KR20140139551A - 주조된 파이프를 구비한 터보차저 베어링 하우징 - Google Patents

주조된 파이프를 구비한 터보차저 베어링 하우징 Download PDF

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Abstract

통상적으로, 터보차저 베어링 하우징이 주조된 후, 오일 통로들이 주물 내로 드릴링 또는 보링된다. 결과적으로, 보어들은 드릴 접근점으로부터 연장되는 직선으로 한정된다. 오일, 공기 및 물 통로들 중 하나 이상을 정의하게 되는 금속 파이프들의 집합을 몰드에 미리 스테이징하고 이러한 파이프들 주위에 베어링 하우징을 주조함으로써, 더 큰 설계 유연성이 제공된다. 이는 오일 보어 및 기타 특징부를 성형하고 위치시키는 데 있어서 거의 제한되지 않는 자유도를 제공한다.

Description

주조된 파이프를 구비한 터보차저 베어링 하우징{TURBOCHARGER BEARING HOUSING WITH CAST-IN PIPES}
본 발명은 터보차저에 관한 것으로서, 특히 미리 스테이징(pre-staging)된 파이프 주위에 베어링 하우징 주조 재료를 주조함으로써 형성된 오일, 물 및 공기 통로들을 구비하는 베어링 하우징을 제공한다.
터보차저는 차량 배기가스로부터 에너지를 추출하여 압축기가 공기를 높은 밀도로 엔진 흡기부로 전달하도록 하여, 더 많은 연료가 연소되도록 함에 따라, 엔진의 마력을 증폭시킨다. 터빈 휠, 압축기 휠 및 샤프트를 포함하는 터보차저의 회전 조립체는 80,000 RPM 내지 300,000 RPM으로 회전할 수 있다. 샤프트는 유체역학적 베어링 시스템 상에서 회전한다. 압력 하에서 베어링 하우징의 상부에 있는 오일 부품으로 오일이 공급되고, 그로부터 오일은 오일 보어들 내에서 저널 베어링(33, 34) 및 스러스트 베어링(35)으로 이동한다.
통상적으로, 베어링 하우징은 오일 보어 없이 주조된다. 보어들은 나중에 직선을 따라 드릴링함으로써 베어링 하우징 내로 가공된다. 일반적으로, 드릴 또는 보링 공구를 지지하기 위해 드릴 안내부가 사용되며, 이러한 드릴 안내부(94, 95)를 위한 드릴링 접근은, 오직 베어링 하우징의 상대적으로 작은 직경의 저널 베어링 보어(65)의 축방향 개방 단부들을 통해서 이루어질 수 있다. 이는 드릴이 우선 매우 얕은 각도로 저널 베어링 보어의 정확한 위치에서 시작되고 그 후 생주물 오일 전달 보어를 뚫고 나아가야 하므로, 종종 복잡한 공구작업을 요구하는 매우 어려운 가공 작업이다. 드릴링 공구의 제한된 접근으로 인해, 저널 베어링으로 오일을 전달하기 위한 결과적인 보어는 저널 베어링 보어에 경사져 있고 베어링 하우징의 단부에 인접하여 위치된다.
스러스트 베어링 오일 공급 보어(69) 또한, 일반적으로 두 개의 저널 베어링 오일 공급 보어(67, 68)뿐만 아니라 오일 입구로부터의 공급 보어(62)와 교차해야 하는 직선형 보어이다. 이들 보어의 이러한 기하구조의 결과, 일반적으로 스러스트 베어링 장착면(85)에서 스러스트 베어링 오일 공급 보어(69)의 브레이크아웃은 바람직한 것보다 더 중심선으로부터 크게 오프셋되고, 특히 이 결과 스러스트 베어링의 관(canal)이 원하는 것보다 더 터보차저 중심선으로부터 큰 반경에 있게 되기 때문에, 결과적으로 스러스트 베어링은 원하는 것보다 더 커야 하고, 이는 재료 비용을 상승시키게 된다.
대부분의 터보차저는 터빈 하우징 바닥을 통해 엔진에 장착된다. 몇몇 경우에, 베어링 하우징의 상부의 부품에 가압 튜브 또는 파이프를 통해 오일이 공급되는 대신, 터보차저는, 베어링 하우징의 저부로부터 연장되며 가압된 엔진 오일을 베어링 하우징으로 공급되게 하는 연결부 및 베어링 하우징으로부터 엔진 구성요소 내부의 공동으로 배출시키기 위한 연결부를 포함하는 바닥을 통해 엔진 장착부에 장착된다. 베어링 하우징을 물로 냉각시키기 위한 연결부가 제공될 수도 있다.
