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KR101657590B1 - 센터링 장치를 이용한 터보차저 코어 불균형 감소 방법 - Google Patents

센터링 장치를 이용한 터보차저 코어 불균형 감소 방법 Download PDF

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KR101657590B1
KR101657590B1 KR1020167017800A KR20167017800A KR101657590B1 KR 101657590 B1 KR101657590 B1 KR 101657590B1 KR 1020167017800 A KR1020167017800 A KR 1020167017800A KR 20167017800 A KR20167017800 A KR 20167017800A KR 101657590 B1 KR101657590 B1 KR 101657590B1
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compressor
wheel
nut
compressor wheel
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토마스 리셔
데니 킹
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보르그워너 인코퍼레이티드
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Publication date
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Abstract

터보차저는 굉장히 높은 속도로 작동하므로, 회전 코어의 균형이 터보차저의 수명에 있어 굉장히 중요하다. 특정 절두원추형 또는 절두구형 센터링 기하형상이 압축기 너트 및 압축기 휠의 노우즈의 계면에 추가되어, 휠, 너트 및 스터브 샤프트가 계속 터보차저 축 상에 센터링되는 것을 용이하게 하여 코어 불균형 정도를 감소시킨다.

Description

센터링 장치를 이용한 터보차저 코어 불균형 감소 방법{REDUCTION OF TURBOCHARGER CORE UNBALANCE WITH CENTERING DEVICE}
본 발명은 개선된 코어 균형 처리의 필요성을 검토하고, 특정 센터링 기하학적 계면을 설계함으로써 이를 달성한다.
터보차저는 일종의 과급 시스템(forced induction system)이다. 터보차저는 정상 급기 구성에서 있을 수 있는 밀도보다 더 큰 밀도로 공기를 엔진 흡기구에 전달하고, 더 많은 연료를 연소되게 하며, 그에 따라 엔진 중량을 현저히 증가시킴 없이 엔진 마력을 부스팅한다. 이는 더 작은 터보차지된 엔진의 사용을 가능하게 할 수 있고, 더 큰 물리적 크기의 정상 흡기 엔진을 대체하여 차량의 공기역학적 전면 면적 및 질량을 감소시킨다.
터보차저(도 1 및 도 2)는 배기 유동을 이용하는데, 상기 유동은 엔진 배기 매니폴드로부터 터빈 하우징(2)에 유입되어, 터빈 하우징 내에 위치하는 터빈 휠(51)을 구동시킨다. 터빈 휠은 샤프트의 터빈 단부에 견고하게 부착되어 샤프트/휠 조립체(50)를 구성한다. 압축기 휠(20)은 "스터브 샤프트(56)"로 참조되는 나사산 샤프트의 타 단에 장착되고, 압축기 너트(30)의 클램프 하중에 의해 적소에 고정된다. 터빈 휠의 주요 기능은 회전력을 제공하여 압축기를 구동시키는 것이다.
압축기단은 휠(20)과 그 하우징(10)으로 구성된다. 여과된 공기는 압축기 휠(20)의 회전에 의해 압축기 커버의 입구에 축방향으로 유입된다. 터빈단에 의해 샤프트와 휠로 발생된 동력은 압축기 휠을 구동시켜 정압 및 일부 잔여 운동 에너지와 열의 조합을 발생시킨다. 가압된 기체는 압축기 배출구를 통해 압축기 커버를 빠져나가고, 통상 인터쿨러를 경유하여 엔진 흡기구에 전달된다.
압축기단 성능의 일 양상에서, 압축기단의 효율은 압축기 휠 형상(28) 및 압축기 커버의 상응하는 형상(13) 사이의 간극에 의해 영향을 받는다. 압축기 휠 형상이 압축기 커버 형상에 더 근접할 수록, 압축기단의 효율이 더 높아진다. 76㎜의 압축기 휠을 가진 통상의 압축기단에서, 선단 간극은 0.31㎜ 내지 0.38㎜의 범위에 존재한다. 휠이 커버에 더 근접할 수록, 압축기 휠의 마찰 가능성이 더 높아지므로, 효율성 개선과 내구성 개선 사이에 절충이 이루어져야 한다.
