CN104863971B

CN104863971B - 运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承

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Publication number: CN104863971B
Application number: CN201510203667.6A
Authority: CN
Inventors: 张永斌; 袁虹娣
Original assignee: 张永斌
Current assignee: HUAINING JILILAI PRECISION MECHANICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2035-04-27
Also published as: CN104863971A

Abstract

本发明提供一种运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承，包括同心的轴与轴承孔，轴与轴承孔之间具有纳米量级空隙，在该空隙中充满流体形成润滑区域，该润滑区域被分成两子区即“I”子区和“II”子区，在“I”子区和“II”子区的静止接触表面上分别涂覆涂层，使“I”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度大于“II”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度；本发明轴承具有一定的承载量、低的摩擦系数和很好的耐磨性，支承精度高，实现简单，成本低廉，具有重要实用价值。

Description

运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承

技术领域

本发明涉及一种运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承。

背景技术

轴承是用来支承轴类零件的重要机械部件，分滑动轴承和滚动轴承两种。对于轴承有以下主要性能要求：支承精度、支承刚度、低摩擦系数和耐磨损。这就要求轴承是一种很精密的机械部件，还要求它有足够大的承载能力。为了达到好的减摩和耐磨性能，还需要轴承具有较好的润滑性能。发展至今，虽然轴承技术比较成熟，但均建立在传统的润滑理论基础上。目前，滚动轴承和滑动轴承各应用于不同场合，各有其优势。由于本发明涉及的是滑动轴承，现将现有滑动轴承类型和技术归纳如下：

从传统润滑机理上，滑动轴承分为混合摩擦滑动轴承和流体润滑滑动轴承两种。前者依靠边界吸附膜和流体动压效应实现润滑，用于低速、轻载和不重要场合；后者依靠流体膜实现润滑，用于重要场合，应用更为广泛。流体润滑滑动轴承是滑动轴承的主体，又分为流体动压润滑滑动轴承和流体静压润滑滑动轴承两种。流体静压润滑滑动轴承依靠外界液压系统供油，靠油压支承载荷，靠液压油进行润滑，制造精度高、结构较复杂、成本较高，用于要求支承刚度大、支承精度高和承载能力大的重要场合。流体动压润滑滑动轴承依靠流体动压效应实现润滑，具有结构较简单、成本较低、性能较好的优点，是一种应用更为广泛和常见的滑动轴承。它又分为流体动压润滑向心滑动轴承和流体动压润滑推力滑动轴承两种。前者用于支承径向载荷，后者用于支承轴向载荷。以下介绍现有主要流体动压润滑向心滑动轴承类型及其特点。

一、大长径比向心滑动轴承-长轴承

这种轴承如图1所示。由于长径比较大，这种轴承可处理成无限长轴承而可忽略流体侧泄对轴承承载能力的影响。在轴承的右下位置，轴承孔形成收敛的楔形间隙。由于流体的粘性，流体粘附在轴上，也粘附在衬套或轴承座上。由于轴的旋转运动，流体被从楔形孔隙的大端截面带进去，从楔形孔隙的小端截面带出来；流体从而在楔形孔隙里受到挤压形成润滑膜压力，使润滑膜具备承受径向载荷w的能力。这是这种轴承的工作机理。

二、小长径比向心滑动轴承-窄轴承

这种轴承如图2所示。由于长径比很小，流体沿轴承的轴向泄漏（即侧泄）严重。流体在侧泄过程中在狭小的缝隙里受到挤压从而形成润滑压力，使润滑膜具备承受载荷的能力。这种轴承的孔隙的楔形间隙效应相对较小，可以忽略不计。这是这种轴承的工作机理。

三、有限宽滑动轴承

这种轴承如图3所示。由于长径比适中，轴承依靠收敛的楔形孔隙形成润滑膜压力，但流体的侧向泄漏使得润滑膜压力和轴承承载能力有所降低；长径比越小，侧向泄漏越严重，轴承承载能力降低越大。计算这种轴承承载能力时，应在无限长轴承承载能力基础上考虑流体侧泄影响而引入一与长径比有关的侧泄修正系数。

