流体静力轴承

本发明涉及一种流体静力轴承，用于支撑在非接触状态下两相对移动部件之一，特别适用于各种精密测量单元和精密机床的可移动部件的轴承。

流体静力轴承是一种非接触型轴承，它利用其中的导流例如空气，润滑油，或其他流体通过节流作用获得承载能力。虽然流体静力轴承与其他轴承相比具有诸如低摩擦和高的运动精度的优点，也具有刚性差和缓冲作用差的缺陷。为了提高流体静力轴承的刚度，降低轴承间隙是有效的。另外，最好设计小的轴承间隙，使轴承内的流量应受到轴承间隙的控制。

但是，当轴承间隙降低，会提高轴承的加工精度。那么通过降低轴承间隙来提高轴承的刚度就受到限制。为了克服这种限制，设想了多种不同的节流机构。

例如这样一种机构，如图8或图9所示的膜型可调节流轴承是公知的。在本例中，轴承表面包括一可弹性变形膜。随着作用在轴承上载荷的变化，轴承表面的形状也随着作用在其上的压力的变化而变化。这样可获得高的轴承刚度。特别在图9所示的机构中，构成轴承表面的膜的内球面被紧固，而膜的外球面被O型环弹性支撑。膜后表面的压力与通过腔室近似中心的小孔作用在轴承表面的压力不同。因此膜的形状根据载荷的不同而灵敏的变化。这样膜型可调节节流轴承已被文献号为4,560,213的美国专利所公开。

当上述膜形可调节节流机构被用于合适的轴承时，可获得高的轴承刚度。但是上述可调节节流机构具有下述缺陷。(a)由于轴承表面可以变形，所以轴承的应用受到限制。(b)当膜变形很大时，轴承内形成一空穴。这样，由于空气的压力，膜会自振。(c)加工膜很困难。加工精度和轴承特性不同会影响膜的寿命。

可调节节流机构的另一例子，如图10所示的带一压电致动器的机构已公知。在这一例子中，被轴承所支撑的轴的位置被一非接触型位置传感器直接探测。节流间隙被压电致动器所控制使得轴的位移最小从而控制流过节流间隙的空气量。

虽然可调节节流机构能很容易地控制轴承间隙，但压电致动器的驱动单元的规模会变得很大。另外可以理解压电致动器的寿命会缩短。因而，制造这种机构存在着技术和经济问题。

当流体静力轴承用于诸如精密测量单元或精密加工机床时，轴承的尺寸减小和提高刚度就要比提高轴承负载更成为需要解决的重要课题。这时，为提高轴承刚度，可调节节流机构被有效地加入到流体静力轴承中。但是，必须解决下述问题。

(1)当流体的压力和粘滞力可调节节流阀上时，节流阀的运动应该以稳定的轴承特性总是作用在稳定侧，而无滞后或其他现象。

(2)为了使可调节节流阀的尺寸减小以及简化结构，应该不需要使用致动器如压电致动器就可获得所需的轴承特性从而提高支撑机构的通用性。

(3)为了使用节流阀，应该保证轴承表面的稳定性和节流阀的抗振性能。

本发明的目的是提供一种压力轴承，它具有高的刚度和可以承受作用在轴承上载荷的变化的稳定的轴承特性，还具有小的简化结构和高的通用性的可调节节流机构。

本发明是一流体静力轴承，它安装在第一部件上用于支撑具有流体压力的第二部件，第一和第二部件相邻布置为了可相对运动，它包括：适用于以一定轴承间隙与第二部件相对的轴承基座；一自控节流阀，可根据作用于轴承基座的压力调节流速和作用于轴承间隙的流体，其中轴承基座包括：具有以一定轴承间隙与第二部件相对的轴承表面的轴承垫部件，轴承表面通过一些第一通孔与轴承垫部件的相对表面相连，第一通孔位于轴承表面的圆周缘；一腔室部件位于轴承垫部件的相对表面使圆柱孔与第一通孔均匀相对，自控节流阀包括：一环形节流元件，它以这种形式嵌于圆柱孔内，一密封的节流间隙位于轴承垫部件的相对表面，环形节流元件在其中心具有第二通孔为了从外面向节流间隙供给流体，流体在节流间隙形成分流通过第一通孔供给到轴承间隙；一支承元件嵌于圆柱孔内用于弹性支撑环形节流元件。

