TWI641768B - 薄膜節流器及液靜壓軸承模組 - Google Patents

Abstract

一種薄膜節流器，適於連接於一泵及一軸承，軸承適於配置在一滑軌上，泵適於供應一流體經薄膜節流器流至軸承與滑軌之間，薄膜節流器包括一殼體及一薄膜。殼體包括一腔室、連通於腔室的一入口與一出口、以及一節流面，其中泵適於連接於入口，軸承適於連接於出口。薄膜位於腔室，節流面為殼體在靠近出口且朝向薄膜的一內表面。薄膜的無因次剛性為K _r ^*，且1.33≦K _r ^*≦2。K _r ^*=K _rL ₀/(p _sA _r)，K _r為薄膜的剛性，L ₀為泵未啟動時薄膜與節流面之間的距離，又稱薄膜組裝間隙，p _s為泵所供應的液壓，A _r為節流面的等效面積。本發明更提供具有上述薄膜節流器的一種液靜壓軸承模組。

Description

薄膜節流器及液靜壓軸承模組

本發明是有關於一種節流器及軸承模組，且特別是有關於一種薄膜節流器及液靜壓軸承模組。

一般完整的液靜壓導軌系統包含外部供油系統(泵)、液靜壓軸承及節流器三部分。外部供油系統所供應具有一定壓力的潤滑油經節流器輸送到液靜壓軸承鄰接於滑軌面的油腔中，於軸承與滑軌間形成油膜，隔開相互接觸之滑動軸承面，實現液靜壓潤滑(hydrostatic lubrication)效果。

節流器構型與尺寸上的不同將改變其節流特性，進而影響油腔壓力的調節效果，在液靜壓軸承的性能設計上有很大的影響。倘若無節流器則液靜壓軸承將沒有剛性與承載能力，只要節流器的選擇正確，軸承就可以獲得最大的剛性。目前的節流器種類繁多，以薄膜節流器的表現較佳，要如何使薄膜節流器具有良 好的表現是本領域亟欲探討的方向。

本發明提供一種薄膜節流器，其可使軸承與滑軌之間維持一定油膜厚度，並提供最佳的軸承剛性。

本發明提供一種液靜壓軸承模組，其具有上述的薄膜節流器，且整合於軸承上。

本發明的一種薄膜節流器，適於連接於一泵及一軸承，軸承適於配置在一滑軌上，泵適於供應一流體經薄膜節流器流至軸承與滑軌之間，薄膜節流器包括一殼體及一薄膜。殼體包括一腔室、連通於腔室的一入口與一出口、以及一節流面(restricting plane)，其中泵適於連接於入口，軸承適於連接於出口。薄膜位於腔室，節流面為殼體在靠近出口且朝向薄膜的一內表面。薄膜的無因次剛性(dimensionless stiffness)為K_r ^*，且1.33≦K_r ^*≦2。K_r ^*=K_rL₀/(p_sA_r)，K_r為薄膜的剛性，L₀為薄膜組裝間隙(即泵未供應流體時薄膜與節流面之間的距離)，p_s為泵所供應的液壓，A_r為節流面的等效面積(effective area)。

在本發明的一實施例中，上述的薄膜節流器的無因次剛性K_r ^*=1.33。

在本發明的一實施例中，上述的薄膜節流器的設計節流比(design restriction ratio)為λ，0.1≦λ≦0.5，其中λ=R_ri/R₀，R_ri為薄膜與節流面之間的距離為L₀時，流體流經節流面的流阻，且 R₀為流體流經軸承的預設流阻。

在本發明的一實施例中，上述的薄膜節流器的設計節流比λ=0.25。

本發明的一種液靜壓軸承模組，適於可移動地配置在一滑軌上且連接於一泵，液靜壓軸承模組包括軸承及整合於軸承上的一薄膜節流器，泵適於供應一流體經薄膜節流器流至軸承與滑軌之間，薄膜節流器包括一殼體及一薄膜。殼體包括一腔室、連通於腔室的一入口與一出口、以及一節流面，其中泵適於連接於入口，軸承連接於出口。薄膜位於腔室，節流面為殼體在靠近出口且朝向薄膜的一內表面。薄膜節流器的無因次剛性為K_r ^*，K_r ^*=K_rL₀/(p_sA_r)，且1.33≦K_r ^*≦2。K_r為薄膜的剛性，L₀為薄膜組裝間隙，p_s為泵所供應的液壓，A_r為節流面的等效面積。

