KR20140124421A - 멀티 세그먼트 터보차저 베어링 하우징 및 이를 위한 방법 - Google Patents

멀티 세그먼트 터보차저 베어링 하우징 및 이를 위한 방법 Download PDF

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Abstract

샤프트(112, 212, 312)의 서로 반대측 단부에 장착된 압축기 휠(120, 220, 320) 및 터빈 휠(110, 210, 310)을 구비한 회전 조립체(114, 214, 314)를 포함하는 터보차저(102, 202, 302)가 개시된다. 베어링 하우징(160, 260, 360)이 회전 조립체(114, 214, 314)를 지지하고, 적어도 두 개의 세그먼트(189, 190; 289, 290; 389, 390)를 포함한다. 각각의 세그먼트(189, 190; 289, 290; 389, 390)는 회전 조립체(114, 214, 314)를 반경방향으로 수용하기에 충분히 큰 개구를 갖는다. 베어링 하우징 세그먼트(189, 190; 289, 290; 389, 390)는 함께 체결되며(193), 세그먼트들 사이에 가요성 씰이 제공될 수 있다. 베어링 하우징(160, 260, 360)은 예를 들어 전동 요소 베어링(325) 또는 저널 베어링(149)을 수용할 수 있다. 베어링 하우징(160, 260, 360)은 상부 세그먼트(189, 289, 389) 및 하부 세그먼트(190, 290, 390)로 축방향으로(101, 201, 301) 분할된다. 대안적으로 베어링 하우징(160, 260, 360)은 좌측 세그먼트 및 우측 세그먼트로 축방향으로(101, 201, 301) 분할된다. 터보차저(102)는 베어링 하우징(160)에 배치된 전기 모터 고정자(148)를 더 포함할 수 있다. 베어링 하우징(160)은 고정자(148) 주위에 연장되어 정의되고 냉각용 액체를 수용하도록 구성된 통로(143)를 또한 포함할 수 있다.

Description

멀티 세그먼트 터보차저 베어링 하우징 및 이를 위한 방법{MULTI-SEGMENT TURBOCHARGER BEARING HOUSING AND METHODS THEREFOR}
본 발명은 멀티 세그먼트 터보차저 베어링 하우징 및 이를 위한 방법에 관한 것이다.
내연기관은 소비자 및 정부 규제 기관에서 요구하는 더욱 엄격한 배기가스 및 효율 표준을 항상 충족시켜야 한다. 따라서, 자동차 제조업자와 공급자는 내연기관의 작동을 개선하기 위한 기술을 연구하고 개발하는 데에 많은 노력과 자본을 들이고 있다. 터보차저는 특히 관심의 대상이 되는 엔진 개발 분야 중 하나이다.
도 1에 도시된 것과 같은 터보차저(2)는, 보통은 낭비될 배기가스 에너지를 이용하여 터빈 휠(10)을 구동한다. 터빈 휠(10)은 샤프트(12)에 장착되어 결과적으로 압축기 휠(20)을 구동한다. 터빈 휠(10)은 배기가스의 열과 운동 에너지를 회전력으로 변환하여 압축기 휠(20)을 구동한다. 터보차저의 목적은, 엔진으로 들어가는 공기의 밀도를 증가시킴으로써 엔진의 체적 효율을 향상시키는 것이다. 압축기는 외기를 유입시켜 이를 흡기 매니폴드 내로, 궁극적으로는 실린더 내로 압축한다. 따라서, 각각의 흡기 행정 시에 더 많은 질량의 공기가 실린더로 들어가게 된다.
특정 엔진에 최대 파워 출력을 제공하기 위해 통상의 터보차저의 크기가 정해지는 경우, 터보차저의 저부하 및 과도 응답 성능은 일반적으로 최적 수준보다 낮다. 터보차저의 압축기 성능은 압축기 속도에 좌우된다. 압축기가 상당한 압축 또는 부스트를 엔진에 제공할 만큼 충분히 빠르게 회전하기 위해서는, 배기가스 유동에 상응하는 증가가 있어야 한다. 그러나, 배기가스가 증가되어 터빈-압축기 휠 조립체의 관성이 극복되는 동안에 시간이 지연된다. 엔진의 부스트 요구 및 매니폴드 압력의 실제 증가 사이의 이러한 시간 지연은 종종 터보 래그라고 불린다.
