KR101670737B1

KR101670737B1 - 배기가스 터보차저의 샤프트 어셈블리

Info

Publication number: KR101670737B1
Application number: KR1020127017622A
Authority: KR
Inventors: 게오르크 숄츠; 마틴 베커
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2016-10-31
Also published as: CN102639841B; DE102009060056A1; JP2013515208A; CN102639841A; US9470146B2; JP5695082B2; JP2015108378A; US20130004300A1; JP6069380B2; WO2011087662A2; KR20120103688A; WO2011087662A3

Abstract

본 발명은 배기가스 터보차저(1)의 샤프트 어셈블리(1A)에 관한 것으로, 상기 샤프트 어셈블리는 샤프트(5), 로터를 형성하도록 샤프트(5)의 일 단에 연결될 수 있는 터빈 휠(2), 샤프트(5)의 타 단에 연결될 수 있는 압축기 휠(12), 압축기 휠(12) 중 터빈 휠(2)에 대향하는 측에서 샤프트(5) 상에 위치할 수 있는 밀봉 슬리브(14), 및 압축기 휠(12)을 고정하도록 암나사(17)에 의해 샤프트(5)의 자유단 영역(16) 상에 나사결합될 수 있는 샤프트 너트(15)를 포함하며, 샤프트 너트(15) 중 압축기 휠(12)에 인접한 부분(19)은, 암나사(17)에 인접하며 암나사의 직경(D₁)보다 큰 내경(D₂)을 가진 선삭된 리세스(18)를 구비한다.

Description

배기가스 터보차저의 샤프트 어셈블리{SHAFT ASSEMBLY OF AN EXHAUST-GAS TURBOCHARGER}

본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 배기가스 터보차저의 샤프트 어셈블리에 관한 것이다.

선행기술에 따른 상기 유형의 샤프트 어셈블리는 정적 과잉 결정성(static overdeterminacy)의 문제점이 있고, 이는 샤프트 어셈블리의 굽힘 응력 또는 구속력으로 이어진다. 이는 결국 샤프트 어셈블리의 바람직하지 않은 탄성 감소를 초래하여, 결국 불균형으로 이어질 수 있다. 아울러, 실제 차량 작동에서, 배기가스 터보차저는 높은 가속도 및 높은 온도를 겪게 된다. 이는 압축기 휠의 나사 연결부에서의 굉장한 힘의 발생으로 이어지고, 그에 따라 마찬가지로 반동 정착(retroactive settling)이 발생할 수 있다.

상기 과정의 결과로, 샤프트 어셈블리 또는 로터의 불균형이 변동되어, 차량의 원하지 않는 소음을 야기할 수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 작동 중에 발생하는 불균형 및 연관된 방해 소음의 감소를 가능하게 하는 청구범위 제1항의 전제부에 따른 배기가스 후처리 시스템의 샤프트 어셈블리를 제공하는 데에 있다.

상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.

샤프트 너트가 선삭된 리세스들을 구비하므로, 샤프트 어셈블리의 팽창 길이가 증가하고, 이는 단독으로 도입부에 언급된 목적의 달성에 현저히 기여한다.

종속 청구항들은 본 발명의 유리한 개선들에 관한 것이다.

특히 바람직한 일 실시형태에서, 샤프트 너트는 외경의 확대에 의해 압축기 휠과의 확대된 접촉 면적을 제공하는 하우징 영역을 구비하고, 이는 접촉 압력의 감소 및 예하중력의 증가의 실현을 가능하게 한다.

밀봉 슬리브의 통로 리세스의 선삭된 리세스들에 의해, 밀봉 슬리브는 자신의 무게 중심에 대해 약간 기울어질 수 있어 양 측에 균일하게 안착될 수 있다. 이는 나사 연결부의 가능한 접촉면의 최대화 및 그에 따른 접촉 압력의 감소라는 이점을 산출한다. 내경이 확대된 내부 영역들 또는 선삭된 리세스들 간의 중앙 영역 또는 센터링의 중앙 위치로 인해, 있을 수 있는 불균형에 대한 밀봉 슬리브의 영향력이 불변 유지된다.

또한, 압축기 휠을 축방향으로 가능한 한 짧게 설계하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 압축기 휠 중 블레이드 리딩 에지를 지나 축방향으로 돌출되는 부분을 가능한 한 짧게 설계하는 것이 바람직하다.

