CN117178123A - 具有多个支承表面以及接触角限定的径向箔片轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有外环(2)和三个箔片组的径向箔片轴承，箔片组由波纹箔片(3)和顶部箔片(4)形成，所述径向箔片轴承(1)能够沿仅一个旋转方向(11)操作，其中，每个顶部箔片(4)的第一端部(6)牢固地连接至所述外环(2)，并且每个顶部箔片(4)的与所述第一端部(6)相反的第二端部(7)能够自由移动，其中，待支承的轴(9)能够在所述顶部箔片(4)的可自由移动的所述第二端部(7)的角度范围(10)内与所述顶部箔片接触，或者所述径向箔片轴承(1)的包络圆(15)在所述角度范围(10)内与至少一个所述顶部箔片(4)接触，其中，一个所述箔片组(8)的所述顶部箔片(4)与在周向方向上跟随在所述一个箔片组之后的所述箔片组(8)的所述顶部箔片(4)以一定径向距离交叠。

Description

具有多个支承表面以及接触角限定的径向箔片轴承

背景技术

径向箔片轴承意在用于轴的空气动力学安装，其中，在轴与径向箔片轴承之间形成有承载气体/空气垫。该操作模式与流体动力学轴承的操作模式类似，但不同之处在于，该轴通过径向箔片轴承经由空气垫支承，而不是由流体动力学轴承的流体垫支承。两种功能形式的共同之处在于，只有轴的旋转运动才会导致承载垫的形成。

箔片轴承与常规的空气动力学轴承的不同之处在于，箔片轴承在旋转的轴与静止的壳体部件之间具有挠性的弹性结构件。该特征意味着，尽管箔片轴承相比于常规的空气轴承具有更低的刚度，但是箔片轴承可以适应例如由轴承座的未对准误差或者由轴和壳体的热膨胀的不同而引起的空气间隙中的几何结构的变化，因此在实践中能够在许多应用中实现更高的操作可靠性。

为了形成承载空气垫，径向箔片轴承通常具有与静止的轴接触的顶部箔片以及径向布置在顶部箔片与轴承的外环之间的波纹箔片，顶部箔片和波纹箔片可以沿径向方向弹性偏转。因此，原则上，径向箔片轴承具有彼此接触的两个箔片以及支承箔片的外环，使得径向箔片轴承能够被接纳在壳体中。外环也可以与供径向箔片轴承的箔片插入的壳体一体地形成。

如果轴被设定成相对于径向箔片轴承进行旋转运动，则存在于由停滞状态限定的空气间隙中的空气发生移位。当轴的速度超过一定速度时，顶部箔片与轴之间形成空气垫，并且轴可以在该空气垫上滑动。在这方面，箔片组利用其波纹箔片和径向的弹簧效应确保空气压力的波动或轴在径向方向上的振动不会影响轴承，并且因此保持空气垫的承载能力。

在现有技术中，箔片轴承的各种设计是已知的。除了径向箔片轴承之外，还具有可以提供轴向承载能力的轴向箔片轴承。轴承的箔片的布置方式以及箔片的几何结构设计是多样化的并且适用于每种应用。

EP 2 942 537 A1示出了一种径向箔片轴承，该径向箔片轴承具有三个波纹箔片以及几乎周向的顶部箔片，其中，波纹箔片各自用钩状端部钩挂到外环中波纹箔片自身的槽中，并且顶部箔片插入到槽中的一个槽中，其中顶部箔片的两个端部搁置抵靠彼此。

EP 3 387 275 A1示出了一种径向箔片轴承，该径向箔片轴承具有三个由顶部箔片和波纹箔片构成的组，其中，每个组在箔片的每个端部处插入到外环中的槽中。

CN 209 990 776 U示出了一种径向箔片轴承，在该径向箔片轴承中，波纹箔片和顶部箔片两者均被设计成几乎完全周向的，并且各自具有带角度的端部，两个箔片利用该带角度的端部插入到共用的槽中。然后，这种连接利用螺钉以夹紧的方式紧固。

已经证明，将箔片经济地布置以便优化功能性承载能力是有问题的。

发明内容

因此，本发明的目的是设计一种径向箔片轴承，该径向箔片轴承允许经济地布置箔片并且在其功能方面对径向箔片轴承进行改进。

该目的通过权利要求1的特征来实现。

根据本发明的解决方案的特征在于，一种径向箔片轴承具有外环、至少一个波纹箔片和至少一个顶部箔片，其中，波纹箔片径向地布置在外环与顶部箔片之间，并且波纹箔片和顶部箔片形成了三个箔片组，这三个箔片组沿着外环的内周表面连续地布置在该内周表面上，并且该径向箔片轴承能够沿仅一个旋转方向操作，其中，每个顶部箔片的第一端部牢固地连接至外环，并且每个顶部箔片的与第一端部相反的第二端部能够自由移动，其中，待支承的轴可以在顶部箔片的可自由移动的第二端部的限定的角度范围内与该顶部箔片接触。

