KR101662125B1 - 배기가스 터보차저 마찰 베어링의 베어링 유극을 확인하는 방법 - Google Patents

배기가스 터보차저 마찰 베어링의 베어링 유극을 확인하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스 터보차저 마찰 베어링의 베어링 유극을 확인하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 배기가스 터보차저 또는 몸체 그룹을 정지 상태로부터 최대 회전 속도로 가속화하는 동시에 센서를 통해 진동 가속도를 기록하는 단계; 적어도 하나의 회전 속도에서 마찰 베어링의 일정 톤 주파수를 확인하는 단계; 확인된 일정 톤 주파수를 도면에 표시하는 단계로서, 미리 실험을 통해 결정된 베어링 유극 범위를 일정 톤 주파수 범위에 할당하는 것인 단계; 및 확인된 일정 톤 주파수가 베어링 유극 목표 범위에 포함되는지 여부를 결정하는 단계.

Description

배기가스 터보차저 마찰 베어링의 베어링 유극을 확인하는 방법{METHOD FOR DETERMINING BEARING PLAY OF EXHAUST-GAS-TURBOCHARGER FRICTION BEARINGS}
본 발명은 청구범위 제1항에 따른 배기가스 터보차저의 반경방향 마찰 베어링의 베어링 유극을 확인하는 방법에 관한 것이다.
반경방향 마찰 베어링은, 배기가스 터보차저에 흔히 이용되는 베어링의 일종이다. 이는 주로 부유(회전) 베어링 부싱과 고정(비회전) 베어링 부싱으로 구분된다. 작동 중, 이들 베어링이 구성하는 진동 시스템의 특성은, 개별 부품들의 기하학적 구조와 윤활유의 특성 둘 다에 영향을 받는다. 회전의 결과로 윤활유 막에 와류(1/2 주파수 와류, 오일 훨 또는 오일 휩과 같은 용어로도 알려짐)가 생성될 수 있는데, 이는 자려 진동(self-excited vibration)을 야기할 수 있다. 이러한 마찰 베어링 시스템의 고유 주파수는, 한편으로는 특정 진동 가속도 레벨이 초과되는 경우, 다른 한편으로는 배기가스 터보차저가 저소음 모터 환경에 배치되는 경우, 회전하는 샤프트에 의해 여기될 때 음향적으로 뚜렷하게 나타날 수 있다. 이와 관련된 불쾌한 소음, 예를 들어 주파수 범위가 주로 200 내지 1500 Hz인 소위 일정 톤(constant tone)을 억제하기 위해, 시스템의 고유 주파수에 영향을 끼치는 척도를 구할 수 있다. 베어링 유극은 특히 영향력 있는 척도가 된다. 이는 외부 및/또는 내부 베어링 유극일 수 있다.
마찰 베어링 부싱과 샤프트 또는 베어링 하우징 사이의 베어링 유극을 확인할 수 있으려면, 베어링 부싱과 샤프트 및 베어링 하우징 보어가 전부 현재 측정되어, 베어링 유극에 대한 각각의 요건을 만족시키는 적합한 공작물 쌍을 결합할 수 있어야 한다.
그러나, 이러한 과정은 매우 복잡하므로 생산 비용을 증가시킨다.
따라서 본 발명의 목적은, 간단하고 기술적으로 신뢰할 수 있는 방식으로 배기가스 터보차저의 마찰 베어링의 베어링 유극을 확인하는 데 이용 가능한, 배기가스 터보차저 마찰 베어링의 베어링 유극을 확인하는 방법을 개발하는 데에 있다.
이러한 목적은 청구범위 제1항의 특징부를 통해 달성된다.