터보 래그 및 저부하 성능의 문제들을 극복하는 데 도움이 되고자, 전기 보조 터보차저가 개발되었다. 전기 보조 터보차저는, 저부하 및 과도 상태 동안 배기가스로부터 유도된 회전력을 보충하도록 작동하는 전기 모터를 포함한다. 일반적으로, 모터는 터빈 및 압축기 휠들을 지닌 동일한 샤프트에 연결된다. 몇몇 경우, 모터의 회전자 자석은 샤프트에 상에 직접 위치되는 한편, 고정자는 터보차저의 베어링 하우징 내부에 포함된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 터보차저 베어링 하우징(60)은, 예를 들어 주물에 특징부들을 만들기 위해 다양한 모래-기반 코어를 사용하는 사형 주조 공정을 이용하여 단일 통합 부품으로서 주조된다. 모래-기반 코어는 얇은 부분들을 구비하고 따라서 금속 주입 공정을 견디기에는 너무 취약하기 때문에, 에어 갭 및 오일 통로(81~83)와 같은 베어링 하우징의 특정 특징부들은 일체형 하우징으로 주조하는 것이 불가능하지는 않더라도 어렵다. 또한, 일체형 하우징으로 주조될 수 없는 다양한 횡단 통로(81~83)를 저널 베어링 보어(77, 78)를 통해 하우징 내에 기계가공해야 한다. 따라서, 횡단 통로를 기계가공하는 데 사용되는 드릴의 삽입이 베어링 하우징의 입체 구조에 의해 기하학적으로 방해를 받는다. 그 결과, 베어링 및 횡단 통로 구성은 제약을 받는다. 도 2에는 통로(81, 82)를 위한 드릴 경로가 각각 참조번호 95와 94로 도시되어 있다.
기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 샤프트(12), 터빈 휠(10) 및 압축기 휠(20)을 포함하는 회전 조립체(14)는, 종종 200,000 RPM을 초과하는 높은 속도에서 스스로 파괴되지 않고 필요한 회전 속도를 달성하기 위해 동력학적으로 밸런싱되어야 한다. 회전 조립체(14)는 조립된 유닛, 즉 샤프트(12) 및 터빈 휠(10)에 조립된 다양한 작은 부품들과 압축기 휠(20)로서 밸런싱되어야 한다. 예를 들어 압축기 휠(20)이 제거되었다가 다시 설치되는 경우, 샤프트(12)에 대한 압축기 휠(20)의 정렬, 압축기 휠 상에서의 너트의 클램프 하중 등이 회전 조립체(14)의 밸런스를 변화시키므로, 회전 조립체(14)는 다시 밸런싱되어야 한다. 그러므로, 일반적인 일체형의 원통형 베어링 하우징(60)의 경우, 이러한 밸런스는 회전 조립체(14)가 베어링 하우징(60)에 조립된 후에야 조절될 수 있다. 회전 조립체(14)의 설계는 통합형 하우징(60) 내부에서 구성요소들의 조립을 가능하게 해야 한다는 점에서 제약을 받는다. 이는 회전 조립체의 구성요소들뿐만 아니라 베어링(49)과 씰(52)을 포함한다.
전기 보조 터보차저의 경우, 회전 조립체는 모터 구성요소들을 포함한다. 예를 들어, 회전자가 샤프트에 부착된다. 또한, 고정자가 모터를 둘러싸고 베어링 보어 내로 삽입되어야 한다. 이러한 구성요들 모두의 조립은 하우징 내부에서 보이지 않는 상태로 일어남은 물론이다.
전통적인 일체형 베어링 하우징이 산업에 매우 기여해 왔지만, 전술된 바와 같은 단점들을 갖고 있다. 따라서, 회전자 조립체 및 베어링 설계에 유연성을 허용하는 베어링 하우징에 대한 필요성이 여전히 있다. 또한 전기 보조 터보차저와 관련된 복잡한 회전자 조립체의 제조, 밸런싱 및 시험을 용이하게 하는 베어링 하우징 설계에 대한 필요성이 있다.
회전자 조립체 및 베어링 설계에 유연성을 허용하는 베어링 하우징이 본원에 제공된다. 개시된 베어링 하우징, 베어링 하우징을 포함하는 터보차저, 이의 제조 및 이용 방법은, 비-보조 터보차저의 회전 조립체들뿐만 아니라 전기 보조 터보차저와 관련된 더욱 복잡한 회전자 조립체들의 제조, 밸런싱 및 시험을 용이하게 하는 데 도움이 된다.
