(57)【要約】本発明は、充電装置の回転可能に取り付けられた本体の力及びトルクを測定するためのテストベンチに関する。テストベンチは、充電装置の回転可能に取り付けられた本体、測定構成要素及び測定構成要素を取り付けるためのベアリング装置を有する。ベアリング装置は、測定構成要素が無摩擦でベアリング装置に取り付けられる方式で構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電装置における回転可能に取り付けられた本体の力及びトルクを測定するためのテストベンチ（１０）であって、前記テストベンチ（１０）は、
充電装置の回転可能に取り付けられた本体と、
測定構成要素（２００）と、
前記測定構成要素（２００）を取り付けるためのベアリング構成要素（３００）と、を含み、
前記ベアリング構成要素（３００）は、前記測定構成要素（２００）が前記ベアリング構成要素（３００）に無摩擦で取り付けられる方式で構成される、テストベンチ。
【請求項２】
前記測定構成要素（２００）は、摩擦トルク及び軸方向力の両方ともを直接測定できるようにするために、前記ベアリング装置（３００）において無摩擦で軸方向に移動し、測定シャフトの縦軸を中心に回転することができる前記測定シャフトであることを特徴とする、請求項１に記載のテストベンチ。
【請求項３】
前記ベアリング装置（３００）は、静圧空気ベアリング（ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ  ａｉｒ  ｂｅａｒｉｎｇ）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のテストベンチ。
【請求項４】
前記静圧空気ベアリングは、少なくとも３つのベアリングシート（４００）、特に７つのベアリングシート（４００）を有することを特徴とする、請求項３に記載のテストベンチ。
【請求項５】
前記ベアリングシート（４００）は、ベアリングパッドを有し、特に前記ベアリングパッドは、多孔質表面を有することを特徴とする、請求項４に記載のテストベンチ。
【請求項６】
作動中に前記ベアリング装置（３００）と前記測定構成要素（２００）との間には、ベアリングギャップが形成され、前記ベアリングギャップは、３μｍ〜９μｍの幅、特に５μｍ〜７μｍの幅であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項７】
前記ベアリング装置（３００）は、加圧空気を使用して作動され、特に２バール〜１０バール、好ましくは４バール〜６バールの圧力が前記ベアリング装置に加えられ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テストベンチ。
【請求項８】
摩擦トルクを測定するために前記測定構成要素（２００）に結合された摩擦トルク測定装置（７００）を特徴とし、特に、前記摩擦トルク測定装置（７００）は、前記測定構成要素（２００）の縦軸を中心に前記測定構成要素の回転が制限される方式で前記測定構成要素（２００）に結合される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項９】
前記摩擦トルク測定装置（７００）は、少なくとも１つのロードセル（７１０）を有することを特徴とする、請求項８に記載のテストベンチ。
【請求項１０】
前記摩擦トルク測定装置（７００）は、前記テストベンチの精密な校正及び両方の回転方向における前記摩擦トルクの測定を可能にするために、前記測定構成要素（２００）の正反対の側に配置された２つのロードセル（７１０）を有することを特徴とする、請求項９に記載のテストベンチ。
【請求項１１】
前記ロードセル（複数）（７１０）は、１つ以上のトルク支持体（７２０）上に配置される、請求項９または１０に記載のテストベンチ。
【請求項１２】
前記測定構成要素（２００）で生じる軸方向力を測定するために前記測定構成要素（２００）に結合された軸方向力測定装置（６００）を特徴とし、特に、前記軸方向力測定装置（６００）は、前記測定構成要素（２００）の縦軸に沿った前記測定構成要素の軸方向変位が制限される方式で前記測定構成要素（２００）に結合される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項１３】
前記軸方向力測定装置（６００）は、前記軸方向力を測定する歪みゲージを有し、特に、前記軸方向力測定装置（６００）は、前記歪みゲージが提供された曲げビーム（６１０）を有することを特徴とする、請求項１２に記載のテストベンチ。
【請求項１４】
前記軸方向力測定装置（６００）は、予想される測定力に応じて調整されることができ、特に、前記曲げビーム（６１０）は、調整または交換され得ることを特徴とする、請求項１２または１３に記載のテストベンチ。
【請求項１５】
前記測定構成要素（２００）と前記軸方向力測定装置（６００）との間の結合は、前記測定構成要素（２００）の縦軸上に置かれた単一の接触点を介して構成されることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項１６】
前記測定構成要素（２００）は、前記単一の接触点の領域に硬化された表面を有することを特徴とする、請求項１５に記載のテストベンチ。
【請求項１７】
軸方向力制御装置を特徴とし、前記軸方向力測定装置（６００）の測定値は、前記軸方向力制御装置の制御パラメーターとして機能する、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項１８】
前記軸方向力制御装置は、前記軸方向力のゼロ制御が可能な方式で構成されることを特徴とする、請求項１７に記載のテストベンチ。
【請求項１９】
回転可能に取り付けられた本体を有するターボチャージャーコアアセンブリ（１００）を含み、前記ターボチャージャーコアグループは、タービンホイール（１２０）、シャフト（１３０）、及びベアリングハウジング（１１０）を含むベアリングユニットを有し、前記ベアリングハウジング（１１０）は、前記測定構成要素（２００）に連結されていることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項２０】