在本發明的一實施例中，上述的薄膜節流器的無因次剛性K_r ^*=1.33。

在本發明的一實施例中，上述的薄膜節流器的設計節流比為λ，λ=R_ri/R₀，0.1≦λ≦0.5，其中R_ri為薄膜與節流面之間的距離為L₀時，流體流經薄膜節流器的流阻，且R₀為流體流經薄軸承的預設流阻。

在本發明的一實施例中，上述的薄膜節流器的設計節流比λ=0.25。

在本發明的一實施例中，上述的軸承包括一滑塊，可滑動地配合於滑軌，薄膜節流器可拆卸地配置於滑塊。

在本發明的一實施例中，上述的薄膜節流器的殼體包括可拆卸地配置於滑塊的一板體及可拆卸地配置於板體的一蓋體，板體包括一凹腔及連通於凹腔的一貫孔，薄膜配置於凹腔內，流體適於經貫孔流至板體與滑軌之間。

基於上述，本發明的液靜壓軸承模組的薄膜節流器藉由將薄膜的無因次剛性K_r ^*限定在1.33≦K_r ^*≦2的範圍之內，而能夠使軸承與滑軌之間維持一定的油膜厚度，而提供最佳的軸承剛性。並且，本發明的液靜壓軸承模組的薄膜節流器整合於軸承上，在小體積的條件下仍能提供良好的效果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

L0‧‧‧距離

h‧‧‧厚度

10‧‧‧泵

20、20a‧‧‧滑軌

30、32‧‧‧油膜

40、40a‧‧‧液靜壓軸承模組

50、50a‧‧‧軸承

51‧‧‧油腔

52‧‧‧滑塊

54‧‧‧貫穿槽

56‧‧‧入口

60‧‧‧板體

62‧‧‧凹腔

64‧‧‧貫孔

70‧‧‧蓋體

100、100a‧‧‧薄膜節流器

110、110a‧‧‧殼體

112‧‧‧腔室

114‧‧‧入口

116‧‧‧出口

118‧‧‧節流面

120‧‧‧薄膜

圖1是依照本發明的一實施例的一種薄膜節流器的示意圖。

圖2至圖4分別是圖1的薄膜節流器在設計節流比λ為0.1、0.25、0.5時，軸承的無因次負載與實際油膜厚度/預設油膜厚度的關係圖。

圖5是依照本發明的一實施例的一種液靜壓軸承模組的示意圖。

圖6是圖5的液靜壓軸承模組的爆炸示意圖。

圖7是圖5的液靜壓軸承模組的立體剖面示意圖。

圖8是圖5的液靜壓軸承模組的剖面示意圖。

圖9是依照本發明的另一實施例的一種液靜壓軸承模組的剖面示意圖。

圖1是依照本發明的一實施例的一種薄膜節流器的示意圖。請參閱圖1，本實施例的薄膜節流器100適於連接於一泵10及一軸承50。軸承50適於配置在一滑軌20上，而能夠沿著滑軌20移動。在圖1中，示意性地繪示了部分的軸承50與滑軌20，軸承50與滑軌20的形狀與樣式並不以此為限制。此外，在其他實施例中，軸承50也可採用軸頸式軸承之配置(轉動軸未繪示)，而相對於軸頸式軸承之運動(直線運動或旋轉運動)，軸承50運動的形式並不以此為限制。

