KR20170030551A - 가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저용 조절 링 조립체 - Google Patents

가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저용 조절 링 조립체 Download PDF

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자일 레예스
라젠드라 베물라
귄터 귀트
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보르그워너 인코퍼레이티드
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Abstract

조절 링(50)은 가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저(1)에서의 베인(30) 위치 조절을 용이하게 하도록 구성되며, 제1 물질로 형성되는 하나 이상의 제1 링부(60), 및 제2 물질로 형성되는 하나 이상의 제2 링부(61)의 조립체로 형성된다. 제1 물질은 제2 물질과는 다른 물질 특성을 갖는다. 일부 실시예에서, 조절 링(50)의 고마모부는 선택적으로 그리고 비용 효율적으로 내마모성 물질로 형성될 수 있는 한편, 나머지 부분은 종래의 물질로 형성된다. 멀티피스 조절 링(50)을 제조하는 비용 효과적인 방법이 설명되어 있다.

Description

가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저용 조절 링 조립체{ADJUSTMENT RING ASSEMBLY FOR VARIABLE TURBINE GEOMETRY TURBOCHARGERS}
관련출원의 상호 참조
본 출원은 "가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저용 조절 링 조립체"란 명칭으로 2014년 7월 16일 출원된 미국 가출원 제62/025,254호에 대한 우선권 및 그의 모든 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 터보차저에 관한 것으로, 보다 구체적으로 가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저용의 개선된 조절 링에 관한 것이다.
배기 가스 터보차저는 엔진 상에 설치되어 공기를 정상 흡기 구성에서 가능한 것보다도 큰 밀도로 엔진 흡기부에 공급한다. 이것은 더 많은 연료가 연소되는 것이 가능하여, 엔진 중량의 현저한 증가 없이 엔진의 마력을 증대시킬 수 있다.
일반적으로, 배기 가스 터보차저는 터빈 부분 및 컴프레서 부분을 포함하고, 엔진 배기 매니폴드로부터의 배기 흐름을 이용하여 터빈 부분에 위치하고 있는 터빈 휠을 구동시킨다. 터빈 휠은 이들 부분 사이에서 연장되는 샤프트를 통해 컴프레서 부분에 위치하고 있는 컴프레서 휠을 구동시킨다. 이어서, 컴프레서 부분에 의해 압축된 공기가 전술한 바와 같이 엔진 흡기부에 제공된다.
일부 터보차저에서, 터빈 부분은 터빈 휠로 유도된 배기 가스 량의 조절을 가능하게 하는 가변형 터빈 기하학적 형태(variable turbine geometry: VTG)를 가질 수 있다. 일부 예에서, VTG는 터빈 휠로의 유입부에서의 터빈 하우징 내에 배치되는 공기역학적 형상의 베인들의 링을 사용하여 구현된다. 상기 베인들은 일제히 회전해서 터빈 휠로 유도된 배기 가스의 유입부 면적 및 접근 각도를 가변시킨다. 이와 같이 터빈 하우징 기하학적 형태를 변경함으로써, 터보차저는 더 높은 속도로 지연을 감소시키고 효율을 증가시킨다. 또한, 배기가스 배압 및 터보차저 속도는 VTG를 통한 터빈 휠로의 배기 가스 흐름을 변조시킴으로써 제어될 수 있다.
일부 양태에 있어서, 조절 링은 가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저에서의 베인 위치 조절을 용이하게 하도록 구성된다. 상기 조절 링은 제1 물질로 형성되는 제1 링부; 및 제2 물질로 형성되는 제2 링부를 포함한다. 제1 링부 및 제2 링부는 단일의 환형 요소 내에 함께 조립되도록 구성되며, 제1 물질은 제2 물질과는 다른 물질 특성을 갖는다.
상기 조절 링은 다음의 추가적인 특징들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다: 제1 물질은 제2 물질과는 다른 물질이다. 제1 물질은 제2 물질과는 다른 열처리가 실시된다. 제1 물질은 제2 물질보다도 높은 내마모성을 갖는다. 제1 링부는, 사용시 가장 많이 마모되는 단일의 환형 요소의 일부분에 대응한다. 제1 링부는 제2 링부에 고정된다. 제1 링부는 불규칙적인 프로파일을 갖는 제1 링 감합 에지를 포함하고, 제2 링부는 불규칙적인 프로파일을 갖는 제2 링 감합 에지를 포함하며, 제1 링 합치 에지의 불규칙적인 프로파일은 제2 링 감합 에지의 불규칙적인 프로파일과 감합하여 계합하도록 구성된다.
일부 양태에서는, 환형 조절 링을 제조하는 방법이 제공된다. 환형 조절 링은 가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저에서의 베인 위치 조절을 용이하게 하도록 구성된다. 상기 방법은 조절 링을 위한 절단 패턴을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 절단 패턴은 섹터 패턴을 포함하며, 각 섹터 패턴은 상기 조절 링의 링부에 대응한다. 섹터 패턴은 이 섹터 패턴이 내포되도록 절단 패턴 내부에 배치된다. 상기 방법은 절단 패턴에 따라 원료 물질의 제1 시트를 절단하여 링부를 제공하는 단계; 및 링부를 함께 조립하여 적어도 하나의 환형 조절 링을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 다음의 단계 및/또는 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 상기 절단 단계는 파인 블랭킹(fine blanking)을 포함한다. 절단 단계는 원료 물질의 제2 시트로부터 적어도 하나의 개별 링부를 절단하는 단계를 포함하고, 여기서 원료 물질의 제2 시트는 원료 물질의 제1 시트와는 다른 물질 특성을 갖는다. 원료 물질의 제1 시트는 원료 물질의 제2 시트와는 다른 내마모성을 갖는다. 링부를 조립하는 단계는 원료 물질의 제1 시트로부터 형성된 적어도 하나의 링부를 원료 물질의 제2 시트로부터 형성된 적어도 하나의 링부와 조립하여 환형 조절 링을 형성하는 단계를 더 포함하고, 원료 물질의 제2 시트는 원료 물질의 제1 시트와는 다른 물질 특성을 갖는다. 상기 원료 물질의 제2 시트는 상기 원료 물질의 제1 시트보다도 내마모성이 덜하고, 링부가 함께 조립되어 조절 링을 형성할 때, 제1 링부는 사용시 가장 많이 마모되는 조절 링의 일부분에 대응하는 위치에서 조절 링 내부에 배치된다.