여기서, 본 발명의 범주 내에서 수행된 검사들은, 마찰 베어링의 베어링 유극과 일정 톤 발생(레벨 및 주파수) 간에 관련성이 있다는 것을 보여준다. 추가로 영향력 있는 매개변수로는, 오일 압력, 오일 온도 및 오일 점도에 좌우되는 오일 강성 및 잔존하는 불균형값이 포함된다. 본 발명에 따르면, 베어링 유극과 일정 톤 주파수 간의 관계는 베어링 유극을 확인하는 데 이용된다. 이에 따르면, 본 발명으로 인해 한정된 경계 내에서 개별 부품들의 할당 및 기하학적 척도 없이도 매우 작은 공차로 베어링 유극을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 특정한 이점은, 베어링 유극을 확인하기 위해서 배기가스 터보차저의 베어링을 분해할 필요가 없다는 사실을 포함한다. 본 발명에 따르면, 유리하게도 공정 중에 선택을 위해 (베어링 하우징 보어와 샤프트 사이의) 내부 베어링 유극과 (베어링 부싱 외경과 베어링 하우징 사이의) 외부 베어링 유극 둘 다 확인하거나 검사하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명은 제조 및 밸런싱된 배기가스 터보차저가 특정한 경계 내에서 베어링 유극을 가지고 생산되며 베어링 유극에 대해 절충된 경계값들이 관찰될 수 있도록 보장할 수 있다.
마찬가지로 본 발명에 따른 방법은 마모 측정에 이용될 수 있으며, 이 때 배기가스 터보차저를 분해하지 않고도 베어링 유극의 변화를 감시하고 확인할 수 있다.
종속항들은 본 발명의 유리한 양상을 포함한다.
일정 톤 주파수는 바람직하게 배기가스 터보차저 또는 그 몸체 그룹(압축기 하우징과 터빈 하우징 및 제어 구성요소들을 제외한, 배기가스 터보차저의 모든 구성요소들)의 생산 도중 밸런싱 후에 작동 밸런싱 벤치 상에서 확인된다.
이를 위하여, 예를 들어 센서를 사용하여 회전 속도가 램프 업(ramp up)되는 경우에 발생하는 진동 가속도를 확인할 수 있다. 그 후, 내부 및/또는 외부 베어링 유극에 의해 야기된 일정 톤을 잘 측정할 수 있는, 미리 선택된 하나 또는 두 개의 회전 속도에서 정의된 주파수 해상도를 이용하여 주파수 분석(푸리에 변환)을 수행한다. 결과로 생성되는 주파수 스펙트럼에서, 하나 또는 두 개의 미리 고정된 주파수 범위 내에서 큰 진폭을 가진 최대 곡선이 요구된다. 각 주파수 범위에서 발견되는 최대값은 요구되는 일정 톤 주파수를 구성하고, 그 주파수로 인한 내부 또는 외부 베어링 유극에 할당될 수 있다.
검사 결과, 터보차저 종류에 따라, 잘 측정될 수 있는 일정 톤으로 이어지고 일정 톤 주파수를 분명히 확인할 수 있도록 하는 특히 적합한 회전 속도들이 있다는 것을 보여준다. 예를 들어, 휠 직경이 대략 40 mm인 배기가스 터보차저는 150,000 rpm에서 안정적인 범위를 가진다. 그러나, 원칙상 120,000 rpm 또는 심지어 180,000 rpm의 기타 다른 회전 속도도 가능하다.
또한, 가속도 진동 신호를 기록하기 위한 센서의 사용은 바람직한 실시형태를 구성하며, 이 때 센서는 유리하게는 압축기 하우징 측에 부착된다. 터빈 하우징 또는 베어링 하우징 측에 부착하는 것도 원칙적으로 가능하지만, 상기 위치에서 이용 가능한 신호가 약하기 때문에 바람직하지 않다.
테스트 벤치의 실시형태에 따라, 이미 조립된 하우징 또는 단순히 몸체 그룹을 가진 완전한 배기가스 터보차저를 램프 업시킬 수 있고, 이 때 후자의 경우에는 특별한 테스트 벤치 하우징(소위, 마스터 하우징)이 요구된다.
도 1은 회전 속도 램프 업 동안 시간에 따른 진동 가속도를 보여주는 도면이다.
도 2는 180,000 rpm의 일정한 회전 속도에 대한 주파수 분석을 보여주는 도면이다.
도 3은 일정 톤 주파수와 내부 베어링 유극의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다양한 주파수 해상도를 이용하여 (예컨대, 150,000 rpm의 터보차저 회전 속도에서) 확인된 최대 일정 톤을 보여준다.
도 5는 100개의 터보차저에 대한 측정 결과를 보여주는 도면으로서, 터보차저에 할당된 일정 톤 주파수가 나타나 있으며 또한 세 개의 베어링 유극 범위가 예시적인 방식으로 명시되어 있다.
