JP4232841B2 - 高速回転機器のアンバランス修正装置 - Google Patents
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Description
軸受125が受けた回転軸121からの反力は、センターハウジング124に伝達される(図28(c)参照)。センターハウジング124においては、軸受125を介して受けた力により、振動が生じる。センターハウジング124の振動は、タービンハウジング126に伝達される(図28(d)参照)。ここで、ターボチャージャ102においては、図28(d)に示すように、センターハウジング124とタービンハウジング126とは、ボルト128が用いられて締結固定される。このため、センターハウジング124とタービンハウジング126との間で良好な振動伝達性が得られ、回転部のアンバランスを起振源として発生した振動は、タービンハウジング126に伝わりやすくなる。なお、ボルト128は、センターハウジング124の端部に形成されるフランジ部124aを介してタービンハウジング126に螺挿される。このようにして、回転部の回転にともなってタービンハウジング126が振動することで、ターボチャージャ102による騒音が発生する。
タービンハウジング126の振動は、ターボチャージャ102が備えられるエンジンが搭載される自動車等の車両の騒音と相関が高い。このため、タービンハウジング126での振動を低減させることが、ターボチャージャ102による騒音を低減させることについての中間特性とされている。つまり、ターボチャージャ102において、回転部のアンバランスが修正されることにより、タービンハウジング126についての振動が抑制され、ターボチャージャ102で発生する騒音が低減される。
アンバランス修正に際しては、ワーク120の回転部(以下「ワーク回転部」という。)は、予め定められた所定の回転数(例えば7万rpm、以下「アンバランス修正回転数」という。)で回転させられる。つまり、ワーク回転部がアンバランス修正回転数で回転している状態での振動加速度が、加速度ピックアップによって検出される。この検出された振動加速度の値に基づいて、ワーク回転部のアンバランスが測定される。
そして、測定されたアンバランスの値に基づき、ワーク回転部のアンバランスの修正が行われる。ワーク回転部についてのアンバランスの修正は、例えば、ワーク回転部において、コンプレッサロータ123を回転軸121に固定するために用いられるナットの部分等の、所定の部分が研削機等で削られることにより行われる。
しかし、ターボチャージャ102のアンバランス修正に際してワーク120を治具(タービンハウジング部103)に対してボルト固定することは、ターボチャージャ102の生産ラインにおいて生産性の低下につながる。つまり、ターボチャージャ102の生産ラインにおいて行われるアンバランス修正の都度、ワーク120の治具に対する取付けに際して複数のボルトを締め付けて固定することは、生産性の面から好ましくない。
図29に示すように、クランプ方式においては、ワーク120のタービンハウジング部103に対する固定に際し、係止爪111が用いられる。係止爪111は、ワーク回転部の回転方向に所定の間隔を隔てて複数(図29では二個図示)設けられる。この係止爪111により、センターハウジング124のフランジ部124aがタービンハウジング部103に対して押え付けられることにより、ワーク120がタービンハウジング部103に対して固定される。すなわち、係止爪111は、センターハウジング124のフランジ部124aをタービンハウジング部103に対して押え付けるための係止部113を有する。この係止部113がフランジ部124aに係止した状態で、係止爪111が、その係止部113によってセンターハウジング124のフランジ部124aを押え付ける方向(図29において左方向)に付勢されることにより、センターハウジング124がタービンハウジング部103に対して固定される。ここで、係止爪111は、その一側(図29において左側)から延出するロッド部112を介して、例えばシリンダ機構によって引っ張られることにより、前記押え付ける方向に付勢される。
すなわち、ターボチャージャ102のアンバランス修正に際しては、前記のとおり、ワーク120がタービンハウジング部103に取り付けられた状態で、ワーク回転部が、アンバランス修正回転数で回転させられる。ワーク回転部が回転することにより、ワーク回転部の回転にともなう装置の振動特性として、ワーク回転部の回転周波数によって共振が生じる。つまり、ワーク回転部の回転にともない、装置が有する固有振動数とワーク回転部の回転周波数とが一致することによる共振が生じる。
また、爪系による共振については、係止爪111による係止部が複数設けられるため、各係止爪111に作用する力の大きさの違い等によって剛性(バネ定数)が異なることとなり、係止爪111同士でも固有振動数(共振周波数)が異なることとなる。
すなわち、本発明によれば、高速回転機器の生産ラインにおける生産性の低下を防止することができるとともに、アンバランス修正回転数として用いられる回転周波数を含む周波数領域において、ワークの回転部の回転にともなう装置の振動特性について、共振による影響が少なく安定した周波数領域を確保することができ、アンバランス修正についての精度を向上することができる。
本発明に係る高速回転機器のアンバランス修正装置は、例えば自動車エンジンに備えられるターボチャージャ等の、比較的高速で回転する回転部を有する高速回転機器について、その回転部のアンバランスを修正するために用いられるものである。
すなわち、高速回転機器のアンバランス修正装置においては、高速回転機器の回転部が、所定の回転数で回転させられ、その回転部の回転にともなう振動加速度が測定される。その測定された振動加速度に基づいて、回転部のアンバランスが測定される。そして、測定されたアンバランスの値に基づき、高速回転機器における回転部のアンバランスが修正される。
