CN100381717C - 用于流体动力轴承的轴,流体动力轴承装置和轴的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于流体动力轴承装置的轴(2)的制造方法，通过控制要加工成用于流体动力轴承的轴(2)的棒状坯料(5)与磨削坯料(5)的外圆周(5a)的磨轮(加工工具)(11)的相对振动，制造出轴(2)，它有数个在和围绕外圆周(2a)配置的槽(2b)，槽(2b)和外圆周(2a)的表面有相同的粗糙度，并且表面上的加工痕迹排列在圆周方向。

Description

用于流体动力轴承的轴，流体动力轴承装置和轴的制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于流体动力轴承装置的轴，该轴有一个按形状制造的在相对轴承转动时在与轴承的间隙中产生流体动力的外圆周，一种具有该轴的流体动力轴承装置，和一种该轴的制造方法。

背景技术

在某些类型的流体动力轴承中，槽形成在穿过滑动方向的方向在轴和轴承的支承面中的至少一个上，以改进转动轴心的稳定性。槽有两种类型，人字形(例如，日本专利申请，KOKAI公开号2000-227119)，和与转动轴心平行配置的类型(例如，国际专利申请，KOKAI公开号98/38433)。

另一种类型的动力气压轴承装置有一个固定轴，和一个对固定轴的外圆周具有间隙的中空转动轴。固定轴的外圆周制造成等半径的多弧或等半径的椭圆形状。固定轴的外圆周和中空转动轴的内圆周之间的缝隙具有类似于奇数(三)正弦波的形状。该类型用于光偏转器(例如，日本专利申请，KOKAI公开号7-230056)。轴的表面被阳极氧化处理。

本发明的流体动力轴承装置和用于流体动力轴承的轴是一个转动体，在低速或高速单向或双向(向前和反向)转动，或者连续或间断地转动；或者是一个支撑转动体的部件。转动体或支撑转动体的部件具有通过转动沿圆周或纵向方向移动润滑剂的功能，并且通过减小滑动阻力来稳定转动。

为了增加流体动力轴承装置的转动精度，以达到控制在流体动力轴承装置的高转动频率范围内半涡流(half whirl)的产生，和轴及轴承即使在低转动频率下也稳定地转动没有互相碰撞的程度，必须增加槽的数目和更精确地形成槽。人字形槽通过对掩盖的(masked)棒状材料进行蚀刻，喷丸处理或喷丸加工来形成，以降低加工成本。在这些加工过程中，困难的是提高加工精度到一定水平之上。由于转动特性随着人字形图案的方向不同，因此在组装轴承装置时需要考虑转动方向。

当槽通过蚀刻，喷丸处理，喷丸加工，磨削或激光加工形成在沿转动轴心的方向时，一个不连续的部分形成在槽和外圆周之间的边界。因此，当转动频率增加时，在转动的下行侧从不连续的部分容易出现分离层。分离层的形成可能导致在轴和轴承之间不能产生希望的流体动力。

另外，在任何加工方法中，除了形成槽的加工过程之外，必须有增加轴和轴承圆度的加工过程。经过形成槽和增加圆度的加工过程的轴必须表现出在每个加工过程中都具有高重复性的加工和定位精度。因此，降低轴的制造成本是很困难的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于流体动力轴承的轴，它具有控制半涡流并在低转动频率范围内减小在轴和轴承之间在接触开始的转动频率的转动稳定性；提供一种有该轴的流体动力轴承装置，以及一种以低成本制造高精度的流体动力轴承的轴的方法。

本发明的流体动力轴承的轴有数个在和围绕外圆周配置的槽，槽和外圆周的表面具有相同的粗糙度，表面上的加工痕迹排列在圆周方向。槽至少部分地连续，从而将流体动力轴承转动轴的偏转减到最少。槽制成与转动轴心平行，以稳定在转动轴径向方向作用的力沿轴向方向的分布。槽被制成使以转动轴心为中心的转动方向上的相位沿轴的中心变化，来控制槽中流体的流向。槽被制成使外圆周沿圆周在径向方向象正弦波一样变化，从而防止对转动方向的转动轴稳定性的偏差，并消除轴和轴承之间的接触。

本发明的流体动力轴承装置包括一个轴，它有数个在和围绕外圆周配置的槽，槽和外圆周的表面具有相同的粗糙度，表面的加工痕迹排列在圆周方向；和包括一个有围绕轴的外圆周的圆柱形内圆周的轴承。

本发明的一种用于流体动力轴承的轴的制造方法，通过控制要加工成轴的棒状坯料与加工坯料外圆周的工具之间的相对振动，轴被制成有数个在和围绕外圆周配置的槽，槽和外圆周的表面具有相同的粗糙度，表面上的加工痕迹排列在圆周方向。控制的振动是在坯料与工具之间产生的自激振动，或者是在有加工工具的机器中产生的受迫振动。

