CN109780056B - 可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承。包括轴承外圈和轴承内圈，轴承内圈同轴套装于轴颈上，轴承内圈外套装有轴承外圈；轴承内圈外表面开设成V形环槽，轴承外圈内表面设置成V形环凸起，使得轴承内圈和轴承外圈之间的间隙呈V形，V形的尖端朝向径向内侧；在轴承内圈的V形环槽在两侧槽壁周面上设有沿周向间隔均布的多个孔槽，每个孔槽内装有压电换能器。本发明能够利用近场声悬浮效应，减少与轴径之间的摩擦磨损，提高轴承使用寿命；形成动压薄膜润滑从而提高近场声悬浮声场承载能力及耐磨性能；提高轴承的极限转速。

Description

可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承

技术领域

本发明涉及一种径向轴承，尤其是涉及了一种可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承。

背景技术

普通径向轴承的轴颈与轴瓦面之间通常使用油润滑，具有较好的润滑效果和承载能力。这种轴承虽然构造简单、制造方便、承载能力高、抗震性好、但是容易产生磨损，最终导致轴承失效、同时大量摩擦热也会对润滑油粘度产生影响，并且不适用于清洁场合，不适用与超高速工况。

发明内容

为了解决背景技术中磨损失效、发热量大的问题，本发明的目的在于提供一种能调节轴承外圈位置的径向轴承，在轴承内圈表面上加工有均匀分布的凹槽，凹槽内布置压电换能器，内圈表面为软耐磨材料，尺寸相同的压电换能器沿壳体周向方向布置，等间距排列。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括轴承外圈和轴承内圈，轴承内圈同轴套装于轴颈上，轴承内圈外套装有轴承外圈；轴承内圈外表面开设成V形环槽，轴承外圈内表面设置成V形环凸起，使得轴承内圈和轴承外圈之间的间隙呈V形，V形的尖端朝向径向内侧；在轴承内圈的V形环槽在两侧槽壁周面上设有沿周向间隔均布的多个孔槽，每个孔槽内装有压电换能器。

所述的V形环槽和V形环凸起的两侧表面均和轴颈呈45°夹角布置。

所述的压电换能器包括后端盖、压电陶瓷和变幅杆；后盖固定于孔槽内底部，后盖经压电陶瓷和变幅杆固接，变幅杆前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆前端作为压电换能器末端，变幅杆采用软耐磨材料制成；雪花形凹槽由三条条形通槽以等间隔旋转角度中央交叉布置而成，开设在变幅杆前端端面中心。

所述的变幅杆尾端和压电陶瓷的一端固接，压电陶瓷的另一端和后盖固接。

所述的变幅杆采用软耐磨材料，所述的软耐磨材料为巴氏合金固体润滑材料或聚四氟乙烯固体润滑材料。

所述的轴承内圈和轴承外圈之间的间隙距离小于1mm。

本发明轴承结构能形成有效的近场声悬浮，具备强度足够的声场、悬浮物体与超声悬浮装置的间距足够小。形成的近场声悬浮能很好地减少径向轴承间的摩擦，提高轴承寿命，提高轴承极限转速。

在本发明的近场声悬浮压力下，通过减小轴承内外圈之间的间隙，提高声波角速度，能有效增强近场声悬浮压力，提高声悬浮轴承的承载能力。

式中，p_ra—表示轴承外圈受到的压力，γ—比热容，空气取1.4；a₀—振幅；k—波数；h—声源与轴承外圈距离；ρ₀—空气密度；ω—声波角速度。

本发明的超声致动端盖采用软耐磨材料且与压电环能器相连接，使用软性材料结合雪花形通槽能充分传导压电片的形变，增强超声波。

本发明具有的有益效果是：

1、超声悬浮。

2、减少发热。

3、污染小。

4、提高轴承极限转速。

本发明可用于对径向轴承对承载能力较低、极限转速较高和对耐磨性要求较高的场合。例如、微机电系统中或不易润滑的径向轴承。

附图说明

图1是超声悬浮径向轴承的装配示意图。

图2是超声悬浮径向轴承剖面结构图。

图3是超声悬浮径向轴承除去轴承外圈的装配示意图。

图4是超声悬浮径向轴承压电换能器装配示意图。

图5是超声悬浮径向轴承压电换能器变幅杆示意图。

图中1、轴承外圈，2、轴承内圈，3、压电换能器，4、轴颈，5、后端盖，6、压电陶瓷，7、变幅杆。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明具体实施包括轴承外圈1和轴承内圈2，轴承内圈2同轴套装于轴颈4上，轴承内圈2外套装有轴承外圈1；轴承内圈与轴颈之间为过盈配合；轴承内圈与轴承外圈之间存在间隙。

如图2所示，轴承内圈2外表面开设成V形环槽，轴承外圈1内表面设置成V形环凸起，V形环槽和V形环凸起均为V形沿周向环绕形成；V形环槽和V形环凸起的两侧表面均和轴颈4呈45°夹角布置。从而使得轴承内圈2和轴承外圈1之间的间隙沿径向剖面截面呈V形，且间隙距离小于1mm，V形的尖端朝向径向内侧；如图1和图2所示，轴承内圈2形状为两个相同圆锥台以小端同轴对接构成，轴承内圈2形状为两个相同环形圆锥台以大端同轴对接构成，环形圆锥台的外周面为柱面。

