CN1201097C - 超声波轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型轴承，特别是利用超声振动形成轴瓦对轴颈的悬浮支撑并改善润滑以构造滑动轴承。超声波轴承包括径向和止推两种形式，径向超声波轴承中的超声换能器通过变幅杆固定连接在轴瓦的外径上，变幅杆的轴心线与轴瓦的轴心线垂直相交，超声换能器的两电极与超声波发生器的输出端电连接，在轴瓦的内径上设有轴向储油腔，它与设置在轴瓦壁上的供油孔相连通。止推超声波轴承中的变幅杆通过螺柱固定连接在超声换能器的前盖板上，变幅杆的端面设有锥形孔，即作为轴瓦，在变幅杆锥形孔的底角设置有环形储油腔，侧壁设有供油孔；变幅杆上端通过螺钉固定连接轴承端盖，轴承端盖的内径上嵌置有挡油环；超声换能器的两电极与超声波发生器的输出端电连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型轴承，具体地说是利用超声振动形成轴瓦对轴颈的悬浮支撑并改善润滑以构造滑动轴承。
背景技术
超声波振动表面所具有的悬浮支撑与减摩能力，多年前即被研究证实并获得了实际应用，如美国航空航天部门采用超声波振动减少了航天器辅助支点的摩擦阻力，ThomasSkare等人利用超声波的声悬浮与挤压气膜成功地使液滴在介质中自由悬浮，熊田明生教授认为超声波可使摩擦阻力降低至原有的1/10至1/30左右，上羽贞行教授证实以40KHz频率2μm振幅振动的平板，其表面动压力可达0.75MPa。
传统滑动轴承的工作过程，如图4所示：当轴承静止时(图中a所示)，轴颈与轴瓦之间接触，轴承间隙充满润滑油；轴承开始工作时(图中b所示)，轴颈转速还比较小，轴颈沿轴瓦内壁慢慢向右爬升，将润滑油带入油楔，由于带入轴承间中的润滑油还没有形成完整润滑油膜，轴颈与轴瓦之间存在严重的摩擦与磨损，这一现象称为混合摩擦状态；随着轴颈速度ω的提高，油楔中的润滑油渐渐增多并逐渐形成完整润滑油膜，轴颈向左偏移并稳定在一定偏心位置(图中c所示)。由此过程可以看出，轴颈与轴瓦之间摩擦和磨损主要集中在轴承开始工作时(轴承停止工作的过程中也同样存在)，其过程与此类似，要解决轴承的摩擦和磨损问题，提高轴承的工作寿命和工作性能，就是要尽量避免轴瓦与轴颈在工作过程中相互接触。
发明内容
本发明利用超声振动表面所具有的悬浮支撑与形成改善润滑的能力来构造轴承，即超声波轴承，避免轴承在工作时轴颈与轴瓦接触，达到提高轴承工作寿命和工作性能的目的。
本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：
本发明的一种径向超声波轴承，是由超声波发生器1、超声换能器18、变幅杆5、轴瓦7组成，超声换能器18通过变幅杆5固定连接在轴瓦7的外径上，所述变幅杆5的轴心线与轴瓦7的轴心线垂直相交，超声换能器18的两电极与超声波发生器1的输出端电连接，在轴瓦7的内径上设有轴向储油腔8，储油腔8与设置在轴瓦7壁上的供油孔13相连通。
本发明的一种止推超声波轴承，是由超声波发生器1、超声换能器18、变幅杆5、轴承端盖22组成，变幅杆5通过螺柱固定连接在超声换能器18的前盖板4上，变幅杆5的端面设有锥形孔19，即作为轴瓦，在变幅杆锥形孔19的底角设置有环形储油腔20，侧壁设有供油孔；变幅杆5上端通过螺钉24固定连接轴承端盖22，轴承端盖22的内径上嵌置有挡油环23；超声换能器18的两电极与超声波发生器1的输出端电连接。