根据本发明的用于流体动力轴承的轴的制造方法，通过在加工过程中用自激振动来振动坯料，轴被制成有数个槽，配置在和围绕着要由无心磨床加工成流体动力轴承的轴的棒状坯料的外圆周。通过控制自激振动的频率，槽平滑地延续到外圆周，并且以相等间距配置在和围绕着外圆周。当制造用于流体动力轴承的轴，它在槽的数目和深度中的至少一个上不同时，改变无心磨床的磨削条件中的至少一个，即，调节轮的转动频率，调节轮的硬度，磨轮的转动频率，磨轮的粒度，磨轮粘结剂的硬度，磨轮的颗粒密度，刀的顶角，坯料的中心高，对磨轮的中心高度角，对调节轮的中心高度角，调节轮转动轴心与坯料的转动轴心的倾角，以及磨轮对坯料的切削深度中的至少一个。无心磨床调节轮和磨轮中的至少一个的转动频率，或坯料的中心高在加工过程中被改变，从而形成其中在以轴的轴心为中心的转动方向上的相位沿轴心方向改变的槽。强行振动无心磨床磨轮的转动轴，或者改变转动轴心上产生的振动幅度，来改变槽的深度。

根据本发明的用于流体动力轴承的轴的制造方法，通过在要加工成轴的棒状坯料与有磨削坯料外圆周的磨轮的外圆磨床之间产生震颤，用于流体动力轴承的轴被制造成有数个在和围绕外圆周配置的槽，槽和外圆周的表面有相同的粗糙度，表面的加工痕迹排列在圆周方向。或者，通过在要加工成轴的棒状坯料与有切削坯料外圆周的刀的切削磨床之间产生震颤，用于流体动力轴承的轴被制成有数个在和围绕外圆周配置的槽，槽和外圆周的表面有相同的粗糙度，表面的加工痕迹排列在圆周方向。

本发明的流体动力轴承的轴在外圆周有数个槽，当相对于一个外插在以转动轴心为中心的轴上的轴承转动时产生流体动力。槽在外圆周上在沿转动轴心的方向延伸一定长度，轴的半径沿圆周逐渐变化。槽的深度D，作为半径的最大值和最小值之间的尺寸差，在0.1-100μm的范围。假设外接该圆周形状的平均圆展成一条直线。则，沿垂直穿过转动轴心方向的轴的外圆周的轮廓f(θ)可用下列多项式表示：

$f\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{K_n}{2}\sin \left(\mathrm{n\θ}\right)$

其中，θ是方位角。

在这种情况下，应该满足下列条件：

$0.1\≤\frac{K_n}{2}\≤100\left[\mathrm{\μm}\right]$

$0{\≤K}_{n+1}\≤\frac{K_n}{2}\left[\mathrm{\μm}\right]$

D＝f(θ)_MAX-f(θ)_MIN

本发明的流体动力轴承的轴具有奇数个槽，在穿过与转动轴心垂直的平面方向从一端到另一端连续延伸，配置成以转动轴心为中心的转动对称。被展开，延伸成以转动轴心为中心的径向方向上的变化量的沿圆周的外部形状的轮廓，类似于正弦波。槽的数目优选为从3到15中选取的奇数。

从转动稳定性的角度讲，奇数是所希望的。但是，当奇数大于15时，外圆周的形状接近于圆，产生的流体动力是分散的，并且不能获得希望的效果。尽管下限值是3，但转动用奇数3在高速侧可能不稳定。在5到9的范围内，加工稳定性(重复性)良好，生产能力提高，并能获得优良的特性。

本发明的流体动力轴承装置有一个轴和一个外插在轴上的轴承。轴在外圆周上有数个槽，当轴相对于以转动轴心为中心的轴承转动时产生流体动力。槽在外圆周以沿转动轴心的方向延伸一定长度，轴的半径沿圆周逐渐变化。槽的深度D，作为半径的最大值和最小值之间的尺寸差，优选在0.1-100μm的范围。在该流体动力轴承装置中，轴承是固定的，轴是转动的。当外接轴的柱面直径假定为Ф，从柱面到轴的外圆周在径向方向上的尺寸平均值假定为D_AVE，以及轴承的内圆周表面与外接轴的柱面之间直径间隙的平均尺寸假定为C时，它们优选有由{D_AVE+(C/2)}/Ф≤7.5×10^-4表示的关系。

轴和轴承中的至少一个优选用氧化铝、氮化硅、氧化锆、氮化铝、渗碳钢、弹簧钢、合金工具钢、马氏体时效钢、钛合金、铝、不锈钢制造，或者用通过用电镀或喷涂涂覆些材料的基底金属制造的材料中的至少一种来制造。

