KR20100054168A - 유체역학적 엑시얼 베어링 - Google Patents

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Abstract

부동 디스크 (30) 를 가진 유체역학적 엑시얼 베어링은, 상기 부동 디스크 (30) 의 양면에서의 두 윤활간극이 서로 다른 크기의 지지면들에 의해 형성됨으로써 전력손실 및 오일 처리량과 관련하여 최적화된다. 그러므로, 부동 디스크 (30) 와 베어링 하우징 (20) 간의, 또는 부동 디스크 (30) 와 베어링 콤 (11) 간의 상이한 회전속도들에도 불구하고 상기 양면을 위해 동일한 윤활간극들이 설정될 수 있다.

Description

유체역학적 엑시얼 베어링 {HYDRODYNAMIC AXIAL BEARING}
본 발명은 예컨대 배기가스 터보차저에 이용되는 회전 샤프트의 유체역학적 엑시얼 베어링의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 부동 디스크 (floating disk) 를 가진 유체역학적 엑시얼 베어링에 관한 것이다.
빨리 회전하는 회전자에 축방향 추력이 가해지는 경우에는, 하중지지능력이 있는 엑시얼 베어링이 이용된다. 예컨대 배기가스 터보차저에서 유체역학적 엑시얼 베어링은 흐름으로 인한 높은 축방향력을 흡수하기 위해, 또한 축방향에서 터빈 샤프트를 안내하기 위해 이용된다. 이러한 적용에서 경사 보상 능력 및 마모 거동을 개선하기 위해, 유체역학적 엑시얼 베어링의 경우 샤프트의 회전속도로 회전하는 베어링 콤 (bearing comb) 과 비회전 베어링 하우징 (bearing housing) 의 사이에는 자유로이 부동하는 디스크, 이른바 부동 디스크가 삽입될 수 있다.
이에 관한 예들은 특히 GB1095999, EP0840027, EP1199486 및 EP1644647 에서 찾아볼 수 있다. 부동 디스크의 방사상 안내는 회전 몸체 상에서, 즉 샤프트 상에서, 예컨대 베어링 콤 상에서, 예컨대 EP0840027 에 공개되어 있는 바와 같이 부동 디스크 내에 통합된 레이디얼 베어링 (radial bearing) 을 통해 수행되거나, 또는 예컨대 EP1199486 에 공개되어 있는 바와 같이 회전 몸체를 동심적으로 둘러싸는 고정형 베어링 칼라 (bearing collar) 상에서 수행된다. 이러한 유체역학적 엑시얼 베어링의 윤활은 일반적으로 자신의 윤활유 시스템으로부터의 윤활유를 이용해 수행되거나, 또는 배기가스 터보차저의 경우에는 배기가스 터보차저와 연결된 내연기관의 윤활유 시스템을 통해 수행된다.
작동시, 샤프트 회전속도의 단지 대략 절반으로 회전하는 부동 디스크와 샤프트의 사이에는, 또는 상기 샤프트 상에 배치된 베어링 콤의 사이에는 하중지지능력이 있는 윤활막이 형성된다. 이를 위해 일반적으로 부동 디스크의 양면에는 프로파일된 (profiled) 환상면 (annular surface) 이 제공되어 있으며, 상기 환상면들은 각각 평탄한 미끄럼면 (sliding surface) 과 함께 윤활간극 (lubrication gap) 을 형성한다. 상기 프로파일된 환상면들은 적어도 원주방향으로 방향지어진 쐐기면 (wedge surface) 들을 포함하며, 상기 쐐기면들은 수렴 (converging) 간극을 형성한다. 충분한 윤활제가 이 수렴 간극 내로 끌려들어가면, 하중지지능력이 있는 윤활막이 생긴다. 상기 윤활제는 빨리 회전하는 부동 디스크의 원심력 작용으로 인해 방사상 방향으로 퍼진다.
부동 디스크의 축방향 및 방사상 미끄럼면들에서의 마찰 모멘트는 부동 디스크의 회전속도에 영향을 미친다. 이 회전속도는 높은 샤프트 회전속도의 경우에는 일반적으로 샤프트 회전속도의 50% 미만이며, 즉 부동 디스크는 샤프트 회전속도의 절반 미만으로 회전한다. 이로 인해, 두 축방향 윤활간극들에서는 서로 다른 상대속도가 생긴다. 이때, 부동 디스크와 관련한 샤프트의 상대속도는 베어링 하우징과 관련한 부동 디스크의 상대속도보다 크다.