前記ターボチャージャーコアアセンブリは、コンプレッサーホイールの代わりに前記シャフト（１３０）上に配置された軸方向スラストディスク（１４０）をさらに有することを特徴とする、請求項１９に記載のテストベンチ。
【請求項２１】
前記軸方向スラストディスク（１４０）は、前記軸方向スラストディスク（１４０）の質量及び重心が、車両で正常作動のために提供されたコンプレッサーホイールの質量及び重心と同一の方式で構成されることを特徴とする、請求項２０に記載のテストベンチ。
【請求項２２】
前記軸方向スラストディスク（１４０）の慣性トルクは、車両で正常作動のために提供されたコンプレッサーホイールの慣性トルクにほぼ対応することを特徴とする、請求項２０または２１に記載のテストベンチ。
【請求項２３】
前記軸方向スラストディスク（１４０）に軸方向力を加える力付与装置を特徴とし、特に、前記軸方向力は、前記シャフト（１３０）の軸に沿って両方向に加わることができることを特徴とする、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項２４】
前記力付与装置は、空気圧システムを有し、特に、前記空気圧システムは、前記軸方向スラストディスク（１４０）の両側に圧縮力を加えるように構成され、これにより、前記軸方向力は、テストベンチ（１０）の作動中に両方向に、軸方向スラストディスク（１４０）及び前記シャフト（１３０）上で調整可能であることを特徴とする、請求項２３に記載のテストベンチ。
【請求項２５】
前記軸方向スラストディスク（１４０）は、フェライト物質を有し、前記力付与装置は、前記軸方向スラストディスク（１４０）に軸方向力を加えるために電磁石を有する電磁気装置を含むことを特徴とする、請求項２３に記載のテストベンチ。
【請求項２６】
前記力付与装置は、前記軸方向力測定装置（６００）とともに前記軸方向力の調整を制御できるようにする軸方向力制御装置の一部として機能することを特徴とする、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項２７】
前記テストベンチは、タービンハウジング（５００）をさらに有し、前記タービンハウジング（５００）は、前記シャフト（１３０）の回転軸を中心に指向されており、前記タービンハウジング（５００）は、前記コアアセンブリ（１００）から漏れギャップだけ分離され、前記コアアセンブリ（１００）と直接接触しないことを特徴とする、請求項１９〜２６のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項２８】
前記テストベンチ（１０）は、前記シャフト（１３０）の軌道経路を測定するための第１のセンサーユニット（８００）を有することを特徴とする、請求項１〜２７のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項２９】
前記第１のセンサーユニット（８００）は、少なくとも２つの距離センサーを有し、特に、前記２つの距離センサーは、前記コアアセンブリ（１００）のコンプレッサー側端部の領域に配置されることを特徴とする、請求項２８に記載のテストベンチ。
【請求項３０】
前記２つの距離センサーは、互いに対して９０°〜１００°の角度、好ましくは９２°〜９７°の角度、最も好ましくは９５°の角度で配置されることを特徴とする、請求項２９に記載のテストベンチ。
【請求項３１】
前記テストベンチ（１０）は、前記シャフト（１３０）の軸方向移動を測定するための第２のセンサーユニット（９００）をさらに有することを特徴とする、請求項１〜３０のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項３２】
前記第２のセンサーユニット（９００）は、少なくとも１つの距離センサーを有し、前記距離センサーは、タービン側端部の領域に配置され、特に、前記距離センサーは、タービンハウジング（５００）上に固定されることを特徴とする、請求項３１に記載のテストベンチ。
【請求項３３】
前記テストベンチ（１０）は、前記測定構成要素（２００）における摩擦トルク及び軸方向力を直接測定するように設計されたことを特徴とする、請求項１〜３２のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項３４】
前記テストベンチ（１０）は、２５０，０００ｒｐｍ超過の速度で作動するように設計されたことを特徴とする、請求項１〜３３のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項３５】
ターボチャージャーのコアアセンブリ（１００）の直列の構成要素、特に、タービンホイール（１２０）、シャフト（１３０）及びベアリングハウジング（１１０）を含むベアリングユニットと、内部で稼働するオイル回路が使用され得ることを特徴とする、請求項１〜３４のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【請求項３６】
前記ベアリング装置（３００）に前記測定要素（２００）の無摩擦で取り付けることは、前記測定構成要素（２００）の表面で生じる摩擦力が、１．０Ｎ未満、好ましくは０．５Ｎ未満、最も好ましくは０．１Ｎ未満、特に、０．０１Ｎ未満であることを意味することを特徴とする、請求項１〜３５のいずれか一項に記載のテストベンチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電装置における回転可能に取り付けられた本体の力及びトルクを測定するためのテストベンチ（ｔｅｓｔ  ｂｅｎｃｈ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転可能に取り付けられた本体に関連してベアリングの回転速度及び軸方向荷重に応じて、ベアリングには異なる摩擦力及びこれによる摩擦損失が生じる。特に充電装置において、例えば、ターボチャージャーにおいて生じる非常に高い回転速度で、このような摩擦損失は関連性が非常に高い。しかしながら、いわゆるストライベック曲線（Ｓｔｒｉｂｅｃｋ  ｃｕｒｖｅ）における粘性摩擦の領域で生じる力に加えて、特にストライベックの下流の境界摩擦及び混合摩擦の領域における損失は重要である。取り付けの品質は、特に、ストライベック曲線の混合摩擦の領域における取り付けの挙動に左右される。従って、この領域で生じる力の正確な測定が好ましいが、これはベアリングの摩耗の兆候をより良好に分析し評価することができるのである。このようなタイプの分析のためには、実際の伝導下で、そしてまた可能ならば外乱変数無しで、空間位置（軌道経路、回転体の軸方向移動）及び摩擦トルクまたは摩擦力を正確に測定または決定することか必要である。