가변형 터빈 기하학적 형태(VTG) 터보차저의 조절 링은, 베인을 지지하는 베인 링 조립체와 VTG를 액추에이터에 연결하는 조절 샤프트 간의 링크이기 때문에 전체 VTG의 중요한 부분이다. 특히, 조절 링 조립체는 터빈 하우징에 대하여 베인의 위치를 제어하는데 사용된다. 이와 같이, 조절 링 조립체는 VTG 조립체의 구조 및 기능에 있어서 중요한 역할을 하며, 터보차저 효율에 영향을 줄 수 있다. 수개의 구성요소, 예를 들어 조절 링, 피봇형 슬라이딩 블록 및 대형 조절 블록은 조절 링 조립체를 형성한다.
일부 양태에서, 조절 링 조립체는 일부 종래의 단일 피스(single-piece) 조절 링에 비해서 증가된 내마모성과, 감소된 중량 및 제조 비용을 제공하는 멀티피스(multi-piece) 조절 링을 포함한다. 특히, 2개, 3개, 4개 또는 그 초과의 개별 피스로 조절 링을 제조하고, 그런 다음 개별 피스를 단일의 조절 링으로 조립함으로써, 상기 피스들 중 하나 이상은 나머지 피스들과는 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 하나의 피스는 내마모성이 높고 이에 따라 비교적 고가인 재료로 이루어지며, 높은 내마모성을 필요로 하는 위치에서 상기 조립체에 포함될 수 있는 반면에, 나머지 피스(들)는 통상적인 물질, 이에 따라 비교적 저가의 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 접근법은 내마모성 조절 링을 제조하는 비용을 감소시키며, 물질의 시트로부터 단일 피스로서 스탬핑되는 일부 종래의 조절 링과 비교될 수 있다.
이와 같은 예에서, 조절 링을 형성하기 위해 사용되는 개별 피스는 템플릿 조절 링을 전략적 위치에서 2개 이상의 피스로 분할함으로써 생성된다. 이것은 설계자가 엄선하여 비교적 고가의 물질을 덜 고가의 물질과 조합할 수 있게 하는 이점을 제공한다. 이러한 기술에 의해, 비교적 고가의 내마모성 피스가 조절 링의 더 높은 마모 영역에서 사용하기 위해 제공될 수 있고, 여기서 이러한 높은 마모 영역의 위치는 역사적 경험 및 마모 계산 견적에 기초하여 결정된다. 이러한 기술에서, 내마모성이 덜하고, 이에 따라 덜 고가의 물질 및 피스가 중요하지 않은 위치에서 사용될 수 있다. 이것은, 전체적으로 높은 내마모성 물질로 형성되었을 때, 높은 내마모성 물질이 높은 마모 위치에서만 사용되는 멀티피스 조절 링보다도 더욱 더 고가인 종래의 조절 링과 비교될 수 있다.
또한, 다수의 피스로 조절 링을 제조함으로써, 더 많은 피스가 전략적 절단 패턴의 사용에 의해 물질의 단일의 원료 시트로부터 절단될 수 있어, 제조 비용을 더욱 감소시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 전략적 절단 패턴은 절단될 피스의 내포형 배열을 사용한다. 이것은 물질의 시트로부터 단일 피스로서 절단되는 일부 종래의 조절 링과 비교될 수 있다. 그들의 환형 형상 때문에, 이러한 종래의 조절 링의 제조는, 중앙 영역에 대응하는 폐기물 및 그의 원형 외부 형상과 관련된 빈약한 패킹 밀도로 인해, 멀티피스 조절 링의 제조에 비해서 많은 양의 폐기물을 초래한다.
유리하게는, 다수의 조절 링은 원료 물질의 동일한 시트로부터 스탬핑될 수 있어, 제조 중에, 특히 파인 블랭킹에 대하여 물질 낭비를 현저하게 감소시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 유사한 직경을 갖는 3개 또는 4개의 조절 링은 동일한 직경의 단일의 통합된 조절 링을 파인 블랭킹하기 위해 요구되는 판금의 동일한 영역으로부터 다수의 피스로 파인 블랭킹될 수 있다.
도 1은 가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저의 단면도이다.
도 2는 조절 링 조립체의 컴프레서측 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 보여지는 조절 링 조립체의 단면도이다.
도 4는 2 피스 조절 링의 링부의 평면도이다.
도 5는 예시적인 연결 구성을 도시하는 조절 링의 일부분의 평면도이다.
도 6은 대체의 예시적인 연결 구성을 도시하는 조절 링의 일부분의 평면도이다.
도 7은 각 링부가 동일한 반경을 갖는 2 피스 조절 링의 링부를 제공하기 위한 절단 패턴의 예시도이다.
도 8은 단일 피스 조절 링을 제공하기 위한 종래의 절단 패턴의 예시도이다.
