CN103671544B - 径向弹性空气轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径向弹性空气轴承，包括：依次由外向内同轴设置的轴承套、弹性支承体和顶层箔片；所述轴承套起安装和保护作用；所述顶层箔片形成轴承与转轴的配合面；所述弹性支承体包括金属蜂窝结构和橡胶填料，所述金属蜂窝状结构的截面包括多个相接的六边形，所述六边形的内部形成孔洞；所述橡胶填料填充于所述孔洞之中。本发明通过改进空气轴承的弹性支承结构，采用金属蜂窝结构和耐高温橡胶混合布置的形式，使轴承具有高刚度、高阻尼的特性，并利用了蜂窝结构的能量吸收特性，提高了轴承的承载能力，减小了振动冲击，同时提高了轴承的可靠性。

Description

径向弹性空气轴承

技术领域

本发明涉及一种轴承，更具体地，涉及一种径向弹性空气轴承。

背景技术

空气轴承是以周围环境中的空气作为润滑剂的一种弹性支承空气轴承。它包括轴承套、弹性支承结构和顶箔片，箔片气体轴承通过在传动轴与顶箔片之间形成的一层空气薄膜，使得传动轴与顶箔片之间的摩擦力很小，允许了轴的高速旋转。

在空气轴承领域，弹性支承结构起支承和减振的作用，采用了具有弹性的支承结构，可以根据所受载荷的不同随时建立不同厚度的工作气膜间隙。在空气轴承中，弹性支承结构位于顶层箔片和轴承套之间，它应该同时具有良好的刚度和阻尼，使的轴承相应的获得良好的承载能力和缓合冲击振动的能力。性能优异的支承结构可以利用其阻尼效应大大抑制转子的振动，使的轴承具有稳定性好、启停性能好、无油润滑、转速高、效率高、精度好、抗冲击振动等优点。

空气轴承经过几十年的发展，其承载和缓冲能力已经有了很大的提高，但新的箔片轴承只是在前人的基础上对波箔片参数做了简单改变，并未能从轴承结构方面做本质性的改进。因此如何提高弹性支承结构的性能以提高空气轴承的性能成为一个十分重要的问题。

发明内容

本发明正是为了至少部分地解决上述技术问题而提出的，具体而言，其提供了一种空气轴承或一种空气轴承弹性支承结构，以在一定程度上提高现有空气轴承的承载能力与缓和冲击振动的能力。

为了达到上述目的，根据本发明的一个方面提供了一种径向弹性空气轴承，包括轴承套、弹性支承体和顶层箔片;所述轴承套、弹性支承体和顶层箔片依次由外向内同轴设置。

根据本发明的另一个方面，提供了一种径向弹性空气轴承，其特征在于，包括：依次由外向内同轴设置的轴承套、弹性支承体和顶层箔片；所述轴承套起安装和保护作用；所述顶层箔片形成轴承与转轴的配合面；所述弹性支承体包括金属蜂窝结构和橡胶填料，所述金属蜂窝状结构的截面包括多个相接的六边形，所述六边形的内部形成孔洞；所述橡胶填料填充于所述孔洞之中。进一步地，所述轴承套是内壁上开设有凹槽圆环；所述弹性支承结构是对应于所述凹槽的部分开设有缺口的圆环，在缺口周围形成第一端和第二端；所述顶层箔片呈开口的圆环状并在所述开口形成第三端和第四端，其中第三端具有向所述凹槽延伸的板状部件，通过该板状部件将所述第一端、第三端和所述轴承座固定，所述第二端、第四端自由。

进一步地，所述金属蜂窝结构包括完整的和不完整的六边形。

进一步地，所述金属蜂窝构件形成为圆环状。

进一步地，所述六边形为正六边形，每个六边形的大小相等均匀分布。

进一步地，所述六边形为正六边形；在圆环的径向，每列六边形孔穴的两侧的顶点分别位于所述蜂窝构件圆环的圆心为起点的两条射线上。

进一步地，所述橡胶在该蜂窝结构中均匀布置，橡胶沿着圆环方向排列成排,沿着与圆环相交的方向构成列，其中每一排内部的橡胶之间的间距为三个六边形，每一列内部的橡胶之间的间距为一个六边形。