如图3所示，在轴承内圈2的V形环槽在两侧槽壁周面上设有沿周向间隔均布的多个孔槽，每个孔槽内装有压电换能器3。如图4所示，压电换能器3包括安装在孔槽中沿径向向外侧依次布置的后端盖5、压电陶瓷6和变幅杆7；后盖5固定于孔槽内底部，变幅杆7尾端和压电陶瓷4的一端固接，压电陶瓷4的另一端和后盖5固接。后端盖5前端与压电陶瓷6后端相配合，且二者轴线重合，后端盖5形状为圆柱形，圆柱直径与压电陶瓷圆柱直径相等；压电陶瓷6前端与变幅杆7后端相配合，其配合要求与后端盖5前端与压电套菜6后端配合要求相同。

如图5所示，变幅杆7前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆7前端作为压电换能器4末端，变幅杆7采用软耐磨材料制成；雪花形凹槽由三条条形通槽以等间隔旋转角度中央交叉布置而成，呈*形，开设在变幅杆7前端端面中心。压电换能器将电信号转化为振动信号，在轴承内外圈之间的空气膜中产生超声波声场，同时挤压轴承外圈与轴承内圈之间间隙处的空气生成超声悬浮力，将轴承悬浮起来。

变幅杆7采用软耐磨材料，软耐磨材料为巴氏合金固体润滑材料或聚四氟乙烯固体润滑材料，减小轴承启动和停止时轴承内外圈之间存在的少量磨损。

本发明的工作原理过程是：

压电陶瓷在交流电控制下产生余弦超声波，这种余弦超声波通过变幅杆增幅，由于变幅杆材料较软，具有较小的弹性模量并且具有较好的强度，更易沿径向传导震动，在轴承内外圈之间产生近场声悬浮效应。同时超声波挤压空气，在轴承外圈与轴承内圈之间间隙处产生动压膜，增大轴承支撑力。通过声悬浮的方式将轴颈悬浮与轴瓦分离，减少轴颈与轴瓦间的摩擦，提高了轴承的使用寿命。

由于压电换能器沿轴承内圈表面对称布置，可以对称得产生超声波作用在轴承内外圈的空气膜中，使得作用在轴承外圈上的超声悬浮力绕轴线方向对称分布，声悬浮轴承稳定性更好；在超声悬浮轴承工作时，如果轴颈收到轴向方向冲击，与轴颈配合的轴承内圈会沿轴线方向产生微小位移，此时，在轴承内圈与轴承外圈之间的V形空气膜会由于一侧间距缩小而产生恢复力，回到初始工作状态，即轴承外圈表面最凸处所处的平面与轴承内圈最凹处的平面重合，使得轴承内圈有较好的定位精度，能够根据轴颈受到的轴向冲击力自适应得调节轴承内圈位置。

由此上述实施可见，本发明能够利用近场声悬浮效应，减少与轴径之间的摩擦磨损，提高轴承使用寿命；超声波挤压轴承内外圈间的空气膜，形成动压薄膜润滑从而提高近场声悬浮声场承载能力及耐磨性能；超声悬浮技术可以提高轴承的极限转速；轴承内圈表面使用软性耐磨材料，可以产生足够超声波，并在超声径向轴承启动时减少磨损。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承，其特征在于：包括轴承外圈(1)和轴承内圈(2)，轴承内圈(2)同轴套装于轴颈(4)上，轴承内圈(2)外套装有轴承外圈(1)；轴承内圈(2)外表面开设成V形环槽，轴承外圈(1)内表面设置成V形环凸起，使得轴承内圈(2)和轴承外圈(1)之间的间隙呈V形，V形的尖端朝向径向内侧；在轴承内圈(2)的V形环槽在两侧槽壁周面上设有沿周向间隔均布的多个孔槽，每个孔槽内装有压电换能器(3)。

2.根据权利要求1所述的一种可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承，其特征在于：所述的V形环槽和V形环凸起的两侧表面均和轴颈(4)呈45°夹角布置。

3.根据权利要求1所述的一种可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承，其特征在于：所述的压电换能器(3)包括后端盖(5)、压电陶瓷(6)和变幅杆(7)；后盖(5)固定于孔槽内底部，后盖(5)经压电陶瓷(6)和变幅杆(7)固接，变幅杆(7)前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆(7)前端作为压电换能器(4)末端，变幅杆(7)采用软耐磨材料制成；雪花形凹槽由三条条形通槽以等间隔旋转角度中央交叉布置而成，开设在变幅杆(7)前端端面中心。

4.根据权利要求3所述的一种可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承，其特征在于：所述的变幅杆(7)尾端和压电陶瓷(4)的一端固接，压电陶瓷(4)的另一端和后盖(5)固接。

5.根据权利要求3所述的一种可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承，其特征在于：所述的变幅杆(7)采用软耐磨材料，所述的软耐磨材料为巴氏合金固体润滑材料或聚四氟乙烯固体润滑材料。

6.根据权利要求1所述的一种可自适应稳定轴承内圈位置的超声悬浮径向轴承，其特征在于：所述的轴承内圈(2)和轴承外圈(1)之间的间隙距离小于1mm。