上述图1~图3的传统向心滑动轴承的摩擦系数和承载能力均由传统流体润滑理论计算。根据传统流体润滑理论，图1~图3所示的向心滑动轴承若要有承载能力，则轴承中的轴心和孔心间必存在一偏距e，如图1~图3所示，偏距e的存在使轴承中轴和孔的同心度降低，使轴承支承精度降低，而且轴承载荷越大或旋转速度越低，偏距e越大，轴承支承精度越低，轴承润滑油膜厚度越低，轴承越不容易润滑。也就是说，在如图1~图3所示向心滑动轴承中轴心和孔心同心条件下即e=0时，按照传统流体润滑理论，此时向心滑动轴承不具备承载能力，轴承支承刚度低。

发明内容

本发明介绍一种运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承。本发明轴承在轴心和孔心保持同心条件下即e=0时仍然有较大承载能力，仍然有较高支承刚度。同心条件下即e=0时本发明轴承的承载能力和支承刚度由设计而定。因此，本发明轴承能够在同心条件下工作，具有很高的支承精度，能够使轴心和孔心保持极高的同心度，具有重要应用价值。

本发明的技术解决方案是：

一种运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承，包括同心的轴与轴承孔，轴与轴承孔之间具有纳米量级空隙，在该空隙中充满流体形成润滑区域，该润滑区域被分成两子区即“I”子区和“II”子区，这两子区所对的中心角分别为和，在“I”子区和“II”子区的静止接触表面上分别涂覆涂层，使“I”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度大于“II”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度；

该轴承的形成条件为：

（１）

其中，,，,，和分别为“I”子区和“II”子区中流体在膜厚方向成为连续介质的临界膜厚，为当流体为连续介质时流体密度，和分别为“I”子区和“II”子区中流体的平均密度。

进一步地，“I” 子区和 “II” 子区中流体膜的相对滑移量和分别满足以下关系式：和，而，；其中，和分别为“I”子区中流体膜在轴承孔表面处和轴表面处的运动速度，和分别为“II”子区中流体膜在轴承孔表面处和轴表面处的运动速度。

进一步地，轴和轴承孔形成向心滑动轴承，在轴承孔壁上涂覆亲油的二氧化钛涂层，该涂层涂覆区域所对的中心角即为，在剩余的轴承孔壁上涂覆憎油的氟碳涂层，该涂层涂覆区域所对的中心角即为，在轴和轴承孔壁涂层间充满普通石蜡油。

进一步地，该轴承的长径比L/D为：L/D>0.2，L为轴承的轴向长度，D为轴的直径。本发明技术既适用于长轴承，又适用于有限宽轴承。

进一步地，“I”子区所对的中心角和“II”子区所对的中心角满足以下条件：。

本发明的有益效果是：

本发明运用界面吸附技术，采用在向心滑动轴承的静止接触表面两个区域上分别涂覆不同的涂层设计出同心微型向心滑动轴承。这种轴承是传统设计方法没法实现的，具有重要的应用价值。本发明轴承不仅具有一定的承载能力，而且摩擦系数低，耐磨损。

本发明具有以下优点：

（1）所发明的轴承具有承载能力，摩擦系数低，耐磨损。

（2）所发明轴承中轴和轴承孔的同心度高，轴承支承精度高。

（3）本发明轴承只需采用涂层和界面吸附技术即可实现，因此本发明实现简单，成本低廉。

本发明轴承技术效果显著。它具有一定的承载量、低的摩擦系数和很好的耐磨性。本发明轴承支承精度高，实现简单，成本低廉，具有重要实用价值。

附图说明

图1是大长径比向心滑动轴承，即的长轴承的结构示意图。

图2是小长径比向心滑动轴承，即的窄轴承的结构示意图。

图3是有限宽向心滑动轴承，即的轴承的结构示意图。

图4是本发明实施例轴承的结构示意图。

图1、图2、图3、图4中，1、轴，2、轴承衬套或轴承座，3、润滑油入口位置，4、润滑油出口位置，5、轴承孔。

图5是本发明轴承中流体压力分布示意图，其中，纵坐标为流体压力，横坐标为角坐标。

图6是本发明轴承的承载量系数与的关系曲线图，其中，=。

图7是当时不同轴承间隙h下本发明轴承无量纲承载量W与的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

实施例为运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承，由旋转的轴1和静止的轴承孔5形成，或由旋转的轴承孔5和静止的轴1形成。本发明中，轴1与轴承孔5同心，轴1与轴承孔5之间具有纳米量级空隙，在该空隙中充满流体。图4例示了本发明轴承。

