技术领域
[0001] 本
发明涉及一种具有轴体的流变计，所述轴体可旋转地支承在
气体轴承中，其中所述气体轴承具有安装在所述轴体上的第1轴承体(
转子)和第2轴承体(
定子)，所述第2轴承体以形成轴承间隙的方式间隔地包围所述第1轴承体(转子)，其中所述第2轴承体(定子)至少分段地由透气材料构成且以某种方式被气体流过，使得在所述轴承间隙中形成气垫，所述第1轴承体(转子)和所述轴体被所述气垫非
接触式地支承。
背景技术
[0002] 通常在流变计中应用同样作为空气静
力轴承或
空气轴承而已知的相应气体轴承，因其能够在极小的转矩和
变形情况下可靠地实施微结构分析。
[0003] 空气静力轴承属于气体或空气润滑式轴承的类别。通过定子将介质气体或空气从外部压入轴承间隙，从而在轴承间隙中形成气垫。气垫以及由此产生的气压和
流体使得“定子”和“转子”这两个轴承体被气流或空气流隔开。以这种方式就能实现近似无摩擦的运动。
[0004] 由DE 102 47 783 B4已知一种具有前述类型的气体轴承的流变计，其中定子配设有数个钻孔，这些钻孔用于使得空气分布在定子内部，以便实现从定子朝轴承间隙的均匀空气排出。定子由透气材料构成，从而形成大量与轴承间隙连通的微型
喷嘴。
[0005] 通常将不透气的金属材料应用于安装在轴体上的转子，此转子根据DE 102 47 783 B4构建为相对轴体径向延伸的圆盘，其中在结构方面要求将转子以尽可能最佳的平面度构建，也就是尽可能不具有任何粗糙度，因为表面上的每个不平整的或粗糙的
位置均会与在轴承间隙中流动的空气共同作用而产生扰动力矩，从而对转子以及轴体的运动产生不利影响，进而
对流变计的测量
精度产生不利影响。
[0006] 为防止产生扰动力矩或附着效应，转子的对轴承间隙进行限制的表面不允许具有任何损伤、刮伤或几何偏差。为了实现这一点，在使用极为精密的加工机器的情况下需要极高的加工
费用，从而大幅提高定子的制造成本。
[0007] 为了改善表面品质，曾经尝试在对转子进行机械的表面加工后为其配设附加的表面涂层。这个附加的涂布过程会提高制造成本且存在如下危险：在涂布不良的情况下会导致在转子上产生几何偏差或表面
缺陷，导致转子无法使用。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提出一种具有前述类型的气体轴承的流变计，所述流变计易于制造且确保所述轴承间隙中的精确气流。
[0009] 本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有
权利要求1的特征的具有气体轴承的流变计。根据本发明，所述第1轴承体(转子)至少在其朝向所述第2轴承体(定子)的区域内由透气材料构成，所述气体渗透进所述材料且由于所述气体的动压或倒流形成靠近表面的气层，优选形成静止的气层。所述第1轴承体(转子)特别是完全且至少近似完全由透气材料构成，所述材料例如可以指
烧结材料特别是烧结
碳，或指
石墨材料特别是人造石墨，或指陶瓷。
[0010] 有鉴于此，所述第1轴承体(转子)至少在对所述轴承间隙进行限制的表面中具有开口孔隙度，其中穿过所述第2轴承体(定子)所输送的所述空气渗透进所述第1轴承体(转子)的开口孔隙。其中，在第1轴承体(转子)的表面上基于气体的动压或倒流形成靠近表面的静止气层，使得后续流动的气体无法再渗透进第1轴承体(转子)且在这个气层上沿轴承间隙偏转。第1轴承体(转子)因气层的形成而不会经受直接的气体涌入，并且在轴体和第1轴承体(转子)旋转时产生的
空气阻力与采用由金属材料构成的传统转子相比时小得多。
[0011] 所述第2轴承体(定子)同样由多孔材料构成因而具有数个并排布置的极小的喷嘴。气体通过这些喷嘴基于所存在的气压以永久地且全面地分布在周边范围内的方式流入轴承间隙。这个流入的气体在第2轴承体(定子)的壁部上形成流动的气垫，使得在轴承间隙中产生的气流无法接触第2轴承体(定子)的表面，因为第2轴承体(定子)的表面上的气压高于气流中的压力。
[0012] 所述第1轴承体(转子)在相对布置的一侧上同样由多孔材料构成且具有数个小喷嘴，这些喷嘴因封闭的布置方案而无法完全被流过，因此，从第2轴承体(定子)流出的气体最初会将第1轴承体(转子)的喷嘴填满，其中在气体回流时产生前述动压，使得后续流动的气体无法再渗透进第1轴承体(转子)的多孔结构且由于该动压而沿轴承间隙偏转。