进一步地，所述橡胶均匀分布在所述金属蜂窝结构里，金属蜂窝结构里的所述橡胶相互之间的间距为一个六边形。

进一步地，所述橡胶为硅橡胶或氟橡胶。

与现有的箔片气体轴承相比，本发明提出的弹性支承结构和复合支承结构因为其具有高阻尼和高刚度的优点，可以显著提高轴承的承载能力和缓和冲击振动的能力，也在一定程度上也改善了气体轴承可靠性差的问题。

附图说明

图1为本发明径向弹性空气轴承的整体结构示意图；

图2为本发明径向弹性空气轴承的弹性支承结构的结构示意图；

图3为本发明第一实施方式中提供的一种弹性支承结构的横截面局部示意图；

图4为本发明第一实施方式中提供的另一种弹性支承结构的横截面局部示意图；

图5为本发明第一实施方式中提供的弹性支承结构的耐高温橡胶在孔穴中的布置方式示意图；

图6为本发明第二实施方式中提供的弹性支承结构的耐高温橡胶在孔穴中的布置方式示意图；

图7为本发明径向弹性空气轴承的爆炸图。

图中：1-径向弹性空气轴承轴承套，2-金属蜂窝结构，3-耐高温橡胶，4-顶层箔片

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1、图7示出了本发明径向弹性空气轴承的结构，如图1所示，该空气轴承包括，轴承套1、弹性支承结构和顶层箔片4。其中所述轴承套1、所述弹性支承结构和所述顶层箔片由外向内依次套设装配。

如图1所示.所述轴承套1位于最外端，支持轴承的弹性支承结构，起固定作用,所述轴承套内壁上开设有凹槽。所述弹性支承结构对应于所述凹槽的部分开设有缺口。所述顶层箔片是轴承与转轴的配合面，优选进行镀层处理，本实施例中所的顶层箔片呈开口的圆环状并在所述开口形成两端，其中一端具有向所述凹槽延伸的板状部件，该板状部件穿过所述弹性支承结构的缺口容置并固定在所述轴承套的凹槽中，所述顶层箔片的另一端自由。所述顶层箔片同所述轴承套一起将弹性支承结构内外包围。

弹性支承结构位于顶层箔片和轴承套之间，如前文所述,其为截面是具有缺口的圆环状,并在所述缺口处形成两端,其中一端同顶层箔片4一起固定在轴承套1内，另一端自由。由此，在轴承套的内表面里，由弹性支承结构和顶层箔片组成弹性支承表面。

其中，弹性支承结构包括蜂窝构件2和填充材料3。蜂窝构件2为轴承提供主要的刚度和一定的阻尼，填充材料3为辅助支承结构，为轴承提供主要的阻尼。进一步地,填充材料填充在蜂窝结构的孔穴里，组成了蜂窝构件和填充材料的复合支承结构，共同为轴承提供弹性支承。

本发明中，所述蜂窝构件的材料优选为金属材料，根据不同的轴承需求可以采用不同的金属，例如镁铝合金或钛合金。所述两种合金都具有密度低，强度高，高温性能、抗蠕变性能好，对振动冲击具有良好的吸收性等优点。优选地，选用镁铝合金在满足使用要求的前提下密度更小、成本更低、机械加工性能更好。所述金属蜂窝构件的一种优选制作方式包括，将合金材料制成浆料加工成素坯，然后在烧结炉中加热保温，最后随炉冷却至室温而得到所述的蜂窝构件。

本发明的金属蜂窝结构采用六边形结构。这种结构在相同的体积下使用结构最省，且其各边都类似于工字梁的结构容易将受力分散，承受冲击能力强。金属蜂窝结构具有较大的刚度和一定的阻尼,并且其隔音、散热性能良好，还具有良好的能量吸收特性.使用上述材料制作的弹性支承结构能够显著提高空气轴承的可靠性、承载能力和抗冲击能力。