附图说明

图1是示意性地示出本发明第一实施方案的流体动力轴承装置的轴承的局部剖视的透视图；

图2是穿过图1所示的轴的中心和轴承的轴心的剖面图的局部放大图；

图3是图1所示的轴的透视图；

图4是直角穿过图3所示的轴的中心的轴的剖面图；

图5是示出用无心磨床车加工图3所示轴的加工状态的示意图；

图6是示出图5所示的轴，磨轮，调节轮，和刀之间的位置关系的示意图；

图7是轴的透视图，有用图5所示的无心磨床制成的螺旋槽；

图8是轴的透视图，有用图5所示的无心磨床制成的波形槽；

图9是轴的透视图，有用图5所示的无心磨床在几个部分制成的连续槽；

图10是示出用外圆磨床加工图3所示的轴的加工状态的示意图；

图11是示出用切削机加工图3所示的轴的加工状态的示意图；

图12是本发明第二实施方案的流体动力轴承装置的轴承的局部剖视的透视图；

图13是图12所示的流体动力轴承装置的剖面图，沿与转动轴心垂直的平面剖开；

图14是示出图12所示的流体动力轴承的圆周轮廓的视图，从圆展开并放大半径方向上的变化量；

图15的曲线图示出在图12所示的流体动力轴承中，间隙与接触开始的转动频率之间的关系；

图16的曲线图示出在图12所示的流体动力轴承中，圆周形状的变化率与接触开始的转动频率之间的关系；

图17的曲线图示出在图12所示的流体动力轴承中，指示轴的稳定性的指数与接触开始的转动频率之间的关系；和

图18的曲线图示出在图12所示的流体动力轴承中，指示轴的稳定性的指数与轴的刚性之间的关系。

具体实施方式

以下将参照附图1至图8来说明本发明第一实施方案的流体动力轴承装置1。如图1所示，流体动力轴承装置1有轴2和轴承3。轴2在外圆周2a上有数个槽2b(图1到图4中的25个槽)。在本实施方案中，为了清楚地说明槽，槽2b的深度D示出比实际深度要大。例如：在使用空气作为流体的流体动力轴承装置1中，轴2的直径(最大)约为10mm时，图2所示的槽2b的深度D约为几微米。

槽2b的深度D优选设置为与轴2的直径成较大的比例。根据产生流体动力的原理，槽2b的深度D设置在1-100μm的范围，与轴的直径不成比例，但依据要使用的转动频率。构成稳定性的槽用0.5μm或更大的深度大大地增强，并且效果用10μm或更小的深度很大地提高。

槽2b从一端到另一端连续地形成与轴2的转动轴心2c平行，如图3所示，并且以相等间距围绕着外圆周2a配置，如图4所示。槽2b和外圆周2a有相同的表面粗糙度，并且加工痕迹排列在圆周方向。本说明中提到的加工痕迹是指通过切削加工形成的明显条纹。

如图2和图4所示，槽2b从外圆周2a平滑地延续。在本实施方案中，槽2b通过将径向方向上外圆周的形状2a平滑地变化到沿圆周方向的正弦波来制成。轴承单元3有一个柱形的内圆周3a，环绕着轴2的外圆周2a。形成流体薄膜的尺寸缝隙4形成在内圆周3a和轴2的外圆周2a之间。

在按上述制成的流体动力轴承装置1中，槽2b的截面形状对称于转动方向。因此，当轴2和轴承3相对转动时，转动特性在任何一个转动方向上相同。即在作用在转动开始和停止的负荷扭矩相同，并且在转动开始和停止时变为互相接触，轴2的外圆周2a和轴承3的内圆周3a磨擦情况相同。因此，流体动力轴承1的耐久性在任何转动方向上没有不同。在任何一个转动方向上获得相同的运转特性，如稳定转动所需的时间，提供稳定转动的转动频率等等。

由于槽2b平滑地延续到外圆周2a，所以紊流很难在从外圆周2a到槽2b的转动方向的下行侧在流体流中引发，轴2与轴承3之间的缝隙4在此扩大(具体地，部分A，当轴2以图2中的箭头方向转动时)。另外，轴2的槽2b和外圆周2a的表面粗糙度是有相同的表面粗糙度，并且加工痕迹排列在圆周方向。因此，当流体动力轴承装置1的轴2相对于轴承3转动时，在轴2的外圆周2a和槽2b与轴承3的内圆周3a之间的流体沿加工痕迹流动，并且紊流很难引发，流体分离很难在下行侧引发。因此，相对于轴2和轴承3的相对转速，转动轴心2c在从转速慢的低频范围到转速高的高频范围的大范围内易于稳定。

接下来，参照图5和图6说明轴2的制造方法。轴2由图5所示的无心磨床10加工。无心磨床10有一个磨轮11，一个调节轮12和一个刀13。磨轮11磨削要加工成流体动力轴承的轴2的棒状坯料5的外圆周5a。调节轮12转动坯料5来改变与磨轮11的接触表面5b。刀13通过从磨轮11倾斜到调节轮12的上斜面13a来支撑坯料5。磨轮11和调节轮12按图5中箭头14和15所示的相同的方向转动。