두 축방향 윤활간극들에서 생기는 간극 높이들은 서로 다른 상대속도 및 서로 다른 원심력 작용으로 인해 크기가 서로 다르다. 베어링 크기는 각각의 경우에 발생하는 가장 작은 윤활간극에 맞춰 설계되기 때문에 한 베어링 간극이 너무 크게 치수화되어 있고, 이는 불필요하게 큰 전력손실과 불필요하게 큰 오일 처리량 (oil throughput) 을 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 부동 디스크를 가진 유체역학적 엑시얼 베어링을 전력손실 및 오일 처리량과 관련하여 최적화하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따르면 부동 디스크의 양면에서의 두 베어링 간극들의 서로 다른 크기의 하중지지능력을 통해 달성되며, 따라서 최소 윤활간극들은 설계면에서 동일하다. 회전속도, 최소 윤활간극 및 오일 특성들에 따른 지지력은 베어링의 하중지지능력이라고 불리운다.
서로 다른 하중지지능력은 본 발명에 따르면 기하학적으로 서로 달리 형성된 윤활간극들을 통해 실현된다. 이때, 프로파일된 환상면과 평탄한 미끄럼면에 의해 한정된, 엑시얼 베어링을 형성하는 부품들 사이의 공간, 즉 한쪽에서는 베어링 하우징과 부동 디스크 사이의 공간, 그리고 다른 쪽에서는 부동 디스크와, 샤프트와 함께 회전하는 베어링 콤 사이의 공간이 윤활간극으로 간주된다.
부동 디스크의 방사상 계단부를 통해 두 축방향 윤활간극들의 표면들은 개별적으로 치수화될 수 있으며, 따라서 두 윤활간극에서의 최소 간극높이는 설계면에서 크기가 같다. 이때, 부동 디스크의 베어링 하우징을 향한 쪽은 베어링 콤을 향한 쪽보다 더 큰 지지면을 갖추고 있는 것이 바람직하다.
프로파일된 환상면들 중 하나가 방사상으로 짧아짐으로 인해 그의 크기가 감소할 수도 있다. 상기 짧아짐은 방사상 안쪽에서, 방사상 바깥쪽에서, 또는 방사상 안쪽 및 바깥쪽에서 수행될 수 있다.
함께 윤활간극을 형성하는 프로파일된 환상면과 평탄한 미끄럼면은 엑시얼 베어링의 지지면이라고 불리운다. 상기 지지면의 크기는, 예컨대 프로파일된 두 환상면 중 하나만 방사상 방향에서 짧아져 있고, 반면 평탄한 미끄럼면들은 동일한 치수를 가져도 감소할 수 있다. 동일한 효과가, 같은 크기의 프로파일된 2 개의 환상면이 평탄한 미끄럼면들과 상호 작용하고, 상기 미끄럼면들 중 하나가 예컨대 방사상 방향에서 전체 환상면에 걸쳐 연장되지 않으면 실현된다.
하중지지능력의 변화는 원주방향으로의 프로파일링 (profiling) 의 기하학적 변경을 통해 달성될 수도 있다. 예컨대 세그먼트 (segment) 의 수가 6 개에서 5 개로 감소할 수 있다. 또는, 오일홈들의 크기가 원주방향으로 확대될 수 있다.
상기 언급된 실시형태들을 통해, 부동 디스크의 양면에서의 최소 윤활간극높이들은, 한쪽에서의 부동 디스크와 베어링 하우징 간의, 다른 쪽에서의 부동 디스크와 베어링 콤 간의 서로 다른 상대속도들에도 불구하고 서로 맞춰질 수 있다.
대안적으로, 부동 디스크의 하나 또는 두 면은 평탄한 미끄럼면으로서 형성될 수 있고, 프로파일된 환상면은 샤프트 상에 또는 베어링 콤 상에 배치될 수 있다. 예컨대 부동 디스크의 샤프트를 향한 쪽은 평탄한 미끄럼면으로서 형성되어 있고 환상면은 샤프트에 상응하여 프로파일되어 있으면, 두 베어링 부품들에 있어서 각각의 경우에 있어 보다 빨리 회전하는 환상면들이 프로파일되어 있다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 근거로 상세히 설명한다.