如圖1所示，在本實施例中，薄膜節流器100包括一殼體110及一薄膜120。殼體110包括一腔室112、連通於腔室112的一入口114與一出口116、以及一節流面118(restricting plane)。由圖1可見，泵10連接於入口114，軸承50連接於出口116。薄膜120位於腔室112而將腔室112隔成上下兩部分，且上下部分在右方連通。節流面118為殼體110在靠近出口116且朝向薄膜120的一內表面，在圖1中可看到，節流面118是殼體110的圍繞出口116的部位的朝向薄膜120的內表面，節流面118比其兩側的內表面更靠近薄膜120。薄膜120與節流面118之間的距離為 L_o，L_o可說是殼體110在靠近出口116的部位與薄膜120的最小距離。

需說明的是，在圖1中，只是示意性地表示流體是如何經過薄膜節流器100流向軸承50與滑軌20之間，而將薄膜節流器100繪示於軸承50的上方，但實際上薄膜節流器100與軸承50的相對位置並不限制，只要薄膜節流器100與軸承50有管路供流體流動即可。

在本實施例中，泵10適於供應一流體(例如是潤滑油)經薄膜節流器100流至軸承50與滑軌20之間，以在軸承50與滑軌20之間形成一油膜30，而有效降低軸承50相對於滑軌20滑動時的摩擦，如此，軸承50能夠輕易且順暢地相對於滑軌20滑動。更明確地說，泵10所供應的流體(下面稱潤滑油)的油路為，從殼體110的入口114進入薄膜節流器100，從腔室112的上半部流到腔室112的下半部，潤滑油會經過薄膜120與節流面118之間，由出口116離開薄膜節流器100而流向軸承50，進入軸承50的油腔51並在軸承50與滑軌20之間形成油膜30。

一般而言，軸承50與滑軌20之間的油膜30需要維持在一定的高度，但由於軸承50上會承載其他物件(未繪示)，當軸承50受外力負載時可能導致軸承50與滑軌20之間的油膜30的厚度h改變，例如，當軸承50所承受較大的負載時，軸承50與滑軌20之間的油膜30的厚度h下降，而使得軸承50的油腔51與腔室112的下半部的壓力提升，由於薄膜120可撓，當腔室112的下半 部的壓力較大時，薄膜120向上凸，薄膜120與節流面118之間的距離拉大(也就是大於L₀)，而使得潤滑油較容易通過而流出薄膜節流器100並流向軸承50，以拉大軸承50與滑軌20之間的油膜30的厚度h。

同樣地，當軸承50所承受較小的負載時，軸承50與滑軌20之間的油膜30的厚度h上升，而使得軸承50的油腔51與腔室112的下半部的壓力下降，薄膜120對應地向下凸，薄膜120與節流面118之間的距離縮短(也就是小於L₀)，而使得潤滑油較難通過，流出薄膜節流器100的潤滑油量下降，以降低軸承50與滑軌20之間的油膜30的厚度h。

也就是說，由於薄膜節流器100的薄膜120可對應地變形而可改變流體在薄膜節流器100內的流阻與流量，進而達到反饋的效果。當然，除了薄膜120之外，薄膜節流器100還有其他的參數也相當重要，這些參數可使軸承50能夠具有良好的剛性，而在即便是承載物件時也能使軸承50與滑軌20之間維持一定的油墊厚度。本實施例的薄膜節流器100藉由特定的參數設計，可有效提供軸承50良好的剛性，以使軸承50與滑軌20之間維持一定的油膜30的厚度h。也就是，軸承50在承受大的負載量時，仍能維持所欲的油膜30的厚度h。

值得一提的是，為了避免單位不同而造成數值上的差異，軸承50的負載下面將以無因次的方式呈現，軸承50的無因次負載為W/A_ep_s，其中W為軸承50的負載，其由A_ep_s定義，A_e 為軸承50的等效面積，p為流體在軸承50的油腔51內的壓力。p_s為泵10所供應的液壓。同樣地，為了避免單位不同而造成數值上的差異，以實際油膜高度h/預設油膜高度h₀的比值表示。需說明的是，h₀是預設值所以在圖中未標示。