ターボチャージャ2は、回転部を有する。本実施形態では、ターボチャージャ2が有する回転部は、回転軸21と、この回転軸21の一端(図1において左端)に設けられるタービンロータ22と、回転軸21の他端(図1において右端)に設けられるコンプレッサロータ23とを有する。つまり、本実施形態では、ターボチャージャ2が有する回転部は、回転軸21とタービンロータ22とコンプレッサロータ23とが組み立てられ一体的に回転する回転体として構成される。
回転軸21は、全体として略筒状に構成されるセンターハウジング24に回転自在に支持される。回転軸21は、センターハウジング24に対して軸受(図示略)を介して支持される。
以下では、ターボチャージャ2における回転部、即ち回転軸21、タービンロータ22、およびコンプレッサロータ23からなる回転体を「ワーク回転部」ともいう。
架台5は、床面7上にゴムマウント8を介して防振支持された状態で設けられる。
すなわち、加速度ピックアップ4は、図示せぬ演算装置に接続され、加速度ピックアップ4から出力される検出信号が演算装置に入力される。そして、演算装置において、ワーク20についてのアンバランスの測定および修正に係る演算が行われる。
具体的には、アンバランス修正装置1におけるアンバランス修正は、次のようにして行われる。
ワーク20がタービンハウジング部3に取り付けられた状態において、エンジンからの排気と同様のエア(排気ガス圧に相当する圧力を有する圧縮エア)が、エア源(図示略)からタービンハウジング部3に対して供給され、タービンロータ22を介してこれを含むワーク回転部が回転させられる。
爪部11は、係止部13を有する。つまり、本実施形態では、爪部11により、タービンハウジング部3に支持された状態のワーク20に対して係止する係止部13が構成される。係止部13は、爪部11において、略直方体形状に構成される本体部11aの一端部(先端部)にて突出形成される板状の部分である。
タービンハウジング部3は、ワーク回転部の回転軸線に対して略垂直方向の面となる支持面3aを有する。支持面3aは、タービンハウジング部3においてワーク20を支持する側に形成される支持凹部3bの底側(奥側)の面として形成される。このタービンハウジング部3の支持面3aに対して、ワーク20が支持される。ワーク20のセンターハウジング24は、その一側(タービンハウジングが取り付けられる側)に、環状のフランジ部24aを有する。そして、ワーク20は、その支持された状態で、センターハウジング24のフランジ部24aが、タービンハウジング部3の支持面3aに接触した状態となる。つまり、タービンハウジング部3が有する支持凹部3bは、センターハウジング24のフランジ部24aの形状に沿う円形の形状を有し、フランジ部24aの一部が支持凹部3bに嵌合した状態で、フランジ部24aが支持面3aに接触した状態となる。かかる状態において、爪構造体10によってフランジ部24aが支持面3aに対して押え付けられることにより、ワーク20がタービンハウジング部3に対して固定される。
ここで、係止部13によるフランジ部24aの押え付けに際しては、前記のとおり板状の部分である係止部13の一側の面が、フランジ部24aに対する押圧面13aとなる。つまり、係止部13の押圧面13aは、タービンハウジング部3の支持面3aに対して略平行な面となる。そして、ワーク20が爪構造体10によってタービンハウジング部3に固定された状態では、センターハウジング24のフランジ部24aが、タービンハウジング部3の支持面3aと係止部13の押圧面13aとの間に挟まれた状態となる。このように、押圧面13aがフランジ部24aに接触した状態が、爪構造体10について、その係止部13がワーク20に対して係止した状態となる。
また、爪構造体10は、その押圧面13aが、フランジ部24aに対して近接・離間する方向(図1における左右方向)に移動可能に設けられる。
したがって、本実施形態において、爪構造体10について、その付勢される方向である、ワーク20をタービンハウジング部3に固定することとなる所定の方向は、爪構造体10が、その係止部13の押圧面13aによって、フランジ部24aを押え付ける方向となる。以下では、爪構造体10について、その付勢される方向となる前記所定の方向を、「ワーク固定方向」という。
なお、シリンダプレート9には、ロッド部12を貫通させた状態で爪構造体10の移動を許容するための貫通孔9aが設けられている。
本実施形態のアンバランス修正装置1においては、三つの爪構造体10は、次のようにして配設される。
以下では、三つの爪構造体10を、その設けられる位置によって区別して指す場合は、前記のとおり係止部13の本体部11aからの突出方向が略鉛直方向となる位置に設けられる爪構造体10aを「第一爪構造体10a」とする。また、三つの爪構造体10のうちの他の二つの爪構造体10b、10cのうち、図2に示す回転軸線方向視で反時計回りで第一爪構造体10aの次に位置する爪構造体10b(図2において左側の爪構造体10b)を、「第二爪構造体10b」とし、残りの爪構造体10c(図2において右側の爪構造体10c)を、「第三爪構造体10c」とする。
このように、ワーク20のタービンハウジング部3に対する固定に際して爪構造体10によるクランプ方式が用いられる構成を備えるアンバランス修正装置1においては、ワーク回転部の回転にともない、爪構造体10による共振が生じる。
このため、図3の模式図に示すように、爪構造体10は、略水平方向(横方向)に配されて一端側がシリンダ機構30に支持される細径(小径)のロッド部12の他端側(先端側)に、重量物となる爪部11が付いている構成となる。かかる構成に起因して、ワーク回転部の回転にともない、ロッド部12を介して爪部11が振動し、アンバランス修正装置1における前記装置本体に含まれるシリンダ機構30に対して、爪構造体10の相対的な振動が生じる(矢印A1参照)。これにより、装置本体の固有振動数、つまり本体系による共振が生じる共振周波数(共振点に対応する回転周波数)とは異なる回転周波数において、爪系による共振が生じる。
