JP5485730B2 - ターボチャージャ・コアアッセンブリの物理特性を測定する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、センターハウジングと、タービンホイール、コンプレッサホイールおよび該センターハウジング内に保持されているシャフトを備えたロータとを装備した、ターボチャージャ・コアアッセンブリの物理特性を測定する方法であって、該ターボチャージャ・コアアッセンブリを不釣合い測定装置にセットし、コンプレッサハウジングと連結後、ロータをほぼ通常の使用速度まで加速させ、ターボチャージャ・コアアッセンブリの、不釣合いに起因する振動を測定するという方法に係る。本発明はまた、本方法を実施する装置にも係る。

排気ガスターボチャージャにはロータが設置されているが、このロータは、作動時に毎分１００，０００回転以上の超高速で回転することから、ノイズを軽減し、ベアリングへの負荷を削減するため、きわめて高精度の釣合いが求められている。ロータは、通常、一本のシャフトから構成されていて、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。またシャフトの一方の端部にはタービンホイールが、もう一方の端部にはコンプレッサホイールがそれぞれ取り付けられている。ロータの不釣合いを測定する場合には、精度上の理由から、ほぼ通常の使用速度に対応する角速度で測定するのが通例である。排気ガスターボチャージャのノイズは、コンプレッサを経由して圧縮された空気流内の圧力変動も大きな要因となっている。そのため、ターボチャージャの振動技術面の品質を判定するには、そうした圧力変動を測定し判定する必要がある。不釣合いの測定と圧力変動の測定に関しては、それぞれが相互の障害とならないよう、不釣合いの測定および圧力変動の測定とも各種の測定プロセスや機器を前後して使用しなければならない。その結果、膨大な時間および資材を費やすことになる。

欧州特許第０４２６６７６Ｂ１号明細書では、排気ガスで駆動するターボチャージャの高速で回転しているロータの不釣合いを修正する方法が公開されている。この方法の場合、内部にロータがベアリングで保持されているターボチャージャのセンターハウジングは、タービンホイールを内包するハウジングと、コンプレッサホイールを内包するハウジングとを堅固に連結して一つのユニットを形成している。またこのユニットは、二つのハウジングと連結した柔軟な蛇腹状の管によって、一つのフレーム内に、空間内の三方向すべての方向に動けるよう柔らかくベアリングで保持されている。ハウジングのパーツには加速度計が設置されており、この加速度計で得られた加速度信号と、光学的な方法で測定した位相角を組み合わせて処理することにより、不釣合いの程度と位置とを検出するようになっている。

欧州特許第０４２６６７６Ｂ１号明細書

本発明は、不釣合いおよび圧力変動の測定に要する時間および資材を削減できることを特長とし、また容易に実行でき、しかも作動中とほぼ同様の状態できわめて高い精度で測定できる方法を創出することを課題としている。また本発明は、本方法を実施する上で、特に好適な装置を創出することも課題としている。

本発明では、請求項１、２で提示した方法と、また装置に関しては請求項３〜５で提示した特徴を具備する装置とによってこの課題を解決している。
本発明では、センターハウジングと、タービンホイール、コンプレッサホイールおよび該センターハウジング内に保持されているシャフトを備えたロータとを装備した、ターボチャージャ・コアアッセンブリの物理特性を測定する場合に、該ターボチャージャ・コアアッセンブリを不釣合い測定装置にセットし、コンプレッサハウジングと連結後、ロータをほぼ通常の使用速度まで加速させ、不釣合いに起因するターボチャージャ・コアアッセンブリの振動を測定するという方法を採用しており、しかもその場合、加速したロータによって圧縮された空気流を、コンプレッサハウジングの出口から計測管に導き、圧縮された空気流内の圧力変動を測定している。

本発明の方法では、ターボチャージャロータの不釣合いの測定と、コンプレッサハウジングの圧力変動の測定とを、実際と近い条件下で同時に実施することが可能となっている。そのため、時間の短縮と資材の節約という利点が得られる。計測管とコンプレッサハウジングとの接続は、柔軟な中間パーツで行えるようになっている。そのため、不釣合いを測定する振動系の本体は、振動に耐える小型のサイズにでき、結果的に大きな振幅の振動が得られるようになっている点が特長となっている。

