KR20140142153A - 볼 베어링 조립체 - Google Patents

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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

볼 베어링 조립체는, 내부면을 포함하는 외측 레이스; 결함부(imperfection)를 포함하는 외부면과, 숄더 각도로 배치된 숄더를 포함하는 내측 레이스로서, 상기 결함부는 상기 숄더 각도의 약 50% 내지 상기 숄더 각도의 약 100%의 범위의 각도로 배치되는, 상기 내측 레이스; 및 상기 외측 레이스의 내부면과 상기 내측 레이스의 외부면 사이에 배치된 볼을 구비할 수 있다. 또한, 장치, 조립체, 시스템, 방법 등에 관한 각종 다른 예가 개시된다.

Description

볼 베어링 조립체{BALL BEARING ASSEMBLY NOTIFICATION MECHANISM}
본원에 개시된 요지는 일반적으로 볼 베어링 조립체에 관한 것이다.
터보과급기 중앙 하우징 회전 조립체(turbocharger center housing rotating assembly: CHRA)는 중앙 하우징의 보어 내에 위치된 볼 베어링 조립체에 의해 회전가능하게 지지되는 샤프트에 부착된 터빈 휠과 압축기 휠을 구비할 수 있다. 일례로서, 볼 베어링 조립체(예컨대, 또는 볼 베어링 카트리지)는 샤프트를 수용하도록 구성된 외측 레이스와 내측 레이스를 구비할 수 있으며, 상기 외측 레이스와 내측 레이스는 볼에 의해 분리된다. 또 다른 예로서, 샤프트는, 예컨대 볼이 샤프트와 직접 접촉하는 내측 레이스로서 구성될 수 있다.
터보과급기의 작동 동안에, 터보과급기 중앙 하우징 회전 조립체의 압축기 단부 쪽으로 또는 터빈 단부 쪽으로 터보과급기 샤프트 및 그와 관련된 구성요소를 스러스트(thrust)하는 축방향 부하가 발생될 수 있다. 이러한 부하는 볼 베어링 조립체의 하나 이상의 표면에 대해 마모를 경시적으로 야기하므로, 성능 감소, 결함 등을 초래할 수 있다.
본원에 기술된 각종 방법, 장치, 조립체, 시스템, 배열체 등과, 그 동등물에 대한 보다 완전한 이해는 첨부한 도면에 도시된 예와 함께 취해질 때 하기의 상세한 설명을 참조하여 이루어질 수 있다.
도 1은 제어기와 함께 터보과급기 및 내연기관에 대한 다이아그램,
도 2는 터보과급기 조립체의 일례에 대한 단면도,
도 3은 하우징 조립체의 일례에 대한 일련의 단면도,
도 4는 도 3의 하우징 조립체의 평면도,
도 5는 볼 베어링 조립체의 일례에 대한 단면도와, 볼 베어링 조립체의 일부 구성요소의 예에 대한 각종 사시도,
도 6은 볼 베어링 조립체의 일부에 대한 단면도,
도 7은 결함부를 갖는 볼 베어링 조립체의 예에 대한 일련의 도면과, 결함부의 예에 대한 일련의 도면,
도 8은 결함부의 예에 대한 일련의 단면도,
도 9는 상이한 결함부 등급을 갖는 볼 베어링 조립체의 일련의 도면,
도 10은 방법의 일례에 대한 블록 다이아그램.
터보과급기의 작동 동안에, 볼 베어링 조립체는 불균형력(imbalance forces), 추력(thrust forces) 등에 노출될 수 있다. 이러한 힘은 볼 베어링 조립체의 하나 이상의 표면이 마모되게 할 수 있으므로, 성능을 감소시키고, 결함 등을 초래할 수 있다.
불균형을 최소화하기 위한 하나 이상의 밸런싱 공정(balancing processes)이 터보과급기의 구성요소에 대해 수행될 수 있다. 예를 들면, 개별적인 구성요소가 낮은 회전 속도 공정을 이용하여 밸런싱될 수 있는 한편, 조립체(예컨대, 중앙 하우징 회전 조립체 또는 CHRA)는 보다 높은 회전 속도 공정을 이용하여 밸런싱될 수 있다. 그러나, 터보과급기의 수명에 걸쳐, 각종 현상이 불균형(예컨대, 마모, 코킹 등)을 초래할 수 있다.
추력에 관해서는, 수요 변화, 가변 기하학적 터빈 유닛 또는 압축기 유닛 등의 기하학적 형상의 변화와 같은 작동 과도상태(operational transients)를 일으킬 수 있다. 작동 과도상태는 볼 베어링 조립체 내의 구성요소가 함께 근접해짐에 따라 마모를 가속하는 축방향 추력을 발생시켜, 예컨대 이러한 구성요소들 사이의 윤활막 두께(lubricant film thickness)를 뚫거나 또는 얇아지게 할 수 있다.
기계류의 대부분 타입의 경우에는, 제조사가, 예컨대 사용 시간에 근거하여 터보과급기 또는 그 내의 하나 이상의 구성요소에 대한 검사, 서비스, 교체 등을 권고할 수 있다. 그러나, 터보과급기는 이러한 권고가 뒤따르지만 가끔씩 고장이 날 수 있다. 터보과급기의 예기치 못한 고장은 터보과급기에 의존하는 장비에 대한 계획되지 않은 다운타임(unplanned downtime)을 초래할 수 있으므로, 관련된 비용이 들 수 있다. 예를 들면, 부패성 화물(perishable cargo)을 이송하는 장거리 디젤 세미-트레일러 트럭 내의 터보과급기의 예기치 못한 고장으로 인한 계획되지 않은 다운타임을 고려하라. 이러한 시나리오에서, 고조된 고장 위험에 대한 사전 경고는, 예컨대 비부패성 화물을 갖고 보다 단거리의 트럭에 대한 계획된 사용과, 사전 경고와 관련된 하나 이상의 구성요소를 보수 또는 교체하는 유지보수에 대한 계획에 대한 상이한 타입을 초래할 수 있다.