また、本体マス40について、減衰係数c0は、質量m0の系の総合減衰を示す。同様にして、第一爪マス41について、減衰係数c1は、質量m1の系の総合減衰を示し、第二爪マス42について、減衰係数c2は、質量m2の系の総合減衰を示し、第三爪マス43について、減衰係数c3は、質量m3の系の総合減衰を示す。
このように、本体系による共振と爪系による共振とが生じるアンバランス修正装置1においては、ワーク回転部の回転にともなう装置の振動特性(加速度ピックアップ4によって検出される振動加速度についての特性)について、ワーク回転部がアンバランス修正回転数で回転させられることにより行われるアンバランス修正に際しての好ましい振動特性(以下単に「好ましい振動特性」という。)が存在する。
図6において、横軸はワーク回転部の回転周波数(周波数[Hz])、縦軸は加速度ピックアップ4によって検出される振動加速度(加速度[G]、(1G=9.8m/s2))である。なお、以下の説明における他の振動特性のグラフにおける横軸および縦軸についても、図6に示すグラフと同様である。
同様に、爪系による共振については、爪構造体10の固有振動数対応する共振周波数(以下「第二の共振周波数」という。)fn2をピークとする山形状の部分となる。なお、第二の共振周波数fn2は、第一の共振周波数fn1よりも大きな値となる。
一方で、アンバランス修正回転数については、車両の騒音と相関が取られている関係等から、所定の回転数に固定される場合がある。つまり、アンバランス修正回転数については、その値が車両の構造等に基づいて制限されることから、アンバランス修正回転数を変更することによっては、前述のような共振による影響を避けることができない場合がある。
以下では、アンバランス修正装置1の好ましい振動特性のグラフにおける、本体系による共振および爪系による共振による影響が少なく、かつ安定した領域の部分(破線領域部分B1参照)を、「振動特性の安定領域」という。
なお、アンバランス修正装置1の好ましい振動特性のグラフにおいて、振動特性の安定領域として、共振による影響が少ない部分がある程度の範囲(領域)で存在することが好ましいことは、アンバランス修正が行われている状態で、アンバランス修正回転数が外乱等によって変動することによって共振による影響(振動加速度)が急激に大きくなることを防止する観点に基づく。
また、第二爪構造体10bおよび第三爪構造体10cそれぞれの爪部11に作用するモーメントによる反力の値は、ワーク20におけるモーメントの方向から、−Fh/4となる。つまり、第二爪構造体10bおよび第三爪構造体10cにおいては、そのモーメントによる反力は、クランプにともなう反力と反対方向に作用する。
すなわち、各爪構造体10において爪部11に作用する反力の値をそれぞれ、第一爪構造体10aについてはFa、第二爪構造体10bについてはFb、第三爪構造体10cについてはFcとすると、Fa=Fs+(Fh/2)、Fb=Fc=Fs−(Fh/4)となる。
具体的には、爪部11に作用する反力が大きくなる第一爪構造体10aに対応する第一爪マス41についてのバネ定数k1が、第二爪構造体10bに対応する第二爪マス42についてのバネ定数k2および第三爪構造体10cに対応する第三爪マス43についてのバネ定数k3よりも大きくなる。つまりは、前述した各爪構造体10において爪部11に作用する反力の値に基づくと、k1>k2=k3となる。
これにより、アンバランス修正装置1の対策前の振動特性においては、図7に示すように、本体系による共振の共振周波数と爪系による共振の共振周波数との間に、振動特性の安定領域(破線領域部分B1参照)が存在しない場合がある。つまり、アンバランス修正装置1の対策前の振動特性においては、前記のとおり所定の回転数に固定されるアンバランス修正回転数が、本体系による共振の共振周波数と爪系による共振の共振周波数との間の回転周波数となる場合において、アンバランス修正回転数が振動特性の安定領域に対応する回転周波数となることができないときがある。
以下では、アンバランス修正装置1における、対策前の振動特性を好ましい振動特性に近付けるための対策について説明する。
る。
1/kall=(1/kT)+(1/kR)+(1/kF) ・・・(1)
したがって、kall=kTkRkF/(kRkF+kFkT+kTkR)となる。
そして、前述した4自由度系のモデル(図4参照)において、質量m1は第一爪構造体10aの総合質量を、質量m2は第二爪構造体10bの総合質量を、質量m3は第三爪構造体10cの総合質量をそれぞれ示す。また、バネ定数k1は第一爪構造体10aの総合剛性を、バネ定数k2は第二爪構造体10bの総合剛性を、バネ定数k3は第三爪構造体10cの総合剛性をそれぞれ示す。
k1/m1=k2/m2=k3/m3 ・・・(2)
つまり、前述したように、爪構造体10の爪部11に作用する反力の大きさが各爪構造体10で異なることから、各爪構造体10の総合剛性k1、k2、k3が異なることとなる。そこで、各爪構造体10の総合質量m1、m2、m3が調整されることにより、式(2)が満たされる。
fa=(1/2π)・√(k1/m1) ・・・(3)
fb=(1/2π)・√(k2/m2) ・・・(4)
fc=(1/2π)・√(k3/m3) ・・・(5)
これにより、ターボチャージャ2のアンバランス修正に際して、爪系による共振の影響を低減することができ、アンバランス修正についての精度を向上することができる。
すなわち、前述したように振動特性のグラフにおいてそれぞれ山形状の部分となる本体系による共振および爪系による共振による振動加速度の値は、それぞれの共振周波数の位置をピークとして、回転周波数の値が共振周波数から遠ざかるにつれて減衰する。そして、アンバランス修正回転数fuが第一の共振周波数fn1と第二の共振周波数fn2との間に存在する場合において、両者の共振による振動加速度の値が第一の共振周波数fn1と第二の共振周波数fn2との間にて十分に減衰しないときがある。