本方法には、好ましくは、次のようなステップが含まれている。すなわち、コンプレッサホイールの周囲を取り囲むコンプレッサハウジングと、センターハウジングとを、柔らかいスプリングを用いて、空間内の少なくとも二方向に動けるよう台に設置するステップ、コンプレッサハウジングの出口を、柔軟な中間パーツを用いて、台に取り付けられている計測管に接続するステップ、タービンホイールの周囲を取り囲むタービンハウジングを、センターハウジングのタービン側にセットするステップ、タービンハウジングを圧縮空気源に接続し、圧縮空気でタービンホイールを駆動することにより、ロータをほぼ通常の使用速度まで加速させるステップ、センターハウジングの不釣合いに起因する振動および計測管内の圧力変動を測定し、また、ロータをほぼ通常の使用速度で回転させるステップ、測定用の速度、すなわち不釣合いに起因する振動を測定する速度でロータが回転する際にロータが取る各角度で、不釣合いに起因する振動の位相を求めるステップ、得られた不釣合いに起因する振動および位相からロータの修正すべき不釣合いを検出するステップ、測定で得られた圧力変動を、事前に設定した品質指標を求めるための基準値と比較するステップ、である。

タービンホイールと、コンプレッサホイールと、ターボチャージャ・コアアッセンブリのセンターハウジング内に保持されているシャフトとを備えたロータを有する、ターボチャージャ・コアアッセンブリの該ロータの不釣合いを測定する本発明の装置は、センターハウジングを保持し柔らかいスプリングによって空間内の少なくとも二方向に動けるよう台に保持されているベアリングと、コンプレッサホイールを保持する構造になっており、固定装置によってセンターハウジングに固定できるコンプレッサハウジングと、ロータをほぼ通常の使用速度まで加速させる装置と、不釣合いに起因するセンターハウジングの振動を測定する振動記録装置と、柔軟な中間パーツを介してコンプレッサハウジングの出口に接続している計測管と、計測管を通過する空気流の圧力変動を測定する圧力記録装置とを備えている。この場合、タービンハウジングは、センターハウジングおよびタービンホイールが動いている場合、空間内の少なくとも二方向において、センターハウジングおよびタービンホイールから認められている距離だけ離して、台に固定できるようになっている。本発明の装置は単純な構造のため製造コストも低く、またロータの不釣合いおよびコンプレッサの出口における圧力変動を同時に測定できるようになっている。

柔軟な中間パーツは蛇腹を備えており、この蛇腹の軸方向の長さ変化は、前記軸の横方向にスプリング効果を発揮する拘束装置によって妨げられていることが好ましい。
拘束装置は、蛇腹の端部に、蛇腹のチャネルを横断し軸方向に延びているロッドによって互いに連結されたブリッジを備えていてもよい。
蛇腹の中には、計測管を延長しているパイプピースが取り付けられており、またパイプピースは、コンプレッサハウジングの出口と連結している蛇腹の端部とはリング状の隙間によって隔てられていてもよい。

タービンホイールを保持する構造になっているタービンハウジングを備え、またタービンハウジングは圧縮空気源と連結できるようになっており、圧縮空気でタービンホイールを駆動してロータを加速できるようになっていることが望ましい。
タービンハウジングは、センターハウジングおよびタービンホイールが動いている場合、センターハウジングのタービン側で、空間内の少なくとも二方向において、センターハウジングおよびタービンホイールから所定の距離だけ離して、台に固定できるようになっていてもよい。

また、タービンハウジングには、柔軟なシールが取り付けられており、このシールは、センターハウジングに密着させて取り付けられることが好ましい。
次に、図面で提示した実施例を用いて本発明を詳述する。

内部にターボチャージャ・コアアッセンブリを設置した状態の、不釣合い測定装置の構造を示した略図である。 計測管の縦断面図、および計測管をコンプレッサハウジングの出口と連結する中間パーツの縦断面図である。 図２中の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って切断した横断面図である。

図１で示した不釣合い測定装置は、タービンハウジング１と、コンプレッサハウジング２と、台３とを備えているが、台３に関しては、重要な固定ポイント以外は示されていない。この不釣合い測定装置は、その一方の端部にタービンホイール７が、もう一方の端部にはコンプレッサホイール８が取り付けられており、内部にベアリングで保持されているロータ６を内包したセンターハウジング５を有するターボチャージャ・コアアッセンブリ４を設置できる構造になっている。センターハウジング５の、コンプレッサホイール８側の面には、皿状のフランジ９が取り付けられている。またフランジ９には、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４を取り付けることができるようになっている。