도 9는 링부가 다양한 반경을 갖는 2 피스 조절 링의 링부를 제공하기 위한 절단 패턴의 예시도이다.
도 10은 3 피스 조절 링의 링부의 평면도이다.
도 11은 각 링부가 동일한 반경을 갖는 3 피스 조절 링의 링부를 제공하기 위한 절단 패턴의 예시도이다.
도 12는 3개의 링부 및 인서트를 포함하는 4 피스 조절 링의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 배기 가스 터보차저(1)는 터빈 부분(2), 컴프레서 부분(18), 및 컴프레서 부분(18)과 터빈 부분(2) 사이에 배치되어 이들을 연결하는 중앙 베어링 하우징(16)을 포함한다. 터빈 부분(2)은 배기 가스 유입부(도시하지 않음)를 규정하는 터빈 하우징(4), 배기 가스 유출부(8), 및 배기 가스 유입부와 배기 가스 유출부(8) 사이의 유체 경로 내에 배치된 터빈 볼류트(10)를 포함한다. 터빈 휠(12)이 터빈 볼류트(10)와 배기 가스 유출부(8) 사이의 터빈 하우징(4) 내에 배치된다. 샤프트(14)가 터빈 휠(12)에 연결되고, 베어링 하우징(16) 내부에서 회전축(R) 주위의 회전을 위해 지지되며, 컴프레서 부분(18)으로 연장된다. 컴프레서 부분(18)은 축방향으로 연장되는 공기 유입부(22), 공기 유출부(도시하지 않음), 및 컴프레서 볼류트(26)를 규정하는 컴프레서 하우징(20)을 포함한다. 컴프레서 휠(28)이 공기 유입부(22)와 컴프레서 볼류트(26) 사이의 컴프레서 하우징(20) 내에 배치되고, 샤프트(14)에 연결된다.
사용시, 터빈 하우징(4) 내의 터빈 휠(12)은 엔진의 배기 매니폴드(도시하지 않음)로부터 공급된 배기 가스의 유입에 의해 회전 가능하게 구동된다. 샤프트(14)가 터빈 휠(12)을 컴프레서 하우징(20) 내의 컴프레서 휠(28)에 연결시키므로, 터빈 휠(12)의 회전은 컴프레서 휠(28)의 회전을 초래한다. 컴프레서 휠(28)이 회전함에 따라, 엔진의 흡기 매니폴드에 연결되는 컴프레서 공기 유출부로부터의 유출을 통해 엔진의 실린더에 전달되는 공기 질량 유량, 기류 밀도 및 기압을 증가시킨다.
터보차저(1)는 가변형 터빈 기하학적 형태(VTG) 터보차저이다. 특히, 터빈 부분(2)은 터빈 휠(12) 상에 충돌하는 배기 가스의 흐름을 제어하고 터빈 부분(2)의 동력을 제어하기 위한 복수의 피봇 가능한 베인(30)을 포함한다. 따라서, 베인(30)은 컴프레서 부분(18)에 의해 생성된 압력비도 제어한다. 고압 배기 가스 재순환(High Pressure Exhaust Gas Recirculation: HP EGR) 기술의 이용에 의해 NOx의 생성을 제어하는 엔진에서, 베인(30)은 배기 배압을 제어하고 생성하기 위한 수단을 또한 제공한다.
또한 도 2 및 도 3을 참조하면, 베인(30)은 터빈 휠(12) 주위의 원형 어레이 내에 배열되고, 터빈 볼류트(10)와 터빈 휠(12) 사이에 위치한다. 베인(30)은 일반적으로 환형의 상부 베인 링(40)과 일반적으로 환형의 하부 베인 링(42) 사이에서 이러한 구성으로 피봇 가능하게 지지되며, 여기서 "상부"는 중앙 베어링 하우징(16)에 더 가까운 것을 지칭하고 "하부"는 터빈 하우징(4)에 더 가까운 것을 지칭한다. 각 베인(30)은 베인(30)의 대향 측면으로부터 돌출하는 포스트(32) 상에서 회전하며, 포스트(32)는 피봇 축(35)을 규정한다. 포스트(32)의 자유 단부는 상부 베인 링(40) 및 하부 베인 링(42) 내의 각각의 개구 내에 수용된다. 하부 베인 링(42)에 대한 상부 베인 링(40)의 각진 배향은 베인 링(40, 42) 내의 대응하는 개구가 포스트(32)의 축(35)과 동심원이고, 베인(30)이 축(35) 주위를 자유롭게 회전하도록 설정된다. 베인(30)의 상부 베인 링측 상에서, 포스트(32)는 상부 베인 링(40)의 대응하는 개구를 통해 돌출하며, 베인 링(40, 42)에 대하여 베인(30)의 회전 위치를 제어하는 베인 아암(36)에 부착된다. 조절 링 조립체(45)는 상부 베인 링(40)에 인접하고 그와 평행하게 배열되며, 모든 베인 아암(36)의 위치를 일제히 제어한다.
조절 링 조립체(45)는 조절 링(50), 이 조절 링(50)의 터빈 대향 측면 상에 회전 가능하게 배치된 소형 슬라이드 블록(47), 및 조절 링(50)의 컴프레서 대향 측면 상에 회전 가능하게 배치되며 조절 링(50)을 액추에이터에 연결하기 위해 사용되는 대형 블록(46)을 포함한다. 사용시, 조절 링 조립체(45)는 이 조절 링 조립체(45)를 개별 베인(30)에 연결하는 베인 아암(36)을 통해 베인(30)을 회전 가능하게 구동한다. 많은 구성에서, 베인 아암(36)의 단부 상에 형성된 포크(37)가 독립적으로 회전 가능한 슬라이드 블록(47)을 구동해서 시스템에서의 마찰을 최소화하고 터빈 하우징, 및 이에 따라 연결 장치 내의 왜곡 및 부식을 조정한다. 조절 링(50)은 최소 마찰로 원주방향으로 회전할 수 있게 되고, 상부 및 하부 베인 링(40, 42)과 동심원을 유지하도록 방사상으로 정렬되며, 슬라이드 블록(47)이 베인 아암(36)과 접촉한 상태를 유지하도록 축방향으로 정렬된다.
