１に示すように、バランス修正装置１００の架台６に、バランス修正対象であるターボチャージャ２００を取り付けておく。また、コンプレッサインペラ２０２のインペラナット２２１にレーザ光が照射されるようにＣ側レーザ発振器１の位置を調整するとともに、タービンホイール２０１のホイールボス２１１にレーザ光が照射されるようにＴ側レーザ発振器２の位置を調整しておく。

以上のセッティングが終了した後にバランス修正を開始する。バランス修正が開始されると、ステップＳＴ１０１においてトラッキング計測を行う。具体的には、駆動エア供給装置３を制御し、エアドライブにてタービンホイール２０１を回転させ、そのターボ回転数を最大回転数（ｍａｘ回転数）まで一定の回転速度で上昇させる。このターボ回転数の上昇中において回転センサ４の出力信号及び加速度センサ５の出力信号を採取し、その採取した回転角データ及び加速度データ（振動データ）に基づいて、振動の振幅（最大値）及び基準位置に対する振動位相を計測する。

ステップＳＴ１０２では、ターボ回転数をアンバランス修正回転数Ｎｕｂに維持した状態でＣ側レーザ発振器１を制御し、インペラナット２２１の任意の位相位置に１パルスのレーザ光を照射してＣ側感度確認除去を行う（図６参照）。

ステップＳＴ１０３では、上記したステップＳＴ１０１と同様にしてトラッキング計測を行って、コンプレッサインペラ２０２側（以下、Ｃ側ともいう）の振幅（最大値）及び基準位置に対する振動位相を計測する。さらに、上記ステップＳＴ１０１の処理で得られた振動位相と、このステップＳＴ１０３の処理で得られた振動位相との差（Ｃ側感度確認除去前後の振動位相の変化）からＣ側のアンバランス位相（アンバランス位置）を算出する。

ステップＳＴ１０４では、ターボ回転数をアンバランス修正回転数Ｎｕｂに維持した状態でＴ側レーザ発振器２を制御し、ホイールボス２１１の任意の位相位置に１パルスのレーザ光を照射してＴ側感度確認除去を行う（図６参照）。

ステップＳＴ１０５では、上記したステップＳＴ１０１と同様にしてトラッキング計測を行って、タービンホイール２０１側（以下、Ｔ側ともいう）の振動位相を計測し、その振動位相を用いて、上記ステップＳＴ１０３と同様な処理により、Ｔ側のアランバランス位相（アンバランス位置）を算出する。

ステップＳＴ１０６では、ターボ回転数をアンバランス修正回転数Ｎｕｂに維持した状態でＣ側レーザ発振器１を制御し、図７（Ａ）に示すように、インペラナット２２１の雄ねじ２１２ａ近傍位置に、アンバランス位相で１パルスのレーザ光を照射して、インペラナット２２１とシャフト２１２とを点溶接する（インペラナット点溶接）。このインペラナット点溶接時のレーザ光照射により、インペラナット２２１の一部がスパッタされて質量が除去される。

ステップＳＴ１０７では、上記したステップＳＴ１０１と同様にしてトラッキング計測を行い、上記ステップＳＴ１０３と同様な処理により、Ｔ側のアランバランス位相を修正する。

ステップＳＴ１０８では、第１回目の［Ｃ，Ｔ側アンバランス修正（１）］を行う。具体的には、ターボ回転数をアンバランス修正回転数Ｎｕｂに維持した状態でＣ側レーザ発振器１を制御し、図７（Ｂ）に示すように、インペラナット２２１にパルスレーザ光をアンバランス位相で照射（連続パルス照射：図６参照）して、アンバランス位置（アンバランス除去部）の質量を除去する（Ｃ側アンバランス修正）。なお、アンバランス除去部は点溶接部よりも外側（インペラナット２２１の半径方向の外側）の位置とする。

また、このようなＣ側アンバランス修正と並行してＴ側アンバランス修正を行う。具体的に、Ｔ側レーザ発振器２を制御し、ホイールボス２１１にパルスレーザ光をアンバランス位相で照射（連続パルス照射：図６参照）して、アンバランス位置の質量を除去する。この第１回目の［Ｃ，Ｔ側アンバランス修正（１）］が終了した後にステップＳＴ１０９に進む。

ステップＳＴ１０９では、上記したステップＳＴ１０１と同様にしてトラッキング計測を行って、加速度データ（振動データ）の振幅の最大値（計測振動Ｇ）を計測する。

ステップＳＴ１１０では、上記したステップＳＴ１０９で計測した計測振動Ｇが振動Ｇ基準（アンバランス量（振動の振幅）の許容値）以下であるか否かを判定する。その判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）である場合（計測振動Ｇ≦振動Ｇ基準である場合）は、ターボチャージャ２００の回転が停止した後（ステップＳＴ１１５の判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）となった後）にバランス修正処理を終了する。