タービンハウジング１には、タービンチェンバ１０と、該タービンチェンバ１０の周囲を取り囲むスパイラルチャネル１１と、排出チャネル１２とが設けられている。タービンハウジング１の、コンプレッサハウジング２側の面には制限装置１３が取り付けられている。該制限装置１３は、タービンチェンバ１０にタービンホイール７を挿入する際の開口部の周囲を取り囲むように配置され、特に衝撃吸収素材になっている。

タービンハウジング１は、硬い固定材を介して台３と連結している。該固定材は緩めることができ、緩めた後は軸方向に動かし、タービンハウジング１とコンプレッサハウジング２との間の間隔を、不釣合いの測定用や脱着に応じて必要な程度変更できるようになっている。また、コンプレッサハウジング２のベアリングも、該間隔を変更する必要がある場合に備え、動かせる構造にすることも可能である。

コンプレッサハウジング２の、タービンハウジング１側の面には、中央入口（センターインレット）２１とスパイラルチャネル２２とを備えたコンプレッサチェンバ２０が取り付けられている。そして、スパイラルチャネル２２は、コンプレッサチェンバ２０の放射方向外縁に接続し、出口（アウトレットチャネル）２３に合流している。さらにコンプレッサハウジング２には、センターハウジング５固定用の、放射方向に動く固定エレメントを備えた固定装置２４も取り付けられている。コンプレッサハウジング２は、放射方向だけでなく軸方向においても、柔らかいスプリング２５を介して台３に支持され、固定されている。コンプレッサハウジング２には、振動を捕捉するため、ロータの軸を基準とした軸方向および放射方向の振動を記録する振動記録装置２６，２７も設置されている。

上記のような構造の他にも、タービンハウジング１を台３にセットする場合にスプリング効果を持たせ、センターハウジング５を固定する手段を取り付けておくことなども可能である。その場合、コンプレッサハウジング２とセンターハウジング５との連結に関しては両者間を堅固に連結することも、柔軟な状態で連結しておくことも可能である。
不釣合いを測定する場合には、図面でも示されているように、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４をコンプレッサホイール８とともにコンプレッサハウジング２内に挿入し、固定装置２４を用いてフランジ９に取り付ける。その結果、センターハウジング５はコンプレッサハウジング２と堅固に連結され、フランジ９の外縁はコンプレッサハウジング２と密着する。

ターボチャージャ・コアアッセンブリ４を本計測装置に挿入する場合やコンプレッサハウジング２にセットする場合には、事前にタービンハウジング１を台３から緩めて、コンプレッサハウジング２から軸方向に離し、該タービンハウジングと該コンプレッサハウジングとの間に、挿入する上で必要な空間が確保できるようにしておく。ターボチャージャ・コアアッセンブリ４をコンプレッサハウジング２に固定した後、タービンハウジング１を、図面で示した位置まで戻し、台３に固定する。この位置にある場合、タービンハウジング１は、タービンホイール７およびセンターハウジング５それぞれとの間に一定の間隔を確保しているため、測定中に振動が発生しても、タービンハウジング１が、タービンホイール７およびセンターハウジング５にそれぞれ接触しないようになっている。また、振動の振幅が過度に大きくなるのを防止する制限装置１３も設置されており、タービンホイール７がタービンチェンバ１０の壁面に接触する前に、センターハウジング５が制限装置１３に当たるようになっている。

ロータ６の不釣合いを測定する場合には、タービンホイール７を圧縮空気で駆動し、ロータ６をほぼ通常の使用速度に匹敵する回転数まで加速させる。ノイズを削減するため、タービンハウジング１に柔軟なシールを取り付け、このシールをセンターハウジング５に密着させることも可能である。
加速したロータ６に不釣合いがある場合には、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４およびコンプレッサハウジング２から成る回転体に振動が発生し、この振動を、回転速度を変えながら振動記録装置２６，２７で測定する。同時に、回転角度計を用いて、測定された振動の、ロータ６を基準とした位相を求める。得られた値をコンピュータに入力し、修正すべき不釣合いの角度位置と大きさとを計算する。

