专利名称：轴平衡系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及轴组件的测试和设计，并且更具体地涉及用于动态平衡这些组 件的方法和系统。
背景技术：
轴组件，例如"传动轴"等，常用于汽车和航空应用中，并且通常包括具有联接在 两端的万向节的轴体。倘若这些轴在工作期间处于高速，希望轴组件中固有的动态不平衡 最小化，由此减少振动并提高与轴组件联接的任何动力装置部件的寿命。当前已知的用于平衡轴组件的方法在许多方面不令人满意。例如，常规方法通常 集中于在轴体外部增加平衡块以便抵消任何所感测到的不平衡。这些平衡块增大了组件的 总重量，并且在操作或运转期间会分开。此外，把平衡块焊到轴上可能降低轴体的管材强 度，并且还可能导致因操作者失误、可用空间、不精确的修正重量或由轴所吸收的热量所引 起的动态变化而引起的不精确的平衡块布置。由于这些不精确性，几乎总是需要完成组件 的"检定旋转"，这极大地增加了制造时间和费用。不需要增加单独平衡块的用于轴平衡的另一种常用方法涉及使轴体设计有额外 材料一通常是环形特征的形式一然后从这些特征上除掉材料来抵消任何动态不平衡。这 些方法也导致制造出不必要重的轴，并且因此对性能和燃油经济性有不利影响。因此，希望提供一种用于动态平衡轴组件的改进系统和方法。本发明的其它所需 特征和特点将结合附图和前述技术领域以及背景技术，通过随后的详细描述和所附的权利 要求而变得显而易见。
发明内容
根据本发明的一个实施例，将被平衡的轴组件具有轴体、联接到轴体的第一端的 第一万向节，以及联接到轴体的第二端上的第二万向节。一种用于动态平衡轴组件的方法， 包括按预定速度转动轴组件、在转动轴组件的同时确定轴组件的不平衡水平、响应于不平 衡水平相对于第一和第二万向节迭代调整轴体的位置，从而在转动轴组件的同时确定最小 的不平衡水平、以及相对于轴体牢固地定位第一和第二万向节。根据一个实施例，一种用于平衡轴组件的设备包括第一平衡头，其包括第一组可 致动销，该可致动销配置成用于可调地夹紧轴组件第一端处的万向节轴承杯以及相对于第 一万向节可调地定位轴体；第二平衡头，其包括第二组可致动销，该可致动销配置成用于可 调地夹紧轴组件第二端处的万向节轴承杯以及相对于第二万向节可调地定位轴体；轴旋转 子系统，其配置成用于使轴组件转动；传感器子系统，其配置成用于确定在轴旋转子系统的 转动期间轴组件的不平衡水平；控制器，其联接到传感器子系统和第一、第二组可致动销， 该控制器配置成用于响应于不平衡水平迭代调整第一、第二组可致动销从而确定轴旋转子 系统转动期间最优(最小)的不平衡水平；以及多个固位(retention)部件，其配置成用于 相对于轴体牢固地定位第一和第二万向节。
本发明还包括如下方案方案1 一种用于平衡轴组件的设备，所述轴组件具有轴体、联接到所述轴体的第 一端上的第一万向节以及联接到所述轴体的第二端上的第二万向节，所述设备包括第一平衡头，其包括第一组可致动销，所述可致动销配置成用于可调地夹紧所述 轴组件的第一端处的第一万向节以及相对于所述第一万向节可调地定位所述轴体；第二平衡头，其包括第二组可致动销，所述可致动销配置成用于可调地夹紧所述 轴组件的第二端处的第二万向节以及相对于所述第二万向节可调地定位所述轴体；轴旋转子系统，其配置成用于使所述轴组件转动；传感器子系统，其配置成用于确定所述轴旋转子系统的转动期间所述轴组件的不 平衡水平；控制器，其联接到所述传感器子系统，以及所述第一组可致动销和所述第二组可 致动销，所述控制器配置成用于响应于不平衡水平迭代调整所述第一组可致动销和所述第 二组可致动销从而确定所述轴旋转子系统转动期间最优的不平衡水平；以及多个固位部件，其配置成用于相对于所述轴体牢固地定位所述第一万向节和所述 第二万向节。方案2 如方案1所述的设备，其中，所述第一万向节包括十字形部件，所述十字形 部件通过具有相应轴承杯的轴承结构可转动地联接到第一叉和第二叉上，而且其中，所述 第一组可致动销在所述轴承杯上施加压缩力。方案3 如方案1所述的设备，其中，所述多个固位部件包括原位成型的聚合物打 桩固位器或金属固位桩。方案4 如方案3所述的设备，其中，所述原位成型打桩固位器包括尼龙。方案5 如方案1所述的设备，其中，所述传感器子系统检测所述轴组件的转动期 间的不平衡力。方案6 如方案1所述的设备，其中，所述控制器通过无线数据连接联接到所述第 一组可致动销和所述第二组可致动销。