根据本发明的自动节流机构，具有环形节流元件，它只通过弹性支撑它的支撑元件和随着作用于轴承载荷变化的流体压力的相互作用而作用，作用于轴承间隙的流体被限制。因此，轴承的承载能力能自动地可调节地控制。另外，轴承垫部件的一些第一通孔位于确定直径的圆周上。另一方面，环形节流元件的第二通孔位于环形节流元件的中心。这样，流体在节流间隙内分散流动(例如，从中心向周围)。因此，当节流元件的角度变化使节流间隙失去平衡，  自控节流阀总是在稳定侧起作用使节流元件恢复原始状态。这样，根据本发明，这种机构提供了稳定的轴承特性和高的轴承刚度。

另外，根据本发明，因未使用压电致动器或其他机构，可获得结构小且简单、通用的自控节流阀。

特别的，根据本发明，轴承基座具有形成于一体的轴承垫部件和腔室部件。自控节流阀嵌入到腔室部件内。因此，可调节节流阀紧靠轴承表面。所以，可获得出色的反映特性。

结合附图，根据本发明的最佳实施例可以更清楚地说明本发明的目的，特征和优点。

图1是一剖视图示出了根据本发明实施例的气体静力推力轴承；图2是一平面图示出了根据本发明实施例的轴承表面；图3A至3C示出了根据本发明实施例的自控节流阀的结构；图4是一简图示出了根据本发明实施例的自控节流阀的作用原理；图5是一简图示出了根据相关参考技术的自控节流阀的作用原理；图6是一曲线示出了根据本发明实施例的轴承特性曲线；图7是一曲线示出了根据相关参考技术的轴承套曲线；图8是一剖视图示出了已有的可调节节流阀的结构；图9是一剖视图示出了另一已有的可调节节流阀的结构；图10是一剖视图示出了又一已有的可调节节流阀的结构。

图1示出了一安装于两个可相互移动元件之一的导向元件上的气体静力轴承，另一元件是被导向元件导向的推力轴1。支撑推力轴1的轴承基座2包括轴承垫部件21和腔室部件22。轴承垫部件21和腔室部件22是由刚性体构成。轴承垫部件21和腔室部件22一体形成导向元件。轴承垫部件21和腔室部件22也可分别成形再安装于导向元件。与推力轴1相对的轴承垫部件21的正方形表面形成轴承表面23。为了把气体供入到轴承表面23和推力轴1之间的确定的轴承间隙(＝hb)，一些第一通孔25在轴承垫部件21上以确定的半径圆周分布。轴承表面23通过第一通孔25与相对表面相连。在这一实施例中，第一通孔25包括四个通孔25a，25b，25c和25d。腔室部件22具有圆柱孔26与轴承垫部件21的第一通孔25均匀相对。圆柱孔26的中心线与轴承垫部件21的中心一致(名义上，即环形分布的第一通孔25的中心)。自控节流阀3嵌于腔室部件22的圆柱孔26内，它随着轴承间隙4中的压力变化而自动调节供入其中的气体流速。

槽24中的空气形成于轴承垫部件21的轴承表面23。在这一实施例中，如图2的平面图所示，十字形槽24a和24b在中心垂直交叉。另外，正方形槽24c连接槽24a和24b的末端。第一通孔25开口于十字形槽24a和24b上。