본원에 기술된 바와 같이, 볼 베어링 조립체는, 예컨대 고장 전에 마모 또는 다른 상태에 대한 알림을 제공할 수 있는 통지 메커니즘을 구비할 수 있다. 이러한 메커니즘은 보수, 교체 등을 위한 계획을 용이하게 하고, 볼 베어링 조립체에 의존할 수 있는 장비에 대한 계획되지 않은 다운타임을 회피하는데 도움을 줄 수 있다.
이하, 터보과급기형 엔진 시스템의 일례를 기술한 후에, 구성요소, 조립체, 방법 등에 대한 각종 예를 기술한다.
터보과급기는 내연기관의 출력을 증대시키는데 종종 이용된다. 도 1을 참조하면, 종래의 시스템(100)은 내연기관(110)과 터보과급기(120)를 구비한다. 내연기관(110)은 샤프트(112)(예컨대, 피스톤을 거쳐)를 작동가능하게 구동하는 하나 이상의 연소 챔버를 수용하는 엔진 블록(118)을 구비한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 흡기 포트(114)는 엔진 블록(118)에 공기용 흐름 경로를 제공하는 한편, 배기 포트(116)는 엔진 블록(118)로부터의 배기물을 위한 흐름 경로를 제공한다.
터보과급기(120)는 배기물로부터의 에너지를 추출하고, 연소 가스를 형성하도록 연료와 조합될 수 있는 흡기 공기에 에너지를 제공하도록 작용한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 터보과급기(120)는 공기 입구(134), 샤프트(122), 압축기 휠(125)용 압축기 하우징(124), 터빈 휠(127)용 터빈 하우징(126), 또 다른 하우징(128) 및 배기 출구(136)를 구비한다. 하우징(128)은 압축기 하우징(124)과 터빈 하우징(126) 사이에 배치됨에 따라 중앙 하우징으로 언급될 수 있다. 샤프트(122)는 각종 구성요소를 구비하는 샤프트 조립체일 수 있다. 샤프트(122)는 (예컨대, 샤프트(122)에 의해 회전가능하게 결합됨에 따라) 터빈 휠(127)의 회전이 압축기 휠(125)의 회전을 야기하도록, 하우징(128)(예컨대, 하나 이상의 보어 벽에 의해 형성되는 보어) 내에 배치된 베어링 시스템(예컨대, 저널 베어링(들), 볼 베어링(들) 등)에 의해 회전가능하게 지지될 수 있다.
도 1의 예에서, 가변 기하학적 조립체(129)는 하우징(128)과 하우징(126) 사이에 부분적으로 배치되는 것으로 도시된다. 이러한 조립체는 터빈 하우징(126) 내의 터빈 휠 공간을 안내하는 통로의 기하학적 형상을 변경하도록 베인 또는 다른 구성요소를 구비할 수 있다. 일례로서, 가변 기하학적 압축기 유닛이 제공될 수 있다.
도 1의 예에서, 웨이스트게이트 밸브(또는 단순히 웨이스트게이트)(135)는 터빈(126)의 입구에 근접하게 배치된다. 웨이스트게이트 밸브(135)는 배기 포트(116)로부터의 배기물이 터빈(126)을 바이패스하게 하도록 제어될 수 있다. 또한, 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation: EGR) 도관(115)은, 예컨대 배기물이 압축기 휠(125) 상류의 위치로 흐르게 하도록, 선택적으로 하나 이상의 밸브(117)를 구비할 수 있다.
또한, 도 1은 배기 터빈 하우징(152)으로의 배기물의 흐름을 위한 일례의 배열체(150)와, 배기 터빈 하우징(172)으로의 배기물의 흐름을 위한 또 다른 예의 배열체(170)를 도시한다. 배열체(150)에서, 실린더 헤드(154)는 실린더로부터 터빈 하우징(152)으로 배기물을 지향시키는 통로를 구비하는 한편, 배열체(170)에서는, 예컨대 배기 배관의 임의의 별개의 중간 길이 없이 하우징(172)의 장착을 위해 매니폴드(176)를 제공한다. 예시적인 배열체(150, 170)에서, 터빈 하우징(152, 172)은 조립체(129)와 같은 가변 기하학적 조립체, 또는 예컨대 본원에 기술된 다른 조립체에 사용되도록 구성될 수 있다.
도 1에서, 제어기(190)의 일례는 하나 이상의 프로세서(192), 메모리(194) 및 하나 이상의 인터페이스(196)를 구비하는 것으로 도시된다. 이러한 제어기는 엔진 제어 유닛의 회로 등의 회로를 구비할 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 예컨대 제어 로직을 통해 제어기와 함께 각종 방법 또는 기술이 선택적으로 실시될 수 있다. 제어 로직은 하나 이상의 엔진 작동 조건(예컨대, 서비스 시간, 터보 rpm, 엔진 rpm, 온도, 부하, 윤활제, 냉각 등)에 따라 다를 수 있다. 예를 들면, 센서는 하나 이상의 인터페이스(196)를 거쳐 제어기(190)에 정보를 전송할 수 있다. 제어 로직은 이러한 정보에 의존할 수 있고, 차례차례, 제어기(190)는 엔진 작동을 제어하도록 제어 신호를 출력할 수 있다. 제어기(190)는 윤활제 흐름, 온도, 가변 기하학적 조립체(예컨대, 가변 기하학적 압축기 또는 터빈), 웨이스트게이트, 전기 모터, 또는 엔진, 터보과급기(들) 등과 관련된 다른 하나 이상의 구성요소를 제어하도록 구성될 수 있다. 일례로서, 제어기(190)는 볼 베어링 조립체와 관련된 방법, (예컨대, 볼 베어링 조립체 내에 형성된 결함부로 인한) 볼 베어링 조립체에 의해 발생되는 소음에 응답하는 통지를 발생시킬 수 있는 방법을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 2는 압축기 조립체(240)와 터빈 조립체(260)(볼 베어링 조립체(220)가 샤프트(280)를 지지함) 사이의 하우징(210)의 보어(230)(예컨대, 하나 이상의 보어 벽에 의해 형성된 관통 보어) 내에 배치된 볼 베어링 조립체(220)(예컨대, 볼 베어링 카트리지)를 구비하는 터보과급기 조립체(200)에 대한 일례를 도시한다. 도 2의 예에서, 압축기 조립체(240)는 볼류트(246)를 형성하고 압축기 휠(244)을 수용하는 압축기 하우징(242)을 구비하고, 터빈 조립체(260)는 볼류트(266)를 형성하고 터빈 휠(264)을 수용하는 터빈 하우징(262)을 구비한다. 터빈 휠(264)은 샤프트 및 휠 조립체(shaft and wheel assembly: "SWA")를 형성하도록, 예컨대 샤프트(280)에 용접 또는 그와는 달리 부착될 수 있으며, 샤프트(280)의 자유 단부는 압축기 휠(244)의 부착을 허용한다.
