KR20220046262A - 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브 - Google Patents

차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브 Download PDF

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KR20220046262A
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wave washer
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turbocharger
vehicle
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KR1020200129465A
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강진산
이종원
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현대위아 주식회사
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Abstract

장축과 단축을 구비한 타원의 링 형상이고, 내부에 스핀들이 관통하는 관통홀이 형성되며, 단축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들과 접촉되고, 장축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들과 이격될 수 있는 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브가 소개된다.

Description

차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브 {WAVE WASHER AND WASTEGATE VALVE FOR TURBOCHARGER OF VEHICLE}
본 발명은 용접 결합시 열변형이 방지되고, 웨이스트게이트의 작동시 발생되는 비정상적인 마모와 소음 및 진동을 저감할 수 있는 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브에 관한 것이다.
차량의 터보차저의 경우, 고온 고압의 배기가스가 터빈으로 유입되어 터빈 휠을 구동하면 샤프트를 통해 컴프레서 휠을 구동한다. 컴프레서 휠은 엔진의 연소에 사용되는 흡기를 압축한다. 컴프레서 휠이 고속 회전하여 압축된 공기는 인터쿨러를 지나 연소실로 과급된다.
이때 흡기 과급 압력의 과대 방지를 위해 배기가스를 바이패스시켜 터빈의 일량을 조정하는 것이 웨이스트 게이트 밸브이다. 이로 인해, 저속 영역에서는 토크의 부족을 경감하고, 저중속 영역에서는 성능을 개선하며, 고속 영역에서는 펌핑 로스를 감소시킨다.
이러한 웨이스트 게이트 밸브를 개폐하기 위해 밸브 액추에이터는 구동력을 로드를 통해 웨이스트 게이트 밸브로 전달한다.
웨이스트 게이트 터보차저는 주로 가솔린 엔진에 적용되므로 높은 정숙성이 요구되어 부품 간 간극에 의한 래틀 소음을 저감하기 위해 로드와 웨이스트 게이트 밸브의 조립부 사이에 스프링 와셔 부재를 추가한다. 하지만 이 스프링 와셔 부재로 인해 부품 간 마찰이 증대되어 마찰 소음이 발생하기도 한다.
종래에는 웨이브가 복수인 웨이브 와셔가 제안되어 와셔의 역할과 스프링의 역할을 동시에 수행하도록 제안되었다. 그러나 웨이브가 3개 이상인 경우에는 스핀들 기울어짐에 대한 자유도를 제한한다. 이로 인해 부품 간 끼임, 마찰이 증대되어 소음 등의 문제가 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2018-151050 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 용접 결합시 열변형이 방지되고, 웨이스트게이트의 작동시 발생되는 비정상적인 마모와 소음 및 진동을 저감할 수 있는 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브를 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔는, 터보차저 웨이스트게이트밸브의 스핀들을 감싸며 스핀들에 결합되는 터빈레버를 지지하는 차량 터보차저의 웨이브와셔로서, 장축과 단축을 구비한 타원의 링 형상이고, 내부에 스핀들이 관통하는 관통홀이 형성되며, 단축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들과 접촉되고, 장축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들과 이격될 수 있다.
단축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들의 일부를 감싸는 형상일 수 있다.
단축에 해당하는 지점을 기준으로 양측 내측에는 스핀들을 향해 돌출된 내측돌출부가 형성되고, 스핀들의 일부 구간은 양측에 위치된 내측돌출부에 의해 감싸질 수 있다.
단축에 해당하는 지점과 장축에 해당하는 지점의 사이에는 절곡부가 형성될 수 있다.
단축에 해당하는 지점을 기준으로 장축에 해당하는 지점이 높게 위치되어 전체적으로 2개의 파형이 형성된 링 형상일 수 있다.
단축에 해당하는 지점과 장축에 해당하는 지점에는 평면 향상인 평탄부가 형성될 수 있다.
평탄부는 4개가 형성되며, 복수의 평탄부는 절곡부를 통하여 연결된 형상일 수 있다.
