CN115628264B - 一种箔片式动压空气轴承及旋转机械轴系 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种箔片式动压空气轴承及旋转机械轴系，涉及传动结构领域。箔片式动压空气轴承包括顶箔和弹性支撑件；弹性支撑件环绕顶箔设置，包括内支撑部、外支撑部和弹性连接部；内支撑部与顶箔抵接；外支撑部与轴承座抵接；内支撑部通过弹性连接部与其中一个外支撑部连接，通过另一弹性连接部与另一个外支撑部连接，两个弹性连接部朝向顶箔一端的间距大于另一端的间距。上述箔片式动压空气轴承不会出现弹性支撑件的自由端侵入到顶箔内侧的情况，在短时冲击或者长期工作后不会出现弹性支撑件的支撑刚度不可逆地衰减的情况。同时，特殊设计的弹性支撑件增大了对顶箔的支撑作用，也增加了与顶箔和轴承座之间的摩擦耗能能力。

Description

一种箔片式动压空气轴承及旋转机械轴系

技术领域

本发明涉及传动结构领域，尤其涉及一种箔片式动压空气轴承及旋转机械轴系。

背景技术

箔片式动压空气轴承是一种尤其适用于高转速、轻负载、高温、低温以及无油工况的旋转机械轴系支撑关键部件，广泛应用于新能源汽车燃料电池系统的空压机、高速工业压缩机和泵类产品。

典型的箔片式动压空气轴承由顶箔、波箔和轴承套筒构成。其中，顶箔和波箔沿顶箔周向的一端为固定端，另一端为自由端，且顶箔和波箔的固定端均通过焊接、销钉或其它方式与轴承套筒固定在一起。

此外，波箔具有若干拱波，由拱波的拱顶对顶箔进行支撑。当拱波受压时，拱波的两个底脚向两端张开并相互远离，拱波的跨距变长。

一方面，由于拱波受载跨距变长的特性，在短时冲击或长期工作后，波箔的自由端将伸出顶箔覆盖区域，严重时甚至会顺着顶箔固定端的导向，从顶箔外侧侵入到顶箔内侧，进而导致轴承失效。

另一方面，当拱波在短时冲击或长期工作后出现塑性形变时，拱波的跨距变长，导致拱波的支撑刚度减小，更易出现塑性形变，进而导致波箔的支撑刚度不可逆地衰减，直至轴承失效。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种箔片式动压空气轴承。

本发明提供如下技术方案：

一种箔片式动压空气轴承，包括顶箔和弹性支撑件；

所述弹性支撑件设有至少一个，所述弹性支撑件环绕所述顶箔设置，所述弹性支撑件具有固定端和自由端，所述弹性支撑件包括内支撑部、外支撑部和弹性连接部；

所述内支撑部与所述顶箔抵接，所述内支撑部设有多个，多个所述内支撑部沿所述顶箔的周向排列；

所述外支撑部用于与轴承座抵接，所述外支撑部设有多个，多个所述外支撑部沿所述顶箔的周向排列；

所述内支撑部通过所述弹性连接部与其中一个所述外支撑部连接，所述内支撑部通过另一所述弹性连接部与另一个所述外支撑部连接，连接同一所述内支撑部的两个所述弹性连接部朝向所述顶箔一端的间距大于另一端的间距；

所述内支撑部沿所述顶箔周向的一端设有第一凸起，另一端设有第一凹槽，且所述内支撑部的所述第一凸起与相邻所述内支撑部的所述第一凹槽相对。

作为对所述箔片式动压空气轴承的进一步可选的方案，所述内支撑部呈弧形设置，所述内支撑部朝向所述顶箔的一侧与所述顶箔贴合。

作为对所述箔片式动压空气轴承的进一步可选的方案，所述外支撑部呈弧形设置，所述外支撑部朝向所述轴承座的一侧与所述轴承座贴合。

作为对所述箔片式动压空气轴承的进一步可选的方案，所述外支撑部沿所述顶箔周向的一端设有第二凸起，另一端设有第二凹槽，且所述外支撑部的所述第二凸起与相邻所述外支撑部的所述第二凹槽相对。

作为对所述箔片式动压空气轴承的进一步可选的方案，其中一个所述弹性连接部上设有缺口，以形成所述弹性支撑件的固定端和自由端。

作为对所述箔片式动压空气轴承的进一步可选的方案，所述弹性连接部呈条状设置，所述弹性连接部相对于所述顶箔的径向倾斜设置，且连接同一所述内支撑部的两个所述弹性连接部的倾斜方向相反。