【０００３】
当業界では、摩擦力または摩擦トルクを測定するための多様なテストベンチが知られている（摩擦力テストベンチとしても知られている）。これらの既知のテストベンチに関連して、充電装置における摩擦力及びこれによる動力損失を決定するために、異なるアプローチが使用されている。
【０００４】
例えば、直接的な摩擦測定の原理が使用されるテストベンチがある。これは、ドライブによって供給される動力がテスト対象に到逹する動力と比較されることを意味する。公知の摩擦力テストベンチに関して、シャフトの作動は、結合要素を介してシャフトに結合される電動モーター形態のドライブを介して行われる。しかしながら、このようなタイプのテストベンチは、一般的に僅か８０，０００ｒｐｍの回転速度、多くの実施形態では最大１２５，０００ｒｐｍの回転速度を実現することができる。これは、例えば、ターボチャージャーの実際条件をすべてマッピングすることはできず、その結果は、最大３００，０００ｒｐｍの実際の使用で可能な回転速度を分析するために、代わりに外挿法によって推定すべきであることを意味する。さらに、これらのテストベンチにおいて、ドライブで調整された動力の偏差は測定装置で出力された動力と比較されるので、動力の損失は純粋に数学的に決定される。結果的に、摩擦トルクの直接的な測定はない。これにより発生した空気摩擦及びターボチャージャーローターの質量慣性が考慮されるべきである。結果の歪みを避けるために、これらの変数はテストの開始時に決定されるべきであり、テストとともに計算されるべきである。更なる欠点は、１つの特定の予め選択された軸方向荷重のみが測定のために使用され得ることである。また、電動モーターでの結合は、シャフトの変位経路（軌道経路）に影響を与える。
【０００５】
摩擦力を決定するための公知の代替案は、測定が減速テストの形態で行われるテストベンチを含む。これによって軸方向力及び半径方向力は、例えば、ノズルを使用して加えられる。テスト対象がドライブチャージャーを介して特定の速度に加速された後、テスト対象はドライブチャージャーから分離され、続いて減速テストが行われる。これは、テスト対象に、例えば、トルクセンサーを使用して行われる。このタイプの測定のためには、より高い速度に対する推定がまた必要である。また、これらの測定は、特定的に変形されたコアアセンブリまたは実際に変形を可能にするコアアセンブリでのみ可能である。結合によって加速中に軌道経路が歪まれることは更に不利である。同様に、ノズルを使用して半径方向の力を生成しても、実際の作動に直接変換されないであろう。
【０００６】
測定結果に悪影響を及ぼすこのような公知のテストベンチの欠点は、要約すると、特に、例えば、必要な変形によってテスト対象の変更された質量慣性；ドライブとスーパーチャージャーとの間の堅固な連結；そして、高速回転速度による結果は測定されず、補間によってのみ決定され得るという事実である。
【０００７】
従って、本発明の１つの目的は、最も実際的且つ影響がない条件下で、ベアリングにおいて、特にストライベック曲線の混合摩擦の領域において生じる力の高分解能測定を可能にするテストベンチを提供することである。本発明の更なる利点は、以下で説明されるであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、請求項１に記載の充電装置の回転可能に取り付けられた本体の力及びトルクを測定するためのテストベンチに関する。
【０００９】
本発明によるテストベンチは、充電装置の回転可能に取り付けられた本体と、測定構成要素と、前記測定構成要素を取り付けるためのベアリング装置と、を有する。ベアリング装置は、測定構成要素がベアリング装置に無摩擦で取り付けられる方式で構成される。無摩擦の取り付けによって、測定結果に及ぶ歪みの影響は実質的に排除される。これにより、テスト対象のベアリング（複数）に生じる摩擦力及び／または摩擦トルクを極めて正確に測定することになり、その結果、それに対して検出された摩擦損失をもたらす。これによって力とトルクは、直接測定されることができ、計算される必要はない。テストスタンドの特別な構成は、静的挙動に加えて、テスト対象でベアリングの一時的な摩擦挙動に関する説明を追加に可能にする。
【００１０】
このような文脈において、測定構成要素の無摩擦取り付けは、無視することができる程度に、ごく僅かな空気摩擦だけ生じできることを意味する。これにより、摩擦によるいわゆる離脱トルク（ｂｒｅａｋａｗａｙ  ｔｏｒｑｕｅ）は発生しない。このような文脈において、ベアリング装置に測定構成要素を無摩擦無で取り付けることは、測定構成要素の表面上に生じる摩擦力が、１．０Ｎ未満、好ましくは０．５Ｎ未満、最も好ましくは０．１Ｎ未満、特に、０．０１Ｎ未満であることを意味し得る。
【００１１】