具体的には、爪構造体10の剛性が高められると、通常、爪構造体10の質量の増加をともない、爪系による共振についての振動(振幅)が大きくなるとともに、本体系による共振についての振動(振幅)が小さくなる(図11(a)参照)。また、爪構造体10の質量が低下させられると、通常、クランプ剛性の低下をともない、本体系による共振についての振動(振幅)が大きくなるとともに、爪系による共振についての振動(振幅)が小さくなる(図11(b)参照)。
そこで、本実施形態のアンバランス修正装置1は、次のように構成されている。
そして、爪構造体10の係止部13の形状の寸法が調整されることで、第一の共振周波数fn1と第二の共振周波数fn2との間に所定の間隔が確保される。
具体的には、爪構造体10において、総合剛性kallを定める各剛性(kT、kR、kF)のうち、係止部13の寸法が変化することによって影響を受ける剛性は、爪部11における剛性、特にクランプ剛性kFとなる。つまり、係止部13の形状の寸法のうち、第一の調整寸法の調整により、主にクランプ剛性kFが変化することで、爪構造体10の総合剛性kallが変化する。
すなわち、係止部13のクランプ剛性kFは、概略的には、爪部11の材料のヤング率と係止部13の厚さ方向の寸法bの3乗との積に比例することとなる。このため、係止部13の厚さ方向の寸法bが、クランプ剛性kF、ひいては爪構造体10の総合剛性kallに比較的大きく影響する。そこで、本実施形態では、第一の調整寸法は、係止部13の厚さ方向の寸法bとなる。
すなわち、係止部13のクランプ剛性kFは、前記のとおり係止部13の厚さ方向の寸法bにより比較的大きく影響を受けることから、係止部13の幅方向の寸法hは、クランプ剛性kFに対する影響が、厚さ方向の寸法bに対して比較的小さい寸法となる。したがって、係止部13の幅方向の寸法hは、爪構造体10の総合剛性kallに対する影響が比較的小さい寸法となる。そこで、本実施形態では、第二の調整寸法は、係止部13の幅方向の寸法hとなる。
したがって、係止部13の形状における第二の調整寸法は、爪構造体10の総合質量mallに対する影響が比較的大きい寸法であることが好ましい。本実施形態では、爪部11において、本体部11aの部分も含み係止部13の幅方向の寸法hが調整される場合、つまり爪部11全体として係止部13の幅方向の寸法hが調整される場合、第二の調整寸法である係止部13の幅方向の寸法hは、爪構造体10の総合質量mallに対する影響が比較的大きい寸法となる。
具体的には、第二の共振周波数fn2を上げる場合は、前述した固有振動数の式から、総合剛性kallについては増加するように、総合質量mallについては減少するように、係止部13の形状の寸法が調整される。つまり、第二の共振周波数fn2を上げる場合は、係止部13の厚さ方向の寸法bについては大きくされ、係止部13の幅方向の寸法hについては小さくされる。したがって、逆に、第二の共振周波数fn2を下げる場合における、係止部13の形状の寸法の調整に際しては、係止部13の厚さ方向の寸法bについては小さくされ、係止部13の幅方向の寸法hについては大きくされる。
すなわち、振動特性のグラフにおいて、爪系による共振については、第二の共振周波数fn2の位置をピークとする一つの山形状の部分となる。つまり、回転周波数が第二の共振周波数fn2である場合の振動加速度の値をピークとして、回転周波数が第二の共振周波数fn2から増加方向および減少方向に変化するにつれて、爪系による共振による振動加速度の値が減衰する。この振動加速度の値が減衰することについて、グラフにおける山形状の部分の勾配を減衰性ということができる。そこで、爪系による共振による振動加速度について、第二の共振周波数fn2から第一の共振周波数fn1側にかけての減衰性、つまり回転周波数の減少にともなう振動加速度の減衰性に基づき、回転周波数Nf2が定められる。
すなわち、振動特性のグラフにおいて、本体系による共振については、爪系による共振の場合と同様に、第一の共振周波数fn1の位置をピークとする一つの山形状の部分となる。つまり、回転周波数が第一の共振周波数fn1である場合の振動加速度の値をピークとして、回転周波数が第一の共振周波数fn1から増加方向および減少方向に変化するにつれて、本体系による共振による振動加速度の値が減衰する。
そこで、本体系による共振による振動加速度について、第一の共振周波数fn1から第二の共振周波数fn2側にかけての減衰性、つまり回転周波数の増加にともなう振動加速度の減衰性に基づき、回転周波数Nf1が定められる。
具体的には、タービンハウジング部3にワーク20が固定された状態において、装置における所定の部分がハンマリングされることにより振動させられ、加速度ピックアップ等によって振動特性が測定される。この振動特性から、前述のような振動加速度の減衰性が把握される。
これにより、図13に示すように、第一の共振周波数fn1と第二の共振周波数fn2との間の周波数領域において、500Hz以上の範囲にわたって、アンバランス修正装置1における爪系による共振および本体系による共振による振動加速度の値が十分に少ない領域が確保されることとなる(破線領域部分F1参照)。
つまり、第二の共振周波数fn2に対しては、1より小さい値の係数がかけられることにより、第二の共振周波数fn2の値よりも小さい値となる(グラフにおいて第二の共振周波数fn2よりも左側に位置する)、爪系による共振の減衰性に基づく回転周波数Nf2が導かれる。また、第一の共振周波数fn1に対しては、1より大きい値の係数がかけられることにより、第一の共振周波数fn1の値よりも大きい値となる(グラフにおいて第一の共振周波数fn1よりも右側に位置する)、本体系による共振の減衰性に基づく回転周波数Nf1が導かれる。以下では、第二の共振周波数fn2にかけられる所定の係数を「第二の共振周波数についての係数」とし、第一の共振周波数fn1にかけられる所定の係数を「第一の共振周波数についての係数」とする。
0.8fn2−1.5fn1≧500(Hz) ・・・(7)
