CN105526249B - 一种组合式微型箔片气体动压轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式微型箔片气体动压轴承，包括轴承体(1)，设置于轴承体(1)两侧的端面压盖(4)，若干弹性箔片支撑结构(2)以及顶层箔片(3)；所述若干弹性箔片支撑结构(2)固定设置于轴承体(1)内壁；顶层箔片(3)贴合设于弹性箔片支撑结构(2)内侧，通过箔片外伸部分(31)固定于轴承体(1)内壁。本发明采用组合形式，提高了微气体轴承的承载能力，以及安装更为方便。同时采用了合理的弹性支撑结构，能实现启动刚度小，随转速升高，刚度大幅增加，提高了稳定性和抗冲击性能。

Description

一种组合式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，具体涉及一种组合式微型箔片气体动压轴承。

背景技术

空气箔片动压轴承是采用箔片作为弹性支承元件，并以空气作为润滑剂的一种动压轴承，主要分为悬臂型，缠绕型，外楔型和波箔型。由于在运行过程没有机械接触，减少了转子与轴承之间的摩擦磨损，能够提供极高的精度。采用空气润滑，能够减缓温升，有效延长轴承寿命。动压轴承运行平稳，抗振性好，其中箔片动压轴承由于采用箔片作为弹性支撑元件，凭借其结构特点，具有一定的刚度和阻尼，使轴承具有较好的承载能力以及稳定性。与普通刚性支承表面的动压轴承相比较，由于箔片的补偿作用，可以弥补转子与轴承，轴承与轴承之间的不对中，进而降低加工精度和装配要求，更具有经济性。

近年来微机电系统发展迅速，其重要的一个研究方向就是微型旋转机械，主要应用于微型燃气轮机，微型机器人，微型电化学发电系统，无人机的推进系统。在微型旋转机械中，转子转速一般为几十万转，甚至要达到数百万转。轴承作为微型旋转机械中的核心部件，目前主要应用有滚动轴承，气体轴承，以及磁轴承。滚动轴承由于摩擦很难满足高速旋转，而磁轴承难以控制测量；气体轴承具有低摩擦，以及能适应高转速，但是在微型气体轴承当中，由于气膜厚度的减小，需要考虑空气稀薄效应，速度滑移以及气体粘度的变化，加大了轴承设计与分析的困难，因此轴承是微型旋转机械中亟待解决的关键问题。

对于微型气体轴承，由于其结构的精细，LIGA技术被用来对微型气体轴承进行加工。LIGA技术采用X射线光刻，由于X射线的高平行度，深穿透能力，因此能够形成垂直度很高的，精度能达到几微米甚至纳米级别，厚度能达到1mm左右的微细结构。由于LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源，所以近几年发展了准LIGA技术，也即UV-LIGA。UV-LIGA用近紫外光取代LIGA技术中的同步辐射X射线深层刻蚀，采用这种工艺不需要制作X光掩模板，因此大大降低制造成本，无疑对微型气体轴承的加工提供了巨大的前景。

宏观尺寸的气体箔片轴承，由于尺寸较大，在加工制作装配方面简单。经过长期以来的研究发展，其设计以及性能分析已相对成熟。在理想情况下，微型轴承就是宏观轴承的缩小版。实际上，微型气体轴承由于尺寸过小，一些零部件很难加工，如波箔，即使加工出来又很难保证尺寸精度和几何精度，而且连续的波箔由于其相互作用，很难对其进行整体性能分析。其次，由于气膜厚度一般为数微米至几十微米，需要考虑空气稀薄效应，速度滑移以及气体粘度的变化，给轴承设计分析带来了很大困难。在采用LIGA技术加工的前提下，轴承厚度一般不会超过一个毫米，因此，微气体轴承的承载能力以及安装也受到局限。在微型箔片气体动压轴承当中，刚度和阻尼特性对轴承的高速运行极其重要，因此如何合理设计结构，实现启动刚度小，随转速升高，刚度大幅增加，同时提高阻尼特性，获得较高的稳定性和抗冲击性能，也成为微型箔片气体动压轴承设计需要考虑的问题之一。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种组合式微型箔片气体动压轴承，采用组合形式，提高微气体轴承的承载能力，以及安装更为方便；合理的弹性支撑结构，能实现启动刚度小，随转速升高，刚度大幅增加，同时提高稳定性和抗冲击性能。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种组合式微型箔片气体动压轴承，包括轴承体，设置于轴承体两侧的端面压盖，若干弹性箔片支撑结构以及顶层箔片；

