一种基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承

技术领域

本发明涉及滑动轴承领域，具体为一种基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承。

背景技术

目前公知的气体动压轴承相比于传统的滑动轴承，具有机械磨损小、噪声小、寿命长、无润滑油污染、可在极端环境下运行的优点， 广泛用于坐标机、精密机床、半导体晶圆加工机以及高速和精密定位环境中。

现有的空气动压轴承的自激涡动不稳定性和低负载能力限制了其实用性。

气体动压轴承中最常见的一种不稳定现象是半速涡动，即转子中心绕以轴承几何中心的圆柱状轨道的晃动频率，约为转子速度的一半，由于气膜以大约半转子转速的速度转动，故承载间隙消失，动、静件相接触使轴承在工作时被破坏。

在许多实际应用中，空气动压轴承的低负载能力也是一个严重的问题。与液体润滑剂不同，气体润滑剂在通过轴承时会改变其密度，这种可压缩效应说明了当空气轴承的几何形状和结构尺寸确定之后，转速对于轴承承载能力只在一定的范围内起作用，过大的转速不仅对于增加承载能力没有帮助，反而会带来其他不利的因素。这就使得空气动压轴承的承载能力被限定在了一定的范围内，而无法满足绝大多数的实际工况。

自然界中蜂鸟是唯一的一种能实现真正的悬停、前飞和倒飞的鸟类。蜂鸟飞行特性较为独特，其飞行时的升力75%来自于翅膀下扇，25%来自翅膀的下扇。这种特殊的飞行特性为蜂鸟提供了足够大的升力，使其能够进行高速飞行，同时也可以让蜂鸟实现在空中的悬停和高速机动的前飞、倒飞以及转向。而目前并没有在空气动压轴承上运用这种结构使轴承的性能提升。

发明内容

本发明提供一种基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承，解决了空气动压轴承不稳定和低承载能力的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承包括主轴、轴承外圈和轴承内圈，所述轴承外圈内部设置有轴承内圈，轴承内圈过盈配合于主轴，轴承内圈上设置有若干楔形的凹槽，凹槽排列呈蜂鸟翅膀羽毛的分布结构。

若干凹槽分布在轴承内圈外表面，若干凹槽对称分布，凹槽所构成的蜂鸟两翅的中心对称线与轴承内圈的轴线垂直。这样设置的凹槽排列模拟了蜂鸟飞行时两翅的位置，因为轴承在工作时做圆周运动，呈蜂鸟翅膀羽毛状排列的凹槽方向与轴承运动方向相同。

楔形的凹槽相当于粘滞压缩器，相对运动受到阻碍的气流经凹槽的节流阻挡作用，改变了凹槽边缘处气体的流速和密度，使得轴承内气体的压力升高，从而形成支承负载能力。由于蜂鸟翅膀的特殊生理结构，导致蜂鸟在飞行过程中产生更大的升力，而轴承上类似蜂鸟翅膀排列的凹槽也可以使轴承具有更大的承载能力。

又因为楔形的凹槽满足形成动压气膜的条件，与轴承本身由于偏心所产生的动压气膜进行叠加，形成了双重动压气膜效应，提高了空气动压轴承的气膜刚度和承载能力；并且凹槽使轴承本身极大程度地避免了半速涡动现象的发生，轴承的稳定性得以提高。

所述凹槽外轮廓为流线型；凹槽包括前边缘、后边缘和底表面，所述底表面呈曲面。凹槽的外轮廓边缘模拟了蜂鸟翅膀部分单根羽毛的形状，由于蜂鸟翅膀羽毛结构的流线性好，凹槽的形状可以使空气进入轴承表面的速度加快，轴承内部支撑间隙气体的密度增加，局部气膜动压升高。

单个凹槽的前边缘靠近轴承内圈的端面，后边缘靠近于轴承内圈中心位置。更进一步地，后边缘的宽度比前边缘的窄，起到引导并输送气体的作用，即内部气体经过凹槽的节流阻挡作用，在凹槽的边缘处气体的流速和密度改变，进而使得轴承内圈外表面的光滑区域内压力升高，提高了动压气膜的刚度和轴承的承载能力。

优选的，凹槽包括若干不同规格，按照从小到大的顺序依次排列 ，形成大小不同的楔形空间，与蜂鸟翅膀羽毛的形态更加相似，可以更准确地引导轴承内部空气流向和流速，提高了轴承的稳定性，并且减轻了轴承本身的重量。

一种基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承的轴承内圈与主轴过盈配合，轴承内圈和轴承外圈之间由于施加于主轴上的径向载荷及主轴本身的自重因素而形成一定的偏心，从而形成了第一楔形空间。轴承内圈外表面上开设有若干凹槽，凹槽按照蜂鸟翅膀的羽毛结构对称进行排列，凹槽的对称轴与轴承外圈的轴线垂直。单个凹槽的边缘模仿蜂鸟翅膀的羽毛形状，凹槽的底表面为曲面，形成了第二楔形空间。