方案7 —种平衡轴组件的方法，所述轴组件具有轴体、联接到所述轴体的第一端 上的第一万向节以及联接到所述轴体的第二端上的第二万向节，所述方法包括按预定速度转动所述轴组件；在按预定速度转动所述轴组件时确定所述轴组件的不平衡水平；响应于不平衡水平迭代调整所述轴体相对于所述第一万向节和所述第二万向节 的位置从而在转动所述轴组件时确定最优的不平衡水平；停止所述轴组件的转动；以及相对于所述轴体牢固地定位所述第一万向节和所述第二万向节。方案8 如方案7所述的方法，还包括通过第一组可致动销将所述轴组件的第一端联接到第一平衡头，所述第一组可致 动销配置成用于相对于所述第一万向节可调地定位所述轴体；将所述轴组件的第二端联接到第二平衡头，所述第二平衡头包括第二组可致动 销，所述第二组可致动销配置成用于可调地相对于所述第二万向节定位所述轴体。方案9 如方案7所述的方法，其中，牢固地定位所述第一万向节和所述第二万向节包括在所述第一万向节和所述第二万向节内原位形成打桩固位器。方案10 如方案9所述的方法，其中，牢固地定位所述第一万向节和所述第二万向 节包括在所述第一万向节和所述第二万向节中注射和固化热塑性材料或者形成金属固位 桩。方案11 如方案10所述的方法，其中，所述热塑性材料是基于尼龙的材料。方案12 如方案7所述的方法，其中，所述第一万向节包括十字形部件，所述十字 形部件通过具有相应轴承杯的轴承结构可转动地联接在第一叉和第二叉上，并且其中，迭 代调整的步骤包括在所述轴承杯上施加压缩力。方案13 如方案7所述的方法，其中，确定不平衡水平包括检测所述轴组件的转动 期间的不平衡力。方案14 如方案8所述的方法，其中，迭代调整的步骤包括通过数据通信信道将目 标致动器位置传递给可致动销的组。方案15 如方案14所述的方法，其中，迭代调整的步骤包括通过执行微处理器中 的机器可读指令来确定目标致动器位置，所述微处理器执行优化算法来确定最优的不平衡 水平。方案16 如方案8所述的方法，其中，迭代调整的步骤包括补偿所述第一组可致动 销和所述第二组可致动销的尺寸、重量和位置。方案17 —种轴组件，包括具有第一端和第二端的轴体；联接到所述轴体的第一端上的第一万向节，所述第一万向节包括第一叉、第二叉 和第一十字部件，所述第一叉固定在所述轴体上，所述第一十字部件通过第一组轴承部件 可转动地联接到所述第一叉和所述第二叉上；联接到所述轴体的第一端上的第二万向节，所述第二万向节包括第三叉、第四叉 和第二十字部件，所述第三叉固定在所述轴体上，所述第二十字部件通过第二组轴承部件 可转动地联接到所述第三叉和所述第四叉上；以及第一组打桩固位器，其联接在所述第一组轴承部件与所述第二叉之间，以及第二 组打桩固位器，其联接在所述第二组轴承部件与所述第四叉之间；其中，所述第一组打桩固位器和所述第二组打桩固位器中每个都具有使得所述轴 组件在转动期间的动态平衡基本上为最优的形状和位置。方案18 如方案17所述的轴，其中，所述第一组打桩固位器和所述第二组打桩固 位器中每个都包括原位成型的热塑性固位器或成型的金属桩。方案19 如方案18所述的轴，其中，所述热塑性固位器包括基于尼龙的材料。方案20 如方案17所述的轴，其中，所述轴体是多件型轴。
通过结合下列附图参考详细说明和权利要求可以得出对本发明更完整的理解，其 中，在所有附图中，相同的附图标记代表相似的元件。图1是根据一个实施例的轴平衡系统的概念系统水平的视图；图2示出示例性轴组件；
图3示出了根据一个实施例的平衡设备；图4A和4B是图3的平衡设备的特写；以及图5是描述根据一个实施例的平衡方法的流程图。
具体实施例方式下面的讨论总体上涉及用于通过在旋转测试期间迭代调整轴组件的部件来动态 平衡轴组件的方法和设备。在这点上，下列详细说明本质上仅仅是说明性的，并且不意图限 制本发明或本发明的应用和用途。而且，不意图受到在前述技术领域、背景技术
发明内容
或下面的详细说明中展现的明示或暗示理论的限制。为了简明起见，本文不需要详细描述 与轴设计、自动测试、动态平衡系统等相关的常规技术和原理。参照在图1中所示的概念框图，根据本发明的平衡设备100配置成用于容纳、固定 和平衡轴组件102。如本领域所公知的，轴组件102包括轴体103，轴体103具有联接在相 对端上的一对万向节104。在这点上，图2是以传统方式，也就是通过增加补偿平衡块204， 平衡的典型轴组件102的概图。在这个图解中，滑动叉202联接在最左边的万向节104上， 最右边的万向节用来联接从动轴。轴体103可以是单件或多件型(这通常需要额外的铰接 接头)。本发明适用于任何类型的传动轴中的任何万向节和所有万向节，并且可结合没有滑 动叉的传动轴、带有内部(inboard)滑行机构的传动轴以及带有法兰的传动轴。