압축기단의 휠들은 터보차저의 기하학적 축을 중심으로 회전하는게 아니라, 도 3에 도시된 바와 같이 대략 기하학적 중심의 주위에 궤도를 그린다. "기하학적 중심(35)"은 터보차저의 기하학적 축이다. 데이터가 터보차저의 원통형 너트로부터 획득되는 압축기 단부는 일련의 궤도들(81)을 그리며, 이들은 로터군의 샤프트 모션을 측정할 목적으로 더 큰 궤도(83)로 그룹핑된다.
샤프트에 의해 수행된 동적 행정(dynamic excursion)은 회전 조립체의 불균형; 지지대(즉, 엔진 및 배기 매니폴드)의 여기; 및 차량의 지면과의 계면으로부터의 저속 여기를 포함하는 다수의 인자들에 기인한다.
회전 조립체는 동적 조립체로서 수 개의 임계 속도를 지나간다. 제1 임계 속도에서, 임계 모드는 강체 휨(rigid body bending)이다. 이 모드에서, 회전 조립체는 원통을 나타낸다. 제2 임계 속도에서, 임계 모드는 다시 강체 모드이지만, 베어링 스팬의 외부 단부들 주위에서 원추형 모드가 된다. 제3 임계 속도에서, 임계 모드는 샤프트 휨 모드이다. 제3 임계 속도는 작동 속도의 50% 내지 70%에 발생한다. 첫 두 임계 속도는 이보다 훨씬 더 낮고, 가속 중에 매우 빠르게 지나간다.
첫 두 모드는 주로 베어링 강성에 의해 제어된다. 샤프트 휨 모드인 제3 모드는 주로 샤프트의 강성에 의해 제어된다. 샤프트의 강성은 Ds 4에 비례하고, 여기서 Ds는 샤프트의 직경이다.
베어링 시스템으로 인한 동력 손실은 주로 Ds 3에 의해 제어된다. 그러므로, 제3 임계 모드의 제어는 동력 손실, 그에 따라 효율과 샤프트 휨 사이의 절충임을 알 수 있다. 터보차저의 압축기 단부에서 불균형 힘이 회전 조립체에 작용하는 경우, 샤프트의 강성은 상기 힘에 저항할 때, 및 압축기 휠이 그 커버에 마찰된 후 터보차저를 계속 작동하도록 할 때 주요 인자이다.
저널 또는 스러스트 베어링들 중 어느 하나로의 오일 유동 또는 오일 압력의 손실 이후, 터보차저 고장의 결정적인 주 원인은 휠과 커버 사이의 접촉이다. 이러한 접촉은 회전하는 휠과 커버의 마찰 또는 휠과 커버의 충돌만큼 작을 수도 있다. 이러한 접촉 위험을 최소화하기 위해, 제조자는 다수의 단계에 의해 회전 부품들에 동적 통일성을 이룬다.
예를 들어, 76㎜의 압축기 휠을 가진 중간 크기의 상용 디젤 터보에서, 터빈 휠(51)과 샤프트의 용접된 조립체로 보이는 도 2에 도시된 샤프트/휠(50)은 두 평면, 즉 노우즈(89)와 후면(88)에서 균형을 이룬다. 샤프트/휠이 매우 정확하게 기계가공된 단일 부품으로서 마감처리되고, 샤프트 직경이 인치 범위의 0.0001의 공차(2.54미크론)로 연마되기 때문에, 그 고유의 균형은 상당히 양호하다. 이러한 긴밀하게 유지된 직경 공차 외에도, 압축기 휠과 작은 부품들이 축방향 및 반경방향으로 위치하는 스터브 샤프트(56), 및 샤프트의 큰 직경 단부(52) 상에 저널 베어링들(70)을 지지하는 직경은 0.1 미크론의 범위에서 측정되는 복잡한 원통도(cylindricity) 공차로 유지된다.
