TW200411156A - A method of measuring the unbalance of rotors, particularly of turbines for motor-vehicle turbochargers - Google Patents

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200411156 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、內容、實施方式及圖式簡單說明) (一） 發明所屬之技術領域 本發明係有關於一種測量轉子，且特別係機動車輛渦輪 增壓機葉輪的不平衡之方法。 (二） 先前技術 目前用於所謂平衡機器中係以測量轉子的不平衡爲目的 之方法，明顯地係根據傳遞予轉子環繞其機械軸之一旋轉 運動，且測量非平衡轉子傳遞予兩支持件之振動的振幅及 相位爲基礎，其中該等支持件可在一參考平面中，或沿著 一參考軸自由運動。 該振動之振幅及相位係根據轉子的不平衡之量値，該轉 子之旋轉速度（已知），以及包括該轉子之質量，轉動慣量 及重心位置等某些幾何及機械參數而定。 因此，執行之不平衡測量係藉由測量振動而實施的一間 接測量。 由於某些參數無法事先充份準確地得知，因此爲了由振 動測量來獲致不平衡之量値及位置時所必須實施的上述參 數判定，需要各種策略。 此外，測量儀器之某些內部參數，特別係彈性係數及轉 子支持件之摩擦等，將會明顯地影響測量準確度。 在習知的工業用儀器中，係使用兩種主要之方法來尋求 轉子特徵及/或測量設備之內部參數： 200411156 1 )實施三個連續測量，亦即：對單獨轉子實施之一第 一測量、在一第一參考平面中對增加譬如已知質量之自黏 性樹膠材料等材料者實施的一第二測量、及在一第二參考 平面中對增加更一材料者實施的一第三測量；可由該三測 量之間的差異尋求轉子的不平衡之量値與位置，而無需確 知該轉子之幾何與機械參數及/或儀器之內部參數； 2)當已知轉子之外型及其內之質量分佈、且已非常準 確地描述測量儀器之特徵時，藉由轉子之重量及尺寸的某 些測量値將足以充份準確地尋求參數値。 上述之第一方法需要操作人員所表現出之適當能力及手 工技藝兩者’且因此需要良好的操作人員訓練及更費力之 測量；如此將必然造成高測量成本。 上述之第二方法僅可用於某些具有良好定義型式之轉子 及測量儀器，且因此無法輕易地普遍化。 在測量特別係車輛應用中之渦輪增壓機葉輪的不平衡之 領域中’實際上係普遍使用上述之第一方法。 (三）發明內容 本發明之目的係提供一種測量轉子，且特別係汽車渦輪 增壓機葉輪的不平衡之方法，其可克服上述缺點且容易實 施，價格便宜，且高度地準確。 本發明可藉由一種具有隨附申請專利範圍所指定特徵之 測量轉子，且特別係車輛渦輪增壓機葉輪的不平衡之方法 來達成上述目的。 在討論本發明之優點前，必須作某些初步的註解。 -7- 200411156 本發明之方法係根據全然不同於依據先前技藝所述者之 原理，亦即以藉由複數個交變力量來完全地補償因不平衡 及因轉子旋轉所造成之慣性力爲基礎，其中該等交變力量 係由外部施加，與轉子之旋轉同步且具有得儘可能地抵銷 轉子振動的一量値及相位。 當該等施加力量與因不平衡所造成之慣性力完全平衡時 ’轉子將停止振動；該等施加力量之測量係一種對轉子不 平衡之量値及角度位置（相關於外力施加點）的直接測量， 且因此無需關於轉子幾何及機械參數或測量儀器內部參數 的一精密知識。 然而，爲了使不平衡與外力施加點以外之其他位置點相 關-通常欲在兩參考平面中實施平衡的使用者一般所需要者 -亦必須確知轉子重心位置，這可由相似於測量不平衡者之 方法來達成.，以下將對此作說明。 是以，可能藉一單一，而非三個動作來測量不平衡，而 無需預知轉子內之質量分佈，如此將具有關於簡單且快速 測量、且普遍使用等明顯優點。 (四）實施方式 更，藉由參考隨附圖式之僅作爲非限制用範例的以下詳 細說明，將可明白本發明之特徵及優點，圖式中之一轉子 A係設置於兩支持件 B及E上，且該等支持件設有適合於 允許該轉子環繞其機械軸Μ自由地旋轉的複數個平衡滾珠 軸承或其他構件；該機械軸Μ係與一卡氏座標軸X —致。 支持件Β及Ε可至少平行於一軸Υ運動，該軸γ係垂直 一 8 - 200411156 於軸X，且因此垂直於旋轉軸Μ。 運動自由度可由一組彈性力量全面，或局部地限制，其 中該等力量係傾向使支持件 Β及Ε回復至一已知參考位 置。 具有皮帶輪、皮帶、或其他裝置的一系統Η，將使該轉 子以一已知且較佳地爲固定的速度ω (以每秒强度表示）旋 轉。 可爲加速器、速度感測器、或位置感測器之兩儀器D及 G係譬如藉由測量速度或位移，以在支持件 Β及Ε承載著 轉子軸Μ之位置點處測量-直接或間接地-該等支持件、及 因此測量出轉子Α之絕對加速度ai、a2在平行於軸Υ上的 分量。 致動器C、F係在該等支持件承載著該轉子處，傳遞一對 力量？1、？2至支持件B及E，且因此傳遞至該轉子。 每一該等致動器皆可爲譬如設於一電磁線圈內側之一永 久磁鐵。 假設： -K係該轉子之重心位置，其可爲未知， -Μ係轉子A、及支持件Β、E之總質量，其可爲未知’ -J係轉子A結合支持件Β、E環繞著延伸通過重心K之軸 Y的轉動慣量（其可爲未知）， -ω係轉子A環繞其軸Μ之旋轉的角速度’ -Pl(或ρ2各自）係自重心Κ至支持件Ε(或支持件Β各自） 、平行於旋轉軸Μ之具符號性的距離， 200411156 -P係介於該兩支持件之間的距離，亦即P：= Pi - P2， -L(或L2各自）係自重心K至平面Q!(或平面Q2各自）平 行於旋轉軸Μ的距離，且不平衡之量値及角度位置係與其相 關， -F!(或F2各自）係致動器F(或C各自）所施加之力量，及 -ai(或a2各自）係支持件E(或B各自）之加速度， 以及，此外： -Si(或S2各自）係相關於平面I(或Q2各自）之不平衡的 量値，及 -(或φ2各自）係相關於平面Qi(或Q2各自）之不平衡的 角度位置。 藉由複數個連續步驟來實施測量： a )(可選擇地）當該轉子靜止（ω =0 )時，施加一第一組力 量（其中F。係譬如爲1牛頓之一任意參考力量，且α係一 任意脈動，其較佳地爲接近執行步驟c )時之角速度^ ): -Fi(t)=F〇 · cos (at) -F2(t)=F〇 # cos ( ol t ) * 可在一既定時間週期T(較佳地爲力量？！及F22 —完整 的數個循環）取樣最終結果加速度a i ( t )及a 2 ( t );可計算 出以下因數： 200411156 Λ' Jai(〇 C05 (cct)dt 一第二組力 b )(可選擇地）當該轉子靜止（ω = q )時，施加 量（其中F〇及α係與步驟a)中者相同）： -F!(t)=F〇 · cos (at) -F2(t)=F〇 · cos (at)； F2之一完整 t );可計算 可在一既疋時間週期T(較佳地爲力量？！及 的數個循環）取樣最終結果加速度a 1 ( t )及a 2 ( 出以下因數：

