KR20150124788A - 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터 - Google Patents

터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 본 발명은 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터에 관한 것으로서, 구체적으로 터보차져의 웨이스트게이트의 개폐를 담당하는 전자식 액츄에이터의 구성요소 및 그 배치에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 출력 기어의 상면에 베어링 홈을 형성함으로써 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 축 방향 길이를 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은, 센서를 출력 축 하단에 배치하여 마그넷 플럭스의 x방향/y방향의 비율로 각도를 계산함으로써, 온도의 변화에 따른 자력의 감소를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터{ELECTRIC ACTUATOR FOR TURBOCHARGER WASTEGATE}
본 발명은 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터에 관한 것으로서, 구체적으로 터보차져의 웨이스트게이트의 개폐를 담당하는 전자식 액츄에이터의 구성요소 및 그 배치에 관한 것이다.
웨이스트게이트(wastegate)란 통상적으로 터보 차량에 마련되는 것으로, 엔진에서 연소된 배기가스가 터빈 블레이드를 바이패스 할 수 있도록 해주는 밸브장치로서, 배기가스의 압력을 검출하여 검출된 압력이 너무 높을 경우 터빈의 고회전을 막기 위해 터빈 블레이드 주변의 배기가스를 바이패스 시키는 통로이다.
이에 따라, 비교적 작은 터보차져로도 고속에서 사용할 수 있게 함으로써 근본적으로는 터보랙을 방지해주는 역할까지 하는 것이다.
도 1은 종래의 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터(10, 이하, 전자식 액츄에이터라고 한다)를 도시하는 도면으로서, 종래의 전자식 액츄에이터(10)는 출력 기어(30), 출력 축(20), 씰링 롤러 베어링(40)을 포함한다. 도 1에서 알 수 있듯이, 씰링 롤러 베어링(40)은 출력 축(20)을 지지하고, 씰링하는 역할을 하는데, 출력 기어(30)를 중심으로 하단에 배치된 출력 축(20)의 반대편에 배치되어 있다. 따라서, 전자식 액츄에이터(10)의 축 방향 길이가 길어지는 문제점이 있다. 또한, 씰링 롤러 베어링(40)을 대신하여 볼 베어링과 씰링 와셔를 동시에 사용하는 구성도 가능하지만, 이로 인해 씰링 성능이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 종래의 전자식 액츄에이터(10)의 출력 기어(30)는 상면에 형성된 마그넷 홈(35)을 구비한다. 종래의 전자식 액츄에이터(10)는 마그넷 플럭스(magnet flux)를 측정하여 각도 센싱을 하기 때문에, 출력 기어(30)가 회전할 때, 센서(미도시)가 측정하는 마그넷(미도시)의 위치가 달라질 수 있도록, 출력 기어(30)의 원주면에 호(arc) 형태의 마그넷이 배치되는데, 이러한 마그넷의 장착을 위해 마그넷 홈(35)이 형성되어 있다. 그런데, 각도 센싱의 경우에는 온도에 따른 자석의 Gauss의 변화에 따라 센서의 오차가 커지는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2013-0060498
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하려는 것으로서, 축 방향의 길이가 최소화된 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 온도의 변화에 따른 센서의 오차를 최소화하는 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하고자 본 발명은, 출력 축(200)과 축 결합부(250)에서 결합되고, 상면에 베어링 홈(310)이 형성된 출력 기어(300); 및 상기 출력 축(200)을 둘러싸고 상기 베어링 홈(310)에 구비되는 니들롤러 베어링(400)을 포함하는 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터를 제공한다.
바람직하게는, 본 발명은, 상기 니들롤러 베어링(400)의 상부와 하부에 구비되는 씰부재(410)를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는, 본 발명은, 상기 축 결합부(250)는 상단 및 하단에 각각 돌기(251)를 구비하고, 상기 출력 축(200)은 상기 축 결합부(250)의 상기 각각의 돌기(251)에 밀착하는 축 홈(252)을 각각 구비하고, 상기 각각의 축 홈(252) 사이에는 상기 출력 축(200)의 외주면을 따라 축 널링(253)이 구비된다.