도 2의 예에서, 터빈 조립체(260)는. 하우징(210)과 터빈 하우징(262) 사이를 클램핑하는 플랜지(270)(예컨대, 선택적으로 단차형 환형 디스크로서 형성됨)를 이용하여, 예컨대 볼트(293-1 내지 293-N) 및 히트 쉴드(290)(예컨대, 선택적으로 단차형 환형 디스크로서 형성됨)를 이용하여 배치된 가변 기하학적 조립체(250)(예컨대, VGT 또는 VNT 카트리지 또는 유닛)을 더 구비하며, 그 중 히트 쉴드(290)는 카트리지(250)와 하우징(280) 사이에 배치된다.
배기 흐름과 관해서, 볼류트(266) 내의 보다 높은 압력 배기물은 카트리지(250)와 터빈 하우징(262)에 의해 형성된 터빈 휠 공간 내에 배치됨에 따라 터빈 휠(264)에 도달하도록 카트리지(250)의 통로를 통과한다. 터빈 휠 공간을 통과한 후, 배기물은 개구(269)(예컨대, 배기물 출구)를 또한 형성하는 터빈 하우징(262)의 벽에 의해 형성된 통로(268)를 따라 축방향 외측으로 이동한다. 그 다음, 배기물은 하나 이상의 배출물 구성요소 등을 선택적으로 구비할 수 있는 배기 시스템으로 흐른 다음, 외부 환경(예컨대, 대기압에서)으로 흐를 수 있다.
터보과급기 조립체(200)의 작동 동안에, 가변 기하학적 조립체(250)의 기하학적 형상에 대한 조절은, 예컨대 하나 이상의 구성요소들 사이의 간극 변화를 야기할 수 있는 추력을 발생시킬 수 있다. 일례로서, 예컨대 볼 베어링 조립체(220)의 하나 이상의 구성요소들의 간극, 위치 등의 변화를 야기하도록 가변 기하학적 조립체(250)의 기하학적 형상을 조절함으로써 테스트 방법이 수행될 수 있다. 이러한 예에서, 테스트 방법은 볼 베어링 조립체(220)의 통지 메커니즘을 시험할 수 있다.
도 3은 하우징 조립체(201)의 일부에 대한 확대도와 함께, 도 2의 터보과급기 조립체(200)의 하우징 조립체(201)에 대한 단면도를 도시한다. 도시한 바와 같이, 하우징(210)은 압축기측(202)과 터빈측(204)을 구비하며, 압축기측(202)은 보어(230)가 개방하는 축방향면(212)과 오목형 축방향면(214)을 구비한다.
도 3의 확대도에 도시한 바와 같이, 볼 베어링 조립체(220)는 외부면(221)과 내부면(223)을 갖는 외측 레이스(222)와, 외부면(227)과 내부면(228)을 갖는 내측 레이스(226)를 구비한다. 도 3의 예에서, 볼(225)은 볼 세퍼레이터(224)(예컨대, 개구를 갖는 링)의 개구 내에 배치될 뿐만 아니라, 외측 레이스(222)와 내측 레이스(226) 사이에 배치된다. 일례로서, 내측 레이스(226)의 내부면(228)은 샤프트(예컨대, 도 2의 샤프트(280) 참조) 상에 프레스-핏(예컨대, 강제 핏)을 성취하도록 크기설정된 직경을 가질 수 있다. 일례로서, 내측 레이스(226)와 외측 레이스(222)는 강철과 같은 금속으로 제조될 수 있고, 볼(225)은 금속 또는 세라믹으로 제조될 수 있다.
또한, 도 3의 예는 보어 표면(232, 234)을 갖는 보어(230)를 구비하는 것으로 하우징(210)을 도시하며, 예컨대 외측 레이스(222)의 표면(221)은 보어 표면(232)을 갖는 간극을 형성할 수 있고, 보어 표면(234)(예컨대, 윤활제의 흐름을 위한)을 갖는 보다 큰 간극을 형성할 수 있다.
도 3의 예에서, 볼(225)은 내측 레이스(226)의 외부면(227)의 숄더(229)에 의해 볼 베어링 조립체(220) 내에 부분적으로 보유된다. 숄더(229)는 내측 레이스(226)의 사용가능한 대 비사용가능한 레이스웨이 재료의 경계 지점으로 고려될 수 있다. 작동 동안에, 볼 접촉 각도가 숄더(229)에 도달하면, 그 조건은 "랜드 오버라이드(land override)"로서 지칭될 수 있다(예컨대, 레이스웨이 외부의 부분은 "랜드"로 고려될 수 있다). 간극 등에 따라서, 랜드 오버라이드는 볼을 축방향 외측으로 이동시키고, 성능이 열악해지고, 결함 등을 초래할 수 있다. 일례로서, 랜드 오버라이드는 볼 베어링 조립체로부터 하나 이상의 볼이 빠지게 할 수 있다.