作为对所述箔片式动压空气轴承的进一步可选的方案，所述顶箔沿所述顶箔周向的两端均设有卡持部，两个所述卡持部设于所述弹性支撑件两端的两个所述内支撑部之间，及与所述弹性连接部贴合。

作为对所述箔片式动压空气轴承的进一步可选的方案，所述弹性支撑件设有多个，多个所述弹性支撑件沿所述顶箔的轴向层叠设置。

本发明的另一目的是提供一种旋转机械轴系。

本发明提供如下技术方案：

一种旋转机械轴系，包括上述箔片式动压空气轴承。

本发明的实施例具有如下有益效果：

由内支撑部、外支撑部和弹性连接部组成的弹性支撑件取代现有的波箔，对顶箔进行支撑。当顶箔受载时，压力先后作用于内支撑部、弹性连接部、外支撑部和轴承座。由于连接同一内支撑部的两个弹性连接部朝向顶箔一端的间距大于另一端的间距，故两个弹性连接部的另一端在受压时相互靠拢，进而带动两个外支撑部沿顶箔的周向相互靠拢。此时，弹性支撑件沿顶箔周向的长度减小，其自由端沿远离固定端的方向收缩撤回，不会出现弹性支撑件的自由端侵入到顶箔内侧的情况，避免箔片式动压空气轴承失效。此外，当两个外支撑部沿顶箔的周向靠拢至相互接触时，两个弹性连接部的背向顶箔的一端无法移动，对内支撑部的支撑更加稳定，能够提高弹性支撑件的支撑刚度，不会出现弹性支撑件的支撑刚度不可逆地衰减的情况，避免箔片式动压空气轴承失效。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的一种箔片式动压空气轴承的整体结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的一种箔片式动压空气轴承中多个弹性支撑件的爆炸示意图；

图3示出了本发明实施例提供的一种箔片式动压空气轴承中弹性支撑件的结构示意图；

图4示出了图3中A处放大示意图；

图5示出了本发明实施例提供的一种箔片式动压空气轴承中外支撑部相互接触的状态示意图；

图6示出了本发明实施例提供的一种箔片式动压空气轴承中外支撑部和内支撑部分别接触的示意图；

图7示出了本发明实施例提供的一种箔片式动压空气轴承中顶箔与弹性支撑件之间的配合关系示意图。

主要元件符号说明：

100-顶箔；110-卡持部；200-弹性支撑件；210-内支撑部；211-第一凸起；212-第一凹槽；220-外支撑部；221-第二凸起；222-第二凹槽；230-弹性连接部；231-缺口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例

请参阅图1，本实施例提供一种箔片式动压空气轴承（以下简称为“轴承”），用于对旋转机械轴系中的转轴进行支撑。该轴承包括顶箔100和弹性支撑件200，其中，弹性支撑件200设置在顶箔100与轴承座之间，以取代常规的波箔和轴承套筒，并对顶箔100进行支撑。

具体地，弹性支撑件200环绕顶箔100设置。此外，沿顶箔100的周向上，顶箔100和弹性支撑件200的一端为固定端，并与轴承座的内壁固定连接，顶箔100和弹性支撑件200的另一端则为自由端。

请参阅图2，在一些实施例中，弹性支撑件200为薄片状结构，并设有多个，多个弹性支撑件200沿顶箔100的轴向层叠设置。

与常规的波箔相比，弹性支撑件200沿顶箔100轴向的厚度薄，可以直接通过蚀刻、线切割或者激光切割等工艺成型，成型过程中不存在加工应力，故不存在常规的波箔需要冲压或者卷制成型，且成型后容易回弹的情况，也无需热处理以保证尺寸的稳定性。

请再次参阅图1，在另一些实施例中，弹性支撑件200也可以仅设有一个。

请一并参阅图3和图4，具体地，弹性支撑件200由内支撑部210、外支撑部220和弹性连接部230组成。

其中，内支撑部210设有多个，多个内支撑部210沿顶箔100（参阅图1）的周向排列，并与顶箔100抵接，对顶箔100进行支撑。

外支撑部220的数量与内支撑部210的数量相同，多个外支撑部220沿顶箔100的周向排列，并与轴承座抵接。

内支撑部210通过弹性连接部230与其中一个外支撑部220连接，同时通过另一个弹性连接部230与另一个外支撑部220连接，且两个外支撑部220相邻。

类似地，外支撑部220通过弹性连接部230与其中一个内支撑部210连接，同时通过另一个弹性连接部230与另一个内支撑部210连接，且两个内支撑部210相邻。

总之，弹性支撑件200由内支撑部210、弹性连接部230、外支撑部220、弹性连接部230依次串联而成。

此外，与同一内支撑部210连接的两个弹性连接部230朝向顶箔100一端的间距大于另一端的间距。

一方面，内支撑部210和对应的两个弹性连接部230组成喇叭状结构。该喇叭状结构的大口为内支撑部210，并朝向顶箔100。该喇叭状结构的小口敞口设置，并朝向轴承座。