본 발명의 차량 터보차저의 웨이스트게이트밸브는, 로드를 통하여 회전력을 전달받는 터빈레버; 밸브바디에 회전력을 전달하고, 상단이 터빈레버에 삽입된 스핀들; 및 스핀들을 감싸며 장축과 단축을 구비한 타원의 링 형상이며, 단축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들과 접촉되고, 장축에 해당하는 지점은 스핀들과 이격되며 단축에 해당하는 지점보다 상승되어 터빈레버를 지지하는 웨이브와셔;를 포함한다.
본 발명의 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브에 따르면, 용접 결합시 열변형이 방지되고, 웨이스트게이트의 작동시 발생되는 비정상적인 마모와 소음 및 진동을 저감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브를 확대한 도면.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔의 반 가공 상태를 나타낸 도면.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브를 확대한 도면이며, 도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔의 반 가공 상태를 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브를 나타낸 도면으로서, 차량의 터보차저는 터빈(T)과 압축기(C)로 구성된다. 터빈(T)에서는 배기가스를 통하여 임펠러를 회전시키고, 그 회전력을 샤프트로 전달하여 압축기(C)를 구동함으로써 흡기를 압축하여 엔진에 과급을 부여하는 것이다.
터보차저의 경우, 터빈(T)은 배기가스를 압축하는데, 과급이 많이 필요하지 않을 경우에는 배기가스를 일부 바이패스시킴으로써 과급되는 흡기의 양과 압력을 조절하게 된다. 따라서 터빈(T)에는 웨이스트게이트밸브(W)를 설치하여 배기가스 중 바이패스되는 양을 조절하도록 한다.
웨이스트게이트밸브(W)를 오픈할 경우에는 대부분의 배기가스가 터빈(T)의 외측으로 바이패스하여 압축기(C)에 전달되는 동력이 줄어들고 결과적으로 과급량이 줄어들며, 웨이스트게이트밸브(W)를 클로징할 경우에는 모든 배기가스가 터빈(T)을 통과함으로써 압축기(C)에서 과급되는 흡기의 양과 압력이 증대되도록 한다.
웨이스트게이트밸브(W)는 압축기(C)측의 액추에이터의 회전력을 로드(300)를 통하여 전달받아 밸브바디(W10)가 회전됨으로써 개방과 닫힘 동작을 수행한다.
압축기(C)측에 설치된 액추에이터는 일반적으로 모터 등을 사용하며, 액추에이터의 회전력이 로드(300)의 캠 모션을 일으킨다. 로드(300)의 캠 모션에 의해 터빈레버(320)가 회전되고, 터빈레버(320)의 회전에 의해 스핀들(W30)이 회전하며, 스핀들(W30)의 회전에 따라 밸브바디(W10)가 회동하며 바이패스 통로를 개폐하도록 하는 것이다.
따라서 터보차저의 웨이스트게이트밸브(W)는 구동을 위해 여러 가지의 부품들이 동력을 전달하는 구조이며, 동력의 전달 경로가 복수의 링크를 통해 전달되는 원리로 볼 수 있다. 따라서 각각의 동력전달경로마다 불균형적인 하중의 전달이 발생되고, 그에 따라 소음과 진동 및 마모가 발생된다.
특히 터빈레버(320)의 경우 회전이 입력되는 지점과 출력되는 지점이 이격되어 있고 상하 위치의 차이도 다소 있어 스핀들(W30)에 정확한 방향의 회전력뿐만 아니라 편심력도 일부 전달하게 된다. 따라서 터빈레버(320)의 경우 스프링력을 구비한 웨이브와셔(100)를 통하여 지지함으로써 터빈레버(320)에서 인가되는 편심력을 상쇄시키고, 스핀들(W30)이 편심력을 받지 않고 순수하게 회전력만을 전달받도록 함이 필요하다.
본 발명의 경우 이러한 웨이브와셔에 관한 것이다. 본 발명에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔(100)는, 터보차저 웨이스트게이트밸브(W)의 스핀들(W30)을 감싸며 스핀들(W30)에 결합되는 터빈레버(320)를 지지하는 차량 터보차저의 웨이브와셔(100)로서, 장축(L)과 단축(S)을 구비한 타원의 링 형상이고, 내부에 스핀들(W30)이 관통하는 관통홀(H)이 형성되며, 단축에 해당하는 지점(120)의 내측은 스핀들(W30)과 접촉되고, 장축에 해당하는 지점(140)의 내측은 스핀들(W30)과 이격될 수 있다.