[0013] 优选将相同的透气材料用于所述第1轴承体(转子)和所述第2轴承体(定子)。这两个材料应至少在
热膨胀特性方面相同，或者所用材料的
热膨胀系数的最大偏差幅度应为±15％。
[0014] 在本发明的一种可能的设计方案中，可以将具有断屑和自润滑特性的
等静压石墨用作特别是用于所述第1轴承体(转子)的烧结材料。由于这两个材料特性，可以通过不同的制造工艺(
超声波精密
车削加工、研光或校准)来实现经济转化。通过开口孔隙度(8Vol.％至16Vol.％)和平均粒度将断屑特性定义在2μm至12μm范围内。
[0015] 在本发明的一种可能的设计方案中，所述轴承间隙在其轴向端区内的在径向平面内测得的横截面积可以与在其轴向中心区内的相应横截面积相等。其中，如此地确定轴承间隙的特别是几何尺寸，使得在轴承间隙的轴向端区内的气体流量与轴向中心区内的气体流量相同。优选地，流速在轴承间隙的出口横截面中或在轴承间隙的轴向端区内也相同。
[0016] 在本发明的一种改进方案中，所述轴体可以至少分段地构建为具有轴向通道的空
心轴，且所述轴向通道通过至少一个穿过所述第1轴承体(转子)的连接通道与所述轴承间隙连接。
[0017] 根据本发明，概念“轴向”总是涉及所述流变计的通常竖直地定向的轴体的纵轴。相应地，概念“径向”是指垂直于所述轴体的纵轴的方向。
[0018] 通过所述连接通道，预设的气体量可以以定义的方式流入所述轴体的轴向通道且随后沿所述轴向通道从所述轴体流出。以这种方式就能将废气优选从轴承壳体的中心区域排出。
[0019] 可以在如下情形中实现所述气体轴承的轴承特性的良好的可调节性：在本发明的一种改进方案中，在所述轴向通道中和/或沿流向在这个轴向通道后布置有至少一个可调节的节流
阀。可以借助该
节流阀来在灵活性、最小断开转矩、
刚度、承载能力和阻尼方面调节和改变轴承间隙中的流动状况。
[0020] 同时可以将废气用于将热量从轴承间隙排出，以及用于冷却轴体的远离气体轴承布置的
驱动器，从而抑制气体轴承的因过度受热而导致的不精确的工作特性。
[0021] 作为材料的孔隙度的补充方案，在所述第2轴承体(定子)中可以构建有至少一个输送通道且特别是数个输送通道，其可以用来使得所输送的气体尽可能均匀地分布在所述第2轴承体(定子)内且特别是分布在整个周边范围内。
[0022] 在本发明的一种优选设计方案中，所述输送通道包括至少两个在流体技术上相互独立的输送通道分支，所述输送通道分支各具一个自有气体输送装置。特别是可以独立调节输往输送通道分支中的每个的气体量和相应的气压。可以以这种方式改变和匹配第2轴承体(定子)的对应于一个输送通道分支的区段中相对第2轴承体(定子)的对应于另一输送通道分支的区段中的流动状况。可以以这种方式对材料的不均匀性和多孔的第2轴承体(定子)的制造公差以及第2轴承体(定子)中局部地有所偏差的流动状况进行补偿。
[0023] 在本发明的一种改进方案中，所述输送通道分支沿所述第2轴承体(定子)的轴向相互间隔。这一点还带来如下优点：通过对这两个输送通道分支(不同的气体量和/或不同的流速)进行不同的控制，就能相对第2轴承体(定子)对第1轴承体(转子)以及轴体进行轴向调节。
[0024] 可以通过相应的
控制阀或节流阀来在所述输送通道分支上游调节所述输送通道分支内的期望气体量以及流速。其中，在输送通道分支中的至少一个中，优选在所有输送通道分支中均布置有一个相应的节流阀。
[0025] 在本发明的一种优选设计方案中，所述第1轴承体(转子)在其朝向所述轴承间隙的表面上具有至少一个环绕式凹槽。通过置入第1轴承体(转子)的表面的凹槽以及穿过连接通道进行排气，就能对因动压形成的气层的形状和尺寸产生影响，从而提高轴承的刚度和倾斜
稳定性。
[0026] 原则上可以采用不同的几何形状来构成所述第1轴承体(转子)。在本发明的一种设计方案中，所述第1轴承体(转子)具有形式为球形层或类似球形层形状的至少一个球面主体部分。所述第1轴承体(转子)特别是由形式为球形层或类似球形层形状的两个球面主体部分构成，所述主体部分如此沿轴向相继布置，使得这些主体部分以其较小的平整表面朝向彼此且相互抵靠。主体部分可以直接相互叠置，但也可以在这两个主体部分之间布置至少一个间隔件。