經模擬與實驗得知，當薄膜節流器100的無因次剛性(dimensionless stiffness)K_r ^*及設計節流比(design restriction ratio)λ控制在特定範圍時，軸承50的無因次負載為W/A_ep_s及實際油膜厚度h/預設油膜厚度h₀會有良好的表現，其中無因次剛性(dimensionless stiffness)K_r ^*，可由K_r ^*=K_rL₀/(p_sA_r)所定義。K_r為薄膜120的剛性。L₀為泵10未啟動時薄膜120與節流面118之間的距離，又稱組裝間隙(assembling clearance)，標示於圖1。p_s為泵10所供應的液壓，又稱供油壓力(supply pressure)。A_r為節流面118的等效面積(effective area)。此外，薄膜節流器100的設計節流比(design restriction ratio)λ，由λ=R_ri/R₀所定義，其中R_ri為薄膜120與節流面118之間的距離為L₀時，流體流經薄膜節流面118的流阻，也就是說，當薄膜120上方腔室112壓力等於下方出口116壓力時，流體流經薄膜節流面118的流阻；也可說是，在組裝間隙下，節流面118的等效流阻。由於節流面118流阻遠大於節流器100內部其他管路的流阻，故可視為節流器100流阻。R₀為流體流經軸承50的預設流阻，其與油膜30的厚度h的三次方成反比。

圖2至圖4分別是圖1的薄膜節流器100在設計節流比 λ為0.1、0.25、0.5時，軸承50的無因次負載W/A_ep_s與實際油膜厚度h/預設油膜厚度h₀的關係圖。需說明的是，在圖2至圖4中，橫軸為軸承50的無因次負載W/A_ep_s，當軸承50的無因次負載為1時代表軸承50的最大負載量。縱軸為實際油膜厚度h/預設油膜厚度h₀，當實際油膜厚度h/預設油膜厚度h₀為1時，代表實際油膜厚度h為預設油膜厚度h₀。

請參閱圖2至圖4，當K_r ^*為1，且軸承50的無因次負載W/A_ep_s較小時，實際油膜厚度h/預設油膜厚度h₀(縱軸)會趨近0。當K_r ^*為無限大時，又只能應用於大負載。因此，薄膜節流器100的無因次剛性K_r ^*的範圍，以1.33≦K_r ^*≦2為佳，又以K_r ^*=1.33為最佳。由圖2至圖4可見，當K_r ^*為1.33，且軸承50的無因次負載W/A_ep_s(橫軸)為0.1至0.8之間時，實際油膜厚度h/預設油膜厚度h₀(縱軸)能夠維持於一固定的範圍內。

此外，在設計節流比λ為0.1、0.25、0.5時，不同的薄膜節流器100的無因次剛性K_r ^*的變化趨勢大致上接近，也就是說，設計節流比λ的範圍在0.1≦λ≦0.5有好的表現。另外，由圖3可見，設計節流比λ為0.25時，實際油膜厚度h/預設油膜厚度h₀(縱軸)接近於1，也就是說，實際油膜厚度h能夠接近於預設的油膜厚度h₀。因此，設計節流比λ最佳為0.25。

圖3中可看到軸承50的無因次負載W/A_ep_s(橫軸)約在0.1至0.5之間有數個以x作為標記的點，此為實驗值，由圖3可看到，實驗值與模擬曲線相當接近。換句話說，在本實施例中，將薄膜 節流器100設計為設計節流比λ為0.25，且薄膜120的無因次剛性K_r ^*為1.33，而能夠使軸承50與滑軌20之間維持一定的油墊厚度，而提供軸承50最佳的剛性。

當然，依據上面的設計參數所設計出的薄膜節流器100的種類並不以圖1為限制，在圖1中，薄膜節流器100與軸承50是分開的兩物件，在下面的實施例中，將舉出薄膜節流器100a整合於軸承50a的態樣。需說明的是，習知的薄膜節流器由於體積較大，只能夠設置在軸承之外，難以整合於軸承上。另外，對於習知的薄膜節流器而言，即便要縮小體積，薄膜節流器的設計參數也非等比例縮小就能夠達到好的表現。在下面的實施例中，薄膜節流器100a由於依照1.33≦K_r ^*≦2及0.1≦λ≦0.5的設計參數，薄膜節流器100a可微型化地整合在軸承50a，且具有良好的表現。