実施形態において、測定構成要素は、摩擦トルク及び且つ軸方向力の直接測定を可能にするために、ベアリング装置で軸方向に摩擦無しで移動し、その縦軸を中心に回転できる測定シャフトであり得る。これを達成するために、ベアリング装置は、静圧空気ベアリング（ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ  ａｉｒ  ｂｅａｒｉｎｇ）を有することができる。この実施形態の１つの利点は、測定構成要素の実質的無摩擦空気取り付けが、結果に影響を及ぼし、結果を歪めるヒステリシス及び摩擦エラーを防止することである。静圧空気ベアリングは、少なくとも３つのベアリングシートを有することができ、特に空気ベアリングは、例えば、７つのベアリングシートを有することができる。これらのベアリングシートは、例えば、測定構成要素の周りの２つの軸方向位置に、３つ及び４つのアセンブリとして配置され得る。ベアリングシートは、ベアリングパッドを有することができる、従って、ベアリングパッドは、多孔質表面を有することができる。多孔質表面は、炭素を含むことができる。例えば、多孔質表面は、焼結された黒鉛を有することができる。テストベンチに関連して、作動中にベアリング装置と測定構成要素との間には、数マイクロメーターのベアリングギャップ（ｇａｐ）が形成され得る。例えば、ベアリングギャップは、３μｍ〜９μｍの幅、特に５μｍ〜７μｍの幅であり得る。ベアリング装置は、加圧空気を使用して駆動され得る。ベアリング装置に加えられる圧力は、２バール〜１０バール、好ましくは４バール〜６バールであり得る。
【００１２】
前述のすべての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、テストベンチは、摩擦トルクを測定するために測定構成要素に結合される摩擦トルク測定装置を有することができる。摩擦トルク測定装置は、測定構成要素の縦軸を中心に測定構成要素の回転が制限される方式で測定構成要素に結合され得る。摩擦トルク測定装置は、少なくとも１つのロードセル（ｌｏａｄ  ｃｅｌｌ）を有することができる。特に、摩擦トルク測定装置は、例えば、測定構成要素の正反対の側に配置された２つのロードセルを有することができる。これは、テストベンチの精密な校正及び摩擦トルクの両方向への測定が可能であり得る。ロードセル（複数）は、１つ以上のトルク支持体上に配置され得る。
【００１３】
前述のすべての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、テストベンチは、測定構成要素に生じる軸方向力を測定するために、測定構成要素に結合される軸方向力測定装置を有することができる。軸方向力測定装置は、測定構成要素の縦軸に沿って測定構成要素の軸方向変位が制限される方式で測定構成要素に結合され得る。このような構成は、例えば、ターボチャージャーコアアセンブリによって伝達される、測定構成要素に影響を及ぼす軸方向力の方向測定を可能にする。軸方向力測定装置は、軸方向力が測定されることによって歪みゲージを有することができる。さらに、軸方向力測定装置は、歪みゲージが適用された曲げビームを有することができる。軸方向力測定装置は、予想される測定力に調整され得るように構成され得る。これは、例えば、曲げビームが調整または交換され得るように実施され得る。測定構成要素と軸方向力測定装置との間の結合は、測定構成要素の縦軸にある単一の接触点を介して構成され得る。測定構成要素は、単一の接触点の領域に硬化表面を有することができる。単一点での接触及び硬化表面に起因して、例えば、生じる摩擦によって測定に及ぶ影響が大きく防止される。テストベンチは、軸方向力制御装置を有することができ、軸方向力測定装置からの測定値は、軸方向力制御装置の制御パラメーターとして作用する。軸方向力制御装置は、軸方向力のゼロ制御が可能になるように構成され得る。摩擦トルク測定装置及び軸方向力測定装置は、テスト対象のベアリング（複数）での軸方向及び半径方向に生じる、及び／またはベアリング（複数）によってテスト対象に生じる、軸方向及び半径方向の力及び摩擦トルクの独立した測定を可能にする。
【００１４】
前述のすべての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、テストベンチは、回転可能に取り付けられた本体を有するターボチャージャーコアアセンブリを有することができ、前記ターボチャージャーコアアセンブリは、タービンホイール、シャフト及びベアリングハウジングを含むベアリングユニットを有し、前記ベアリングハウジングは、測定構成要素に結合される。従って、回転可能に取り付けられた本体は、シャフトまたはタービンホイールとともにシャフトを含むことができる。作動中に、テスト対象、すなわちコアアセンブリは、実際作動でのようにタービンホイールを介して駆動される。これを介してテスト対象のゼロ速度から最大速度までの完全な速度調整が可能である利点がある。ターボチャージャーコアアセンブリは、また圧縮ホイールの代わりにシャフト上に配置される軸方向スラスト（ａｘｉａｌ  ｔｈｒｕｓｔ）ディスクを有することができる。この場合、回転可能に取り付けられた本体は、シャフト、タービンホイール及び軸方向スラストディスクを含む。軸方向スラストディスクは、軸方向スラストディスクの質量及び重心が、車両で正常作動のために提供されたコンプレッサーホイールの質量及び重心と同一の方式で構成され得る。軸方向スラストディスクの慣性トルクは、車両で正常作動のために提供されるコンプレッサーホイールの慣性トルクにほぼ対応することができる。さらに、軸方向スラストディスクに軸方向力を加えるための力付与装置が提供され得る。力付与装置は、特にシャフトの軸に沿って両方向に軸方向力を加えることができる。力付与装置は、空気圧システム（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  ｓｙｓｔｅｍ）を有することができ、前記空気圧システムは、特に、軸方向スラストディスクの両側に圧縮力を加えるために構成され、これは、軸方向スラストディスク及びこれによるシャフト上に作用する軸方向力が、テストベンチの作動中に両方向調整可能であることを意味する。代替的に、前記軸方向スラストディスクは、フェライト系物質を有することができ、前記力付与装置は、軸方向スラストディスクに軸方向力を加えるために、電磁石を有する電磁気装置を含むことができる。前記力付与装置は、軸方向力測定装置とともに軸方向力の調整を制御することができる軸方向力制御装置の一部として機能することができる。前記力付与装置は、測定中にテスト対象またはテスト対象のシャフト及びそのベアリングに影響を与える軸方向力がテスト対象シャフトの軸に沿って両方向に完全に変動することができるという利点がある。これにより、軸方向力に対していわゆるゼロ制御を可能にする。