つまり、本実施形態のアンバランス修正装置1においては、第二の共振周波数についての係数として0.8が、第一の共振周波数についての係数として1.5が、それぞれ用いられることにより、第一の共振周波数fn1と第二の共振周波数fn2との間において500Hz以上の領域にわたって、共振による振動加速度の値が十分に小さい領域が確保されることとなる。そして、この第一の共振周波数fn1と第二の共振周波数fn2との間の500Hz以上の領域における略中央部分に、アンバランス修正回転数が設定される状態となる。
つまり、爪構造体10において、少なくとも係止部13を構成する部分である爪部11について、それを構成する材料として、爪構造体10における総合剛性kall/総合質量mallが、比較的大きくなる材料が用いられる。これにより、前述した固有振動数fの式から、各爪構造体10の固有振動数、つまり第二の共振周波数fn2を上げることができる。
このような材料の具体例としては、チタン(Ti)が挙げられる。チタンは、鉄系の材料等と比べて、(剛性/質量)の値が比較的高い材料となる。
また、アンバランス修正装置1においては、ワーク20(ターボチャージャ2)が備えられるエンジンが搭載される車種の違いで、アンバランス修正回転数が大きく異なる場合がある。つまりこの場合は、前述したように第一の共振周波数fn1と第二の共振周波数fn2との間に形成される振動特性の安定領域が、その異なるアンバランス修正回転数について共通に適用することが困難な場合となる。
そこで、これらの場合に対応して、アンバランス修正装置1においては、次のような方策がとられる。
そして、アンバランス修正装置1においては、装置本体(本体マス40)が、ワーク回転部の回転にともなう外力が作用して振動する主振動系となり、この主振動系に対して、第二爪構造体10b(第二爪マス42)が、1自由度振動系として取り付けられた状態の副振動系となる減衰型の動吸振器となる。
具体的には、アンバランス修正装置1において次のような調整が行われる。
これにより、アンバランス修正装置1において、前述したように、第二の共振周波数fn2を調整することによって第一の共振周波数fn1と第二の共振周波数fn2との間に振動特性の安定領域を形成することができない場合や、ワーク20(ターボチャージャ2)が備えられるエンジンが搭載される車種の違いでアンバランス修正回転数が大きく異なる場合において、アンバランス修正に際し、ワーク回転部のアンバランスによる振動を正確に測定することが可能となる。
図15に示すグラフにおいて、横軸は、外力の振動数(ワーク回転部の回転数についての角振動数)ωと主振動系の固有振動数ωn0との振動数比(ω/ωn0)、縦軸は、主振動系の振幅|X1|(ここで、主振動系の変位x1=X1cosωn0t)である。
この場合、外力の振動数ωが、前記のとおり主振動系の固有振動数ωn0と一致するアンバランス修正振動数ωuである状態(ω/ωn0=1の状態)における主振動系の振幅|X1|の値は、その周波数付近(振動数比付近)で略極小の値となる。そして、外力の振動数ωがアンバランス修正振動数ωu付近(振動数比の値が1付近)での、主振動系の振幅|X1|の値の変化が比較的急となる。
この場合、外力の振動数ωが、前記のとおり主振動系の固有振動数ωn0と一致するアンバランス修正振動数ωuである状態(ω/ωn0=1の状態)における主振動系の振幅の値|X1|は、図15(a)に示す場合と同様、その周波数付近(振動数比付近)で略極小の値となる。しかし、この場合、ω/ωn0=1の状態における主振動系の振幅の値|X1|は、図15(a)に示す場合と比べて大きくなるものの(矢印G1に対する矢印G2参照)、外力の振動数ωがアンバランス修正振動数ωu付近(振動数比の値が1付近)における主振動系の振幅の値|X1|の変化は、図15(a)に示す場合と比べてなだらかとなる。
つまり、第一爪構造体10aについては、式(9)を満たすように、総合質量(第一爪マス41の質量m1)および総合剛性(第一爪マス41のバネ定数k1)の少なくともいずれかが調整される。また、第二爪構造体10bについては、式(8)を満たすように、総合質量(第二爪マス42の質量m2)および総合剛性(第二爪マス42のバネ定数k2)の少なくともいずれかが調整される。また、第三爪構造体10cについては、式(10)を満たすように、総合質量(第三爪マス43の質量m3)および総合剛性(第三爪マス43のバネ定数k3)の少なくともいずれかが調整される。
ただし、これら各爪構造体10についての総合質量および総合剛性の調整は、式(2)の条件のもとで行われる。
一方で、アンバランス修正装置1においては、ワーク回転部の回転にともなう振動についての伝達性、つまり回転するワーク回転部から振動加速度を検出する加速度ピックアップ4への振動伝達性の面からも、アンバランス修正精度の向上を図ることができる。
本実施形態のアンバランス修正装置1において、三つの爪構造体10によってワーク20がクランプされた状態での、ワーク回転部から加速度ピックアップ4への振動伝達経路(以下単に「振動伝達経路」という。)は、主に次の二つの経路がある。
具体的には、二つめの振動伝達経路においては、回転するワーク回転部の振動が、軸受を介してセンターハウジング24に伝達され、センターハウジング24のフランジ部24aを介して、各爪構造体10の係止部13に伝達される。係止部13に伝達された振動は、爪構造体10において爪部11における本体部11aを介してロッド部12に伝達される。ロッド部12に伝達された振動は、ロッド部12のピストン部14を介してシリンダ機構30のシリンダケース31に伝達される。シリンダケース31に伝達された振動は、シリンダケース31が支持固定されるシリンダプレート9を経て、このシリンダプレート9が固定されるタービンハウジング部3に伝達され、タービンハウジング部3から加速度ピックアップ4に伝達される。
アンバランス修正装置1は、第二経路を遮断するための構成として、爪構造体10において次のような構成を備える。
すなわち、爪構造体10は、ワーク回転部の回転にともなう爪構造体10のワーク固定方向を含む方向の振動を吸収するためのダンパ機構50を有する。