图6示出了磨轮11，调节轮12，刀13和要加工成流体动力轴承的轴2的坯料5之间的关系。坯料5设置成接触磨轮11，调节轮12和刀13。坯料5的中心5c设置成比连接磨轮11的中心11a和调节轮12的中心12a的参考线U高中心高H。

无心磨床10通过改变下列磨削条件来改变加工状态，如刀13的顶角α，坯料5的中心高H，参考线U与连接坯料5中心5c到磨轮11中心11a的线所形成的角β(对磨轮11的中心高度角)，参考线U与连接坯料5中心5c到调节轮12中心12a的线所形成的角γ(对调节轮12的中心高度角)，调节轮12的转动轴心17对于坯料5的转动轴心16的倾角σ，磨轮11的转动频率，调节轮的转动频率，磨轮11的粒度，调节轮12的硬度，磨轮11粘结剂的硬度，磨轮11的颗粒密度，和磨轮11对坯料5的切削深度。刀13的顶角α通过用设置有不同角度的不同斜面13a的刀替换刀13来改变。坯料5的中心高H通过调节刀13位置，和磨轮11与调节轮12的中心之间的距离来改变。对磨轮11的中心高度角β通过用不同半径的磨轮替换磨轮11来改变。对调节轮12的中心高度角γ通过用不同半径的调节轮替换调节轮12来改变。传统上，在无心磨床10，切削条件设定到增加棒状坯料5的圆度和柱面性。

在本实施方案，切削条件设定到在用于无心磨床10的加工工具的磨轮11和加工成流体动力轴承的轴2的坯料5之间产生相对振动，即所谓的震颤。有两种类型的震颤，在坯料5和磨轮11之间产生的自激振动，和在无心磨床10产生的受迫振动。当这些振动在加工过程中引发时，预置的磨削条件略微改变以满足振动的周期，加工状态周期性地变化。因此，数个槽2b形成并且围绕轴2的外圆周2a配置。槽2b的数目取决于振动频率，槽2b的深度D取决于振幅。因此，通过轻松地调节磨削条件和控制震颤频率能制造出有希望数目的槽2b的轴2。通过调节磨削条件和控制震颤幅度还能制造出有希望深度D的槽2b的轴2。更具体地是，具有不同数目的槽2b的轴2能通过改变磨轮11，调节轮12和刀13相对于坯料5的相对位置来制成。具有不同深度D的槽2b的轴2能通过改变支撑磨轮11的磨削轴的中心振动范围和表面特性(磨轮11的颗粒，磨轮的磨轮粘结剂的强度)来制成。

震颤频率和幅度还取决于坯料5，刀13，支撑磨轮11和调节轮12的部件，和无心磨床10的特性频率。因此，使得有可能在无心磨床10的适当位置提供振动控制机构来改变特性频率，而不改变磨削条件。为控制震颤，还有可能通过用添加外振动控制振动引发自激振动或受迫振动，而不调节磨削条件。

换句话说，在本发明的轴2的制造方法中，具有围绕外圆周2a配置的槽2b的轴2通过控制振动来制造。由于外圆周2a和槽2b通过转动轴2沿圆周被同样地磨削，所以外圆周2a和槽2b的表面粗糙度被同样地精加工，磨削形成的加工痕迹排列在圆周方向。由于磨轮11的转动轴心18和坯料5的转动轴心16配置成相互平行从一端到另一端完全接触，所以形成在轴2的外圆周2a的槽2b与轴2的转动轴心2c平行。通过以一定水平控制振动频率和幅度，槽2b以相等间距配置在轴2的外圆周2a。另外，通过本实施方案的轴2的制造方法，槽2b在加工有希望的圆度和柱面性的坯料5的同时被制成。

通过相对于坯料5的转动轴心16倾斜调节轮12的转动轴心17，坯料5在磨削的同时在沿图5箭头V所示的转动轴心16的方向进给。这就是所谓的贯穿进给磨削。

贯穿进给磨削的进行是通过放置磨轮11与坯料5的总长度部分接触，和设置磨削条件使震颤频率成为一个值，而不绕转动轴心16转动的坯料5的频率的自然数倍数。在这些情况下，例如螺旋槽2s如图7所示制成，其中在围绕轴2的转动轴心2c的转动方向上的相位沿转动的轴心2c改变。

换句话说，图2所示的轴2是通过把震颤频率固定到自然数倍数沿转动轴心2c形成槽2b的实施例。当震颤频率被改变把某些自然数看作贯穿进给磨削过程中的参考时，螺旋方向相对于转动轴心2c改变到顺时针和逆时针。换句话说，能制造出具有形成象图8所示的拟人字波的槽2h的轴2。

