CN102686896A - 柔性轴承底座 - Google Patents

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乔纳森·G.R.·麦克阿瑟
马修·M.·威尔金斯
迈克尔·C.·李
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Abstract

一种用于相对于支撑结构安装轴承的柔性轴承底座。本发明的轴承底座组件适应于吸收施加在轴承底座上的力。力转移元件将所施加的力的剪切分量转移给切力吸收器，所述切力吸收器吸收所施加的力的剪切分量并将轴承底座恢复回到原始位置。

Description

柔性轴承底座
技术领域
本发明涉及用于高性能旋转机械的柔性轴承底座。
背景技术
高性能旋转机械应用于多种工业应用中，例如用于发电和航天器推进的涡轮机组，太空船姿态控制装置和飞轮能量储存装置。
旋转机械一般包括可旋转地安装在固定机壳内的轴承上的旋转元件(例如，轴，涡轮或飞轮)。
在机械本身是移动的这些应用中，安装旋转部件引起特殊的问题，这是因为旋转机械的离轴力矩和动态冲击能降低运行效率和损坏昂贵的部件。这能导致大的经济损失和在最坏的情况下旋转机械的灾难性故障。另外，高性能旋转机械承受重大的轴向和径向负载，该负载必须由轴承恰当地支撑。
为处理这个问题，开发了柔性轴承，其允许旋转机械吸收动态冲击和振动。一类公知的柔性轴承提供装载有弹簧的箔片轴颈，所述箔片轴颈支撑着轴，其中，当机械以运行速度旋转时，在箔片轴颈和轴之间用工作流体润滑。
开发的另一类柔性轴承是利用策略性放置的弹性体来吸收动态冲击。然而，弹性体一般具有高热阻，现有技术中可用的弹性体的构造不允许轴承的热量消散，这能导致轴承的过热和完全故障。
还开发了主动磁悬浮轴承。然而，主动磁悬浮轴承典型地需要复杂的软件、执行器、位置传感器和控制硬件来确保机械壳内的旋转元件的准确和精确定位。
开发了角接触滚子轴承(angular contact roller bearing)，能够支撑旋转机械经受的径向和轴向负载。然而，这些类型的轴承需要额外冲击吸收底座(mount)，因为这些类型的轴承自己安装时不足以吸收动态冲击和振动。
为保证在高性能应用中的可能最长的运行寿命，角接触滚子轴承必须以高精度配合安装。因此，优选地能由硬质材料为角接触滚子轴承制造底座，该硬质材料能够为元件提供精确度、圆柱度、平整度、跳动度、同轴度和表面粗糙度的高公差。
因此，需要特别为高性能旋转机械设计的轴承底座：该底座在轴向和径向方向都具备高的负载能力；能吸收对机械外壳的动态冲击；不需要复杂的控制设备；具有允许热量消散的低热阻；或者，由允许高公差配合的材料构造。
发明内容
一方面，本发明提供一种相对于支撑结构安装轴承的轴承底座组件，该轴承底座组件包括轴承底座，该轴承装配包括力转移元件，该轴承底座组件进一步包括切力吸收器，其中，当力被施加到轴承底座组件以将该轴承底座从第一位置移到第二位置时，所述力转移元件将所述力的剪切分量转移给所述切力吸收器，所述切力吸收器吸收所述力的所述剪切分量并进行动作以将所述轴承底座恢复到所述第一位置。
附图说明
下面将更详细地描述本发明的优选实施例，结合下列附图能更好地理解本发明，在所述附图中：
图1A为本发明的一个实施例的横断面视图；
图1B为根据本发明的轴承底座组件的一个实施例的透视图；
图2A为根据本发明的包括球形底座布局的轴承底座组件的一个实施例的横断面视图；