특히, 알루미늄 합금을 압축기 휠의 재료로 사용하면, 알루미늄의 열팽창계수(대략 2.33)가 강의 열팽창계수의 2배임을 고려해야 한다. 이런 방식으로, 공지된 압축기 휠에 비해 압축기 휠을 단축함으로써 샤프트 어셈블리의 응력을 감소시킬 수 있다.

샤프트, 또는 샤프트 및 터빈 휠로 구성된 로터는 바람직하게 샤프트의 양호한 가소성을 가져오는 2개의 허리부를 구비한다. 샤프트 어셈블리의 구성요소들의 열팽창 역시 보상될 수 있으므로, 가소화(plasticizing) 및 그에 따른 불균형 변동의 감소를 가능하게 한다.

그럼에도, 압축기 휠은 여전히 가장 적은 보어 플레어링(bore flaring)을 가진 지점들에서 지지 영역들 상에 최선의 가능한 방식으로 센터링될 수 있다.

본 발명의 다른 상세, 이점, 특징은 첨부 도면에 기반한 예시적인 실시형태의 후술하는 설명에서 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 터보차저의 단면 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 샤프트 어셈블리의 측면도를 도시한다.
도 3a는 본 발명에 따른 샤프트 어셈블리의 샤프트 너트의 사시도를 도시한다.
도 3b는 도 3a에 따른 샤프트 너트의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 샤프트 어셈블리의 압축기 휠의 측면도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 샤프트 어셈블리의 밀봉 슬리브의 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 샤프트 어셈블리의 로터의 측면도를 도시한다.

도 1의 단면 사시도는, 터빈 하우징(39), 베어링 하우징(4), 및 압축기 스파이럴(13)을 구비한 압축기 하우징(10)을 포함하는 배기가스 터보차저(1)를 도시한다.

샤프트(5)는 베어링 하우징(4)의 내부에 배치되며, 터빈 휠(2)이 샤프트의 터빈측 단부에 체결되고, 압축기 하우징(10)의 하우징 내부 공간(11)의 압축기 휠(12)이 샤프트의 반대편 단부에 체결된다. 터빈 휠(2) 및 압축기 휠(12)이 체결되어 배기가스 터보차저의 로터를 형성하는 샤프트(5)는 2개의 부동 슬리브 베어링(6, 7)에 의해 베어링 하우징(4) 내에 지지되며, 이러한 슬리브 베어링들은 베어링 하우징(4) 내에 형성된 2개의 오일 공급 라인(8, 9)을 통해 윤활제를 공급받는다.

도 2는 배기가스 터보차저(1)의 본 발명에 따른 샤프트 어셈블리(1A)의 측면도를 도시하되, 터빈 휠(2)이 샤프트(5)의 터빈측 단부에 체결되어 있고, 압축기 휠(12)이 샤프트(5)의 타 단에 체결되어 있다. 여기서, 압축기 휠(12)을 체결하기 위해, 샤프트(5)의 자유단 영역(16)보다 큰 직경을 가진 영역(38)까지, 멈춤 디스크(37), 밀봉 슬리브(14), 및 압축기 휠(12)을 샤프트(5)의 자유단 영역(16)에 가압하거나 부착한다. 압축기 휠(12), 밀봉 슬리브(14), 및 멈춤 디스크(37)는 샤프트 너트(15)에 의해 로터에 고정된다. 여기서, 허리부들(33, 34) 및 지지 영역들(35, 36)(도 5 참조)이 또한 샤프트(5)의 자유단 영역(16)에 구비된다.