第一端部与外环的牢固连接使得该第一端部以不可移动的方式连接至外环。例如，这可以通过电阻焊接/点焊接或激光焊接来实现。

径向箔片轴承的箔片形成为薄的且弹性的片状金属条，并且这些箔片在径向箔片轴承的周向方向上相比于在径向箔片轴承的轴向方向上具有更大的几何形状表示。

本发明已经使待支承的轴在低速下的不稳定性最小化。另外，气流的分离边缘从具有最高压力积累的承载区域移出。这允许径向箔片轴承在较低的提升速度下操作。

根据本发明的径向箔片轴承的优化设计对压缩机的与待支承的轴连接的转子的动态振动行为进行优化，并且确保压缩机更平稳地运行。本文通过对径向箔片轴承和限定的角接触区域进行优化，使这些转子动态不稳定性最小化。

根据本发明的径向箔片轴承可以连同其外环一起被插入到压缩机的接纳部中，其中，压缩机设置成用于将气体供应至燃料电池、优选地供应至汽车燃料电池，即安装在移动车辆中的汽车燃料电池。替代性地，具有根据本发明的径向箔片轴承的这种压缩机可以设置在固定的燃料电池中。

径向箔片轴承在内侧具有不含部件的包络圆，在与待支承的轴连结时，该包络圆用作最大允许的安装空间。

本发明的一个实施方式设置的是，待支承的轴或包络圆与顶部箔片的第二端部之间的接触部是线性的并且沿轴向方向延伸。接触线的位置在顶部箔片从该顶部箔片的自由端部开始的其周向长度的三分之一内，其中，接触线设置有顶部箔片的总周向延伸长度的+/-15％的公差。如果轴承对应地配装在正确的位置中，则该接触部也对应于在轴不旋转时轴与顶部箔片之间的接触部。在该接触部的两侧沿周向方向形成有月牙形间隙。当待支承的轴的速度增加时，承载空气垫在邻近箔片紧固部的月牙形间隙中建立。由于压入的压力和箔片的挠性，接触部转变成具有平面扩展且几乎恒定的径向间隙高度的间隙，该间隙在两个周向方向上围绕上述的角度范围扩展并形成承载气体/空气垫。

在根据本发明的一个实施方式中，一个箔片组的顶部箔片与在周向方向上跟随在该箔片组之后的箔片组的顶部箔片以一定径向距离交叠。这种以一定径向距离的交叠由下述方式产生：两个连续的箔片径向交错成使得第一顶部箔片通过其第一端部处的紧固凸片附接至外环，其中，该紧固凸片布置在与沿周向方向紧随第一顶部箔片之后的第二顶部箔片的支承表面相比更大的节圆上，根据本发明的角度范围布置在该节圆上。这提高了所有连续的角度范围的周向承载能力，使得径向箔片轴承在直径方面可以更紧凑。

有利地，这增大了周向支承表面，并且还更好地利用了各个箔片组之间在周向方向上的安装空间。箔片组的顶部箔片的自由(第二)端部可以与周向跟随的箔片组的顶部箔片的固定(第一)端部以一定的径向距离交叠，并且没有相互接触或替代性地平面接触。

两个连续的顶部箔片之间的周向距离定尺寸成使得这些顶部箔片在操作中不会彼此接触，特别是在径向箔片轴承或轴发生振动的情况下也是如此。然而，周向距离也使得防止空气垫破裂，例如，该距离是基于箔片的端部处发生的湍流。

在径向箔片轴承的有利实施方式中，各个顶部箔片弧长的总和大于外环的内周长，并且因此一个箔片组的顶部箔片与在周向方向上跟随在该箔片组之后的箔片组的顶部箔片交叠接触。这还提高了所有连续的角度范围的周向承载能力，使得径向箔片轴承在直径方面可以更紧凑。特别地，在这方面，借助于与径向箔片轴承的中心的交叠来覆盖第一顶部箔片的第二顶部箔片由第一顶部箔片支承。

有利地，顶部箔片的半径的中心、待支承的轴或包络圆与顶部箔片之间的接触部、以及径向箔片轴承的轴承中心位于假想的直线上。在操作中，如开头所述，线性接触部成为顶部箔片与待支承的轴之间的支承表面。