이러한 구성의 문제점은, 오일 공급이 베어링 하우징 바닥(70)으로부터 각각의 저널 베어링 상부의 지점을 가로질러 수직 상방으로 이동한 후, 저널 베어링 내로 수직 하방으로 이동해야 한다는 점에 있다. 현재의 기술로는, 오일 유동 경로를 형성하기 위해서 여러 번의 드릴링이 요구된다. 이는 몇몇 오일 보어 드릴링이 베어링 하우징 외측으로부터 이루어져 다른 보어들과 교차해야 하며, 그 후 보어의 미사용 부분이 플러그로 밀봉되어 오일 유동 회로를 완성해야 한다는 것을 의미하기도 한다. 이러한 제조 방법은 또한, 유동 경로의 코너들이 반경이 없거나 매우 작은 반경으로 날카롭게 이루어진다는 것을 의미하며, 이는 낮은 손실의 양호한 유체 유동으로 이어지지 못한다.
나아가, 이러한 금속-제거 제조 방법에 의해, 그리고 또한 보어들을 서로 파괴한 결과, 잠재적으로 손상을 주는 금속 버르가 생성된다. 일단 가공되면, 가공된 작은 오일 전달 보어들이 큰 통로 내로 브레이크아웃되는 영역의 버르를 완전히 제거하여, 금속 버르가 오일 유동으로 들어가 타이트한 공차의 베어링 간극 내로 들어가는 것을 방지해야 한다. 이러한 영역의 버르를 잘 제거하지 못하면 금속 버르가 베어링으로 들어가 이를 파괴하는 결과로 이어질 수 있다. 따라서 이러한 보어들은 제조하는 데에 시간이 많이 들고, 플러그가 빠지면서 압력 하에 엔진 및 터보차저 주위의 매우 고온인 환경으로 엔진 오일을 방출시킬 가능성이 항상 존재한다.
따라서 복잡하고 어려운 가공 작업들을 최소화하기 위해 오일 공급 보어들을 터보차저에 제공하는 더 나은 방식이 필요하다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 오일, 공기 및 물 통로들 중 하나 이상을 정의하는 파이프들의 집합을 미리 스테이징한 후에 파이프들 주위에 베어링 하우징을 주조함으로써, 상기의 문제점들을 해결한다.
본 발명은 주조 공정에 이어서 베어링 하우징 내로 특징부들을 직선 가공하는 것과 관련된 문제들을 피할 뿐만 아니라, 오일 보어 및 다른 특징부들을 성형하고 위치시킴에 있어서 처음으로 거의 제한되지 않는 자유도를 제공한다.
본 발명을 첨부 도면들에서 비제한적으로 예로서 도시하되, 도면들에 있어서 유사한 참조 번호는 유사한 부분들을 나타낸다.
도 1은 일반적인 터보차저 베어링 하우징 조립체의 단면을 도시한다.
도 2는 일반적인 터보차저 저널 베어링 오일 공급 보링 체계의 단면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 주조된 파이프를 보여주는 두 개의 절반부의 단면도를 도시한다.
도 4는 파이프 번들의 도면을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 저부-공급식 베어링 하우징의 파이프 체계를 보여주는 단면도를 도시한다.
본 발명의 제1 실시예에서, 미리 제작된 파이프 번들이 몰드에 스테이징되고 베어링 하우징(60)은 이들 파이프 주위에 주조되며, 따라서 일반적인 베어링 하우징 오일 통로 보어들의 복잡하고 어려운 고가의 가공이 필요 없이, 평탄한 보어의 만곡된 내부 오일 통로들을 제공한다. 이는 또한 급격한 유동 방향 변화 및 날카로운 모서리로 인한 압력 강하가 최소로 유지된다는 것을 의미한다.
파이프들은 함께 연결(일반적으로 주조 또는 용접)되어 "파이프 번들"을 형성할 수 있다. 조인트들은, 용융된 주철이 몰드 내로 도입될 때 주조 공정 동안 함께 유지되어 조각들이 서로 자리를 벗어나지 않도록 충분히 견고해야 하며, 조인트들은 용융된 주철이 파이프 번들의 내부로 새어 들어가지 않도록 충분히 타이트해야 한다.