实施例一

根据本发明的第一个方面,蜂窝构件的优选结构可参见图2所示，其中，所述蜂窝构件的形状为轴向具有一定长度L的开口圆环状，所述圆环外径为D圆环内径尺寸为d。优选地，L:D=1:1，D：d=3:2。因为,随着长度L的增加，优选为轴承的承载能力会增大,但是L过大会造成轴承加工以及装配对中方面的困难，所以综合考虑之下L:D选为1：1;对于D：d=3:2，根据材料的刚度特性，蜂窝材料越厚其刚度将会越小；反之，则刚度则会有所增加；但蜂窝材料太薄材料本身结构强度会出现问题难以加工，同时可填充耐高温橡胶的孔穴减少会使得弹性支承结构的阻尼会随之降低。在平衡阻尼和刚度情况下，考虑轴承的应用的尺寸，优选D：d=3:2。

图3示出了本发明第一个实施例中的一种蜂窝分布结构，其横截面由完整和不完整的六边形相接而成。优选地，如图3所示，各个相接的六边形共用其相接的边，这种蜂窝结构横截面的设计方便加工，而且能够在使用材料较少的情况下保证蜂窝构件的强度。

更为优选地，本发明第一个实施例中的另一种蜂窝结构在图3中使用的六边形，包括完整或不完整的六边形，均是正六边形，正六边形的结构受力比较均匀，以此做成的圆环状弹性支承结构在刚度和可靠度方面具有良好的特性。

进一步的，所有的正六边形的边长都相等，即如图3所示的，a=b。这种均匀的蜂窝状布局在减轻了蜂窝结构的重量的同时能够有效地承受应力，具有突出的实质性特点和显著的进步。

图4示出了本发明第一个实施例中的另一种蜂窝结构，其横截面同样由完整和不完整的六边形相接而成。同样优选地，如图4所示，各个相接的六边形共用其相接的边，这种蜂窝结构横截面的设计方便加工，而且能够在使用材料较少的情况下保证蜂窝构件的强度。

本蜂窝结构和图3中的蜂窝结构的区别在于，图4中的多个蜂窝布局呈发散式，即，金属蜂窝结构的各六边形孔穴边长不相等，同一六边形中的边长也不相等，正六边形的边长沿着内环向外环的方向逐渐增大，即，如图4所示，靠外的边长b大于靠内的边长a。

优选地，在圆环的径向，每列六边形孔穴的两侧的顶点分别位于所述蜂窝构件圆环的圆心为起点的两条射线上，所述两射线的夹角为θ，θ的取值优选为3°至5°，采用上述蜂窝结构，可以保证蜂窝结构在圆周方向上的完整孔穴达到最大化，在径向上孔穴的排列也更加具有规律，这样就使得弹性结构的刚度在圆周方向上变得更加的均匀，提高了轴承的减振和缓冲性能。对θ的取值,优选为3°至5°,因为随着θ值的减小，刚度的均匀性和弹性结构的缓冲性能随之变得更好；但θ过小，所述蜂窝材料的加工成本会急剧增加，因此优选地θ为3°至5°。

本发明中的所述填充材料3优选为具有弹性的填充材料，更优选地，该填充材料既具有弹性又能耐高温。可以采用现有技术中任何满足上述需求的材料来填充。然而，具有创造性的是，本发明中采用了硅橡胶或氟橡胶，上述橡胶易于获得并且能够在保证具有足够弹性的同时耐受高温，同时上述橡胶也易于加工成填充材料所需的形状，故而该材料的选择具有突出的实质性特点。

耐高温橡胶的填入，大大的增加了弹性支承结构的阻尼以及一定的刚度，相比于单纯的金属或橡胶支承构建具有高刚度、高阻尼的优点，显著改善了轴承的性能。

本实施例中,耐高温橡胶按一定的规律布置在金属蜂窝结构的孔穴里，为轴承提供了主要的阻尼和一定的刚度，并且保证了通风散热。对于刚度和阻尼要求不同的空气轴承，可以通过改变耐高温橡胶的布置规律和数目来控制弹性支承结构的刚度和阻尼，实现了弹性支承结构刚度和阻尼的可控性。

图5示出了本实施例中耐高温橡胶在金属蜂窝结构孔穴中的布置方式。沿着圆环方向排列的橡胶构成一排,沿着与圆环相交的方向排布的橡胶构成一列,其中所述橡胶在该蜂窝结构中均匀布置,每一排橡胶之间的间距为三个六边形,每一列橡胶之间的间距为一个六边形。所述布置方式一的耐高温橡胶填充间隔较大，因而蜂窝结构之间设置的孔洞利于散热,这种结构在提供良好的阻尼的情况下具有优良的散热性能，并且耐高温橡胶的受热膨胀对于弹性支承结构的变形影响较小，使得轴承的最高工作温度得到了提高。

实施例二

图6示出了第二个实施例中耐高温橡胶在金属蜂窝结构孔穴中的布置方式。

本实施例中的其他结构与实施例一相同,不同之处在于,本实施例中的橡胶在金属蜂窝结构的空穴中的布置方式与实施例一不同.