언급한 바와 같이, 불균형력, 추력 등은 볼 베어링 조립체의 마모를 증대시킬 수 있다. 예를 들면, 축방향으로 지향된 추력은 내측 레이스(226)의 외부면(227)과 볼(225) 사이의 간극을 감소시키게 할 뿐만 아니라, 숄더(229)를 향해 레이스웨이 내에서 볼(225)이 올라가게 할 수 있다. 작동 동안에, 불균형력 및/또는 다른 힘은 숄더(229)를 향해 볼(225)이 올라가게 하는 작용을 할 수도 있다. 이러한 힘은 회전 속도에 적어도 부분적으로 의존하며, 예컨대 회전 속도의 증가는 숄더(229)를 향해 볼이 올라가게 한다(예컨대, 구심력 등). 일례로서, 가변 기하학적 유닛의 기하학적 형상에 대한 조절은 회전 속도의 증가를 초래할 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 이러한 조절은 수요 또는 예컨대 테스트 방법의 일부에 응답할 수 있다(예컨대, 테스트 방법이 그 수요를 모방할 수 있음).
도 4는 도 3의 하우징 조립체(201)의 일부에 대한 압축기 단부도를 도시한다. 도 4의 예에서, 작동 동안에, 윤활제는 각종 표면을 윤활시키고, 예컨대, 하우징(210)의 윤활제 배출 챔버(218) 및 드레인 리세스(217)로 흐를 수 있다. 또한, 도 4는, 예컨대 하우징(210)의 압축기 백 플레이트에 부착하도록 볼드 또는 다른 구성요소의 수용을 위한 보어를 도시한다(예컨대, 도 2의 터보과급기 조립체(200) 참조).
도 5는 2개 피스의 내측 레이스와 단일의 외측 레이스를 구비할 수 있는 볼 베어링 조립체(220)에 대한 단면도를 도시한다. 도 5의 예에서, 내측 레이스(226)는 압축기측 또는 터빈측 내측 레이스로 고려될 수 있으며, 내측 레이스(226)에 관해 기술된 특징이 2개 피스의 내측 레이스의 양자의 피스 상에 존재할 수 있음을 주목한다.
또한, 도 5는 내측 레이스(226), 볼 세퍼레이터(224) 및 볼(225)에 대한 사시도를 도시한다. 볼 베어링 조립체는 임의 개수의 볼, 예컨대, 약 4개 이상의 볼을 구비할 수 있으며, 도 5의 예는 볼 세퍼레이터(224) 내의 9개의 개구에 의해 안내될 수 있는 9개의 볼(225)을 도시함에 주목한다.
도 6은 표면(227)의 또 다른 숄더에 관한 "높은" 숄더(예컨대, 숄더(229)로부터 축방향 및 반경방향 내측에 위치된 숄더)로 기술될 수 있는 숄더(229)를 위한 숄더 각도와 함께 볼 베어링 조립체(220)의 일부에 대한 단면도를 도시한다. 도 6의 예에 도시한 바와 같이, 볼 베어링 조립체(220)는 볼(225)과 같은 볼 베어링에 윤활제의 흐름(예컨대, 윤활제 제트)을 위한 윤활제 통로를 구비한다. 작동 동안에, 윤활제는 볼(225) 주위에 분포되어, 볼(225)과 외측 레이스(222)의 내부면(223)과 내측 레이스(226)의 외부면(227) 사이에 윤활막을 형성할 수 있다.
일례로서, 볼은 내측 레이스의 외부면, 외측 레이스의 내부면 등에 대해 접촉 각도를 형성할 수 있으며, "접촉"은 볼과 표면 사이의 윤활제의 얇은 층을 구비할 수 있다. 도 6의 예에서, 볼(225)은 내측 레이스(226)의 숄더(229)의 숄더 각도보다 작은 내측 레이스(226)의 외부면(227)에 대한 접촉 각도를 갖는 것으로 도시된다. 작동 동안에, 볼(225)은 내측 레이스(226) 또는 외측 레이스(222)에 대한 볼(225)의 접촉 각도를 변경하거나, 또는 내측 레이스(226) 및 외측 레이스(22)에 대한 볼(225)의 접촉 각도를 변경하는 방식으로, 내측 레이스(226)의 외부면(227) 및 외측 레이스(222)의 내부면(223)에 의해 형성된 레이스웨이 내에서 이동할 수 있다.
일례로서, 볼 베어링 조립체(220)는 접촉 각도의 범위로서 정의될 수 있는 볼(225)을 위한 통상적인 작동 범위로 구성될 수 있다. 예를 들면, 통상적인 작동 범위는 (예컨대, 다수의 각도 등에 의해) 숄더(229)의 숄더 각도보다 작은 접촉 각도를 구비할 수 있다. 즉, 숄더(229)는 안전 마진을 제공하도록 특정된 각도일 수 있다. 예를 들면, 숄더(229)가 약 50도의 숄더 각도에 있는 경우, 볼(225)을 위한 통상적인 작동 범위는 접촉 각도의 견지에서 최대 약 40도일 수 있다.
도 7은 내측 레이스(226)의 각종 단면도를 도시하며, 내측 레이스(226)의 외부면(227)은 숄더(229)의 숄더 각도보다 작은 각도로 위치된 결함부(701)를 구비한다. 이러한 예에서, 볼(225)이 숄더(229)를 향해 올라가면, 볼(225)이 내측 레이스(226) 둘레에서 회전함에 따라 결함부(701)와 접촉할 수 있다. 일례로서, 이러한 접촉은, 가청 범위(예컨대, 20Hz 내지 20kHz), 또는 예컨대 센서(예컨대, 진동 또는 다른 타입의 센서)에 의해 검출가능한 또 다른 범위에 있을 수 있는 소음(예컨대, 음향 에너지, 음향파 등)을 발생시킬 수 있다. 양자의 예에서, 검출된 소음은 증가된 고장 위험에 대한 알림, 서비스 전에 유지하는 시간에 대한 알림, 테스트 방법의 통과 또는 고장에 대한 알림 등으로서 기능할 수 있다.
도 7의 상부 좌측에서의 단면도에서, 내측 레이스(226)의 외부면(227)은 반경(rrw)에 의해 대략 형성될 수 있는 레이스웨이부를 구비하는 것으로 도시되며, 레이스웨이부는 숄더 각도(φs)에 배치된 높은 숄더(229)에서 종단한다. 또한, 볼(225)은 반경(rbs)보다 작을 수 있는 반경(rb)에 의해 형성되는 것으로 도시된다.