再次参照图1，平衡设备100包括由相应致动器120可滑动控制的可致动销110。 一组可致动销Iio配置成用于可调地夹紧轴组件102端部处的最左侧的万向节104并且相 对于相应万向节104可调地定位轴体102。第二组可致动销110配置成用于可调地夹紧轴 组件102端部处的最右侧的万向节104并且相对于最右侧的万向节104可调地定位轴体 103。轴旋转子系统135配置成用于使轴组件102相对于组件结构或壳体转动。轴旋转 子系统135可包括能够按预定速度转动的任何合适的常规马达和控制系统，正如本领域所 公知的。传感器子系统130配置成用于确定轴组件102在转动期间的不平衡水平并且把不 平衡信息传递给控制器150 (例如通用计算机、微控制器，或硬件、软件和/或固件的任何其 它合适的组合)内的平衡模块152。在转动组件102时，这些传感器子系统130通常感测沿 着多个轴线方向上的力，并且这些传感器子系统130是本领域公知的。控制器150通过任何便利的有线或无线信道(例如，标准以太网、WiFi、蓝牙、 ZigBee等)联接到传感器子系统130和第一、第二组可致动销110上。控制器150，通过平 衡模块152，配置成用于响应于不平衡的水平(接收自子系统130)迭代调整第一、第二组 可致动销110从而确定实际转动期间最小的不平衡水平。在确定了最优(最平衡)构造之 后，多个固位部件配置成用于相对于轴体103牢固地定位第一和第二万向节104，这将在下 文进一步详细描述。图3示出根据一个实施例的平衡设备100的概图。如所示，将轴组件102的一端 连接(通过可动作销110)到固定的平衡头302，而轴组件102的相对端类似地连接到可调 的(可滑动的)平衡头304。也就是说，平衡头304可相对于基部或壳体306滑动，从而适 应各种轴长。
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现在参照图4A和4B所示的特写，万向节104大体包括内十字形部件408，其通过 具有相应轴承杯402的轴承结构可转动地联接到一对叉404上。在一个实施例中，可致动 销110配置成用于在平衡过程期间将压力施加在轴承杯402上，从而允许沿着两个垂直轴 线相对于叉404调整部件408。在一个实施例中，固位部件410是原位成型的聚合物固位器(图4A)。也就是说， 在组件102仍被固定在测试设备内时形成该固位部件(例如，通过在相关部件之间注射和 固化液体热塑性复合物)。例如，在一个实施例中，固位器410由基于尼龙的材料形成，该材 料注入所产生的间隙中，然后适当地固化。许多其它标准方法可用于利用各种金属成型操 作即"打桩作业(staking operations)“来固定万向节104。后面的实施例在图4B中所 示，此处，变形部分411用于固定这些部件。图5是流程图，总体上示出根据一个实施例的平衡轴组件的方法。如图所示，轴组 件在测试组件内进行初始设置(502)。这通常会包括对轴、万向节、可致动销等的初始定位。然后，激活测试组件以使轴组件按预定速度转动(504)。可以根据应用的性质选择 测试速度。例如，在一个实施例中，轴组件按约3500rpm转动。然后，系统(通过控制器150、平衡模块152和检测子系统130)确定轴组件102在 转动期间的不平衡的水平(506)。如上所述，这些传感器的性质和力数据的采集是本领域公 知的，本文不必描述。平衡模块152然后响应于不平衡的水平迭代调整轴体相对于第一和第二万向节 的位置(例如通过发送给可致动销110的信号)从而在转动轴组件时确定最优不平衡水平 (508,510) 0可以根据多种已知算法执行优化，包括最速下降法等。因为定位销110具有质 量，由此对总的转动不平衡起作用，平衡最优化算法考虑了它们的定位来确定产生的转动 轴的动态平衡状态。在完成了优化之后，停止转动，并且在从测试设备100拆下组件102之前，利用如 上所述的固位方案把第一和第二万向节相对于轴体103固定在适当位置(512)。尽管在前面的详细说明中已经展示了至少一个示例性实施例，但应当意识到，还 存在许许多多的变形。还应当意识到，本文描述的(多个)范例实施例不意图以任何方式 限制本发明的范围、适用性或构造。相反地，前面的详细说明将给本领域技术人员提供了实 施所述(多个)实施例的便利和启发性路径。应当理解，在不脱离本发明及其法律等价物 的范围的情况下，可以对元件的功能和布置做出多种改变。
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权利要求