本发明轴承润滑区域被分成两子区即“I”子区和“II”子区，这两子区所对的中心角分别为和。本发明轴承中，通过在“I”子区和“II”子区的静止接触表面上分别涂覆特定的涂层，“I”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度大于“II”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度。

本发明轴承运动接触表面的圆周线速度为u，流体由于运动接触表面的牵引从“I”子区流向“II”子区。图4中，r 和R 分别为轴1和轴承孔5的半径，w为单位接触宽度上轴承承受的载荷，为轴承的偏位角。图4还给出了采用的xoy直角坐标系。

轴1和轴承孔5同心，轴1作旋转运动，轴承孔5静止不动。轴1和轴承孔5之间的空隙为纳米量级，在该空隙中充满流体，“I”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度大于“II”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度。

图 4中实施例轴承，r 和R 分别为轴1和轴承孔5的半径，w为单位接触宽度上轴承承受的载荷，为轴承的偏位角，u为轴承运动接触表面的圆周线速度, 和分别为“I”子区和“II”子区所对的中心角，图4中润滑油入口位置3、润滑油出口位置4即为流体的入口、出口标示。

为便于轴承工作性能分析，为本发明轴承定义以下参数：

h为轴承间隙，，和分别为轴承孔5半径和轴1的半径，如图4所示。

轴承承受的无量纲载荷：，w为单位接触宽度上轴承承受的载荷如图4所示，u为轴承运动接触表面的圆周线速度，为流体粘度。

和分别为“I” 子区和 “II” 子区中流体膜的相对滑移量，分别满足以下关系式：和，而，；此处，和分别为“I”子区中流体膜在轴承孔5表面处和轴1表面处的运动速度，和分别为“II”子区中流体膜在轴承孔5表面处和轴1表面处的运动速度。

旋转的钢制轴1和静止的钢制轴承孔5形成向心滑动轴承，轴1由各种牌号钢材制成，但不排除使用其它材料制成；轴承孔5由各种牌号钢材制成，但不排除使用其它材料制成。在轴承衬套或轴承座2的轴承孔5壁上涂覆亲油的二氧化钛涂层，该涂层涂覆区域所对的中心角，即为，在剩余的轴承孔5壁上涂覆憎油的氟碳涂层，该涂层涂覆区域所对的中心角，即为，在轴1和轴承孔5壁涂层间充满普通石蜡油，即润滑油为普通石蜡油。

当，时：

（1）当，时，本发明轴承单位宽度上的承载量为，轴承孔5摩擦系数为，轴1的摩擦系数为。

（2）当，时，本发明轴承单位宽度上的承载量为，轴承孔5摩擦系数为，轴1的摩擦系数为。

（3）当，时，本发明轴承单位宽度上的承载量为，轴承孔5摩擦系数为，轴1的摩擦系数为。

（4）当，时，本发明轴承单位宽度上的承载量为，轴承孔5摩擦系数为，轴1的摩擦系数为。

形成本发明轴承的条件是：

（１）

此处，,，,，和分别为“I”子区和“II”子区中流体在膜厚方向成为连续介质的临界膜厚，为当流体为连续介质时流体密度，和分别为“I”子区和“II”子区中流体的平均密度。

传统设计没法形成同心向心滑动轴承。本发明设计能形成同心微型向心滑动轴承。与传统润滑机理相比，本发明的润滑机理有实质创新。它运用物理吸附技术使轴承产生承载能力。同时，本发明轴承摩擦系数低，支承精度高，减摩耐磨性能好。因此，本发明轴承的技术优势和应用价值是十分明显的。

