KR20120006556A - 구름 요소 베어링 카트리지의 회전 방지와 스러스트 구속을 위한 스프링 클립 방법 - Google Patents

구름 요소 베어링 카트리지의 회전 방지와 스러스트 구속을 위한 스프링 클립 방법 Download PDF

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Abstract

구름 요소 베어링들(rolling element bearings, REBs)을 가지는 터보차저들에서 축방향 및 회전 구속 문제를 해결하기 위해, REB 카트리지가 강성이 없는 방식으로 베어링 하우징에 설치되며, 그에 따라서 오일 감쇠 막을 허용한다. 동시에, REB 카트리지는 외륜이 베어링 하우징에 대하여 회전되지 않도록 축방향으로 및 회전방향으로 유지된다. 이 이중의 목적은 베어링 하우징을 맞물기 위한 적어도 하나의 회전 방지 외형 및 REB 카트리지를 맞물기 위한 적어도 하나의 회전 방지 외형을 가지는 특수한 듀얼 모드 스프링 클립을 사용하며, 그에 의해 REB 카트리지를 축방향으로 위치시키며 외륜의 회전을 방지함으로써 달성된다.

Description

구름 요소 베어링 카트리지의 회전 방지와 스러스트 구속을 위한 스프링 클립 방법{SPRING CLIP METHOD FOR ANTI-ROTATION AND THRUST CONSTRAINT OF A ROLLING ELEMENT BEARING CARTRIDGE}
본 발명은 터보차저 구름 요소 베어링 카트리지의 구속을 위한 시스템을 대상으로 하며, 더 구체적으로는, 간단한 기계 가공과 저비용의 부품들과 함께, 정확한 조립을 보장하며 회전 방지뿐만 아니라 어느 하나의 축방향의 스러스트 부하에 대항하는 구속을 제공하는 시스템을 대상으로 한다. 본 발명은 압력 하에서 감싸는 오일 막 또는 오일 유동에 의한 감쇠를 허용하기 위해 충분한 플레이로 REB 카트리지를 설치하지만, 동시에, REB 카트리지가 축방향 부하들을 베어링 하우징에 전달하기 위해 축방향으로, 그리고 REB 카트리지가 베어링 하우징에 대하여 회전되지 않도록 회전방향으로 유지되게 허용하기 위한 간단한 시스템을 제공한다.
터보차저는 엔진 흡입구로, 정상 흡기 구성에서 가능할 수 있는 밀도보다 더 큰 밀도로, 공기를 전달하며, 더 많은 연료가 연소되도록 허용하며, 그에 따라 엔진 중량을 크게 증가시키지 않고 엔진의 마력을 상승시킨다. 이는 더 작은 터보차지된 엔진의 사용을 가능하게 하며, 더 큰 물리적 크기의 정상 흡기 엔진을 대체할 수 있으며, 그에 따라 차량의 질량 및 공기 역학적인 전면 면적을 감소시킬 수 있다.
터보차저는 터빈 하우징에 위치하는 터빈 휠(51)을 구동시키기 위해 엔진 배기 매니폴드로부터 터빈 하우징으로 유입되는 배기 유동을 사용하는 일종의 과급 시스템이다. 터빈 휠은 샤프트 및 휠 어셈블리를 형성하기 위해 샤프트에 견고하게 고정된다. 압축기 휠(20)은 샤프트의 스터브 사프트(stub shaft, 56) 단부와 휠 어셈블리에 설치되며, 압축기 너트(29)로부터 나온 클램프 부하에 의해 적절한 위치에 유지된다. 터빈 휠의 주요 기능은 압축기를 구동시키기 위해 배기 가스로부터 회전 동력을 추출하는 것이다.
압축기 스테이지는 휠(20)과 그의 하우징으로 이루어진다. 여과된 공기가 압축기 휠의 회전에 의해 압축기 커버의 입구로 축방향으로 흡인된다. 터빈 스테이지에 의해 샤프트 및 휠로 입력되는 동력은 정압과 약간의 잔류하는 운동 에너지 및 열의 조합을 생성하기 위해 압축기 휠을 구동시킨다. 가압된 가스는 압축기 배출구를 통해 압축기 커버를 나가며, 통상적으로 인터쿨러를 통해, 엔진 흡입구로 전달된다.
압축기 스테이지 성능의 일 양상에서, 압축기 스테이지의 효율이 압축기 휠 외형(28)과 압축기 커버에 있는 매칭되는 외형 사이의 클리어런스에 의해 영향을 받는다. 압축기 휠 외형이 압축기 커버 외형에 더 가까울수록, 스테이지의 효율은 더 높아진다. 76mm 압축기 휠을 가지는 일반적인 압축기 스테이지에서, 팁 클리어런스는 0.31mm에서부터 0.38mm까지의 범위이다. 휠이 커버에 더 가까울수록, 압축기 휠이 마찰되는 기회가 더 많아지며; 그러므로, 효율을 향상시키는 것과 내구성을 향상시키는 것 사이에 절충이 존재해야 한다.
육안으로 보면, 일반적인 터보차저에서 압축기 휠의 코(nose)가 베어링 하우징의 기하학적인 길이방향 축을 중심으로 회전하는 것으로 나타나지만; X, Y 오실로스코프 상의 트랙을 따라 관찰될 때에, 압축기 휠의 코는 다양한 형상의 궤도들을 그리며 움직인다. 궤도들의 평균 중심은 터보차저의 기하학적인 길이방향 축에 가깝지만, 정확하게 그를 중심으로 하는 않는다. 기하학적인 축(100)이 도 1의 터보차저에 도시된다.