图2B为根据本发明的包括球形力转移元件的轴承底座组件的一个实施例的透视图；
图2C为根据本发明的包括弧形力转移元件的轴承底座组件的一个实施例的透视图；
图3A为根据本发明的以圆锥形底座布局的轴承底座组件的横断面视图；
图3B为根据本发明的包括圆锥形力转移元件的轴承底座组件的一个实施例的透视图；
图3C为根据本发明的包括成角形力转移元件的轴承底座组件的一个实施例的透视图；
图4A、4B和4B为使用本发明有关的冲击吸收组件的各种实施例的平面视图；
图5为用于两个轴承底座错位的情况下的本发明的一个实施例的横断面视图；
图6为在第一种配置中利用旋转外圈的球形装配布置的本发明的一个实施例的横断面视图；
图7为在第二种配置中利用旋转外圈的球形装配布置的本发明的一个实施例的横断面视图。
具体实施方式
本发明提供一种适应于相对于支撑结构安装轴承的轴承底座。所述轴承可以是适于应用的任何轴承，在其它对熟练的技术人员是显而易见的轴承中，包括滚子轴承、球轴承、角接触轴承、滚针轴承和推力轴承。该轴承可以是单一的、双相的或三联的(即多个)轴承布局，可以由多种材料构造，包括但不限于陶瓷、钢铁和其它对本领域的技术人员是显而易见的适合的材料中的混合材料。在包含多个轴承的实施例中，这些轴承可以以任意种方式布置，包括但不限于面对面、背靠背，还有其他布置。轴承可以用油脂、油、油雾、石墨、PTFE、MoS2或其它固态润滑剂，或它们的组合，还有对熟练的技术人员理解的其它布置进行润滑。可构想的是该轴承可以或可以不包括轴承套(sleeve)。
在至少一个实施例中，轴承可旋转地支撑旋转元件，该旋转元件可以是轴、涡轮、飞轮、轮轴、陀螺仪或任一其它对本领域技术人员显而易见的旋转机械。典型地，旋转元件包括两端并且每一端需要至少一个轴承，然而，也可设想的是，旋转元件仅在一端需要支撑。
轴承底座和旋转元件可以在水平、垂直或视乎应用需要的其它任意方向取向。可设想的是，轴承底座和旋转元件能在任意环境中运行，包括但不限于大气、部分真空、完全真空、富油，还有其他环境。
支撑结构可以是适合支撑旋转元件的任意结构，例如但不限于轴承基架(pedestal)或机械外壳。
根据本发明的轴承底座包括力转移元件，设计为将作用在旋转元件或轴承底座组件上的力的一个分量进行转移而设计。这种力可以采取许多形式并可以在任意方向施加，包括但不限于离轴力矩、振动或动态冲击。
所述力转移元件转移由所述力转移元件的形状所确定的方向的力的剪切分量，下文将对其进行更详细的描述。当旋转元件或轴承底座组件受力时，所述轴承底座将相对于所述支撑结构移动位置，且所述力转移元件将把所述力的一个分量转移给切力吸收器，所述切力吸收器以剪切方式运行以将轴承点恢复到所述轴承点的第一位置。力转移元件可以容纳在支撑结构提供的槽内或者可替代地直接粘附于支撑结构上的表面、法兰(flange)或其它结构。
在至少一实施例中，力转移元件为突出的法兰，可以视乎应用的需要采用多种形状。
在至少一实施例中，轴承底座可以包括适应于容纳轴承的孔。所述轴承可以被允许在所述孔内轴向浮动，或者可替代地在孔内能轴向固定，下面将更详细地描述。在可替代的实施例中，轴承可以容纳在轮轴(axle)上或者轴承底座提供的容纳面上。
在至少一实施例中，该孔能经过轴承底座的整个轴向宽度延伸，然而，可替代地，该孔仅能部分经过轴承底座延伸。可设想的是，该孔可以包括内螺纹。该孔也可以包括轴承底座的埋孔或肩部，所述轴承抵靠所述埋孔和所述肩部就位。