일부 실시형태에 있어서, 조절 링(50)은 누벽(rampart)(38)에 의해 베인 아암(36) 상에 지지된다. 대형 블록(46)은 샤프트에 의해 조절 링(50)에 연결된다. 터보차저 회전축(R) 주위의 대형 블록(46)의 원주방향 움직임은 조절 링(50)이 터보차저 회전축(R) 주위를 회전하게 한다. 터보차저 회전축(R) 주위의 조절 링(50)의 회전은, 다수의 소형 슬라이드 블록(47)이 터보차저 회전축(R) 주위를 회전하게 하는 한편 각각의 슬라이드 블록(47)도 베인 포스트(32)의 회전축(35) 주위를 회전하게 한다. 슬라이드 블록(47)의 이러한 움직임은 베인 아암(36)이 베인 포스트(32)의 회전축(35) 주위를 회전하게 하고 배기 흐름에 대한 베인(30)의 영각(attack angle)을 변화시킨다. 슬라이드 블록(47)은 각 슬라이드 블록(47)과 대응하는 포크(37) 간의 경계면이 주로 회전 블록의 하나의 치크(cheek)의 전체 영역에 걸쳐서 슬라이딩 마찰되도록 설계된다. 이러한 설계는 균일한 하중 분포를 제공하여, 선 접촉에서보다도 마모를 감소시키고 더 긴 수명을 제공하지만, 반대로 선 접촉 설계 이상으로 마찰을 증가시킨다.
조절 링(50)은 연결 장치(48)(도 1)를 통해 대형 블록(46)에 동작적으로 연결되는 액추에이터(도시하지 않음)에 의해 제어되어, 조절 링(50)은 회전축(R) 주위를 회전할 수 있게 된다. 액추에이터는 엔진 전자 제어 유닛(ECU)으로부터의 커맨드를 수신한다.
도 4를 참조하면, 조절 링(50)은 그 형상이 환형이고, 외부 에지(51), 내부 에지(52), 및 외부와 내부 에지(51, 52) 사이에서 연장되는 대향 측면(53, 54(측면(53)에 대향하지만, 도시하지 않음))을 포함하고 있다. 조절 링(50)은 대향 측면(53, 54(측면(53)에 대향하지만, 도시하지 않음)) 사이에서 연장되는 3 세트의 관통 개구부들(55, 56, 57)을 갖고서 형성된다. 제1 세트의 관통 개구부는, 각각이 베인 아암들(36) 중 하나를 수용하도록 구성되는 원형 아암 개구부(55)로 구성된다. 도시된 실시형태에서는, 조절 링(50)의 원주 주위에 대략 등간격으로 이격되고 외부 에지(51)보다 내부 에지(52)에 더 가깝게 방사상으로 위치하는 13개의 아암 개구부(55)가 존재한다. 제2 세트의 관통 개구부는, 각각이 조절 링(50)과 상부 베인 링(40) 사이의 축방향 간격을 제어하는데 사용되는 스페이서(도시하지 않음)를 지지하는 볼트(59)를 수용하도록 구성되는 원형 볼트 개구부(56)로 구성된다. 3개의 볼트 개구부(56)가 조절 링(50)의 원주 주위에 등간격으로 이격되고, 외부 에지(51)보다 내부 에지(52)에 더 가깝게 방사상으로 위치해 있다. 제3 세트의 관통 개구부는 인접하는 아암 개구부(55)의 쌍들 사이에 배치되는 중량 감소 개구부(57)로 구성된다. 중량 감소 개구부(57)는 원주 방향을 따라 연신되며, 내부 에지(52)와 외부 에지(51) 사이의 중간에 방사상으로 위치해 있다. 3 세트의 관통 개구부(55, 56, 57) 이외에, 조절 링(50)은 대향 측면(53, 54) 사이에서 연장되는 원형 고정 개구부(58)를 포함하고, 대형 블록(46)을 조절 링(50)에 고정하는 샤프트를 수용하도록 구성되어, 조절 링(50)이 액추에이터에 연결된다.