其中,所述橡胶也采用均匀分布的方式分布在所述金属蜂窝结构里,金属蜂窝结构里的所述橡胶相互之间的间距为一个六边形.

所述布置方式是在耐高温橡胶不相接触的前提下，所能完成耐高温橡胶的最大填充，具有更大的刚度和阻尼，缓冲、减振性能也更好；同时，所填充耐高温橡胶的不相接触，保证了弹性支承结构具有良好的散热性，高温下的工作性能依然优良；此外，这种耐高温橡胶的填充方式使得所述径向弹性空气轴承在圆周方向上的刚度和阻尼分配更加均匀，具有优良的各向同性，大大的改善了轴承力学性能。

综上，本发明的技术方案采用金属蜂窝结构作为箔片轴承的弹性支承结构，这种结构具有足够大的刚度，同时本发明在保留金属蜂窝结构良好刚度的前提下改进弹性支承结构，使其具有足够大的阻尼。本发明通过改进箔片轴承的弹性支承结构，采用金属蜂窝结构和耐高温橡胶的叠加布置，使得弹性支承结构具有良好的刚度与阻尼，提高了轴承的承载能力与缓和冲击振动的能力。

除了以上提出的实例，轴承弹性支承结构和顶层箔片可以有不同的安装和固定方法，金属蜂窝结构的形状参数、孔穴结构、孔穴数目、孔穴填充规律以及填充结构可根据不同情况进行设计。以上所举实例仅为本发明的优选实例，大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应属本发明专利覆盖的范围。

Claims (9)

1.一种径向弹性空气轴承，其特征在于，包括：

依次由外向内同轴设置的轴承套、弹性支承体和顶层箔片；

所述轴承套起安装和保护作用；

所述顶层箔片形成轴承与转轴的配合面；

所述弹性支承体包括金属蜂窝结构和橡胶填料，所述金属蜂窝结构的截面包括多个相接的六边形，所述六边形的内部形成孔洞；所述橡胶填料填充于所述孔洞之中。

2.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于：

所述轴承套是内壁上开设有凹槽的圆环；

所述弹性支承体是对应于所述凹槽的部分开设有缺口的圆环，在缺口周围形成第一端和第二端；

所述顶层箔片呈开口的圆环状并在所述开口形成第三端和第四端，其中第三端具有向所述凹槽延伸的板状部件，通过该板状部件将所述第一端、第三端和所述轴承座固定，所述第二端、第四端自由。

3.根据权利要求1中所述的轴承，其特征在于：

所述金属蜂窝结构包括完整的和不完整的六边形。

4.根据权利要求3所述的轴承，其特征在于，所述金属蜂窝结构形成为圆环状。

5.根据权利要求4所述的轴承，其特征在于，所述六边形为正六边形，每个六边形的大小相等均匀分布。

6.根据权利要求4所述的轴承，其特征在于，所述六边形为正六边形；在圆环的径向，每列六边形孔穴的两侧的顶点分别位于所述金属蜂窝结构圆环的圆心为起点的两条射线上。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的轴承，其特征在于，所述橡胶在所述金属蜂窝结构中均匀布置，橡胶沿着圆环方向排列成排,沿着与圆环相交的方向构成列，其中每一排内部的橡胶之间的间距为三个六边形，每一列内部的橡胶之间的间距为一个六边形。

8.根据权利要求6所述的轴承，其特征在于，所述橡胶均匀分布在所述金属蜂窝结构里，金属蜂窝结构里的所述橡胶相互之间的间距为一个六边形。

9.根据权利要求8所述的轴承，其特征在于，所述橡胶为硅橡胶或氟橡胶。