JP5524645B2 - ターボチャージャ・コアアッセンブリ用ロータの不釣合いを測定する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、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るシャフトとを備えたターボチャージャ・コアアッセンブリ用ロータの不釣合い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はロータを有するが、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おり、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。

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。この場合、ターボチャージャのセンターハウジングに設置されているハウジングパーツが、振動特性および不釣合いの測定に重大な影響を及ぼしている。

また、独国特許出願公開第１０２００５０５３７６８Ａ１号明細書でも、別のセンターハウジング内にベアリングで保持されて高速で回転している、ターボチャージャ・コアアッセンブリのロータの不釣合いを測定する方法が公開されている。しかし、この方法の場合には、センターハウジングは、スプリング効果を有する柔らかいエレメントを間に介してタービンハウジングに取り付けられており、その場合、センターハウジングは、タービンハウジングに対して空間内の三方向に相対的に動けるようになっており、またロータのタービンホイールは、タービンハウジング内の、駆動するのに適した位置に設置されている。タービンホイールは、保護のため格子状のカバーで覆われている。ロータのタービンホイールは空気で駆動され、ロータはほぼ通常の使用速度で加速される。ロータの回転数を様々に変えながら、あるいはほぼ通常の使用速度で回転させながら、不釣合いに起因する振動を測定し、発生した振動の、ロータの角度での位相を求め、そこからロータの修正すべき不釣合いを確定する。この場合、タービンホイールが駆動時の条件に対応していない構造になっていると、測定精度に影響がでることが判明している。

欧州特許第０４２６６７６Ｂ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０５３７６８Ａ１号明細書

本発明は、駆動時に近い条件の下で、きわめて高い精度で不釣合いの測定が行える不釣合いの測定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。

上記の課題を本発明では、方法に関しては請求項１、２で提示した方法で、また装置に関しては請求項３〜６で提示した特徴を具備する装置によって解決している。
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ターボチャージャ・コアアッセンブリ用のロータの不釣合いを測定する本発明の方法には、次のステップが含まれている。センターハウジング（５）を、コンプレッサホイール（８）の周囲を取り囲みかつ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）に保持されているコンプレッサハウジング（２）と堅固に連結するステップ。タービンホイール（７）の周囲を取り囲んでいるタービンハウジング（１）を、センターハウジング（５）およびタービンホイール（７）が動いている時に、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（５）およびタービンホイール（７）から所定の距離だけ離して、センターハウジング（５）のタービン側に配列して、タービンハウジング（１）を台（３）に固定するステップ。タービンハウジング（１）を圧縮空気源に接続し、圧縮空気でタービンホイール（７）を駆動することにより、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。ロータ（６）をほぼ通常の使用速度で回転させながら、コンプレッサハウジング（２）またはセンターハウジング（５）における、不釣合いに起因する振動を測定するステップ。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（６）が回転する際にロータ（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。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（６）の修正すべき不釣合いを検出するステップ、である。

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を、実際と近い条件下で、すなわち負荷がかかった状態で実施できる。とは言え、振動体自体の質量は小さく、そのために振動の振幅が大きくなることが特長となっている。測定精度に影響を与える振動および共振が大幅に削減されている。空気は大気中から吸入し、再び大気中に戻すことができるため、タービンハウジングとは異なり、コンプレッサハウジングではコネクタが不要となっている。本発明の方法を実行する装置で必要なのは、センターハウジングを取り付ける固定装置のみであるためコスト面でも優れている。また、ターボチャージャ・コアアッセンブリ脱着時の取り扱いも容易になっている。

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ターボチャージャ・コアアッセンブリ用のロータの不釣合いを測定する本発明の装置には、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、センターハウジングを取り付ける固定装置を備えた、コンプレッサホイールを保持する構造になっているコンプレッサハウジングと、タービンホイール（７）を保持する構造になっており、センターハウジング（５）およびタービンホイール（７）が動いている場合、センターハウジング（５）のタービン側に、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（５）およびタービンホイール（７）から所定の距離だけ離して、台（３）に固定でき、圧縮空気でタービンホイール（７）を駆動することで、ロータ（６）を加速させる圧縮空気源に接続できるタービンハウジング（１）とが取り付けられている。

前記コンプレッサハウジング（２）には、振動記録装置（２６，２７）が取り付けられていてもよい。
前記タービンハウジング（１）および前記コンプレッサハウジング（２）は、軸方向に、互いに相対的に動かすことができることが望ましい。
前記タービンホイール（７）と前記センターハウジング（５）との間に熱防護材として取り付けられているディスク状のヒートプレート（２９）は、前記センターハウジング（５）に固定できるようになっているのが望ましい。