【００１５】
前述のすべての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、テストベンチは、さらにタービンハウジングを有することができ、前記タービンハウジングは、シャフトの回転軸を中心に指向されており、前記タービンハウジングは、コアアセンブリから漏れギャップだけ分離され、従って、コアアセンブリと直接接触しない。
【００１６】
前述のすべての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、テストベンチは、シャフトの軌道経路を測定するための第１のセンサーユニットを有する。第１のセンサーユニットは、少なくとも２つの距離センサーを有することができる。これにより、２つの距離センサーは、コアアセンブリのコンプレッサー側端部の領域に配置され得る。２つの距離センサーは、互いに対して、特に９０°〜１００°の角度で、好ましくは９２°〜９７°の角度で、最も好ましくは９５°の角度で配置され得る。テストベンチは、シャフトの軸方向移動を測定するための第２のセンサーユニットを有することができる。第２のセンサーユニットは、少なくとも１つの距離センサーを有することができ、前記距離センサーは、タービン側端部の領域に配置される。特に、距離センサーは、タービンハウジングに固定され得る。センサーユニットは、すべての測定中にテスト対象のローター安全性及び軸方向動きが文書化できるという利点がある。結合要素の回避（テスト対象が電動モーターによって駆動されず、従って何らの結合も必要としないので）及び追加質量の回避によって、充電装置のシャフトの実際の軌道経路は歪まない。
【００１７】
前述のすべての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、テストベンチは、測定要素で摩擦トルク及び軸方向力を直接測定するように設計され得る。テストベンチは、２５０，０００ｒｐｍ超過の速度で作動するように設計され得る。
【００１８】
前述のすべての実施形態と組み合わせ可能な実施形態において、テストベンチは、ターボチャージャーのコアアセンブリの直列構成要素、特に、タービンホイール、シャフト及びベアリングハウジングを含むベアリングユニットと、内部で稼働するオイル回路が使用され得るように設計され得る。
【００１９】
充電装置のシャフトの取り付けの品質は、ストライベック曲線の混合摩擦の領域における挙動によって大きく変わる。本発明によるテストベンチを使用して、この領域で生じる力の正確な測定が初めて可能である。従って、ベアリングの摩耗兆候がより良好に分析され、評価され得る。これは、実際作動条件下で、そして、ほぼ外乱変数無しで空間位置（従って、シャフトの軸方向変位及び変位経路／軌道経路）及び摩擦トルクの両方とも正確に決定され得るため可能である。これらの測定値を組み合わせることにより、混合摩擦の領域におけるベアリングの挙動を正確に評価することができる。また、実質的に未変形のコアアセンブリ（コンプレッサーホイールの交換は、例外とする）が、本発明によってテストベンチのために使用され得る。従って、オイル回路（ｏｉｌ  ｃｉｒｃｕｉｔ）の変形は必要ではない。結果的に、関連するすべての潤滑油パラメーターについて、完全な変動性及び制御または調節機能がある。このような方式で、本発明によるテストベンチは、特に低い、そして、非常に高い速度／回転速度での挙動に関連して、充電装置のボールベアリングと標準ベアリング（プレーンベアリング）との比較をまた可能にする。
【００２０】
本発明の更なる詳細事項及び特徴は、以下の図面を参照して説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるテストベンチを一実施形態によって縦断面で示す。
【図２】図１の実施形態の本発明によるテストベンチの側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明によるテストベンチは、あらゆるタイプの充電装置の力及びトルクを測定するのに適している。ターボチャージャーにおけるベアリング力を測定するための実施形態は、図面を参照して後述されるであろう。
【００２３】
図１は、テストベンチ１０の断面図を示す。テストベンチは、充電装置の回転可能に取り付けられた本体、ベアリング装置３００に取り付けられた測定シャフト形態の測定構成要素２００を有する。ベアリング装置３００は、測定シャフト２００が無摩擦で取り付けされる方式で構成される。無摩擦で取り付けられるので、測定された結果に及ぶ歪みの影響は実質的に排除される。これにより、テスト対象のベアリングに生じる摩擦力または摩擦トルクを非常に正確に測定するようになり、その結果としてテスト対象から摩擦損失が決定される。これによって力及びトルクが直接測定されることができ、計算される必要はない。テストスタンドの特別な構成は、テスト対象のベアリングの一時的摩擦挙動だけでなく静的挙動に関して記述することを追加に可能にする。
【００２４】
測定構成要素または測定シャフト２００の無摩擦取り付けは、このような文脈において、無視することができる程度に、非常に低い空気摩擦が生じることができることを意味する。摩擦によって誘発されるいわゆる離脱トルクは生じない。ベアリング装置３００における測定構成要素または測定シャフトの無摩擦取り付けは、特に、測定シャフト２００の測定構成要素の表面で生じる摩擦力が、１．０Ｎ未満、好ましくは０．５Ｎ未満、最も好ましくは０．１Ｎ未満、特に０．０１Ｎ未満であることを意味し得る。
【００２５】