도 6은 배기가스 터보차저의 부분 절개 사시도이다.
이하, 첨부된 도면에 기초하여 바람직한 실시형태를 설명함으로써 본 발명의 다른 상세 내용, 이점 및 특징들이 이해될 것이다.
도 6에 도시된 배기가스 터보차저(1)는, 본 명세서의 말미에 기재된 참조 부호 목록으로부터 알 수 있는 특징부들을 구비하며, 도 6에 도시된 터보차저(1)의 경우 "몸체 그룹" 이라는 용어는 터빈 하우징(2), 압축기 하우징(3) 및 제어 요소(11, 12, 14)를 제외한 모든 구성요소들을 의미하는 것으로 이해된다.
이러한 터보차저(1)의 베어링 유극이 본 발명에 따른 방법과 같이 확인되는 경우, 도 6에서 볼 수 있는 몸체 그룹이 먼저 조립된다. 그 후 몸체 그룹은 밸런싱 벤치(미도시) 상에서 밸런싱된다. 밸런싱 벤치의 설계에 따라 몸체 그룹은 터보차저로서의 완성에 필요한 하우징과 제어 요소들을 이미 포함하고 있을 수 있다.
밸런싱 후, 몸체 그룹 또는 터보차저는 회전 속도 램프 업 동안 정지 상태로부터 최대 회전 속도로 가속화된다. 마찰 베어링의 진동 가속도 레벨은 이러한 회전 속도 램프 업 동안에 확인된다. 이를 위해서, 진동 가속도는 예를 들어 센서(도 1에서는 "BA 센서"로 지칭됨)를 통해 램프 업 동안 필요한 터보차저(1)의 시간에 대해 표시될 수 있다.
그 후 마찰 베어링 종류에 따라, BA 센서의 저장된 시간 신호는 푸리에 변환을 통해 하나 또는 두 개의 회전 속도에서 분석된다. 이용되는 회전 속도 또는 회전 속도들은 유사한 테스트 벤치 조건(터보차저의 부착, 센서의 위치, 오일 공급의 유형) 하에서 동등한 터보차저 종류를 기초로 미리 결정되었다.
도 2는 푸리에 변환을 통해 확인된, 3000 Hz의 주파수에 상응하는 180,000 rpm의 터보차저 회전 속도에 대한 주파수 분석을 보여준다. 터보차저의 회전 주파수를 나타내는 3000 Hz에서의 최대값과는 별도로, 일정 톤을 특성화하는 1085 Hz에서 또 다른 최대값이 인식될 수 있다. 회전 속도 램프 업에 필요한 시간에 따라 적합한 해상도에서 주파수 분석을 수행하는 것이 유리하다.
이러한 주파수 해상도는 도 4에 도시되어 있다. 본 발명의 범주 내에서 수행된 검사는, 2 Hz 내지 4Hz 사이의 주파수 해상도가 이에 대해 특히 바람직한 결과로 이어진다는 것을 보여주는데, 그 이유는 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 이용되는 해상도에 따라 일정 톤 곡선의 형상에서 높이(진폭)와 폭(주파수)이 크게 달라지기 때문이다. 2 Hz 및 4Hz의 해상도의 경우에, 작은 폭을 가진 곡선에 의해 가능한 한 정확한 일정 톤 주파수가 얻어진다.
본 발명에 따른 방법의 주파수 분석에서는 이러한 범위로부터 통상 하나의 주파수 해상도(예컨대, 2 Hz)만이 이용된다. 도 4는 또한 이로 인해 좀 더 넓은 곡선, 즉 덜 정확한 주파수 확인에 이르는 것을 명확하게 하기 위해 상이한 해상도 값(1 Hz; 10.24 Hz)을 도시하고 있다.
특정한 수의 터보차저 검사 중 이러한 일정 톤 주파수가 확인되면, 결과를 도 5와 같이 표로 옮길 수 있다. 도 5의 예에서, 100개의 배기가스 터보차저를 검사하였으며, 그 번호는 x축에 표시하였다.
주파수는 y축에 표시하였으며, 도면은 확인된 일정 톤 주파수가 각각의 터보차저에 할당된 것을 보여준다. 각각의 점은 이들 확인된 일정 톤 주파수를 나타낸다.
