KR100518630B1 - 과급기용 일체형 베어링 시스템 - Google Patents
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Abstract
저널과 스러스트 베어링을 갖춘 일체형 베어링시스템은 베어링 하우징에 중심이 맞추어진 단일 유닛(6)으로 통합되어 있고 그리고 터빈과 압축기 휠 스러스트면과 조합되는 저널면 윤활유 홈(38) 그리고 일체로 된 스러스트면 윤활유 홈(40)을 가지고 있다. 베어링은 끝에서부터 등간격으로 되어있는 제 1구멍(32)을 채용하여 위치결정 핀(18)과 결합하여 베어링 케이스 보어내에서 베어링의 회전을 방지하는 한편, 베어링 케이스 보어내에서 대칭적으로 자유로이 요동하도록 한다.
Description
본 발명은 과급기를 위한 베어링에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 베어링 하우징의 중앙에서 단일 유닛으로서 고정되어 포함되는 저널 베어링 및 스러스트 베어링을 갖추고 있으며, 그리고 터빈 및 압축기 휠 스러스트면과 통합된 일체형 스러스트면 및 저널 면 윤활 홈을 가지고 있는 일체형 베어링 시스템을 제공하고 있다.
배기 가스로 구동되는 과급기는 중앙 하우징에서 오일로 윤활된 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되는 터빈 휠 및 압축기 휠을 수용하고 있는 회전 샤프트를 포함하고 있다. 터빈 휠은 배기 가스에 의해 고속으로 회전되는데, 이 속도는 내연기관에서 사용하기 위한 배압된 차지(boosted charge)를 압축기 휠에 제공하도록 통상 100,000 RPM을 초과한다. 샤프트 및 휠의 축선방향 운동은, 베어링 시스템 그리고 베어링 시스템의 저널 작용에 의해 감쇠되고 수용되는 로터 결합체의 회전 운동에 의해 저지되어야 한다.
종래의 시스템은 통상적으로, 중앙 스페이서에 의해 분리되거나 개별적으로 격리된 한쌍의 저널 베어링을 채용하여서 소정의 회전 운동을 성취한다. 스러스트 하중은 종래의 스러스트 와셔 또는 칼라(collar)와 단부 플레이트 또는 플렌지를 통하여 흡수되는데, 이들은 저널 베어링과 일체형이 될 수 있는 하나의 요소인 것이다.
더하여, 간소화를 위하여 최소의 부품 개수를 채용하는 베어링 시스템을 제공하는 것은 바람직하다. 또한, 용이하게 평형 상태를 얻고 정상 상태를 향상시키도록 베어링 시스템에서 짝을 이루어 기능하는 면의 개수를 줄이는 것도 바람직하다. 더하여, 적절한 감쇠효과를 제공하면서 샤프트 운동을 수용하도록 베어링이 각도상의 유연성을 유지하는 것도 바람직하다.
도 1a는 일체형 베어링의 스러스트면과 압축기 휠 허브 사이에서 직접 접촉하고 있는 상태의 본 발명의 베어링 시스템의 제1 실시예에 따르는 과급기의 측단면도;
도 1b는 스러스트 와셔를 채용하고 있는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 과급기의 측단면도;
도 2는 일체형 저널 및 스러스트 베어링 유닛의 상세한 평단면도;
도 3a는 일체형 저널 및 스러스트 베어링 유닛의 끝면도;
도 3b는 형성된 요소들의 기하학적 관계를 도시한 도 3의 끝면도;
도 3c는 스러스트면에서 방사상 홈의 부분 상세도;
도 3d는 도 2내의 선 3d의 부분 상세도;
도 4는 도 2의 선4-4를 통한 단면도;
도 5는 윤활 시스템내의 랜드, 램프 및 플랫을 상세하게 도시하고 있는, 도 3b의 선5-5를 통한 유닛의 스러스트면의 상세 단면도;
도 6은 오일 시일, 스러스트면 및 코팅을 상세하게 도시하고 있는 본 발명에 채용된 압축기 휠의 단면도; 및
도 7은 도 6의 선7-7의 부분 상세 단면도.