구체적인 웨이브와셔(100)의 형상은 도 4 내지 5에 나타나 있다. 웨이브와셔(100)는 터보차저 웨이스트게이트밸브(W)의 스핀들(W30)을 감싸며 스핀들(W30)에 결합되는 터빈레버(320)를 지지하는 것이다. 그에 따라 터빈레버(320)의 회전시 발생되는 편심을 상쇄하고, 스핀들(W30)이 편심력 없이 정 위치에서 올바르게 회전함으로써 스핀들(W30)과 부시(W50) 등의 이상 마모를 저감한다.
한편, 웨이브와셔(100)는 장축(L)과 단축(S)을 구비한 타원의 링 형상이고, 내부에 스핀들(W30)이 관통하는 관통홀(H)이 형성된다. 도시된 바와 같이 스핀들(W30)의 상단은 웨이브와셔(100)의 중앙에 형성된 관통홀(H)을 관통한 후 터빈레버(320)와 결합된다. 스핀들(W30)은 터빈레버(320)와 용접(P) 등을 통하여 결합됨으로써 터빈레버(320)가 스핀들(W30) 중심축을 기준으로 한 회전시 스핀들(W30) 역시 함께 회전되는 것이다.
그러나 터빈레버(320)와 스핀들(W30)의 용접(P)시에는 용접(P)에 의해 열로 인하여 그 사이에 끼워진 웨이브와셔(100)가 열변형되는 문제가 있었다. 특히 열전달은 터빈레버(320)를 통하여 터빈레버(320)와 접촉된 웨이브와셔(100)의 부분에 영향을 미친다. 본 발명의 경우에도 웨이브와셔(100)의 상승되는 지점이 터빈레버(320)에 접촉되어 터빈레버(320)를 지지하는바, 해당 지점에서 용접(P)에 의한 영향을 받는다. 따라서 본 발명의 경우 터빈레버(320)와 접촉되는 즉, 웨이브와셔(100)의 상승되는 지점의 내경을 좀 더 확장하여 타원의 장축이 되도록 함으로써 용접 지점으로부터 멀어지도록 하여 용접열로부터 영향을 덜 받도록 하는 것이다.
따라서 본 발명의 경우 웨이브와셔(100)가 타원의 형상으로 형성되고, 타원 형상의 장축이 위치하는 지점(140)에서 웨이브의 상승이 이루어져 도 3과 같이 터빈레버(320)를 지지하도록 함이 바람직하다. 웨이브와셔(100)가 열변형이 발생될 경우에는 터빈레버(320)의 편심을 저지하지 못하고, 그 편심력이 스핀들(W30)에도 전달되어 스핀들(W30)과 부시(W50)의 마모, 소음, 진동을 유발하게 되는바, 본 발명은 그러한 문제를 해결할 수 있다.
한편, 본 발명의 웨이브와셔(100)는 단축에 해당하는 지점(120)의 내측은 스핀들(W30)과 접촉되고, 장축에 해당하는 지점(140)의 내측은 스핀들(W30)과 이격될 수 있다. 즉, 도 4와 같이 웨이브와셔(100)는 타원의 링 형상이고, 그에 따라 단축에 해당하는 지점(120)과 장축에 해당하는 지점(140)을 구비한다. 그리고 웨이브와셔(100)의 중앙에 삽입되는 스핀들(W30)의 경우 웨이브와셔(100)의 단축에 해당하는 지점(120)에 끼이도록 결합됨으로써 웨이브와셔(100)의 장축에 해당하는 지점(140)과 스핀들(W30)은 이격이 된다.
특히 웨이브와셔(100)의 단축에 해당하는 지점(120)의 내측은 스핀들(W30)의 일부를 감싸는 형상일 수 있다. 그에 따라 웨이브와셔(100)의 조립시 작업자가 손쉽게 웨이브와셔(100)의 조립이 가능하고, 웨이브와셔(100)가 좌우 균형적으로 장착이 가능하다. 즉, 웨이브와셔(100)의 타원의 중심과 스핀들(W30)의 중심이 정확히 일치된 상태로 조립이 가능한 것이다.
