軸平衡系統和方法

2023-04-24 14:18:36

專利名稱：軸平衡系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及軸組件的測試和設計，並且更具體地涉及用於動態平衡這些組 件的方法和系統。
背景技術：
軸組件，例如"傳動軸"等，常用於汽車和航空應用中，並且通常包括具有聯接在 兩端的萬向節的軸體。倘若這些軸在工作期間處於高速，希望軸組件中固有的動態不平衡 最小化，由此減少振動並提高與軸組件聯接的任何動力裝置部件的壽命。當前已知的用於平衡軸組件的方法在許多方面不令人滿意。例如，常規方法通常 集中於在軸體外部增加平衡塊以便抵消任何所感測到的不平衡。這些平衡塊增大了組件的 總重量，並且在操作或運轉期間會分開。此外，把平衡塊焊到軸上可能降低軸體的管材強 度，並且還可能導致因操作者失誤、可用空間、不精確的修正重量或由軸所吸收的熱量所引 起的動態變化而引起的不精確的平衡塊布置。由於這些不精確性，幾乎總是需要完成組件 的"檢定旋轉"，這極大地增加了製造時間和費用。不需要增加單獨平衡塊的用於軸平衡的另一種常用方法涉及使軸體設計有額外 材料一通常是環形特徵的形式一然後從這些特徵上除掉材料來抵消任何動態不平衡。這 些方法也導致製造出不必要重的軸，並且因此對性能和燃油經濟性有不利影響。因此，希望提供一種用於動態平衡軸組件的改進系統和方法。本發明的其它所需 特徵和特點將結合附圖和前述技術領域以及背景技術，通過隨後的詳細描述和所附的權利 要求而變得顯而易見。

發明內容
根據本發明的一個實施例，將被平衡的軸組件具有軸體、聯接到軸體的第一端的 第一萬向節，以及聯接到軸體的第二端上的第二萬向節。一種用於動態平衡軸組件的方法， 包括按預定速度轉動軸組件、在轉動軸組件的同時確定軸組件的不平衡水平、響應於不平 衡水平相對於第一和第二萬向節迭代調整軸體的位置，從而在轉動軸組件的同時確定最小 的不平衡水平、以及相對於軸體牢固地定位第一和第二萬向節。根據一個實施例，一種用於平衡軸組件的設備包括第一平衡頭，其包括第一組可 致動銷，該可致動銷配置成用於可調地夾緊軸組件第一端處的萬向節軸承杯以及相對於第 一萬向節可調地定位軸體；第二平衡頭，其包括第二組可致動銷，該可致動銷配置成用於可 調地夾緊軸組件第二端處的萬向節軸承杯以及相對於第二萬向節可調地定位軸體；軸旋轉 子系統，其配置成用於使軸組件轉動；傳感器子系統，其配置成用於確定在軸旋轉子系統的 轉動期間軸組件的不平衡水平；控制器，其聯接到傳感器子系統和第一、第二組可致動銷， 該控制器配置成用於響應於不平衡水平迭代調整第一、第二組可致動銷從而確定軸旋轉子 系統轉動期間最優(最小)的不平衡水平；以及多個固位(retention)部件，其配置成用於 相對於軸體牢固地定位第一和第二萬向節。
本發明還包括如下方案方案1 一種用於平衡軸組件的設備，所述軸組件具有軸體、聯接到所述軸體的第 一端上的第一萬向節以及聯接到所述軸體的第二端上的第二萬向節，所述設備包括第一平衡頭，其包括第一組可致動銷，所述可致動銷配置成用於可調地夾緊所述 軸組件的第一端處的第一萬向節以及相對於所述第一萬向節可調地定位所述軸體；第二平衡頭，其包括第二組可致動銷，所述可致動銷配置成用於可調地夾緊所述 軸組件的第二端處的第二萬向節以及相對於所述第二萬向節可調地定位所述軸體；軸旋轉子系統，其配置成用於使所述軸組件轉動；傳感器子系統，其配置成用於確定所述軸旋轉子系統的轉動期間所述軸組件的不 平衡水平；控制器，其聯接到所述傳感器子系統，以及所述第一組可致動銷和所述第二組可 致動銷，所述控制器配置成用於響應於不平衡水平迭代調整所述第一組可致動銷和所述第 二組可致動銷從而確定所述軸旋轉子系統轉動期間最優的不平衡水平；以及多個固位部件，其配置成用於相對於所述軸體牢固地定位所述第一萬向節和所述 第二萬向節。