切力吸收器用于吸收由力转移元件转移的力的剪切分量和进行动作以将所述力转移元件恢复到其第一静态位置。切力吸收器适应于能够通过以剪切方式运行吸收力的被转移成分。切力吸收器设计得薄，以使得能够高速率完成经过切力吸收器的热传导。因此，旋转元件产生的热量能够从轴承底座转移到支撑结构，所述热量能够在所述支撑结构上消散到周围环境中。
本领域技术人员可以理解的是，本发明采用了切力吸收器的各向异性特性；即，切力吸收器的动态特性(即所述弹簧的刚度系数k和阻尼系数c)在一个方向被确定和设计(即：跨过切力吸收器的宽度横截面区域)，而热特性(即导热系数kth)在垂直方向(即通过切力吸收器的薄的截面)被确定和设计。
按照这种方式，本领域的技术人员能够明智地选择一种材料(或材料的组合)以制造切力吸收器，所述切力吸收器具有满足特定应用要求的特性。由于切力吸收器设计的各向异性本质，切力吸收器的动态特性和热特性能够独立地被确定和设计。
当伴随特殊的旋转元件使用时，技术人员也可以选择调整好的切力吸收器或者特别选择用于提供期望的特性或满足运行约束条件的切力吸收器。例如，技术人员可能希望增加切力吸收器的阻尼以对控制领域(control field)施加稳定性或为固有频率提供正衰变率。可替代的，技术人员可能希望有策略的在外部定位标准运行速度的自然频率，并且在这种情况下希望改变切力吸收器的弹簧刚度。
切力吸收器可以由任何提供应用所需要的阻尼、刚度和热传导特性的材料制造。在至少一个实施例中，切力吸收器是由弹性材料构成的弹性垫，所述弹性材料被选择提供本领域技术人员明显的所希望的刚度、阻尼和热阻。弹性材料可以是掺杂有或浸渍有具有低热阻的材料，该低热阻的材料能有效的提高切力吸收器将热量从轴承底座的消散到周围环境的能力。适合于掺杂弹性材料的材料在商业上是可获得的，对本领域技术人员是公知的。
切力吸收器典型地包括两个表面，一个表面与力转移元件邻接，另一表面与支撑结构邻接。因此，当所述力转移元件相对于所述支撑结构移动位置时，所述切力吸收器以剪切方式运行以吸收被转移的力并将所述力转移元件恢复到它的初始位置。
按照这种方式，根据本发明的轴承底座能够由允许高度公差配合的硬质材料制造，然而这种硬质材料能够吸收施加在旋转元件或者轴承底座的力而不会严重扰乱旋转元件的运行。
进一步地，在根据本发明的轴承底座的至少一个实施例中，没有经历在启动条件中大幅增加的摩擦力并且不易于过热。
来看图1A，阐释了本发明的至少一实施例。轴承底座组件1包括轴承底座10，突出的法兰22和弹性垫16。轴承底座10适应于将轴承12相对于支撑结构4安装。轴承12可旋转地支撑旋转元件2。弹性垫适应于吸收作用在轴承底座组件1上的力的剪切分量。
如图1B所示，在至少一个实施例中，轴承底座10也可以包括中央衬套(hub)20。突出的法兰22可以被容纳在容纳槽40中。中央衬套进一步包括用于容纳轴承12的孔26。轴承12通过外圈轴承螺母30能够在孔26内轴向固定，或者可替代地，轴承12能被允许在孔26内轴向运动(即：浮动)。在至少一实施例中，轴承12能够通过内圈轴承螺母31相对于旋转元件2轴向固定。
本领域技术人员可以理解的是，旋转元件2可以典型地一端由轴向固定的轴承底座支撑，另一端由轴向浮动的轴承底座支撑。然而，可以考虑其它设置，例如，也构想了其他的布置，例如两个轴向固定的轴承底座，或可替代的两个轴向浮动的轴承底座，还有其他设置。