본 발명을 채용하고 있는 과급기용 일체형 베어링 시스템은 베어링 케이스 보어, 그리고 베어링 케이스 보어의 대략 중앙으로 뻗어있는 위치결정 핀을 수납하는 구멍을 구비한 보스를 포함하고 있는 중앙 하우징과 통합되어있다. 하나의 단일편 베어링은 베어링 케이스 보어내에 수납되며, 대향 끝에서 일체형 스러스트면을 그리고 끝근처의 베어링 부분상에 일체형 저널 베어링을 가지고 있다. 베어링은 압축기 휠과 터빈 휠 사이에 뻗어있는 샤프트를 수납하는 내부 보어를 더 포함하고 있고, 내부 보어는 스러스트면들 사이에 뻗어있는 복수의 축방향 홈을 가지고 있다. 베어링은 끝들 사이의 베어링 케이스 보어내부에서의 베어링의 회전을 방지하도록 위치결정 핀을 결합하고 있는 제1 구멍을 더 포함하고 있다. 이러한 배열은 베어링이 베어링 케이스 보어 내부에서 대칭적으로 자유로이 요동하게 한다. 베어링은 대략 중앙에 위치되고 중앙 하우징내의 베어링 케이스 보어내로 들어가는 윤활유 채널과 연통되어 있는 제2 구멍을 더 가지고 있다. 각각의 압축기 휠과 터빈 휠상의 허브의 끝면에서 스러스트 러너는 베어링의 스러스트면과 결합한다.
본 발명의 상세한 것과 특성은 실시예와 도면에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도면을 참고하면, 본 발명에 통합되는 과급기는 도 1a에 도시되어있다. 터빈하우징(1), 중앙 하우징(2) 및 압축기 하우징(3)은 상기 과급기의 케이스를 형성한다. 터빈휠 및 샤프트조립체(4)는, 중앙 하우징에 의해 갖추어진 베어링(6)에 의해 회전식으로 지지된 샤프트를 가지고, 압축기 휠(5)에 부착된다. 터빈 휠 상의 피스톤 링 시일(7) 및 압축기 휠허브는 중앙 하우징으로부터 터빈 또는 압축기하우징으로의 윤활유 누출을 방지한다. 압축 링(8)은 중앙 하우징에 대한 압축기하우징의 밀봉부착을 향상시킨다. 측판(10)은 열장벽으로서 터빈휠 뒤로 뻗어있는 터빈하우징과 중앙 하우징 사이에서 맞물려있다. 볼트(13) 및 와셔 클램프(14)가 압축기 하우징을 중앙 하우징에 고정하는 한편 와셔클램프(12)을 관통하여 뻗어있는 볼트(11)는 터빈하우징을 중앙 하우징에 고정한다.
베어링(6)은 보스(22)내의 개구(20)를 통하여 삽입된 핀(18)에 의해 중앙 하우징의 베어링케이스 보어(16)내에서 회전되는 것이 억제된다. 베어링은 중앙에 위치된 핀 때문에 끝에서부터 끝까지 운동의 대칭적인 자유도를 가지고 반유동상태(semi-floating)에 있어서 그로 인해 상기 베어링 외경과 케이스보어 사이의 간격에서 유막(oil-film) 댐퍼(damper)의 효율성을 최적화시킨다. 베어링을 위한 윤활유는 입구(24)를 통하여 공급된다. 베어링을 통하여 뻗어있는 샤프트는 샤프트와 베어링 사이의 기름유동을 촉진하는 릴리프부분(26)을 포함한다.
베어링의 상세한 단면이 도2에 도시되어있다. 스러스트면(28,30)은 상기 베어링의 대향끝에 위치한다. 단일베어링구조는 최소한의 부품 수를 제공하고, 베어링의 요동작용 동안에 스러스트면의 최대 평행을 유지시킨다. 위치결정 핀을 수용하는 개구(32)의 중심위치는 베어링끝부의 일정한 댐핑작용을 허용한다.
