CN1918392A - 径向箔片轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能支持高速回转轴的高刚性径向箔片轴承。该径向箔片轴承主要包括一顶端箔片(1)；焊接于该顶端箔片上的键子(2)；配置于该顶端箔片上，并具有宽而高的凸起和较窄而低的凸起交替排列的形态之内径凸起箔片(3)；配置于该内径凸起箔片上，并具有凸起高度低于内径凸起中较小凸起的形态之外径凸起箔片(4)；用于固定内径凸起箔片和外径凸起箔片的凸起座(5)；以及位于凸起座外部，并具有键槽(7)的轴承壳(6)等部件组成。

Description

径向箔片轴承

技术领域

本发明涉及一种径向箔片轴承。

背景技术

轴承可分为滚动轴承(使用滚珠或滚子)、无油轴承(使用润滑性材料来摩擦而动作)、滑动轴承(使用油)、气体轴承以及磁性轴承(利用磁力作无接触动作)。滑动轴承又分为液体动压轴承和液体静压轴承，其中液体动压轴承是藉由相对滑动运动产生油压来支持轴的；液体静压轴承是透过轴承外部提供的高压油支持轴的。气体轴承除了使用气体代替油以外，其它动作原理与滑动轴承相同。液体静压轴承是从外部提供加压气体的；而液体动压轴承是由相对滑动运动来产生压力的。

液体动压轴承由于摩擦损失少，也不需要使用液体润滑油，因此在高速回转应用领域上被广泛使用，尤其是通常被使用在很难用滚动轴承支持的超高速应用领域以及不易使用液体润滑油处。液体动压轴承可分为沟槽轴承、斜垫轴承和箔片轴承，其中沟槽轴承具有沟槽产生压力，如螺旋沟槽轴承为例。液体动压液膜斜垫轴承(Hydrodynamic fluid-film tilt padbearing)由于其使用条件非常有限，因此如果超过使用条件，具有被损坏的危险性大的缺点。例如在超过或低于设计标准的条件之下，其刚性会急速降低，使得该轴承易受冲击、轴的不对准(misalignment)及热变形的影响。与此相比，被称为顺应液体动压液膜轴承(Complianthydrodynamic fluid-film bearing)的箔片轴承不但能提供比固定形态的斜垫轴承更高的性能，而且它最近20年来实现了飞跃式发展。加上，该轴承所具有的足够的耐久性和稳固性已经证实在飞机的空调装置上。特别是使用在超高速回转机械如超过10万RPM的超高速回转极低温turbo-压缩器。此轴承在混合有少许液体的情况之下也能够使用，并具有柔性和低价格化的优点。箔片轴承在飞机方面自从1970年开始主要使用于在环境调节装置(ECS)中调节座舱内部的压力和温度的核心组成部件之ACM(Air Cooling Machine)上，这可以说是最适当的一个使用例。在此使用例，由于箔片轴承没有任何油系统，因此不会造成座舱内部的污染，而且不需要所定维修日程，比滚珠轴承更长的时间能进行稳定的动作。再有，即使轴承被破损时也能提供几乎不会破坏turbo组成部件的优点，例如使用于波音(Boeing)747的箔片轴承没有维修过程就能进行超过10万小时以上的动作。

发明内容

箔片轴承可分为两大类。如图1所示，叶式箔片轴承(Leaf type foil bearing)是将每片翼状箔片向回转方向配置成重叠其邻接箔片的一部分的形态，并使其支持一个轴；如图2所示，凸起式箔片轴承(Bump type foil bearing)是将一箔片做为整体，在箔片外部配置各种形态的能支撑箔片的弹簧(spring)。叶式轴承适合用于支持负载少以及外部冲击少的情况，它还具有启动扭矩大的缺点。与此相反，凸起式箔片就是启动时的负载比较少，又被认为其耐久性和刚性比较优秀，但其设计和生产很复杂，尤其是难以确保稳定性，于是全世界只有2～3家保有着技术。在轴承壳(bearing housing)内部焊接有作为弹簧的凸起式箔片(Bump foil)，再者，轴承壳上焊接有于其内部实际上与轴(Shaft，Journal)接触的顶端箔片(Top foil)。当轴进行回转带过空气时，顶端箔片和凸起式箔片发生变形，并产生空间去形成能够支持负载的液膜。在箔片轴承上，用于产生液膜的几何结构由顶端箔片的弹性变形来提供。回转数越高，顶端箔片和凸起式箔片就越推向外部，使轴从中心脱离，形成会聚楔状(ConvergingWedge)的空间。此时，由于箔片轴承具有顶端箔片变形的特征，如果利用顶端箔片的微细变形，不需要复杂的机械加工工程，也可以得到能够产生适当动压的最适宜状态。而且由于在直径方向产生空隙，可以对应于隋着高速回转产生的轴径的增加。这种特性取决于顶端箔片的厚度以及支持顶端箔片的凸起形状。尤其是根据凸起的设计，决定是否提供轴系所需的刚性和阻尼(damping)，因此凸起的形状、厚度、高度、间距(pitch)以及个数等就是决定轴承性能的最主要因素。