그리고 웨이브와셔(100)가 스핀들(W30)에 끼워진 상태에서 터빈레버(320)가 스핀들(W30)에 끼워지고, 스핀들(W30)과 터빈레버(320)가 용접(P)된다.
한편, 웨이브와셔(100)의 단축에 해당하는 지점(120)을 기준으로 양측 내측에는 스핀들(W30)을 향해 돌출된 내측돌출부(130)가 형성되고, 스핀들(W30)의 일부 구간은 양측에 위치된 내측돌출부(130)에 의해 감싸질 수 있다. 따라서 웨이브와셔(100)와 스핀들(W30)의 조립이 정위치에 이루어질 수 있으며, 스핀들(W30)의 회전시에도 웨이브와셔(100)는 정위치를 안정적으로 유지하며 터빈레버(320)에 지지력을 정확히 부여한다.
그리고 웨이브와셔(100)의 단축에 해당하는 지점(120)과 장축에 해당하는 지점(140)의 사이에는 절곡부(135)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 웨이브와셔의 단축(S)에 해당하는 지점을 기준으로 장축에 해당하는 지점(140)이 높게 위치되어 전체적으로 2개의 파형이 형성된 링 형상일 수 있다.
즉, 웨이브와셔(100)는 타원의 형상이며, 장축에 해당하는 지점(140)들을 통하여 상방에 위치된 터빈레버(320)를 탄성으로 지지하도록 한다. 그에 따라 터빈레버(320)의 회전시 터빈레버(320)가 편심력을 받을 경우에도 그 편심력을 스프링의 지지력으로 상쇄하도록 한다.
한편, 웨이브와셔(100)의 단축에 해당하는 지점(120)과 장축에 해당하는 지점(140)에는 각각 평면 향상인 평탄부(120,140)가 형성될 수 있다. 따라서 웨이브와셔(100)의 평탄부(120,140)는 총 4개가 형성되며, 복수의 평탄부(120,140)는 절곡부(135)를 통하여 연결된 형상일 수 있다.
웨이브와셔(100)에는 이러한 평탄부(120,140)가 형성됨으로써 마주하는 지지 부품들과 선접촉이 아닌 면접촉이 된 상태에서 슬립을 하기 때문에 터빈레버(320)를 지지하는 지지력이 안정적으로 구현될 수 있게 된다. 그리고 웨이브와셔(100) 자체도 기울어짐 없이 안정적인 회전을 유지할 수 있게 되어 스핀들(W30)에 과도하게 편심력을 제공하지 않고, 그에 따라 웨이브와셔(100)의 이상 마모 현상이 저감된다.
한편, 이러한 형상을 통하여 웨이브와셔(100)는 전체적으로 180도 간격으로 즉, 2 개의 파동을 갖는 형상인바, 필요한 정도의 편심 움직임은 허용이 된다. 웨이브와셔(100)가 120도 간격으로 3개의 파동을 갖게 될 경우에는 웨이브와셔(100)가 너무 구속되기 때문에 오히려 터빈레버(320)와 스핀들(W30) 사이의 간격에 대한 흡수가 어렵고 그에 따라 스핀들(W30)이 역으로 이상 마모가 발생되는 것이다. 따라서 웨이브와셔(100)를 2개의 파동을 갖도록 함으로써 터빈레버(320)와 스핀들(W30) 사이의 간격을 적절히 흡수하며 동시에 터빈레버(320)에 지지력을 부가하여 스핀들(W30)에 편심력이 전달되지 않도록 한다.
한편, 본 발명의 차량 터보차저의 웨이스트게이트밸브(W)는, 로드(300)를 통하여 회전력을 전달받는 터빈레버(320); 밸브바디(W10)에 회전력을 전달하고, 상단이 터빈레버(320)에 삽입된 스핀들(W30); 및 스핀들(W30)을 감싸며 장축(L)과 단축(S)을 구비한 타원의 링 형상이며, 터빈레버(320)를 지지하고, 단축에 해당하는 지점(120)의 내측은 스핀들(W30)과 접촉되고, 장축에 해당하는 지점(140)의 내측은 스핀들(W30)과 이격된 웨이브와셔(100);를 포함하고, 터빈레버(320)와 스핀들(W30)은 웨이브와셔(100)의 장축에 해당하는 지점(140)에 대응되는 위치에서 상호 용접(P)을 통해 결합될 수 있다.