파이프들은 철 주조 공정 동안 용융되지 않는 어떠한 금속으로도 만들어질 수 있으며, 바람직하게는 강철로 만들어진다. 파이프 번들에 사용되는 강철은 충분히 연성을 띠고 상당히 가단성이 있도록 하는 저탄소강(<0.1%)이어야 하며, 따라서 파이프 번들 구조물이 완만한 만곡부를 가지도록 조작하는 것이 용이하다. 주철 주조 공정에 코어 받침(chaplet)이 사용되는 방식과 유사하게, 파이프 번들은 산화를 겪지 말아야 하며, 주물 드레싱, 주석, 또는 구리 박층으로 코팅되어 유입되는 주철과의 최대 융합을 보장할 수 있다. 파이프 번들은 (단순히 외부 케이싱을 가지며 가운데에 공기가 있는 파이프로 제작되므로) 공기로 가득 차 있기 때문에, 번들은 베어링 하우징을 위한 코어에 단단히 구속되어 용융된 주철에서 바람직하지 않은 위치 내로 흘러 들어가지 않도록 해야 한다.
회주철의 융점은 1150℃ 내지 1200℃이며, 연성 주철의 융점은 1148℃이다. 저탄소강의 융점은 1371℃ 내지 1410℃이고, 따라서 저탄소강은 용융된 회주철 또는 연성 주철이 그 주위로 도입될 때 양호한 융합 또는 용접 조인트를 만든다. 양호한 융합을 생성하기 위해, 파이프 번들의 융점은 유입되는 주철의 융점보다 높아야 하며, 따라서 파이프에 저탄소강을 이용하고 베어링 하우징 기본 금속에 주철을 이용함으로써 이들 조건이 충족된다.
본 발명의 제1 실시예에서, 도 1, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 터빈단 저널 베어링(33) 및 압축기단 저널 베어링(34)을 오일 입구(71)에 유체 연결하도록 하는 형상의 파이프들(74, 77)이 제조되어 함께 연결된다. 스러스트 베어링(35)을 오일 입구(71)에 유체 연결하도록 하는 형상의 파이프 또한 오일 입구에 연결된다. 도 4에서, 상기 언급한 파이프들로 구성된 파이프 번들은 단일 개체로 도시된다. 유체 연결 파이프들(71, 74, 77 및 78) 각각에는 블랭킹 및 위치결정 캡(101, 102, 103, 104)이 각각 부착되어 있다. 캡의 기능은, 용융된 주철이 파이프 번들로 들어가지 못하게 방지하고 파이프 번들을 베어링 하우징의 주물용 코어에 위치시키고 구속하는 것이다. 이러한 파이프들의 조립체는 베어링 하우징용 몰드에 물리적으로 배치되며, 용융된 주철이 파이프 번들 주위로 부어져 이를 둘러싼다.
베어링 하우징이 가공되면, 캡들은 가공으로 제거되어, 다양한 베어링을 오일 입구에 유체 연결하는 평탄한 보어의 오일 통로들이 남게 된다.
본 발명의 제1 실시예에 대한 변형예에서 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 저부 공급식 베어링 하우징은, 베어링 하우징의 저부의 바닥(70)을 베어링 하우징의 상부 근처의 저장부(82)에 유체 연결하는 오일 압력 공급 파이프(83)를 구비한다. 저장부(82)는 터빈단 저널 베어링(33), 압축기단 저널 베어링(34) 및 스러스트 베어링(35)에 유체 연결된다. 도 5b는 저장부(82)를 통과하여 베어링 하우징의 하부 표면(70)으로부터 수직방향의 파이프를 절단한 평면 "B-B"을 따른 단면도이다. 이러한 단면("B-B")은 도 5a에 도시되어 있다. 저장부의 기능은 엔진이 차단되었을 때 약간의 오일을 보유하고 다양한 파이프가 교차할 공간을 제공하는 것이다. 저부 공급식 베어링 하우징의 시스템은 저장부(82)를 구비할 필요가 없고, 이 경우 베어링 하우징의 저부로부터 공급 파이프(83)를 구비할 수 있으며, 공급 파이프(83)가 여전히 3 개의 베어링(33, 34, 35)에 유체 연결되는 한 다른 파이프(74, 77, 78) 중 하나 내로 직접적으로 유체 연결될 수 있다.

