CN104632871A - 一种微型箔片气体动压轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型箔片气体动压轴承，包括轴承体、顶层箔片和复合弹性波箔结构，所述复合弹性波箔结构通过连接顶层箔片进行圆周定位，所述复合弹性波箔结构包括外弹性波箔和内弹性波箔，所述复合弹性波箔结构的内侧凸面与所述顶层箔片的外表面相切处连接，所述复合弹性波箔结构的外侧凸面与所述轴承体的内表面接触，所述轴承体起安装、保护和支撑的作用；所述顶层箔片内表面形成轴承与转轴的配合面。本发明提高了波箔的表面质量和性能参数；改善了轴承阻尼和刚度特性，显著提高轴承的承载能力和缓和冲击振动的能力，提高了轴承的寿命和稳定性。

Description

一种微型箔片气体动压轴承

技术领域

本发明涉及空气轴承技术领域，具体涉及一种微型箔片气体动压轴承。

背景技术

作为微机电系统(micro-electro-mechanical system(MEMS))的重要分支，微旋转机械不但可以为MEMS提供能源，而且是非常重要的执行机构，如远程机器人用微型燃气轮机、微型燃料电池用微型空压机、儿童人工心藏、微型无人机的推进器、微型机器人和微小卫星的发电系统等。近年来随着3D打印、激光加工、Mold SDM等技术的发展，为微转动机械的发展提供了重要的技术支持和发展契机。然而，轴承作为机电系统中的基础核心部件，一直滞后于其他技术的发展，已成为限制微旋转机械高效稳定运转的“卡脖子”关键技术。微型机械中的摩擦、磨损、润滑问题相比宏观旋转机械而言更为突出，因此对微观轴承的要求更高。然而，在微观尺度下由于各种限制可供选择的轴承形式是十分有限的。目前主要采用的轴承形式有微型陶瓷球轴承、气体静压轴承、磁轴承。但这些方案要么尺寸过大，要么需要外部气源，都只能算是仅适用于实验室的中间方案。

气体轴承具有速度高、精密度高、耐高温、摩擦损耗小、寿命长等优点，经过最近几十年的迅速发展，气体轴承已经在高速支承、高精密支承等领域取得了广泛应用。目前气体轴承已经发展出多种类型，主要分为动压型和静压型。动压型中又有箔片式、人字槽式和侧倾瓦式等多种结构。其中箔片气体轴承凭借其优异性能得到了广泛的关注和研究。在箔片气体轴承中，箔片是主要的支承结构，它应该具有一定的刚度和阻尼，使轴承相应获得一定的承载能力和缓和冲击振动的能力。现有的箔片轴承已经具有一定的刚度值，其承载能力较最初的结构已经提高了三到四倍。然而轴承的阻尼值却没有大的提高，这导致轴承的临界转速较低，在高速运转时容易失稳甚至卡死。

LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写。LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术(工艺流程如图所示)，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使LIGA技术能够制造出高宽比达到500、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。这是其它微制造技术所无法实现的。LIGA技术被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有前途的加工技术。利用LIGA技术，不仅可制造微纳尺度结构，而且还能加工尺度为毫米级的Meso结构。

大尺寸的空气箔片经过几十年的发展，其工艺和性能分析已趋近成熟，但是如果将大尺寸的空气箔轴承进行微型化，那么将是极为困难的。首先是波箔具有极为复杂的结构，很难用非常薄的金属薄片去制作，同时又能保证良好的表面光洁度。其次微型空气所应用的波箔是极为微小的，安装如此小的波箔到轴承上是极为困难的。而且对于微型空气轴承而言，连续的波箔结构使得对轴承的性能分析是非常困难的。

发明内容

本发明正是为了至少部分地解决上述技术问题，而提供一种微型箔片气体动压轴承，以在一定程度上解决了波箔难加工，难以装配到轴承上和轴承性能分析困难等问题，提高现有微型气体轴承的稳定性。

为了达到上述目的，本发明的提供了一种微型箔片气体动压轴承，包括轴承体、顶层箔片和和复合弹性波箔结构，所述复合弹性波箔结构通过连接顶层箔片进行圆周定位，所述复合弹性波箔结构包括外弹性波箔和内弹性波箔，所述复合弹性波箔结构的内侧凸面与所述顶层箔片的外表面相切处连接，所述复合弹性波箔结构的外侧凸面与所述轴承体的内表面接触，所述轴承体起安装、保护和支撑的作用；所述顶层箔片内表面形成轴承与转轴的配合面。

进一步，所述复合弹性波箔结构中的外弹性波箔和内弹性波箔采用整体式结构。

进一步，所述顶层箔片与转轴接触的表面设置有镀层。

进一步，所述复合弹性波箔结构在圆周方向上均匀分布，所对应的的中心角度为β，其个数N＝3600/β。

进一步，所述复合波箔结构可进行小幅度的变形。

进一步，复合弹性波箔结构采用多足式波箔结构。

本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：

本发明提出的方案是通过仿生学原理提出一种复合弹性波箔结构以用在微型箔片气体轴承上来改善轴承的工艺性和承载能力。本发明通过改变传统空气箔片轴承微型化中波箔的结构，采用独立的复合弹性波箔结构来代替连续的波箔结构，这种结构阻尼大、自适应好，便于安装和制造；使用LIGA加工技术，可以加工出理想的结构和表面光洁度，根据性能需要加工出不同的性能参数的独立的复合弹性波箔结构，以提供不同的刚度和阻尼特性，提高了轴承承载能力和缓和冲击振动的能力。轴承在正常工作时，顶层箔片受到来自转轴的力，压迫复合弹性波箔产生微小的变形，随着变形量的增加，复合弹性波箔产生的反作用力也增加，当两个力平衡时，不再产生变形。由于复合弹性波箔结构的阻尼特性较好，所以对外界扰动的反应不敏感，因此轴承具有较好的冲击振动的能力。