도 7의 중간 우측에서의 단면도에서, 내측 레이스(226)는 A-A선을 따르는 평면에 의해 절단된 것으로 도시된다. 도시한 바와 같이, 내측 레이스(226)는 샤프트 보어 반경(rsb) 및 외부면 반경(ros)을 구비하는 것으로 형성될 수 있으며, 이는 내측 레이스(226)의 외부면(227)의 레이스웨이부의 최소 반경일 수 있다. 0도 내지 숄더 각도(φs) 사이의 각도 범위에 놓인 각종 각도를 나타내도록 일련의 점선이 도시되며, 볼 베어링 조립체 내에 내측 레이스(226)의 조립 전에 내측 레이스(226) 내에 형성된 결함부(701)는 숄더 각도(φs)보다 작은 가장 큰 각도로 위치된다. 일례로서, "랜드"부는, 예컨대 숄더 각도(φs)로 레이스웨이로부터 축방향 외측으로 연장될 수 있다. 일례로서, 랜드부는 (예컨대, 레이스웨이와 내측 레이스의 단부 사이에서) 내측 레이스(226)의 축방향 길이에 걸쳐 대략 일정한 직경으로 배치될 수 있다.
도 7의 하부 좌측에서의 단면도에서, 내측 레이스(226)의 일부는 B-B선을 따르는 평면에 의해 절단된 것으로 도시된다. 도시한 바와 같이, 결함부(701)는 하나 이상의 치수에 대해 정의될 수 있다. 예를 들면, 결함부(701)는 각도(φi), 반경방향 위치(Δri) 및/또는 축방향 위치(Δzi)에 대해 정의될 수 있으며, 대응하는 치수(예컨대, 각도(φs), 반경방향 위치(Δrs) 및/또는 축방향 위치(Δzs))는 숄더(229)를 위해 도시된 것임을 주목한다. 도 7의 예에서, 내측 레이스(226)의 외부면(227)은 내측 레이스(226)의 축방향 단부와 숄더(229) 사이의 대략 일정한 반경을 가지며, 이는 내측 레이스(226)의 압축기 단부 또는 터빈 단부일 수 있다.
또한, 도 7은 결함부(702, 703, 704, 705)의 예에 대한 각종 단면도를 도시한다. 결함부(702)는 융기형 표면을 형성하는 외부면으로부터 외측방향으로 연장되는 내측 레이스의 외부면 내의 안착부 내에 안착된 재료를 구비하고; 결함부(703)는 융기형 표면을 구비하고; 결함부(704)는 융기형 표면과 오목형 표면을 구비하며; 결함부(705)는, 예컨대 내측 레이스의 외부면 내에 리세스를 형성하도록 내측 레이스를 형성하는 재료보다 용이하게 마모할 수 있는 내측 레이스를 형성하는 재료보다 연질의 재료일 수 있는 내측 레이스의 외부면 내의 안착부 내에 안착된 재료를 구비한다. 이러한 예에서, 보다 연질의 재료는 중합체 재료, 금속 재료, 복합재 재료 등일 수 있고, 예컨대, 내측 레이스는 금속 재료(예컨대, 강철, 합금 등)로 제조될 수 있다. 일례로서, 재료는 결함부의 사이즈와, 예컨대 결함부에 의해 발생되는 소음을 감소시키도록 마모될 수 있다. 예를 들면, 볼과 결함부 사이의 초기 접촉 시에는, 음향 에너지가 통지로서 발생될 수 있고, 결함부의 마모 시에, 발생되는 음향 에너지는 적어지고, 예컨대 주목할 만하게 적어질 수 있다. 일례로서, 볼 베어링 조립체의 상이한 레벨의 위험 또는 상태를 나타내도록 볼 베어링 조립체의 볼과 접촉 시에 결함부 각각이 소음을 발생시킬 수 있는 위치에 일련의 결함부가 제공될 수 있다. 이러한 예에서, 결함부 중 하나 이상은 (예컨대 볼과의 접촉에 응답하여) 선택적으로 시간 경과에 따라 감소할 수 있다. 일례로서, 결함부는 마모가 공극의 노출된 사이즈를 증대시키는 위치에 있는 공극일 수 있다. 예를 들면, 공극의 일부만이 노출되고 (예컨대, 공극 주변부를 증대시키도록) 재료의 마모가 공극의 보다 큰 부분을 노출하는 위치에서의 재료 내에 구형 공극을 고려하며, 이는 예컨대 볼이 공극(예컨대, 재료의 주변부, 에지 등)과 상호작용함에 따라 볼 베어링 조립체의 볼에 의해 발생되는 소음을 변경할 수 있다.
일례로서, 내측 레이스의 외부면(예컨대, 레이스웨이부)은 외부면 위로 상승하는 결함부와, 외부면 아래로 오목 형성하는 결함부를 구비할 수 있다. 일례로서, 만입부는 "네거티브(negative)"를 형성하도록 내측 레이스의 재료를 소성으로 산출할 수 있는 한편, "포지티브(positive)"(예컨대, 압흔 경도 테스터(indentation hardness tester)와 유사)를 형성하도록 내측 레이스의 재료를 변위시킬 수 있다.
일례로서, 볼 베어링 조립체는 내부면을 구비하는 외측 레이스; 결함부를 구비하는 외부면과, 숄더 각도로 배치된 숄더를 구비하는 내측 레이스로서, 상기 결함부는 숄더 각도의 약 50% 내지 숄더 각도의 약 100%의 범위의 각도로 배치되는, 상기 내측 레이스; 및 외측 레이스의 내부면과 내측 레이스의 외부면 사이에 배치된 볼을 구비할 수 있다.