따라서 터빈레버(320)와 스핀들(W30)을 용접(P)하더라도 웨이브와셔(100)는 용접 지점(P)에서 물리적으로 이격됨으로써 열변형이 발생되지 않고, 본래의 형상을 유지할 수 있게 된다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 터보차저의 웨이브와셔의 반 가공 상태를 나타낸 도면이다. 본 발명의 웨이브와셔(100)의 경우 프로그레시브 방식의 프레스 공법을 통하여 제조할 수 있다. 이 경우 먼저 판재에서 관통홀(H)을 가공하고, 외측을 일부 커팅하게 된다. 그 상태에서 도 6과 같이 외측에 일부 돌출부가 남아 있게 된다. 외측의 일부 돌출부(150)가 남은 상태에서 이 부분을 지깅하고 웨이브와셔의 형상을 성형한 후 외측 돌출부(150)를 커팅하여 도 5의 웨이브와셔를 최종적으로 성형하는 것이다. 또는 외측 돌출부(150)는 제거하지 않고 남겨두어 본 발명의 웨이브와셔로서의 역할을 수행하도록 하는 것도 가능하다.
본 발명의 차량 터보차저의 웨이브와셔 및 웨이스트게이트밸브에 따르면, 용접 결합시 열변형이 방지되고, 웨이스트게이트의 작동시 발생되는 비정상적인 마모와 소음 및 진동을 저감할 수 있게 된다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 웨이브와셔 320 : 터빈레버
W : 웨이스트게이트밸브

Claims (8)

  1. 터보차저 웨이스트게이트밸브의 스핀들을 감싸며 스핀들에 결합되는 터빈레버를 지지하는 차량 터보차저의 웨이브와셔로서,
    장축과 단축을 구비한 타원의 링 형상이고, 내부에 스핀들이 관통하는 관통홀이 형성되며, 단축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들과 접촉되고, 장축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들과 이격된 것을 특징으로 하는 차량 터보차저의 웨이브와셔.
  2. 청구항 1에 있어서,
    단축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들의 일부를 감싸는 형상인 것을 특징으로 하는 차량 터보차저의 웨이브와셔.
  3. 청구항 1에 있어서,
    단축에 해당하는 지점을 기준으로 양측 내측에는 스핀들을 향해 돌출된 내측돌출부가 형성되고, 스핀들의 일부 구간은 양측에 위치된 내측돌출부에 의해 감싸지는 것을 특징으로 하는 차량 터보차저의 웨이브와셔.
  4. 청구항 1에 있어서,
    단축에 해당하는 지점과 장축에 해당하는 지점의 사이에는 절곡부가 형성된 것을 특징으로 하는 차량 터보차저의 웨이브와셔.
  5. 청구항 1에 있어서,
    단축에 해당하는 지점을 기준으로 장축에 해당하는 지점이 높게 위치되어 전체적으로 2개의 파형이 형성된 링 형상인 것을 특징으로 하는 차량 터보차저의 웨이브와셔.
  6. 청구항 1에 있어서,
    단축에 해당하는 지점과 장축에 해당하는 지점에는 평면 향상인 평탄부가 형성된 것을 특징으로 하는 차량 터보차저의 웨이브와셔.
  7. 청구항 6에 있어서,
    평탄부는 4개가 형성되며, 복수의 평탄부는 절곡부를 통하여 연결된 형상인 것을 특징으로 하는 차량 터보차저의 웨이브와셔.
  8. 로드를 통하여 회전력을 전달받는 터빈레버;
    밸브바디에 회전력을 전달하고, 상단이 터빈레버에 삽입된 스핀들; 및
    스핀들을 감싸며 장축과 단축을 구비한 타원의 링 형상이며, 단축에 해당하는 지점의 내측은 스핀들과 접촉되고, 장축에 해당하는 지점은 스핀들과 이격되며 단축에 해당하는 지점보다 상승되어 터빈레버를 지지하는 웨이브와셔;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 터보차저의 웨이스트게이트밸브.
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