도 1 은 계단화된 부동 디스크를 가진 본 발명에 따라 형성된 엑시얼 미끄럼 베어링의 제 1 실시형태,
도 2 는 서로 달리 프로파일된 환상면들을 가진 부동 디스크를 가진 본 발명에 따라 형성된 엑시얼 미끄럼 베어링의 제 2 실시형태,
도 3 은 계단화된 부동 디스크를 가진 본 발명에 따라 형성된 엑시얼 미끄럼 베어링의 제 3 실시형태의 윤활유 공급부의 단면이다.
도 1 및 도 2 는 본 발명에 따른 유체역학적 엑시얼 베어링의 2 가지 실시형태를 나타내며, 각각의 경우에 있어 도면의 중앙에는 샤프트 축선을 따라 안내된 엑시얼 베어링의 단면이 도시되어 있다. 상기 엑시얼 베어링은 부동 디스크 (30) 를 포함하며, 상기 부동 디스크는 축방향으로 베어링 하우징 (20) 과 베어링 콤 (11) 의 사이에 배치되어 있고, 상기 베어링 콤은 샤프트 (10) 상에 배치되어 있으며 상기 샤프트와 함께 회전한다. 선택 사양적으로, 베어링 콤은 방사상으로 돌출하는 돌출부로서 샤프트 내에 통합되어 있을 수 있고, 따라서 부동 디스크는 축방향으로 베어링 하우징과 샤프트 돌출부의 사이에 배치된다. 각 도면의 왼쪽 부분과 오른쪽 부분에는 각각의 쪽에서 바라본 부동 디스크의 평면도가 도시되어 있다. 왼쪽에는 방향 (A) 으로 바라본 부동 디스크 (30A) 가 도시되어 있고, 오른쪽에는 방향 (B) 으로 바라본 부동 디스크 (30B) 가 도시되어 있다.
베어링 하우징을 향한 부동 디스크 (30A) 의 프로파일된 환상면은 절대속도 (vS) 로 회전하며, 즉 도시되어 있는 실시형태에서 방향 (A) 으로 바라볼 때 시계반대방향으로 회전한다. 이때, 윤활홈 (31) 을 통하여 방사상으로 부동 디스크 (30) 와 베어링 하우징 (20) 사이의 상기 부동 디스크의 프로파일된 환상면의 영역 내로 도입된 윤활유는 넓은 화살표들로 암시된 바와 같이 상기 부동 디스크의 회전 방향과 반대 방향으로 쐐기면 (32) 내로 끌려들어간다. 쐐기면 (32) 들과, 베어링 하우징에서의 마주하고 있는 평탄한 미끄럼면 사이의 윤활간극의 좁아짐으로 인해, 엑시얼 베어링의 하중지지능력을 위해 필요한 압력이 형성된다. 가장 큰 압력은 쐐기면 (32) 으로부터 래칭면 (latching surface, 33) 으로의 천이 영역에서 발생한다.
베어링 콤을 향한 부동 디스크 (30B) 의 환상면은 절대속도 (vs) 로 회전하며, 즉 도시되어 있는 실시형태에서 방향 (B) 으로 바라볼 때 시계방향으로 회전한다. 하지만 베어링 콤 (11) 은 2 배보다 큰 속도 (vW) 로 동일한 방향으로 회전하기 때문에, 방향 (B) 으로 바라볼 때 시계반대방향으로 진행하는, 프로파일된 환상면의 상대속도 (vR) 가 발생한다. 이때, 상대속도 (vR) 는 절대속도 (vS) 보다 크다. 윤활유가 어떻게 윤활홈을 통하여 방사상 바깥쪽으로 안내되고, 그리고 이때 어떻게 원주방향으로 쐐기면 내로 끌려들어가는지가 역시 넓은 화살표들로 암시되어 있다.
도 1 에 따른 실시형태에서 부동 디스크 (30) 는 방사상 계단부를 구비하며, 따라서 베어링 하우징 (20) 을 향한 쪽은 베어링 콤 (11) 을 향한 쪽보다 방사상 방향에서 돌출한다. 그러므로, 상기 부동 디스크의 양면의 방사상 크기들은 서로 다르다. 베어링 하우징을 향한 쪽에서의 프로파일된 환상면은 링 폭 (rG) 을 가지며, 상기 링 폭은 부동 디스크의 베어링 콤을 향한 쪽에서의 환상면의 링 폭 (rW) 보다 크다.