通过在贯穿进给磨削过程中产生(摆动)，控制或改变振动，能制造出具有如图9所示的部分连续的槽2p的轴2。

现在，说明用无心磨床10加工流体动力轴承的轴2的一个实施例。作为加工和形成流体动力轴承的轴2的坯料5，使用外径约8mm的棒状氧化铝陶瓷。将中心高度H设定到0-15mm作为要改变的磨削条件，计算形成在轴2的外圆周2a的槽2b的数目。因此，在中心高度H的基础上在没有振动的条件下(在精加工有希望的圆度和柱面性的轴2的条件下)，在中心高H比参考中心高H小2-10％的条件下形成3-21个槽2b，在中心高度H高于2-10％的条件下形成22-50个槽2b。

对于有不同数目的槽2b的轴2测试转动偏差和耐久性。偏差随槽2b的数目增加变小。但是，由于根据轴2的直径产生希望的流体动力的槽2b的数目上有限制，所以如果槽2b的数目太多，反而容易引起转动的偏转。对外直径约为8mm的轴2进行的该测试证明转动轴心的偏转在槽2b的数目为3-40时小于希望值。耐久性用转动偏转超过允许限度的预定值的转动频率评价。当槽2b的数目增加时，耐久性降低。

磨轮11的转动轴心18的偏转通过五个槽形成为槽2b的一定中心高H的条件下施加外振动来改变。当磨轮的转动轴心18的偏转增加时，槽的深度变深。当偏转减少时，深度变浅。

上述的加工及结果仅是作为实施例。因此，通过改变一个或几个磨削条件产生有希望频率和振幅的振动就能容易地制造出具有所希望的槽的数目和深度的轴。磨削条件包括：调节轮的转动频率，调节轮的硬度，磨轮的转动频率，磨轮的粒度，磨轮粘结剂的硬度，磨轮的颗粒密度，刀的顶角，坯料中心高，对磨轮的中心高度角，对调节轮的中心高度角，调节轮的转动轴心与坯料的转动轴心的倾角，和磨轮对坯料的切削深度。

还有其它装置能实现制造有在外圆周2a形成的槽2b的轴2的制造方法，通过控制坯料5与除无心磨床10之外的加工工具之间的相对振动。图10示意性地示出了用外圆磨床20制造轴2的状态。图11示意性地示出用切削(cutting)磨床30制造轴2的状态。在图10中，外圆磨床20有一个磨轮21作为加工工具。在图11中，切削磨床30有一个刀31作为加工工具。在任何一个机器中，坯料5由主轴22和顶尖轴23定心，并且被可转动地支撑。在外圆磨床20，轴2通过其中在坯料5和磨轮21之间产生震颤的情况来加工。在切削磨床30，轴2通过其中在坯料5和刀31之间产生震颤的情况来加工。因此，与无心磨床10类似，能制造出用于流体动力轴承的轴，它有在和围绕外圆周2a配置的槽2b，槽2b和外圆周2a的表面粗糙度相等，并且加工痕迹排列在圆周方向。

根据本实施方案的轴2的制造方法，通过控制在要加工成流体动力轴承的轴2的棒状坯料5与加工坯料5的加工工具之间的相对振动，能同时进行加工具有希望的圆度和柱面性的轴2的加工过程以及在和围绕轴2的外圆周2a形成槽2b的加工过程，这些加工过程是制造具有在和围绕着外圆周2a形成的槽2b的用于流体动力轴承的轴2所必须的。本方法不需要精加工过程来去除在形成槽2b的过程中产生的毛刺。本方法使得能够一次形成数个槽2b，而不管槽2b的数目多少。

本实施方案的轴2仅作为具有在外圆周2a形成的槽2b的用于流体动力轴承的轴2的一个例子，槽2b的数目并没有被限制在此。还可使用水，油或粘滞阻力小于水的有机溶剂，其它气体，如空气和惰性气体，作为填充本实施方案所示的流体动力轴承装置1的轴承3和轴2之间的缝隙4的流体。

现在，参考图2至图17说明根据本发明第二实施方案的流体动力轴承装置1。对于与第一实施方案的流体动力轴承装置1中的那些部件有相同功能的部件使用相同的参考编号并且省略对其的说明。如图12所示，流体动力轴承装置1有一个轴2和一个轴承3。轴2有外圆周2a，带有大于3小于15的奇数个槽2b，在如图13所示本实施方案中个数为5，有以转动轴心2c为中心的转动对称在和围绕着圆周形成。具体地，由于槽通过形成奇数个槽2b没有配置在直径方向的两侧，所以转动轴心2c的偏转能被减到最小。每个槽2b在穿过与转动轴心2c垂直的平面方向从轴2的一端2e连续延伸到另一端2f。

在这种情况下，希望槽2b以相等间距转动对称地配置，并且平行延伸，使通过轴2的转动产生的流体动力的分布沿轴2的外圆周周期性地改变。图14示出轴2的外圆周2a轮廓。该轮廓在与外圆周2a接触的外接圆展成一条直线的状态下示出。在图14所示的轮廓，在以转动轴心2c为中心的径向方向上的变化量是连续的。轮廓示出半径沿轴2的转动方向平滑连续地改变的形状。