此外，顶部箔片的半径的中心可以相对于径向箔片轴承的轴承中心沿着该直线偏心了轴的半径的0.5％至7％。因此，顶部箔片半径对应地大于包络圆半径。由于上述几何设计，在轴与顶部箔片之间、在箔片紧固点与包络圆和顶部箔片之间的接触线之间形成有月牙形间隙。所产生的月牙形状代表楔形间隙的优化形式，在较低的速度下通过该楔形间隙已经形成将轴从顶部箔片提起所需的空气压力，并且即使波纹箔片在接触区域中轻微地径向偏转也足以形成较大面积的并且因此进行承载的支承表面。可以通过所描述的几何结构来降低燃料电池压缩机的所谓空转速度，并且因此可以实现消耗的降低。

本发明的上下文中的“外环”可以作为单独的部件——作为“外部部件”——插入到壳体中，或者可以与壳体一体地形成使得与壳体一体地形成的外环呈现为壳体孔。在本发明的上下文中，多件式设计(“外部部件”)以及一件式或整体式设计(“壳体孔”)在术语“外环”下被组合。在这方面，径向箔片轴承的基本特征是，待支承的轴或包络圆在限定的角度范围内与箔片组或顶部箔片接触。

根据本发明的解决方案提高了承载能力本身的质量，还提高了对待支承的轴的支承。这包括在静止状态下对轴进行尽可能最居中的定位、尽可能最低的提升速度、操作中尽可能最高的承载能力、以及在压缩机的整个速度范围内尽可能最佳的动态转子稳定性。如果将这些箔片组中的若干个箔片组定位在外环的内周表面的内圆周上，则三个或更多个箔片组优化了轴在静止状态下的中心位置，并且通过允许在若干个周向点处支承轴来提高转子动态稳定性，从而减少了其运动范围。

有利地具有沿周向方向连续布置的三个箔片组的径向箔片轴承仅能够沿一个旋转方向移动，并且因此被设计为单向轴承。特别是在操作期间，使旋转方向反向是不可能的，并且这也不会是有意的。由于其设计，根据本发明的径向箔片轴承仅允许轴的一个旋转方向。这还需要对径向箔片轴承进行定向安装，使得待支承的轴的旋转方向对应于径向箔片轴承的操作旋转方向。

有利地是，径向箔片轴承设置有指示径向箔片轴承进行操作所允许的旋转方向的标记，并且径向箔片轴承还利用该信息安装在接纳部中。替代性地或另外地，标记可以指示根据本发明的角度范围的地点/位置，使得径向箔片轴承可以以一定周向位置插入到接纳部中，使得待支承的轴在停滞状态时借助于其重力在根据本发明的径向箔片轴承的角度范围中的一个角度范围内进行接触。

附图说明

使用以下附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。

具体实施方式

图1示出了径向箔片轴承1，该径向箔片轴承具有外环2、波纹箔片3和顶部箔片4，其中，波纹箔片3和顶部箔片4形成箔片组8。三个箔片组8围绕外环2的圆周连续地图案化并且彼此以规则的距离布置。在这方面，在沿径向箔片轴承1的周向方向观察时，具有波纹形状的波纹箔片3与外环2的内周表面5接触。在波纹箔片3的与外环2相反的侧部上，顶部箔片4与波纹箔片3接触。波纹箔片3的波纹形状致使顶部箔片4朝向外环2偏转，即波纹箔片3的径向扩展通过该偏转而减小。这种偏转使波纹箔片3在周向方向上的尺寸变长。

每个箔片组8使其顶部箔片4和波纹箔片3在共同的第一端部6处牢固地连接至外环2。箔片组8的另一端部、即第二端部7以及因此箔片组的箔片3、4的第二端部能够沿周向方向和径向方向移动。然而，第二端部7与外环2的内周表面5接触，顶部箔片4经由波纹箔片3与外环的该内周表面间接接触，并且波纹箔片3本身直接位于外环2上。

待支承的轴9的旋转方向11被示出为顺时针的，即轴9的外周上的假想的固定点首先经过箔片组8的第一固定端部6，并且然后随着旋转的进行，该假想的固定点经过该箔片组8的相关联的自由端部7。三个箔片组8以几乎120°的周向偏移布置在外环2的内侧。

在图1中所示出的图示中，由于布置结构的示意性表示，轴9“漂浮”在径向箔片轴承1中。实际上，当轴9处于停滞状态时，轴9由于其重力而与箔片组8中的一个箔片组接触13，特别是与相关联的顶部箔片4接触。与图1和图2中的图示相反，该接触部13有利地布置在“六点钟位置”处并且位于根据本发明的角度范围10内。如果轴9旋转并且状态从停滞状态改变为操作状态，则形成图2中所示出的楔形间隙12，从而导致在轴9与顶部箔片4之间建立优选的气体压力，并且允许轴9在线性接触部13的区域中从顶部箔片4沿径向方向提升。挠性的顶部箔片4和波纹箔片3形成平坦的且具有承载能力的气体垫/空气垫。