さらに、図１に示され、測定作業のために備えられたテストベンチ１０は、回転可能に取り付けられた本体を有するターボチャージャーコアアセンブリ１００の形態のテスト対象を有する。コアアセンブリ１００は、タービンホイール１２０、シャフト１３０及びベアリングハウジング１１０を含むベアリングユニットを含み、ベアリングハウジング１１０は、測定構成要素２００に連結されている。これにより、回転可能に取り付けられた本体は、シャフト１３０またはタービンホイール１２０とともにシャフト１３０を含むことができる。また、回転可能に取り付けられた本体は、例えば、コンプレッサーホイールをさらに有することができる。また、テストベンチ１０は、タービンハウジング５００を有し、タービンハウジング５００は、シャフト１３０の回転軸を中心に指向されており、タービンハウジング５００は、コアアセンブリ１００から漏れギャップだけ分離されており、従って、コアアセンブリと直接接触しない。これは、コアアセンブリ１００及びその上に固定された測定構成要素２００がタービンハウジング５００から完全に分離されていることを意味する。
【００２６】
図１に示されたテストベンチ１０の実施形態において、ベアリング装置３００は、静圧空気ベアリングである。これは、測定構成要素２００がテストベンチの作動中に空気ベアリング上に浮くようにテストベンチに取り付けられたことを意味する。このような取り付けタイプの１つの利点は、測定構成要素２００の実質的に無摩擦空気取り付けによって結果に影響を及ぼし、結果を歪めるヒステリシス及び摩擦エラーが防止されることである。静圧空気ベアリングは、特定の個数のベアリングシート４００を有する。示された実施例において空気ベアリングは、７つのベアリングシート４００を有する。これらのベアリングシートは（第１のベアリング装置領域で互いに、例えば、それぞれ１２０°でオフセットされ、そして、第２のベアリング装置領域で互いに、例えば、それぞれ９０°でオフセットされた）、測定構成要素２００の周りの２つの軸方向位置で３つ及び４つのアセンブリに配置される。図１では、ただ１つのベアリングシート４００のみが明らかに見えるが、これは、残りが覆われているか、断面図において見えないからである。ベアリングシート４００は、ベアリングパッドを有する。ベアリングパッドは、多孔質表面を有して圧縮空気がこれを介して流動することができる。多孔質表面は、炭素を含むことができる。例えば、多孔質表面は、焼結された黒鉛を有することができる。テストベンチ１０が作動するとき、ベアリング装置３００またはベアリングシート４００と測定構成要素２００との間には数マイクロメーターのベアリングギャップが形成される。例えば、ベアリングギャップは、３μｍ〜９μｍの幅、特に５μｍ〜７μｍの幅であり得る。ベアリング装置３００は、加圧空気を使用して作動する。ベアリング装置３００またはベアリングシート４００に加えられる圧力は、２バール〜１０バール、好ましくは４バール〜６バールであり得る。それぞれのベアリングシート４００に加えられた圧力は、ベアリングシート４００ごとに個別的に調整され得る。これは、完全に自動化された制御を介して作動中に行われる。ベアリングパッドは、張力調整装置（ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）１０００に結合され、張力調整装置を介して測定構成要素２００の方向にプリテンションされる。ばね付きクランプ装置１０００は、図１に示されている。圧縮空気がベアリングシート４００に加えられるとき、ベアリングシート４００は、ベアリングギャップを形成するために、クランプ装置１０００のばね力に対して最小限に移動する。
【００２７】
ベアリング配列の設計により、測定シャフト２００は、ベアリング装置３００において無摩擦で軸方向に移動することができ、測定装置の縦軸を中心に回転することができる。これは、摩擦トルクと軸方向力の両方ともの直接的な測定を可能にする。
【００２８】
図２において特に明らかなように、テストベンチ１０は、摩擦トルクを測定するために測定構成要素２００に結合された摩擦トルク測定装置７００を有する。これによって摩擦トルク測定装置７００は、測定構成要素２００が縦軸を中心に回転することが制限される方式で測定構成要素２００に結合される。測定構成要素の表面は、結合点でまたは結合点を通過した（摩擦）力の影響を防止するために、結合点で（例えば、点支持（ｐｏｉｎｔ  ｓｕｐｐｏｒｔ）の形態で）硬化及び／または平滑化され得る。図２に示された実施例の摩擦トルク測定装置７００は、２つのロードセル７１０を有する。これらのロードセルは、０．１Ｎの範囲の分解能／精度で非常に正確な測定を行うことができる。摩擦トルク及び摩擦力は、公知の応力中心距離（ｌｅｖｅｒ  ａｒｍ）（ロードセル７１０の測定点から測定構成要素２００の軸までの距離）及びシャフト１３０の公知の回転速度に関連して決定され得る。テストベンチは、０〜３０００Ｗの範囲の摩擦力を文書化するように設計されている。２つのロードセル７１０は、測定構成要素２０００の正反対の側に配置される。これは、テストベンチの正確な校正及び摩擦トルクの測定を両方の回転方向で可能にすることができる。２つのロードセル７１０は、１つ以上のトルク支持体７２０上に配置される。図２から明らかなように、摩擦トルク測定装置７００は、各側で校正用分銅（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｗｅｉｇｈｔｓ）のための対応するレセプタクル７３０を追加的に有する。テストスタンドの校正中に、レセプタクル７３０は、摩擦トルク測定装置７００を正確に調整するために、対応する分銅で合わせられることができる。
【００２９】
再び図１を参照すると、テストベンチは、測定構成要素２００に結合された軸方向力測定装置６００を有する。軸方向力測定装置６００は、測定構成要素２００で生じる軸方向力を測定するように機能する。これにより、軸方向力測定装置６００は、測定構成要素２００のその縦軸に沿った軸方向変位が制限されるように測定構成要素２００に結合される。このような構成は、ターボチャージャーコアアセンブリ１００から伝達され、測定構成要素２００に影響を及ぼす軸方向力の直接測定を可能にする。軸方向力測定装置６００は、曲げビーム６１０を有する。曲げビーム６１０には、軸方向力を測定することができる歪みゲージ（図示せず）が付与される。軸方向力測定装置６００は、さらに、予想される測定力及び使用されたコアアセンブリ１００のサイズに合わせて調整され得るように構成され得る。これは、例えば、曲げビーム６１０が調整されまたは交換されるゆえに実施され得る。測定構成要素２００と軸方向力測定装置６００との間の結合は、測定構成要素２００の縦軸上に置かれた単一の接触点を介して行われる。このような単一の接触点の領域において、測定構成要素２００は、硬化された表面を有することができる。硬化された表面と組み合わせて１つの単一点での接触に基づいて、例えば、接触点で生じる摩擦による、ロードセル７１０による測定の影響は回避され得る。テストスタンド１０は、さらに、軸方向力制御装置を有することができ、軸方向力測定装置６００からの測定値は、軸方向力制御装置に対する制御パラメーターとして機能することができる。従って、軸方向力制御装置は、軸方向力のゼロ制御が可能な方式で構成され得る。摩擦トルク測定装置７００及び軸方向力測定装置６００は、テスト対象のベアリング（複数）で半径方向または軸方向に生じる、及び／またはベアリング（複数）によってテスト対象に生じる軸方向と半径方向の力及び摩擦トルクの独立した測定を可能にする。