再有，军事用轴承进一步要求耐更高速、恶劣环境以及冲击的性能，在高速、高输出和高效率BLDC马达方面，一般油润滑轴承是不能满足所需性能的。而且在结构方面需要承受足够的不对准、热和震动，为此，为了得到最大的支持力，通常被认为是把凸起向轴向以及回转方向分离是比较有利的。

在美国申请专利的有关文件如：4,300,806；5,915,841；5,988,885；4,465,384；5,498,083；5,584,582；6,024,491；6,190,048 B1；4,624,583；3,893,733；3,809,443；4,178,046；4,654,939；4,005,914；5,911,511；5,534,723；5,427,455；5,866,518。

有关其原理的已经在1970年代取得专利，之后人们透过凸起箔片和顶端箔片的改进去努力提高性能。而且在美国专利号5,886,518企图开发能够适合用于高温且具有良好的黏附性的金属性干式润滑剂。

于是，本发明的目的在于，提供一种凸起式箔片轴承，进一步提高其性能以及生产性。所谓性能指支持能力和稳定性，即使支持能力优秀，而没有稳定性则无法使用，同样地，稳定性好而支持能力少也很难实际使用。如图1和图2所示，为至今被使用的最具有代表性的轴承形态，一般被认为凸起式箔片的支持力比叶式箔片高达两倍以上，但是它仍具有不能确保稳定性，导致开发难度提高的问题。

本发明提出能够确保支持力优秀的凸起式箔片的稳定性之方法来提供可以实际运用的轴承。轴承在生产方面，组装时的精密度问题会影响到生产速度降低，在结构上还具有其处于高温(在400℃以下)状态时必须要充分冷却的困难，随之存有冷却会造成系统效率降低的缺点，在超高温(在800℃以下)状态之下，它还需要使用金属性润滑剂，为了使其运用于轴上时，需要开发黏附性优秀的材料，这可能限定润滑剂的特性，且会有不少涂敷费用发生。

于是，如何提高生产性以及负载支持能力，并提供较宽的稳定领域，而且使其在高速、高温状态之下能够进行稳定的动作，再加上，透过使用低黏附性的涂敷剂来大幅度降低成本以及提高性能即是本发明所要解决的问题所在。

附图说明

图1为显示现有径向箔片轴承的形态之一(叶式Leaf type)。

图2为显示现有径向箔片轴承的形态之二(凸起式Bump type)。

图3为显示本发明的箔片轴承的示意图。

图4为显示图3的局部放大图。

具体实施方式

对于上述本发明参考附图详细说明如下：

本发明具有如图2所示的一般凸起式箔片轴承的形态，如图4所示，其结构由顶端箔片1、链子(key)2、内径凸起3、外径凸起4、凸起座5、壳体6以及键槽7组成。

轴和顶端箔片1之间存有微细的间隙，周围的空气或气体充当润滑油的作用。其中顶端箔片1被藉由轴的回转速度产生的空气流动所变成的压力，呈非圆形的其他形态，由此发生支持力更增加的效果。于是，凸起3，4的刚性以及顶端箔片(1)的厚度就成为决定支持力的重要因素，支持顶端箔片1的凸起的举动会决定支持力和稳定性。而且，支持顶端箔片1的凸起3，4的特性会对性能起决定作用。于是，在本发明中，改变凸起3，4和顶端箔片1的形状，以求提高性能以及经济性。

对于顶端箔片1，把顶端箔片1的厚度比现在被认为通常的(例如直径为60mm的轴承使用0.1t)还要充分加厚，使得可以进行车床加工和内径磨削，由此可提高生产性和精密度，并且使其在低转速的情况之下可以维持轴承形状，在启动或停止时减轻摩擦负载来降低其磨损。另外，通过减少高温扭曲的现象降低冷却量。换句话说，藉由增加顶端箔片1的厚度如下式，可提高其生产性和性能：

t≥0.1·D^0.33

t：厚度(mm)、D：轴径(mm)