所述的超声换能器18为郎之万振子结构，它由前盖板4压电陶瓷3和后盖板2用螺钉紧固而成，在压电陶瓷晶片之间夹上铜片作电极，其节面17设于前盖板4与压电陶瓷3的界面上。也可以为压电叠堆、双晶片振子。
超声波轴承工作原理是由超声波发生器产生高频信号给超声换能器，使超声换能器处于谐振状态，产生高频小振幅(μm级)振动，由变幅杆将振幅放大并传递给轴瓦，使轴瓦内表面处于超声振动状态，由于超声振动表面所具有的悬浮支撑与动压润滑能力，轴颈就被悬浮在中心位置并在轴承间隙中形成稳定的动压润滑油膜。
超声波轴承的工作过程图5所示：当轴承静止时(图中d所示)，轴颈与轴瓦处于接触状态，轴承间隙中充满润滑油；当轴承工作时，先使轴瓦表面处于超声振动状态下，利用轴瓦振动表面所具有的悬浮能力将轴颈悬浮起来，由于超声波的作用，在轴承间内形成稳定的动压润滑油膜(图中e所示)；轴承工作时(图中f所示)，超声波轴承工作时，避免了轴颈与轴瓦之间的摩擦和磨损，不存在混合摩擦状态，从而提高了轴承的工作寿命和工作性能。
附图说明
图1为径向超声波轴承主视剖面图。
图2为图1所示A-A向剖视图。
图3为止推超声波轴承主视剖面示意图。
图4为传统滑动轴承工作过程示意图。
图5为径向超声波轴承工作过程示意图。
具体实施方式
如上所述，本发明是利用超声波振动构造轴承，其形式多种多样，一般来说，超声波轴承主要由超声换能器、超声波发生器、变幅杆、轴瓦等组成。按照本发明思想可以构造出我们所需要的轴承，这里主要以径向超声波轴承和止推超声波轴承为例加以说明。
实施例1：径向超声波轴承
参照图1、图2，径向超声波轴承由由超声波发生器1、超声换能器18、变幅杆5、轴瓦7组成，超声换能器18通过变幅杆5固定连接在轴瓦7的外径上，变幅杆5的轴心线与轴瓦7的轴心线垂直相交，超声换能器18的两电极与超声波发生器1的输出端电连接，在轴瓦7的内径上设有轴向储油腔8，储油腔8与设置在轴瓦7上的供油孔13相连通。
超声换能器18为郎之万振子结构，它由前盖板4压电陶瓷堆3和后盖板2用螺钉紧固而成，在压电陶瓷晶片之间夹上铜片作电极。
该径向超声波轴承是在轴瓦7的外径上均匀对称的固定连接4个超声换能器18，换能器18的节面17用螺钉15固定连接在两个壳体9、10上，两个壳体9、10通过螺栓11连接固定。
两个壳体之一10上设有导油孔12和与轴瓦7上的供油孔13相连通的环形槽14。图中6为轴颈，使用时，将轴承壳体固定于轴承座上。
本实施方式中，变幅杆5与超声换能器18的前盖板4之间用螺柱紧固连接起来，变幅杆5的作用是将机械振动的质点位移或振速放大，另外还可以匹配超声换能器18与轴瓦7之间的阻抗，使能量很好地传递到负载上；变幅杆5与轴瓦7之间用螺柱固定连接。超声换能器18、变幅杆5、轴瓦7一起构成了超声波轴承的振动系统，它们将电能转换成机械能，并将质点振动位移放大，传递给轴瓦7，使轴瓦7表面处于超声振动状态。
由于超声换能器18和变幅杆5安装位置处于轴瓦7轴向的中间位置，为保证润滑油不泄漏并能及时畅通地充满储油腔8，轴瓦7上的供油孔13不能位于轴瓦7轴向的中间位置；同时由于超声波轴承结构的特殊性，环形槽14开在第二轴承壳体部分10上，以保证润滑油从导油孔12进入后能通过环形槽14无泄漏地从各个供油孔13充满储油腔8。轴承的储油腔8中充满润滑油，保证轴承工作中润滑充分。由于轴瓦7的工作表面处于超声振动状态，能够主动形成动压润滑油膜，实验表明，超声换能器产生振动后，润滑油能沿轴瓦与轴颈表面展开并形成具有一定压力的油膜，从而保证动压油膜的稳定，这与传统滑动轴承工作时动压油膜的形成是有区别的。超声波轴承动压油膜的形成能力与轴颈的运动速度无关，而与轴瓦表面的振动情况有关。
