KR20150056632A - 저널 베어링을 위한 단부면 오일 구성 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 윤활과 추력 사이의 균형을 개선하도록 설계된 축방향 단부면을 갖는, 예컨대 터보차저를 위한 저널 베어링에 관한 것이다. 저널 베어링 축방향 단부면은, 추력을 제공하면서도, 베어링과 인접한 면 사이에 윤활이 일어나도록 하기 전에 오일이 쉽게 빠져나가지 않도록 변형된다.

Description

저널 베어링을 위한 단부면 오일 구성{END FACE OIL CONFIGURATION FOR JOURNAL BEARINGS}

본 발명은 내연기관을 위한 터보차저, 특히, 윤활과 추력의 균형을 개선하도록 설계된 축방향 면을 가진 저널 베어링에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 샤프트가 축방향 하중을 겪을 때에도 오일의 유동을 감소시키고 신뢰성 있게 유지할 수 있는 저널 베어링을 제공한다.

내연기관의 성능을 증대시키기 위해 터보차저가 널리 이용된다. 고온의 배기가스가 터빈 로터를 구동하며, 이는 터보차저 샤프트를 통해 압축기 로터를 구동한다. 디젤 엔진의 경우에는 배기가스 터빈에서 약 740℃의 온도가 발생하고, 오토 사이클 엔진의 경우 약 1,000℃가 넘는 온도가 발생한다. 자동차의 터보차저는 매우 높은 회전 속도로, 때때로 200,000 RPM을 초과하여 작동한다. 이처럼 가혹한 조건에도 불구하고, 최근에는 200,000 마일 넘게 작동한 경우에 신뢰할 수 있는 작동을 하기 위한 엔진 구성요소들을 설계할 필요가 있다. 이는 베어링 장치의 적절한 윤활을 보장하는 것이 필수적임을 의미한다.

터보차저 샤프트는 저널 베어링에, 종종 베어링 스페이서에 의해 이격된 플로팅 베어링에 회전 지지된다. 두 개의 플로팅 저널 베어링을 이용하여 터보차저의 중요 마모 지점에 윤활 오일을 전달하기 위해, 오일이 일반적으로 높은 압력 하에서 저널 베어링의 상부에 전달되어, 반경방향 보어를 통해 내측 방향으로 샤프트와 저널 베어링의 내경 사이의 계면에 이동된다. 저널 베어링은 축방향 단부에서, 회전력 및 축방향 힘 둘 다를 수용해야 하는 베어링 표면을 가진다.

오일이 저널 베어링의 축방향 표면 상에서 방해 없이 흐르는 것이 중요하다. 그러나, 샤프트 및 샤프트-장착-부재들의 축방향 이동은, 인접한 부재들 사이의 공간을 감소시키고 오일의 순환을 제한할 수 있다. 오일 순환이 감소한 결과, 금속 표면 및/또는 오일의 온도가 올라감으로써 오일의 효과를 감소시키고 부품들 상의 마모를 증가시킬 수 있다. 이를 보상하기 위해, 터보차저의 베어링 하우징을 통한 오일의 유동을 증가시키는 것이 알려져 있다. 그러나, 저널 베어링 축방향 외측 표면에서 이러한 오일의 유동 증가는 피스톤 실과 바로 인접하게 될 것이고, 따라서 정확하게는 누출 가능성이 제일 큰 지점에 있게 되고, 베어링 하우징으로부터 터보차저의 터빈 또는 압축기 부분 내로 오일이 누출될 가능성을 증가시킨다. 터빈 하우징 내의 윤활 오일은 엔진으로부터 대기 중으로 배기 유동과 함께 직접적으로 배출될 것이다. 압축기 하우징으로 들어가는 윤활 오일은 엔진의 연소실 내로 투입되고, 여기서 적절하게 연소되지 않고 엔진에 의해 원치 않는 탄화수소 공해물질로서 배출될 것이다. 흔히 터보차저 엔진의 탄화수소 배출 중 절반 이상이 엔진 자체보다는 터보차저를 통한 오일 누출로 인한 것으로 여겨진다.