샤프트 및 휠들에 의해 취해진 동적 행정(dynamic excursions)은 회전하는 어셈블리의 불균형; 받침대(즉 엔진 및 배기 매니폴드)의 여기(excitation); 및 지면과 차량의 경계면으로부터의 저속 여기를 포함하는 다수의 요인들에 기인한다.
샤프트 및 휠들에 의해 취해진 이 행정들의 순 효과는 일반적인 터보차저의 설계가 공기 역학적인 효율 수준에 대해 요구되는 것들보다 훨씬 더 큰 클리어런스를 가진다는 것이다.
일반적인 터보차저는 엔진으로부터 오일이 공급된다. 이 오일은, 엔진의 압력과 일반적으로 동일한 압력에서, 몇몇 기능들을 수행한다. 오일은 이중의 유체역학적 압착 막을 제공하기 위해 저널 베어링들의 양 측면에 전달되며, 이의 압력은 베어링의 내경(I.D.) 상의 샤프트의 반응력과 베어링 하우징 구멍 상의 베어링의 외경(O.D.)의 반응력을 가한다. 오일 막은 샤프트의 행정의 진폭을 감소시키기 위해 반응력의 감쇠를 제공한다. 오일은 또한 터보차저로부터 열을 제거하는 기능을 한다.
일반적인 터보차저 설계는 두 개의 인접한 베어링 시스템들을 가진다: 베어링 하우징의 압축기 단부에 있는 것; 및 베어링 하우징의 터빈 단부에 있는 것. 각각의 시스템은 두 개의 경계면들을 가진다: 플로팅 베어링의 내경 상의 회전하는 샤프트의 경계면, 및 베어링 하우징의 고정된 구멍 상의 플로팅 베어링의 외경의 경계면.
일반적인 터보차저 이중 유체역학적 압착 막 베어링들의 강성 및 감쇠 능력은 베어링 요소들의 회전 속도에 의해 발생된 막의 두께, 이 요소들 사이의 클리어런스, 및 샤프트의 어느 한 단부에서 피스톤 링 시일들을 통해 오일을 통과시키는 터보차저의 경향에 기인한 오일 유동 제한 사이의 절충이다.
터보차저에서 REB 베어링들의 사용은 높은 오일 유량, 베어링 감쇠, 및 베어링 시스템을 통한 동력 손실을 포함하는 몇몇 문제점들을 해결한다.
도 1은 일반적인 터보차저 이중 유체역학적 압착 막 베어링 구성을 도시한다. 이 구성에서, 가압된 오일이 엔진으로부터 오일 입구(80)를 통해 베어링 하우징(3)으로 받아들여진다. 오일은 베어링 하우징 저널 베어링 구멍(4)으로 오일 갤러리들(82 및 83)을 통해 압력으로 공급된다. 터빈 단부 및 압축기 단부 베어링들(30) 모두에 대해, 오일 유동은 오일이 샤프트 표면(52)과 플로팅 저널 베어링들(30)의 내부 구멍 사이에 오일 막을 생성하기 위해 샤프트의 주위에 분포되는 샤프트 및 휠 저널 베어링 영역들로 전달된다. 저널 베어링들(30)의 외측에서, 유사한 오일 막이 베어링 하우징 저널 베어링 구멍(4)에 대한 저널 베어링의 회전에 의해 생성된다. 저널 및 스러스트 베어링들을 통과한 후에, 오일이 베어링 하우징의 베이스에 있는 오일 드레인(85)을 통과해서 베어링 하우징을 나가며, 엔진의 크랭크케이스로 되돌아온다.
도 1에 도시된 일반적인 터보차저에서, 스러스트 베어링(19)은 또한 유체역학적 또는 유체 막 타입의 베어링이다. 이 구성에서, 정지 스러스트 베어링은 베어링의 램프 및 패드 설계에 공급하기 위해 오일 갤러리(81)로부터 오일이 공급된다. 오일은 스러스트 와셔(40)와 샤프트에 설치되는 플링거(flinger, 44)의 마주보는 면의 정적 스러스트 램프와 패드에 대한 상대 운동에 의해 쐐기 형상으로 구동된다. 이 베어링은 회전하는 어셈블리의 축방향 위치를 제어한다.
터보차저의 효율을 증가시키기 위한 하나의 방법은 회전하는 어셈블리를 지지하는 구름 요소 베어링들(REBs)의 채용이었다. 구름 요소 베어링들은 두 개의 일반적인 타입들로 나누어질 수 있다. 제1 타입은 한 쌍의 일반적인 REB 어셈블리들을 사용한다. 각각의 REB 어셈블리는, 이 경우에, 외륜, 볼들 또는 롤러 요소들, 내륜, 케이지, 및 시일들로 이루어진다. 한 쌍의 REB 어셈블리들은 REB 카트리지를 만들기 위해, 슬리브, 즉, REB 어셈블리들을 위한 오일 갤러리들 및 위치들을 가지는 외부 원통형 하우징으로 압축되거나 수축될 수 있다. 제2 타입에서, 슬리브는 생략되며, REB 어셈블리의 외륜은 REB 카트리지의 외경을 한정한다. 별도로 지시되지 않으면, 여기에서 사용되는 용어 "REB"는 REB 카트리지를 가리킬 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, REB들은 일반적으로 샤프트 및 휠 저널 표면(52)에 설치되는 내륜(65)을 가진다. 내륜을 외륜(64)(도 6a)에 연결하는 한 세트의 구름 요소들이 내륜 또는 내륜들(65, 65C 및 65T)에 조립된다. 외륜은 베어링 하우징(3)에 있는 구멍(71)의 내부에 설치된다. 구름 요소 베어링들은 일반적인 터보차저 저널 베어링들처럼 많은 오일을 필요로 하지 않기 때문에 오일 제한기(86)가 REB들에 대한 오일의 유동을 제한하기 위해 오일 입구(80)에 결합된다.