轴2外圆周的形状(外圆周2a的轮廓)将更具体表示。如图14所示，当与圆周的形状接触的平均圆展成一条直线时，轴2的圆周形状的轮廓f(θ)由下列多项式表示：

$f\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{K_n}{2}\sin \left(\mathrm{n\θ}\right)$

其中，θ是对轴2的转动轴心2c的方位角(图13和14)。

在这种情况下，应该满足下列条件：

$0.1\≤\frac{K_n}{2}\≤100\left[\mathrm{\μm}\right]$

$0\≤K_{n+1}\≤\frac{K_n}{2}\left[\mathrm{\μm}\right]$

D＝f(θ)_MAX-f(θ)_MIN

在本实施方案中，槽2b的深度D(在以转动轴心为中心的径向方向上的变化量)示出比图13以及其它图中的实际深度要大，从而清楚地说明槽2b的形状和位置。例如，当空气被用作流体动力轴承装置1的工作流体时，轴2的直径(最大直径)约为10mm，图13中所示的槽2b的深度D在0.1-100μm。

轴承3有比外接轴2的外圆周2a的柱面大的内圆周3a。有足够尺寸来形成流体(在本实施方案中为空气)薄膜的缝隙4形成在轴承3的内圆周3a和轴2的外圆周2a之间。

在按上述制造的流体动力轴承装置1中，槽2b的截面形状对圆周对称。因此，当轴2和轴承3相对转动时，转动特性在任何一个转动方向上相同。因此，作用在转动开始和停止的负荷扭矩相同，轴2的外圆周2a和3的内圆周3a在转动开始和停止时相互接触，内和外圆周的摩擦情况相同。因此，流体动力轴承装置1的耐久性在任何转动方向上没有不同。根据稳定转动所需的时间和提供稳定转动的转动频率，流体动力轴承的性能在任何一个转动方向上相同。

由于沿着外圆周2a圆周的轮廓是平滑连续的，因此在槽2b的转动方向的上行部分在流体流中很难引发紊流，轴2的外圆周2a与轴承单元3的内圆周3a之间的距离在此扩大(具体地，部分A，当轴2以图13的箭头方向转动时)。

轴2由图5所示的第一实施方案的无心磨床10贯穿进给磨削的。因此，轴2的外圆周2a的表面粗糙度是一样的，并且加工痕迹排列在圆周方向。本说明中提到的加工痕迹是指由切削加工形成的明显条纹。当流体动力轴承装置1的轴2相对于轴承3转动时，在轴2的外圆周2a和槽2b与轴承3的内圆周3a之间的流体沿加工痕迹流动。因此，在轴2和轴承3之间很难引发紊流，在下行侧很难引发流体流的分离。因而，相对于轴2和轴承3的相对转速，转动轴心2c在从转速慢的低频范围到转速快的高频范围的很大范围内易于稳定。

为了降低重量，轴2和轴承3中的至少一个是由氧化铝、氮化硅、氧化锆、氮化铝、渗碳钢、弹簧钢、合金工具钢、马氏体时效钢、钛合金、铝、不锈钢制造，或者用通过用电镀或喷涂涂覆些材料的基底金属制造的材料中的至少一种来制造的。

优选将这些材料应用到至少是转动件，特别是有利于流体动力轴承装置1的加速和减速的元件。合金工具钢是一种与按日本工业标准分类的SKD和SKS合金工具钢材料相对应的材料。

我们已做了一个实验来选择适当的范围，假设槽2b的深度D的平均尺寸为D_AVE，外接外圆周2a的柱面的直径(以下称为外径)为Ф，柱面和内圆周31之间直径间隙的平均尺寸为C。结果如图15到图17所示。

在该实验中，轴2是一个转动件，轴承3是一个固定件。用于本实验的轴2外径Ф为8mm，槽的数目n为5。使用的两或多个轴承3有约5μm的平均尺寸C在轴2的外径Ф和内圆周3a的直径(以下称内径)之间。对于每种情况，在24000rpm的转动频率测量流体动力。在转动频率增加到24000rpm后，停止供应驱动力，然后在轴2减速并与轴承3接触时测量接触开始的转动频率。

如图15所示，当间隙C变小时，转动轴心略微偏转，轴2与轴承3接触，并且接触开始的转动频率增加。当间隙C增加到一定值以上时，轴2和轴承3之间的流体动力减小，转动轴心可能偏转，并且接触开始的转动频率增加。

槽2b的深度D用

Ф表示，其中tanξ是外圆周2a的径向方向上的变化率，Ф是轴2的外径，和n是槽的数目。在槽2b在其变浅的下行部分B，当tanξ值增加时，轴2和轴承3之间的压力增加。在槽2b在其在变深方向变化的上行部分A，当tanξ值增加时，轴2和轴承3之间的压力减小。另外，在上行部分A，当tanξ值超过某些值时，在轴2和轴承3之间的流体流中引发紊流，转动轴心周围的压力分布变得不稳定，转动轴心偏转，和轴2变得容易与轴承3接触。因此，接触开始的转动频率在变化率tanξ从零增加时减小，图16所示，在某些值达到最小，然后逐渐增加。