通过轴承内圈和轴承外圈形成的第一楔形空间产生的气动压力，以及轴承内圈外表面的若干凹槽所形成的第二楔形空间产生的气动压力共同作用于轴承，增加了轴承支撑间隙的动压气膜刚度，提高了轴承的承载力和稳定性。

与现有技术相比，本发明的实质性特点在于：本发明通过应用蜂鸟具有的飞行特性，将蜂鸟翅膀的羽毛结构运用于空气动压轴承的设计。具体特点如下：

1.模拟蜂鸟翅膀的特殊生理结构，在轴承内圈外表面上开楔形的凹槽，气体通过凹槽的节流阻挡作用，使得凹槽边缘处的气体流速和气体密度改变，从而增加了轴承内圈外表面光滑区域的气膜压力，提高了轴承支撑间隙内动压气膜的刚度和轴承的承载能力；

2.因为凹槽呈楔形，满足产生动压气膜所需的条件，在每一个槽内都形成了单独的空气动压气膜，与轴承本身由于轴承内圈和主轴的偏心而在支撑间隙中形成的动压气膜进行叠加，形成双重动压气膜效应，提高了轴承的承载能力；

3.由于凹槽的作用使得轴承在运行的过程中抑制了普通动压气体轴承所常见的半速涡动不稳定现象，提高了轴承运行的稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承的结构示意图。

图2为本发明基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承的具体实施方式侧视图。

图3为本发明基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承的轴承内圈外表面的展开图。

图4为本发明基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承的单个凹槽的轮廓图。

图5为本发明基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承的凹槽形成的楔形空间细节图。

图中标号： 1.主轴，2.轴承内圈，3.轴承内圈外表面，4.凹槽，5.轴承外圈，6.前边缘，7.后边缘，8.底表面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-5所示，一种基于蜂鸟翅膀结构的空气动压轴承，包括主轴1、轴承外圈5和轴承内圈2，轴承外圈5内部设置有轴承内圈2，轴承内圈2过盈配合有主轴1。因为施加在主轴1上的径向载荷以及主轴1与轴承内圈2的自重原因，轴承外圈5与轴承内圈2之间形成一定的偏心，构成了第一楔形空间。

如图3所示，轴承内圈外表面3上设置有16个凹槽4，凹槽4分为对称的两列，两列凹槽4中心对称线与轴承内圈2的轴线垂直，排列成类似蜂鸟翅膀羽毛的结构。凹槽4的边缘形状模拟蜂鸟翅膀的羽毛外轮廓，16个凹槽4包括若干不同规格，按照从小到大的顺序依次在轴承内圈外表面3上圆周排列。

如图4、5所示，具体来看单个凹槽4为楔形，包括前边缘6、后边缘7和底表面8组成，底表面8呈曲面。单个凹槽4的前边缘6靠近轴承内圈2的端面，后边缘7靠近于轴承内圈2中心位置，并且前边缘6宽度比后边缘7的宽度大。因此，凹槽4这一部分构成了第二楔形空间。

使用时，将轴承外圈5固定，主轴1转动带动轴承内圈2转动，此时轴承内圈2和轴承外圈5之间有一定的相对运动。这时轴承外圈5和轴承内圈2之间形成的第一楔形空间充斥着具有一定粘度的空气，作为润滑介质。同时，作为润滑介质的空气也在轴承内圈外表面3的凹槽4所构成的第二楔形空间中流动。

由雷诺方程知，形成动压气膜的三个条件为相对运动、楔形空间和润滑介质存在一定的粘度。此时在轴承内圈外表面3与轴承外圈5之间即可形成一定厚度的空气动压气膜，使得轴承能够正常工作；而凹槽4与轴承外圈5之间也满足雷诺方程形成空气动压气膜的三个条件，形成动压气膜用以支撑主轴1和轴承内圈2的转动。

气体经过凹槽4的时候，由于凹槽4的节流阻挡作用，使得气体在凹槽4的边缘处速度和密度改变，在轴承内圈外表面3的光滑区域压力升高，使得轴承支撑间隙动压气膜刚度和轴承承载能力得以提升。

所以当主轴1转动时，用以支撑的气膜由两部分构成，一部分是轴承自身的轴承外圈5和轴承内圈2之间的第一楔形空间所产生的空气动压气膜，另一部分是由基于蜂鸟翅膀羽毛的排列结构所做凹槽4形成的第二楔形空间产生的空气动压气膜。两处的空气动压气膜相叠加，空气动压轴承的轴承间隙中的气膜刚度和轴承的承载能力较以前明显提升。由于轴承内圈外表面3上凹槽4的作用，当轴承在工作时，由于主轴1和轴承内圈2的偏心导致的半速涡动不稳定现象得到明显的改善，也使得其稳定性大大提高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。