베어링의 보어(34)는 스러스트면들 사이에서 뻗어있고 샤프트의 비이완부의 베어링지지를 위한 강화된 표면마감처리에 의해 특징되는 끝부(36)을 통합하고있다. 축방향의 홈(38)은 윤활유의 유동을 위해 보어면을 따라서 길이방향으로 뻗어있다. 축방향의 홈은 가볍게 부하가 걸린 베어링 조건에서 발생된 기름소용돌이의 감소을 통한 동시적인 샤프트운동에 대하여 저항을 개선하므로써 회전력학의 향상을 부가적으로 제공한다. 개시된 실시예에서 도시된 것과 같이 베어링은 압력이송윤활시스템을 채용한다.
도 3a 내지 도3d에 잘 도시된 바와 같이, 현재 생산품의 실시예를 위한 베어링의 스러스트면은 오염제어를 향상시키는 동시에 개선된 스러스트용량을 제공하는 복수의 방사상홈(40)을 통합하고있다. 도면에 도시된 실시예을 위해, 도 3c에 잘 나타낸 바와 같이 베어링보어내의 축방향의 홈과 정렬된 4 개의 홈을 가지고, 45˚간격으로(도 3b) 8 개의 방사상홈이 채용되어있다. 이 실시예에 있어서 사용된 V자형홈의 상세한 것이 도 3d에 도시되어있다. 홈은 0.15와 0.25mm 사이의 깊이를 가진 90˚V자형이다. 이 정점에서 반경이 구비되어있다. 각 스러스트면의 내부 둘레에서 릴리프(42)는 오일 공급 및 분배을 더욱 향상시킨다. 도 4에 도시된 베어링의 부분 끝 단면도는 핀개구(32) 및 윤활유 개구(44)를 도시한다.
도 5는 도 3b의 선5-5를 통한 단면으로서 베어링 상의 양쪽 스러스트면에 대한 외형을 도시한다. 상기 스러스트면에 대하여 압축기휠 및 터빈휠회전의 상대적인 방향에 있어서, 방사상 홈은 하부 플랫(46)에서 램프(ramp)(48)로 변하고 그리고 상부랜드(50)에서 끝난나. 도면에 도시된 현재의 제품 실시예에 대해서, 약 1.55mm의 램프길이가 하부플랫과 상부랜드 사이에서 0.025 내지 0.051mm 상승되어 사용된다.
베어링의 하나의 스러스트면은 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이, 터빈 휠 허브상에 스러스트 러너와 맞물린다. 설명된 베어링과 결합하여 채용된 압축기 휠이 도 6에 상세하게 도시되어 있다. 휠(5)은 시일 링 홈(52)과 허브(56)에 통합된 스러스트면(54)과 시일 링 홈(52)을 포함한다. 직접적으로 휠 허브상에 스러스트면을 통합하는 것은 결합표면의 숫자를 감소시켜서 스러스트면으로부터 열전달을 향상시킬 뿐만 아니라 밸런싱의 용이성 및 상태를 개선한다. 도시된 실시예에서, 압축기 휠상에 강한 양극산화처리(anodize)는 허브상에 스러스트와 밀봉 링 마모를 개선시키도록 채용된다. 미국 인디아나주 사우스 벤드 노스 파운데이션 드라이브 2424에 주소로 둔 니멧 인더스트리스, 인코퍼레이티드(Nimet Industries, Inc)에서 생산된 니터프(Nituff)코팅은 적절한 면을 제공한다는 것으로 알려져 있다. 공정을 용이하게 하기 위하여, 휠의 외부표면은 코팅되지만, 축 보어는 코팅되지 않는다. 도 7에 도시된 바와 같이, 스러스트면에 대한 보어 출구의 챔퍼(58)는 코팅의 경계를 위해 채용되어, 코팅시 보어를 막으므로서 스러스트면상에 코팅 축적물이 생기는 것을 피할 수 있다.