구름 요소 베어링 터보차저들의 채용에 의해 초래되는 몇몇의 개선들이 있다. 일반적인 터보차저 베어링 시스템에 걸쳐 REB 시스템의, 특히 낮은 터보차저 RPM에서, 동력 손실의 감소로 인한 과도 응답의 개선이 있다. REB 시스템들의 동력 손실은 일반적인 슬리브 타입의 터보차저 베어링 시스템들의 손실보다 더 작다. REB 시스템들은 일반적인 터보차저 베어링 시스템들이 할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 스러스트 부하를 지지할 수 있으며 그에 의해 스러스트 부품을 견고하게 만든다. 일반적인 램프 및 패드 스러스트 베어링들은 터보차저에 전달되는 상당량의 오일 유동을 필요로 하며, REB 시스템들은 (일반적인 터보차저 베어링 시스템보다) 더 적은 오일 유동을 필요로 하기 때문에, 더 적은 오일 유동이 REB 시스템에 대해 요구되는 경우, 오일이 촉매를 오염시킬 수 있는 압축기 또는 터빈 스테이지들로의 오일 유로가 감소하는 긍정적인 결과를 초래한다.
볼 베어링 시스템들은 이 효율과 과도 성능 이득을 제공하지만, 볼 베어링들의 감쇠 능력은 일반적인 터보차저 이중 유체역학적 압착 막 베어링들의 감쇠 능력만큼 양호하지 않다. 조립의 용이성을 위해, 볼 베어링들은 카트리지의 외경과 베어링 하우징 구멍의 내경 사이의 오일 막에 의해 베어링 하우징의 내부에 매달리는 강철 REB 카트리지에 유지된다. 오일은 샤프트의 결정적 이벤트의 감쇠를 위해 그리고 베어링들의 윤활을 위해 사용된다. 이 설계에서는, 베어링 카트리지가 감쇠 기능이 상실될 것이므로 베어링 하우징 구멍과 금속 대 금속 접촉을 하지 않는 것이 중요하다.
미국 특허 US 5,145,334(Gutknecht) 및 미국 특허 US 7,214,037(Mavrosakis)은 베어링 하우징에 플로팅 베어링 카트리지를 유지하기 위한 방법들을 알려준다. 베어링 하우징(예를 들어, 제한기(86))에 고정된 포스트는 포스트가 축방향 힘과 회전력에 대해 반응하도록 베어링 카트리지를 구속하며, 동시에 베어링 하우징에 있는 베어링 카트리지의 구속되지 않는 운동(부유)을 허용한다. 미국 특허 US 7,214,037에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(440)의 개구부(444)에 의해 받아들여지는 핀(460)은 하우징(440)에 대해 각도를 이루어서 카트리지를 위치시키는데 선택적으로 도움을 준다. 미국 특허 US 5,145,334의 핀과 유사한 핀(72)이 본 출원서의 도 3에 도시되며, 베어링 하우징에 대하여 축방향 구속과 회전 구속을 제공하기 위해 카트리지에 있는 구멍(68)과 외륜에 있는 구멍(70)에 위치한다. 이 두 방법들 모두는 베어링 하우징에 관통공들을 기계 가공하는 것을 필요로 하며, 게다가, 이들은 조립자에게 잘 보이지 않는 영역에서의 복잡한 조립을 필요로 하며, 정확한 조립과 핀들의 조립의 검증 모두를 어렵게 만든다.
미국 특허 US 7,214,037은 베어링 카트리지의 외륜에 가해지는 축방향 부하를 제어하기 위해 카운터-보어(442; 도 4)와 플레이트(450)의 사용을 알려준다. 이 카운터-보어의 기계 가공은 베어링 카트리지가 받침에 안착되는 것을 허용하지 않을 수 있는 너무 큰 내부 코너 반경을 남기지 않고 직경 표면을 커팅하는 것으로부터 베어링 하우징의 내측 깊은 곳에 있는 받침 표면을 커팅하는 것까지 방향을 변경해야 하는 절단 공구의 정확한 배치를 필요로 한다. 이 과정의 실행은 베어링 하우징의 기계 가공에 대한 비용과 복잡성을 증대시킨다.
그러므로 REB 카트리지의 축방향 및 회전 구속의 현재 상태는 값이 비싸며 복잡하다는 것을 볼 수 있다. 더 비용 효과적이며 기술적으로 더 효과적인 해결책이 필요하다.
미국 특허 US 5,145,334 및 미국 특허 US 7,214,037
본 발명자들은 감싸는 오일 막에 의한 감쇠를 허용하지만, 동시에, REB 카트리지가 축방향 부하를 베어링 하우징에 전달하기 위해 축방향으로 그리고 REB 카트리지가 베어링 하우징에 대하여 회전되지 않도록 회전방향으로 유지되게 허용하는 방식으로 REB 카트리지를 설치하는 위의 문제점들을 해결할 필요가 존재한다고 생각하였다. 그러므로 조립하기에 비용 효율적이고, 간단하며, REB 카트리지의 주위에 감쇠 오일 막을 허용하며 REB 어셈블리가 베어링 하우징에 대하여 회전되는 것을 방지하는 회전 방지 외형에 대한 필요가 있다.
본 발명자들은 단순하고, 조립 중 안전이 보장되며, 저렴하며, 기계 가공하기 쉬운, 회전 방지 외형을 제공하며, 필요하다면 REB 카트리지의 주위에 감쇠 오일 막 유동을 허용하며, 구름 요소 베어링 어셈블리의 베어링 카트리지가 베어링 하우징에 대하여 회전되는 것을 방지하는 듀얼 모드 스냅 링을 개발함으로써 이 문제점들을 해결하였다.