不釣合いの測定と同時に、コンプレッサハウジングの出口後方における圧縮空気内の圧力変動を測定できるようにするため、出口２３に計測管を取り付ける。計測管との接続用に出口２３の一端にはフランジ２８が取り付けられている。また図２で示した計測管３０は、フランジコネクタ３１によってフランジ２８と連結できるようになっている。計測管３０は、適切な長さの硬い一本の管からできている。そして、そのほぼ中央には、一つのパイプサポート３２によって構成された開口部を備え、開口部の中には、計測管３０内の圧力を測定する圧力記録装置３３が設置されている。該計測管は、上記台に固定されている。計測管３０の、出口２３と連結する端部には、柔軟な中間パーツ３４が取り付けられている。これにより計測管３０が接続する本体部分には、コンプレッサハウジングの振動が伝達されず、不釣合いの測定中にターボチャージャ・コアアッセンブリ４の振動特性が、接続された本体部分に悪影響を及ぼさないようになっている。計測管３０の、中間パーツ３４が取り付けられている側とは反対側の端部にはスクリーン３５が取り付けられている。

中間パーツ３４は、金属製の蛇腹３８の両端に溶接で固定した二つのリングフランジ３６，３７を含んでいる。また中間パーツ３４には、蛇腹３８が軸方向に回転するのを大幅に阻止する、弾力性がある拘束装置４０も取り付けられている。拘束装置４０は、二つのリングディスク４１，４２からできている。各ディスクの、蛇腹３８と反対側の面は、それぞれ一つのリングフランジ３６，３７と接触している。リングディスク４１，４２の内径は計測管３０の内径と一致しているが、該リングディスク４１，４２のホール内には、スリーブ４５，４６が設置された放射方向のブリッジ４３，４４がリングディスク４１，４２のホールの中心に取り付けられている。

ブリッジ４３，４４はばね性の薄い素材で作られ、その断面は四角形になっており、またその長軸は空気流が流れる方向と一致している。ブリッジ４３，４４の厚さはきわめて薄く、ブリッジ４３，４４がリングディスク４１，４２を流れる空気流を妨げない程度の厚さになっている。ブリッジ４３，４４に取り付けられているスリーブ４５，４６は、スリーブ４５，４６に取り付けられているロッド４７によって互いに連結されている。

計測管３０に隣接するリングディスク４２には、リングディスク４２と同内径で、リングディスク４１の近傍まで延びているパイプピース４８が取り付けられている。パイプピース４８とリングディスク４１との間には小さな隙間４９がある。この隙間４９の大きさに関しては、コンプレッサハウジング２が振動した際に、リングディスク４１とパイプピース４８とが互いに接触しない大きさになっている。パイプピース４８の外径は、蛇腹３８の内径より小さくなっているため、仮に出口２３が軸方向に振動したとしてもまったく問題はなく、蛇腹３８がパイプピース４８と接触することはない。

測定中、コンプレッサの出口２３内および計測管３０内の空気圧は２ｂａｒまで上昇する。空気圧の上昇による影響を受けると、蛇腹３８はその軸方向に膨張しようとする。そのため、仮に空気圧が上昇すると、不釣合い測定システムが備えている、スプリング効果を有するベアリング保持機能が影響を受け、不釣合い測定システムの機能に障害が出る可能性もある。蛇腹３８の過剰な膨張およびその膨張によってもたらされる不釣合い測定システムの機能上の障害を防止するのが拘束装置４０である。ただし、この拘束装置４０は、完全に硬直した遊びのない装置ではなく、その弾性強度は、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４の不釣合いに起因する振動に影響を与えない程度に調整しておく必要がある。拘束装置４０の弾性強度を適切に設定するには、ブリッジ４３，４４の軸方向のスプリング力を調整して設定するが、その場合、スプリング力を過度に緩め、蛇腹３８が過度に膨張することがないようにしなければならない。拘束装置４０の構造に関しては、その拘束装置の固有振動数が測定周波数より低く、不釣合いの測定に影響を与えない固有振動数の拘束装置にすると満足できる結果が得られることが実際の経験から明らかになっている。

上述の本発明の装置を用いれば、コンプレッサの後方における圧力変動も、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４の不釣合いと同時に測定することができる。圧力記録装置３３から得られた測定信号は、判定および分析システムに送られ、そこで事前に定めた基準値と測定値とを比較し、品質指標を求める。