조절 링(50)은 제1 링부(60) 및 제2 링부(61)를 포함하는 2 피스의 조립체이다. 제1 링부(60) 및 제2 링부(61)는 각각 환형 섹터인 주변 형상을 갖는다. 또한, 제1 링부(60) 및 제2 링부(61)는 각각 동일한 곡률 반경(R1), 및 약 180도인 섹터의 각도 척도에 일반적으로 대응하는 원호 길이를 가지므로, 제1 링부(60) 및 제2 링부(61)는 함께 조립되었을 때에 단일의 완전한 환형 요소를 형성한다. 제1 링부(60)의 각각의 합치 에지(66)는 종래 기술, 예를 들어 용접, 리벳팅(즉, 오비탈 리벳팅) 등에 의해 제2 링부(61)의 대응하는 합치 에지(68)에 고정된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 일부 실시형태에서는, 각각의 링부(60', 61', 60", 61") 사이의 정밀하고 신뢰성 있는 연결을 제공하기 위해서, 감합 에지(66', 68', 66", 68")가 불규칙적인 교합 프로파일을 갖는다. 예를 들면, 제1 링부(60', 60")는 슬롯, 노치, 홈 또는 구멍을 포함한 불규칙적인 프로파일을 갖는 제1 링 합치 에지(66', 66")를 포함할 수 있다. 또한, 제2 링부(61', 61")는 제1 링 합치 에지(66', 66")의 프로파일과 합치해서 맞물리도록 형성화되고 치수화되는 돌출부를 포함한 불규칙적인 프로파일을 갖는 제2 링 합치 에지(68', 68")를 포함할 수 있다. 압입 도브테일 조인트(press-fit dovetail joint) 또는 다른 장부맞춤 연결부(mortise-and-tenon connection)가 링부(60', 61', 60", 61")의 확실한 조립체를 형성하기 위해 사용될 수 있는 이러한 불규칙적인 교합 프로파일의 일례이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 다수의 피스로, 이 경우에는 2개의 링부(60, 61)로 조절 링(50)을 형성하고, 그런 다음 링부(60, 61)를 함께 조립하여 단일의 환형 요소를 형성함으로써, 재료 비용이 감소된다. 이것은 링부(60, 61)가 예를 들어 파인 스탬핑(fine stamping)에 의해 원료 물질의 단일 시트(S)로부터 절단되기 때문이다. 원료 물질은, 예를 들면 고압 적용에서 사용하기 위해 적합한 판금, 예를 들어 321 스테인리스 스틸일 수 있다. 그들의 곡선 형상 및 반구형 원호 길이로 인해, 환형 섹터 형상의 제1 및 제2 링부(60, 61)에 대응하는 절단 패턴이 내포될 수 있다(도 7). 즉, 하나의 링부(60)의 볼록형 외부 에지(51a)가 절단 공정 동안에 다른 링부(61)의 오목형 내부 에지(52b) 내부에 배열될 수 있다. 일례에서, X mm의 길이 및 Y mm의 높이를 갖는 원료 물질의 시트(S)의 경우, 원료 물질의 시트(S)로부터 다수의 제1 및 제2 링부(60, 61)의 스탬핑 절단 동안에 내포형 배열을 사용함으로써, (도 4에 나타낸 바와 같이) 반경(R1)의 4개의 조절 링(50)이 최소의 폐기물(W1)로 얻어질 수 있다. 이것은, 2개의 조절 링(500)만이 얻어질 수 있고 최종 생성되는 시트(S)의 폐기물(W2)의 양이 폐기물(W1)보다도 매우 많은, 원료 물질의 동일한 시트(S)로부터 단일 피스의 환형 조절 링(500)을 스탬핑하는 것과 비교될 수 있다.
도 9를 참조하면, 원료 물질의 동일 시트(S)로부터 상이한 직경의 조절 링(50, 150)을 스탬핑함으로써 폐기물의 추가 감소가 얻어질 수 있다. 예를 들면, 반경(R1)을 갖는 제1 조절 링(50)에 대응하는 환형 섹터 형상의 제1 및 제2 링부(60, 61)에 대응하는 스탬프는 내포될 수 있다. 또한, 반경(R2)을 갖는 제2 조절 링(150)에 대응하는 환형 섹터 형상의 제3 및 제4 링부(160, 161)에 대응하는 다른 스탬프는 제1 및 제2 링부(60, 61)를 위한 스탬프 내부에 또한 내포될 수 있다. 이 예에서, 원료 물질의 시트(S)로부터 제1 내지 제4 링부(60, 61, 160, 161)의 스탬핑 절단 동안에 내포형 배열을 사용함으로써, 반경(R1)의 2개의 조절 링(50) 및 반경(R2)의 2개의 조절 링(150)이 최소의 폐기물(W3)로 얻어질 수 있다.
도 10을 참조하면, 대체적인 실시형태의 조절 링(250)은, 그 형상이 환형이고, 외부 에지(251), 내부 에지(252), 및 외부와 내부 에지(251, 252) 사이에서 연장되는 대향 측면(253, 254(측면(253)과 대향하며, 측면(254)은 도시되지 않음))을 포함하며, 대향 측면(253, 254) 사이에서 연장되는 3 세트의 관통 개구부(55, 56, 57)를 갖고서 형성된다는 점에서 도 3에 대하여 상기에서 예시한 조절 링(50)과 유사하다. 그러나, 이 실시형태에서, 조절 링(250)은 제1 링부(260), 제2 링부(261), 및 제3 링부(262)를 포함하는 3 피스의 조립체이다. 제1 링부(260), 제2 링부(261), 및 제3 링부(262)는 각각 환형 섹터인 주변 형상을 갖는다. 또한, 제1 링부(260), 제2 링부(261), 및 제3 링부(262)가 각각 동일한 곡률 반경(R1), 및 약 120도인 섹터의 각도 척도에 대략 대응하는 원호 길이를 가지므로, 제1 링부(260), 제2 링부(261), 및 제3 링부(262)는 함께 조립되었을 때에 단일의 완전한 환형 요소를 형성한다.
제1 링부(260), 제2 링부(261), 및 제3 링부(262)의 각각의 합치 에지(266, 268, 270)는 용접, 리벳팅(즉, 오비탈 리베팅) 등과 같은 종래 기술에 의해 함께 고정되고, 또한 불규칙적인 교합 프로파일을 포함할 수 있다.