方案2 如方案1所述的設備，其中，所述第一萬向節包括十字形部件，所述十字形 部件通過具有相應軸承杯的軸承結構可轉動地聯接到第一叉和第二叉上，而且其中，所述 第一組可致動銷在所述軸承杯上施加壓縮力。方案3 如方案1所述的設備，其中，所述多個固位部件包括原位成型的聚合物打 樁固位器或金屬固位樁。方案4 如方案3所述的設備，其中，所述原位成型打樁固位器包括尼龍。方案5 如方案1所述的設備，其中，所述傳感器子系統檢測所述軸組件的轉動期 間的不平衡力。方案6 如方案1所述的設備，其中，所述控制器通過無線數據連接聯接到所述第 一組可致動銷和所述第二組可致動銷。方案7 —種平衡軸組件的方法，所述軸組件具有軸體、聯接到所述軸體的第一端 上的第一萬向節以及聯接到所述軸體的第二端上的第二萬向節，所述方法包括按預定速度轉動所述軸組件；在按預定速度轉動所述軸組件時確定所述軸組件的不平衡水平；響應於不平衡水平迭代調整所述軸體相對於所述第一萬向節和所述第二萬向節 的位置從而在轉動所述軸組件時確定最優的不平衡水平；停止所述軸組件的轉動；以及相對於所述軸體牢固地定位所述第一萬向節和所述第二萬向節。方案8 如方案7所述的方法，還包括通過第一組可致動銷將所述軸組件的第一端聯接到第一平衡頭，所述第一組可致 動銷配置成用於相對於所述第一萬向節可調地定位所述軸體；將所述軸組件的第二端聯接到第二平衡頭，所述第二平衡頭包括第二組可致動 銷，所述第二組可致動銷配置成用於可調地相對於所述第二萬向節定位所述軸體。方案9 如方案7所述的方法，其中，牢固地定位所述第一萬向節和所述第二萬向節包括在所述第一萬向節和所述第二萬向節內原位形成打樁固位器。方案10 如方案9所述的方法，其中，牢固地定位所述第一萬向節和所述第二萬向 節包括在所述第一萬向節和所述第二萬向節中注射和固化熱塑性材料或者形成金屬固位 樁。方案11 如方案10所述的方法，其中，所述熱塑性材料是基於尼龍的材料。方案12 如方案7所述的方法，其中，所述第一萬向節包括十字形部件，所述十字 形部件通過具有相應軸承杯的軸承結構可轉動地聯接在第一叉和第二叉上，並且其中，迭 代調整的步驟包括在所述軸承杯上施加壓縮力。方案13 如方案7所述的方法，其中，確定不平衡水平包括檢測所述軸組件的轉動 期間的不平衡力。方案14 如方案8所述的方法，其中，迭代調整的步驟包括通過數據通信信道將目 標緻動器位置傳遞給可致動銷的組。方案15 如方案14所述的方法，其中，迭代調整的步驟包括通過執行微處理器中 的機器可讀指令來確定目標緻動器位置，所述微處理器執行優化算法來確定最優的不平衡 水平。方案16 如方案8所述的方法，其中，迭代調整的步驟包括補償所述第一組可致動 銷和所述第二組可致動銷的尺寸、重量和位置。方案17 —種軸組件，包括具有第一端和第二端的軸體；聯接到所述軸體的第一端上的第一萬向節，所述第一萬向節包括第一叉、第二叉 和第一十字部件，所述第一叉固定在所述軸體上，所述第一十字部件通過第一組軸承部件 可轉動地聯接到所述第一叉和所述第二叉上；聯接到所述軸體的第一端上的第二萬向節，所述第二萬向節包括第三叉、第四叉 和第二十字部件，所述第三叉固定在所述軸體上，所述第二十字部件通過第二組軸承部件 可轉動地聯接到所述第三叉和所述第四叉上；以及第一組打樁固位器，其聯接在所述第一組軸承部件與所述第二叉之間，以及第二 組打樁固位器，其聯接在所述第二組軸承部件與所述第四叉之間；其中，所述第一組打樁固位器和所述第二組打樁固位器中每個都具有使得所述軸 組件在轉動期間的動態平衡基本上為最優的形狀和位置。方案18 如方案17所述的軸，其中，所述第一組打樁固位器和所述第二組打樁固 位器中每個都包括原位成型的熱塑性固位器或成型的金屬樁。方案19 如方案18所述的軸，其中，所述熱塑性固位器包括基於尼龍的材料。方案20 如方案17所述的軸，其中，所述軸體是多件型軸。