所述若干弹性箔片支撑结构固定设置于轴承体内壁；顶层箔片贴合设于弹性箔片支撑结构内侧，通过箔片外伸部分固定于轴承体内壁。

进一步的，所述轴承体内壁设有若干轴向槽，用于嵌合固定弹性箔片支撑结构以及顶层箔片。

进一步的，包括设于内侧与顶层箔片外表面贴合的若干弯曲悬臂梁结构。

进一步的，相邻两个弯曲悬臂梁结构末端与转角弯曲端存有一定间隙，且弯曲悬臂梁结构能发生微小变形，在力的作用下能相互接触。

进一步的，弯曲悬臂梁结构截面尺寸由弯曲悬臂梁结构根部至弯曲悬臂梁结构前端逐渐减小。

进一步的，每个弯曲悬臂梁结构高度为R1-R，其中，R1为弯曲悬臂梁结构根部所在圆弧半径；R为弯曲悬臂梁结构前端所在圆弧半径；且弯曲悬臂梁结构根部和前端所在圆弧的中心为轴承体中心，可通过对R的调节来获得任意相邻两个弯曲悬臂梁结构之间的不同间隙值。

进一步的，所述弹性箔片支撑结构还包括若干设于外壁用于与轴承体嵌合固定的花键齿结构。

进一步的，所述弹性箔片支撑结构为不完全闭合结构。

进一步的，所述顶层箔片为不完全闭合结构。

进一步的，所述顶层箔片与转子相对应的内表面上设有耐磨的合金镀层。

本发明所采用的技术方案具有的有益效果是：本发明可采用LIGA加工技术，使轴承体上的弯曲悬臂梁结构和弹性箔片支撑结构内表面连成为一体，独立的弯曲悬臂梁结构取代了复杂的连续型的弹性波箔结构，不仅使得微型箔片气体动压轴承加工，制造，安装更为方便，而且独立的弯曲悬臂梁结构不需考虑连续波箔之间的相互作用，使得对轴承的理论分析变得简单。通过使用LIGA技术，可以加工精度很高的弯曲悬臂梁结构，从而确保较小的轴承间隙，提高轴承的承载能力。同时可以改变弯曲悬臂梁结构参数，可以获得不同的刚度和阻尼特性。弯曲悬臂梁在外力作用下，产生微小位移，使得两相邻弯曲悬臂梁之间相互摩擦，进一步提高了轴承的阻尼特性，增强了轴承的稳定性和抵抗冲击振动的能力。轴承启动时，弯曲悬臂梁之间还没有相互接触，因此极易变形，轴承刚度小，轴承起飞容易，能有效减小轴承的摩擦磨损，随着转速增高，气膜压力增大，使得弯曲悬臂梁之间相互接触，刚度增加，轴承承载能力相应增加。多个弹性箔片支撑结构采用组合形式引起的极小偏差，能够形成轴承预载，进一步提高微型气体箔片动压轴承的承载能力。

附图说明

图1为本发明一种组合式微型箔片气体动压轴承的装配结构示意图；

图2为本发明一种组合式微型箔片气体动压轴承的整体结构示意图；

图3为本发明一种组合式微型箔片气体动压轴承弹性箔片支撑结构的正视图；

图4为图3I处的放大结构示意图；

图5为本发明一种组合式微型箔片气体动压轴承弹性箔片支撑结构的立体结构示意图；

图6为本发明一种组合式微型箔片气体动压轴承轴承体的正视图；

图7为本发明一种组合式微型箔片气体动压轴承轴承体的立体结构示意图；

图8为本发明一种组合式微型箔片气体动压轴承顶层箔片的立体结构示意图；

图9为本发明一种组合式微型箔片气体动压轴承顶层箔片的正视图；

图10为本发明一种组合式微型箔片气体动压轴承端面压盖的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步描述。需要说明的是，实施例并不对本发明要求保护的范围构成限制。

如图1、图2所示，一种组合式微型箔片气体动压轴承，包括轴承体1，设置于轴承体1内的弹性箔片支撑结构2，设置于弹性箔片支撑结构2的顶层箔片3，以及轴承体1两侧对称胶粘的端面压盖4。