１ タービンハウジング
２ コンプレッサハウジング
３ 台
４ ターボチャージャ・コアアッセンブリ
５ センターハウジング
６ ロータ
７ タービンホイール
８ コンプレッサホイール
２３ 出口（アウトレットチャネル）
２４ 固定装置
２６，２７ 振動記録装置
３０ 計測管
３３ 圧力記録装置
３４ 中間パーツ
３８ 蛇腹
４０ 拘束装置

Claims (5)

1. センターハウジング（５）と、タービンホイール（７）、コンプレッサホイール（８）および前記センターハウジング（５）内に保持されているシャフトを備えたロータ（６）とを装備した、ターボチャージャ・コアアッセンブリ（４）の物理特性を測定する方法であって、
   前記ターボチャージャ・コアアッセンブリ（４）を不釣合い測定装置にセットし、コンプレッサハウジング（２）と連結後、前記ロータ（６）をほぼ通常の使用速度まで加速させ、前記ターボチャージャ・コアアッセンブリ（４）の、不釣合いに起因する振動を測定し、また、加速した前記ロータ（６）によって圧縮された空気流を前記コンプレッサハウジング（２）の出口（２３）から計測管に導き、圧縮された空気流内の圧力変動を測定することを特徴とする方法。
2. 前記センターハウジング（５）を、柔らかいスプリング（２５）を用いて、空間内の少なくとも二方向に動けるよう台（３）に設置するステップと、
   前記コンプレッサホイール（８）の周囲を取り囲む前記コンプレッサハウジング（２）を、前記センターハウジング（５）と連結するステップと、
   前記コンプレッサハウジング（２）の出口を、柔軟な中間パーツ（３４）を用いて、前記台（３）に取り付けられている計測管（３０）に接続するステップと、
   前記タービンホイール（７）の周囲を取り囲むタービンハウジング（１）を、前記センターハウジング（５）のタービン側にセットするステップと、
   前記タービンハウジング（１）を圧縮空気源に接続し、圧縮空気で前記タービンホイール（７）を駆動することにより、前記ロータ（６）をほぼ通常の使用速度まで加速させるステップと、
   前記センターハウジング（５）の不釣合いに起因する振動および前記計測管（３０）内の圧力変動を測定し、また、前記ロータ（６）をほぼ通常の使用速度で回転させるステップと、
   測定用の速度、すなわち不釣合いに起因する振動を測定する速度で前記ロータ（６）が回転する際に前記ロータ（６）が取る各角度で、不釣合いに起因する振動の位相を求めるステップと、
   得られた不釣合いに起因する振動および位相から前記ロータ（６）の修正すべき不釣合いを検出するステップと、
   測定で得られた圧力変動を、事前に設定した品質指標を求めるための基準値と比較するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. タービンホイール（７）と、コンプレッサホイール（８）と、ターボチャージャ・コアアッセンブリ（４）のセンターハウジング（５）内に保持されているシャフトとを備えたロータ（６）を有する、前記ターボチャージャ・コアアッセンブリ（４）の前記ロータ（６）の不釣合いを測定する装置であって、
   前記センターハウジング（５）を保持し柔らかいスプリング（２５）によって空間内の少なくとも二方向に動けるよう台（３）に保持されているベアリングと、
   前記コンプレッサホイール（８）を保持する構造になっており、固定装置（２４）によって前記センターハウジング（５）に固定できるコンプレッサハウジング（２）と、
   前記ロータ（６）をほぼ通常の使用速度まで加速させる装置と、
   不釣合いに起因する前記センターハウジング（５）の振動を測定する振動記録装置（２６，２７）とを備え、さらに、
   柔軟な中間パーツ（３４）を介して前記コンプレッサハウジング（２）の出口に接続している計測管（３０）と、
   前記計測管（３０）を通過する空気流の圧力変動を測定する圧力記録装置（３３）と
   を備えていることを特徴とする装置。
4. 前記柔軟な中間パーツ（３４）は蛇腹（３８）を備えており、この蛇腹（３８）の軸方向の長さ変化は、前記軸の横方向にスプリング効果を発揮する拘束装置（４０）によって妨げられていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記拘束装置（４０）は、前記蛇腹（３８）の端部に、前記蛇腹（３８）のチャネルを横断し軸方向に延びているロッドによって互いに連結されたブリッジを備えていることを特徴とする請求項４に記載の装置。

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