自控节流阀3具有一个节流盘33，它与轴承垫21的相对表面27相对且被确定的节流间隙5(＝hr)所分开。节流盘33在其中心具有一第二通孔36使气体从腔室22的外面供入到节流间隙5。节流盘33由起弹性铰接作用的环形片簧34弹性支撑在一柱形支撑元件35上。节流盘33，环形片簧34和柱形支撑元件35插入柱形插座31内且通过粘结剂紧固。柱形插座31嵌入腔室22。圆柱孔26开口端开有螺纹。一环形螺母42通过一环形片41与圆柱孔26的螺纹配合。和柱形插座31一样，自控节流阀3嵌入并紧固于其上腔室22。环形螺母42的中空部分作为空气入口，把空气从腔室22的外面供入自控节流阀3。

节流盘33和环形片簧34的外径要小于柱形支撑元件35的外径。这样，节流盘33和环形片簧34就可装入插座32并可在其中变形。下面将说明自控节流阀3的真正结构和装配方式。

作为缓冲元件的O形环32位于插座31末端的阶梯内表面和节流盘33之间的空隙内。O形环作为一密封元件用于密封节流空隙5。也就是说，O形环32容许空气通过节流盘33的通孔36流入节流间隙5，防止空气从节流盘33的边缘流入节流间隙5。

图3A是一局部立体剖视图示出了节流盘33，环形片簧34和自控节流阀3的支撑元件35。自控节流阀3和柱形元件20的底端由不锈钢一体成形，其末端具有一开口作为流体入口。环形片簧34和柱形元件20上的节流盘33的直径比开口端的支撑元件35的直径小。柱形元件20的底盘部分用作节流盘33。第二通孔36形成在节流盘33的中心。一些窄缝37位于柱形元件20的底端的周缘，它们是通过火花切割方式形成，如图3A所示，剩下的连接部分38相隔180度。这样，起弹性铰接作用的环形片簧34位于柱形元件20的底端中部。节流盘33被环形片簧34弹性支撑在柱形支撑元件35上。

在本实施例中，如图3B和3C，环形片簧34由加工两对窄缝(37a，37b)和(37c，37d)而形成。第一对窄缝(37a，37b)通过留下两连接部分38a，38b相隔180度的方式在柱形元件20的底端确定高度位置形成。第二对窄缝比第一对窄缝位置低，留下的两连接部分38a，38b相隔180度。第一和第二对窄缝相互错开180度。如果必须，可以加工更多对窄缝来形成环形片簧34。

下面，将说明具有上述结构的气体静力轴承的工作原理。如图1箭头所示，空气通过位于自控节流阀3的节流盘33上的通孔36从腔室部件22的后部供入到节流间隙5，并且通过轴承垫部件21上的通孔25a至25d供入到轴承表面23。在节流间隙5中，空气分散地从中心向周缘流动。同时通过通孔25流动到轴承表面23的空气在四个方向沿着槽24a和24b分流且流到轴承间隙4。这样，流体静压就均匀地作用到整个轴承表面23。

当作用到推力轴1的载荷增大时，轴承间隙hb变小而轴承压力Pb变大。增大的轴承压力通过轴承垫部件21上的通孔25传递给节流间隙hr，增大了节流压力Pr。节流盘33停留在节流压力Pr和环形片簧34的弹性力平衡的位置。

当节流间隙hr变大时，节流间隙hr中的空气阻力降低而流速提高，使得通过通孔25作用到轴承间隙hb的高压空气又提高了轴承压力。因此，当载荷W增加时，轴承的承载能力增加。也就是说，作用到推力轴1的力使推力轴恢复到原始状态。

相反，同上述一样，当因载荷W降低使轴承间隙hb变大时，轴承的承载能力降低。即作用到推力轴1的力使推力轴恢复到原始状态。

因此，由于自控节流阀3使得推力轴总是位于确定的位置，可获得高的轴承刚度。

在本实施例中的节流阀3中，作用到节流盘33上的力是空气压力，其中的粘性力和O形环32与环形片簧34的弹性力。但是当这些力作用时，节流盘33的位置不能总是与轴承垫部件21平行。也就是说，当作用到节流盘33上的力不等时，节流盘33产生确定的倾斜。但是如上所示，根据本发明实施例，在节流间隙hr中流动的空气从节流盘33的中心向其周缘分散地流动。分散的流体有助于恢复倾斜的节流盘33。下面，参照图4说明分散流体的运动。