在至少一实施例中，可替代的包含磁性推力环(magnetic thrustring)50，用于提供施加在旋转元件2上的相反的轴向力。在包含磁性推力环50的实施例中，技术人员可理解的是，磁性推力环50能够被定位在固定的轴承底座上或者在轴承基架或机械外壳的静态元件上。磁性推力环50以多种布置被设想，包括但不限于，被动永磁装置，或可替代地，磁性推力环50为需要控制系统的主动装置。在至少一个实施例中，磁性推力环50不对旋转元件2施加轴向或径向位置控制。在至少一个实施例中，由磁性推力环50产生的磁场是空间和时间不变的。
技术人员可理解的是，当由两个安装的轴承悬挂的旋转元件受到施加在单根轴上的力矩时，存在有一个理想的偏转路径6，该理想的偏转路径6对应于一个圆周，所述圆周具有由所述两个轴承底座的中心之间的距离所规定的直径。
在轴承底座被设计用于吸收多根轴的力矩的情况中，理想的偏转路径6对应于一个球形，所述球形具有由所述两个轴承底座的中心之间的距离所规定的直径。
参考图1A和1B，在至少一个实施例中，提供有突出的法兰22，该突出的法兰适用于希望使其中的轴承底座吸收相对于机械的旋转轴的、径向方向的力的应用中。本领域技术人员应该认识到的，当旋转机械受到导致轴承的角度错位的离轴力矩时，在这种情况下，从理想的偏转路径6到实际的偏转路径8有微小的差异。
如上面讨论的，力转移元件可以视乎目前的应用的需要采用多种形状。在包含突出的法兰22的实施例中，当力或力矩施加到轴承底座组件1或者旋转元件2时，突出的法兰22可采用多种形状用于控制轴承底座10相对于支撑结构4位移的方向。
本领域技术人员可以理解的是，突出的法兰22可采用如图2B、2C、3B和3C所示的球形的、弧形的、圆锥的或者有角的形状。
参考图2A，球形布置可为所施加的力矩提供与理想的偏转路径6一致的实际的偏转路径8，这非常适合于为看到离轴力矩被期望的旋转机械的应用中。本领域技术人员可以理解的是，如图2B所示，球形设计能用于在多轴中相对于支撑结构4移动，或者可替代地，如图2C所示，能用于在单轴中相对于支撑结构4移动。
参考图3A，圆锥布置可提供非常少地偏离理想的球形偏转路径6的实际偏转路径8。本领域技术人员可理解的是，如图3B所示，圆锥布置适应于相对于支撑结构4在多轴中移动，或者可替代的，如图3C所示，能够适应于相对于支撑结构4在单轴中移动。这种设计提供一种轴承底座，这种轴承底座在小角度位移处提供理想球面偏转路径的接近的近似，却能以比球形设计更经济的方式制造。
回到图1A，弹性垫16定位在突出的法兰22和支撑结构4之间。在至少一个实施例中，支撑结构4能进一步包括容纳突出的法兰22的容纳槽40，然而，弹性垫16能直接将力转移元件固定于外部表面，法兰或支撑结构4上提供的其它结构，还有其它容易被本领域的技术人员理解的设置。
在至少一实施例中，如图1A所示，采用了两个弹性垫，一个位于突出的法兰22的相对于旋转元件2的远端表面，一个位于突出的法兰22的相对于旋转元件2的近端表面。然而，可想到的是，可仅有一个位于力转移元件和支撑结构4之间的弹性垫，或者可替代的，可利用多于两个弹性垫。
如图4A所示，在至少一个实施例中，弹性垫16可以是一系列同心的弹性环60。每一个同心弹性环60可以是提供不同的热传导、刚度和阻尼特性的不同的弹性材料，或者可替代地，每一个同心弹性环60可由同一材料制造。在其它布置中，弹性垫60可以是一系列分离的弧段62(如图4B所示)或者梯形段64(如图4C所示)。在后面的这些例子中，段62/64可以都是同一材料，或者在可替代的设计中，段可以是为特定的热传导、刚度和阻尼特性而选择的两种或多种不同材料。
