CN103291751B - 一种柔性铰链超声轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性铰链超声轴承，所述柔性铰链超声轴承为方体状，所述柔性铰链超声轴承包括有沿前后方向延伸的四个面，所述该四个面上分别形成有一压电陶瓷插槽，所述柔性铰链超声轴承上形成有沿前后方向延伸的一圆孔，所述四个压电陶瓷插槽包围于所述圆孔的四周，所述柔性铰链超声轴承还包括有4个单圆弧柔性铰链和12个双圆弧柔性铰链，所述4个单圆弧柔性铰链为沿圆孔均匀分布的4个半圆槽与圆孔形成，所述12个双圆弧柔性铰链中的每3个均匀分布在两个单圆弧柔性铰链位置的中垂线上，本发明柔性铰链超声轴承可以减小物体表面间的摩擦，产生热量小，且能适用于轻载的气体润滑场合中，可以实现无接触传送。

Description

一种柔性铰链超声轴承

技术领域：

本发明涉及一种柔性铰链超声轴承，其应用于气体挤压悬浮装置上，属于气体润滑和无接触传送领域。

背景技术：

自上世纪中期开始，气体轴承技术得到了越来越多的关注，它用气体代替了传统意义上的润滑剂油和脂作为润滑剂，具有发热小、磨损小、无污染和几乎无摩擦等优点。由于其具有运动精度高，能保持狭小的间隙，能在高低温、辐射、磁场、腐蚀等环境中工作的特点，使得气体轴承相比于液体润滑轴承，在精密和超精密工程、微细加工、硬盘驱动、空间技术、医疗器械和核工程等领域有着更广阔的应用前景。

按润滑的机理来分，气体轴承可分为：静压润滑型、动压润滑型以及挤压膜润滑型。气体静压轴承又称外部供压轴承，外部气源设备供给气体经过气孔进入支承间隙，形成气膜，以支承负载。由于要配备一套较为复杂的气源设备，它的应用范围受到一定限制。动压型是通过被支撑体表面相对支承体表面运动时，在运动方向楔形间隙产生的气膜压力来支撑负载的，不需要稳定持续的压力气源。但其承载能力小、刚度低，在起动和停止工程中接触表面间有接触磨损。这两种轴承目前已经得到广泛的应用。气体挤压膜轴承是由压电陶瓷或磁致伸缩材料制成的换能器沿支承面法线方向产生高频振动，使间隙内的气体不断受到挤压，形成具有压力的气膜，产生承载力。气体挤压膜润滑具有结构简单、紧凑，容易调节等优点，但是其承载能力较低，安装较复杂。从上世纪60年代开始，国外有人进行气体挤压膜理论以及实验的研究。随着压电陶瓷材料的性质的改善，气体挤压膜的承载能力得到了较大的提高，气体挤压膜润滑也得到了国内外学者越来越多的关注。但是由于目前通过气体挤压膜承载的方法仍然不成熟，气体挤压膜润滑仍处于实验室阶段，工程上尚没有得到应用。

发明内容：

本发明提供一种柔性铰链超声轴承，该柔性铰链超声轴承可以减小物体表面间的摩擦，产生热量小，且能适用于轻载的气体润滑场合中，实现无接触传送。

本发明采用如下技术方案：一种柔性铰链超声轴承，所述柔性铰链超声轴承为方体状，所述柔性铰链超声轴承包括有沿前后方向延伸的四个面，所述该四个面上分别形成有一压电陶瓷插槽，所述柔性铰链超声轴承上形成有沿前后方向延伸的一圆孔，所述四个压电陶瓷插槽包围于所述圆孔的四周，所述柔性铰链超声轴承还包括有4个单圆弧柔性铰链和12个双圆弧柔性铰链，所述4个单圆弧柔性铰链为沿圆孔均匀分布的4个半圆槽与圆孔形成，所述12个双圆弧柔性铰链中的每3个均匀分布在两个单圆弧柔性铰链位置的中垂线上，所述柔性铰链超声轴承还包括有与所述柔性铰链超声轴承的圆孔接触的导轨，所述柔性铰链超声轴承通过所述圆孔与所述导轨接触以被支承，所述柔性铰链超声轴承还包括有设置于所述压电陶瓷插槽中的压电陶瓷，所述压电陶瓷的数量为8个，所述8个压电陶瓷的长度、宽度和厚度均相同，且均为横向振动，所述8个压电陶瓷均匀的设置于所述压电陶瓷插槽中，所述压电陶瓷与轴承采用粘结剂进行粘贴。