본 발명은 예에 의해 설명되며 유사한 참조 번호들이 유사한 부분들을 가리키는 첨부한 도면들에 의해 한정되는 것이 아니며:
도 1은 터보차저 어셈블리의 일부분을 도시한다.
도 2는 일반적인 볼 베어링 터보차저 베어링 하우징 어셈블리의 일부분을 도시한다.
도 3은 종래 기술의 롤러 베어링을 도시한다.
도 4는 종래 기술의 다른 롤러 베어링을 도시한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 절단된 베어링 하우징 어셈블리의 도면을 도시한다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 제1 실시예의 단면도를 도시한다.
도 7은 도 6a의 더 확대된 도면을 도시한다.
도 8a와 도 8b는 본 발명의 전면 입면도와 단부 입면도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예의 제1 변형의 확대 단면을 도시한다.
도 10a와 도 10b는 본 발명의 제1 실시예의 제2 변형의 확대 단면을 도시한다.
도 11a와 도 11b는 본 발명의 제1 실시예의 조립 순서를 도시한다.
도 12a와 도 12b는 본 발명의 제1 실시예의 제2 변형의 확대 단면을 도시한다.
도 13a와 도 13b는 본 발명의 제2 실시예의 단면도를 도시한다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예의 확대 단면을 도시한다.
볼 베어링 카트리지가 설치되는 베어링 하우징에 대한 회전에 대한 볼 베어링 카트리지의 구속을 위한 종래의 방법들과 관련된 문제점들이 있지만, 축방향 및 반경방향 구속의 생략은 휠들이 하우징들에 접촉하는 것을 허용할 것이며 카트리지가 베어링 하우징에서 회전되는 것을 허용할 것이며, 이들 각각은 터보차저의 수명을 단축할 것이다.
본 발명은 듀얼 모드 스냅 링 및 듀얼 모드 스냅 링을 사용하는 구속 시스템을 제공한다. 스냅 링들은 종래에는 일반적으로 원형의 반경방향 내부면들과 일반적으로 원형의 반경방향 외부면들을 가졌지만, 본 발명의 듀얼 모드 스냅 링들은 바람직하게는 홈에 형성되는, REB 카트리지의 상보적인 비원형 표면에 맞물리기 위한 적어도 하나의 비원형 반경방향 내부면; 베어링 하우징의 상보적인 비원형 표면에 맞물리기 위한 적어도 하나의 비원형 반경방향 외부면으로서, 반경방향으로 내부와 외부 맞물림들은 REB 카트리지의 회전 방지 구속을 생성하는 비원형 반경방향 외부면; 및 베어링 하우징에 있는 홈에 또는 베어링 하우징과 베어링 하우징 폐쇄 플레이트 사이에 한정되는 홈에 반경방향 외측으로 그리고 REB 카트리지에 있는 홈에 반경방향 내측으로 안착되며, 그에 의해 압축기 방향뿐만 아니라 터빈 방향으로 REB 카트리지의 축방향 운동을 방지하도록 구성되는 제1 및 제2 축방향 표면들을 포함한다.
이 듀얼 모드 스냅 링과 REB 카트리지 구속 시스템은 축방향 및 회전방향 모두에서 REB 카트리지의 구속에 대한 필요, 조립하는 직원에 의해 조립 업무가 쉽게 습득되는 것에 대한 필요뿐만 아니라 구속 장치가 완성된 터보차저 어셈블리에 실제로 그리고 올바르게 설치되었다는 것을 쉽게 시각적으로 검증하는 것에 대한 필요를 만족시킨다. 듀얼 모드 스냅 링은 REB 카트리지의 주위에 감쇠 오일 막 유동을 허용하며 구름 요소 베어링 어셈블리의 베어링 카트리지가 베어링 하우징에 대하여 회전되는 것을 방지하기 위해 단순하며, 조립 중 안전이 보장되며, 저렴하며, 기계 가공하기 쉬운 회전 방지 외형을 제공한다.
본 발명에 따르면, 종래의 구속의 외형인, 도 2에 도시된 터빈 단부 축방향 받침(73)이 더 이상 필요하지 않으며, 베어링 하우징 구멍(71)이 오일 플링거 캐비티(170)로 개방되는 경우에 베어링 하우징 구멍(71)이 일정한 직경으로 기계 가공되는 것을 허용한다. 이는 단지 약간의 변경인 것처럼 보일 수 있지만, 이는 사실상 제조 가능성의 상당한 개선이다. 터빈 단부 축방향 받침(73)의 제거는 표면 마감을 개선하기 위해 베어링 하우징 구멍이 호닝 가공되는 것을 허용하지만, 받침이 존재하면, 막힌 구멍에 있는 원통형 표면을 호닝 가공하는 공정이 아주 어렵다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 듀얼 모드 스냅 링(102)의 제1 실시예는 반경방향 내부면(112)과 반경방향 외부면(111)을 가진다. 종래의 스냅 링의 외형들에 추가하여, 듀얼 모드 스냅 링(102)은, 이완된 상태에 있는 듀얼 모드 스냅 링으로, 듀얼 모드 스냅 링에 있는 평평한 부분들(107)이 REB 카트리지에 제조되는 홈들(94) 또는 외륜의 상응하는 평평한 내부 부분들(106)에 끼워 맞추어지도록 링의 일반적으로 둥글거나 원형의 내부면(112)에 제조되는 회전 구속(107)을 일반적으로 제공하는 하나 이상의 비원형, 예를 들어, 평평한, 부분들 또는 형상들을 가진다.