在可替代的实施例中，弹性垫16可以采用适合目前应用的需要的任意形状，包括但不限于矩形、实心圆周、方形，还有其他形状，只要弹性垫16能吸收所施加的力的剪切分量和将轴承底座10恢复到其第一、静态的位置。
在至少一个实施例中，容纳槽40具有与突出的法兰22大致相同的形状。因此，当力被施加在轴承底座组件1或旋转元件2时，轴承底座10将在容纳槽40中相对于支撑结构4移动位置，移动的路径由突出的法兰22的形状确定。
由于轴承底座10从第一、静态的位置移动到第二位置，弹性垫16将以剪切方式运行以吸收力的被转移的分量，并将轴承底座10恢复回到第一、静态位置。
参考图5，在至少一个实施例中，轴承底座10包括摇摆地容纳在球形插槽92内的球形的中心衬套90。技术人员将会理解的是，这种设计允许两个错位的轴承底座对准而仍然提供了本发明的益处。
参考图6，在至少一个实施例中，外圈旋转轴承底座100被构想用于可旋转地支撑旋转元件102。在这种布置中，力转移元件为突出的法兰112。轴承底座110可以进一步包括适应于安装轴承116的中心轮轴114。设置在旋转元件102内的孔120容纳轴承116。
参考图7，在至少一个实施例中，大孔外圈旋转轴承底座组件200被构想用于可旋转地支撑旋转元件202。在这种布局中，力转移元件是内部突出的法兰212。轴承底座210可进一步包括适应于安装大孔轴承216的环形法兰214。大孔轴承216被容纳于旋转元件202的孔220中。
在至少一个实施例中，本发明提供用于相对于支撑结构安装轴承的轴承底座组件，该轴承底座组件包括：轴承底座，该轴承底座具有力转移元件，该力转移元件是突出的法兰；以及，切力吸收器，该切力吸收器由弹性材料制造，其中，当力被施加到轴承底座组件以将轴承底座从第一位置移到第二位置时，所述力转移元件将所述力的剪切分量转移给切力吸收器，所述切力吸收器吸收所述力的所述剪切分量并进行动作以将轴承底座恢复到所述第一位置。
以上描述的本发明的实施例意图于解释说明本发明的优选实施例，而不意图于限制本发明的范围。对本领域技术人员显然的各种变换意图于在本发明的范围之内。对本发明范围的仅有的限制记载在下面所附的权利要求书中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
被国际局在2011年5月15日接收
1.一种用于相对于支撑结构安装轴承的轴承底座组件，所述轴承可旋转地支撑旋转元件，所述旋转元件限定旋转轴，所述轴承底座组件包括：
轴承底座，所述轴承底座包括：
至少一个力转移元件，所述至少一个力转移元件包括至少一个侧面，以及
至少一个切力吸收器，所述至少一个切力吸收器适应于与所述至少一个侧面接触；
其中，当径向力或离轴力矩作用在所述轴承底座组件以将所述轴承底座在与所述至少一个侧面对齐的方向从第一位置移到第二位置时，所述至少一个力转移元件将所述径向力或离轴力矩的剪切分量转移给所述至少一个切力吸收器，所述至少一个切力吸收器吸收所述径向力或离轴力矩的剪切分量并将所述轴承底座恢复到所述第一位置。
2.根据权利要求1所述的轴承底座组件，其中，所述至少一个力转移元件包括突出的法兰，所述至少一个切力吸收器安装在所述突出的法兰和支撑结构之间。
3.根据权利要求2所述的轴承底座组件，其中，所述突出的法兰为径向的突出的法兰。
4.根据权利要求2所述的轴承底座组件，其中，所述突出的法兰为球形的突出的法兰。
5.根据权利要求4所述的轴承底座组件，其中，所述球形的突出的法兰适应于在单一方向吸收所述径向力或离轴力矩。