径向超声波轴承结构比静压轴承简单，比动压轴承更能在低速下工作。因而超声波轴承具有广泛的应用前景。
实施例2：止推超声波轴承
参照图3，止推超声波轴承由超声波发生器1、超声换能器18、变幅杆5、轴承端盖22组成，变幅杆5通过螺柱固定连接在超声换能器18的前盖板4上，变幅杆5的端面设有锥形孔19，即作为轴瓦，在变幅杆锥形孔19的底角设置有环形储油腔20，侧壁设有供油孔21；变幅杆5上端通过螺钉24固定连接轴承端盖22，轴承端盖22的内径上嵌置有挡油环23；超声换能器18的两电极与超声波发生器1的输出端电连接。
所述的超声换能器18为郎之万振子结构，它由前盖板4压电陶瓷堆3和后盖板2用螺钉紧固而成，在压电陶瓷晶片之间夹上铜片作电极，其节面17设于前盖板4与压电陶瓷堆3的界面上。图中25为轴颈。使用时，将超声换能器节面17固定于轴承座上。
超声波发生器1产生高频信号给超声换能器18，使其处于谐振状态时，变幅杆5传递振动并将振幅放大，此时变幅杆的锥形孔表面处于超声振动状态，产生声悬浮能力和动压润滑能力，将轴悬浮起来，同时储油腔20中的润滑油在超声振动作用下形成稳定的动压油膜，达到润滑效果，起到减摩降阻的作用，以达到提高轴承工作寿命和工作性能的目的。
止推超声波轴承可以用来构造中、小轴承，工作寿命长、转速高。
Claims (6)
1.一种径向超声波轴承，由超声波发生器(1)、超声换能器(18)、变幅杆(5)、轴瓦(7)组成，其特征在于：超声换能器(18)通过变幅杆(5)固定连接在轴瓦(7)的外径上，所述变幅杆(5)的轴心线与轴瓦(7)的轴心线垂直相交，超声换能器(18)的两电极与超声波发生器(1)的输出端电连接，在轴瓦(7)的内径上设有轴向储油腔(8)，储油腔(8)与设置在轴瓦(7)上的供油孔(13)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种径向超声波轴承，其特征在于超声换能器(18)为郎之万振子结构，它由前盖板(4)压电陶瓷堆(3)和后盖板(2)用螺钉紧固而成，在压电陶瓷晶片之间夹上铜片作电极。
3.根据权利要求1、2所述的一种径向超声波轴承，其特征在于在轴瓦(7)的外径上均匀对称地固定连接4个超声换能器(18)，换能器(18)的节面(17)用螺钉(15)固定连接在两个壳体(9、10)上，两个壳体(9、10)通过螺栓(11)连接固定。
4.根据权利要求3所述的一种径向超声波轴承，其特征在于所述两个壳体之一(10)上设有导油孔(12)和与轴瓦(7)上的供油孔(13)相连通的环形槽(14)。
5.一种止推超声波轴承，由超声波发生器(1)、超声换能器(18)、变幅杆(5)、轴承端盖(22)组成，其特征在于：变幅杆(5)通过螺柱固定连接在超声换能器(18)的前盖板(4)上，变幅杆(5)的端面设有锥形孔(19)，即作为轴瓦，在变幅杆锥形孔(19)的底角设置有环形储油腔(20)，侧壁设有供油孔(21)；变幅杆(5)上端通过螺钉(24)固定连接轴承端盖(22)，轴承端盖(22)的内径上嵌置有挡油环(23)；超声换能器(18)的两电极与超声波发生器(1)的输出端电连接。
6.根据权利要求5所述的一种止推超声波轴承，其特征在于所述的超声换能器(18)为郎之万振子结构，它由前盖板(4)、压电陶瓷(3)和后盖板(2)用螺钉紧固而成，在压电陶瓷晶片之间夹上铜片作电极。
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