도 11을 참조하면, 다수의 피스로, 이 경우에는 3개의 링부(260, 261, 262)로 조절 링(250)을 형성하고, 그런 다음 3개의 링부(260, 261, 262)를 함께 조립하여 단일의 환형 요소를 형성함으로써, 재료 비용이 감소된다. 이전의 실시예와 같이, 그들의 곡선 형상 및 더 짧은 반구형 원호 길이로 인해, 환형 섹터 형상의 제1, 제2, 및 제3 링부(260, 261, 262)에 대응하는 스탬프가 내포될 수 있다. 일례에서, 원료 물질의 시트(S)로부터 다수의 제1, 제2, 제3 링부(260, 261, 262)의 스탬핑 절단 동안에 내포형 배열을 사용함으로써, 반경(R1)의 4개의 조절 링(250)이 최소의 폐기물(W4)로 얻어질 수 있다. 이것은, 2개의 조절 링(500)만이 얻어질 수 있고 최종 생성되는 시트(S)의 폐기물(W2)의 양(도 8)이 폐기물(W4)보다도 매우 많은, 원료 물질의 동일한 시트(S)로부터 단일 피스의 환형 조절 링(500)을 스탬핑하는 것과 비교될 수 있다.
본 명세서에 예시된 조절 링(50, 150, 250)은 원료 물질의 단일 시트(S)로부터 형성된 다수의 링부(60, 61, 160, 161, 260, 261, 262)를 가짐으로써, 최종 생성된 링부 각각이 동일한 물질로 형성되고, 이에 따라 동일한 물질 특성을 갖는 것으로 설명되어 있다. 그러나, 조절 링(50, 150, 250) 및 대응하는 링부(60, 61, 160, 161, 260, 261, 262)는 이러한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 조절 링(250)의 링부(260, 261, 262)는 적어도 하나의 링부(즉, 제3 링부(262))가 다른 링부(즉, 제1 및 제2 링부(260, 261))의 물질 특성과는 다른 물질 특성을 갖도록 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제3 링부(262)는 제1 및 제2 링부(260, 261)를 형성하는데 사용되는 물질과 동일한 물질로 형성되지만, 제3 링부(262)는 예를 들면 내마모성 또는 다른 원하는 물질 특성을 개선하도록 열처리되는 반면에, 제1 및 제2 링부(260, 261)는 다른 열처리가 실시된다. 다른 실시예에서, 제3 링부(262)는 예를 들면 GMR 235, 고합금, 니켈계 합금강과 같은 높은 내마모성 물질과 같은 비교적 고가의 물질로 형성될 수 있는 반면에, 제1 및 제2 링부(260, 261)는 다른 물질, 예를 들면 321 스테인리스 스틸과 같은, 제3 링부(262)를 형성하기 위해 사용되는 물질보다 저비용인 종래의 물질로 형성된다. 이들 실시형태에서, 예를 들어 개선된 내마모성과 같은 다른 물질 특성을 갖는 제3 링부(262)가 조절 링(250)에 조립될 수 있고, 결국에는 제3 링부(262)가 비교적 많이 마모되는 것으로 알려진 위치에 위치하도록 터보차저(1) 내에 배치된다. 이러한 배치는 마모 특성이 높은 하나의 링부를 사용할 수 있게 하는 한편, 나머지 링부는 더욱 비용 효과적인 물질로 형성되고 중요하지 않은 위치에서 사용된다. 따라서, 이러한 배치는 설계자가 가변적인 비용 및 물질 특성의 물질로부터 엄선해서 그들을 특정 적용예가 요구하는 단일 요소에 조합하게 할 수 있다. 이렇게 함으로써, 조절 링이 전체적으로 높은 내마모성 물질로 형성되는 구성에 비해서 재료 비용이 감소될 수 있다.
도 12를 참조하면, 다른 대안적인 실시형태의 조절 링(350)은 그 형상이 환형이고, 외부 에지(351), 내부 에지(352), 및 외부와 내부 에지(351, 352) 사이에서 연장되는 대향 측면(353, 354(측면(353)에 대향하며, 측면(354)은 도시되지 않음))을 포함하며, 대향 측면(353, 354) 사이에서 연장되는 2 세트의 관통 개구부(55, 56)를 갖고서 형성된다. 조절 링(350)은 원형의 고정 개구부(58)를 또한 포함하며, 일부 예에서는 중량 감소 개구부(57)(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 또한, 조절 링(350)은 4 피스의 조립체이다. 특히, 조절 링(350)은 제1 링부(360), 제2 링부(361), 및 제3 링부(362)를 포함하며, 이들 모두는 동일한 물질, 예를 들면 321 스테인리스 스틸로 형성된다. 제1 링부(360), 제2 링부(361), 및 제3 링부(362)는 함께 조립되었을 때에 단일의 환형 요소를 형성한다. 조절 링(350)은 특정의 적용 요건에 대처하는 물질 특성을 갖는 다른 물질로 형성된 제4 피스, 예컨대 인서트(363)를 더 포함한다. 예를 들면, 인서트(363)는 GMR 235 고합금강으로 형성될 수 있고, 제1, 제2 및 제3 링부(360, 361, 362) 중 하나 이상 위에 놓기 위해서 조절 링(350)의 측면(353)에 부착된다. 인서트(363)는 특정 물질 특성, 예를 들면 개선된 내마모성을 필요로 하는 위치에 전략적으로 배치될 수 있다.