与现有的微型箔片气体轴承相比，本轴承的复合弹性波箔结构使用LIGA加工技术，提高了波箔的表面质量和性能参数；复合弹性波箔结构的自适应变形改善气体的润滑特性，使转子更加容易起飞，轴承的承载能力更大；独立的复合弹性波箔结构则改善了轴承阻尼和刚度特性，显著提高轴承的承载能力和缓和冲击振动的能力，提高了轴承的寿命和稳定性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明第一实施方式中复合弹性波箔结构的安装位置示意图；

图3为本发明第一实施方式中提供的复合弹性波箔结构的局部图；

图4为本发明第一实施方式中提供的复合弹性波箔和顶层箔片结构示意图；

图5为本发明第一实施方式中提供的复合弹性波箔的结构示意图；

图6为本发明第二实施方式中提供的另一种微型箔片气体动压轴承的结构示意图；

图7为本发明第二实施方式中提供的另一种多足式波箔结构安装的局部结构示意图；

图8为本发明第二实施方式中提供的另一种多足式波箔结构的结构示意图。

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。然而可以理解的是，下述具体实施方式仅仅是本发明的优选技术方案，而不应该理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1所示，一种微型箔片气体动压轴承，该气体轴承包括，轴承体1、顶层箔片2和复合弹性波箔结构3。所述轴承体1为轴承的主体结构，起安装、保护和支承的作用；所述顶层箔片2是轴承的内表面，使轴承具有连续的气压分布；所述复合弹性波箔结构3提供一定的阻尼和刚度。如图2所示，所述复合弹性波箔结构3均匀地分布在轴承体1和顶层箔片2之间，共有N个。

如图3所示，复合弹性波箔结构3是由外弹性波箔4和内弹性波箔5组成，它们使用LIGA加工技术制造为一个整体，分别共有2N个；每个复合弹性波箔结构3所对应的圆心角β，则β＝3600/N，复合弹性波箔结构3的内侧凸面与所述顶层箔片2的外表面相切处连接，所述复合弹性波箔结构3的外侧凸面与所述轴承体1的内表面接触，当顶层箔片2受到转轴的压力，压迫复合弹性波箔结构3小幅度的变形，复合弹性波箔结构3自适应变形改善气体的润滑特性，使转子更加容易起飞，轴承的承载能力更大。采用独立的复合弹性波箔结构，相对于连续的波箔结构降低了加工难度，同时便于安装，最重要是可以根据轴承需要在不同圆周位置提供不同的刚度和阻尼，这就大大提高了轴承的稳定性。

轴承工作时，转轴和顶层箔片2之间产生空气间隙，轴承正常运转，当转轴受到外界扰动时，转轴会通过空气间隙产生对顶层箔片2的作用力，顶层箔片2会压迫复合弹性波箔结构3产生微小的变形，随着变形量的增加，复合弹性波箔结构3产生的反作用力也增加，当两个力平衡时，不再产生变形，由于复合弹性波箔结构3的阻尼特性较好，可以降低甚至消除了滑动轴承的半频涡动，所以对外界扰动的反应不敏感，因此轴承具有较好的冲击振动的能力。

实施例二

图6所示为本发明第二实施方式中提供的另一种微型箔片气体动压轴承的结构示意图。

本实施例中轴承的工作原理大体与案例一相同，不同之处在于本实施例的波箔结构为多足式结构。实施例一中的复合弹性波箔结构3要求较高的尺寸精度，安装不是很方便,而且结构相对较复杂。与实施例一不同之处在于，实施例二中的多足式结构在保留复合弹性波箔结构3优点的同时，不需要太高的尺寸精度，加工难度相对较低，因此制造较为方便，同时安装也不麻烦，而且阻尼特性更好，进一步提高了轴承的冲击振动的能力。

除了以上提出的实例，轴承体1和复合弹性波箔结构3可以有不同的安装和固定方法，复合弹性波箔结构3的具体形状参数可根据不同情况进行设计，复合弹性波箔结构3的个数及分布情况也可根据不同情况设计，复合弹性波箔结构3和顶层箔片2的材料可根据不同情况设计。以上所举实例仅为本发明的优选实例，但凡依本发明权利要求及发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 (6)

1.一种微型箔片气体动压轴承，其特征在于，包括：轴承体(1)、顶层箔片(2)和复合弹性波箔结构(3)，所述复合弹性波箔结构(3)通过连接顶层箔片(2)进行圆周定位，所述复合弹性波箔结构(3)包括外弹性波箔(4)和内弹性波箔(5)，所述复合弹性波箔结构(3)的内侧凸面与所述顶层箔片(2)的外表面相切处连接，所述复合弹性波箔结构(3)的外侧凸面与所述轴承体(1)的内表面接触，所述顶层箔片(2)内表面形成轴承与转轴的配合面。

2.根据权利要求1所述的微型箔片气体动压轴承，其特征在于，所述复合弹性波箔结构(3)中的外弹性波箔(4)和内弹性波箔(5)采用整体式结构。

3.根据权利要求1所述的微型箔片气体动压轴承，其特征在于，所述顶层箔片(2)与转轴接触的表面设置有镀层。

4.根据权利要求1所述的微型箔片气体动压轴承，其特征在于，所述复合弹性波箔结构(3)在圆周方向上均匀分布，所对应的的中心角度为β，其个数N＝360°/β。

5.根据权利要求1所述的微型箔片气体动压轴承，其特征在于，所述复合波箔结构(3)可进行小幅度的变形。

6.根据权利要求1所述的微型箔片气体动压轴承，其特征在于，复合弹性波箔结构(3)采用多足式波箔结构。