일 실시예에서, 터보차저는, 샤프트의 서로 반대측 단부들에 배치된 압축기 휠과 터빈휠을 포함하는 회전 조립체를 포함한다. 베어링 하우징은 회전 조립체를 지지하고 적어도 두 개의 세그먼트를 포함한다. 각각의 세그먼트는 회전 조립체를 반경방향으로 수용하기에 충분히 큰 개구를 가진다. 베어링 하우징 세그먼트들은 함께 체결되며, 세그먼트들 사이에 가요성 씰이 제공될 수 있다. 예를 들어, 베어링 하우징은 전동 요소 베어링 또는 저널 베어링을 수용할 수 있다.
본원에 설명된 기술의 특정 양태들에서, 베어링 하우징은 상부 세그먼트 및 하부 세그먼트로 축방향으로 분할된다. 대안적으로, 베어링 하우징은 좌측 세그먼트 및 우측 세그먼트로 축방향으로 분할된다. 상기 기술의 다른 양태들에서, 터보차저는 베어링 하우징에 배치된 전기 모터 고정자를 더 포함할 수 있다. 베어링 하우징은 또한 고정자 주위에서 연장되어 정의되고 액체를 수용하도록 구성된 통로를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 터보차저는 샤프트에 장착된 회전자 및 샤프트의 서로 반대측 단부들에 배치된 압축기 휠과 터빈 휠을 포함한 회전 조립체를 포함한다. 베어링 하우징이 회전 조립체를 지지하며, 상부 및 하부 세그먼트들을 포함한다. 각각의 세그먼트는 회전 조립체를 반경방향으로 수용하기에 충분히 큰 개구를 가진다. 베어링 하우징 내부에서 회전자 주위에 고정자가 배치된다.
터보차저의 회전 조립체를 둘러싸기 위한 방법이 또한 고려된다. 상기 방법은, 베어링 보어 및 인서트 보어를 포함하는 베어링 하우징을 함께 형성하는 적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트를 제공하는 단계; 세그먼트들의 상호보완적인 대응면을 기계가공하는 단계; 세그먼트들을 서로 정렬 및 체결하기 위해 필요한 특징부들을 기계가공하는 단계; 베어링 보어 및 인서트 보어를 기계가공하는 단계; 오일 공급 통로 및 오일 배출 특징부를 적어도 하나의 세그먼트 내로 기계가공하는 단계로서, 이 때 상응하는 베어링 하우징 세그먼트의 반경방향 내측 표면으로부터 적어도 하나의 오일 공급 보어를 드릴링하는 것인 단계; 회전 조립체를 밸런싱하는 단계; 베어링 하우징 세그먼트들 중 적어도 하나 안으로 회전 조립체를 설치하는 단계; 및 세그먼트들을 함께 연결하여 회전 조립체를 둘러싸는 단계를 포함한다.
적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트는 각각의 세그먼트를 개별적으로 주조함으로써 제공될 수 있다. 대안적으로, 적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트는, 통합형 베어링 하우징을 주조하고 이어서 통합형 베어링 하우징을 적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트로 절단 또는 분할함으로써 제공된다. 베어링 보어 및 인서트 보어를 기계가공하는 단계 전에 세그먼트들을 서로 조립한다.
멀티 세그먼트 베어링 하우징의 이러한 양태들 및 다른 양태들은, 본원의 상세한 설명 및 도면들을 고려한 후에 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 범주는 제시된 바와 같은 청구항들에 의해 결정되는 것이며, 주어진 주제가 배경기술에 언급된 임의의 문제 또는 모든 문제들을 다루는지 여부 또는 이러한 발명의 내용에 언급된 임의 특징들 또는 양태들을 포함하는지 여부에 의해 결정되는 것이 아님을 이해할 것이다.
멀티 세그먼트 베어링 하우징의 바람직한 실시예를 비롯한 비제한적 비배타적 실시예들을 다음의 도면들을 참조하여 설명하며, 이 때 다르게 명시되지 않는 한 다양한 도면들에 있어서 동일한 참조번호들은 동일한 부분들을 나타낸다.
도 1은 종래의 베어링 하우징을 구비한 터보차저를 도시하는 측단면도이다.
도 2는 도 1에 나타난 베어링 하우징의 측단면도이다.
도 3은 예시적인 제1 실시예에 따른 멀티 세그먼트 베어링 하우징을 구비한 터보차저를 도시하는 측단면도이다.
도 4는 도 3에 나타난 베어링 하우징의 분해 측단면도이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 나타난 베어링 하우징의 단부도를 도시한다.