도시된 예시적인 실시형태에서, 인서트(363)는 환형 섹터인 주변 형상을 갖는다. 또한, 인서트(363)는 조절 링(350)의 높은 마모 영역의 원주방향 길이에 대략 대응하는 원호 길이를 갖는다. 예를 들면, 인서트(363)는 (도시된 바와 같이) 이것이 위에 놓이는 링부(362)의 원호 길이보다 짧거나, 또는 이것이 위에 놓이는 링부(362)의 원호 길이와 동일하거나 그보다 긴 원호 길이를 가질 수 있다. 또한, 인서트(363)는 이것이 위에 놓이는 링부(362)의 반경 방향 치수보다 작은 반경 방향 치수를 갖는다. 인서트(363)는 용접, 파스너, 접착제, 또는 이들의 조합을 통해 링부(362)에 대하여 원하는 위치에 고정된다. 3개의 스탬핑된 링부(360, 361, 362)의 조립체로서 조절 링(350)을 제공함으로써, 상기한 바와 같이 제조 비용이 감소될 수 있다. 또한, 조절 링(350) 내에 인서트(363)를 포함시켜 내마모성 요건에 대처함으로써, 조절 링(350) 내에 포함되는 비교적 고가의 고마모성 물질의 양을 최소화하여, 구체적으로 이러한 특징을 필요로 하는 해당 영역에 국한시킴으로써 제조 비용이 더욱 감소될 수 있다.
가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저(1)에서의 베인 위치 조절을 용이하게 하도록 구성되는 환형 조절 링(50, 150, 250, 350)을 제조하는 방법은 적절한 절단 패턴을 제공하는 것을 포함한다. 절단 패턴은 하나 이상의 환형 패턴, 또는 환형 패턴의 일부분을 포함하며, 여기서 각 환형 패턴은 단일의 조절 링에 대응한다. 절단 패턴에서, 각 환형 패턴은 링부(60, 61)에 대응하는 적어도 2개의 개별 섹터로 분리된다. 섹터는 최종 생성되는 장치의 임의의 요구되는 특징, 예를 들면 관통 개구부(55, 56, 57, 58), 불규칙적인 합치 프로파일을 갖는 합치 에지 등을 제공하는 특징을 포함할 수 있다.
절단 패턴은 섹터가 내포형 배열 내에 제공되도록 하는 방식으로 구성된다. 예를 들면, 하나의 링부에 대응하는 섹터의 볼록형 외부 에지는 다른 링부의 대응하는 섹터의 오목형 내부 에지 내부에 배치될 수 있다. 내포형 섹터는 동일한 링부(60, 60 또는 61, 61)에 대응할 수 있거나 상이한 링부(60, 61)에 대응할 수 있다.
다수의 조절 링(50)은 원료 물질의 시트로부터 절단된다. 효과적으로, 각 섹터마다, 원료 물질의 시트가 링부(60, 61)를 형성하기 위해 사용되는 각 섹터의 주변을 따라 절단된다. 링부(60, 61)가 원료 물질의 시트로부터 절단되면, 하나 이상의 조절 링(50)은 각각의 합치 에지(66, 68)를 결합하여 함께 링부(60, 61)를 조립함으로써 형성된다.
일부 실시형태에서, 원료 물질의 시트로부터 링부(60, 61)를 절단하는 단계는 파인 블랭킹(예컨대, 파인 스탬핑)을 포함한다. 대체적으로, 다른 절단 기술이 링부(60, 61)를 형성하는데 사용될 수 있다. 다수의 링부가 원료 물질의 단일 시트로부터 동시에 절단될 수 있거나, 개개의 링부가 순차적으로 절단될 수 있거나, 절단은 양쪽의 조합으로 이루어질 수 있다.
일부 실시예에서, 조절 링(50)을 형성하는데 사용되는 모든 링부(60, 61)는 동일한 물질로부터 형성된다. 이 경우에, 링부를 조립하는 단계는 링부(60, 61)를 그들의 대응하는 감합 에지(66, 68)를 따라 조립 연결하여, 균질한 환상 조절 링(50)을 형성하는 것을 포함한다.
다른 실시형태에서는, 적어도 하나의 개별 링부(60)가 원료 물질의 제1 시트로부터 절단되고, 적어도 하나의 다른 개별 링부(61)가 원료 물질의 제2 시트로부터 절단되며, 여기서 원료 물질의 제2 시트는 원료 물질의 제1 시트와는 다른 물질 특성을 갖는다. 다른 물질 특성은 제2 시트를 형성하는데 사용되는 물질에 고유한 것일 수 있거나, 열처리, 코팅, 또는 다른 공정에 의해 물질에 제공될 수 있다. 일부 실시형태에서, 원료 물질의 제1 시트는 원료 물질의 제2 시트와 동일한 물질로 형성되지만, 원료 물질의 제2 시트와는 다르게 열처리된다.
상이한 물질의 링부(60, 61)가 사용되는 경우, 링부(60, 61)를 조립하는 단계는 원료 물질의 제1 시트로 형성된 적어도 하나의 링부(예컨대, 제1 링부(60))를 원료 물질의 제2 시트로 형성된 적어도 하나의 링부(예컨대, 제2 링부(61))와 조립하여 단일의 환형 조절 링(50)을 형성하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 원료 물질의 제2 시트는 제1 시트보다도 내마모성이 덜한 물질로 형성될 수 있다. 이 경우, 환형 조절 링(50)은, 그 후에 제1 링부(60)가 사용시 가장 많이 마모되는 조절 링(50)의 일부분에 대응하는 위치에서 터보차저 내부에 배치되도록 터보차저(1) 내부에 조립된다.
본 명세서에서는 조절 링(50, 150, 250, 350)이 2개 또는 3개의 링부를 갖는 것으로 설명되어 있지만, 조절 링은 2개 또는 3개의 링부를 갖는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 일부 실시예에서 조절 링(50, 150, 250, 350)은 4개 이상의 링부를 가질 수 있다.