도 3a의 사시도에 도시된 바와 같이, 샤프트 너트(15)의 제1 하우징 영역(24)은 압축기 휠(12)에 대향하는 단부측 접촉면(21)을 구비한다. 큰 접촉면(21)으로 인해, 샤프트 너트 및 압축기 휠(12) 사이의 접촉 압력이 감소하거나 예하중력이 증가한다. 도 3b의 단면도에 도시된 바와 같이, 샤프트 너트(15)는 직경(D₃)을 가진 제1 영역(24) 및 직경(D₄)을 가진 제2 영역(22)으로 나누어지는 부분(19)을 포함한다. 영역(22)은 직경(D₅)을 가진 제3 영역(23)과 인접한다. 여기서, 직경(D₃)은 직경(D₄)보다 크고, 결국 직경(D₅)보다 크다. 압축기 휠(12)에 인접한 부분(19)에서, 샤프트 너트(15)는 선삭된 리세스(18)를 구비하고, 선삭된 리세스는 암나사(17)에 인접하며 암나사의 직경(D₁)보다 큰 내경(D₂)을 가지고, 상기 내경(D₂)은 제1 영역(24) 내에서 제2 영역(22)으로 일부 연장된다. 대조적으로, 암나사(17)는 제3 영역(23) 내에서 제2 영역(22)으로 일부 연장된다. 샤프트 너트(15)의 선삭된 리세스(18)로 인해, 암나사(17)와 수나사(5)의 맞물림 길이가 짧아지고, 그에 따라 샤프트 너트(15)의 팽창 길이가 증가한다.

도 4의 사시도는 종래의 압축기 휠에 비해 허브의 단축에 의해 형성된 구조적 길이를 가진 압축기 휠(12)을 도시한다. 여기서, 허브의 시작 평면은 대략 블레이드 루트 만곡부의 거리만큼만 블레이드 리딩 에지의 평면을 지나 축방향으로 돌출된다. 압축기 휠(12)의 짧은 구조적 길이는 가열 시에 구성요소의 길이 팽창의 감소로 이어진다. 샤프트 어셈블리의 응력을 더 저감하기 위해, 본 발명에 따른 샤프트 어셈블리의 압축기 휠(12)은 강의 2배의 열팽창계수를 가지는 알루미늄 합금으로 제조되는 것이 바람직하다.

도 5의 밀봉 슬리브(14)의 단면도에 상세히 도시된 바와 같이, 밀봉 슬리브(14)는 통로 리세스(26)를 가진 슬리브 하우징(25)을 구비한다. 통로 리세스(26)는 2개의 단부 영역(27, 28)을 포함하고, 통로 리세스(26)의 단부 영역들(27, 28)의 내경(D₆, D₇)은 그 사이에 마련된 중앙 영역(29)의 내경(D₈)보다 크다. 여기서, 밀봉 슬리브(14)의 중앙 영역(29)의 길이(L₃)는 바람직하게 단부 영역들(27, 28)의 길이(L₁, L₂; 바람직하게는 동일함)보다 크다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 경우, 계속 증가하는 직경을 가진 하나의 전이 영역(30, 31)이 단부 영역들(27, 28) 및 중앙 영역(29) 사이에 구비된다. 선삭된 리세스들에 의해 중앙 영역(29)에 비해 확대된 내경(D₆, D₇)으로 인해, 밀봉 슬리브(14)는 샤프트(5) 상에서 자신의 무게 중심에 대해 기울어질 수 있고, 그에 따라 굽힘 응력 없이 양 측에 균일하게 안착될 수 있다.

도 6의 측면도는 본 발명에 따른 샤프트 어셈블리(1A)의 로터를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 샤프트(5)는 터빈 휠(2)의 방향으로부터 바라본 경우 계속 일정한 직경을 가진 샤프트 영역(38)을 포함하고, 상기 샤프트 영역(38)은 압축기 휠(12)을 위한 베어링 영역(32)에 인접한다. 베어링 영역(32)은 각각 외경(A₁, A₂)을 가진 2개의 허리부(33, 34) 및 각각 외경(A₃, A₄)을 가진 2개의 지지 영역(35, 36)을 구비하고, 상기 지지 영역들(35, 36)은 인접하거나 또는 허리부들(33, 34)에 인접하게 마련된다. 여기서, 압축기 휠(12)이 지지 영역들(35, 36) 상에서 센터링되는 동안, 허리부들(33, 34)이 샤프트(5)의 탄성 및 열팽창 또는 가요성을 현저히 증가시키고, 그 결과로 샤프트 어셈블리의 구성요소들의 열팽창을 더욱 잘 보상한다.

본 개시내용을 보충하기 위해, 본 발명의 앞서 기재된 개시내용 외에도, 도 1 내지 도 6에서 본 발명의 개략적인 도시를 명확히 참조한다.