따라서, 한편으로는 터보차저의 더 긴 사용 수명을 달성하여 오일 유동이 증가되도록 할 필요가 있고, 다른 한편으로는 탄화수소 배출을 감소시킬 필요가 있으며, 이는 베어링 하우징을 통한 오일 유동이 최소화되어 터보차저의 터빈 또는 압축기 하우징으로 오일이 누출될 가능성이 감소됨을 나타낸다.

전체 유동 체적을 증가시키지 않으면서 베어링의 축방향 외측 단부면에서 양호한 윤화 오일 유동을 보장하기 위해, 저널 베어링 단부면 상에 반경방향으로 연장되는 쐐기 형상의 홈을 제공하여, "사용된" 오일이 샤프트로부터 반경방향 외측으로 유동하여 베어링 하우징의 배출 공동으로 빠져나가도록 하는 것이 제안된 바 있다. 예를 들어, 샤프트 장착 부재(예컨대 저널 베어링)의 양측 축방향 단부면 상에 반경방향으로 연장된 홈을 교시하는 Wollenweber의 미국 특허 제3,390,926호 및 제3,993,370호를 참조한다. 홈에는 베어링과 인접한 부재 사이에 축방향 힘을 발생시키기 위한 150° 각도의 "V"자 형상이 구비되며, 고압 하에 제공된 오일이 150° 홈과 함께 작용하여 추력 기능을 제공한다.

Ward의 미국 특허 제6,709,160호는, 저널 베어링의 축방향 단부면에 복수의 반경방향 홈이 제공되어 단부면에 걸쳐 윤활 오일의 반경반향 유동을 가능하게 하고, 그로 인해 저널 베어링과 베어링 하우징 상의 숄더 사이의 추력 표면을 윤활하는 것을 교시한다. 홈은 큰 추력 하중을 생성하지 않으면서 이를 통해 유체를 전달하도록 구성되어 있다.

본 발명자는 현재 이용 가능한 저널 베어링 단부면 설계를 검토하였고, 축방향 추력 하중을 일으키기 위해 단부면에 반경방향으로 연장된 쐐기형 홈이 구비된 저널 베어링에서, 이러한 홈들의 오일은 축방향 추력 하중을 효과적으로 일으키기보다는 원심력으로 인해 홈의 개방된 외측 단부로부터 펌핑되기가 더 쉽다는 것을 알아내었다. 본 발명자는, 추력 증가를 위해 복잡한 경사면 또는 패드가 구비된 단부면을 가진 저널 베어링에서도, 이들 저널 베어링에는 또한 사용된 오일이 빠져나가기 위한 반경방향 홈이 구비되며 따라서 동일한 문제가 발생하기 쉽다는 것에 주목하였다.

본 발명자는 윤활과 추력 하중의 균형이 개선된 저널 베어링이 필요하다고 여겼다.

그러므로, 본 발명의 주요 목적은, 베어링 하우징을 통한 오일 유동을 최소화하여 베어링 축방향 단부면의 탁월한 윤활을 가능하게 하고, 그로 인해 작동 시 신뢰성 및 내구성이 있는 터보차저를 제공하는 매우 효율적이고 정확하며 제어된 윤활 시스템을 특징으로 하는 터보차저 베어링 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 엔진 흡기 또는 배기 스트림으로 누출되는 오일의 양을 감소시킴으로써 엔진의 탄화수소 배출을 감소시키는 터보차저 베어링 조립체를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기의 목적들을 달성하면서도 설계가 단순하고 제조가 용이한 터보차저 베어링 조립체를 제공하는 데에 있다.

본 발명자는, 베어링과 인접한 면 사이에 윤활이 일어나도록 하기 전에 오일이 쉽게 빠져나가도록 하지 않는 구성을 제공하도록, 저널 베어링 축방향 단부면을 재설계하였다.