因此，接触开始的转动频率，通过在轴2和轴承3之间产生的流体动力的分布作为轴2的稳定性的指数，用间隙C和变化率tanξ来表示，或者用把槽2b的平均深度D_AVE看作一个变量的函数来表示。

平均深度D_AVE和间隙C设定到{D_AVE+(C/2)}/Ф，接触开始的转动频率被绘出，如图17所示。它示出当有关系式{D_AVE+(C/2)}/Ф≤7.5×10^-4时，接触开始的转动频率减小到小于3000rpm。作为实验的一个结果，该关系式在100-100000rpm的轴2的转动频率范围内成立。

鉴于安装轴和轴承的精度限制，实际制造范围内平均深度D_AVE和间隙C的限制在0.1μm的亚微米级。鉴于存在于轴和轴承之间的轴支撑介质的量的减小，可转换为流体动力的能量量在间隙C非常小的范围内极度减小。类似地，即使平均深度D_AVE增加而间隙C很小时，间隙方向的流速级别增加，并且没有有效地产生流体动力。因此，如图18所示，作为轴支承力的轴承刚性仅能取某些值，例如，即使{D_AVE+(C/2)}/Ф成为小于0.25。

如果轴承刚性为常量，轴和轴承之间的接触状态仅与间隙的值有关系。在静态转动过程中，可由不平衡转动体引起的某些涡流被引发。如果间隙比涡流小，轴和轴承相互接触。结果，在{D_AVE+(C/2)}/Ф是小的范围内，接触转动频率大概会增加。

间隙C的上和下限由图15设定。基于间隙C的上和下限，槽2b的深度D的上和下限从图16确定。基于深度D和图16，与轴2的外径Ф相对应的槽2b的个数n被确定。

如上所述，根据本发明的用于流体动力轴承的轴，槽在和围绕外圆周配置，槽和外圆周的表面粗糙度相同，加工痕迹排列在圆周方向。因此，当该轴用于流体动力轴承装置时，轴相对于流体动力轴承装置的轴承转动，轴和轴承之间产生的流体流沿加工痕迹前进，紊流很难引发。流体动力轴承装置的转动轴心易于稳定，并且转动轴心的偏转在流体动力轴承装置的转动频率为高(转速快)的状态下能减到最小。本发明的有该轴的流体动力轴承装置提供与上述相同的效果。

在本发明的流体动力轴承装置的轴中，由于槽在至少一部分轴上连续形成，轴通过流体的流体动力在很大范围内沿着轴的中心被保持，并且转动的轴心易于稳定。对于具有在外围方向以相等间距配置的槽的轴，在空间中作用到轴承内圆周的流体动力能同样地被作用于轴上。对于具有平行于轴的中心形成的槽的轴，转动轴心的外围偏转能被控制到很小。对于具有的槽其在以轴为中心的转动方向上的相位沿轴的中心变化的轴，在空间中作用到轴承的流体动力在轴的中心方向是均匀的，并且转动轴心的总偏转能被控制到很小。对于具有的槽被制成使外圆周在沿圆周在径向方向上平滑和周期性地变化的轴，外圆周和槽是平滑连续的，在从外圆周到槽的转动方向的下行侧在流体流中很难引发紊流，轴和轴承之间的缝隙在此扩大，并且流体流的分离很难由槽中的流体流引起。因此，转动轴心在从快到慢的转速范围内易于稳定。

在本发明的轴的制造方法中，通过控制在要加工成流体动力轴承装置的轴的坯料与加工坯料外圆周的加工工具之间的产生的振动，流体动力轴承装置的轴有在和围绕着外圆周形成的槽。因此，能同时进行加工具有希望圆度和柱面性的轴的步骤，在轴的外圆周上形成槽的步骤，以及去除在形成槽的过程中产生的毛刺的精加工步骤。由于能同时进行传统上分开的步骤，所以能降低加工成本。另外，由于数个槽能一次形成，而不管槽的数目多少，所以加工成本并没有增加。

在根据本发明的流体动力轴承装置的轴，高压区产生在从槽到外圆周上的部分，半径在此增大，低压区产生在从外圆周到槽的部分，半径在此减小。也就是说，流体动力在轴转动时产生，高压区和低压区在轴的外圆周在固定位置交替出现。轴在轴的外围方向有意地产生压力分布，由此控制半涡流。

由于借助径向方向上变化量的放大被展成在直线上的沿外围方向的轮廓形成在径向方向上逐渐地周期性地变化，因此在从外圆周到槽的转动方向的下行侧在流体流中很难产生紊流。另外，由于槽从轴的一端到另一端在穿过与转动轴垂直的平面的方向连续地形成，因此没有引发紊流和轴中分离层的因素。