또한, 바람직하게는, 본 발명은, 상기 출력 축(200)의 하단에 구비되는 마그넷(500); 및 상기 마그넷(500) 하부에 구비되는 센서(600)를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는, 본 발명은, 상기 마그넷(500)의 외주면에 구비되어 상기 출력 축(200)에 상기 마그넷(500)을 고정시키는 고정부재(800)를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는, 본 발명은, 상기 출력 축(200)은 하단에 축방향 홈(270)과 회전방향 홈(271)을 구비하고, 상기 고정부재(800)는 상기 축방향 홈(270)에 밀착되는 제 1 단부(810), 상기 축방향 홈(270)과 상기 회전방향 홈(271)에 밀착되는 제 2 단부(820)를 구비한다.
또한, 바람직하게는, 본 발명은, 상기 출력 축(200)의 하부에 구비되어 ECU를 수용하고, 끝단에 결합홈(711)을 구비하는 ECU 하우징(710); 및 상기 결합홈(711)에 삽입되어 상기 ECU 하우징(710)을 밀폐하는 ECU 커버(720)를 더 포함한다.
본 발명은, 출력 기어의 상면에 베어링 홈을 형성함으로써 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 축 방향 길이를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 센서를 출력 축 하단에 배치하여 마그넷 플럭스의 x방향/y방향의 비율로 각도를 계산함으로써, 온도의 변화에 따른 자력의 감소를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 베어링 홈을 도시하는 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 니들롤러 베어링을 도시하는 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 출력 축을 도시하는 도면으로서, 도 5(a)는 사시도, 도 5(b)는 측면도.
도 6은 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 출력 축과 마그넷의 결합 구조를 도시하는 도면으로서, 도 6(a)는 결합 전을 도시하는 도면, 도 6(b)는 결합 후를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 ECU 커버를 도시하는 도면으로서, 도 7(a)는 단면도, 도 7(b)는 전면도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터를 도시하는 도면이고, 도 3은 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 베어링 홈을 도시하는 단면도이다. 또한, 도 4는 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 니들롤러 베어링을 도시하는 단면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 출력 축을 도시하는 도면으로서, 도 5(a)는 사시도, 도 5(b)는 측면도이다.
도 2 및 도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터(100, 이하, 전자식 액츄에이터라고 한다)는 출력 기어(300), 출력 축(200), 베어링 홈(310), 니들롤러 베어링(400), 마그넷(500), 센서(600), ECU 커버(720)을 포함한다.
출력 기어(300)는 상면으로부터 아래로 일정 깊이만큼 베어링 홈(310)이 형성된다. 도 3을 참조하면, 출력 기어(300)는 축 결합부(250)를 구비하여 출력 축(200)과 결합할 수 있다. 축 결합부(250)는 출력 기어(300)의 출력 축(200)의 주위에 형성되고, 상단과 하단에는 돌기(251)를 구비하여, 출력 축(200)과 결합한다. 또한, 출력 기어(300)는 상부면을 따라 커버와 인접하여 형성되어, 전자식 액츄에이터를 컴팩트하게 구성할 수 있다.
출력 축(200)은 출력 기어(300)의 축 결합부(250)에서 출력 기어(300)와 연결되고, 출력 기어(300)의 베어링 홈(310)을 관통하도록 형성되어, 출력 기어(300)로부터 동력을 전달한다. 도 5를 참조하면, 출력 축(200)은 외주면에 축 홈(252)과 축 널링(253)이 구비된다. 축 홈(252)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 출력 기어(300)의 축 결합부(250)에 형성되는 돌기(251)에 밀착한다. 본 발명에 따르면, 출력 축(200)에 형성된 축 홈(252)과 축 널링(253)과 출력 기어(300)에 형성된 돌기(251)의 구성을 통해 출력 축(200)과 출력 기어(300) 사이에 존재하는 비틀림 토크에 견딜 수 있는 효과가 있다.