상기의 터보차저 크기를 위한 샤프트/휠 부품은 0.4gm-㎜ 내지 0.6gm-㎜의 범위 내에서 균형을 이룬다. 회전 조립체의 다음 부품들은 스러스트 와셔와 플린저이다. 양 부품들은 그라운드 스틸이고, 휠과 비교할 때 비교적 작은 직경을 가진다. 스러스트 칼라는 약 10.5gm의 질량을 가지며, 플린저는 약 13.3gm의 질량을 가진다. 이러한 부품들은 전체적으로 원형이고 높은 마감도(degree of finish)를 가지기 때문에 거의 완전 균형에 가깝다. 다음 부품은 약 199gm의 질량을 가진 압축기 휠이다.
압축기 휠은 기계가공 및 균형을 이루기가 굉장히 어려운 부품이다. 압축기 휠은 각각의 평면에서 0.04gm-㎜ 내지 0.2gm-㎜의 범위로 최종 균형을 이루기 때문에, 이러한 한계에 대처하기가 어렵다. 도 4는 압축기 휠 주물(15)을 보여준다. 도 5는 기계가공된 동일한 주물을 보여준다. 노우즈의 상부의 처킹 러그(16)는 제1 기계가공 작업을 위해 휠을 위치시키는 데에 사용되고, 상기 작업은 후면(22), 하부 장착면(22), 휠의 OD(33) 및 휠 중심의 보어(27)의 기계가공을 설정한다. 보어(27)를 휠의 중심에 기계가공하여 노우즈 단부(21)와 허브 단부(22) 양자에서 허브 상에 센터링되도록 하는 것이 굉장히 중요하다. 이는 기계가공된 휠의 대부분의 질량이 압축기 휠의 보어(27)에 센터링된다는 것을 의미한다. 아직 기계가공되지 않은 주물을 가상의 터보차저 중심선(35) 상에 센터링하는 작업의 결과로, 또한 동일한 길이의 블레이드들이 형성되어 추가로 부품의 균형에 기여한다. 휠이 허브 프로파일을 이용하여 정확히 중심에 처킹되지 않으면, 블레이드 형상면들(28)을 (허브의) 중심을 벗어나 기계가공한 결과로, 상이한 길이의 블레이드들이 형성된다. 동일하지 않은 길이의 블레이드들은 균형과 블레이드 빈도 상의 문제뿐만 아니라 원하지 않는 흡음 문제를 1회전당 1회로 초래할 수 있다.
휠(33)의 OD 상의 다음 처킹 작업에서, 압축기 휠의 노우즈의 상부는 편평하게 기계가공되고, 따라서 면(21)은 편평하고 하부 장착면(22)에 평행하며 보어(27)에 수직이다. 압축기 휠의 노우즈의 면(21)은 제2 처킹에서 기계가공되기 때문에, 요구되는 하부 장착면과의 평행성을 개발하기가 어렵다. 이러한 평행성은 베어링 저널 구역(52)과의 스터브 샤프트 원통도를 유지하는 측면에서 중요하다. 평행성이 중요한 이유는, 클램프 하중이 압축기 휠의 노우즈의 상부의 이러한 편평면에 인가될 때, 저널 베어링면들(52)과 스터브 샤프트 장착면들의 원통도에 의해 정의된 바와 같이, 클램핑 힘이 샤프트/휠 중심선에 평행하다는 것을 보장하기 위함이다. 다음으로, 이러한 샤프트/휠 중심선은 조립체가 허용 가능한 코어 균형을 이루도록 터보차저 축과 평행 및 일치해야 한다.
압축기 너트는 용어의 일반적인 의미에 있어서 너트로 참조되지 않아야 한다. 압축기 너트의 기능은, 압축기 휠에 충분한 클램프 하중을 인가하여, 압축기 휠이 냉간 시동에서 온간 차단에 이르는 최대 속도의 어떤 동적 조건 하에서도 회전하지 않게 하는 것이다.