前記固定エレメント（３０）は、前記タービンハウジング（１０１）の前記空隙（３３）内のストッパ面間に設置され、軸方向および半径方向に動けるようになっていることが望ましい。
さらに、前記固定エレメント（３０）は、前記センターハウジング（５）の周囲を取り囲み、半径方向のスプリング力を発揮するスプリング（３２）を備えている構成でもよい。

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を高精度で測定できるようになっている。
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。 不釣合い測定装置用タービンハウジングの実施例のバリエーションである。 図２の装置においてＸで示した部分の拡大図である。

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。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が取り付けられており、また該制限装置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。

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、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。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ている。さらにコンプレッサハウジング２には、放射方向に動く固定エレメント２４を備えた固定装置２３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、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。

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。

上述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が取り付けられており、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。

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２３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に柔軟なシールが適用され、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。

図２の不釣合い測定装置は、基本構造が図１の不釣合い測定装置と同一であるが、タービンハウジング１０１が異なっている。この実施例の場合、ターボチャージャは、タービンホイール７とセンターハウジング５との間に熱防護材として様々な形状のヒートプレート２９を一枚備えている。またこのヒートプレート２９は、センターハウジング５にタービンハウジングが堅固に取り付けられている場合に限りセンタリングされ、軸方向に動かないよう、固定されるようになっている。タービンハウジングが外されている場合、ヒートプレート２９は緩んでおり、そのためロータ６は自由に回転できなくなる。不釣合い測定時に、ヒートプレート２９がロータ６、特にタービンホイール７に接触し磨耗させることがないよう、ヒートプレート２９は必ず固定しておかなければならない。

本発明の不釣合い測定装置の場合、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とタービンハウジング１０１との間は堅固に連結されておらず、むしろ充分な広さのスペースを確保し、タービンハウジング１０１内でターボチャージャ・コアアッセンブリ４が自由に振動できるようになっている。ヒートプレート２９が取り付けられている場合にも、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４が自由に振動できるようにするため、図２および部分拡大図である図３で提示したタービンハウジング１０１では、ヒートプレート２９をセンターハウジング５に固定しておく固定エレメント３０が取り付けられている。固定エレメント３０は、一枚のリング状のディスク３１から成り、また該リング状ディスク３１の一方の側には、軸方向に伸びるリング状のスプリング３２が取り付けられている。スプリング３２には、漏斗状の挿入口が設けられており、挿入口の内部には環状のクランプエリアが設けられている。固定エレメント３０は、タービンハウジング１０１のコンプレッサハウジング２側に取り付けられているカバー３４に設けられた、リング状の空隙３３の中に設置されている。空隙３３は、カバー３４を貫通する開口部３５と接しており、また開口部３５からはタービンハウジング１０１にタービンホイール７を挿入できるようになっている。カバー３４の空隙３３の中には、半径方向に延びている平坦なストッパ面３６と、ストッパ面３６とは突出した段差で分離されているテーパ面３７と、テーパ面３７から連続する軸方向のストッパ面３８が設けられている。空隙３３のコンプレッサハウジング側には、半径方向内側へ突出したカラー３９があり、カラー３９は固定エレメント３０を空隙３３内に固定している。

タービンハウジング１０１にターボチャージャ・コアアッセンブリ４を軸方向に挿入すると、ヒートプレート２９は、スプリング３２の漏斗状の挿入口によってセンタリングされ、ロータ軸と同軸になる。その後、スプリング３２はクランプエリアとともに、センターハウジング５のセンタリングカラーの方へ急激に移動し、その際、半径方向に広がる。広がることで半径方向のスプリング効果が生まれ、この半径方向のスプリング効果によって、固定エレメント３０のスプリング３２は、摩擦によりセンターハウジング５のセンタリングカラーに固定される。ターボチャージャ・コアアッセンブリ４は、固定エレメント３０が軸方向でストッパ面３６に当たり、ヒートプレート２９が固定エレメント３０によって、センターハウジング５に確実に押し付けられるまで軸方向に挿入する。タービンハウジング１０１のタービンチェンバ１０の大きさに関しては、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４が上述の位置に来た場合に、タービンホイール７がタービンハウジング１０１と接触しない大きさになっている。

その後の測定プロセスでは、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４をタービンハウジング１０１から外す方向へ多少動かす。これにより、固定エレメント３０は空隙３３内の中央の位置に移動し、空隙３３と接する面、すなわちテーパ面３７のストッパ面３６，３８およびカラー３９から全方向で離れた状態になる。こうすることで、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４およびターボチャージャ・コアアッセンブリ４に取り付けられた固定エレメント３０は、周囲に接触することはなく自由に振動できるのである。その場合、ヒートプレート２９は、一緒に振動する固定エレメント３０のディスク３１によってセンターハウジング５に押し付けられている。振動の振幅が大きい場合には、測定中に、固定エレメント３０のディスク３１がストッパ面３８に与える半径方向の衝撃によって制限される。そのため、振幅が大きい振動によって、タービンホイール７が磨耗することもない。