도 6은 도 3 내지 도 5에 나타난 베어링 하우징의 상부 세그먼트의 저부 평면도를 도시한다.
도 7은 예시적인 제2 실시예에 따른 멀티 세그먼트 베어링 하우징을 구비한 터보차저를 도시하는 측단면도이다.
도 8은 예시적인 제3 실시예에 따른 멀티 세그먼트 베어링 하우징을 구비한 터보차저를 도시하는 측단면도이다.
도 9는 도 8에 나타난 베어링 하우징의 하부 세그먼트의 상부 평면도를 도시한다.
실시예들을, 그 일부를 구성하며 예시적으로 특정의 예시적 실시예들을 보여주는 첨부 도면을 참조하여, 이하에 더욱 충분히 설명한다. 이러한 실시예들은 당업자가 본 출원의 기술을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 개시된다. 그러나, 실시예들은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본원에 제시된 실시예들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 그러므로 다음의 상세한 설명은 제한적인 의미로 여겨지는 것이 아니다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징(160)은 터보차저(102)의 중심축(101)을 따라 축방향으로 한 쌍의 세그먼트로 분할된다. 이 경우, 베어링 하우징의 상부 세그먼트(189)는 가압 오일 시스템 구성요소들을 전부 수용한다. 터빈-단 저널 베어링 오일 공급을 위한 오일 보어(181)는, 압축기-단 저널 베어링 오일 공급을 위한 오일 보어(182)와 마찬가지로, 축(101)에 거의 수직으로 드릴링될 수 있다. 연결 보어(180)가 압축기 디퓨저 면(184)으로부터 드릴링된 후 확장 플러그(185)로 밀봉된다. 이러한 연결 보어는 오일 입구(162)와 교차하도록 드릴링되며, 베어링 오일 공급 보어(181, 182)를 오일 입구(162)에 유체 연결하기 위한 도관으로서 사용된다. 짧은 오일 보어(183)가 압축기-단 저널 베어링 공급 보어(182)와 교차하도록 스러스트 베어링 면(185)으로부터 드릴링되어, (조립 후의) 스러스트 베어링을 오일 입구(162)에 유체 연결한다. 이는 저널 베어링 오일 공급 보어(181, 182)에 공급하는 스러스트 베어링 오일 공급 보어(183)의 기하학적 제약을 없애고, 따라서 인서트 보어(179, 도 4 참조)가 압축기-단 오일 공급 저널 보어 중심선의 정렬을 만족시켜야 할 필요가 없으므로, 더 작은 직경의 스러스트 베어링(150) 및 결과적으로 더 작은 직경의 인서트(152)를 가능하게 한다.
중심축(101)에 대해 오일 보어(181, 182)가 더욱 수직으로(즉, 90°에 더 가깝게) 드릴링될수록, 드릴링 작업이 덜 복잡하다. 저널 베어링에 대한 자유로운 접근은 드릴링의 배치 및 그에 따른 저널 베어링의 축방향 배치를 더 자유롭게 한다. 이러한 실시예에서, 스러스트 베어링의 크기 및 저널 베어링들의 위치는 종래의 터보차저와 비슷하다. 그러나, 2-부분 베어링 하우징 설계로 제공되는 스러스트 베어링 오일 드릴링(183)의 축 및 배치의 자유를 활용하기 위해 스러스트 베어링의 직경을 더 작게 만들 수 있다.