반경방향 외부면(111)의 위에, 제1 실시예의 듀얼 모드 스냅 링(102)은 베어링 하우징에 대한 스냅 링의 회전을 방지하기 위해 베어링 하우징에 있는 역형상의 스캘럽(reverse imaged scallop, 103)에 끼워 맞춰지며, 반경방향 외측으로 돌출되는 숫형 탭(104)을 가진다. 베어링 하우징에 대한 듀얼 모드 스냅 링의 이 회전적으로 구속하는 배치, 및 듀얼 모드 스냅 링에 대한 REB 카트리지의 회전적으로 구속하는 배치는 REB 카트리지를 베어링 하우징에 대하여 회전되지 않게 구속한다. 회전적으로 구속하는 외형은 또한 제조 기술에 따라 (베어링 하우징에 있는) 핀과 (듀얼 모드 스냅 링에 있는) 상응하는 구멍일 수 있다.
듀얼 모드 스냅 링(102)은 또한 두 개의, 통상적으로 평평한, 축방향 또는 "측면의(cheek)" 표면들을 가진다. 베어링 하우징은 스냅 링을 받아들이도록 구성되는 리세스를 반경방향으로 가지며, REB 카트리지는 스냅 링을 받아들이도록 구성되는 홈을 반경 방향으로 가지며, 이에 따라터빈의 방향으로 REB 카트리지로부터 나온 축방향 스러스트로, 스냅 링의 터빈 측 측면 표면(109)이 베어링 하우징(3)에 있는 리세스(67)의 터빈 측 상에 지지되며, 압축기의 방향으로 축방향 스러스트로, 듀얼 모드 스냅 링의 압축기 측 측면 표면(108)이 베어링 하우징 폐쇄 플레이트(6)의 터빈 측 표면(168) 상에 지지된다.
듀얼 모드 스냅 링(102)은, 베어링 하우징과 함께, 베어링 하우징에서 REB 카트리지의 축방향 구속과 회전 구속을 제공하는 한 다양하게 설계될 수 있다.
본 발명의 예시적인 제1 실시예에서, 듀얼 모드 스냅 링에 대한 REB 카트리지의 회전 구속은 REB 카트리지에 있는 세 개의 평평한 표면들과 상호 맞물리는 스냅 링에 있는 세 개의 평평한 표면들의 형태를 취하지만, 베어링 하우징에 기계 가공된 임의의 오일 채널이 외륜에 기계 가공된 상응하는 오일 채널과 연통되도록 회전 구속과 유일한 각도 정렬 모두를 제공하기 위해 REB 카트리지에 있는 동일한 수의 평평한 표면들과 상호 맞물리는, 하나보다 더 큰 임의의 수의 평평한 표면이 있을 수 있다.
본 발명의 예시적인 제1 실시예에서, 듀얼 모드 스냅 링에 대한 REB 카트리지의 회전 구속은 REB 카트리지에 있는 세 개의 평평한 표면들과 상호 맞물리는 스냅 링에 있는 세 개의 선형이거나 평평한 표면들의 형태를 취하지만, 동일한 기능을 수행하는 듀얼 모드 스냅 링이나 REB 카트리지에 있는 곡선이나 탭과 같은, 다른 회전적으로 구속하는 구조들이 있을 수 있다. 듀얼 모드 스냅 링과 REB 카트리지 사이의 회전적으로 억제하는 구속은 또한 듀얼 모드 스냅 링에 대해 REB 카트리지를 정렬하는 핀과 홈/구멍/키홈일 수 있다.
도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시되며, 도 7에서 명확하게 하기 위해 확대된 바와 같이, 베어링 하우징(3)의 압축기 단부 표면(8)은 축방향의 두께 및/또는 형상을 받아들이기 위해 그로부터 이동되거나, 제거되는 재료를 가진다(예를 들어, 스냅 링(102)의 회전을 방지하기 위해 압축기 측 측면 표면으로부터 외부로 연장되는 축방향의 작은 불렛(bullet)이나 핀을 받아들이도록 구성되는 축방향의 막힌 구멍). 베어링 하우징(3)의 압축기 단부 표면(8)으로부터 제거되는 재료의 형상(96)은 듀얼 모드 스냅 링이 REB 카트리지 상태로 조립되어 있을 때에, 회전 방지 외형을 포함하는, 듀얼 모드 스냅 링(102)의, 클리어런스를 가지는, 역형상이다.
종래의 스냅 링들에서와 같이, 듀얼 모드 스냅 링은 듀얼 모드 스냅 링이 일반적인 스냅 링 플라이어들로 팽창되고 수축되는 것을 허용하는 한 쌍의 구멍들(110)을 가진다. 스냅 링 플라이어들의 돌출부(tang)가 구멍들에 끼워 맞춰지기 위해, 릴리프 영역(105)이 제공된다. 이 영역은 스냅 링 플라이어들의 돌출부가 스냅 링을 통해 돌출되는 것을 허용하기 위해 릴리프(96)보다 더 깊으며, 이 영역은 듀얼 모드 스냅 링이 REB 카트리지에 대한 듀얼 모드 스냅 링의 제거, 또는 설치를 허용하기 위해 팽창되는 것을 허용하도록 충분히 넓다.