부동 디스크의 베어링 콤을 향한 쪽에서의 프로파일된 환상면의 쐐기면들이 평탄한 미끄럼면을 따라 베어링 콤 상에서 회전하는데 이용되는 보다 높은 상대속도로 인해, 보다 작은 지지면에도 불구하고 윤활간극이 생기며, 상기 윤활간극은 베어링 하우징과, 부동 디스크의 상기 베어링 하우징을 향한 면 사이의 윤활간극과 일치한다.
도 2 에 따른 실시형태에서 부동 디스크 (30) 는 동일한 크기의 두 면을 구비하며, 하지만 상기 두 면의 프로파일된 환상면들은 서로 달리 형성되어 있다. 상기 프로파일된 환상면은 다수의 세그먼트 (34) 로 분할되어 있으며, 이때 세그먼트는 윤활홈 (31), 쐐기면 (32), 및 접해 있는 래칭면 (33) 을 포함한다. 고정형 베어링 하우징에 대해 보다 느리게 회전하는 왼쪽에서의 환상면은 베어링 콤을 향한 쪽에서의 보다 큰 상대속도로 회전하는 환상면보다 많은 수의 세그먼트 (34) 를 가진다.
선택 사양적으로, 예컨대 쐐기면의 기울기 각도가 변화되면, 그리고 이로 인해 가장 큰 지지력을 가진 영역이 작아지거나 또는 확대되면 하중지지능력이 변화될 수 있다. 쐐기면 (32) 과 래칭면 (33) 사이의 천이부 (transition) 는 모서리를 이용해 실현될 수 있거나, 또는 모서리가 없이 연속적으로 진행하는 표면으로서 실현될 수 있다. 후자의 경우에는 쐐기면과 래칭면을 구별할 필요가 없으며, 즉 예컨대 쐐기면은 다음 윤활홈까지, 계속해서 보다 작아지는 각도로 연속적으로 증가할 수도 있다.
도 3 에 따른 실시형태에서 부동 디스크 (30) 는 또다시 방사상 계단부를 구비하며, 따라서 베어링 하우징 (20) 을 향한 쪽은 베어링 콤 (11) 을 향한 쪽보다 방사상 방향에서 돌출한다. 추가적으로, 베어링 콤을 향한 쪽의 방사상 안쪽에는 경사부가 제공되어 있으며, 프로파일된 환상면의 내부 반경은 약간 바깥쪽으로 커져 있다. 베어링 콤에서의 평탄한 미끄럼면의 내부 가장자리는 방사상 바깥쪽으로 오프셋되어 있으며, 이로 인해 제 1 실시형태에 비해 부동 디스크 (30) 와 베어링 콤 (11) 사이의 윤활간극의 지지면이 추가적으로 감소한다.
유체역학적 엑시얼 베어링의 부동 디스크의 양면에 윤활유가 공급되어야만 한다. 이를 위해, 본 발명에 따르면 적어도 하나의 공급보어 (supply bore, 35) 가 부동 디스크 내에 파져 있다. 상기 공급보어 (35) 는 부동 디스크의 양면을 연결하며, 한쪽으로부터 다른 쪽으로의 윤활유 공급을 허락한다. 선택 사양적으로, 부동 디스크는 각 윤활홈을 위해 베어링 콤을 향한 쪽에 공급보어를 구비한다.
상기 기술된 실시형태에서 윤활유는 베어링 하우징 내의 윤활유 공급 라인 (22) 을 통해 부동 디스크 (30) 와 베어링 하우징 (20) 사이의 윤활간극의 영역 내로 안내된다. 프로파일된 환상면의 회전을 통해 윤활유는 윤활홈 (31) 들을 따라 방사상 바깥쪽으로 공급되고, 그리고 이때 원주방향으로 쐐기면들 내로 끌려들어간다. 윤활홈 (31) 들의 영역에 배치된 공급보어 (35) 들을 통해, 윤활유는 부동 디스크 (30) 와 베어링 콤 (11) 사이의 윤활간극의 영역 내로도 운반된다. 이때, 상기 공급보어들이 윤활유 공급을 받는 윤활간극에서 시작하여 축방향에서 벗어나 비스듬히 바깥 가장자리쪽으로 향해 있으면, 윤활유 흐름은 부동 디스크의 회전을 통해 도움을 받는다.