이러한 실시예에서, 베어링 하우징의 상부 및 하부 세그먼트(189, 190)에는 전기 모터(140)를 위한 공동(141)이 제공된다. 모터는 샤프트(112)에 부착된 회전자(147) 및 공동(141)에 배치된 고정자(148)를 포함한다. 이 경우, 세그먼트들은 상측 및 하측 절반부를 포함한다. 그러나 이들은 좌측 절반부 및 우측 절반부일 수 있다. 또한, 세그먼트들은 상이한 부분들로 구분될 수 있다. 예를 들어, 세그먼트들은 1/4 및 3/4 또는 1/3 및 2/3 세그먼트들로 구분될 수 있다. 다른 적합한 공정들 중에서, 공동(141)은 당업계에 알려진 바와 같이 방전 가공(EDM)으로 형성될 수 있다. 특히, 공동(141)은 흑연 슬러그 EDM 공정으로 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징의 하부 세그먼트(190)는 상부 세그먼트(189)에 대응되게 맞물려 베어링 하우징(160)을 완성한다. 오일 배출 특징부들이 베어링 하우징의 하부 세그먼트에 제공된다. 내측 쉘(199)이 제공되어, 전기 모터(140)의 외측 주위에서 정의된 통로, 예를 들어 고정자(148) 주위에 연장된 환형부(143)에 일시적으로 오일을 보유한다. 이러한 쉘의 목적은 냉각을 위해 오일을 고정자(148)에 접촉된 상태로 유지하는 것이다. 이러한 냉각용 오일을 위한 배출구(145)는 쉘(199)의 보어일 수 있으며, 이는 전기 모터(140)의 고정자(148) 및 베어링 쉘(199)에 의해 형성된 환형부(도 3 참조)로부터 엔진 크랭크케이스에 유체 연결된 주요 베어링 하우징 오일 배출구(187)로 오일이 흐를 수 있게 한다. 복수의 오일 배출구(146)가, 전기 모터 오일 수용 시스템 또는 샤프트 씰 칼라(186)로부터 오일이 빠져나갈 수 있게 한다. 전기 모터 쉘(199)과 하부 저널 베어링 지지체 사이의 교차점 근처에 복수의 배출구(188)가 제공되어, 저널 베어링(149)으로부터 오일이 빠져나갈 수 있게 한다.
베어링 하우징의 상부 및 하부 세그먼트(189, 190)는 조립 공정 중 함께 기계적으로 체결된다. 세그먼트들은 고정(retaining) 볼트, 리벳, 피닝, 용접, 접착과 같은 임의의 기계적 또는 화학적 수단에 의해 함께 체결될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 볼트(193)가 상부 세그먼트(189)를 하부 세그먼트(190)에 클램핑한다. 이들 볼트는 탭 구멍 안으로 체결될 수 있거나, 또는 깨끗한 보어를 통과하여 너트에 나사결합될 수 있다. 이들 고정 볼트에 의해 공급된 클램프 하중은 밀봉 가스켓을 압축하여, 베어링 하우징의 내부와 베어링 하우징의 외부 사이에 오일 및 가스 밀봉을 제공한다. 밀봉 가스켓은 함침 흑연 밀봉 매체, 예컨대 그라포일(grafoil) 가요성 가스켓일 수 있지만, 엠보싱 처리된 평평한 심(shim) 타입의 가스켓일 수도 있다. 가스켓은 도면에 구체적으로 도시되지는 않았으며, 가스켓은 일반적으로 당업계에서 잘 알려져 있다. 대안적으로, 또는 가스켓에 추가하여, 밀봉 화합물이 밀봉 표면에 도포될 수 있다. 씰의 융기된 부분을 위해 홈(198)이 하부 세그먼트(190)에 제공된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 가스켓을 위한 홈(198)이 하부 세그먼트(190)에 위치하지만, 홈(198)은 기능 상의 차이 없이 상부 세그먼트(189)에 (또는 둘 다에) 위치할 수도 있다.
베어링 하우징의 상부 및 하부 절반부는 개별적으로 주조될 수 있고, 그 후 대응하는 표면들 및 기능적 표면들이 필요한 공차로 필요한 보어를 형성하도록 기계가공된다. 일 실시예에서, 베어링 하우징의 예시된 실시예를 기계가공하기 위한 공정은 다음을 포함한다: 베어링 하우징 주물의 상부 세그먼트 및 하부 세그먼트 각각의 상호보완적인 중심면(196, 197)을 기계가공하는 단계; 장착 및 정렬 구멍들을 기계가공하는 단계; 오일 공급 보어들 및 오일 배출 특징부들을 드릴링하는 단계; 공동(141)을 위한 EDM 단계; 세그먼트들을 함께 연결하는 단계; 및 예컨대 베어링 보어, 인서트 보어, V자형 밴드 플랜지(155, 157)(또는 베어링 하우징 대 단부-하우징 연결부들이 볼트 및 클램프 플레이트인 경우, 볼트 및 클램프 특징부들)와 같은 반대의 특징부들을 마무리 가공하는 단계. 대안적으로, 하우징은 일체로 주조되어 이어서 세그먼트들로 절단 또는 분할될 수 있다. 이어서 분할되는 단일 하우징의 경우, 당업계에 공지된 바와 같은 와이어 EDM 공정을 이용하여 케이싱을 절단할 수 있다.