너트는 논의 중인 터보에서 6.3gm의 비교적 낮은 질량의 물품이지만, (균형에 반하는) 불균형에 매우 크게 기여할 수 있다. 너트의 요건은 하면, 즉 압축기 휠의 노우즈의 면(21)과 접촉하는 면이 압축기 너트의 나사산의 보어에 대해 매우 긴밀한 수직 공차로, 0.03㎜ 내지 0.04㎜의 범위로 제조되어야 한다는 것이고, 따라서 너트가 샤프트에 장착되고 클램프 하중이 인가될 때, 너트의 전술한 하면은 압축기 휠의 노우즈의 면(21)의 법선에 가깝게 하중을 인가한다. 이러한 하중을 대칭적으로, 압축기 휠의 면에 수직으로 또는 샤프트 중심선(35)에 평행하게 인가하지 못하면 샤프트의 휨을 초래할 것이고, 그 결과로 압축기 휠, 너트 및 스터브 샤프트의 질량이 터보차저 축(35)으로부터 변위되어, 회전 조립체에 큰 불균형을 초래할 것이다. 너트는 축에 정확히 조립하기가 굉장히 어렵기 때문에, 너트의 질량은 베어링 시스템이 견딜 수 있는 불균형 레벨에 있어 중요한 인자이다. 코어 내의 동일한 불균형 정도를 위해, 너트의 질량이 감소할 수록, 기하학적 런아웃(run-out) 허용가능 공차가 증가한다. 압축기 휠의 상단, 너트(30), 및 너트 위에 보이는 나사산(57)의 양의 설계에 많은 노력이 이루어져, 이 구역에서 질량을 최소로 유지한다. 너트가 압축기 휠의 상부에 수직하지 않고 너트 아래의 스터브 샤프트에 평행하지 않으면, 너트 위의 스터브 샤프트의 나사산 부분(즉, 스터브 샤프트의 나사산과 더 이상 맞물리지 않는 나사산을 가짐)은 또한 너트 아래의 스터브 샤프트의 중심선과 중심을 달리하고, 최종적으로 터보차저 축과 중심을 달리하고, 따라서 심지어는 코어 불균형의 증가에 기여한다.
제조 시점에서, 이러한 중요 균형 부품들 전부가 조립되고 코어 균형을 이룬다. 즉, 저널 베어링들에 의해 지지된 베어링 하우징에 조립된 회전 조립체가 고속으로 회전되고, 오일 압력이 공급되어 그 설계된 유막 상에 회전 샤프트를 지지한다. 이러한 과정이 회전 "코어"의 균형을 체크한다. 균형이 한계 내에 존재하면, 코어는 양호하며, 완전한 터보차저 내로 조립을 위해 해제된다. 균형이 한계를 벗어나면, 코어는 하우징 내에 조립되어 터보차저를 형성하기 전에 균형이 한계 내에 존재하도록 하는 과정을 겪게 된다.
따라서, 터보차저가 공장을 떠날 때, 회전 코어는 균형 한계 내에 존재하고, 터보차저는 여러 엔진 리빌드 기간 동안 유지될 것으로 기대될 수 있다.
터보차저가 엔진 상에서 작동하는 기간에, 회전 코어의 균형이 다양한 방식으로 열화될 수 있다. 이러한 방식들 중 일부는 다음과 같다. 터빈 휠이 연소실 및 배기 매니폴드로부터 유입된 종종 상당히 큰 입자에 의해 손상되고, 이는 블레이드들의 부분들의 휨 내지 파손 등의 손상을 초래하고, 다음으로 제조 균형 조건에서 벗어나게 한다. 또한, 압축기 휠은 시스템 내로 유입된 "이물질"에 의해 손상될 수 있다. 소정의 기간 동안 오일 압력의 손실은 회전 조립체의 지지 손실을 초래할 수 있고, 그 결과로 어느 하나의 휠 또는 양 휠에 휠 마찰이 발생하고, 이는 최소한 (하우징에 마찰함으로써) 일부 블레이드 재료의 분리를 초래할 수 있고, 다음으로 수 개의 인접 블레이드들의 질량을 변화시킬 수 있거나, 또는 더 심한 마찰에서는 블레이드들을 휘게 할 수 있다. 이러한 결과들 모두는 회전 조립체의 균형의 변화를 초래할 것이다.