【００３０】
コアアセンブリ１００の設置または交換中に高感度測定装置（軸方向力測定装置６００及び摩擦トルク測定装置７００）が損傷されないようにするために、設置または変換作業中に測定構成要素をベアリング装置に固定させる取り外し可能なボルト１１００が提供される（図１参照）。
【００３１】
前述したように、図１に示されたテストベンチ１０は、ターボチャージャーコアアセンブリ１００を有する。コアアセンブリ１００は、タービンホイール１２０、シャフト１３０及びベアリングハウジング１１０を含むベアリングユニットを含み、ベアリングハウジング１１０は、測定構成要素２００に連結されている。作動中に、テスト対象、すなわち、コアアセンブリ１００は、実際作動時にタービンホイール１２０を介して駆動される。タービンホイール１２０自体は、空気流で作動するように設定される。これを介してテスト対象（すなわち、充電装置、例えば、図に示された実施形態のターボチャージャーのコアアセンブリ）の実際作動時にゼロから最大速度まで完全な速度調整が可能であるという利点がある。ターボチャージャーコアアセンブリ１００は、さらに、コンプレッサーホイールの代わりにシャフト１３０上に配置された軸方向スラストディスク１４０を有する。この場合、回転可能に取り付けられた本体は、例えば、シャフト、タービンホイール及び軸方向スラストディスクを含む。これにより、軸方向スラストディスク１４０は、好ましく、軸方向スラストディスク１４０の質量及び重心が車両で正常作動のために提供されたコンプレッサーホイールの質量及び重心と同一の方式で構成される。軸方向スラストディスク１４０の慣性トルクは、正常作動のために提供されたコンプレッサーホイールの慣性トルクにほぼ対応しなければならない。テストベンチ１０は、さらに、軸方向スラストディスク１４０に軸方向力を加える力付与装置を含む。力付与装置は、シャフト１３０の軸に沿って両方向に軸方向力を加えるように構成される。これは、軸方向スラストディスク１４０に（またはシャフト１３０上の軸方向スラストディスクを介して）作用する力または力ベクトルが、シャフトの軸に平行なタービン側端部の方向または反対方向に作用することができるということを意味する。力付与装置は、空気圧システムを有することができ、空気圧システムは、特に、軸方向スラストディスクの両側に圧縮力を加えるように構成される。この手段によって、軸方向スラストディスク１４０に作用する、そして、シャフト１３０上の軸方向スラストディスクを介して作用する軸方向力はテストベンチ１０の作動中に両方向に調整可能である。代替的に、軸方向スラストディスク１４０は、フェライト系物質を有することができ、力付与装置は、軸方向力を軸方向スラストディスク１４０に加えるために、電磁石を有する電磁気装置を含むことができる。力付与装置は、軸方向力測定装置とともに前述の軸方向力制御装置の一部として機能し、軸方向力の調整を制御できるようにする。力付与装置は、測定中にテスト本体またはテスト本体のシャフト１３０及びそのベアリングに影響を及ぼす軸方向力がテスト本体シャフト１３０の軸に沿って両方向に完全に変わることができる利点がある。力付与装置は、軸方向スラストディスク１４０及びシャフト１３０に０〜±３００Ｎの範囲の制御された軸方向力を加えることができる。このような制御は、さらに、精密な測定及び力付与装置に基づいて、軸方向力に対していわゆるゼロ制御を可能にする。
【００３２】
図１は、さらに、シャフト１３０の軌道経路を測定するためのテストベンチ１０の第１のセンサーユニットを示す。第１のセンサーユニットは、少なくとも２つの距離センサー８００を有する。２つの距離センサーは、コアアセンブリ１００のコンプレッサー側端部（テストベンチ１０に関連して、軸方向スラストディスク１４０がある端部）の領域に配置される。２つの距離センサー８００（２つの距離センサーのうちの１つのみが図１に示され、他の１つは切り取られている）は、互いに対して、特に９０°〜１００°の角度で、好ましくは９２°〜９７°の角度で、最も好ましくは９５°の角度で配置され得る。テストベンチ１０は、さらに、シャフト１３０の軸方向移動を測定するための第２のセンサーユニットを有する。図１に示されたテストベンチ１０の実施形態の第２のセンサーユニットは、距離センサー９００を有し、前記距離センサー９００は、コアアセンブリ１００のタービン側端部の領域に配置される。距離センサー９００は、タービンハウジング５００に固定され、コアアセンブリ１００の方向に突出する。対応する距離センサー８００、９００を有するセンサーユニットは、すべての測定中にコアアセンブリ／テスト本体のローター安全性及び軸の動きが文書化され得る利点を有する。（コアグループ／テスト本体が電動モーターによって駆動されず、従って、何らの結合も必要でないので）結合要素及び付加的な質量がないため、（示された実施形態においてターボチャージャーのコアアセンブリの）充電装置のシャフトの実際の軌道経路は歪まない。
【００３３】