Claims (20)

  1. 터보차저 베어링 하우징의 제조 방법에 있어서,
    적어도 하나의 오일 통로를 정의하기 위한 적어도 하나의 파이프를 포함하는 파이프 번들(71, 74, 77, 78)을 제조하는 단계; 및
    상기 파이프 번들 주위에 베어링 하우징(60)을 주조하여, 오일 통로를 정의하는 상기 파이프를 구비한 베어링 하우징을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파이프에 의해 정의된 상기 오일 통로는 터빈단 저널 베어링 오일 공급 통로인, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파이프에 의해 정의된 상기 오일 통로는 압축기단 저널 베어링 오일 공급 통로인, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파이프에 의해 정의된 상기 오일 통로는 스러스트 베어링 오일 공급 통로인, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파이프 번들은 터빈단 저널 베어링 오일 공급 통로, 압축기단 저널 베어링 오일 공급 통로 및 스러스트 베어링 오일 공급 통로를 정의하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 터보차저 베어링 하우징은, 압축기측 및 터빈측 저널 베어링들을 수용하기 위한 보어들 및 엔진 장착부와 결합되도록 이루어진 바닥을 포함하며, 상기 파이프에 의해 정의된 상기 오일 통로는 상기 바닥으로부터 상기 저널 베어링 보어들 상부의 연결 지점으로 연장되고, 상기 연결 지점에서 터빈단 저널 베어링 오일 공급 통로, 압축기단 저널 베어링 오일 공급 통로 및 스러스트 베어링 오일 공급 통로에 유체 연결되는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연결 지점은 오일 저장부로서 역할을 하는, 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 바닥을 통해 상기 베어링 하우징으로부터 배출시키기 위한 배출 파이프를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 파이프 번들의 적어도 하나의 파이프는 공기 통로 또는 물 통로를 정의하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 파이프 번들의 적어도 하나의 파이프는 공기 통로 또는 물 통로를 정의하는, 방법.
  11. 제1 금속으로 만들어지며 적어도 하나의 오일 통로를 정의하는 적어도 하나의 파이프를 포함하는 파이프 번들(71, 74, 77, 78); 및
    상기 파이프 번들 주위에 주조된 제2 금속으로 이루어져, 주조된 오일 파이프를 구비한 베어링 하우징을 형성하는 베어링 하우징 구조물(60)
    을 포함하는 터보차저 베어링 하우징.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 파이프에 의해 정의된 상기 오일 통로는 터빈단 저널 베어링 오일 공급 통로인, 터보차저 베어링 하우징.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 파이프에 의해 정의된 상기 오일 통로는 압축기단 저널 베어링 오일 공급 통로인, 터보차저 베어링 하우징.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 파이프에 의해 정의된 상기 오일 통로는 스러스트 베어링 오일 공급 통로인, 터보차저 베어링 하우징.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 파이프 번들은 터빈단 저널 베어링 오일 공급 통로, 압축기단 저널 베어링 오일 공급 통로 및 스러스트 베어링 오일 공급 통로를 정의하는, 터보차저 베어링 하우징.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 터보차저 베어링 하우징은, 압축기측 및 터빈측 저널 베어링들을 수용하기 위한 보어들 및 엔진 장착부와 결합되도록 이루어진 바닥을 포함하며, 상기 파이프에 의해 정의된 상기 오일 통로는 상기 바닥으로부터 상기 저널 베어링 보어들 상부의 연결 지점으로 연장되고, 상기 연결 지점에서 터빈단 저널 베어링 오일 공급 통로, 압축기단 저널 베어링 오일 공급 통로 및 스러스트 베어링 오일 공급 통로에 유체 연결되는, 터보차저 베어링 하우징.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 연결 지점은 오일 저장부로서 역할을 하는, 방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 바닥을 통해 상기 베어링 하우징으로부터 배출시키기 위한 배출 파이프를 더 포함하는, 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 파이프 번들의 적어도 하나의 파이프는 공기 통로를 정의하는, 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 파이프 번들의 적어도 하나의 파이프는 물 통로를 정의하는, 방법.
KR1020147028609A 2012-03-27 2013-03-19 주조된 파이프를 구비한 터보차저 베어링 하우징 KR102002873B1 (ko)

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