[0027] 作为替代方案，所述第1轴承体(转子)可以具有形式为平截正圆锥体的至少一个主体部分。所述第1轴承体(转子)优选具有形式为正截锥体的两个主体部分，所述主体部分如此地沿轴向相继布置，使得所述主体部分以其较小的平整表面朝向彼此或相互抵靠。主体部分可以直接相互叠置，但也可以在这两个主体部分之间布置至少一个间隔件。
[0028] 有鉴于此，在前述实施方案中，所述第1轴承体(转子)要么呈双半球形，要么呈双球体半壳形，或者呈双锥形或双截锥形。
[0029] 在本发明的一种替代设计方案中，所述第1轴承体(转子)具有形式为包围所述轴体的管状多孔
套管的至少一个主体部分。
[0030] 所述第1轴承体(转子)同样可以由前述几何形状的组合构成，使得所述第1轴承体(转子)包括至少一个球面主体部分，和/或形式为平截正圆锥体的至少一个主体部分，和/或形式为优选呈圆柱形的管状套管的至少一个主体部分。
[0031] 所述第1轴承体(转子)的布置在所述轴承间隙外部的表面区域，也就是所述指向轴向的表面区域不会被穿过所述第2轴承体(定子)所输送的气体涌入。为了防止过度的气体量在第1轴承体(转子)的布置在所述轴承间隙外部的表面区域上从这个第1轴承体(转子)排出，这些表面区域至少部分地或完全配设有
覆盖物。该覆盖物可以为不透气的或具有预设的透气性。借助覆盖物就能将在对轴承间隙进行限制的表面上进入第1轴承体(转子)的气体拦截在第1轴承体(转子)内并且使其无法以未经定义的方式流出，从而在轴承间隙的区域内在第1轴承体(转子)的表面上形成经精确定义的气层。
附图说明
[0032] 本发明的更多优点和特征参阅下文对
实施例的描述以及附图。图中：
[0033] 图1为流变计的轴体的根据本发明的气体轴承的竖直剖面示意图，[0034] 图2为所产生的气流和接近表面的气层的放大图，
[0035] 图3为图1中的设计方案的第1变体，
[0036] 图4为图1中的设计方案的第2变体，
[0037] 图5为图4中的设计方案的第1改进方案，
[0038] 图6为图4中的设计方案的第2改进方案，
[0039] 图7为图4中的设计方案的第3改进方案，
[0040] 图8为所述轴承间隙的放大图，以及
[0041] 图9为另一实施例中的流变计的轴体的根据本发明的气体轴承的竖直剖面示意图。
具体实施方式
[0042] 图1为流变计的大体竖直的轴体11的气体轴承10的竖直剖面示意图。如图1中的双箭头A所示，该轴体为旋转驱动的。在轴体上设有第1轴承体(转子)12，转子与轴体11固定连接且具有形式各为一个球形层的两个球面主体部分21、22，其中主体部分21、22如此沿轴体11的轴向布置，使得这些主体部分以其较小的平整表面相互抵靠。
[0043] 轴体11设计为空心轴且具有沿轴体11的纵向延伸的轴向通道15，该轴向通道通过构建在轴体11的壁部中的径向孔17与大体径向地相对轴体11延伸的连接通道16连接。连接通道16在这两个球面主体部分21、22之间的接触面的区域内线性地延伸。
[0044] 轴体11优选由金属材料构成，第1轴承体(转子)12由透气材料构成，特别是由烧结材料、石墨材料或陶瓷构成。
[0045] 第1轴承体(转子)12被第2轴承体(定子)13间隔地包围，其中在第1轴承体(转子)12的外表面与第2轴承体(定子)13的内表面之间形成轴承间隙18。
[0046] 第2轴承体(定子)13同样由前述类型的透气材料构成。在第2轴承体(定子)13内部还构建有与进口26存在流体技术连接的输送通道14。将气体(箭头G)穿过进口26引入输送通道14，且该气体在这个输送通道中分布在第2轴承体(定子)13的整个周边范围内。基于所存在的气压以及透气性或第2轴承体(定子)13的孔隙度，所输送的气体在第2轴承体(定子)13的朝向第1轴承体(转子)12的表面上以在数个小喷嘴上均匀分布在周边范围内的方式排出，这一点在图2中用箭头B绘示。从第2轴承体(定子)13排出的空气在轴承间隙18的相对布置的一侧上进入第1轴承体(转子)12的多孔表面。但在此过程中，形成气体的倒流，从而在第1轴承体(转子)12的对轴承间隙18进行限制的整个表面上形成图2中示出的静止气层S。
[0047] 从第2轴承体(定子13)排出的其他气体可以不穿过气层S，并且随后沿轴承间隙18要么根据图2朝上流动以便轴向地排出轴承间隙18，要么根据图2朝下地朝着两个球面主体部分之间的过渡区流动且随后进入连接通道16、穿过径向孔17流入轴体11的轴向通道15并且通过这个轴向通道被排出。