1.一种用于平衡轴组件的设备，所述轴组件具有轴体、联接到所述轴体的第一端上的 第一万向节以及联接到所述轴体的第二端上的第二万向节，所述设备包括第一平衡头，其包括第一组可致动销，所述可致动销配置成用于可调地夹紧所述轴组 件的第一端处的第一万向节以及相对于所述第一万向节可调地定位所述轴体；第二平衡头，其包括第二组可致动销，所述可致动销配置成用于可调地夹紧所述轴组 件的第二端处的第二万向节以及相对于所述第二万向节可调地定位所述轴体；轴旋转子系统，其配置成用于使所述轴组件转动；传感器子系统，其配置成用于确定所述轴旋转子系统的转动期间所述轴组件的不平衡 水平；控制器，其联接到所述传感器子系统，以及所述第一组可致动销和所述第二组可致动 销，所述控制器配置成用于响应于不平衡水平迭代调整所述第一组可致动销和所述第二组 可致动销从而确定所述轴旋转子系统转动期间最优的不平衡水平；以及多个固位部件，其配置成用于相对于所述轴体牢固地定位所述第一万向节和所述第 二万向节。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一万向节包括十字形部件，所述十字形部件 通过具有相应轴承杯的轴承结构可转动地联接到第一叉和第二叉上，而且其中，所述第一 组可致动销在所述轴承杯上施加压缩力。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述多个固位部件包括原位成型的聚合物打桩固 位器或金属固位桩。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述原位成型打桩固位器包括尼龙。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述传感器子系统检测所述轴组件的转动期间的 不平衡力。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述控制器通过无线数据连接联接到所述第一组 可致动销和所述第二组可致动销。
7.一种平衡轴组件的方法，所述轴组件具有轴体、联接到所述轴体的第一端上的第 一万向节以及联接到所述轴体的第二端上的第二万向节，所述方法包括按预定速度转动所述轴组件；在按预定速度转动所述轴组件时确定所述轴组件的不平衡水平；响应于不平衡水平迭代调整所述轴体相对于所述第一万向节和所述第二万向节的位 置从而在转动所述轴组件时确定最优的不平衡水平；停止所述轴组件的转动；以及相对于所述轴体牢固地定位所述第一万向节和所述第二万向节。
8.如权利要求7所述的方法，还包括通过第一组可致动销将所述轴组件的第一端联接到第一平衡头，所述第一组可致动销 配置成用于相对于所述第一万向节可调地定位所述轴体；将所述轴组件的第二端联接到第二平衡头，所述第二平衡头包括第二组可致动销，所 述第二组可致动销配置成用于可调地相对于所述第二万向节定位所述轴体。
9.如权利要求7所述的方法，其中，牢固地定位所述第一万向节和所述第二万向节包 括在所述第一万向节和所述第二万向节内原位形成打桩固位器。
10. 一种轴组件，包括具有第一端和第二端的轴体；联接到所述轴体的第一端上的第一万向节，所述第一万向节包括第一叉、第二叉和第 一十字部件，所述第一叉固定在所述轴体上，所述第一十字部件通过第一组轴承部件可转 动地联接到所述第一叉和所述第二叉上；联接到所述轴体的第一端上的第二万向节，所述第二万向节包括第三叉、第四叉和第 二十字部件，所述第三叉固定在所述轴体上，所述第二十字部件通过第二组轴承部件可转 动地联接到所述第三叉和所述第四叉上；以及第一组打桩固位器，其联接在所述第一组轴承部件与所述第二叉之间，以及第二组打 桩固位器，其联接在所述第二组轴承部件与所述第四叉之间；其中，所述第一组打桩固位器和所述第二组打桩固位器中每个都具有使得所述轴组件 在转动期间的动态平衡基本上为最优的形状和位置。
全文摘要
本发明涉及轴平衡系统和方法。具体地，提供了一种轴组件，其具有轴体、联接在轴体的第一端上的第一万向节以及联接在轴体的第二端上的第二万向节。一种用于动态平衡轴组件的方法包括按预定速度转动轴组件、在按预定速度转动轴组件时确定轴组件的不平衡水平、响应于不平衡水平迭代调整轴体相对于第一和第二万向节的位置从而在转动轴组件时确定最优的不平衡水平以及相对于轴体牢固地定位第一和第二万向节。
文档编号F16D3/26GK102004016SQ201010124049
公开日2011年4月6日 申请日期2010年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者R·V·罗德里格斯 申请人:通用汽车环球科技运作公司