회전 조립체가 전술한 것보다 더 적은 불균형 조건을 발전시킨다면, 코어 불균형의 결과는 1회전당 1회 빈도의 음향 이상의 발생일 수 있다. 터보차저가 150,000RPM 내지 300,000RPM에서 회전할 때, 불균형 관련 흡음 이벤트는 2,500Hz 내지 5,000Hz의 주파수 범위에 존재할 것이고, 이는 주파수가 플루트에 의해 발생 가능한 최고 주파수(2,093Hz) 및 피아노에 의해 발생 가능한 최고 주파수(4,186Hz) 근처가 되게 한다. 따라서, 소비자들은 가청 소음을 호소하게 된다.
터보차저 베어링 시스템의 효능의 척도는 모든 조건 하에서 회전 조립체를 제어 및 지지하는 베어링 시스템의 성능이다. 터보차저 베어링 시스템은 매우 큰 일부 고성능 터보차저를 위한 볼 베어링으로부터 고정 슬리브 베어링, 부동 유막 베어링, 공기 베어링의 다양한 구성까지 다수의 설계로 이루어진다. 이들은 모두 하나의 공통점을 가지고 있는데, 회전 조립체의 미세 균형 제어의 필요성이다.
개별 부품들을 위한 균형 레벨은 회전 조립체에서 베어링 시스템에 의해 허용 가능한 균형 레벨에 의해 어느 정도 이루어진다. 차량용의 오일 압력이 공급된 잘 설계된 베어링 시스템은 제조자에게 베어링 시스템이 제어할 수 있는 최대 불균형을 제시할 것이고, 모든 조건 하에서 샤프트 행정에 의해 제어되기에 충분한 감쇠를 제공할 것이다. 이는 특정 엔진 상에서 베어링 시스템에 허용 가능한 최대 불균형 조건보다 더 낮은 임의의 균형 조건이 공학적인 관점에서 허용 가능하다는 것을 의미한다. 이러한 코어 불균형 레벨을 달성하기 위한 비용은 허용 가능한 불균형 레벨이 감소함에 따라 증가한다. 본 발명자의 경험에 따르면, 일부 터보차저 코어는 추가적인 처리 없이 코어 균형 "게이트"를 통과한다. 회전 코어에서 부품들을 교체하기 위해, 일부 코어는 압축기 너트의 해제, 일부 부품들의 회전, 클램프 하중의 재인가, 및 재테스트와 같은 소소한 처리를 필요로 한다.
터보차저 제조자의 목표는 최저 비용으로 최고의 가능한 신뢰성과 내구성을 가진 제품을 제공하는 것이다. 균형은 신뢰성과 내구성 구동에 있어 주요 인자이다.
따라서, 조립 비용의 감소 및 터보차저의 수명 증가를 위해 불균형 하한 내에 존재하는 코어를 코어 테스트 장치에 제공하는 것이 전반적으로 필요함을 알 수 있다.
전술한 목적 및 본 발명은, 압축기 휠의 상부 및 압축기 너트의 하면 사이에 자체 센터링 기하형상을 개발하여 이 두 부품들을 터보차저의 축과 정렬시키고 그에 따라 회전 코어의 잠재적인 불균형을 줄임으로써 달성된다.
본 발명은 유사한 도면 번호가 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면에 제한의 의도가 아닌 예로서 도시된다.
도 1은 터보차저 조립체의 단면을 도시한다.
도 2는 터보차저의 회전 부품들을 도시한다.
도 3은 테스트 중에 형성된 궤도들을 도시한다.
도 4는 압축기 휠 주물을 도시한다.
도 5는 기계가공된 압축기 휠을 도시한다.
도 6은 너트와 함께 샤프트에 장착된 압축기 휠을 도시한다.
도 7은 너트의 런아웃이 발생한 도 6의 조립체를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제1 실시형태를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제2 실시형태를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 제1 실시형태의 제1 변형예를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 제2 실시형태의 제1 변형예를 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제3 실시형태를 도시한다.