原理说明

在本发明设计的轴承中，轴1与轴承孔5涂层间的空隙处处相等，根据以往建立的界面吸附理论，由于本发明轴承“I”子区中流体与静止接触表面的相互作用强度大于“II”子区中流体与静止接触表面的相互作用强度，轴承“I”子区中由轴承运动接触表面牵引运动产生的流体质量流量，即流体Couette流动流量大于轴承“II”子区中由轴承运动接触表面牵引运动产生的流体质量流量，由于本发明轴承中流体从“I”子区流向“II”子区，若本轴承的轴1和轴承孔5的间隙中无流体压力建立，则由轴承运动接触表面牵引运动产生的流体流动使流体在本轴承的轴1和轴承孔5的间隙中不断汇聚形成挤压从而形成流体压力，也就是说，在本轴承中必然能形成流体压力，形成的流体压力使流体产生压力梯度流动，即Poiseuille流动，流体的压力梯度流动使流过轴1和轴承孔5间隙的流体质量流量处处相等，从而满足了流体流动连续性。本发明轴承的压力分布如图5所示。图5 本发明轴承中流体压力分布图。纵坐标为流体压力，横坐标为角坐标。

由于本发明轴承中形成了流体压力，本发明轴承就有了支承径向载荷w如图4所示的能力，即本发明轴承有了承载能力。同时，本发明轴承中流体膜起着很好的润滑作用，使本发明轴承具有很低的摩擦系数。又由于轴1和轴承孔5壁被流体膜分隔开，因此本发明轴承磨损很轻，可以忽略不计，故本发明轴承耐磨性好。这些就是本发明轴承的工作机理。

图6给出了本发明轴承承载量系数与的关系曲线，其中，=。从图6看出，对于给定的，当时，达到最大，即此时本发明轴承承载能力达到最大。

图7给出了当时不同轴承间隙h下本发明轴承的无量纲承载量W与的关系曲线例示。从图7看出，为使本发明轴承的承载能力达到较大，的优选值为：。

Claims

1.一种运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承，其特征在于：包括同心的轴与轴承孔，轴与轴承孔之间具有纳米量级空隙，在该空隙中充满流体形成润滑区域，该润滑区域被分成两子区即“I”子区和“II”子区，这两子区所对的中心角分别为和，在“I”子区和“II”子区的静止接触表面上分别涂覆涂层，使“I”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度大于“II”子区中流体和静止接触表面的相互作用强度；该轴承的形成条件为：

　　　　　（１）

其中，和分别为“I” 子区和 “II” 子区中流体膜的相对滑移量，,，,，和分别为“I”子区和“II”子区中流体在膜厚方向成为连续介质的临界膜厚，为当流体为连续介质时流体密度，和分别为“I”子区和“II”子区中流体的平均密度；h为轴承间隙，，和分别为轴承孔半径和轴的半径。

2.如权利要求1所述的运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承，其特征在于，“I”子区和 “II” 子区中流体膜的相对滑移量和分别满足以下关系式：和，而，；其中，和分别为“I”子区中流体膜在轴承孔表面处和轴表面处的运动速度，和分别为“II”子区中流体膜在轴承孔表面处和轴表面处的运动速度，u为轴承运动接触表面的圆周线速度。

3.如权利要求1或2所述的运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承，其特征在于，轴和轴承孔形成向心滑动轴承，在轴承孔壁上涂覆亲油的二氧化钛涂层，该涂层涂覆区域所对的中心角即β₁为，在剩余的轴承孔壁上涂覆憎油的氟碳涂层，该涂层涂覆区域所对的中心角即β₂为，在轴和轴承孔壁涂层间充满普通石蜡油。

4.如权利要求1所述的运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承，其特征在于：该轴承的长径比L/D为：L/D>0.2，L为轴承的轴向长度，D为轴的直径。

5.如权利要求1所述的运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承，其特征在于，“I”子区所对的中心角和“II”子区所对的中心角满足以下条件：。

6.如权利要求1所述的运用物理吸附形成的同心微型向心滑动轴承，其特征在于，“I”子区所对的中心角和“II”子区所对的中心角满足以下条件：。