이는 기능 면에서 구별되는 두 개의 특징부를 구비한 저널 베어링의 축방향 단부면을 제공함으로써 달성된다. 추력 면은 대략 편평하다. 그러나, 반경방향 내측 영역에서, 리세스형 특징부가 제공되어 가압 오일막을 생성한다. 이들 특징부의 반경반향 외측으로, 편평한 면은 연속적인 편평한 면이다(즉, 오일의 반경방향 통로에 대해 홈 또는 다른 특징부가 없다). 그로 인해, 외측 영역은, 반경방향 내측 영역에서 압력 하에 오일 저장소를 구성하는 것을 돕는 유체 역학적 "댐"으로서 기능한다. 이러한 설계는 모든 조건 하에서 개선된 유동을 제공한다. "댐"은 단순히 추력 하중이 증가된 경우 오일이 반경방향 홈으로부터 흘러나가지 않도록 보장하는 것이 아니라, 오일이 반경방향 내측 영역 내에 남아 있음으로써 내측 영역의 추력 하중 기능을 보장하도록 한다.

이러한 독창적인 저널 베어링 단부면의 설계로, 제한된 오일 유동에 대한 우려로 인해 오일 유동을 증가시킬 필요가 없어진다. 오히려, 전체적인 터보차저 오일 유동 속도를 감소시킴에 따라, 플로팅 회전 저널 베어링 단부면에서 축방향 하중 하에 부적절한 오일 유동에 대한 우려 없이 배출을 감소시킬 수 있게 된다.

첨부 도면을 참조하여 본 발명을 예시적, 비제한적으로 설명하기로 하며, 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 독창적인 저널 베어링 단부면의 제1 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 저널 베어링의 단부면의 제2 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 저널 베어링의 단부면의 제3 실시예를 도시한다.

본 발명에 따른 단부면을 가진 저널 베어링은, 특히 축방향 추력의 조건 하에서 오일 유동을 보장하는 점에서 개선되지만, 통상의 저널 베어링을 독창적인 저널 베어링으로 대체하는 것 외에 터보차저의 변형을 필요로 하지 않는다. 저널 베어링은, 두 개의 저널 베어링이 베어링 스페이서에 의해 분리된, 3-부분 설계를 가진 "플로팅" 저널 베어링일 수 있으며, 또는 일체형 설계 또는 3-부분 설계의 "핀-고정(pinned)" 저널 베어링일 수 있다. 따라서, 터보차저의 작동, 특히 저널 베어링의 작동에 대해 여기에서 설명할 필요는 없다. 예컨대 "플로팅" 베어링에 대해서는 미국 특허 제6,709,160호, "핀-고정" 베어링에 대해서는 미국 특허 제6,017,184호에서의 개시를 참조할 수 있다.

도면에 도시된 3개의 저널 베어링은 각각 반경방향 외측 영역 및 반경방향 내측 영역을 가진 축방향 단부면(1)을 구비한다. 이들 영역은 상이한 기능을 가지며, 이에 따라 상이한 특성의 설계 특징부들을 가진다.

반경방향 내측 영역에는, 저널 베어링 평면형 단부면과 고정면(예컨대 베어링 하우징) 또는 회전면(예컨대 터보차저 샤프트의 숄더)일 수 있는 반대측 추력 표면 사이에서 가압 오일막을 생성하도록 설계된 리세스형 특징부(2a, 2b, 3c)가 구비된다.

반경방향 외측 영역은, 오일의 통과를 차단하기 위해 제공된 연속적인 편평한 면을 포함하며, 그로 인해 반경방향 내측 영역에서 충분한 오일 체적 및 오일 압력을 보장하여, 회전 조립체에 의해 축방향 추력이 발생하는 조건 하에서도, 저널 베어링 단부면과 인접한 추력 표면 사이에서 윤활이 발생할 수 있게 하고, 금속-금속 접촉을 방지한다.