通過結合下列附圖參考詳細說明和權利要求可以得出對本發明更完整的理解，其 中，在所有附圖中，相同的附圖標記代表相似的元件。圖1是根據一個實施例的軸平衡系統的概念系統水平的視圖；圖2示出示例性軸組件；
圖3示出了根據一個實施例的平衡設備；圖4A和4B是圖3的平衡設備的特寫；以及圖5是描述根據一個實施例的平衡方法的流程圖。
具體實施例方式下面的討論總體上涉及用於通過在旋轉測試期間迭代調整軸組件的部件來動態 平衡軸組件的方法和設備。在這點上，下列詳細說明本質上僅僅是說明性的，並且不意圖限 制本發明或本發明的應用和用途。而且，不意圖受到在前述技術領域、背景技術
發明內容
或下面的詳細說明中展現的明示或暗示理論的限制。為了簡明起見，本文不需要詳細描述 與軸設計、自動測試、動態平衡系統等相關的常規技術和原理。參照在圖1中所示的概念框圖，根據本發明的平衡設備100配置成用於容納、固定 和平衡軸組件102。如本領域所公知的，軸組件102包括軸體103，軸體103具有聯接在相 對端上的一對萬向節104。在這點上，圖2是以傳統方式，也就是通過增加補償平衡塊204， 平衡的典型軸組件102的概圖。在這個圖解中，滑動叉202聯接在最左邊的萬向節104上， 最右邊的萬向節用來聯接從動軸。軸體103可以是單件或多件型(這通常需要額外的鉸接 接頭)。本發明適用於任何類型的傳動軸中的任何萬向節和所有萬向節，並且可結合沒有滑 動叉的傳動軸、帶有內部(inboard)滑行機構的傳動軸以及帶有法蘭的傳動軸。再次參照圖1，平衡設備100包括由相應致動器120可滑動控制的可致動銷110。 一組可致動銷Iio配置成用於可調地夾緊軸組件102端部處的最左側的萬向節104並且相 對於相應萬向節104可調地定位軸體102。第二組可致動銷110配置成用於可調地夾緊軸 組件102端部處的最右側的萬向節104並且相對於最右側的萬向節104可調地定位軸體 103。軸旋轉子系統135配置成用於使軸組件102相對於組件結構或殼體轉動。軸旋轉 子系統135可包括能夠按預定速度轉動的任何合適的常規馬達和控制系統，正如本領域所 公知的。傳感器子系統130配置成用於確定軸組件102在轉動期間的不平衡水平並且把不 平衡信息傳遞給控制器150 (例如通用計算機、微控制器，或硬體、軟體和/或固件的任何其 它合適的組合)內的平衡模塊152。在轉動組件102時，這些傳感器子系統130通常感測沿 著多個軸線方向上的力，並且這些傳感器子系統130是本領域公知的。控制器150通過任何便利的有線或無線信道(例如，標準乙太網、WiFi、藍牙、 ZigBee等)聯接到傳感器子系統130和第一、第二組可致動銷110上。控制器150，通過平 衡模塊152，配置成用於響應於不平衡的水平(接收自子系統130)迭代調整第一、第二組 可致動銷110從而確定實際轉動期間最小的不平衡水平。在確定了最優(最平衡)構造之 後，多個固位部件配置成用於相對於軸體103牢固地定位第一和第二萬向節104，這將在下 文進一步詳細描述。圖3示出根據一個實施例的平衡設備100的概圖。如所示，將軸組件102的一端 連接(通過可動作銷110)到固定的平衡頭302，而軸組件102的相對端類似地連接到可調 的(可滑動的)平衡頭304。也就是說，平衡頭304可相對於基部或殼體306滑動，從而適 應各種軸長。