채용된 압축기 휠은 베어링에서 오버행(overhang) 무게를 최소화하는 축(62)에 대한 부착용 보어의 노즈에서 나사부분(60)을 통합한다. 게다가, 베어링 저널로부터 휠의 무게중심에 걸친 오버행 거리에 있어서의 전반적인 감소는 본 발명을 실시하는 베어링 시스템의 설계에 의하여 제공된다. 이러한 오버행의 감소는 압축기 끝부 변형을 감소시키고 베어링 댐퍼의 상대적인 위치를 개선한다.
본 발명의 제2 실시예는 도 1b에 도시되는데, 여기에서, 스러스트 와셔(64)는 베어링 스러스트면과 압축기 휠 허브사이에 포함된다. 이 와셔는 더 높은 마모 공차를 갖춘 스러스트 부하를 수용한다. 종래의 스러스트 칼라와 달리, 와셔의 사용은 필요한 표면 마무리 및 평행도가 더 쉽게 유지되는 단순한 제조 기하학을 제공한다.
당업자는 본 발명을 상세한 설명의 여기에 개시된 특정실시예에 대하여 변경과 개선을 할 수 있다. 이러한 변경과 개선은 첨부된 청구항에서 한정된 본 발명의 범위와 사상내에 존재한다.
Claims (10)
- 과급기용 일체형 베어링 시스템에 있어서,베어링케이스 보어, 그리고 보어의 실제로 중앙에 베어링케이스 보어내로 뻗어있는 위치결정 핀을 수용하는 구멍을 가진 보스를 포함하고 있는 중앙 하우징;베어링케이스 보어에 수납되어 있고 그리고 대향 끝에서 일체로 되어있는 스러스트면과 끝근처에서 베어링의 부분에 일체로 되어있는 저널베어링면을 가진 단일편의 베어링; 그리고각각의 압축기 휠과 터빈 휠의 허브의 끝면에서 베어링의 스러스트면과 결합하는 스러스트 러너;를 포함하고 있고,상기 베어링은 압축기 휠과 터빈 휠사이에서 뻗어있는 샤프트를 수납하기위한 내부보어를 더 가지고 있고, 내부보어는 스러스트면사이에서 뻗어있는 복수의 축방향 홈을 가지고 있으며, 상기 베어링은 끝들 사이의 베어링케이스 보어내에서 베어링의 회전을 방지하도록 위치결정 핀과 결합되는 제 1구멍을 가지고 있고, 상기 베어링은 베어링케이스 보어내에서 대칭으로 자유로이 요동하며, 상기 베어링은 실제로 중앙에 위치하고 중앙 하우징에서 베어링케이스 보어에 들어가는 윤활유 채널과 연통하는 제 2구멍을 더 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 각각의 스러스트면은 내부보어로부터 뻗어있는 복수의 방사상 홈과 통합되어있고, 상기 홈들중의 적어도 하나는 내부보어에서 상기 축방향 홈들중에 하나와 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 스러스트면은 축방향으로부터 방사상 홈까지 내부보어를 둘러싸는 릴리프와 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 스러스트면은 다음의 방사상 홈에 대향하여 인접한 상부 랜드에서 끝나는 램프로 변위되는 각각의 방사상 홈에 실제로 인접한 하부 플랫으로 주변이 윤곽지워지는 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 샤프트는 베어링에서 윤활유흐름을 증진하기 위해서 감소된 직경을 가진 중앙부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 베어링 외경은 제 1 및 제 2구멍을 포함하는 중앙 보스부와 저널면 부분사이에서 릴리프되어있는 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 압축기 휠은 베어링에 스러스트면들중에 하나를 결합하기 위해 스러스트면을 가진 일체로 된 허브와 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 압축기 휠과 통합된 허브는 피스톤 링 홈과 더 통합되어있고 그리고 베어링 시스템은 중앙 하우징과 밀봉적으로 결합되고 그리고 피스톤 링 홈에 장착된 피스톤 링으로 더 구성된 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 허브 스러스트면에서 양극산화처리된 코팅으로 더 구성된 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
- 제 9 항에 있어서, 양극산화처리된 코팅은 니터프코팅인 것을 특징으로 하는 과급기용 일체형 베어링 시스템.
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