KR101027459B1 - 축방향 마찰 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 윤활 회로에 연결된 배기가스 터보 과급기의 회전 샤프트를 지지하기 위한 축방향 마찰 베어링은 하나 이상의 실질적으로 편평한 미끄럼 면, 및 상기 미끄럼 면과의 그 사이에 놓인 윤활 갭을 형성하는, 프로파일화된 환형 면 형태의 베어링 면(3)을 포함하며, 상기 베어링 면(3)은 그것 내에 형성되어, 방사 방향으로 연장하는, 외측으로 개방된 다수의 윤활유 홈(2), 다수의 웨지 면(1) 및 편평한 트랩 면(5)을, 각각 하나의 웨지 면(1) 및 각각 하나의 편평한 트랩 면(5)이 함께 인접한 윤활유 홈들(2) 사이에 배치되도록 포함하는, 축방향 마찰 베어링을, 종래의 단점(입자에 의한 마모, 높은 윤활유 소비, 자연 고장 경향, 높은 베어링 손실)이 피해지고, 특히 윤활 갭 내에 충분한 압력이 형성되면서 충분한 오일 체적 흐름이 보장됨으로써, 프로파일화된 베어링 면(3)의 외측 시일 웹이 생략될 수 있도록 개선하기 위해, 상기 웨지 면(1)은 원주 방향과 반경 방향으로 2개의 방향으로 좁아지는 윤활 갭을 형성하도록 수렴 배향을 갖는다.

배기가스 터보 과급기, 미끄럼 면, 환형 면, 윤활 갭, 윤활유 홈, 웨지 면, 트랩 면

Description

축방향 마찰 베어링{AXIAL FRICTION BEARING}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른, 윤활유 회로에 연결된 배기가스 터보 과급기의 회전 샤프트를 지지하기 위한 축방향 마찰 베어링에 관한 것이다.

배기가스 터보 과급기의 지지를 위해, 특히 유체 역학적 축방향 마찰 베어링, 즉 축방향 힘을 수용하고 축방향으로 안내하기 위한 회전 샤프트의 마찰 베어링이 사용된다.

공지된 바와 같이, 특히 축류 터보 과급기의 경우에는 유동으로 인해 높은 축방향 추력이 발생하고, 상기 추력은 일반적으로 프로파일화된 베어링 면을 가진 유체 역학적 축방향 마찰 베어링으로부터 하우징으로 전달된다.

예컨대, EP 0 840 027 A2에는 베어링 하우징과 견고하게 연결된 베어링 바디, 샤프트와 함께 회전하는 베어링 콤(comb), 및 상기 베어링 바디와 상기 베어링 콤 사이에 제공된 하나 이상의 윤활 갭을 포함하는 이러한 축방향 마찰 베어링이 공지되어 있다. 상기 윤활 갭은 프로파일화된 환형 면과 편평한 미끄럼 면으로 형성되고 오일 공급부와 연결된다. 샤프트 쇼울더, 즉 샤프트 상에 놓인 베어링 콤은 적어도 간접적으로 고정 베어링 하우징의 단부면에 대해 동작한다. 환형 면은 방사 방향으로 배치된 다수의 윤활유 홈을 갖는다.

그러나, 일반적으로 윤활유 내에는 윤활 갭 폭의 크기를 가진 오염 입자가 존재한다. 윤활 갭 폭의 감소시 오염 입자의 손상 작용은 커진다.

이러한 효과를 막기 위해, 이미 여러 가지 해결책이 있다.

예컨대, EP 0 840 027 A2에 따르면 이러한 축방향 마찰 베어링에서, 가장 가까운 윤활유 홈의 영역에 최소 윤활 갭 높이가 설정되도록 원주 방향으로 배향된 웨지 면을 형성함으로써, 유체 역학적 압력 형성에 유리한 수렴 윤활 갭을 얻는다.

고정 형성된 웨지 면을 가진 축방향 마찰 베어링에 있어서 회전자에 작용하는, 유동에 기인한 축방향 힘을 수용하기 위해, 모든 웨지 면에 인접한 트랩 면이 제공되고, 상기 트랩 면에 걸쳐 윤활 갭 배출부가 연장된다.