圖5是依照本發明的另一實施例的一種液靜壓軸承模組的示意圖。圖6是圖5的液靜壓軸承模組的爆炸示意圖。圖7是圖5的液靜壓軸承模組的立體剖面示意圖。圖8是圖5的液靜壓軸承模組的剖面示意圖。

請參閱圖5至圖8，本實施例的液靜壓軸承模組40適於可移動地配置在一滑軌20a上且連接於一泵10。在本實施例中，滑軌20a以接近於I字型的形式呈現，但滑軌20a的種類不以此為限制。如圖6所示，液靜壓軸承模組40包括一軸承50a及整合在軸承50a上的一薄膜節流器100a，泵10適於供應一流體經薄膜節 流器100a流至液靜壓軸承模組40與滑軌20a之間，以在液靜壓軸承模組40與滑軌20a之間形成潤滑的油膜30(標示於圖8)。

更明確地說，在本實施例中，軸承50a包括一滑塊52，可滑動地配合於滑軌20a。滑塊52具有一貫穿槽54。薄膜節流器100a可拆卸地配置於滑塊52。薄膜節流器100a包括一殼體110a及一薄膜120。在本實施例中，薄膜節流器100a的殼體110a為可拆卸地配置於滑塊52的貫穿槽54內的一板體60及可拆卸地配置於板體60的一蓋體70。

板體60包括一凹腔62及連通於凹腔62的一貫孔64(標示於圖7)，薄膜120配置於凹腔62內。凹腔62還與滑塊52的入口56連通，泵10(標示於圖5)所供應的流體適於從滑塊52上的入口56(標示於圖7)進入凹腔62，同時流入薄膜120的上半部與下半部，再經貫孔64流至板體60與滑軌20a之間形成油膜30，如圖8所示。在本實施例中，薄膜節流器100a的薄膜120的無因次剛性K_r ^*及設計節流比λ的範圍為1.33≦K_r ^*≦2及0.1≦λ≦0.5，而提供液靜壓軸承模組40良好的剛性。更佳的是，當薄膜節流器100a的設計節流比λ=0.25，且薄膜節流器100a的薄膜120無因次剛性K_r ^*=1.33，能使液靜壓軸承模組40與滑軌20a之間維持一定的油膜厚度，進而提供液靜壓軸承模組40最佳的剛性。

需說明的是，在本實施例中，薄膜節流器100a是以鎖固的方式可拆卸地配置在軸承50a上，而可方便製造與維修，但薄膜節流器100a可拆卸地配置在軸承50a上的方式也可以是夾合或 卡合，不以此為限制。此外，在其他實施例中，薄膜節流器100a也可以是不可拆卸地配置在軸承50a上，例如薄膜節流器100a的殼體110a是一體成形於或是焊接於軸承50a，只要薄膜節流器100a整合於軸承50a即可，兩者之間固定的形式並不以此為限制。

圖9是依照本發明的另一實施例的一種液靜壓軸承模組的剖面示意圖。請參閱圖9，本實施例與圖8的實施例的主要差異在於。在本實施例中，除了滑軌20a的正上方與液靜壓軸承模組40a之間存在油膜30之外，滑軌20a的兩側也與液靜壓軸承模組40a之間存在油膜32，而使液靜壓軸承模組40a能夠以封閉的型式滑動於滑軌20a上。油膜32可以由薄膜節流器100a所控制或是也可以由毛細管節流器(未繪示)、小孔節流器(未繪示)與定流量節流器(未繪示)所控制，換句話說，不同位置的油膜30、32可以由單一種節流器控制或是由多種節流器控制，且這些油膜30、32之間的供油油路可以連通也可以不連通。