그로 인해, 외측 영역은 내측 영역에서 오일 압력의 손실을 막는 것을 돕는

데에 적합한 불완전 또는 "유사" 실로서 기능한다. 회전 조립체(터보차저 샤프트, 압축기 휠 및 터빈 휠을 포함)가 이러한 단부면에 (예컨대 갑작스러운 가속 중) 증가된 축방향 하중을 가하는 경우, 축방향 압력이 샤프트로 하여금 축방향으로 이동하게 하여, "실 간극"을 감소시킨다. 본 발명에 따른 외측 영역에서 배출 루트의 부재로 인해 오일이 반경방향 외측으로 빠져나가는 것을 막게 되면, 내측 영역에서 오일 체적 및 압력이 증가되고, 내측 영역의 추력 하중 기능이 개선되며, 그 결과 증가된 압력 하에서 실 간극 공간이 회복되고 이는 증가된 축방향 추력으로 변환되어, 회전 조립체에 의해 증가된 축방향 하중을 충족시킨다.

베어링의 단부면에서 추력 표면들은 다양한 유형일 수 있으며, 예를 들어, 베어링 단부면은 내측 영역에서 바람직하게는 V자형 단면의 반경방향 홈을 가질 수 있고, 각각의 홈의 측면들을 대략 150°의 끼인각을 형성한다. 본 발명에 따르면, 반경방향 홈은 반경방향 외측 영역에 걸쳐 연장되지 않으며, 오일이 방해 받지 않고 빠져나갈 기회를 제공하지 않는다.

도 1은 예컨대 둥근 절삭 공구의 축방향 이동 또는 드릴의 반경방향 이동에 의해 생성된 바와 같은 리세스형 추력-증가 영역(2a)을 보여준다. 이러한 방식으로 제조된 저널 베어링은, 가공된 영역이 축방향 단부의 내경에만 교차하고 외경과 교차하지 않는 한, ?蹈奮? 저널 베어링을 기계가공함으로써 간단히 제조될 수 있다.

도 2는 추력-증가 영역(2b)을 보여주며, 이 때 재료는 밀링 또는 기계가공에 의해 제거되지만, 도 1에서와 같이 보어의 축에 평행하게 공구를 이동시켜 생성되기 보다는 보어의 축에 비스듬하게 외측으로 공구를 이동시킨다.

도 3은 저널 베어링의 중심축에 수직으로 놓인 평면에 대해 비스듬하게 절삭 공구를 기울임으로써 생성된 쐐기 형상의 리세스형 경사면을 보여준다.

예시된 실시예에서, 저널 베어링의 외주의 중앙 함몰 영역(3)에 (예컨대, 내연기관의 윤활 시스템으로부터) 압력 하에 오일이 전달되며, 반경방향 보어(4)를 통해 저널 베어링의 내경(5)으로 이동한다. 이러한 오일은 샤프트와 저널 베어링 보어 사이의 간극을 따라 이동하여 저널 베어링의 축방향 단부에 도달하며, 이러한 지점에서 구심력에 의해 대략 반경방향 외측으로 회전한다. 선택적으로, 베어링의 단부 상에서 추력 표면에 대한 오일 공급을 더욱 증가시키기를 원하는 경우, 각각의 저널 베어링에는, 가압 오일을 전달하는 반경방향 보어(4)와 연통되고, 예컨대 단부면의 내측 영역에 제공된 리세스형 특징부(2a, 2b, 2c) 중 하나 이상으로 오일을 공급하는 하나 이상의 축방향 보어가 구비될 수 있다. 따라서, 저온의 오일이 모든 추력 표면에 직접적으로 공급된다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 축방향 단부면의 연속적인 외측 평면형 특징부의 오일-유동-제어 기능에 의해 충분한 오일이 보장되므로, 이러한 추가의 축방향 유동 채널은 필요하지 않다.