既に前述したように、テストベンチ１０は、測定構成要素２００における摩擦トルク及び軸方向力を直接測定するように設計されている。これにより、図１及び図２に示されたテストベンチ１０の例において、充電装置、すなわち、ターボチャージャーのコアアセンブリ１００を実際の作動で達成された回転速度で作動させることが可能である。これは、テストベンチ１０がこれにより、コアアセンブリまたはその回転部品（タービンホイール１２０、シャフト１３０及び軸方向スラストディスク１４０）を２５０，０００ｒｐｍ超過の速度で作動させるように設計されたことを意味する。これにより、記述されたテストベンチ１０は、ターボチャージャーのコアアセンブリ１００の直列の構成要素、特にタービンホイール１２０、シャフト１３０及びベアリングハウジング１１０を有するベアリングユニットと、内部で稼働するオイル回路が使用され得るように構成される。従って、オイル回路の変形は必要なく、関連するすべての潤滑油パラメーターに対して完全な変動性及び制御または調節機能が提供される。
【図１】
2018523109.tif 000003
【図２】
2018523109.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月5日(2018.1.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電装置における回転可能に取り付けられた本体の力及びトルクを測定するためのテストベンチ（１０）であって、前記テストベンチ（１０）は：
充電装置の回転可能に取り付けられた本体と、
測定構成要素（２００）と、
前記測定構成要素（２００）を取り付けるためのベアリング構成要素（３００）と、を含み、
前記ベアリング構成要素（３００）は、前記測定構成要素（２００）が前記ベアリング構成要素（３００）に無摩擦で取り付けられる方式で構成される、テストベンチ。
【請求項２】
前記測定構成要素（２００）は、摩擦トルク及び／また軸方向力の両方ともを直接測定できるようにするために、前記ベアリング構成要素（３００）において無摩擦で軸方向に移動し、測定シャフトの縦軸を中心に回転することができる前記測定シャフトである、請求項１に記載のテストベンチ。
【請求項３】
前記ベアリング構成要素（３００）は、静圧空気ベアリング（ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ  ａｉｒ  ｂｅａｒｉｎｇ）を有し、前記ベアリング構成要素（３００）は加圧空気を使用して作動され、２バール〜１０バールの圧力が前記ベアリング構成要素に加えられる、請求項１に記載のテストベンチ。
【請求項４】
作動中に前記ベアリング構成要素（３００）と前記測定構成要素（２００）との間に、幅３μｍ〜９μｍのベアリングギャップが形成される、請求項１に記載のテストベンチ。
【請求項５】
摩擦トルクを測定するために前記測定構成要素（２００）に結合された摩擦トルク測定装置（７００）を備え、前記摩擦トルク測定装置（７００）は、前記測定構成要素の縦軸を中心にする前記測定構成要素（２００）の回転が制限される方式で前記測定構成要素（２００）に結合され、前記摩擦トルク測定装置（７００）は、少なくとも１つのロードセル（７１０）を有する、請求項１に記載のテストベンチ。
【請求項６】
前記測定構成要素（２００）で生じる軸方向力を測定するために前記測定構成要素（２００）に結合された軸方向力測定装置（６００）を備え、前記軸方向力測定装置（６００）は、前記測定構成要素（２００）の縦軸に沿った前記測定構成要素の軸方向変位が制限される方式で前記測定構成要素（２００）に結合される、請求項１に記載のテストベンチ。
【請求項７】
回転可能に取り付けられた本体を有するターボチャージャーコアアセンブリ（１００）を備え、前記ターボチャージャーコアアセンブリは、タービンホイール（１２０）、シャフト（１３０）、及びその内部で稼働するオイル回路を備えたベアリングハウジング（１１０）を含むベアリングユニットを有し、前記ベアリングハウジング（１１０）は、前記測定構成要素（２００）に連結される、請求項１に記載のテストベンチ。
【請求項８】
前記ターボチャージャーコアアセンブリは、コンプレッサーホイールをシミュレートするために、前記シャフト（１３０）上に配置された軸方向スラストディスク（１４０）をさらに有し、前記軸方向スラストディスク（１４０）は、前記軸方向スラストディスク（１４０）の質量及び重心が、車両で正常作動のために提供されたコンプレッサーホイールの質量及び重心と同一の方式で構成される、請求項７に記載のテストベンチ。
【請求項９】
前記テストベンチは、タービンハウジング（５００）をさらに有し、前記タービンハウジング（５００）は、前記シャフト（１３０）の回転軸を中心に指向されており、前記タービンハウジング（５００）は、前記ターボチャージャーコアアセンブリ（１００）から漏れギャップだけ分離され、従って前記ターボチャージャーコアアセンブリ（１００）と直接接触しない、請求項７に記載のテストベンチ。
【請求項１０】
前記テストベンチ（１０）は、前記シャフト（１３０）の軌道経路を測定するための少なくとも１つの第１のセンサーユニット（８００）及びシャフト（１３０）の軸方向移動を測定するための第２のセンサーユニット（９００）を有する、請求項１に記載のテストベンチ。
【請求項１１】
前記第１のセンサーユニット（８００）は、少なくとも２つの距離センサーを有し、前記２つの距離センサーは、前記ターボチャージャーコアアセンブリ（１００）のコンプレッサー側端部の領域に配置され、前記２つの距離センサーは、互いに対して９０°〜１００°の角度で配置され、前記第２のセンサーユニット（９００）は、少なくとも１つの距離センサーを有し、前記距離センサーは、タービン側端部の領域に配置され、特に、前記距離センサーは、タービンハウジング（５００）上に固定される、請求項１０に記載のテストベンチ。
【請求項１２】
前記ベアリング構成要素（３００）に前記測定要素（２００）を無摩擦で取り付けることは、前記測定構成要素（２００）の表面で生じる摩擦力が、１．０Ｎ未満、好ましくは０．５Ｎ未満、最も好ましくは０．１Ｎ未満、特に、０．０１Ｎ未満であることを意味する、請求項１に記載のテストベンチ。
【国際調査報告】
2018523109.tif 000005
2018523109.tif 000006
2018523109.tif 000007