因此，在本发明的具有轴的流体动力轴承装置的结构中，在轴和轴承之间产生的流体动力分别在转速慢和高的低到高的转动频率范围内易于稳定。

也就是说，由于流体动力轴承的转动轴心稳定，和在轴和轴承之间在接触开始的转动频率减小，因此减小了在流体动力轴承的转动开始和停止在轴和轴承之间发生的碰撞次数的数目，并且改进了流体动力轴承的耐久性。

Claims (16)

1.一种用于流体动力轴承的轴，在其外圆周上，有数个围绕整个外圆周、并以相等间距配置的槽，并且所述槽的截面形状相对于圆周方向是对称的，形成的槽和外圆周的表面有相同的粗糙度，并且表面上的加工痕迹排列在圆周方向。

2.如权利要求1所述的用于流体动力轴承的轴，其特征在于所述的数个槽在所述轴的至少一部分连续形成。

3.如权利要求1所述的用于流体动力轴承的轴，其特征在于所述的数个槽以相等间距在和围绕圆周配置。

4.如权利要求1所述的用于流体动力轴承的轴，其特征在于所述的数个槽制造成与所述轴的中心平行。

5.如权利要求1所述的用于流体动力轴承的轴，其特征在于所述的数个槽制造成使以所述轴为中心的转动方向上的相位沿所述轴的中心变化。

6.如权利要求1所述的用于流体动力轴承的轴，其特征在于所述的数个槽制造成使所述外圆周沿圆周在径向方向变化到正弦波。

7.如权利要求1所述的用于流体动力轴承的轴，其特征在于所述轴的外接圆的直径Φ在1-50mm的范围。

8.如权利要求1所述的用于流体动力轴承的轴，当相对于外插在以转动轴心为中心的所述轴上的轴承转动时，所述槽产生流体动力，

其特征在于，所述槽在外圆周上在沿转动轴心的方向延伸一定长度，所述轴的半径沿圆周逐渐变化，和所述槽的深度D，作为半径的最大值和最小值之间的尺寸差，在0.1-100μm的范围。

9.如权利要求8所述的用于流体动力轴承的轴，其特征在于，假设外接轮廓的平均圆展成一条直线，沿垂直穿过转动轴心的方向的外圆周的轮廓f(θ)用下式表示：

$f\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{K_n}{2}\sin \left(\mathrm{n\θ}\right)$

其中θ为方位角，并且满足下列条件：

$0.1\≤\frac{K_n}{2}\≤100\left[\mathrm{\μm}\right]$

$0<K_{n+1}\&le;\frac{K_n}{2}\left[\mathrm{\&mu;m}\right]$

D＝f(θ)_MAX-f(θ)_MIN.。

10.如权利要求1所述的用于流体动力轴承的轴，其中，沿圆周的外形具有：

奇数个槽，在穿过与转动轴心垂直的平面方向从一端到另一端连续延伸，配置成以转动轴心为中心的转动对称；和

被展成扩大在以转动轴心为中心的径向方向上的变化量的沿圆周的轮廓制成象正弦波。

11.如权利要求8-10任一项所述的用于流体动力轴承的轴，其特征在于所述槽的数目是从3到15中选取的一个奇数。

12.一种流体动力轴承装置，其特征在于该装置包括：

轴，在其外圆周上，有数个围绕整个外圆周、并以相等间距配置的槽，并且所述槽的截面形状相对于圆周方向是对称的，形成的槽和外圆周的表面有相同的粗糙度，并且表面上的加工痕迹排列在圆周方向；和

轴承，有围绕所述轴的外圆周的圆柱形内圆周。

13.如权利要求12所述的流体动力轴承装置，其特征在于，所述槽在相对于以转动轴心为中心的所述轴承转动时产生流体动力；所述槽在外圆周上在沿转动轴心的方向上延伸一定长度；所述轴的半径沿圆周逐渐变化；和所述槽的深度D，作为半径的最大值和最小值之间的尺寸差，在0.1-100μm的范围。

14.如权利要求13所述的流体动力轴承装置，其特征在于所述轴承是固定的，所述轴是转动的。

15.如权利要求13所述的流体动力轴承装置，其特征在于外接所述轴的柱面的直径，作为从所述柱面到外圆周在径向方向上最大尺寸的平均值的平均深度，以及所述轴承的内圆周和所述柱面之间直径间隙的平均尺寸有下述关系，假设直径为Φ，平均深度为D_AVE，直径间隙的平均尺寸为C，则

{D_AVE+(C/2)}/Φ≤7.5×10^-4。

16.如权利要求13所述的流体动力轴承装置，其特征在于所述轴和轴承中的至少一个是用氧化铝、氮化硅、氧化锆、氮化铝、渗碳钢、弹簧钢、合金工具钢、马氏体时效钢、钛合金、铝、不锈钢制造，或者用通过用电镀或喷涂涂覆这些材料的基底金属制造的材料中的至少一种来制造。

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