Ar, = -— J a J (f) cos (at)dt T o 1 T -A2, = — Ja2 (r)-c〇5 (at)dt 可計算出以下數値： Μ

D

^2" ^2" 一 八”· j\j·· Α2» ~ Aj·· 一 ^/M * ^2" 一 *^2’ · 乂广 r A 〇·> +Λ/μ Ff χ 一 ο · 2 [ΑΓ -Ar)\Ar -Λ ) 倘若已知該等參數，則可省略以上的兩步驟 c )初始設定如下： 200411156 d )接著使該轉子以一角速度ω旋轉，且施加一第三組力 量：

Fi(t) = re(Gi*exp(j(^t)) F2(t)二 re(G2*exp(j6〇t)) 其中 re(x)係代表 x 之實部且 exp(jx) = cos(x) + jsin(x) 係複數幅角之一指數型。該複數指數必須與該轉子之旋轉 同步，亦即t =0係當該轉子處於一已知角度位置時（譬如， 當由一合適感測器偵測到一光學定位器時）；一電子電路（ 「鎖相迴路」（PLL )係偵測該轉子之絕對旋轉且產生振幅爲 |GM(或|G2|各自）及相位爲ZG!(或ZG2各自）的兩個正 弦信號； e)可在一既定時間週期T(較佳地爲該轉子之一完整的數 個迴轉）取樣加速度a i ( t )及a2 ( t )，且可計算出以下因數

I T AI U〇ct)dt > ο I Τ Α2 (jat)dt I ο 應注意到’ Α!及Α2皆爲複數；可由這些及先前方程式獲 致以下之向量及矩陣： -12- 200411156 z=[(G1+G2) , (P1 . g1+P2 · G2)] A = [ A i，A 2 ]

IT f)可由以下者計算出一新數値： Z(n+1)=Z(n)_A · Μ n = n+ 1 由此，可藉代入法求得新數値Gi及G2 ; g )由d )起重複本方法（使該轉子保持旋轉）， 生： I A 1 I < A m 丨 ^ I A 2 I < Am i n 其中Amin係可決定測量準確度的一·合適臨界fi η > Nmax 其中Nux係可決定測量最大持續時間的一合

h)完成時’不平衡將相關於參考平面（^及Q w ω 由此，可求得以下者： s , ζζ I W ( 1 ) I ’ S2= | W( 2 ) |，Φ F z ( W( 1 ))， - 1 3 - 直到同時發 !，或： 參 適最大數値 ，且定義 2= Z ( W ( 2 )) 200411156