베어링 홈(310)은 출력 축(200)을 중심으로 하여 출력 기어(300)의 상단에 형성된다. 베어링 홈(310)에는 니들롤러 베어링(400)과 커버가 수용될 만큼의 공간을 갖는다.
니들롤러 베어링(400)은 출력 기어(300)의 베어링 홈(310)에 배치된다. 종래에는, 롤러 베어링이 출력 기어(300)의 상부에서 축 방향으로 형성되어 전자식 액츄에이터의 전체 길이가 롤러 베어링의 길이만큼 연장되는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 의한 전자식 액츄에이터에 따르면, 니들롤러 베어링(400)이 출력 기어(300)의 상면에서 아래로 형성된 베어링 홈(310)에 배치됨으로써, 니들롤러 베어링(400)의 길이 중 출력 기어(300)와 중첩되는 부분만큼 전자식 액츄에이터(100)의 전체 길이의 연장분이 감소됨으로써 그만큼 전자식 액츄에이터(100)의 전체 길이가 줄어드는 효과가 있다.
도 4를 참조하면, 니들롤러 베어링(400)은 베어링 하우징(420)의 내부에 형성된다. 니들롤러 베어링(400)의 상부와 하부에는 씰부재(410)가 구비된다. 종래에는, 볼 베어링과 씰링 와셔를 함께 사용하였기 때문에 씰링 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 따르면, 니들롤러 베어링(400)의 양측에 씰부재(410)가 배치되어, 출력 축(200)의 회전에도 씰링을 확보할 수 있는 효과가 있다.
마그넷(500)은 출력 축(200)의 하단에서 고정부재(800)에 의해 출력 축(200)에 결합된다. 출력 축(200)과 마그넷(500)의 결합 구조에 대해서는, 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.
센서(600)는 출력 축(200)에 결합된 마그넷(500)의 하부에 구비된다. 종래에는, 호 형태의 마그넷이 출력 기어(300)의 상면에 형성되는 마그넷 홈(35)에 형성되어 온도에 따른 Gauss의 변화에 따라 센서의 오차가 커지는 현상이 발생하였다. 이는 센서가 마그넷 플럭스(magnet flux)의 크기에 따라 각도를 계산하기 때문에 고온 조건에 따른 자력 감소에 크게 영향을 받기 때문이었다. 그러나, 본 발명에 따르면, 센서가 마그넷 플럭스의 x방향/y방향의 비율로 각도를 계산하기 때문에 고온 조건에 따른 자격 감소에 영향을 받지 않는 효과가 있다.
ECU 커버(720)는 출력 축(200)의 하부에 형성되는 ECU를 보호하도록 ECU 하우징과 결합하도록 형성된다. ECU 커버(720)에 구성에 대해서는 도 7을 참조하여 후술한다.
도 6은 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 출력 축과 마그넷의 결합 구조를 도시하는 도면으로서, 도 6(a)는 결합 전을 도시하는 도면, 도 6(b)는 결합 후를 도시하는 도면이다.
도 6에서 알 수 있듯이, 출력 축(200)은 하단에 축방향 홈(270)과 회전방향 홈(271)을 구비한다. 출력 축(200)은 축방향 홈(270)과 회전방향 홈(271)을 통해 고정부재(800)와 결합한다. 고정부재(800)는 축방향 홈(270)에 밀착되는 제 1 단부(810)와 축방향 홈(270)과 회전방향 홈(271)에 밀착되는 제 2 단부(820)을 구비한다. 상술한 구성을 통해, 고정부재(800)는 마그넷(500)을 출력 축(200)에 결합시키고, 또한 출력 축(200)의 회전시에도 고정부재(800)는 회전과 흔들림이 방지되는 효과가 있다.