터보차저 조립체는, 필요한 수명을 보장하고 회전 진동 유도 소음을 제어하기 위해 코어 균형을 이룬다. 본 발명자는 높은 비율의 터보차저 코어가 코어 균형 체킹 스테이션을 통과하지 않았음을 인식하였고, 이는 터보차저가 코어 균형 한계 하에서 "통과(pass)"를 달성하기 위해 수 차례 재처리되어야 한다는 것을 의미한다. 코어가 주요 재가공을 위해 거부되기 전에, 코어 균형 작업을 통한 평균 통과 수는 "3"이었고, 최대 허용 가능한 수는 "5"이다. 그 결과로, 제조자에게 주요 제조 및 자본 비용을 초래한다.
압축기 휠 기계가공은, 압축기 휠이 터보차저 조립체에 포함될 때 압축기 휠의 무게 중심이 터보차저 축 상에 존재하도록 하는 복잡하고 고도로 정확한 작업(상기 참조)이어야 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 너트를 나사산의 비틀림각 아래로 진행하도록 회전시킴으로써 클램프 하중이 압축기 휠에 인가될 때, 수 개의 이벤트가 발생할 수 있다. 너트를 압축기 휠의 노우즈의 면(21)에 대해 회전시키는 작업은 너트가 면에 파고들고 중심을 벗어나 트래킹하게 할 수 있다. 이러한 트래킹(tracking)은 너트의 질량 중심이 터보차저 축을 벗어나게 하고, 그 결과로 터보차저 축에 수직인 변위(Rn)와 너트 질량의 곱에 상응하는 불균형(N)이 발생한다.
이러한 변위는 또한 스터브 샤프트의 휨을 초래하고, 그 결과로 변위(Rs)와 터보차저 축(35)으로부터 편향된 스터브 샤프트(57)의 질량의 곱에 상응하는 또 다른 불균형 힘(S)이 발생한다. 스터브 샤프트의 휨은 또한 압축기 휠 무게 중심의 변위를 초래할 수 있고, 이는 도 7에 불균형 힘(C)으로 나타낸다. 이러한 휨 이벤트에 대한 저항은 압축기 휠(20)의 보어(27)의 내부 직경면(26)과 슬라이딩 핏된 스터브 샤프트(61)의 외부 직경면의 상호작용으로, 이는 스터브 샤프트(56)의 나사산 단부(57)에 대한 압축기 너트(30)의 내부 나사산들(32)의 상호작용에 의해 인가된 클램프 하중의 압축에 의해 도움을 받으며, 압축기 휠의 하부 장착면(22)을 스터브 샤프트면에 강제한다.
압축기 휠의 노우즈의 상면(21)이 편평하게 기계가공되어 도 6에 도시된 바와 같이 편평한 바닥면의 너트(30)와 동일 높이에서 접촉되도록 하는 압축기 휠을 기계가공하는 통상의 널리 알려진 설계 및 제조 프로토콜과 달리, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명자는 자체 센터링되는 대응하는 결합 접촉면들을 압축기 너트와 압축기 휠에 추가하였다. 그리고, 너트를 압축기 휠에 조이면 압축기 휠은 너트에 대해 맞닿아 짝을 이루는 기정의된 접촉 위치(predetermined flush and mating contact position)로 강제된다. 예를 들어, 외부 절두원추면(92)을 압축기 너트(34)에, 그리고 내부 절두원추면(95)을 압축기 휠(20)의 노우즈의 상부에 추가하였다. 면들은 "절두원추형(frusto-conical)"으로 칭해지는데, 이는 상기 형상의 피크가 압축기 휠 보어에 의해 점유된 영역에 존재하여 "절개(cut off)"되기 때문이다. 압축기 휠의 상부 및 압축기 너트를 샤프트 상에 센터링하는 동안, 절두원추형 계면은 너트가 압축기 휠의 노우즈 상에서 흔들리고 트래킹하는 것을 방지한다. 이러한 외부 절두원추형 계면이 적소에 있을 때, 너트는 그 자체가 압축기 휠의 노우즈의 상부의 내부 절두원추형 계면이 너트 아래에서 센터링되도록 강제하고, 따라서 클램핑 힘은 샤프트/휠 중심선 상에 센터링되도록 해제된다. 이는 스터브 샤프트, 너트 및 압축기 휠의 무게 중심의 소정의 오프셋으로 인한 주요 균형외(out-of-balance) 힘의 발생 가능성을 줄인다. 결과로, 압축기 단부의 주요 불균형 힘은 압축기 휠 부품 자체의 불균형으로 인한 것으로만 한정된다.