도 8은 하나 이상의 결함부를 구비하는 내측 레이스(810, 820, 830, 840)의 예를 도시한다. 예를 들면, 내측 레이스(810)는 결함부(811)를 구비하고; 내측 레이스(820)는 결함부(821, 822, 823)를 구비하고; 내측 레이스(830)는 결함부(831)를 구비하고; 그리고 내측 레이스(840)는 결함부(841, 842, 843)를 구비한다. 도 8에 도시한 결함부가 상대적으로 별개의 결함부인 것으로 보이지만, 외부면의 거친 부분과 볼 사이의 접촉이 (예컨대, 통지의 목적으로) 검출, 분류 등이 될 수 있는 음향 에너지를 발생시키도록, 예컨대 내측 레이스의 외부면의 일부에 표면 조도를 부여함으로써, 표면 처리로서 결함부가 선택적으로 이루어질 수 있다.
일례로서, 내측 레이스는 볼과의 접촉 시의 음향 에너지(예컨대, 결함부(들)가 없는 것에 비해 하나 이상의 특성에서 상이한 음향 에너지)를 발생시키는 하나 이상의 결함부를 구비할 수 있다. 일례로서, 발생된 음향 에너지는 내측 레이스 둘레의 볼의 소정의 회전 속도를 위한 하나 이상의 주파수에 있을 수 있으며, 이는 샤프트에 피팅될 수 있거나 또는 샤프트일 수 있다. 일례로서, 하나 이상의 결함부의 형상, 깊이, 이격거리 등은 터보과급기를 위한 작동 조건에 대한 분석에 근거하여 선택될 수 있다. 이러한 분석은 가청 범위(예컨대, 약 100 Hz 내지 약 1000 Hz의 범위) 내의 음향 에너지를 발생시키는 목적을 위해 하나 이상의 결함부 매개변수를 선택할 수 있다. 일례로서, 이러한 메커니즘은 게인을 증대시키고, 회로를 스피커로 전환하는 등을 하도록 하나 이상의 주파수, 진폭 등에 대한 검출 시에 트리거될 수 있다.
일례로서, 내측 레이스의 레이스웨이부의 높은 숄더에 근접한 터보과급기의 볼 베어링 조립체의 내측 레이스 내에 결함부가 형성될 수 있다. 이러한 예에서, 볼이 터보과급기의 축방향 추력, 높은 샤프트 rpm 등에 응답하여 높은 숄더를 향해 올라가는 경향이 있는 경우, 볼과 결함부 사이의 접촉은 대략적인 주파수 범위 내에서 음향 에너지를 발생시킬 수 있으며, 여기서, 예컨대 정상 상태에서, 음향 에너지는 주진동수(dominant frequency)에 의해 시간에 대해 변경할 수 있다. 응답 시에, 작업자, 기계공 등이 터보과급기를 서비스할 수 있고, 서비스 등을 계획할 수 있다.
일례로서, 볼 베어링 조립체의 압축기측 상의 내측 레이스는 볼 베어링 조립체의 터빈측의 내측 레이스 상의 하나 이상의 결함부와 상이한 하나 이상의 결함부를 구비할 수 있다. 이러한 예에서, 볼과 결함부 사이의 접촉에 의해 발생되는 음향 에너지는 압축기측 및 터빈측 접촉이 구별될 수 있도록 상이할 수 있다. 일례로서, 볼 베어링 조립체는 압축기측 내측 레이스와 터빈측 내측 레이스 양자를 제공하는 단일의 외측 레이스를 구비할 수 있으며, 여기서 예컨대, 하나 또는 양자의 내측 레이스는 적어도 하나의 결함부를 구비한다. 일례로서, 볼 베어링 조립체는 외측 레이스와 내측 레이스 사이의 볼 세트를 갖는 압축기측에 제공될 수 있고, 또 다른 볼 베어링 조립체는 외측 레이스와 내측 레이스 사이의 볼 세트를 갖는 터빈측에 제공될 수 있으며, 예컨대 볼 베어링 조립체 중 어느 하나 또는 그 양자는 적어도 하나의 결함부를 구비할 수 있다.
도 9는 볼 베어링 조립체를 위한 각종 예시적인 시나리오(910, 920, 930, 940)를 도시한다. 시나리오(910)에서는, (예컨대, 결함부 등에 의한) 볼 세퍼레이터 내의 불균형으로 인해 소음이 발생될 수 있고; 시나리오(920)에서는, 외측 레이스 내의 불균형으로 인해 소음이 발생될 수 있고; 시나리오(930)에서는, 볼 내의 불균형으로 인해 소음이 발생될 수 있으며; 시나리오(940)에서는, 내측 레이스 내의 불균형으로 인해 소음이 발생될 수 있다.
일례로서, 도 9의 각종 시나리오는, 예컨대 분류 스킴(classification scheme)에 따라 분류될 수 있는 소음을 발생시킬 수 있다. 이러한 스킴은 모델, 데이터 또는 모델과 데이터의 조합에 의존할 수 있다. 예를 들면, 모델은 터보과급기의 하나 이상의 작동 조건(예컨대, 속도, 수요, 기하학적 형상, 웨이스트게이팅 등)과 함께 결함부의 물리학을 모델링할 수 있다.
일례로서, 터보과급기 조립체는 소음을 감지 및 분석하기 위한 하나 이상의 센서 및 그와 관련된 회로를 구비할 수 있다. 또한, 이러한 회로는, (감지된 정보의 센싱 및 분석에 근거하여) 예컨대 소음을 분리하도록 구성될 수 있다. 일례로서, 이러한 회로는 소음을 증폭하도록 구성됨으로써,(예컨대, 하나 이상의 필터 등을 거쳐) 하나 이상의 신호를 처리하는 것을 선택적으로 구비할 수 있다.
도 10은 시간을 변경하는 에너지를 감지하기 위한 감지 블록(sense block)(1010), 감지된 에너지를 분석하기 위한 분석 블록(analysis block)(1020), 감시된 에너지(예컨대, 분석된 감지된 에너지)를 분류하기 위한 분류 블록(classification block)(1030), 및 블록(1010, 1020, 1030)의 감지, 분석 및/또는 분류에 응답하는 하나 이상의 작용을 취하기 위한 동작 블록(action block)(1040)을 구비하는 방법(1000)에 대한 일례를 도시한다. 일례로서, 동작은 (예컨대, 라이트, 버저, 에러 코드, 전기적으로 전송되는 메시지 등을 거쳐) 통지를 이슈하는 단계를 구비할 수 있다.