Imjx) re(x〕 其中 z〇n=tg一1 應注意到，上述之所有步驟皆可在一單一程序中自動地 且無需人工介入地連續執行。 可在任何有需求時（譬如，當儀器啓動時），藉由根據測 量步驟1(請參閱上述者）爲基礎之一自動程序來校準該等 致動器。藉由本方法，倘若該測量値（請參閱以上給定之方 程式）不同於已知的質量數値，則可測量（當已將該轉子自 該等支持件移除之後）該等支持件單獨之質量-其假設爲已 知，且可選擇地校準該等致動器。 倘若該等支持件之質量爲未知，則可執行兩連續測量步 5其中第一個係如上述者，且第二個係提供每一該等支 $件附加一試樣質量且實施一差異測量。 當然，在保持本發明原理不變的情況下，可對以上描述 .3:說明之具體實施例實施廣泛變更而不致因此脫離本發明 之範圍。 (五）圖式簡單說明 第一圖爲本發明之示意前視圖，用以顯示多構件間之結 V:·係。 ::要元件之對照表 轉子 ^ E 支持件 ;F 致動器 14- 200411156 D、G 儀器 Fi ' F2 交變力量 H 系統 K 重心 Li、L2、Pi、P2 距離 M 機械軸（轉子軸） Qi ' Q2 參考平面 X、Y 卡氏座標軸 a 1、a 2 加速度 ω 角速度 - 1 5-

Claims (1)

1. 200411156 拾、申請專利範圍 1 . 一種測量一轉子（A )的不平衡之方法，其特徵爲包括下列 步驟： a )傳遞予該轉子（A )環繞其機械軸（Μ )的一旋轉， b )藉由複數個致動器（C、F )動態地補償因該不平衡所 造成之慣性力，直到達成該轉子（A )在至少沿著垂直於該 旋轉軸（Μ )之一軸（Y )上零振動爲止，及 c )在假設該轉子（A )之重心（Κ )的位置爲已知之條件下 ，解析地獲致該不平衡相對於使用者預先選定之一個或 更多參考平面（Qi、Q2)的量値與角度位置。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該轉子（A )之重心（K ) 的位置係當該轉子靜止時藉由以下者測量： d)藉由該等致動器（C、F)施加一組力量F〆F2，及 e )測量該等轉子（A )之相對應振動。 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該轉子（A )之重心（K ) 的位置係當該轉子旋轉時藉由以下者測量： f )藉由該等致動器（C、F )施加與該轉子（A )之旋轉同 步的一組交變力量（F!、F 2)，及 g )測量該轉子（A )之振動的相對應變異。 4 .如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之方法，其中 可當該轉子（A)靜止時，藉由以下者來估計該轉子之質量 及轉動慣量： h)藉由該等致動器（C、F)施加一第一組力量， i )測量該轉子（A )之相對應振動， 200411156 1 )藉由該等致動器（C、F)施加一第二組力量（模數或 相位皆不同於該第一者），及 m )測量該轉子（A )之相對應振動。 5 ·如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之方法，其中 可當該轉子（A )旋轉時，藉由以下者來估計該轉子之質量 及轉動慣量： η)藉由該等致動器（C、F)施加與該轉子（A)之旋轉同 步的一第一組交變力量， 〇 )測量該轉子（A )之相對應振動， P )藉由該等致動器（C、F )施加一第二組力量（量測値 或相位皆不同於該第一者），及 q )測量該轉子（A )之相對應振動。 6 ·如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之方法，其中 該抵消振動係由一個或更多加速度、速度、或位置感測 器測量。 7 ·如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之方法，其中 每一該等致動器（C、F )皆由定位於一電磁線圈之一磁路 內的一永久磁鐵或一電磁鐵形成，且該電磁線圈之磁路 係藉由可選擇性地與該轉子（A )之旋轉同步的電流，或著 由一壓電致動器驅動。 8 .如申請專利範圍第7項之方法，其中該電流係藉由一電 子式生成電路，可選擇性地與該轉子（A )之旋轉同步地產 生。 9 ·如申請專利範圍第7項或第8項之方法，其中該與轉子（A ) -17- 200411156 之旋轉同步係由一光學或磁性感測器執行。 1 0 ·如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之方法，其中 該補償慣性力係藉由一連續近似方法發生。 1 1 ·如申請專利範圍第1項至第1 〇項中任一項之方法，其中 該等致動器（C、F )之特徵係由以下者描述： -藉由該等致動器（C、F )將一組交變力量僅單獨施加至 該轉子（A)之複數個可動式支持件（已移除該轉子）， 及 -在假設該等支持件之質量爲已知的條件下，測量該等 支持件之相對應振動。 1 2 ·如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該等支持件之質量 係由以下者測量： -當已移除該轉子（A)時，藉由該等致動器（C、F)施加一 組交變力量至單獨該等可動式轉子支持件， -測量該等支持件之相對應振動， -將一試樣質量固定至每一該等支持件， -藉由該等致動器（C、F )施加一組交變力量至該等支持 件及該等試樣質量，及 -測量該等支持件之相對應振動。 - 1 8 -