如图4点划线所示，说明了节流盘33的倾斜状态。此时，节流间隙hr不平衡，节流盘左侧和右侧的节流压力由Pr1和Pr2分别表示。在这种状态，由于节流间隙中的空气流分散流动，总能满足Pr1＞Pr2的关系。因此，在倾斜位置方向的恢复力就作用到节流盘上。也就是说，根据本发明实施例的自控节流阀3总是工作在稳定侧。

例如，图5所示的收敛流动的情况和本发明实施例的不同。在这个例子中，节流盘33没有通孔和O形环。通过窄缝37从节流盘33的底端流向周缘的空气以收敛流动供给到节流间隙hr。这种情况下，也能完成可调节节流。作用到节流盘33上的力是空气压力，粘性力和环形片簧的弹性力。

这种状态与图4类似，节流盘33处于倾斜位置，节流压力Pr由Pr1和Pr2表示。由于节流间隙中的空气从节流盘33的周缘向其中心收敛流动，节流压力有Pr1＜Pr2的关系。因此，作用到节流盘33倾斜位置方向上的节流压力增加。导致自控节流阀具有了非稳定特性。下面将说明根据本发明实施例的气体静力轴承的确定的特性数据。如图6所示，轴承特性曲线反映了无量纲承载能力Wo和轴承间隙hb的关系。原形轴承的设定条件如下。轴承表面23的宽度和长度都是45毫米。轴承表面23上空气槽24a至24c的宽度和深度分别是0.6毫米和30微米。被槽24c包围的面积是31.5毫米×31.5毫米。通孔25的直径是0.6毫米。节流盘33的直径是6毫米。节流盘33的通孔的直径是0.2毫米。节流间隙hr的内部长度是10.5微米。

原形轴承的轴承表面向下位于一确定腔室内。加压空气通过干燥器和过滤器供入轴承。载荷通过空气泵作用于轴承。通过一非接触型位置元件检测轴承间隙。

如图6所示，可获得及其高的轴承刚度直到无量纲承载能力Wo＝2.4。在图6中可示出载荷增加时的特性曲线(实线)和载荷降低时的特性曲线(虚线)。但是实际上，这两条特性曲线完全一致，也即无滞后现象。这样很明显，可调节节流运动通过分散流动可有效地工作。图6数据示出了空气压力是0.69时的情况。但是当空气压力降低时，hr-Wo特性曲线的斜率也降低。高的轴承刚度区域可通过节流间隙的长度，作为空气通道的通孔36和25的直径，环形片簧34的弹性模量和空气压力等等来随意分配。

作为比较，上述图5所示的收敛流动的数据在相对于图6的图7上示出。利用这种结构的自控节流阀可提高轴承刚度。但是可调节节流不稳定，当载荷增加或减少时产生滞后现象。另外，当轴承间隙hr不连续变化时，特性曲线会产生断点。

应该说明的本发明不限于上述实施。上述实施例说明了气体静力轴承，本发明也可用于采用气体或液体如润滑轴的流体静力轴承。根据上述的本发明，把分散流动的自控节流阀用于流体静力轴承可获得较高的轴承刚度。另外，特性的可重复性高且稳定。因此，当精密检测单元导向表面的流体静力轴承采用了这种自控节流阀，检测系统就可获得高的承载能力和检测精度。另外，根据本发明的流体静力轴承的轴承轴承部件和自控节流阀紧密相对，可获得好的反映特性。

虽然根据本发明实施例说明了本发明，在不超出本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以理解对本发明在形式上和细节上作一些修改，省略或添加。