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現在參照圖4A和4B所示的特寫，萬向節104大體包括內十字形部件408，其通過 具有相應軸承杯402的軸承結構可轉動地聯接到一對叉404上。在一個實施例中，可致動 銷110配置成用於在平衡過程期間將壓力施加在軸承杯402上，從而允許沿著兩個垂直軸 線相對於叉404調整部件408。在一個實施例中，固位部件410是原位成型的聚合物固位器(圖4A)。也就是說， 在組件102仍被固定在測試設備內時形成該固位部件(例如，通過在相關部件之間注射和 固化液體熱塑性複合物)。例如，在一個實施例中，固位器410由基於尼龍的材料形成，該材 料注入所產生的間隙中，然後適當地固化。許多其它標準方法可用於利用各種金屬成型操 作即"打樁作業(staking operations)「來固定萬向節104。後面的實施例在圖4B中所 示，此處，變形部分411用於固定這些部件。圖5是流程圖，總體上示出根據一個實施例的平衡軸組件的方法。如圖所示，軸組 件在測試組件內進行初始設置(502)。這通常會包括對軸、萬向節、可致動銷等的初始定位。然後，激活測試組件以使軸組件按預定速度轉動(504)。可以根據應用的性質選擇 測試速度。例如，在一個實施例中，軸組件按約3500rpm轉動。然後，系統(通過控制器150、平衡模塊152和檢測子系統130)確定軸組件102在 轉動期間的不平衡的水平(506)。如上所述，這些傳感器的性質和力數據的採集是本領域公 知的，本文不必描述。平衡模塊152然後響應於不平衡的水平迭代調整軸體相對於第一和第二萬向節 的位置(例如通過發送給可致動銷110的信號)從而在轉動軸組件時確定最優不平衡水平 (508,510) 0可以根據多種已知算法執行優化，包括最速下降法等。因為定位銷110具有質 量，由此對總的轉動不平衡起作用，平衡最優化算法考慮了它們的定位來確定產生的轉動 軸的動態平衡狀態。在完成了優化之後，停止轉動，並且在從測試設備100拆下組件102之前，利用如 上所述的固位方案把第一和第二萬向節相對於軸體103固定在適當位置(512)。儘管在前面的詳細說明中已經展示了至少一個示例性實施例，但應當意識到，還 存在許許多多的變形。還應當意識到，本文描述的(多個)範例實施例不意圖以任何方式 限制本發明的範圍、適用性或構造。相反地，前面的詳細說明將給本領域技術人員提供了實 施所述(多個)實施例的便利和啟發性路徑。應當理解，在不脫離本發明及其法律等價物 的範圍的情況下，可以對元件的功能和布置做出多種改變。
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權利要求
1.一種用於平衡軸組件的設備，所述軸組件具有軸體、聯接到所述軸體的第一端上的 第一萬向節以及聯接到所述軸體的第二端上的第二萬向節，所述設備包括第一平衡頭，其包括第一組可致動銷，所述可致動銷配置成用於可調地夾緊所述軸組 件的第一端處的第一萬向節以及相對於所述第一萬向節可調地定位所述軸體；第二平衡頭，其包括第二組可致動銷，所述可致動銷配置成用於可調地夾緊所述軸組 件的第二端處的第二萬向節以及相對於所述第二萬向節可調地定位所述軸體；軸旋轉子系統，其配置成用於使所述軸組件轉動；傳感器子系統，其配置成用於確定所述軸旋轉子系統的轉動期間所述軸組件的不平衡 水平；控制器，其聯接到所述傳感器子系統，以及所述第一組可致動銷和所述第二組可致動 銷，所述控制器配置成用於響應於不平衡水平迭代調整所述第一組可致動銷和所述第二組 可致動銷從而確定所述軸旋轉子系統轉動期間最優的不平衡水平；以及多個固位部件，其配置成用於相對於所述軸體牢固地定位所述第一萬向節和所述第 二萬向節。