ディスク３１とテーパ面３７の半径方向内縁との間には、柔軟なシールリング４０が取り付けられているが、このシールリング４０が上述の位置にある場合、密閉効果を発揮することはない。測定用の回転数が上がり、それに伴いスパイラルチャネル１１内の圧力が上昇すると、シールリング４０は半径方向外側に押し付けられて、ディスク３１およびテーパ面３７に密着し、ディスク３１とテーパ面３７との間の隙間を充填する。そのため隙間が過剰に狭小化することもなく、また過剰な狭小化に伴うノイズの発生も防止できるようになっている。

測定プロセス終了後、タービンハウジング１０１およびコンプレッサハウジング２を外し、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４をタービンハウジング１０１から引き抜けば、固定装置２３を緩めるだけで、ターボチャージャ・コアアッセンブリ４をこの不釣合い測定装置から取り出せるようになる。その間、固定エレメント３０は、カラー３９によって空隙３３内に留め置かれているため、スプリング３２が、センターハウジング５のセンタリングカラーから外れる。その結果、固定エレメント３０は、タービンハウジング１０１の空隙３３内に残るため、再び次のターボチャージャ・コアアッセンブリのヒートプレートを取り付けられるようになる。

１，１０１ タービンハウジング
２ コンプレッサハウジング
３ 台
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
１３ 制御装置
２５ スプリング
３０ 固定エレメント
３３ 空隙
４０ シールエレメント

Claims (6)

1. 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ターボチャージャ・コアアッセンブリ用のロータの不釣合いを測定する方法であって、
   前記センターハウジング（５）を、前記コンプレッサホイール（８）の周囲を取り囲み、かつ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）に保持されているコンプレッサハウジング（２）と堅固に連結するステップと、
   前記タービンホイール（７）の周囲を取り囲んでいるタービンハウジング（１）を、前記センターハウジング（５）および前記タービンホイール（７）が動いているときに、空間内の少なくとも二方向において、前記センターハウジング（５）および前記タービンホイール（７）から所定の距離だけ離して、前記センターハウジング（５）のタービン側に配列して、前記タービンハウジング（１）を前記台（３）に固定するステップと、
   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、
   前記ロータ（６）をほぼ通常の使用速度で回転させながら、前記コンプレッサハウジング（２）または前記センターハウジング（５）における、不釣合いに起因する振動を測定するステップと、
   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、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記センターハウジング（５）の振動の振幅を、前記タービンハウジング（１）に設置した制限装置（１３）によって制限し、前記タービンホイール（７）が過度に磨耗しないようにする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ターボチャージャ・コアアッセンブリ用のロータの不釣合いを測定する装置であって、
   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、前記コンプレッサホイールを保持する構造になっているコンプレッサハウジング（２）を有し、前記コンプレッサハウジング（２）は、前記センターハウジング（５）を取り付ける固定装置（２３）を備え、さらに
   タービンホイール（７）を保持する構造になっており、前記センターハウジング（５）および前記タービンホイール（７）が動いている場合、前記センターハウジング（５）のタービン側で、空間内の少なくとも二方向において、前記センターハウジング（５）および前記タービンホイール（７）から所定の距離だけ離して前記台（３）に固定されたタービンハウジング（１）を有し、
   当該タービンハウジング（１）は、圧縮空気で前記タービンホイール（７）を駆動することで、前記ロータ（６）を加速させる圧縮空気源に接続できることを特徴とする不釣合い測定装置。
4. 前記タービンハウジング（１）には、振動の振幅を、前記タービンホイール（７）が過度に磨耗しないレベルに制限する制限装置（１３）が設置されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記タービンハウジング（１）には、柔軟なシールが適用されており、前記シールは、前記センターハウジング（５）に密着させて取り付けられることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
6. 前記タービンホイール（７）とセンターハウジング（５）との間には、前記センターハウジング（５）に固定されうるヒートプレート（２９）が設けられ、当該ヒートプレート（２９）は固定エレメント（３０）によって固定されていて、
   前記タービンハウジング（１０１）の空隙（３３）内にはシールエレメント（４０）が取り付けられており、前記シールエレメント（４０）は、前記タービンハウジング（１０１）内の圧力に応じて、前記空隙（３３）の壁面および前記固定エレメント（３０）に密着する位置に移動できることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の装置。

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