일례로서, 분석은 사람 분석일 수 있거나, 또는 그를 포함하며, 예컨대 작업자, 기계공 등은 볼 베어링 조립체의 볼들과 볼 베어링 조립체의 표면(들) 내에 형성된 하나 이상의 결함부 사이의 접촉을 나타내는 가청 음성을 듣는다. 이러한 예에서, 사람은 다른 통지(예컨대, 서비스 시스템, 기계공 등)를 거쳐 응답할 수 있고, 가청 음성(예컨대, 또는 음성)을 선택적으로 분류할 수 있다. 일례로서, 차량은 가청 음성의 검출에 응답하여 사용자에 의한 사용을 위해 통지 버튼 또는 다른 사용자 작동가능한 메커니즘을 구비할 수 있다. 예를 들면, 이러한 버튼 또는 메커니즘은 에러 코드를 발생시키고, 신호를 제공하고, 테스트 방법을 시작하는 것 등을 할 수 있다.
일례로서, 분석은 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 시간 변경하는 에너지 신호(예컨대, 진폭)를 변환하도록 푸리에 변환(Fourier transform)(예컨대, DFT, FFT 등)을 구비할 수 있다. 이러한 분석은 분류 스킴의 분류 인덱스(예컨대, 기준 데이터)와 비교될 수 있는 하나 이상의 주파수(예컨대, 선택적으로 그와 관련된 진폭)을 나타낼 수 있다. 이러한 비교는 조건, 예컨대 (예컨대, 내측 레이스의) 결함부(들)과 접촉하는 볼과 관련된 것으로 밝혀진 주파수를 식별할 수 있다.
일례로서, 차량은 음향 에너지를 감지하는 하나 이상의 센서, 감지된 음향 에너지를 분석하는 회로, 및 통지를 제공하도록 이러한 분석에 응답하는 회로를 구비할 수 있다. 예를 들면, 차량은 (예컨대, 통지 메커니즘의 일부로서) 통지 신호의 제공에 응답하여 조명하는 경고 라이트를 구비하는 계기판을 구비할 수 있다. 일례로서, 통지 신호는 무선 통신 회로(예컨대, 라디오, 휴대전화, 위성 등)을 거쳐 통신될 수 있다. 일례로서, 통신된 통지 신호가 수신되어, 예컨대 차량의 서비스, 사용 등을 스케줄링하도록 스케줄링 알고리즘으로 입력될 수 있다.
일례로서, 차량은 터보과급기 등의 엔진 rpm, 부트 압력을 위한 게이지와, 터보과급기의 볼 베어링 조립체로부터 감지된 음향 에너지에 적어도 부분적으로 근거하여 서비스 상태를 나타내는 서비스 라이트(또는 다른 서비스 표시기)를 구비할 수 있다. 일례로서, 차량은 다수의 터보과급기와 피팅되는 엔진을 구비할 수 있으며, 터보과급기 각각은 통지 메커니즘의 일부로서 적어도 하나의 빌트인 결함부(built-in imperfection)를 구비하는 볼 베어링 조립체를 구비할 수 있다.
일례로서, 도 1의 제어기(190)는 본원에 기술된 하나 이상의 동작을 수행하는 회로를 구비할 수 있다. 예를 들면, 도 1의 제어기(190)는 도 10의 방법(1000)의 블록(1010, 1020, 1030, 1040)과 관련된 기능 중 하나 이상을 수행하도록 구성될 수 있다.
일례로서, 볼 베어링 조립체는 내부면을 구비하는 외측 레이스; 결함부를 구비하는 외부면과, 숄더 각도로 배치된 숄더를 구비하는 내측 레이스로서, 상기 결함부는 숄더 각도의 약 50% 내지 숄더 각도의 약 100%의 범위의 각도로 배치되는, 상기 내측 레이스; 및 외측 레이스의 내부면과 내측 레이스의 외부면 사이에 배치된 볼을 구비할 수 있다. 이러한 예에서, 결함부는 내측 레이스의 외부면에서의 편차, 예컨대 융기형 편차, 오목형 편차 또는 융기형 및 오목형 편차일 수 있다. 일례로서, 결함부는 내측 레이스의 외부면의 표면 조도(예컨대, 방위각 등을 선택적으로 스패닝함)일 수 있다. 일례로서, 결함부는 통지 메커니즘의 일부일 수 있고, 예컨대 통지 메커니즘은 내측 레이스의 외부면의 결함부와 볼들 사이의 접촉에 응답하는 가청 알림을 발생시킨다.
일례로서, 볼 베어링 조립체는 약 5개 또는 약 15개의 볼을 구비할 수 있다. 일례로서, 외측 레이스는 (예컨대, 터빈측과 압축기측을 선택적으로 갖는) 단일의 외측 레이스일 수 있다. 일례로서, 내측 레이스는 터빈측 또는 압축기측 내측 레이스일 수 있다.
일례로서, 볼 베어링 조립체는, 내측 레이스를 포함하는 외측 레이스; 결함부(imperfection)를 포함하는 외부면과, 숄더 각도로 배치된 숄더를 포함하는 제1 내측 레이스로서, 상기 결함부는 숄더 각도의 약 50% 내지 숄더 각도의 약 100%의 범위의 각도로 배치되는, 상기 제1 내측 레이스; 결함부를 포함하는 외부면과, 숄더 각도로 배치된 숄더를 포함하는 제2 내측 레이스로서, 상기 결함부는 숄더 각도의 약 50% 내지 숄더 각도의 약 100%의 범위의 각도로 배치되는, 상기 제2 내측 레이스; 외측 레이스의 내부면과 제1 내측 레이스의 외부면 사이에 배치된 제1 볼 세트; 및 외측 레이스의 내부면과 제2 내측 레이스의 외부면 사이에 배치된 제2 볼 세트를 구비할 수 있다. 이러한 예에서, 내측 레이스의 소정의 회전 속도에 대해, 제1 내측 레이스의 결함부는 제1 볼 세트와 접촉 시에 제1 주파수를 발생시킬 수 있고, 제2 내측 레이스의 결함부는 제2 볼 세트와 접촉 시에 제2 주파수를 발생시킬 수 있다. 이러한 예에서, 제1 주파수는 상기 제2 주파수와 상이할 수 있다.