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一萬向節包括十字形部件，所述十字形部件 通過具有相應軸承杯的軸承結構可轉動地聯接到第一叉和第二叉上，而且其中，所述第一 組可致動銷在所述軸承杯上施加壓縮力。
3.如權利要求1所述的設備，其中，所述多個固位部件包括原位成型的聚合物打樁固 位器或金屬固位樁。
4.如權利要求3所述的設備，其中，所述原位成型打樁固位器包括尼龍。
5.如權利要求1所述的設備，其中，所述傳感器子系統檢測所述軸組件的轉動期間的 不平衡力。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述控制器通過無線數據連接聯接到所述第一組 可致動銷和所述第二組可致動銷。
7.一種平衡軸組件的方法，所述軸組件具有軸體、聯接到所述軸體的第一端上的第 一萬向節以及聯接到所述軸體的第二端上的第二萬向節，所述方法包括按預定速度轉動所述軸組件；在按預定速度轉動所述軸組件時確定所述軸組件的不平衡水平；響應於不平衡水平迭代調整所述軸體相對於所述第一萬向節和所述第二萬向節的位 置從而在轉動所述軸組件時確定最優的不平衡水平；停止所述軸組件的轉動；以及相對於所述軸體牢固地定位所述第一萬向節和所述第二萬向節。
8.如權利要求7所述的方法，還包括通過第一組可致動銷將所述軸組件的第一端聯接到第一平衡頭，所述第一組可致動銷 配置成用於相對於所述第一萬向節可調地定位所述軸體；將所述軸組件的第二端聯接到第二平衡頭，所述第二平衡頭包括第二組可致動銷，所 述第二組可致動銷配置成用於可調地相對於所述第二萬向節定位所述軸體。
9.如權利要求7所述的方法，其中，牢固地定位所述第一萬向節和所述第二萬向節包 括在所述第一萬向節和所述第二萬向節內原位形成打樁固位器。
10. 一種軸組件，包括具有第一端和第二端的軸體；聯接到所述軸體的第一端上的第一萬向節，所述第一萬向節包括第一叉、第二叉和第 一十字部件，所述第一叉固定在所述軸體上，所述第一十字部件通過第一組軸承部件可轉 動地聯接到所述第一叉和所述第二叉上；聯接到所述軸體的第一端上的第二萬向節，所述第二萬向節包括第三叉、第四叉和第 二十字部件，所述第三叉固定在所述軸體上，所述第二十字部件通過第二組軸承部件可轉 動地聯接到所述第三叉和所述第四叉上；以及第一組打樁固位器，其聯接在所述第一組軸承部件與所述第二叉之間，以及第二組打 樁固位器，其聯接在所述第二組軸承部件與所述第四叉之間；其中，所述第一組打樁固位器和所述第二組打樁固位器中每個都具有使得所述軸組件 在轉動期間的動態平衡基本上為最優的形狀和位置。
全文摘要
本發明涉及軸平衡系統和方法。具體地，提供了一種軸組件，其具有軸體、聯接在軸體的第一端上的第一萬向節以及聯接在軸體的第二端上的第二萬向節。一種用於動態平衡軸組件的方法包括按預定速度轉動軸組件、在按預定速度轉動軸組件時確定軸組件的不平衡水平、響應於不平衡水平迭代調整軸體相對於第一和第二萬向節的位置從而在轉動軸組件時確定最優的不平衡水平以及相對於軸體牢固地定位第一和第二萬向節。
文檔編號F16D3/26GK102004016SQ201010124049
公開日2011年4月6日 申請日期2010年3月2日 優先權日2009年3月2日
發明者R·V·羅德裡格斯 申請人:通用汽車環球科技運作公司