또한, 도 5의 도면은 세 개의 유극 범위(LS1, LS2, LS3)을 명확히 보여준다. 각각의 일정 톤 주파수에 관한 이러한 베어링 유극 범위는, 두 개의 그래프(LSK1 및 LSK2)에 기초하여 도 3에서 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 실험에 의해 수행된 검사 결과들이다.
따라서, 도 5와 같이 값을 구함으로써 총 100개의 측정된 배기가스 터보차저 각각이 어느 베어링 유극 범위에 할당될 수 있는지 확인하는 것이 가능하다. 도 1 내지 도 5에 기초하여 전술된 본 발명에 따른 과정은, 적합한 소프트웨어를 이용하여 바람직하게는 전자적으로 수행하는 것이 유용하다.
본 발명의 기재된 개시 외에도, 도 1 내지 도 6에 도시된 상기 발명을 명확히 참조한다.
참조 부호 목록
1 터보차저
2 터빈 하우징
3 압축기 하우징
4 터빈 로터
5 조정 링
6 블레이드 베어링 링
7 가이드 블레이드
8 블레이드 샤프트
9 공급 채널
10 축방향 어댑터
11 구동 장치
12 제어 하우징
13 가이드 블레이드(7)를 위한 빈 공간
14 램 요소
15 터빈 하우징(2)의 환형 부분
16 스페이서/스페이싱 로브
17 압축기 로터
18 가이드 블레이드 캐스케이드/디퓨저
19 베어링 하우징
LSK1 180,000 rpm의 회전 속도에 대한 베어링 유극 곡선
LSK2 150,000 rpm의 회전 속도에 대한 베어링 유극 곡선
LS1, LS2, LS3 베어링 유극 범위

Claims (14)

  1. 배기가스 터보차저 마찰 베어링의 베어링 유극을 확인하는 방법으로,
    배기가스 터보차저 또는 몸체 그룹을 정지 상태로부터 최대 회전 속도로 가속화하는 동시에 센서를 통해 진동 가속도를 기록하는 단계;
    터보차저의 적어도 하나의 회전 속도에서 마찰 베어링의 일정 톤 주파수를 확인하는 단계;
    미리 실험을 통해 결정된 베어링 유극 범위가 일정 톤 주파수 범위에 할당되어 있는 도면에, 확인된 일정 톤 주파수를 표시하는 단계; 및
    확인된 일정 톤 주파수가 베어링 유극 목표 범위에 포함되는지 여부를 결정하는 단계;를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    일정 톤이 잘 측정되도록 하는, 미리 실험을 통해 결정된 배기가스 터보차저의 회전 속도에서 일정 톤 주파수를 확인하기 위해 주파수 스펙트럼이 결정되는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    배기가스 터보차저의 실험을 통해 결정된 두 개의 회전 속도에서 각각 하나의 주파수 스펙트럼이 결정되는 것인 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    주파수 스펙트럼 또는 스펙트럼들은 푸리에 변환을 이용하여 결정되는 것인 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    주파수 스펙트럼 또는 스펙트럼들은 미리 결정될 수 있는 분석 주파수에 기초하여 값이 구해지는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    분석 주파수는 2 Hz 내지 4 Hz 사이에 있는 것인 방법.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    미리 결정된 주파수 범위 내의 최대값은 각각의 주파수 스펙트럼에서 결정되는 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최대값은 주파수로 인한 내부 또는 외부 베어링 유극에 할당되는 것인 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    일정 톤 주파수는 작동 밸런싱 벤치 상에서 배기가스 터보차저의 생산 도중에 확인되는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    오일 온도, 오일 압력 및/또는 오일 점도가 베어링 오일 매개변수로서 고려되는 것인 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서는 압축기 하우징 측에서 터보차저 또는 몸체 그룹에 부착되는 것인 방법.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    최대 회전 속도는, 미리 실험을 통해 결정된 회전 속도 중 하나를 이루는 것인 방법.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    베어링 유극은 부싱 보어와 샤프트 사이의 내부 베어링 유극을 이루는 것인 방법.
  14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    베어링 유극은 부싱 외경과 베어링 하우징 보어 사이의 외부 베어링 유극을 이루는 것인 방법.
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