球状マス51としては、例えば鉄鋼等の金属材により構成される鉄球等が用いられる。ただし、ダンパ機構50を構成するマス部材としては、その形状や材質は特に限定されるものではない。
バネ52としては、例えばコイルバネや板バネ等の弾性部材が用いられる。
ダンパ53としては、例えばエアダンパやオイルダンパや磁気ダンパ等の減衰部材が用いられる。また、ダンパ53は、ダンパ機構50を構成する減衰要素として、爪部11の空洞部11b内に充填されたオイル等によっても代替可能である。
すなわち、シリンダ機構30において、爪構造体10のロッド部12をシリンダロッドとして収容するシリンダケース31が、振動についての減衰性が比較的高い制振部材により構成されている。
図18に示すように、シリンダケース31は、全体として略直方体状(略柱状)に構成される。シリンダケース31は、その外層部としてアルミニウムを材料として構成されるアルミ層32を有する。また、シリンダケース31は、アルミ層32に対する内層部として、ガラス繊維を材料として構成されるガラス繊維層33を有する。これらアルミ層32とガラス繊維層33とを有する複合材により、略直方体状の外形を有するシリンダケース31が構成される。
また、前記ライナ部材は、ピストン部14の摺動に対してガラス繊維層33よりも耐摩耗性を有する材料、例えば鉄系金属等により構成される。
シリンダケース31を構成する制振部材としては、前記アルミ層32を構成する材料であるアルミニウムに代えて鉄やステンレスや制振合金等を有するとともに、前記ガラス繊維層33を構成する材料であるガラス繊維に代えてカーボン繊維やアラミド繊維等を有する複合材や、ねずみ鋳鉄や制振合金等の減衰性を有する金属材や、ゴムや合成樹脂やアスファルト等を含む部材等、種々の部材を用いることができる。
本構成のシリンダ機構60においては、シリンダケース61内の流体として、前述したようなエアに代えて、高粘度流体が用いられる。つまり、本構成のシリンダ機構60は、爪構造体10に対して流体圧を付与する流体圧シリンダとして構成されるとともに、その流体として、粘性(粘性率)が比較的高い流体である高粘度流体をシリンダケース61内に有する。
図19に示すように、シリンダケース61は、全体として略直方体状(略柱状)に構成される。このシリンダケース61内に、流体として高粘度オイル62が充填される。
本構成のシリンダ機構60は、高粘度オイル62を冷却するための冷却機構として、冷却水ジャケットを有する。冷却水ジャケットは、図19に示すように、シリンダケース61に設けられる冷却水通路63に、冷却水64が流通することにより構成される。本構成のシリンダ機構60においては、シリンダケース61が、所定の間隔を隔てて形成される外層部65と内層部66とを有する二重構造とされることにより、冷却水通路63が形成される。つまり、シリンダケース61において、その外層部65と内層部66との間にて層状の冷却水通路63が形成され、この冷却水通路63内に冷却水64が満たされた状態となる。そして、内層部66の内側に形成される空間が、高粘度オイル62が充填されて爪構造体10のロッド部12が収容される空間となる。
シリンダケース61内の高粘度流体としては、高粘度オイル62のほか、液体樹脂等を用いることができる。
すなわち、アンバランス修正装置1は、第二経路を形成する部材間に介装される制振部材と、係止部13がワーク20に対して係止した状態での、爪構造体10のタービンハウジング部3に対する位置決めを行う位置決め手段とを備える。
制振材70を構成する制振材料としては、制振合金や制振鋼板等の金属系の制振材料や、プラスチック系の制振材料や、金属や木材やコンクリート等の構造部材(基材)に、アスファルト系やゴム系や塗料系や接着剤系や金属系等の粘弾性材料が貼付された制振材料等、種々の制振材料が適用可能である。
なお、図21においては、便宜上、一つの爪構造体10(第一爪構造体10a)についてのガイドピン71およびこれに対応するガイド孔72のみを示している。
このようにして、アンバランス修正装置1が備える位置決め手段により、係止部13がワーク20に対して係止した状態での、爪構造体10のタービンハウジング部3に対する位置決めが行われる。
アンバランス修正装置1が備える位置決め手段としては、例えば、ガイドピン71がガイド孔72に対して嵌合することで係合する構成であったり、各爪構造体10に対して複数のガイドピン71(およびこれに対応する複数のガイド孔72)が設けられる構成であったりしてもよい。
つまり、アンバランス修正装置1は、第二経路を形成する部材間に制振部材を備えるとともに、爪構造体10のタービンハウジング部3に対する位置決め手段を備えることにより、係止部13によるクランプ位置のバラツキを生じさせることなく、第二経路を遮断することができる。
つまり、本実施形態のアンバランス修正装置1における第二経路は、前記のような第一経路と異なる間接的な振動伝達経路の一例である。したがって、アンバランス修正装置1において、第二経路以外に、第一経路と異なる間接的な振動伝達経路が存在する場合は、その間接的な振動伝達経路を形成する部材間に、前述のような制振部材が介装されてもよい。
これにより、第一の共振周波数fn1と第二の共振周波数fn2との間に形成される振動特性の安定領域について、その振動特性をさらに安定することができる。結果として、振動特性の安定領域に対応する回転周波数をアンバランス修正回転数として行われるアンバランス修正において、ワーク回転部の回転にともなう振動の検出に際してその検出精度を向上することができ、アンバランス修正の精度を向上することができる。
ここでまず、ワーク20のタービンハウジング部3に対する支持構成について、図23を用いて具体的に説明する。図23はワークのタービンハウジング部に対する支持構成を示す説明図である。図23において、(a)はワーク20がタービンハウジング部3に対して離間した状態を示す図、(b)はワーク20がタービンハウジング部3に対して支持された状態を示す図である。