一方、ステップＳＴ１１０の判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合、つまり第１回目の［Ｃ，Ｔ側アンバランス修正（１）］では［計測振動Ｇ≦振動Ｇ基準］とならなかった場合はステップＳＴ１１１に進む。

ステップＳＴ１１１では、上記したステップＳＴ１０８と同様な処理により、インペラナット２２１にパルスレーザ光をアンバランス位相で照射（連続パルス照射：図６参照）して、アンバランス位置の質量を除去する（２回目のＣ側アンバランス修正）。また、ホイールボス２１１にパルスレーザ光をアンバランス位相で照射（連続パルス照射：図６参照）して、アンバランス位置の質量を除去する（２回目の［Ｃ，Ｔ側アンバランス修正（２）］）。この第２回目の［Ｃ，Ｔ側アンバランス修正（２）］が終了した後にステップＳＴ１１２に進む。

ステップＳＴ１１２では、上記したステップＳＴ１０１と同様にしてトラッキング計測を行って、加速度データ（振動データ）の振幅の最大値（計測振動Ｇ）を計測する。

ステップＳＴ１１３では、上記したステップＳＴ１０９で計測した計測振動Ｇが振動Ｇ基準以下であるか否かを判定する。その判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）である場合（計測振動Ｇ≦振動Ｇ基準である場合）は、ターボチャージャ２００の回転が停止した後（ステップＳＴ１１５の判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）となった後）にバランス修正処理を終了する。

一方、ステップＳＴ１１３の判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合、つまり第２回目の［Ｃ，Ｔ側アンバランス修正（２）］を行っても、［計測振動Ｇ≦振動Ｇ基準］とならなかった場合はステップＳＴ１１４に進む。

ステップＳＴ１１４では、コンプレッサインペラ２０２の組み替えなどの処理を行い、その後に、ステップＳＴ１０１に戻り、以後、ステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１１３の処理を繰り返して行う。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ光照射によりインペラナット２２１とシャフト２１２（雄ねじ２１２ａ）とを点溶接した後に、インペラナット２２１にレーザ光を照射してアンバランスを修正しているので、アンバランス修正時に発生する熱によってインペラナット２２１が緩むことを防止することができる。しかも、アンバランス位相でのレーザ光照射によりインペラナット２２１の点溶接を行っているので、その点溶接工程時にアンバランス位置の質量が除去される。これにより、次工程で行うアンバランス修正工程時における質量除去量を低減することが可能になり、バランス修正のサイクルタイムを短縮することが可能になる。

なお、上記したＣ側，Ｔ側感度確認除去による質量除去量が少量であり、熱発生量も少なくてインペラナット２２１が熱膨張により緩むことがないので、上記したように、点溶接工程の前に、Ｃ側，Ｔ側感度確認除去を行っても問題はない。

−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、以上の実施形態では、Ｃ側アンバランス修正及びＴ側のアンバランス修正の両方を行う場合の例について説明したが、これに限れられることなく、本発明はＣ側アンバランス修正のみを行う場合にも適用可能である。

また、以上の実施形態では、インペラナット２２１によってシャフト２１２に締結されたコンプレッサインペラ２０２のバランス修正に本発明を適用した例について説明したが、これに限られることなく、本発明は、締結部材によって回転軸に締結される他の任意の回転体のバランス修正にも適用可能である。

本発明は、ターボチャージャのコンプレッサインペラなどの回転体のアンバランスを修正するバランス修正方法に利用可能である。

１００ バランス修正装置
１ レーザ発振器（Ｃ側レーザ発振器）
２ レーザ発振器（Ｔ側レーザ発振器）
３ 駆動エア供給装置
４ 回転センサ
５ 加速度センサ
６ 架台
７ 演算制御装置
２００ ターボチャージャ
２０１ タービンホイール
２１１ ホイールボス
２１２ シャフト（回転軸）
２１２ａ 雄ねじ
２０２ コンプレッサインペラ（回転体）
２２１ インペラナット（締結部材）

Claims (1)

1. 締結部材によって回転軸に締結された回転体のアンバランスを修正するバランス修正方法であって、
   前記回転体のアンバランス位相を検出し、
   前記回転体を回転させた状態で、前記締結部材に前記アンバランス位相でレーザ光を照射して前記締結部材と回転体とを点溶接した後に、前記締結部材に前記アンバランス位相でレーザ光を照射して当該締結部材の一部を除去することにより、前記回転体のアンバランスを修正することを特徴とするバランス修正方法。

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