유체 역학적 윤활의 특징은 표면의 일치이다. 좁아지는 윤활 갭이 주어지고, 점성 윤활제가 사용되며, 좁아지는 갭의 방향으로 미끄럼 운동이 일어나면 윤활막에 지지 압력이 발생한다. 윤활제가 수렴하는 윤활 갭 내로 충분히 도입되면, 윤활제에 의해 표면의 완전한 분리가 일어나는데, 이는 마모 감소 및 그에 따라 확실한 작동에 있어서 결정적이다.

적은 손실 및 허용 가능한 오일 소비에 대한 요구에 부합하기 위해, 회전자와 하우징 사이에 자유 부동 축방향 베어링 원판을 사용하는 해결책이 공지되어 있다. 자유 부동 원판을 가진 축방향 베어링의 실시예는 큰 오일 체적 흐름을 갖는데, 그 이유는 2개의 윤활 갭이 존재하고 오일이 원심 분리 효과로 인해 웨지 면을 통해 유출되기 때문이다. 이로 인해 웨지 면을 따른 가능한 압력 형성이 감소되고 윤활 갭 폭이 감소된다.

본 출원인에 의해 이미 입증된 고정 축방향 베어링은 각각 시일 웹에 의해 외부로 제한된 윤활 홈을 가진 고정 세그먼트 베어링을 포함한다. 각각의 시일 웹은 이 시일 웹을 관통하는 방사 방향 외측으로 연장하는 윤활 및 냉각 홈을 가지며, 상기 베어링은 양호한 지지 능력을 갖지만, 높은 전단 속도로 인해 큰 마찰 손실 및 소위 "자연 고장"(하기 참조)의 경향을 갖는다.

특히 EP 0 840 027 A2에는 샤프트를 중심으로 또는 샤프트와 함께 회전하는 자유 부동 원판을 가진 축방향 베어링이 공지되어 있는데, 상기 베어링에서는 외측에 놓인 시일 웹에 의해 웨지 면이 방사 방향으로 제한되고, 방사 방향 외측으로 연장하는 오염 또는 냉각 홈에 의해 시일 웹이 중단된다. 상기 윤활유 홈 및 웨지 면을 제한하는 상기 시일 웹에 의해, 웨지 면의 영역에서 보다 적은 윤활유가 방사 방향 외측으로 유출될 수 있다. 그러나, 상기 해결책은 그러한 실시예가 소위 "자연 고장"의 경향을 갖는다는 단점을 갖는다(하기 참조).

상기 자연 고장의 메커니즘은 다음과 같이 이루어진다. 최소 윤활 갭 높이가 시일 웹에 있는 갭 높이에 상응한다. 높은 축방향 힘은 더 큰 압력의 (유체 역학적) 형성을 필요로 하고, 더 큰 압력은 더 작은 윤활 갭 폭을 필요로 하며, 더 작은 윤활 갭 폭 또는 시일 웹에서의 더 작은 갭 높이는 오일 체적 흐름을 감소시킨다. 그러나, 감소된 오일 체적 흐름은 더 작은 냉각 및 더 높은 평균 오일 온도를 야기하고, 더 높은 평균 오일 온도는 오일 점성을 크게 강하시키고, 오일 점성의 큰 강하는 유체 역학적 압력의 형성을 저지한다. 이러한 효과는 작은 윤활 갭 폭으로 인한 높은 압력의 효과보다 우위를 차지한다. 그 결과, 자연 고장이 발생한다. 즉 유체 역학적 압력의 갑작스런 붕괴 및 미끄럼 면의 기계적 접촉이 발생한다.

본 발명의 목적은 전술한 방식의 축방향 마찰 베어링을 상기 단점(입자에 의한 마모, 높은 윤활유 소비, 자연 고장 경향, 높은 베어링 손실)이 제거되도록 개선하고, 특히 윤활 갭 내에 충분한 압력이 형성되면서 충분한 오일 체적 흐름이 보장됨으로써, 프로파일화된 베어링 면의 외측 시일 웹이 생략될 수 있는 축방향 마찰 베어링을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1의 전제부와 관련해서 청구항 1의 특징에 의해 달성된다.