이 설계는 어셈블리에 대해 듀얼 모드 스냅 링을 조립하며 분해하기 위해 구멍에 의존하지만, 스냅 링은 베어링 하우징과 REB 카트리지 모두에 대한 회전 방지 장치들의 형상을 가지는 한 구멍 타입이 아닌 스냅 링일 수 있었다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예를 조립하기 위해, 조립은 순서에 따라 수행되어야 한다. 단계 "A"에서, 듀얼 모드 스냅 링(102)이 REB 카트리지에 있는 홈(94)과 정렬될 때까지 듀얼 모드 스냅 링(102)은 REB 카트리지(64)의 외경의 위로 슬라이딩되는 것을 허용하기 위해 팽창된다. 듀얼 모드 스냅 링은 그 다음에 듀얼 모드 스냅 링(102)의 위에 있는 평평한 부분들(107)이 REB 카트리지에 있는 상응하는 평평한 부분들(106)과 정렬되도록 REB 카트리지에 있는 홈(94) 내로 수축되는 것이 허용된다. 단계 "B"에서, 이 부분 조립은 그 다음에 베어링 하우징(3)의 구멍(71)에 있는 터빈 측을 향해 슬라이딩되며 듀얼 모드 스냅 링의 탭(104)이 베어링 하우징에 있는 상응하는 스캘럽(103)과 정렬될 때까지 회전되며, 따라서 베어링 하우징의 상응하는 포트들과 매칭하기 위해 오일 입구와 오일 드레인에 대한 올바르고, 유일한, 배향의 REB 카트리지를 제공한다. 듀얼 모드 스냅 링의 측면 표면들(108 및 109) 사이의 두께는 릴리프(96)의 깊이보다 더 작으며, 그러므로, 올바르게 조립될 때, 듀얼 모드 스냅 링의 표면(108)은 베어링 하우징의 표면(8)의 아래에 있다.
본 발명의 예시적인 제1 실시예에서, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징 폐쇄 플레이트(6)는 스냅 링 외부면 및 형상(111)의 역형상의 조립을 허용하기 위해 조금 더 작음에도 불구하고, 일반적으로 원형의 반경방향 형상을 가지며, 듀얼 모드 스냅 링이 베어링 하우징 폐쇄 플레이트의 터빈 측 받침 표면(168)과 베어링 하우징의 압축기 측 표면(67)에 의해 축방향으로 유지되도록, 이전에 베어링 하우징으로 도입된 스냅 링과 REB 카트리지의 어셈블리로 끼워 맞춰지는 치수로 만들어지는 받침의 깊이를 가지는 포지티브 레지(positive ledge) 또는 받침(98)을 가진다. 베어링 하우징 폐쇄 플레이트(6)는, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 베어링 하우징에 볼트로 결합되지만; 이는 V자형 밴드, 볼트 및 너트, 또는 스터드 및 너트를 포함하는, 이 어셈블리를 함께 일반적으로 고정하는데 사용되는 일반적인 방법들 중의 어느 것에 의해 베어링 하우징에 설치될 수 있다.
따라서 본 발명의 예시적인 제1 실시예에서, REB 카트리지는 베어링 하우징, 베어링 하우징 폐쇄 플레이트, 및 듀얼 모드 스냅 링(102)의 조립에 의해 유지된다. 이 방식에서, 터보차저의 (축방향) 공기 역학적 스러스트 부하가 듀얼 모드 스냅 링을 통해 양 방향으로 베어링 하우징에, 또는 하나의 축방향으로 베어링 하우징과 다른 하나의 축방향으로 베어링 하우징 폐쇄 플레이트에 전달되며, 그에 의해 REB 카트리지를 구속하며 그에 따라 회전하는 어셈블리의 축방향 위치를 제어한다. 듀얼 모드 스냅 링(102)이 베어링 하우징에 있는 역형상의 스캘럽(103)에 의해 회전이 구속되는 회전 방지 외형(104)을 가지기 때문에, 축방향 및 회전 구속 기능들이 단일의, 비용 효율적인 부품인 듀얼 모드 스냅 링에 의해 전달되는 것이 보여질 수 있다.
본 발명의 위에서 논의된 예시적인 제1 실시예에서, 돌출된 재료의 형상은 받침이나 돌출된 재료가 압축기의 방향에서 스냅 링을 축방향으로 구속하기 위해 베어링 하우징에 있는 스냅 링의 압축기 측 상의 제거된 재료의 형상의 반경방향으로 약간 더 작은 역형상이었다. 돌출된 재료의 형상은 원형의 세그먼트일 수 있었거나, 돌출된 재료는 스냅 링의 압축기 측 상의 전체 스냅 링을 커버하지 않은 형상일 수 있다. 돌출된 재료의 형상은 압축기의 방향으로 스냅 링을 구속하기에 충분해야 한다. 또는, 적어도 제1 실시예에서, 베어링 하우징은 구멍을 가질 수 있었으며, 스냅 링은 축방향으로 연장되는 작은 불렛이나 핀을 가질 수 있었다.
본 발명의 제1 실시예의 제1 변형에서, 베어링 하우징의 압축기 측에 있는 (베어링 하우징 표면(8)으로부터 리세스 표면(67)의 깊이에 의해 형성되는) 리세스(96)의 깊이는 (표면(109)에서부터 표면(108)까지) 스냅 링의 두께와 베어링 하우징 폐쇄 플레이트로의 (베어링 하우징 폐쇄 플레이트의 표면(7)에서부터 받침 돌출부의 표면(168)까지) 받침(98)의 돌출부의 합계와 같다. 명료성을 위해, 위에 한정된 바와 같은, 스냅 링 두께에 대한 캐비티는 "스냅 링 축방향 캐비티의 깊이"로서 알려질 것이다.
REB 유지 시스템의 설계에서, 다양한 부분들의 열 팽창 및 수축이 고려되어야 한다. 가장 나쁜 열/허용 오차 스택 조건에서, 스냅 링 두께는 기껏해야 스냅 링의 축방향 캐비티의 깊이와 같을 수 있으며, 가장 나쁜 열/허용 오차 스택 조건의 경우에는, 스냅 링은 스냅 링의 축방향 캐비티에서 느슨하지 않을 수 있다.