이러한 실시예에서, 회전 조립체(114)는 베어링 하우징 외측에서 구성요소들이 모두 완전히 보이는 상태로 조립될 수 있다. 또한, 회전 조립체는 베어링 하우징 내로 조립된 후 추가적인 밸런싱 또는 시험이 필요하지 않도록 고정 장치에서 밸런싱 및 시험될 수 있다. 고정 장치는 베어링 하우징의 각각의 설계에 특정한 밸런스 공구 작업을 하지 않아도 되고, 동일한 패밀리에서(즉 동일한 회전자 조립체를 이용하여) 어떤 터보차저에도 사용할 수 있다. 분해 후 베어링 하우징으로 재조립한 후 조립-후 밸런싱 작업을 할 필요 없이, 예비 조립된 회전자를 밸런싱할 수 있는 고정 장치를 이용함으로써, 밸런싱이 재료의 제거를 필요로 한다면 휠의 배면측으로부터 밸런스 물품을 제거할 기회를 열어놓는다. 일단 회전 조립체(114)가 조립, 밸런싱 및 시험되었으면, 예를 들어 하부 세그먼트(189)의 개구(175, 도 6 참조) 내로 설치될 수 있다.
도 7은 예시적인 제2 실시예에 따른 베어링 하우징을 도시한다. 베어링 하우징(260)은 제1 실시예에서와 같이 상부 세그먼트(289) 및 하부 세그먼트(290)를 포함한다. 베어링 설계는 일반적인 터보차저와 유사하지만 스러스트 베어링 오일 공급 보어(283)가 일차적인 비-수직형 오일 공급 보어가 되고, 저널 베어링 보어(281, 282) 및 오일 입구(262)의 확장부와 교차된다. 전술된 바와 같이, 베어링 하우징의 "내부"로부터 저널 베어링 보어(281, 282)를 드릴링한다는 선택지는, 종래의 일체형 베어링 하우징의 단부들로부터 저널 베어링 오일 공급부를 드릴링해야 하는 것으로부터 야기된 제약을 없애주며, 따라서 오일은 샤프트에 더 가깝게 공급될 수 있고, 그로 인해 스러스트 베어링 및 인서트는 일반적인 일체형 베어링 하우징보다 (직경이) 훨씬 더 작을 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 코어들이 더 견고하게 지지될 수 있으므로, 터빈-단 공기 통로(264) 및 압축기-단 공기 통로(230)가 일체형 베어링 하우징의 경우에 가능한 것보다 훨씬 더 크다. 이로써 더 작은 주철 질량 및 더 큰 공기 갭을 가진 베어링 하우징을 제조하여, 터빈 하우징으로부터 베어링 및 압축기 단으로의 열의 전도성 흐름을 최소화할 수 있다. 제2 실시예의 제조 효율에서의 중요한 이득은, (통합형 베어링 하우징 내부에서 더 이상 가려지지 않는) 구성요소들이 모두 충분히 보이는 상태로 회전 조립체를 조립할 수 있으며, 베어링 하우징의 각각의 설계에 특정한 밸런스 공구 작업을 하지 않아도 되고, 동일한 패밀리의 어떤 터보차저에도 사용할 수 있는 고정 장치에서 회전 조립체가 밸런싱될 수 있다는 점에 있다. 이는 또한 밸런싱이 재료의 제거를 필요로 한다면 휠의 배면측으로부터 밸런스 물품을 제거할 기회를 열어놓는다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 제3 실시예에서, 회전 조립체(314)를 지지하고 제어하기 위해 전동 요소 베어링(325)(REB)이 사용된다. 제2 실시예에서와 같이, 터빈 하우징으로부터 베어링 하우징(360)으로의 열 전도를 감소시킬 수 있게 된다. 그 이유는, 공기 통로 코어(364, 330)가 훨씬 더 크고 더 견고하게 지지될 수 있으며, 심지어 수평방향 연결 보어가 필요 없이 오일 공급 보어(381, 382)가 더욱 쉽게 드릴링될 수 있기 때문이다. REB의 축방향 및 회전 제약은 추가적인 부분들이기보다는 베어링 하우징 세그먼트들 내로 기계가공될 수 있다는 점은 물론이다. REB 카트리지 외측 형상이 일부 회전-방지 특징부, 예컨대 베어링 하우징의 상호보완적인 특징부에 끼워맞춰지는 기하학적 특징부(예컨대 REB 외측 레이스의 외측 표면으로 기계가공된 "평평부")를 구비하는 한, 회전 제약은 쉽게 제공될 수 있다. 이러한 경우, REB 외측 레이스는 축방향으로 대향하는 단부들 중 하나로 기계가공된 평평부를 가진다. 베어링 하우징은 REB 외측 레이스의 회전-방지 특징부에 상호보완적으로 단부에 접경부(331 또는 332)를 갖는 리세스를 가진다(도 9참조). 회전 조립체가 회전-방지 특징부를 가진 베어링 하우징의 세그먼트에 끼워맞춰지면, 두 개의 회전-방지 특징부는 서로 맞물리고 REB는 유막 상에 부유될 수 있게 되지만 회전은 제약을 받는다.