所述柔性铰链超声轴承为50mm×50mm×30mm的方体。

所述柔性铰链超声轴承与导轨为小间隙装配。

本发明具有如下有益效果：

(1)用气膜支承以减小物体表面间的摩擦，产生热量小；

(2)相对于气体静压轴承，本发明柔性铰链超声轴承不需要外部气源；

(3)相对于气体动压轴承，本发明柔性铰链超声轴承不需要高速转动；

(4)相对于其他一些挤压膜轴承，本发明柔性铰链超声轴承具有柔性铰链且可以在圆形导轨上工作；可实现无接触传送。

附图说明：

图1本发明柔性铰链超声轴承的立体结构示意图。

图2为图1的正视示意图。

图3为图1的左视示意图。

图4为本发明柔性铰链超声轴承中的单圆弧柔性铰链的二维示意图。

图5为本发明柔性铰链超声轴承中的双圆弧柔性铰链的二维示意图。

图6为本发明柔性铰链超声轴承的装配示意图。

图7为气体挤压膜原理图。

图8为两不同频率下的模态振型图。

其中：

1-压电陶瓷插槽；2-圆孔；3-单圆弧柔性铰链；4-双圆弧柔性铰链；5-压电陶瓷；6-导轨；7-激振板；8-悬浮板。

具体实施方式：

请参照图1至图6所示，本发明柔性铰链超声轴承包括：4个压电陶瓷插槽1，一个圆孔2，4个单圆弧柔性铰链3和12个双圆弧柔性铰链4。本发明柔性铰链超声轴承为方体状，柔性铰链超声轴承包括有沿前后方向延伸的四个面，4个压电陶瓷插槽1分别形成于该四个面上，圆孔2沿前后方向延伸，四个压电陶瓷插槽1包围于圆孔2的四周，其中4个单圆弧柔性铰链为沿圆孔均匀分布的4个直径Φ3的半圆槽与圆孔形成，12个双圆弧柔性铰链每3个均匀分布在两个单圆弧柔性铰链位置的中垂线上。

其中柔性铰链的薄壁厚度与圆弧半径比均为0.667。轴承界面为一个50mm×50mm的方形，长度为30mm。柔性铰链的作用主要体现在：(1)使压电陶瓷5产生的力均匀的作用在轴承上；(2)对压电陶瓷5的振幅进行放大。压电陶瓷5振动产生的振幅通过柔性铰链放大，柔性铰链超声轴承通过直径Φ30的圆孔与导轨6接触以被支承。8片压电陶瓷均匀的安装在柔性铰链超声轴承的四个插槽内，每个插槽均匀分布两个压电陶瓷，压电陶瓷与轴承采用粘结剂进行粘贴。轴承与导轨6为小间隙装配，导轨6两端固定在一个较重的底座上，以达到减振作用。

本发明采用单片伸缩型PZT-5压电陶瓷，相对于压电堆，单片压电陶瓷可以减少功耗。由于挤压膜的气体间隙的数量级通常为微米级(10^-6m)甚至纳米级(10^-9m)，因此柔性铰链超声轴承与导轨接触的接触面和导轨表面的加工要求比较高，需要精磨。