すなわち、ワーク20に対する支持面3aは、平面状の平面部80と、この平面部80に対してわずかに盛り上がった部分である***部81とを有する。
なお、***部81の***高さは、10μm程度に限定されるものではない。つまり、支持面3aにおいて平面部80に対してわずかに盛り上がった部分である***部81の***高さは、支持面3aに対するワーク20の支持やワーク20が支持された状態でのワーク回転部の回転の妨げにならない範囲で、ワーク20側において平面状である接触面24bについての平面度の公差値等に基づいて定められる。***部81の***高さは、ワーク20の接触面24bの平面度の公差値に対して比較的大きい値となるように定められる。言い換えると、***部81は、接触面24bの平面度の公差値に対して比較的大きくなるように、平面部80に対してわずかに盛り上がった部分となる。
このような***部81が、タービンハウジング部3の支持面3aの加工に際して、平面部80とともに形成される。
このように、タービンハウジング部3とワーク20との当たり方のバラツキは、第一経路によって加速度ピックアップ4に伝達される振動の大きさについてバラツキが生じる原因となる。
これにより、タービンハウジング部3とワーク20との当たり方のバラツキを低減することができ、第一経路によって加速度ピックアップ4に伝達される振動の大きさについてバラツキが生じることを抑制することができる。つまり、ワーク回転部の回転にともなう振動について、ワーク20(センターハウジング24)からタービンハウジング部3に対する振動伝達性を向上することができ、第一経路における振動伝達性を向上させることができる。結果として、アンバランス修正についての精度を向上することができる。
そして、前記のとおり円環状である支持面3aの円周方向に沿って山形の形状となる***部81が、その円周方向に沿う山形の形状の中心位置(最も高くなる位置)が角度位置M1を基準とする角度位置で略180°の角度位置となるように設けられる。
前述したように、アンバランス修正装置1におけるワーク20のタービンハウジング部3に対する支持構成においては、ワーク20は、そのフランジ部24aを介して、タービンハウジング部3に支持された状態で、支持面3aとこの支持面3aの周囲に形成される周壁面3cとを有する支持凹部3bに嵌合した状態となる。
そして、アンバランス修正装置1は、タービンハウジング部3に支持された状態のワーク20を、ワーク回転部の回転軸線に対する垂直方向であって加速度ピックアップ4が位置する側に向かう方向に、周壁面3cに対して押し付けるための押圧手段を備える。
そこで、前記嵌合隙間において加速度ピックアップ4側の部分の隙間が埋まるように、タービンハウジング部3に支持された状態のワーク20を押し付けるための押圧手段が、アンバランス修正装置1において備えられる。
アクチュエータ90は、ワーク20を、ワーク回転部の回転軸線に対する垂直方向であって加速度ピックアップ4が位置する側に向かう方向(以下「検出側方向」という。)に押し付ける。ここで、検出側方向について、ワーク回転部の回転軸線に対する垂直方向とは、ワーク回転部の回転軸線の方向が垂直方向となる面に沿う方向である。また、同じく検出方向について、加速度ピックアップ4が位置する側に向かう方向とは、図26で示す回転軸線方向視で、支持凹部3bとフランジ部24aとの嵌合形状である円周形状において加速度ピックアップ4が位置する側に向かう方向である。
したがって、本実施形態では、アクチュエータ90は、図26に示す回転軸線方向視で左側に向かう方向にワーク20を押し付けることとなる(矢印N1参照)。
また、ワーク20を押し付けるための押圧手段は、アクチュエータ90に限定されるものではない。つまり、ワーク20を押し付けるための押圧手段は、タービンハウジング部3に支持された状態のワーク20を、検出側方向に、周壁面3cに対して押し付けるための手段であれば特に限定されるものではない。
なお、ここでは便宜上、ワーク回転部の回転にともなう振動が、第一経路および第二経路のいずれかの経路によって加速度ピックアップ4に伝達されることとしている。つまり、加速度ピックアップ4によって検出される振動加速度の値が、第一経路による伝達分と第二経路による伝達分とに分けられることとしている。
これにより、加速度ピックアップ4によって検出される振動加速度の値全体に対する第一経路による振動伝達分について、十分な割合を得ることができる。結果として、ワーク回転部の回転にともなう振動の検出に際してその検出精度を向上することができ、アンバランス修正についての精度を向上することができる。
2 ターボチャージャ(高速回転機器)
3 タービンハウジング部(治具)
3a 支持面
3b 支持凹部
3c 周壁面
4 加速度ピックアップ(振動検出手段)
5 架台
9 シリンダプレート
10 爪構造体(クランプ部材)
11 爪部
12 ロッド部
13 係止部
20 ワーク
21 回転軸
22 タービンロータ
23 コンプレッサロータ
24 センターハウジング
24a フランジ部
24b 接触面
30 シリンダ機構
31 シリンダケース
50 ダンパ機構
60 シリンダ機構
70 制振材(制振部材)
71 ガイドピン
72 ガイド孔
80 平面部
81 ***部
90 アクチュエータ(押圧手段)
Claims (11)
- 回転部を有するワークを支持するとともに振動検出手段を有する治具を備え、該治具に、前記回転部が回転可能な状態で前記ワークを固定した状態で、前記回転部を所定の回転数で回転させ、前記回転部が前記所定の回転数で回転している状態での前記振動検出手段による検出値に基づいて、前記回転部のアンバランス修正を行うための高速回転機器のアンバランス修正装置であって、
前記治具に支持された状態の前記ワークに対して係止する係止部を有し、該係止部が前記ワークに対して係止した状態で、前記ワークを前記治具に固定することとなる所定の方向に付勢されることにより、前記ワークを前記治具に対してクランプして固定する複数のクランプ部材を備え、