본 발명의 제1 실시예의 제2 변형에서, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징의 압축기 측 표면(8)은 듀얼 모드 스냅 링의 영역에서 (리세스(96)를 가지지 않고) 평평하며, 리세스(97)는 베어링 하우징 폐쇄 플레이트(6)의 터빈 측 표면(7)에 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 도 5, 도 6, 도 7, 도 9, 도 10, 및 도 12에 도시된 바와 같이, 회전 방지 탭(104)은 베어링 하우징(3)에 있는 상응하는 형상의 스캘럽(103) 내에 끼워 맞춰지는 기하학적 외형이다. 본 발명의 제1 실시예의 변형에서, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 듀얼 모드 스냅 링(107)의 회전 방지 외형(114)은 탭(104)보다 스냅 링의 외부면(111)의 더 큰 길이를 둘러싸며, 본 발명의 제1 실시예의 이 변형에서 회전 방지 외형은 베어링 하우징에 있는 스캘럽의 스냅 링의 각도 배향이 유일하도록 베어링 하우징에 있는 상응하는 형상의 스캘럽(113)으로 끼워 맞춰진다. REB 카트리지 또는 외륜(64)에 있는 상응하는 평평한 표면들(106)에 대한 듀얼 모드 스냅 링(102)의 내측면에 있는 평평한 표면(107)의 끼워 맞춤은 본 발명의 제1 실시예의 것들과 동일하게 남아있다.
본 발명의 제2 실시예에서, 듀얼 모드 스냅 링(102)은 베어링 하우징(3)의 스냅 링 홈(95)에 구비된다. 도 8, 도 13, 및 도 14에 도시된 바와 같이, 스냅 링 홈은 터빈 하우징 측(67)과 압축기 측(168)을 가진다. 외륜이나 카트리지(64)의 외부면(172)에 스냅 링 홈(94)이 존재한다.
본 발명의 제1 실시예에서, 듀얼 모드 스냅 링의 회전 구속은 "자물통과 열쇠" 방식으로 역형상의 리세스(103)로 끼워 맞춰지는 돌출된 숫형 탭(104)을 사용하였다. 탭과 리세스는 베어링 하우징(3)이나 베어링 하우징 폐쇄 플레이트(6) 중의 어느 한 쪽에 위치하였다. 본 발명의 제2 실시예에서, REB 카트리지의 축방향 구속 및 회전 구속은 듀얼 모드 스냅 링과 베어링 하우징에 의해서만 제공된다.
스냅 링 홈이 베어링 하우징의 내부에 완전히 포함되기 때문에, 회전 방지 외형의 리세스는 스냅 링 홈의 측면 표면들(67 및 168)과 교차하도록 "막힌 구멍으로" 기계 가공되어야 한다. 도 14에서, 외경(83)을 가지는 구멍은 듀얼 모드 스냅 링의 회전 방지 탭(104)이 중심선(82)을 가지는 구멍과 스냅 링 홈(95)이 교차되는 영역에 있는 구멍의 남아 있는 부분으로 떨어지는 것을 가능하게 하기에 충분하다. 구멍의 외경(83)의 반경방향 외측 부분은 도 14에서 사선이 없는 것으로 보여질 수 있다. 구멍의 반경방향 내측 부분은 베어링 하우징 구멍(71)의 제조에 의해 기계 가공된다.
본 발명의 제2 실시예에서, 조립 순서는 본 발명의 제1 실시예의 순서로부터 변경되어야 한다. 본 발명의 제2 실시예에서, 듀얼 모드 스냅 링(102)은 베어링 하우징에 있는 베어링 하우징 구멍(71)을 둘러싸는 홈(95)에 삽입되기 위해 수축된다. 스냅 링은 구멍(83)과 베어링 하우징에 있는 스냅 링 홈(95)의 교차에 의해 형성되는 암형 스캘럽에 끼워 맞춰지는 숫형 회전 방지 외형(104)로만 삽입될 수 있다. 스냅 링은 그 다음에 REB 카트리지(64)가 팽창된 스냅 링을 통해 슬라이딩될 수 있도록 베어링 하우징에 있는 홈(94)의 내부에서 팽창된다. 스냅 링은 REB 카트리지의 홈(94)의 베이스에 있는 평평한 표면들(106)에 위치되는 스냅 링의 내부면(112)의 위에 있는 평평한 부분들(107)을 가지는 이의 "정지 상태에 있는" 형상으로 되돌아오는 것이 허용된다. REB 카트리지(64)는 스냅 링의 내부면에 있는 평평한 부분들이 REB 카트리지 또는 외륜의 홈(94)의 베이스에 있는 평평한 부분들과 정렬되기 위해 회전되어야 할 수 있다. 그러므로 REB 카트리지는 스냅 링에 대한 유일한 각도 배향을 가지며, 스냅 링은 베어링 하우징에 대한 유일한 각도 배향을 가진다.
본 발명의 제1 실시예에서와 같이, 도 2에 도시되는 터빈 단부 받침(73)이 더 이상 필요하지 않으며, 베어링 하우징 구멍(71)의 기계 가공이 오일 플링거 캐비티(170)로의 관통으로 종료되는 것을 허용한다.
그러므로 본 발명의 어느 하나의 실시예에서, 단일의, 비용 효율적인, 듀얼 모드 스냅 링이 베어링 하우징에 대한 REB 카트리지의 회전과 축방향 위치를 구속하는 것이 보여질 수 있다.
본 발명이 설명되었으므로, 청구항이 기술된다.