綜上所述，本發明的液靜壓軸承模組的薄膜節流器藉由將薄膜的無因次剛性K_r ^*限定在1.33≦K_r ^*≦2的範圍之內，而能夠使軸承與滑軌之間維持一定的油膜厚度，而提供良好的軸承剛性。此外，薄膜節流器的設計節流比λ的範圍為0.1≦λ≦0.5時，薄膜的無因次剛性K_r ^*的範圍在1.33≦K_r ^*≦2會有更好的軸承剛性，例如是λ=0.25，K_r ^*=1.33。另外，薄膜節流器可以整合在軸承上，而在小體積的結構下也能夠提供良好的效果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種薄膜節流器，適於連接於一泵及一軸承，該軸承適於配置在一滑軌上，該泵適於供應一流體經該薄膜節流器流至該軸承與該滑軌之間，該薄膜節流器包括： 一殼體，包括一腔室、連通於該腔室的一入口與一出口、以及一節流面(restricting plane)，其中該泵適於連接於該入口，該軸承適於連接於該出口；以及 一薄膜，位於該腔室，該節流面為該殼體在靠近該出口且朝向該薄膜的一內表面， 其中該薄膜的無因次剛性(dimensionless stiffness)為K _r*，且1.33≦K _r*≦2， 其中K _r*=K _rL ₀/(p _sA _r)，K _r為該薄膜的剛性，L ₀為該泵未啟動時該薄膜與該節流面之間的距離，又稱薄膜組裝間隙，p _s為該泵所供應的液壓，A _r為該節流面的等效面積(effective area)。
2. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜節流器，其中該薄膜節流器的無因次剛性K _r*=1.33。
3. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜節流器，其中該薄膜節流器的設計節流比(design restriction ratio)為λ，0.1≦λ≦0.5，其中λ=R _ri/R ₀，R _ri為該薄膜與該節流面之間的距離為L ₀時，該流體流經該節流面的流阻，且R ₀為該流體流經該軸承的預設流阻。
4. 如申請專利範圍第3項所述的薄膜節流器，其中該薄膜節流器的設計節流比λ=0.25。
5. 一種液靜壓軸承模組，適於可移動地配置在一滑軌上且連接於一泵，該液靜壓軸承模組包括： 一軸承，適於可移動地配置在一滑軌上； 一薄膜節流器，整合於該軸承上，該泵適於供應一流體經該薄膜節流器流至該軸承與該滑軌之間，該薄膜節流器包括： 一殼體，包括一腔室、連通於該腔室的一入口與一出口、以及一節流面，其中該泵適於連接於該入口，該軸承連接於該出口；以及 一薄膜，位於該腔室，該節流面為該殼體在靠近該出口且朝向該薄膜的一內表面， 其中該薄膜節流器的無因次剛性為K _r*，K _r*=K _rL ₀/(p _sA _r)，且1.33≦K _r*≦2， 其中K _r為該薄膜的剛性，L ₀為該泵未啟動時該薄膜與該節流面之間的距離，又稱薄膜組裝間隙，p _s為該泵所供應的液壓，A _r為該節流面的等效面積。
6. 如申請專利範圍第5項所述的液靜壓軸承模組，其中該薄膜節流器的無因次剛性K _r*=1.33。
7. 如申請專利範圍第5項所述的液靜壓軸承模組，其中該薄膜節流器的設計節流比為λ，λ=R _ri/R ₀，0.1≦λ≦0.5，其中R _ri為該薄膜與該節流面之間的距離為L ₀時，該流體流經該節流面的流阻，且R ₀為該流體流經該軸承的預設流阻。
8. 如申請專利範圍第5項所述的液靜壓軸承模組，其中該薄膜節流器的設計節流比λ=0.25。
9. 如申請專利範圍第5項所述的液靜壓軸承模組，其中該軸承包括一滑塊，可滑動地配合於該滑軌，該薄膜節流器可拆卸地配置於該滑塊。
10. 如申請專利範圍第9項所述的液靜壓軸承模組，其中該薄膜節流器的該殼體包括可拆卸地配置於該滑塊的一板體及可拆卸地配置於該板體的一蓋體，該板體包括一凹腔及連通於該凹腔的一貫孔，該薄膜配置於該凹腔內，該流體適於經該貫孔流至該板體與該滑軌之間。