일례로서, 제1 내측 레이스의 결함부는 제1 내측 레이스의 외부면에서의 편차를 포함하며, 상기 편차는, 예컨대 융기형 편차, 오목형 편차 또는 융기형 및 오목형 편차일 수 있다. 일례로서, 제2 내측 레이스의 결함부는 제2 내측 레이스의 외부면에서의 편차를 포함하며, 상기 편차는, 예컨대 융기형 편차, 오목형 편차 또는 융기형 및 오목형 편차일 수 있다.
일례로서, 시스템은 볼과 결함부를 구비하는 볼 베어링 조립체를 구비하는 터보과급기; 음향 에너지를 감지하는 센서; 및 결함부와 접촉하는 볼 중 적어도 일부에 의해 발생되는 감지된 음향 에너지에 적어도 부분적으로 근거하여 통지를 제공하는 회로를 구비할 수 있다. 이러한 시스템에서, 결함부는 볼 베어링 조립체의 내측 레이스의 외부면 내의 결함부일 수 있다. 일례로서, 내측 레이스의 외부면은 샤프트의 외부면일 수 있다.
일례로서, 결함부는 볼 베어링 조립체의 외측 레이스의 내부면 내의 결함부, 볼 중 적어도 일부를 안내하는 볼 세퍼레이터 내의 결함부, 또는 볼 세트 중 하나 내의 결함부일 수 있다.
일례로서, 시스템은 가변 기하학적 유닛을 조절함으로써 테스트 방법을 실시하는 가변 기하학적 유닛 및 회로를 구비할 수 있다. 일례로서, 시스템은 웨이스트게이트를 조절함으로써 테스트 방법을 실시하는 웨이스트게이트 및 회로를 구비할 수 있다. 일례로서, 시스템은 가변 기하학적 유닛 및 웨이스트게이트를 구비할 수 있다.
방법, 장치, 시스템, 배열체 등에 대한 몇 가지의 예가 첨부한 도면에 도시되고 전술한 상세한 설명에 기술되었지만, 개시된 예시적인 실시예에 제한되는 것이 아니라, 다수의 재배치, 수정 및 치환이 가능할 수 있다.

Claims (13)

  1. 내부면을 포함하는 외측 레이스;
    결함부(imperfection)를 포함하는 외부면과, 숄더 각도로 배치된 숄더를 포함하는 내측 레이스로서, 상기 결함부는 상기 숄더 각도의 약 50% 내지 상기 숄더 각도의 약 100%의 범위의 각도로 배치되는, 상기 내측 레이스; 및
    상기 외측 레이스의 내부면과 상기 내측 레이스의 외부면 사이에 배치된 볼
    을 포함하는,
    볼 베어링 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결함부는 상기 내측 레이스의 외부면에서의 편차(deviation)를 포함하며,
    상기 편차는 융기형 편차와 오목형 편차로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 부재를 포함하는,
    볼 베어링 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결함부는 상기 내측 레이스의 외부면의 표면 조도(surface roughness)를 포함하는,
    볼 베어링 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결함부는 통지 메커니즘(notification mechanism)의 일부인,
    볼 베어링 조립체.
  5. 제4에 있어서,
    상기 통지 메커니즘은 상기 내측 레이스의 외부면의 결함부와 상기 볼 사이에서의 접촉에 응답하는 음성 알림(audible notice)을 발생시키는,
    볼 베어링 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    약 5 내지 약 15개의 볼을 포함하는,
    볼 베어링 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 외측 레이스는 단일의 외측 레이스를 포함하는,
    볼 베어링 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 내측 레이스는 터빈측 또는 압축기측 내측 레이스를 포함하는,
    볼 베어링 조립체.
  9. 내측 레이스를 포함하는 외측 레이스;
    결함부(imperfection)를 포함하는 외부면과, 숄더 각도로 배치된 숄더를 포함하는 제1 내측 레이스로서, 상기 결함부는 상기 숄더 각도의 약 50% 내지 상기 숄더 각도의 약 100%의 범위의 각도로 배치되는, 상기 제1 내측 레이스;
    결함부를 포함하는 외부면과, 숄더 각도로 배치된 숄더를 포함하는 제2 내측 레이스로서, 상기 결함부는 상기 숄더 각도의 약 50% 내지 상기 숄더 각도의 약 100%의 범위의 각도로 배치되는, 상기 제2 내측 레이스;
    상기 외측 레이스의 내부면과 상기 제1 내측 레이스의 외부면 사이에 배치된 제1 볼 세트; 및
    상기 외측 레이스의 내부면과 상기 제2 내측 레이스의 외부면 사이에 배치된 제2 볼 세트
    를 포함하는,
    볼 베어링 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 내측 레이스의 소정의 회전 속도에 대해, 상기 제1 내측 레이스의 결함부는 상기 제1 볼 세트와 접촉 시에 제1 주파수를 발생시키고, 상기 제2 내측 레이스의 결함부는 상기 제2 볼 세트와 접촉 시에 제2 주파수를 발생시키는,
    볼 베어링 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수와 상이한,
    볼 베어링 조립체.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 내측 레이스의 결함부는 상기 제1 내측 레이스의 외부면에서의 편차를 포함하며, 상기 편차는 융기형 편차와 오목형 편차로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 부재를 포함하는,
    볼 베어링 조립체.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제2 내측 레이스의 결함부는 상기 제2 내측 레이스의 외부면에서의 편차를 포함하며, 상기 편차는 융기형 편차와 오목형 편차로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 부재를 포함하는,
    볼 베어링 조립체.
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