Claims (11)

  1. 압축기 단부와 터빈 단부를 가지는 샤프트;
    베어링 구멍을 포함하며 압축기 측과 터빈 측을 가지는 베어링 하우징(3);
    상기 베어링 구멍에 지지되는 구름 요소 베어링(REB) 카트리지로서, 상기 REB 카트리지는 적어도 하나의 내륜(65, 65C, 65T), 적어도 하나의 외륜(64), 및 일련의 구름 요소들을 포함하며, 각각의 상기 구름 요소는 상기 내륜 및 상기 외륜과 접촉하며, 상기 REB 카트리지는 중심 축, 압축기 단부, 및 터빈 단부를 가지며, 원주 홈(94)이 상기 REB 카트리지의 외주면에 형성되며, 상기 중심 축에 수직이며, 상기 REB 카트리지의 상기 압축기 단부나 터빈 단부의 근처에 있는 상기 REB 카트리지;
    상기 베어링 하우징의 상기 압축기 측에 설치되는 베어링 하우징 폐쇄 플레이트(6); 및
    스냅 링을 포함하는 터보차처로서,
    상기 REB 카트리지는 상기 베어링 하우징 구멍에 위치하며,
    상기 샤프트는 상기 REB 카트리지에 의해 회전되게 지지되며,
    상기 스냅 링은 상기 REB 카트리지의 상기 홈(94)에 부분적으로 안착되며 상기 베어링 하우징(3)과 상기 베어링 하우징 폐쇄 플레이트(6) 사이에서 축방향으로 구속되며, 그에 의해 상기 REB 카트리지를 축방향으로 위치시키며,
    상기 스냅 링은, 상기 스냅 링이 상기 외륜의 회전을 방지하도록, 상기 홈(94)에 있는 협동하는 회전 방지 외형과 맞물리는 적어도 하나의 회전 방지 외형 및 상기 베어링 하우징(3)과 상기 베어링 하우징 폐쇄 플레이트(6) 중의 적어도 하나에 있는 협동하는 회전 방지 외형과 맞물리는 적어도 하나의 회전 방지 외형을 가지는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스냅 링의 반경방향 내부면은 일반적으로 원형이며,
    상기 회전 방지 외형은 상기 일반적으로 원형의 반경방향 내부면으로부터 직선 또는 곡선의 편향인 것을 특징으로 하는 터보차저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외륜의 외경은 상기 REB 카트리지의 외경에 상응하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 REB 카트리지는 적어도 두 개의 REB 어셈블리들을 포함하는 슬리브를 포함하며, 각각의 상기 REB 어셈블리는 적어도 하나의 내륜(65, 65C, 65T), 적어도 하나의 외륜(64), 및 일련의 구름 요소들을 포함하며, 각각의 상기 구름 요소는 상기 내륜 및 상기 외륜과 접촉하며, 상기 슬리브는 상기 REB 카트리지의 외경을 한정하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스냅 링의 반경방향 외부면은 일반적으로 원형이며,
    상기 회전 방지 외형은 상기 일반적으로 원형의 반경방향 외부면으로부터 직선이거나, 볼록하거나 오목한 편향인 것을 특징으로 하는 터보차저.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회전 방지 외형은 상기 일반적으로 원형의 반경방향 외부면으로부터 적어도 하나의 볼록한 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 회전 방지 외형은 상기 일반적으로 원형의 반경방향 외부면으로부터 적어도 하나의 오목한 리세스를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 REB 카트리지의 외주면에 형성되는 상기 원주 홈(94)은 상기 REB 카트리지의 상기 압축기 단부의 근처에 있는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스냅 링은 일반적으로 평평하며,
    상기 회전 방지 외형들 중의 적어도 하나는 상기 스냅 링의 상기 일반적으로 평평한 표면으로부터 나온 축방향 돌출부인 것을 특징으로 하는 터보차저.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 구멍은 어떤 터빈 단부 축방향 받침(73)도 가지지 않는 것을 특징으로 하는 터보차저.
  11. 압축기 단부와 터빈 단부를 가지는 샤프트;
    베어링 구멍을 포함하는 베어링 하우징(3);
    상기 베어링 구멍에 지지되는 구름 요소 베어링(REB) 카트리지로서, 상기 REB 카트리지는 적어도 하나의 내륜(65, 65C, 65T), 적어도 하나의 외륜(64), 및 일련의 구름 요소들을 포함하며, 각각의 상기 구름 요소는 상기 내륜 및 상기 외륜과 접촉하며, 상기 REB 카트리지는 중심 축, 압축기 단부, 및 터빈 단부를 가지며, 원주 홈(94)이 상기 REB 카트리지의 외주면에 형성되며, 상기 중심 축에 수직이며, 상기 REB 카트리지의 상기 압축기 단부나 터빈 단부의 근처에 있는 상기 REB 카트리지; 및
    스냅 링을 포함하는 터보차저로서,
    상기 REB 카트리지는 상기 베어링 하우징 구멍에 위치하며,
    상기 샤프트는 상기 REB 카트리지에 의해 회전되게 지지되며,
    상기 스냅 링은 상기 REB 카트리지의 상기 홈(94)에 부분적으로 안착되며 상기 베어링 하우징(3)에 의해 축방향으로 구속되며, 그에 의해 상기 REB 카트리지를 축방향으로 위치시키며,
    상기 스냅 링은, 상기 스냅 링이 상기 외륜의 회전을 방지하도록, 상기 REB 카트리지의 상기 홈(94)에 있는 협동하는 회전 방지 외형과 맞물리는 적어도 하나의 회전 방지 외형 및 상기 베어링 하우징(3)에 있는 협동하는 회전 방지 외형과 맞물리는 적어도 하나의 회전 방지 외형을 가지는 것을 특징으로 하는 터보차저.
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