너트와 휠의 자체 센터링 결합면들을 정의할 목적으로, 일 면은 좁아지는 환상 오목 영역을 포함하고 대응하는 면은 넓어지는 볼록 영역을 포함하는 것이 필요하고, 두 면은 결합될 때, 좁아지는 오목부 및 대응하는 넓어지는 볼록부가 압축기 휠을 너트 아래에서 센터링되게 하도록 협력한다. 면들은 예를 들어 절두원추형, 절두구형(frusto-spherical), 일부 원추형 및 일부 구형, 심지어는 편평형과 원추형 또는 편평형과 구형의 혼합("단차짐(stepped)"), 또는 너트와 압축기 휠의 계면에서 사용된 다양한 곡률면의 조합 또는 다양하게 각진 원추면의 조합일 수 있다. 결합면들이 샤프트 축과 동심성을 보이고 샤프트 축에서 압축기 휠을 센터링하기 위해 협력하는 한, 원추면들은 임의의 각도일 수 있고 곡선은 임의의 곡률일 수 있다고 가정된다. 접촉면들이 압축기 휠의 노우즈 단부를 센터링하도록 협력하는 한, 계면 형상은 심지어 베지어 곡선의 회전면 형상, 또는 베지어 곡선의 경로의 회전 형상을 가정할 수 있다. 협력하는 면들에는 심지어 하나 이상의 동심 역이미지 "리플(ripples)"이 구비될 수 있다. 그러나, 모든 설계는 유사한 정도의 효율성을 가지기 때문에, 제조 비용으로 인한 더 간단하고 용이하게 제조되는 맞물림면들에 대한 선호를 보일 것이다.
본 발명의 제1 실시형태의 제1 변형예에서, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 외부 및 내부 절두원추형 요소들은 도 8a 및 도 8b와 비교하여 정반대가 된다. 내부 절두원추면(94)이 너트(36) 상에 형성되고, 외부 절두원추면(93)이 압축기 휠(20) 내부에 형성된다. 이러한 병치는 기하학적으로 너트/휠과 샤프트의 조립에 있어 아무런 차이도 초래하지 않지만, 구조적으로 압축기 휠의 노우즈 상에 압축 응력의 증가를 초래한다.
본 발명의 제2 실시형태에서, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 본 발명자는 압축기 너트(37)에 외부 절두구면(96)을 추가하고, 압축기 휠(20)의 노우즈의 상부에 내부 절두구면(99)을 추가하였다. 압축기 휠의 상부 및 압축기 너트를 샤프트 상에 센터링하는 동안, 이러한 절두구형 계면은 너트가 압축기 휠의 노우즈 상에서 흔들리고 트래킹하는 것을 방지한다. 이러한 외부 절두구형 계면이 적소에 있을 때, 너트는 그 자체가 압축기 휠의 노우즈의 상부의 내부 절두구면 상에 센터링될 것이다. 그러므로, 클램핑 힘은 샤프트/휠 중심선 상에 센터링되도록 해제된다. 이는 스터브 샤프트, 너트 및 압축기 휠의 무게 중심의 소정의 오프셋으로 인한 주요 균형외 힘의 발생 가능성을 줄인다. 결과로, 압축기 단부의 주요 불균형 힘은 압축기 휠 부품 자체의 불균형에만 한정된다.
본 발명의 제2 실시형태의 제1 변형예에서, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 외부 및 내부 절두원추형 요소들은 정반대가 된다. 내부 절두구면(98)이 너트(38) 상에 형성되고, 외부 절두구면(97)이 압축기 휠 내부에 형성된다. 이러한 병치는 기하학적으로 너트/휠과 샤프트의 조립에 있어 아무런 차이도 초래하지 않지만, 구조적으로 압축기 휠의 노우즈 상에 압축 응력의 증가를 초래한다.