유체 역학적 압력 형성은 전단 속도의 방향으로 수렴하는 윤활 갭과 관련한 윤활유 내의 전단 속도에 의해 이루어진다. 윤활유 내의 전단 속도는 (상대 회전 운동으로 인한) 원주 성분 및 (연속성으로 인한) 방사 방향 성분으로 구성된다. 방사 방향으로 웨지 면의 추가 배향에 의해, 전단 속도의 방사 방향 성분이 추가의 유체 역학적 압력을 형성하는데 사용될 수 있다. 그 결과, 윤활 갭의 폭이 커짐으로써, 마모가 감소된다.

전단 속도의 방사 방향 성분에 의해 추가의 유체 역학적 압력을 형성하기 위해, 웨지 면의 방사 방향 배향과 윤활유의 방사 방향 유출이 필요하고 바람직하다. 그러나, 웨지 면의 방사 방향 배향으로 인해 방사 방향에 대해서도 수렴하는 윤활 갭이 존재하여, 과도한 윤활유 소비가 효과적으로 방지된다.

증가된 축방향 힘은 방사 방향으로 배향된 웨지 면을 가진 축방향 베어링에서도 윤활 갭 폭의 감소 및 그에 따른 오일 체적 흐름의 감소를 야기한다. 그러나, 연속성 때문에, 윤활유의 방사 방향 속도 성분이 거의 일정하게 유지된다. 추가적으로 발생되는 관련 유체 역학적 압력은 윤활 갭 폭의 감소에 의해 커진다. 이러한 관계에 의해, 오일 체적 흐름이 시일 웹을 가진 종래의 축방향 베어링에서만큼 심하게 스로틀되지 않는다. 평균 윤활유 온도 또는 윤활유 점성은 축방향 힘의 증가에 대해 민감하지 않으며, 자연 고장의 위험이 효과적으로 감소된다.

방사 방향으로 배향된 웨지 면은 소위 고정 축방향 베어링(미끄럼 면의 상대 각 속도가 샤프트의 각 속도에 상응함)의 실시예에서 뿐만 아니라 2개의 미끄럼 면 사이에 자유 부동 원판을 가진 실시예에서도 조합될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 프로파일화된 베어링 면은 부동 원판 상에 형성되며, 상기 부동 원판은 예컨대 회전 샤프트의 베어링 콤과 간접 또는 직접적으로 설치된 고정 베어링 하우징에 미끄럼 면 사이에 배치된다. 후자의 실시예에서, 특히 바람직하게는 자유 부동 원판이 본 발명에 따른 양측의 베어링 면 프로파일, 특히 2차원의 "나선형" 웨지 면 프로파일을 갖는다. 샤프트의 각 속도의 약 1/2 각 속도로의 자유 부동 원판의 회전, 및 2개의 윤활 갭의 존재로 인해, 베어링 손실이 거의 반으로 감소된다.

특히, 전술한 원리는 고정 및 회전 축방향 마찰 베어링 원판에 적용될 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.

도 1은 고정 베어링 또는 부동 원판의 환형 면 형태의 본 발명에 따른 프로파일화된 베어링 면의 부분도.

도 2는 반경 방향으로 내부로부터 외부로 도 1의 선 A-A, B-B, C-C를 따른 도 1의 환형 베어링 면의 횡단면도.

배기가스 터보 과급기(도시하지 않음)는 실질적으로 3개의 하우징 부분, 즉 터빈 하우징, 베어링 하우징 및 압축기 하우징으로 구성된다. 공지된 바와 같이, 샤프트는 베어링 하우징 내에 있고 윤활유가 각각 공급되는 유압식 레이디얼 베어링 및 축방향 마찰 베어링 내에 회전 가능하게 지지된다.

전술한 대상의 범주에서 독창적으로 고려되는 것은 축방향 마찰 베어링의 특별한 구성이기 때문에, 본 발명의 이해를 위해 중요한 부분만이 도시된다.

축방향 마찰 베어링 부품은 프로파일화된 환형 면 형태의 베어링 면(3)을 갖는다. 상기 베어링 면은 규칙적인 간격으로 환형 면의 둘레에 걸쳐 분포된 다수의 윤활유 홈(2)을 갖는다. 상기 홈은 베어링 면 내에서 방사 방향으로 연장한다. 인접한 윤활유 홈들 사이에는 각각 웨지 면(1)과 이 웨지 면에 연결된 편평한 트랩 면(5)이 형성된다.