추가의 대안적 구성으로서, 추력-베어링 표면에 오일을 운반하기 위해 베어링의 내측 저널 표면에 홈이 구비될 수 있지만, 이 또한 필요하지 않으며, 본 발명의 목적은 오일 유동이 감소된 연속적인 윤활을 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 저널 베어링 단부면에는 챔퍼, 즉 저널 베어링 보어 또는 내부 표면과 축방향 단부면의 교차점에서의 내측 챔퍼(6), 및 저널 베어링 외부 표면과 축방향 단부면의 교차점에서의 외측 챔퍼(7)가 구비된다. 챔퍼들은 저널 베어링의 하나의 축방향 단부에만 구비되거나, 또는 내측 단부 및 외측 단부 둘 다에 구비될 수 있다. 챔퍼들은 샤프트 상에 그리고 보어 내에 저널 베어링을 조립하는 것을 용이하게 할 뿐 아니라, 윤활 오일의 유동을 촉진한다.

바람직하게, 저널 베어링의 양 축방향 단부에 동일한 특징부가 구비됨에 따라, 터보차저의 수동 조립 중 저널 베어링 "반대로 장착"될 수가 없다. 따라서, 이러한 저널 베어링은 현대의 터보차저의 높은 생산율 제조 기준에 적합하다.

본 발명의 저널 베어링은 효율적이고 효과적이므로, 오일 유동이 감소될 수 있고, 그로 인해 매우 긴 사용 수명을 가지면서 또한 이들 목적을 달성하는 데 필요한 윤활량을 감소시킬 수 있는 터보차저를 제조하며, 따라서 터보차저로 인한 탄화수소 배출량을 상당히 감소시킨다.

저널 베어링의 내경 및 외경은 원형, 즉 관형일 수 있으며, 랜드들을 구비할 수 있다.

도면들에 도시된 저널 베어링은, 일반적으로 베어링 스페이서에 의해 분리된 두 개의 저널 베어링을 포함하는 시스템의 하나의 저널 베어링일 수 있지만, 구체적으로 본 발명의 저널 베어링은 샤프트의 압축기 단부 및 터빈 단부 둘 다를 지지하는 일체형 저널 베어링일 수 있다. 베어링은 자유 플로팅 상태이거나 또는 "핀-고정"됨에 따라 반-플로팅 상태일 수 있다.

본 발명의 사상 및 범주에서 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 다양한 변형 및 변경이 가해질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 예시된 실시예들은 예시의 목적으로만 제시된 것이며 이하의 청구범위에 정의된 것과 같이 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 저널 베어링은 일체형이거나 또는 3-부분으로 이루어질 수 있다. 저널 베어링은 "핀-고정"되거나 또는 자유 플로팅 상태일 수 있다.

Claims (6)

1. 적어도 하나의 축방향 단부면을 포함하는, 회전 샤프트를 위한 저널 베어링에 있어서,
   상기 단부면은:
   편평한 표면; 및
   상기 축방향 단부면에서 추력을 증가시키도록 이루어진 하나 이상의 리세스형 추력-생성 특징부를 포함하며,
   상기 편평한 표면은 상기 하나 이상의 리세스형 추력-생성 특징부의 반경방향 외측으로 연속적인 환형 표면을 제공하는, 저널 베어링.
2. 제1항에 있어서,
   상기 편평한 축방향 단부면의 외경은 원형인, 저널 베어링.
3. 제1항에 있어서,
   추력 하중을 생성하기 위한 비-평면형 특징부는 경사면 특징부를 포함하는, 저널 베어링.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단부면은 추력 하중을 생성하기 위한 두 개 이상의 비-평면형 특징부를 포함하는, 저널 베어링.
5. 제1항에 있어서,
   상기 저널 베어링은 베어링 하우징 보어에 수용되도록 구성된 외측 표면을 포함하며, 상기 저널 베어링은 상기 외측 표면 상에 중앙 함몰 영역(3)을 포함하고, 중앙 함몰 영역(3)과 저널 내경 사이에 반경방향 보어(4)를 더 포함하는, 저널 베어링.
6. 제5항에 있어서,
   반경방향 보어(4) 및 리세스형 특징부(2a, 2b, 2c) 중 하나 이상과 연통되는 하나 이상의 축방향 보어를 더 포함하는 저널 베어링.

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