본 명세서에서는 조절 링(50, 150, 250, 350)이 다수의 링부(60, 61, 62)를 갖고, 각 링부(60, 61, 62)가 대략 동일한 원주방향 치수를 갖는 것으로 설명되어 있지만, 조절 링(50, 150, 250, 350)은 이러한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 링부들 중 하나(예컨대, 제1 링부(60))는 조절 링(50, 150, 250, 350)을 형성하는데 사용되는 다른 링부보다도 크거나 작을 수 있다. 일부 실시형태에서, 각 링부(60, 61, 62)는 유일한 원주 치수를 가질 수 있다.
본 명세서에서는 조절 링(50, 150, 250, 350)이 321 스테인리스 스틸, GMR 235 합금강, 또는 이들의 조합으로 형성되는 것으로 설명되어 있지만, 이들 물질은 예시적인 것으로 조절 링(50, 150, 250, 350)은 이들 물질 또는 이들의 조합에 한정되지 않는다. 조절 링(50, 150, 250, 350)을 형성하기 위해 선택되는 물질은 특정의 적용의 요건에 따라 결정될 것이다.
본 명세서에서는 조절 링(50)이 베인 아암(36)의 누벽(38) 상에 제조되는 축방향 및 방사상 형상에 의해 구속되고 지지되는 것으로 설명되어 있지만, 조절 링은 이러한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 조절 링(50)은 터빈 하우징 또는 상부 베인 링(40)에 의해 스스로 구속되는 한 세트의 롤러(도시하지 않음)에 의해 방사상으로 지지되고 구속될 수 있다. 이러한 구성에서, 베인 아암(36)은 평탄하고 도시된 실시예의 누벽을 포함하지 않는다.
본 명세서에 기재된 양태들은, 그의 정신 또는 본질적인 특성으로부터 이탈하지 않고, 다른 형태 및 조합으로 구현될 수 있다. 따라서, 실시형태들은 단순한 예로서 주어지는 본 명세서에서 기재된 특정의 상세에 한정되지 않으며, 이하의 청구항의 범위 내에서 다양한 개변 및 변형이 가능하다는 것은, 물론 이해될 것이다.

Claims (13)

  1. 가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저(1)에서의 베인(30) 위치 조절을 용이하게 하도록 구성된 조절 링(50)으로서,
    제1 물질로 형성되는 제1 링부(60); 및
    제2 물질로 형성되는 제2 링부(61)를 포함하며,
    상기 제1 링부(60) 및 상기 제2 링부(61)는 단일의 환형 요소로 함께 조립되도록 구성되며,
    상기 제1 물질은 상기 제2 물질과는 다른 물질 특성을 갖는, 조절 링(50).
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 물질은 상기 제2 물질과는 다른 물질인, 조절 링(50).
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 물질은 제2 물질과는 다른 열처리가 실시되는, 조절 링(50).
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다도 높은 내마모성을 갖는, 조절 링(50).
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 링부(60)는 사용시 가장 많이 마모되는 단일의 환형 요소의 일부분에 대응하는, 조절 링(50).
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 링부(60)는 상기 제2 링부(61)에 고정되는, 조절 링(50).
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 링부(60)는 불규칙적인 프로파일을 갖는 제1 링 합치 에지(66)를 포함하고, 상기 제2 링부(61)는 불규칙적인 프로파일을 갖는 제2 링 감합 에지(68)을 포함하며, 상기 제1 링 감합 에지(66)의 상기 불규칙적인 프로파일은 상기 제2 링 감합 에지(68)의 상기 불규칙적인 프로파일과 감합하여 계합하도록 구성되는, 조절 링(50).
  8. 가변형 터빈 기하학적 형태 터보차저(1)에서의 베인(30) 위치 조절을 용이하게 하도록 구성된 환형 조절 링(50)을 제조하는 방법으로서,
    상기 조절 링(50)을 위한 절단 패턴을 제공하는 단계로서, 상기 절단 패턴이 섹터 패턴과 통합되며, 각 섹터 패턴이 상기 조절 링(50)의 링부(60, 61)에 대응하고, 상기 섹터 패턴이 상기 절단 패턴 내부에 배치되어 상기 섹터 패턴이 내장되는, 상기 절단 패턴을 제공하는 단계;
    상기 절단 패턴에 따라 원료 물질의 제1 시트를 절단하여 링부(60, 61)를 제공하는 단계; 및
    상기 링부(60, 61)를 함께 조립하여 적어도 하나의 환형 조절 링(50)을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 절단 단계는 파인 블랭킹을 포함하는, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 절단하는 단계는 원료 물질의 제2 시트로부터 적어도 하나의 개개 링부(60)를 절단하는 것을 포함하며, 상기 원료 물질의 제2 시트는 상기 원료 물질의 제1 시트와는 다른 물질 특성을 갖는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 원료 물질의 제1 시트는 상기 원료 물질의 제2 시트와는 다른 내마모성을 갖는, 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 링부(60, 61)를 조립하는 단계는 상기 원료 물질의 제1 시트로부터 형성된 적어도 하나의 링부(60)를 원료 물질의 제2 시트로부터 형성된 적어도 하나의 링부(61)와 조립하여 상기 환형 조절 링(50)을 형성하고, 상기 원료 물질의 제2 시트는 상기 원료 물질의 제1 시트와는 다른 물질 특성을 갖는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 원료 물질의 제2 시트는 상기 원료 물질의 제1 시트보다도 내마모성이 덜하며,
    상기 링부(60, 61)가 함께 조립되어 상기 조절 링(50)을 형성할 때, 상기 제1 링부(60)는 사용시 가장 많이 마모되는 상기 조절 링(50)의 일부분에 대응하는 위치에서 상기 조절 링(50) 내부에 배열되는, 방법.
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