[0048] 图3示出图1中的设计方案的第1变体。图3所示的气体轴承10与图1所示的气体轴承的区别仅在于，第1轴承体(转子12)由两个形式各为一个平截正圆锥体的主体部分组成，其中这些平截正圆锥体如此地沿轴体11的轴向相继布置，使得这些平截正圆锥体以其较小的平整表面相互抵靠。采用上述方式后，轴承间隙18具有两个直线区段而不是双向弯曲的曲线，这些直线区段在这两个平截正圆锥体23、24的接触面区域内过渡至彼此。
[0049] 图4示出图1中的气体轴承10的设计方案的另一变体且其与这个设计方案的区别在于，输送通道14在第2轴承体(定子13)内被分为两个在流体技术上完全相互独立的输送通道分支14a和14b，这些输送通道分支沿第2轴承体(定子13)的轴向相互间隔且各具一个用于气流G1或G2的进口26a、26b。在进口26a、26b上游，在相应的气体管线中各布置有一个节流阀27a、27b。这样就能以不同的气压和不同的流速将不同的气体量输往输送通道分支14a和14b。这一点使得气体在轴承间隙18的沿轴向隔开的表面区域内在不同的条件下排出，从而实现第1轴承体(转子12)以及轴体11的期望轴向调节。
[0050] 图5示出图4中的气体轴承10的设计方案的改进方案且其与这个设计方案的区别在于，轴体11在其如图5所示的下末端上被封闭，因此，通过连接通道16和径向孔17进入轴体11的轴向通道15的气体仅能如图5所示沿轴向朝上从轴体排出。在轴体11的上区域内或在轴体11下游，在气体管线内布置有节流阀19，其用于调节或改变轴向通道15中以及轴承间隙18中的流动状况和压力状况。
[0051] 图6示出图4中的气体轴承10的设计方案的第2改进方案且其与这个设计方案的区别大体在于，第1轴承体(转子)12的布置在轴承间隙18外部且朝向轴向的表面借助覆盖物20优选气密地被覆盖和被封闭。作为替代方案，覆盖物20同样可为透气的，该覆盖物要么可为盖部要么可为
覆盖层，但其中覆盖物20的材料的透气性弱于第1轴承体(转子)12的材料的透气性。
[0052] 图7示出图4中的气体轴承10的设计方案的另一改进方案且其与这个设计方案的区别大体在于，除在这两个球面主体部分21和22的接触面的区域内延伸的连接通道16外，还构建有其他径向连接通道28，这些连接通道间隔地平行于连接通道26延伸且各通过一个径向孔29与构建在轴体11内部的轴向通道15存在连接。此外，在第1轴承体(转子12)的朝向轴承间隙18的外表面上构建有用于气体导引的完全环绕式凹槽25。
[0053] 图8为构建在第1轴承体(转子12)与第2轴承体(定子)13之间的轴承间隙18的放大图。由此看出，轴承间隙18的横截面的径向宽度从其轴向中心区出发朝其轴向端区不断减小，连接通道16在该中心区内分岔，气流在这些端区内从轴承间隙18排出。其原因是在与中心轴的距离也就是半径增大的同时，沿周向观察，该减小得到补偿。其中，如此地确定轴承间隙18的几何尺寸，使得在轴向的出口横截面和入口横截面上进入连接通道16的气体流量相同。通过上述设计方案实现较高的倾斜稳定性和承载能力。
[0054] 图9示出流变计的气体轴承的变体结构。轴体11分段地被第1轴承体(转子)12包围且与这个轴承体连接，该轴承体由前述类型的透气材料构成且大体呈管状。该轴承体具有数个将第1轴承体(转子)12的外侧与轴体11的内轴向通道15连接在一起的径向连接通道16。此外，在第1轴承体(转子)12的外表面上设有数个沿轴体11的轴向隔开的环绕式凹槽
25。
[0055] 布置在外部的第2轴承体(定子)13优选具有包含前述类型的进口26的金属定子壳体30。在定子壳体30的朝向轴体11的一侧上布置有大体呈圆柱形的定子
插件31，该定子插件以构成轴承间隙18的方式包围第1轴承体(转子)12且由透气材料构成。在定子插件31的背离轴体11的一侧上构建有定子室32，可以通过进口26用气体充填该定子室。通过所存在的气压将处于定子室32中的气体分布在轴承体(转子)12的整个周边范围内，且该气体流过定子插件31从而在轴承间隙18中形成支承轴体11的气流。
[0056] 前文对流变计的气体轴承的不同结构设计进行描述。需要指出的是，根据本发明，每个实施例的每个特征均可适用于其他实施例，也就是在实现本发明的基本理念的情况下可以将各特征自由组合。本发明中不实施且不期望对上述实施例进行任何限制。