根据本发明的接触部13位于角度范围10内。角度范围10的中心定位在与旋转方向11相反地远离顶部箔片4的定界边缘的自由端部7以弧度表示的顶部箔片的周向长度的三分之一处。在每种情况下，角度范围10的极限是距该中心在两侧以弧度表示的顶部箔片的周向长度的15％。

另外，根据图2，其示出了接触部13、径向箔片轴承1的中心以及与轴9或包络圆接触13的顶部箔片4的半径的中心位于共同的直线14上。有利地，因此可以在顶部箔片4的整个周向长度的2/3的延伸范围内形成月牙形间隙12。

线性接触部13距自由端部7具有以弧度表示的绝对值16，该绝对值等于顶部箔片4的周向长度的三分之一。角度范围10围绕该接触部13形成，该角度范围被设置为线性接触部13的允许区域。

附图标记列表

1 径向箔片轴承

2 外环

3 波纹箔片

4 顶部箔片

5 内周表面

6 第一端部(固定的)

7 第二端部(自由的)

8 箔片组

9 轴

10 角度范围

11 旋转方向

12 月牙形间隙

13 轴/顶部箔片的接触部

14 直线

1 5包络圆

16以弧度表示的绝对值/距自由端部的距离。

Claims (8)

1.一种径向箔片轴承(1)，所述径向箔片轴承具有：

-外环(2)、至少一个波纹箔片(3)和至少一个顶部箔片(4)，其中，

-所述波纹箔片(3)径向地布置在所述外环(2)与所述顶部箔片(4)之间，并且

-由波纹箔片(3)和顶部箔片(4)形成了三个箔片组(8)，所述箔片组连续地布置在所述外环(2)的内周表面上，

其特征在于，

所述径向箔片轴承(1)能够沿仅一个旋转方向(11)操作，其中，每个顶部箔片(4)的第一端部(6)牢固地连接至所述外环(2)，并且每个顶部箔片(4)的与所述第一端部(6)相反的第二端部(7)能够自由移动，其中，待支承的轴(9)能够在所述顶部箔片(4)的可自由移动的所述第二端部(7)的角度范围(10)内与所述顶部箔片接触，或者所述径向箔片轴承(1)的包络圆(15)在所述角度范围(10)内与至少一个所述顶部箔片(4)接触，其中，一个所述箔片组(8)的所述顶部箔片(4)与在周向方向上跟随在所述一个箔片组之后的所述箔片组(8)的所述顶部箔片(4)以一定径向距离交叠。

2.根据权利要求1所述的径向箔片轴承(1)，其特征在于，

待支承的所述轴(9)或所述包络圆(15)与所述顶部箔片(4)的所述第二端部(7)之间的接触部(13)是线性的并且沿轴向方向延伸。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的径向箔片轴承(1)，其特征在于，

各个所述顶部箔片的弧长的总和大于所述外环(2)的内周长，并且因此所述一个箔片组(8)的所述顶部箔片(4)与在所述周向方向上跟随在所述一个箔片组之后的所述箔片组(8)的所述顶部箔片(4)交叠接触。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的径向箔片轴承(1)，其特征在于，

所述顶部箔片(4)的半径的中心、待支承的所述轴(9)或所述包络圆与所述顶部箔片(4)之间的所述接触部(13)、以及所述径向箔片轴承(1)的轴承中心均位于假想直线(14)上。

5.根据权利要求4所述的径向箔片轴承(1)，其特征在于，在所述假想直线(14)上，所述顶部箔片(4)的所述半径的中心距所述包络圆(15)的中心的距离为所述包络圆的半径的0.5％至7％，并且所述顶部箔片(4)的半径对应地大于所述包络圆(15)的半径。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的径向箔片轴承(1)，其特征在于，

待支承的所述轴(9)或所述包络圆(15)与所述顶部箔片(4)之间的所述接触部(13)布置在所述顶部箔片(4)的总周向长度的三分之一的区域中，其中，所述区域从所述顶部箔片的所述第二端部(7)延伸并形成所述角度范围(10)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的径向箔片轴承(1)，其特征在于，所述角度范围(10)位于距所述顶部箔片(4)的所述自由端部(7)一定距离处，所述距离以弧度表示的绝对值相当于所述顶部箔片(4)的周向长度的三分之一减去所述顶部箔片的周向长度的15％，并且从此处延伸的以弧度表示的绝对值是所述顶部箔片(4)的周向长度的30％。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的径向箔片轴承(1)，其特征在于，所述径向箔片轴承(1)具有至少一个安装标记，所述至少一个安装标记使得能够根据所述轴(9)的重力的作用方向以及所述径向箔片轴承(1)的所述接触部(13)中的至少一个接触部安装在正确的位置中。