前記複数のクランプ部材が、前記各クランプ部材の総合質量の調整により、前記各クランプ部材についての、前記各クランプ部材の総合剛性の前記総合質量に対する比が、前記複数のクランプ部材で相互に等しくなるように構成されていることを特徴とする高速回転機器のアンバランス修正装置。 - 前記回転部の回転にともなう振動特性として、前記治具を含み一体的に構成される装置本体による共振が生じる前記回転部についての回転周波数である第一の共振周波数と、前記クランプ部材による共振が生じる前記回転周波数であり前記第一の共振周波数よりも大きい第二の共振周波数とを有し、
前記係止部の形状の寸法のうち、前記総合剛性に対する影響が比較的大きい所定の寸法と、前記総合剛性に対する影響が比較的小さい所定の寸法との、少なくともいずれかの寸法の調整により、
前記振動特性における前記第二の共振周波数からの前記回転周波数の減少にともなう振動加速度の減衰性に基づいて振動加速度の値が前記第二の共振周波数での振動加速度の値に対して十分に小さくなる回転周波数と、
前記振動特性における前記第一の共振周波数からの前記回転周波数の増加にともなう振動加速度の減衰性に基づいて振動加速度の値が前記第一の共振周波数での振動加速度の値に対して十分に小さくなる回転周波数との差が、500Hz以上となるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。 - 前記回転部の回転にともなう振動特性として、前記治具を含み一体的に構成される装置本体による共振が生じる前記回転部についての回転周波数である第一の共振周波数と、前記クランプ部材による共振が生じる前記回転周波数であり前記第一の共振周波数よりも大きい第二の共振周波数とを有し、
前記係止部の形状の寸法のうち、前記総合剛性に対する影響が比較的大きい所定の寸法と、前記総合剛性に対する影響が比較的小さい所定の寸法との、少なくともいずれかの寸法の調整により、
前記第二の共振周波数に、前記振動特性における前記第二の共振周波数からの前記回転周波数の減少にともなう振動加速度の減衰性に基づいて振動加速度の値が前記第二の共振周波数での振動加速度の値に対して十分に小さくなる回転周波数が導かれる所定の係数をかけた値と、
前記第一の共振周波数に、前記振動特性における前記第一の共振周波数からの前記回転周波数の増加にともなう振動加速度の減衰性に基づいて振動加速度の値が前記第一の共振周波数での振動加速度の値に対して十分に小さくなる回転周波数が導かれる所定の係数をかけた値との差が、500Hz以上となるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。 - 前記クランプ部材における少なくとも前記係止部を構成する部分が、前記総合剛性の前記総合質量に対する比の値が比較的高い材料により構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。
- 前記治具を含み一体的に構成される装置本体の質量の調整、および前記複数のクランプ部材のうちいずれか一つの所定のクランプ部材の総合質量の調整により、
前記所定のクランプ部材が、前記装置本体に対する動吸振器として、前記所定のクランプ部材の固有振動数が前記装置本体の固有振動数に最適同調するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。 - 前記治具を含み一体的に構成される装置本体の質量の調整、ならびに前記クランプ部材の総合質量および総合剛性の少なくともいずれかの調整により、
前記各クランプ部材が、前記装置本体に対する動吸振器として、前記各クランプ部材の固有振動数が前記装置本体の固有振動数に最適同調するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。 - 前記クランプ部材は、前記回転部の回転にともなう前記クランプ部材の前記所定の方向を含む方向の振動を吸収するためのダンパ機構を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。
- 前記回転部の回転にともなう振動を前記ワークから前記クランプ部材を介して前記治具の前記ワークを支持する側と異なる側から該治具を介して前記振動検出手段に伝達する振動伝達経路を形成する部材間に介装される制振部材と、
前記係止部が前記ワークに対して係止した状態での、前記クランプ部材の前記治具に対する位置決めを行う位置決め手段と、
を備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。 - 前記ワークは、前記治具に支持された状態で該治具に対する当たり面となる平面状の接触面を有し、
前記治具は、該治具に前記ワークが支持された状態で前記接触面が接触する面となる支持面を有し、
前記支持面は、平面状の平面部と、該平面部に対してわずかに盛り上がった部分である***部とを有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。 - 前記***部は、前記回転部の回転軸線の位置を基準として、前記振動検出手段が位置する側に設けられることを特徴とする請求項9に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。
- 前記ワークは、前記治具に支持された状態で、前記支持面と該支持面の周囲に形成される周壁面とを有する支持凹部に嵌合した状態となるものであり、
前記治具に支持された状態の前記ワークを、前記回転部の回転軸線に対する垂直方向であって前記振動検出手段が位置する側に向かう方向に、前記周壁面に対して押し付けるための押圧手段を備えることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の高速回転機器のアンバランス修正装置。
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