请结合图5，当顶箔100受载时，压力作用于该喇叭状结构，使得该喇叭状结构的小口收拢，并带动两个外支撑部220沿顶箔100的周向相互靠拢。

另一方面，外支撑部220和对应的两个弹性连接部230同样组成喇叭状结构。该喇叭状结构的大口为外支撑部220，并朝向轴承座。该喇叭状结构的小口敞口设置，并朝向顶箔100。

请结合图6，当顶箔100受载时，压力通过内支撑部210作用于该喇叭状结构，使得该喇叭状结构的小口收拢，并带动两个内支撑部210沿顶箔100的周向相互靠拢。

总之，当顶箔100受载时，压力作用于弹性支撑件200，使得弹性支撑件200沿顶箔100周向的长度减小。弹性支撑件200的自由端沿远离固定端的方向收缩撤回，不会出现弹性支撑件200的自由端侵入到顶箔100内侧的情况，避免箔片式动压空气轴承失效。

此外，当两个外支撑部220沿顶箔100的周向靠拢至相互接触时，两个弹性连接部230的背向顶箔100的一端无法移动，对内支撑部210的支撑更加稳定，能够提高弹性支撑件200的支撑刚度。在此基础上，若两个内支撑部210沿顶箔100的周向靠拢至相互接触，则弹性支撑件200形成刚性支撑结构。因此，不会出现弹性支撑件200的支撑刚度不可逆地衰减的情况，同样能够避免箔片式动压空气轴承失效。

请再次参阅图4，进一步地，内支撑部210沿顶箔100周向的一端设有第一凸起211，另一端则设有第一凹槽212，且内支撑部210的第一凸起211与相邻内支撑部210的第一凹槽212相对。

当两个内支撑部210沿顶箔100的周向相互靠拢时，第一凸起211嵌入第一凹槽212内，避免内支撑部210与对侧的弹性连接部230接触，进而避免内支撑部210沿对侧的弹性连接部230的侧面滑移，确保两个内支撑部210抵接，避免弹性支撑件200失稳或者翘曲、扭曲。

类似地，外支撑部220沿顶箔100周向的一端设有第二凸起221，另一端则设有第二凹槽222，且外支撑部220的第二凸起221与相邻外支撑部220的第二凹槽222相对。

当两个外支撑部220沿顶箔100的周向相互靠拢时，第二凸起221嵌入第二凹槽222内，避免外支撑部220与对侧的弹性连接部230接触，进而避免外支撑部220沿对侧的弹性连接部230的侧面滑移，确保两个外支撑部220抵接，避免弹性支撑件200失稳或者翘曲、扭曲。

上述第一凹槽212和第二凹槽222的形状可以是V型、半圆形或者矩形，第一凸起211的形状与第一凹槽212相适配，第二凸起221的形状与第二凹槽222相适配。

在一些实施例中，内支撑部210呈弧形设置，且内支撑部210朝向顶箔100的一侧与顶箔100贴合。

此时，弹性支撑件200对顶箔100有更多的支撑位置，使顶箔100在气膜压力作用下发生凹陷的可能性大大减小，进而减少气体从轴承端部泄露，有利于建立更高的气膜压力，提高轴承的承载能力。

相比之下，常规的波箔仅有拱波的拱顶对顶箔100形成支撑。在气膜压力作用下，位于两个拱顶之间的顶箔100容易沿径向凹陷，导致气体端部泄露加重，难以建立更高的气膜压力，进而导致轴承的承载能力降低。