부호의 설명

1 배기가스 터보차저

1A 샤프트 어셈블리

2 터빈 휠

3 압축기

4 베어링 하우징

5 샤프트

6, 7 부동 슬리브 베어링

8, 9 오일 공급 라인

10 압축기 하우징

11 하우징 내부 공간

12 압축기 휠

13 압축기 스파이럴

14 밀봉 슬리브

15 샤프트 너트

16 샤프트의 자유단 영역

17 암나사

18 선삭된 리세스

19 부분

20 전이 영역

21 접촉면

22, 23, 24 영역

25 슬리브 하우징

26 통로 리세스

27, 28 통로 리세스의 단부 영역

29 중앙 영역

30, 31 전이 영역

32 베어링 영역

33, 34 허리부

35, 36 지지 영역

37 멈춤 디스크

38 샤프트 영역

39 터빈 하우징

40 허브의 시작 평면

41 베어링 리딩 에지 평면

R 블레이드 루트 만곡부

Claims

배기가스 터보차저(1)의 샤프트 어셈블리(1A)에서,
샤프트(5);
로터를 형성하도록 샤프트(5)의 일 단에 연결될 수 있는 터빈 휠(2);
샤프트(5)의 타 단에 연결될 수 있는 압축기 휠(12);
압축기 휠(12) 중 터빈 휠(2)에 대향하는 측에서 샤프트(5) 상에 위치할 수 있는 밀봉 슬리브(14); 및
압축기 휠(12)을 고정하도록 암나사(17)에 의해 샤프트(5)의 자유단 영역(16) 상에 나사결합될 수 있는 샤프트 너트(15);를 포함하며,
샤프트 너트(15) 중 압축기 휠(12)에 인접한 부분(19)은, 암나사(17)에 인접하고 암나사의 직경(D₁)보다 큰 내경(D₂)을 가진 선삭된 리세스(18)를 가지고,
샤프트(5)는 선삭된 리세스(18)의 내경(D₂) 보다 작은 외경(A₂)을 가진 허리부(34)를 가지는 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제1항에 있어서,
선삭된 리세스(18)는 계속 증가하는 직경을 가진 전이 영역(20)을 통해 암나사(17)에 인접하는 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제1항 또는 제2항에 있어서,
샤프트 너트(15) 중 압축기 휠(12)에 인접한 부분(19)은 접촉면(21)을 구비한 영역(24)을 포함하고, 상기 영역(24)의 외경(D₃)은 인접한 영역들(22, 23)의 외경(D₄, D₅)보다 큰 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제1항에 있어서,
밀봉 슬리브(14)는 2개의 단부 영역(27, 28)을 가진 통로 리세스(26)를 구비한 슬리브 하우징(25)을 포함하고, 단부 영역들(27, 28)의 내경(D₆, D₇)은 그 사이에 마련된 중앙 영역(29)의 내경(D₈)보다 큰 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제4항에 있어서,
단부 영역들(27, 28)의 길이(L₁, L₂)는 동일한 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제5항에 있어서,
중앙 영역(29)의 길이(L₃)는 단부 영역들(27, 28)의 길이(L₁, L₂)보다 큰 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 경우, 계속 증가하는 직경을 가진 하나의 전이 영역(30, 31)이 단부 영역들(27, 28) 및 중앙 영역(29) 사이에 구비되는 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제1항에 있어서,
샤프트(5)는 자유단 영역(16)으로부터 터빈 휠(2)의 방향으로 연장된 압축기 휠(12)을 위한 베어링 영역(32)을 포함하고, 상기 베어링 영역(32)은 2개의 허리부(33, 34)를 구비하며, 상기 허리부(33, 34)의 외경(A₁, A₂)은 허리부들에 인접한 지지 영역들(35, 36)의 외경(A₃, A₄)보다 작은 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제1항에 있어서,
압축기 휠(12)은 알루미늄 합금으로 이루어진 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제1항에 있어서,
멈춤 디스크(37)가 샤프트(5)의 샤프트 영역(38) 및 밀봉 슬리브(14) 사이에 배치되는 것인 샤프트 어셈블리(1A).
제1항에 있어서,
압축기 휠(12)의 허브의 시작 평면(41)은 블레이드 루트의 원형체(R)의 길이만큼 블레이드 리딩 에지 평면(40)에서 떨어져 배치되는 것인 샤프트 어셈블리(1A).