윤활유 홈(2)의 내주는 개방되어 있어서, 배기가스 터보 과급기의 윤활유 회로로부터 윤활유 공급을 가능하게 한다. 윤활유 홈(2)의 외주도, 즉 베어링 하우징의 방향으로도 개방되어 있지만, 각각 채널(4)에 의해 좁아진다.

웨지 면(1)은 프로파일화된 환형 면(3)의 원주 방향으로, 그리고 방사 방향으로 내부로부터 외부로 상기 두 방향으로 좁아지는 윤활 갭을 형성하기 위해 각각 수렴 배향성을 갖는다.

원주 방향에서 웨지 면(1)의 수렴 배향은 예컨대 EP 0 840 027 A2에 공지되어 있고, 방사 방향으로 상기 웨지 면(1)의 추가의 수렴 배향은 도 2에 도시되어 있다.

환형 면(3)의, 샤프트에 가까운 내주 영역에서 횡단면 A-A은 웨지 면에 걸쳐 비교적 큰 윤활 갭 폭(웨지 깊이)을 보이며, 윤활 갭의 폭은 단면 B-B에서부터 단면 C-C까지 환형 면(3)의 외주의 방향으로 트랩 면(5)의 레벨까지 감소된다. 즉, 웨지 면(1)은 환형 면의 내주에서부터 외주로 수렴하도록 배향된다. 특히, 단면 A-A에서는 환형 면(3)의 원주 방향으로 웨지 면(1)의 수렴 배향이 나타난다. 상기 2개의 배향이 이와 같이 (2차원적으로) 중첩하는 것으로 인해, "나선형" 웨지 면(1)이 형성된다. 상기 웨지 면은 시일 웹(참고: EP 0 840 027 A2)에 의해 외부에 대해 웨지 면을 "챔버화(chambering)"하는 실시예와는 달리, 각각의 웨지 면에서 윤활유가 방사 방향으로 충분히 흘러나갈 수 있고 전술한 방식으로 윤활유 체적 흐름의 상기 방사 방향 성분을 압력 형성에 추가로 이용할 수 있는 반면, 시일 웹을 가진 공지된 변형예는 환형 면의 원주 방향으로의 압력 형성만을 가능하게 하므로 전술한 문제점을 갖는다.

Claims (4)

1. 윤활유 회로와 연결된 배기가스 터보 과급기의 회전 샤프트를 지지하기 위한 축방향 마찰 베어링으로서, 하나 이상의 실질적으로 편평한 미끄럼 면 및 이 미끄럼 면과의 사이에 놓인 윤활 갭을 형성하는 프로파일화된 환형 면 형태의 베어링 면(3)을 포함하며, 이 베어링 면은 베어링 면 내에 형성되어 방사 방향으로 연장하는 외측으로 개방된 복수의 윤활유 홈(2), 복수의 웨지 면(1) 및 편평한 트랩 면(5)을 포함하고, 각각 하나의 웨지 면(1)과 각각 하나의 편평한 트랩 면(5)이 함께 인접한 윤활유 홈(2) 사이에 배치되는 것인 축방향 마찰 베어링에 있어서,

   상기 웨지 면(1)이 원주 방향과 방사 방향의 양방향으로 좁아지는 윤활 갭을 형성하도록 수렴하는 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 축방향 마찰 베어링.
2. 제1항에 있어서, 베어링 면(3)은 부동 원판 상에 형성되고, 이 부동 원판은 회전 샤프트의 베어링 콤(comb)과 고정 베어링 하우징의 미끄럼 면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 축방향 마찰 베어링.
3. 제2항에 있어서, 부동 원판이 양측에 제1항에 따른 프로파일화된 환형 면(3)을 가지며, 환형 면(3)은 각각 편평한 미끄럼 면과 협동하는 것을 특징으로 하는 축방향 마찰 베어링.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 편평한 미끄럼 면은 고정 형성되고, 각각의 프로파일화된 환형 면(3)은 샤프트를 중심으로 또는 샤프트와 함께 회전하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향 마찰 베어링.

Images