此外，弹性支撑件200与顶箔100有更长的接触面，通过摩擦接触耗散能量的能力更强，阻尼更大，更适合高速运行工况。

相比之下，常规的波箔与顶箔100的接触面积有限，通过摩擦耗散能量的能力偏弱，阻尼较小。

类似地，外支撑部220同样呈弧形设置，且外支撑部220朝向轴承座的一侧与轴承座贴合。

与常规的波箔和轴承套筒相比，弹性支撑件200与轴承座有更长的接触面，通过摩擦接触耗散能量的能力更强。

在一些实施例中，弹性连接部230呈条状设置。条状的弹性连接部230相对于顶箔100的径向倾斜设置，且连接同一内支撑部210的两个弹性连接部230的倾斜方向相反。

当径向压力作用于弹性支撑件200时，两个弹性连接部230远离内支撑部210的一端沿相反的方向移动，并带动两个外支撑部220相互靠拢。

在另一些实施例中，弹性连接部230也可以设置为弧形。

进一步地，弹性连接部230的数量为内支撑部210的数量的两倍，且其中一个弹性连接部230上设有缺口231，以形成弹性支撑件200的固定端和自由端。

请参阅图7，具体地，顶箔100的固定端和自由端均设有卡持部110。两个卡持部110嵌设于弹性支撑件200两端的两个内支撑部210之间，并与弹性连接部230贴合。

其中，位于顶箔100固定端的卡持部110与位于弹性支撑件200固定端的内支撑部210固定连接，进而固定在轴承座上。位于顶箔100自由端的卡持部110则扣合在位于弹性支撑件200自由端的内支撑部210上，可以自由移动。

总之，在上述轴承中，特殊设计的弹性支撑件200受到气膜压力作用后，其自由端能够沿远离固定端的方向回缩，不会出现弹性支撑件200的自由端侵入到顶箔100内侧的情况。当相邻的外支撑部220靠拢并相互接触，相邻的内支撑部210靠拢并相互接触时，弹性支撑件200的刚度得到增强，在短时冲击或者长期工作后不会出现弹性支撑件200的支撑刚度不可逆地衰减的情况。同时，特殊设计的弹性支撑件200增大了对顶箔100的支撑作用，也增加了与顶箔100和轴承座之间的摩擦耗能能力。

本实施例还提供一种旋转机械轴系，包括上述箔片式动压空气轴承。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种箔片式动压空气轴承，其特征在于，包括顶箔和弹性支撑件；

所述弹性支撑件设有至少一个，所述弹性支撑件环绕所述顶箔设置，所述弹性支撑件具有固定端和自由端，所述弹性支撑件包括内支撑部、外支撑部和弹性连接部；

所述内支撑部与所述顶箔抵接，所述内支撑部设有多个，多个所述内支撑部沿所述顶箔的周向排列；

所述外支撑部用于与轴承座抵接，所述外支撑部设有多个，多个所述外支撑部沿所述顶箔的周向排列；

所述内支撑部通过所述弹性连接部与其中一个所述外支撑部连接，所述内支撑部通过另一所述弹性连接部与另一个所述外支撑部连接，连接同一所述内支撑部的两个所述弹性连接部朝向所述顶箔一端的间距大于另一端的间距；

所述内支撑部沿所述顶箔周向的一端设有第一凸起，另一端设有第一凹槽，且所述内支撑部的所述第一凸起与相邻所述内支撑部的所述第一凹槽相对。

2.根据权利要求1所述的箔片式动压空气轴承，其特征在于，所述内支撑部呈弧形设置，所述内支撑部朝向所述顶箔的一侧与所述顶箔贴合。

3.根据权利要求1所述的箔片式动压空气轴承，其特征在于，所述外支撑部呈弧形设置，所述外支撑部朝向所述轴承座的一侧与所述轴承座贴合。

4.根据权利要求1所述的箔片式动压空气轴承，其特征在于，所述外支撑部沿所述顶箔周向的一端设有第二凸起，另一端设有第二凹槽，且所述外支撑部的所述第二凸起与相邻所述外支撑部的所述第二凹槽相对。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的箔片式动压空气轴承，其特征在于，其中一个所述弹性连接部上设有缺口，以形成所述弹性支撑件的固定端和自由端。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的箔片式动压空气轴承，其特征在于，所述弹性连接部呈条状设置，所述弹性连接部相对于所述顶箔的径向倾斜设置，且连接同一所述内支撑部的两个所述弹性连接部的倾斜方向相反。

7.根据权利要求1所述的箔片式动压空气轴承，其特征在于，所述顶箔沿所述顶箔周向的两端均设有卡持部，两个所述卡持部设于所述弹性支撑件两端的两个所述内支撑部之间，及与所述弹性连接部贴合。

8.根据权利要求1所述的箔片式动压空气轴承，其特征在于，所述弹性支撑件设有多个，多个所述弹性支撑件沿所述顶箔的轴向层叠设置。

9.一种旋转机械轴系，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的箔片式动压空气轴承。

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