6.根据权利要求4所述的轴承底座组件，其中，所述球形的突出的法兰适应于在多个方向吸收所述径向力或离轴力矩。
7.根据权利要求2所述的轴承底座组件，其中，所述突出的法兰为圆锥形的突出的法兰。
8.根据权利要求7所述的轴承底座组件，其中，所述圆锥形的突出的法兰适应于在单一方向吸收所述径向力或离轴力矩。
9.根据权利要求7所述的轴承底座组件，其中，所述圆锥形的突出的法兰适应于在多个方向吸收所述径向力或离轴力矩。
10.根据权利要求1至9任一项所述的轴承底座组件，其中，所述至少一个切力吸收器包括一系列同心环。
11.根据权利要求1至9任一项所述的轴承底座组件，其中，所述至少一个切力吸收器包括一系列弧形元件。
12.根据权利要求1至9任一项所述的轴承底座组件，其中，所述至少一个切力吸收器包括一系列梯形元件。
13.根据权利要求1至12任一项所述的轴承底座组件，其中，所述至少一个切力吸收器由弹性材料制造。
14.根据权利要求13所述的轴承底座组件，其中，所述弹性材料由金属碎片浸渍以提高所述弹性材料的热传导质量。
15.根据权利要求1至14任一项所述的轴承底座组件，进一步包括磁性推力环，所述磁性推力环施加偏置力在所述旋转元件上，所述偏置力与位移力作用相反，所述位移力作用以使所述旋转元件相对于所述轴承底座轴向移动位置。

Claims (15)

1.一种用于相对于支撑结构安装轴承的轴承底座组件，所述轴承底座组件包括：
轴承底座，所述轴承底座包括：
力转移元件，以及
切力吸收器；
其中，当力被施加到所述轴承底座组件以将所述轴承底座从第一位置移到第二位置时，所述力转移元件将所述力的切向分量转移到所述切力吸收器，所述切力吸收器吸收所述力的所述切向分量并进行动作以将所述轴承底座恢复到所述第一位置。
2.根据权利要求1所述的轴承底座组件，其中，所述力转移元件包括突出的法兰，所述切力吸收器安装在所述突出的法兰和支撑结构之间。
3.根据权利要求1或2所述的轴承底座组件，进一步包括磁性推力环。
4.根据权利要求2或3所述的轴承底座组件，其中，所述突出的法兰为径向的突出的法兰。
5.根据权利要求2或3所述的轴承底座组件，其中，所述突出的法兰为球形的突出的法兰。
6.根据权利要求5所述的轴承底座组件，其中，所述球形的突出的法兰适应于在单一方向吸收所述力。
7.根据权利要求5所述的轴承底座组件，其中，所述球形的突出的法兰适应于在多个方向吸收所述力。
8.根据权利要求2或3所述的轴承底座组件，其中，所述突出的法兰为圆锥形的突出的法兰。
9.根据权利要求8所述的轴承底座组件，其中，所述圆锥形的突出的法兰适应于在单一方向吸收所述力。
10.根据权利要求8所述的轴承底座组件，其中，所述圆锥形的突出的法兰适应于在多个方向吸收所述力。
11.根据权利要求1至10任一项所述的轴承底座组件，其中，所述切力吸收器包括一系列同心环。
12.根据权利要求1至10任一项所述的轴承底座组件，其中，所述切力吸收器包括一系列弧形元件。
13.根据权利要求1至10任一项所述的轴承底座组件，其中，所述切力吸收器包括一系列梯形元件。
14.根据权利要求1至13任一项所述的轴承底座组件，其中，所述切力吸收器由弹性材料制造。
15.根据权利要求14所述的轴承底座组件，其中，所述弹性材料由金属碎片浸渍以提高所述弹性垫的热传导质量。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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