而且，顶端箔片1可以内径磨削，当使用金属性干式润滑剂时，利用等离子熔射等方法，即可在内径上喷射润滑剂去进行磨削，如此可以避免需要开发黏附性强的干式润滑剂去熔射于轴的外径上后，再磨削其轴的困难。为了加厚顶端箔片1的厚度来确保其性能，需要共同使用从低负载到高负载的广泛领域上具有良好特性的凸起箔片。

与厚的顶端箔片1一起被使用的凸起3，4，要利用其数量虽然少(即是间距大)也能够把负载荷重适当地分布并传递于顶端箔片上的，其中，内径凸起箔片3交替排列成较高的凸起和较低的凸起，而外径凸起4则仅在内径凸起3中较高的凸起底下配置其凸起，结果，虽然使用双层结构，其效果却可以达到三个阶段的刚性变化。当凸起被压到时，其刚性不是线性增加，而是随着被压到的情况，具有以二次或三次方程式的形态增加其刚性的结构，由此在广泛的转速范围之内可以确保稳定性。

内径凸起3由于配置成较高的凸起和较低的凸起交替排列，随着顶端箔片1被压到，其刚性以两个阶段的形态增加，当顶端箔片1更被压到，可以被压到外径凸起4处，于是刚性会增加到第三个阶段。外径凸起4的高度近似于内径凸起3中较小的凸起，因此为了增加刚性，使用增加其厚度的方法即可。

如上所述，使凸起3，4的刚性变化成三个阶段，可以使其全部承受低负载到高负载，并且透过由刚性的三个阶段非线性变化所产生的阻尼效果可以确保稳定性，因此在危险速度(Critical Speed)处可以进行动作。把外径凸起4位于内径凸起3的间距大的部位上，如此可以降低组装精密度，并可减少组装在壳体6内径上的工程数来提高生产性。由于顶端箔片的厚度大，其本身的刚性可以在高温之下不会扭曲，因此少用冷却或不用冷却也可以使用至材料的临界温度，由此可提升效率。如此，能克服现有的箔片轴承成本昂贵造成难以大规模生产，且不易适用于高温情况等缺点，开拓了适合用于产业用或民用机械上的途径。

使用厚度大的顶端箔片可获得的益处在于，藉由顶端箔片本身具有的要维持形状的力量，不需要把顶端箔片和凸起直接焊接于壳体上，使工程单纯化。简单地把内径凸起3以及外径凸起4点焊接于凸起座5上后，与顶端箔片1一起组装在壳体6上即可。只要把链子2焊接固定于顶端箔片1上，再于壳体6上设置键槽7来防止其旋转。结果，能克服所有部件都焊接于壳体6内径上时的困难，可以提高生产性。

厚度大的顶端箔片的长处在于，其所施加的启动扭矩少。自从启动时就能维持轴承的形状，因此摩擦较小，导致启动时的负载减少，于是进一步具有延长使用寿命的优点。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种径向箔片轴承，其特征在于，该轴承包括：a)一顶端箔片(1)；b)一键子(key)(2)，焊接于该顶端箔片(1)的切断部位上；c)一内径凸起箔片(3)，具有宽而高的凸起和窄而低的凸起交替排列的形态；d)一外径凸起箔片(4)，具有凸起高度低于内径凸起中较小凸起的形态，并处于宽而高的凸起之中心位置上；e)一凸起座(5)，用于固定内径凸起(3)和外径凸起(4)；以及f)一轴承壳(6)，在其内径具有键槽(7)。

2.如权利要求1所述一种径向箔片轴承，其特征在于，所述顶端箔片(1)内径上涂敷金属性干式润滑剂后，再进行磨削，使得可以使用不被要求强黏附性的干式润滑剂。

Claims (3)

1.一种径向箔片轴承，其特征在于，该轴承包括：a)一顶端箔片(1)；b)键子(key)(2)，焊接于该顶端箔片(1)的切断部位上；c)一内径凸起箔片(3)，具有宽而高的凸起和窄而低的凸起交替排列的形态；d)一外径凸起箔片(4)，具有凸起高度低于内径凸起中较小凸起的形态，并处于宽而高的凸起之中心位置上：e)一凸起座(5)，用于固定内径凸起(3)和外径凸起(4)；以及f)一轴承壳(6)，在其内径具有键槽(7)。

2.如权利要求1所述一种径向箔片轴承，其特征在于，所述顶端箔片(1)内径上涂敷金属性干式润滑剂后，再进行磨削，使得可以使用不被要求强黏附性的干式润滑剂。

3.如权利要求1所述一种径向箔片轴承，其特征在于，所述顶端箔片(1)的厚度如下式：t≥0.1·D^0.33(t：厚度(mm)，D：轴径(mm))

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