상기 공급보어 덕택에 부동 디스크의 레이디얼 베어링의 영역에서의 공급홈들은 사실상 없어도 된다. 이로써, 베어링 콤 (11) 과, 부동 디스크 (30) 가 고정형 베어링 하우징 상에 설치되어 있으면 존재하는 베어링 칼라 (21) 사이의 디커플링 (decoupling) 간극을 통한 윤활유 처리량이 감소한다. 이는 부동 디스크의 레이디얼 베어링의 영역에서의 디커플링 간극이 추가적인 밀봉요소 없이 예컨대 배기가스 터보차저의 분사 오일 공간 내로 통해 있으면 특히 유리하다.
10 : 샤프트
11 : 베어링 콤
20 : 베어링 하우징
21 : 베어링 칼라
22 : 윤활유 공급 라인
30 : 부동 디스크
30A : 베어링 하우징쪽의 부동 디스크 (방향 (A) 으로 바라볼 때)
30B : 베어링 콤쪽의 부동 디스크 (방향 (B) 으로 바라볼 때)
31 : 윤활홈
32 : 쐐기면
33 : 래칭면
34 : 프로파일된 환상면의 세그먼트
35 : 공급보어
rG : 베어링 하우징쪽의 링 폭
rW : 베어링 콤쪽의 링 폭
vR : 베어링 콤과 관련한 부동 디스크의 상대속도
vS : 부동 디스크의 속도
vW : 베어링 콤의 속도

Claims (10)

  1. 회전 가능하게 베어링 하우징 (20) 내에 설치된 샤프트 (10) 의 유체역학적 엑시얼 베어링으로서, 상기 엑시얼 베어링은 부동 디스크를 포함하며, 상기 부동 디스크는 축방향으로 베어링 하우징과 베어링 콤 (11) 의 사이에 배치되어 있고, 상기 베어링 콤은 샤프트 상에 배치되어 있으며, 이때 베어링 하우징 (20) 과 부동 디스크 (30) 의 사이에는, 그리고 부동 디스크 (30) 와 베어링 콤 (11) 의 사이에는 각각의 경우에 있어 프로파일된 환상면과 평탄한 미끄럼면에 의해 한정된 윤활간극이 형성되어 있고, 이때 상기 프로파일된 환상면들은 상기 윤활간극을 각각 원주방향으로 좁히는 다수의 쐐기면 (32) 을 포함하는 유체역학적 엑시얼 베어링에 있어서, 상기 부동 디스크의 양면에서 상기 프로파일된 환상면들과 상기 평탄한 미끄럼면들에 의해 형성된 윤활간극들은 서로 다른 기하학적 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 유체역학적 엑시얼 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 윤활간극들은 상기 부동 디스크의 양쪽에서 서로 다른 방사상 치수를 갖는 유체역학적 엑시얼 베어링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 부동 디스크 (30) 의 양쪽에서 상기 윤활간극을 형성하는 상기 프로파일된 두 환상면은 각각 다른 수의 세그먼트 (34) 들로 분할되어 있으며, 이 경우 하나의 세그먼트 (34) 는 하나의 쐐기면 (32) 을 포함하는 유체역학적 엑시얼 베어링.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 부동 디스크의 양쪽에 상기 윤활간극을 형성하는 상기 프로파일된 두 환상면은 서로 달리 형성된 쐐기면 (32) 들을 구비하는 유체역학적 엑시얼 베어링.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 프로파일된 환상면들은 쐐기면 (32) 들과 평탄한 래칭면 (33) 들을 포함하며, 상기 부동 디스크의 양쪽에 상기 윤활간극을 형성하는 상기 프로파일된 두 환상면은 래칭면 (33) 에 대한 쐐기면 (32) 의 상이한 면적비 (area ratio) 를 가지는 유체역학적 엑시얼 베어링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부동 디스크 (30) 의 한쪽은 다른 쪽에 대해 방사상으로 계단화되어 있는 유체역학적 엑시얼 베어링.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부동 디스크 (30) 내에 적어도 하나의 공급보어 (35) 가 파져 있으며, 이때 상기 적어도 하나의 공급보어 (35) 는 부동 디스크의 양면을 서로 연결하는 유체역학적 엑시얼 베어링.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 부동 디스크는 방사상 윤활홈 (31) 들을 구비하며, 상기 적어도 하나의 공급보어 (35) 는 상기 부동 디스크의 적어도 한쪽에서 상기 윤활홈 (31) 내로 통해 있는 유체역학적 엑시얼 베어링.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공급보어 (35) 는 비스듬히 방사상 바깥쪽으로 향해 있는 유체역학적 엑시얼 베어링.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 유체역학적 엑시얼 베어링을 가진 샤프트를 포함하는 배기가스 터보차저.
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