축방향 제약은 유사한 방식으로 관리된다. 외측 레이스 또는 REB의 축방향 단부는 상부 및/또는 하부 베어링 하우징 공동에서 접경부(331, 332)에 의해 축방향으로 제한된다. 본 발명의 제3 실시예의 축방향 제약 및 회전 제약 둘 다에서, 축방향 제약 및 회전 제약을 제공하기 위해 추가적인 구성요소가 요구되지 않는다. 베어링으로부터 압축기 휠로의 오일 흐름을 방해하기 위해 플린저(326)가 제공된다. 플린저를 위한 공동은 오일 플린저로부터 나온 오일을 배출시키기 위해 하부 세그먼트에 오일 배출부(327)를 가진다.
전술한 멀티 세그먼트 베어링 하우징 및 터보차저와 관련된 방법들 또한 고려된다. 따라서 상기 방법들은 전술된 구조 및 그 동작들 고유의 단계들을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 상기 방법은, 베어링 보어 및 인서트 보어를 포함하는 베어링 하우징을 함께 형성하는 적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트를 제공하는 단계; 세그먼트들의 상호보완적인 대응면을 기계가공하는 단계; 세그먼트들을 서로 정렬 및 체결하기 위해 필요한 특징부들을 기계가공하는 단계; 베어링 보어 및 인서트 보어를 기계가공하는 단계; 오일 공급 통로 및 오일 배출 특징부를 적어도 하나의 세그먼트 내로 기계가공하는 단계로서, 이 때 상응하는 베어링 하우징 세그먼트의 반경방향 내측 표면으로부터 적어도 하나의 오일 공급 보어를 드릴링하는 것인 단계; 회전 조립체를 밸런싱하는 단계; 베어링 하우징 세그먼트들 중 적어도 하나 안으로 회전 조립체를 설치하는 단계; 및 세그먼트들을 함께 연결하여 회전 조립체를 둘러싸는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 상기 방법은, 압축기를 밸런싱하는 단계; 터빈을 밸런싱하는 단계, 회전자, 베어링 및 칼라를 터빈에 조립하는 단계; 회전자, 베어링, 칼라, 및 터빈 서브-조립체를 밸런싱하는 단계; 서브-조립체를 베어링 하우징 세그먼트들 중 적어도 하나 안으로 설치하는 단계; 및 세그먼트들을 함께 연결하여 서브-조립체를 둘러싸는 단계; 압축기 휠을 샤프트에 조립하는 단계; 및 터보차저를 고속 밸런싱하는 단계를 포함할 수 있다.
적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트는 각각의 세그먼트를 개별적으로 주조함으로써 제공될 수 있다. 대안적으로, 적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트는, 통합형 베어링 하우징을 주조하고 이어서 통합형 베어링 하우징을 적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트로 절단 또는 분할함으로써 제공된다. 베어링 보어 및 인서트 보어를 기계가공하는 단계 전에 세그먼트들을 서로 조립한다.
따라서, 멀티 세그먼트 베어링 하우징, 이를 포함하는 터보차저, 및 이를 위한 방법을 예시적인 실시예에 대해 어느 정도 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명은 종래 기술을 감안하여 해석된 다음의 청구항에 의해 정의되며, 이에 따라 본원에 포함된 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않으면서 예시적인 실시예들에 수정 및 변경이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims (15)

  1. 샤프트(112, 212, 312)의 서로 반대측 단부들에 배치된 압축기 휠(120, 220, 320) 및 터빈 휠(110, 210, 310)을 포함하는 회전 조립체(114, 214, 314); 및
    회전 조립체(114, 214, 314)를 지지하도록 구성되며, 각각 회전 조립체(114, 214, 314)를 수용하도록 이루어진 크기의 개구(175)를 가지는 적어도 두 개의 세그먼트(189, 190; 289, 290; 389, 390)를 포함하는 베어링 하우징(160, 260, 360)을 포함하는, 터보차저(102, 202, 302).