驱动压电陶瓷5需要高的信号源。通常选取一般的模拟信号，通过功率放大器得到需要的高频信号(超声信号)，所得到的高频信号尽量接近压电陶瓷和挤压膜轴承的谐振频率，以便得到更大的振幅。将得到的高频正弦电压信号施加在压电陶瓷的两极，在高频信号作用下，压电陶瓷产生横向振动，促使轴承产生变形，使得间隙内气膜持续进行挤压，得到一个持续性的高于大气压的气体压力，即产生承载力。振动的振幅通过柔性铰链进行放大；振幅变大，承载能力也变大。轴承工作时为自由悬浮，因此，承载能力的产生主要是通过轴承上部的气膜挤压产生。当轴承稳定悬浮时，气膜厚度也达到稳定状态。当悬浮体质量小时，稳定状态下的悬浮高度大；相反，悬浮质量大时，稳定状态下的悬浮高度小。

请参照图1至图6并结合图7至图8，图7所示的为气体挤压膜工作原理图，对激振板7施加一个高频正弦信号驱动激振板7振动，激振板7的振动挤压间隙内的气体，使压力不断变化，产生的悬浮力支承悬浮板8。承载能力的大小与激振频率、激振振幅、气膜厚度和结构尺寸等因素有关。

气体挤压膜的承载能力是由支承体与被支承体间隙中的气体压力决定的，激振过程中的气体压力可以通过求解带挤压项的气体雷诺方程得到。

本发明中气体雷诺方程的形式为：

$\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left({\mathrm{PH}}^3\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\θ}}\right)+\frac{\∂}{\∂Z}\left({\mathrm{PH}}^3\frac{\∂P}{\∂Z}\right)=\mathrm{\σ}\frac{\∂\left(PH\right)}{\∂\mathrm{\τ}}$

对上式进行数值求解可以得到气膜的压力的分布。

挤压膜工作时，激振频率的选取很重要，当激振频率在人可以听到的范围内，容易产生噪声，并且承载能力比较低；当激振频率太大时，虽然能产生更大的承载力，但对材料的疲劳特性要求高，相关费用较高。综合考虑一般激振频率取20k-80kHz。图8为柔性铰链超声轴承固有频率为f＝21248Hz和f＝52130Hz时的模态振型图，在上述所给频率范围内，这两个模态振型是比较理想的。由图8可以清晰的看出，f＝52130Hz的变形更大。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种柔性铰链超声轴承，其特征在于：所述柔性铰链超声轴承为方体状，所述柔性铰链超声轴承包括有沿前后方向延伸的四个面，所述该四个面上分别形成有一压电陶瓷插槽，所述柔性铰链超声轴承上形成有沿前后方向延伸的一圆孔，所述四个压电陶瓷插槽包围于所述圆孔的四周，所述柔性铰链超声轴承还包括有4个单圆弧柔性铰链和12个双圆弧柔性铰链，所述4个单圆弧柔性铰链为沿圆孔均匀分布的4个半圆槽与圆孔形成，所述12个双圆弧柔性铰链中的每3个均匀分布在两个单圆弧柔性铰链位置的中垂线上，所述柔性铰链超声轴承还包括有与所述柔性铰链超声轴承的圆孔接触的导轨，所述柔性铰链超声轴承通过所述圆孔与所述导轨接触以被支承，所述柔性铰链超声轴承还包括有设置于所述压电陶瓷插槽中的压电陶瓷，所述压电陶瓷的数量为8个，所述8个压电陶瓷的长度、宽度和厚度均相同，且均为横向振动，所述8个压电陶瓷均匀的设置于所述压电陶瓷插槽中，所述压电陶瓷与轴承采用粘结剂进行粘贴。

2.如权利要求1所述的柔性铰链超声轴承，其特征在于：所述柔性铰链超声轴承为50mm×50mm×30mm的方体。

3.如权利要求1所述的柔性铰链超声轴承，其特征在于：所述柔性铰链超声轴承与导轨为小间隙装配。