도 6을 참조하여 출력 축(200)과 고정부재(800)를 상술하면 아래와 같다. 축방향 홈(270)은 출력 축(200)의 하단에서 출력 축(200)의 외주면에 형성되는데, 축방향 홈(270)이 형성된 부분에서 출력 축(200)은 반경 a 및 길이 h1의 형태를 갖는다. 회전방향 홈(271)은 출력 축(200)의 길이 방향에서 축방향 홈(270)의 하부에 형성되는데, 회전방향 홈(271)이 형성된 부분에서 출력 축(200)은 반경 a 및 길이 h2의 형태를 갖고, 회전방향 홈(271)이 형성된 나머지 부분에서는 출력 축(200)은 반경 b의 형태를 갖는다. 따라서, 축방향 홈(270)과 제 1 단부(810)의 밀착을 통해 고정부재(800)는 출력 축(200)의 회전시에 축 방향으로 흔들림이 방지된다. 또한, 회전방향 홈(271)과 제 2 단부(820)의 밀착을 통해 고정부재(800)는 출력 축(200)과 일치하여 회전할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명에 의한 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터의 ECU 커버를 도시하는 도면으로서, 도 7(a)는 단면도, 도 7(b)는 전면도이다.
도 7에서 알 수 있듯이, ECU 하우징(710)은 출력 축(200)의 하부에 구비된다. ECU 하우징(710)의 끝단에는 결합홈(711)이 구비된다. 종래에는, ECU 하우징에 ECU 커버를 볼트를 이용하여 결합하기 위해 ECU 하우징의 끝단에 볼트 장착 공간을 두어야 했기 때문에, ECU 커버의 사이즈가 커지는 문제점이 있었다. 또한, ECU 하우징과 ECU 커버 사이에 별도의 씰링 부재가 요구되었다. 그러나, 본 발명에 따르면, 결합홈(711)에 실리콘을 도포하여 ECU 커버(720)을 삽입함으로써, ECU 하우징(710)과 ECU 커버(720)는 고정될 수 있고, 동시에 씰링되는 효과가 있다.
100: 전자식 액츄에이터 200: 출력 축
250: 축 결합부 300: 출력 기어
400: 니들롤러 베어링 500: 마그넷
600: 센서 710: ECU 하우징
720: ECU 커버 800: 고정부재

Claims (7)

  1. 출력 축(200)과 축 결합부(250)에서 결합되고, 상면에 베어링 홈(310)이 형성된 출력 기어(300); 및
    상기 출력 축(200)을 둘러싸고 상기 베어링 홈(310)에 구비되는 니들롤러 베어링(400)을 포함하는 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 니들롤러 베어링(400)의 상부와 하부에 구비되는 씰부재(410)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 축 결합부(250)는 상단 및 하단에 각각 돌기(251)를 구비하고,
    상기 출력 축(200)은 상기 축 결합부(250)의 상기 각각의 돌기(251)에 밀착하는 축 홈(252)을 각각 구비하고,
    상기 각각의 축 홈(252) 사이에는 상기 출력 축(200)의 외주면을 따라 축 널링(253)이 구비되는 것을 특징으로 하는 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 축(200)의 하단에 구비되는 마그넷(500); 및
    상기 마그넷(500) 하부에 구비되는 센서(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 마그넷(500)의 외주면에 구비되어 상기 출력 축(200)에 상기 마그넷(500)을 고정시키는 고정부재(800)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 출력 축(200)은 하단에 축방향 홈(270)과 회전방향 홈(271)을 구비하고,
    상기 고정부재(800)는 상기 축방향 홈(270)에 밀착되는 제 1 단부(810), 상기 축방향 홈(270)과 상기 회전방향 홈(271)에 밀착되는 제 2 단부(820)를 구비하는 것을 특징으로 하는 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 축(200)의 하부에 구비되어 ECU를 수용하고, 끝단에 결합홈(711)을 구비하는 ECU 하우징(710); 및
    상기 결합홈(711)에 삽입되어 상기 ECU 하우징(710)을 밀폐하는 ECU 커버(720)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차져 웨이스트게이트용 전자식 액츄에이터.
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