  2. 제1항에 있어서,
    베어링 하우징(160, 260, 360)은 상부 세그먼트(189, 289, 389) 및 하부 세그먼트(190, 290, 390)로 축방향으로(101, 201, 301) 분할되는, 터보차저(102, 202, 302).
  3. 제1항에 있어서,
    베어링 하우징(160, 260, 360)은 좌측 세그먼트 및 우측 세그먼트로 축방향으로(101, 201, 301) 분할되는, 터보차저(102, 202, 302).
  4. 제1항에 있어서,
    베어링 하우징(160)에 배치된 전기 모터 고정자(148)를 더 포함하는 터보차저(102).
  5. 제4항에 있어서,
    베어링 하우징(160)은 고정자(148) 주위에 연장되도록 정의되며 액체를 수용하도록 구성된 통로(143)를 포함하는, 터보차저(102).
  6. 제1항에 있어서,
    베어링 하우징 세그먼트(189, 190; 289, 290; 389, 390)는 체결구(193)에 의해 결합되며, 상기 세그먼트들 사이에 가요성 씰이 제공되는, 터보차저(102, 202, 302).
  7. 제1항에 있어서,
    베어링 하우징(360)은 전동 요소 베어링(325)을 수용하는, 터보차저(302).
  8. 샤프트(112) 상에 장착된 회전자(147) 및 샤프트(112)의 서로 반대측 단부들에 배치된 압축기 휠(120)과 터빈 휠(110)을 포함하는 회전 조립체(114);
    회전 조립체(114)를 지지하도록 구성되며, 각각 회전 조립체(114)를 수용하도록 이루어진 크기의 개구(175)를 가지는 상부 세그먼트(189) 및 하부 세그먼트(190)를 포함하는 베어링 하우징(160); 및
    베어링 하우징(160) 내에서 회전자(147) 주위에 배치된 고정자(148)를 포함하는, 터보차저(102).
  9. 제8항에 있어서,
    베어링 하우징(160)은 고정자(148) 주위에 정의되며 냉각용 액체를 수용하도록 이루어진 통로(143)를 포함하는, 터보차저(102).
  10. 제9항에 있어서,
    베어링 하우징 세그먼트(189, 190)는 체결구(193)에 의해 결합되며, 상기 세그먼트들 사이의 홈(198)에 가요성 씰이 제공되는, 터보차저(102).
  11. 터보차저(102, 202, 302)의 회전 조립체(114, 214, 314)를 둘러싸기 위한 방법에 있어서,
    베어링 보어(177, 178) 및 인서트 보어(179)를 포함하는 베어링 하우징(160, 260, 360)을 함께 형성하는 적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트(189, 190; 289, 290; 389, 390)를 제공하는 단계;
    상기 세그먼트들의 상호보완적인 대응면(196, 197)을 기계가공하는 단계;
    상기 세그먼트들을 서로 정렬 및 체결하기 위해 필요한 특징부들(193)을 기계가공하는 단계;
    베어링 보어(177, 178) 및 인서트 보어(179)를 기계가공하는 단계;
    오일 공급 통로(181~183) 및 오일 배출 특징부(145, 187)를 적어도 하나의 세그먼트 내로 기계가공하는 단계로서, 이 때 상응하는 베어링 하우징 세그먼트의 반경방향 내측 표면으로부터 적어도 하나의 오일 공급 보어(181, 182)를 드릴링하는 것인 단계;
    회전 조립체(114, 214, 314)를 밸런싱하는 단계;
    베어링 하우징 세그먼트들(189, 190; 289, 290; 389, 390) 중 적어도 하나 안으로 회전 조립체(114, 214, 314)를 설치하는 단계; 및
    상기 세그먼트들을 함께 연결하여 회전 조립체(114, 214, 314)를 둘러싸는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    회전 조립체(114)는 전기 모터의 회전자(147)를 포함하고, 상응하는 고정자(148)가 베어링 하우징(160)에 수용되는, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트(189, 190; 289, 290; 389, 390)는 각각의 세그먼트를 개별적으로 주조함으로써 제공되는, 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트는, 통합형 베어링 하우징을 주조하고 이어서 상기 통합형 베어링 하우징을 적어도 두 개의 베어링 하우징 세그먼트(189, 190; 289, 290; 389, 390)로 절단함으로써 제공되는, 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    세그먼트(189, 190; 289, 290; 389, 390)는 베어링 보어(177, 178) 및 인서트 보어(179)의 기계가공 단계 전에 서로 조립되는, 방법.
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