본 발명의 제3 실시형태에서, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 휠의 상면 및 휠의 노우즈의 측면들의 상호작용이 센터링 매체로 사용된다. 본 발명의 예시적인 제3 실시형태에서, 큰 챔퍼(101), 반경 또는 구면이 압축기 휠의 노우즈의 측면 및 상면에 기계가공된다. 압축기 너트(39)는 결합 절두원추면(100) 또는 절두구면이 그 표면에 형성되었다. 압축기 너트를 나사산(57) 아래로 회전시킴으로써 클램프 하중이 압축기 너트에 인가될 때, 너트는 압축기 휠(20) 상에 센터링되고, 너트와 압축기 휠은 스터브 샤프트(56)에 센터링된다. 조립체의 이러한 센터링은 스터브 샤프트, 너트 및 압축기 휠의 질량 중심이 터보차저 축(35)과 정렬하도록 강제한다. 그러므로, 이러한 센터링은 스터브 샤프트, 너트 및 압축기 휠의 무게 중심의 소정의 오프셋으로 인한 주요 균형외 힘의 발생 가능성을 줄인다. 결과로, 압축기 단부의 주요 불균형 힘은 압축기 휠 부품 자체의 불균형에만 한정된다.
이제, 본 발명이 설명되었다.

Claims (4)

  1. 터빈 단부와 나사산 압축기 단부를 구비하는 샤프트(56), 샤프트의 터빈 단부에 견고하게 연결되는 터빈 휠(51), 압축기 너트(30, 34, 36, 37, 38, 39), 및 노우즈 단부면(21)과 허브 단부면(22)을 구비하며 샤프트의 상기 나사산 단부에 장착된 압축기 너트(30, 34, 36, 37, 38, 39)의 클램프 하중에 의해 샤프트의 압축기 단부 상의 적소에 고정되는 압축기 휠(20)을 포함하고, 중심선을 중심으로 회전하는 회전 조립체로, 너트(30, 34, 36, 37, 38, 39) 및 압축기 휠 노우즈 단부면은 대응하는 맞물림면들을 구비하여, 너트를 압축기 휠에 조이면 상기 압축기 휠은 회전 조립체의 중심선에 대해 센터링되는 회전 조립체의 균형 방법으로,
    (a) 샤프트 상에 압축기 휠(20)을 도입하는 단계;
    (b) 너트(30, 34, 36, 37, 38, 39)를 샤프트의 나사산 단부에 장착하고, 너트를 압축기 휠(20)에 조임으로써, 저널 베어링들이 작용하는 샤프트 및 휠 구역들(74, 75)의 원통도에 의해 형성된 중심선 상에 압축기 휠이 정렬하게 하는 단계; 및
    (c1) 회전 조립체의 불균형을 측정하고, 불균형이 기결정된 값보다 더 크면 상기 회전 조립체에 균형 단계를 수행하는 단계를 포함하고,
    회전 조립체의 불균형이 기결정된 임계값 이하일 때까지 (c1) 단계를 반복하는 회전 조립체의 균형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (b) 단계 이후에,
    (c2) 저널 베어링 직경에 의해 정의된 원통에 대해, 회전 조립체의 부품으로서 압축기 휠의 노우즈의 런아웃을 측정하고, 런아웃이 기결정된 값보다 더 크면 상기 회전 조립체에 균형 단계를 수행하는 단계를 더 포함하고,
    런아웃이 기결정된 임계값 이하일 때까지 (c2) 단계를 반복하는 회전 조립체의 균형 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 런아웃은 샤프트 모션 너트를 이용하여 측정되고, 상기 샤프트 모션 너트의 외면에 너트와 샤프트 조립체의 중심선과 동축인 원통이 연마되는 회전 조립체의 균형 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 샤프트 모션 너트 및 압축기 휠 노우즈 단부면은 대응하는 절두원추형 또는 절두구형 맞물림면들을 구비하는 회전 조립체의 균형 방법.
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