如图3-图9所示，所述轴承体1上设有轴向槽11；所述弹性箔片支撑结构2外壁设有花键齿结构21，所述多个弹性箔片支撑结构2通过花键齿结构21嵌入轴承体1上的轴向槽11内，并通过花键齿结构21与轴承体1形成周向定位。

所述顶层箔片3通过箔片外伸部分31嵌入轴承体1上的轴向槽11，固定顶层箔片3，并使顶层箔3外表面和弯曲悬臂梁结构22外侧相互贴合。

所述顶层箔片3的内表面形成轴承与转子的配合面。

所述端面压盖4对称胶粘在轴承体1两侧，并对弹性箔片支撑结构2进行定位和压紧。

所述弹性箔片支撑结构2上设有弯曲悬臂梁结构22，所述弯曲悬臂梁结构前端所在圆弧半径为R,所述弯曲悬臂梁结构根部所在圆弧半径为R1，参数R和R1共同决定弯曲悬臂梁的高度，所述弯曲悬臂梁结构具有变化的截面尺寸参数d，其由弯曲悬臂梁结构根部至弯曲悬臂梁结构前端逐渐减小。

所述任意两个弯曲悬臂梁结构22之间存在数微米至几十微米的间隙，在外力作用下，产生微小位移，使得弯曲悬臂梁结构22之间相互摩擦，并相互提供支撑。

如图3，弹性箔片支撑结构2上开口处的花键齿结构宽度为c，其余花键齿结构宽度为a。

如图6，所述轴承体1上的轴向槽宽度均为a。

如图9，顶层波箔3厚度为e。

以上具体参数关之间的关系为c+e＝a,该参数不同宽度的设计是为了使弹性箔片支撑结构2上开口处的花键齿结构和顶层波箔3的外伸部分31能完全贴合一并插入轴承体1上的轴向槽11。

图10为端面压盖结构示意图，所述端面压盖4表面非常光整，对称胶粘在轴承体1两侧，对弹性箔片支撑结构2形成轴向定位夹紧。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，比如顶层波箔可以做成分块式，弯曲悬臂梁参数形式的改变，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种组合式微型箔片气体动压轴承，其特征在于，包括轴承体(1)，设置于轴承体(1)两侧的端面压盖(4)，若干弹性箔片支撑结构(2)以及顶层箔片(3)；

所述若干弹性箔片支撑结构(2)固定设置于轴承体(1)内壁；顶层箔片(3)贴合设于弹性箔片支撑结构(2)内侧，通过箔片外伸部分(31)固定于轴承体(1)内壁；弹性箔片支撑结构(2)包括设于内侧与顶层箔片(3)外表面贴合的若干弯曲悬臂梁结构(22)；相邻两个弯曲悬臂梁结构(22)末端与转角弯曲端存有一定间隙，且弯曲悬臂梁结构(22)能发生微小变形，在力的作用下能相互接触。

2.根据权利要求1所述的一种组合式微型箔片气体动压轴承，其特征在于，所述轴承体(1)内壁设有若干轴向槽(11)，用于嵌合固定弹性箔片支撑结构(2)以及顶层箔片(3)。

3.根据权利要求1所述的一种组合式微型箔片气体动压轴承，其特征在于，弯曲悬臂梁结构(22)截面尺寸由弯曲悬臂梁结构根部至弯曲悬臂梁结构前端逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的一种组合式微型箔片气体动压轴承，其特征在于，每个弯曲悬臂梁结构(22)高度为R1-R，其中，R1为弯曲悬臂梁结构根部所在圆弧半径；R为弯曲悬臂梁结构前端所在圆弧半径；且弯曲悬臂梁结构根部和前端所在圆弧的中心为轴承体(1)中心，可通过对R的调节来获得任意相邻两个弯曲悬臂梁结构(22)之间的不同间隙值。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种组合式微型箔片气体动压轴承，其特征在于，所述弹性箔片支撑结构(2)还包括若干设于外壁用于与轴承体(1)嵌合固定的花键齿结构(21)。

6.根据权利要求5所述的一种组合式微型箔片气体动压轴承，其特征在于，所述弹性箔片支撑结构(2)为不完全闭合结构。

7.根据权利要求1所述的一种组合式微型箔片气体动压轴承，其特征在于，所述顶层箔片(3)为不完全闭合结构。

8.根据权利要求7所述的一种组合式微型箔片气体动压轴承，其特征在于，所述顶层箔片(3)与转子相对应的内表面上设有耐磨的合金镀层。