推力轴承总成的制作方法

本发明涉及液体动压推力轴承，并且更具体地说，涉及旋转机械中所使用的重量轻并且可靠的液体动压推力轴承。

背景技术：

液体动压推力轴承依赖轴杆(通常被称为推力转子)与轴承之间的相对旋转来在推力转子与轴承之间产生非线性流体膜。当轴杆和轴承的相对旋转与流体相互作用来产生并维持轴杆与轴承之间的加压流体楔时，流体膜形成。加压流体楔将推力或轴向载荷从推力转子传送至轴承，流体通常是空气或油。

每个液体动压推力轴承由多个轴承箔片(也称为顶部箔片)和多个缓冲箔片组成。在典型布置中，多个轴承箔片和缓冲箔片焊接至环形板的同一例，这个总成形成推力轴承。因为这种类型的推力轴承常常是相对薄的，所以焊接方法可在环形板内产生变形，这种变形会抑制流体膜形成并且降低轴承性能。以前为了纠正变形过程所做的尝试生产具有多个环形板的推力轴承，轴承箔片焊接至第一环形板并且缓冲箔片焊接至第二环形板。然而，与没有这些额外抗变形结构的推力轴承相比，这种类型的推力轴承具有更大的重量和更复杂的组装方法。

此外，制造方法可在推力轴承结构中引入会减少使用寿命的缺陷。典型制造方法可涉及使用放电加工方法或EDM方法来形成轴承部件。EDM方法可在轴承部件的已加工边缘上形成毛刺或金属壳。如果不加以处理，这些毛刺可能会形成裂纹，裂纹最终会蔓延，从而 导致推力轴承的使用寿命减少。

降低液体动压推力轴承的重量并且增加其使用寿命依然是设计师和制造商的目标。因此，存在使用不妨碍液体动压推力轴承的使用寿命的制造方法来提供轻重量、抗变形设计的需要。

技术实现要素：

一种液体动压推力轴承具有环形板、多个轴承箔片和多个缓冲箔片。所述环形板具有第一面和与第一面相反的第二面。所述轴承箔片具有弧形形状并且接合至所述环形板的第一面。所述缓冲箔片具有弧形和波纹形形状并且接合至所述环形板的第二面。

一种制造液体动压推力轴承的方法包括：形成环形板，所述环形板具有接合至所述环形板的第一面的间隔物；形成多个弧形轴承箔片；以及形成多个弧形和波纹形缓冲箔片。所述方法可以还包括：将多个缓冲箔片接合至所述环形板的与第一面相反的第二面，每个缓冲箔片对应于轴承箔片；以及将多个轴承箔片接合至所述环形板的第一面，每个轴承箔片与间隔物相关联。

附图说明

图1是推力轴承的透视图。

图2是图1的推力轴承的平面图，其展示轴承箔片面。

图3是图1的推力轴承的平面图，其展示缓冲箔片面。

图4是图1的推力轴承的部分侧视图。

图5是图1的已安装推力轴承的透视图。

图6是展示随着旋转速度而变化的施加于推力轴承上的圆周载荷或扭矩的图。

图7是描述制造图1的推力轴承的方法的流程图。

具体实施方式

图1是推力轴承10的透视图，这个推力轴承10具有穿过推力轴承10的几何中心的轴线12。轴线12界定参考坐标系，其中轴向平行于轴线12，径向垂直于轴线12，并且周向对应于围绕轴线12的角方向。推力轴承10包括环形板14、间隔物16、轴承箔片18和缓冲箔片20。环形板14还包括附接突舌22、22a和22b以及开槽24、24a、24b和24c。环形板14提供用于安装间隔物16、轴承箔片18和缓冲箔片20的结构。

通常，轴承箔片18和缓冲箔片20附接至环形板14的相反两面25a和25b，并且间隔物16布置于轴承箔片18与环形板14之间。轴承箔片18具有沿着径向延伸边缘26、在环形板14与轴承箔片18的最外部面之间的间隙来促进轴承箔片18附接至环形板14。轴承箔片18具有相邻轴承箔片18之间的间隙，在一些实施方案中，这个间隙大约等于0.050英寸。缓冲箔片20是波纹形的。间隔物16可为附接至环形板14的单独部件或与环形板14整体地形成。在任一种情况下，间隔物16的形状可被设定为以有利于在操作推力轴承10期间形成液力流体膜的方式支撑轴承箔片18。举例来说，间隔物16可具有与轴承箔片18和缓冲箔片20协作以促进液力楔形成的大体上扁平形状。

在图1展示的实施方案中，推力轴承10具有七个间隔物16、七个轴承箔片18和七个缓冲箔片20。间隔物16、轴承箔片18和缓冲箔片20的数目取决于轴承大小和轴承应用的具体载荷要求；然而，每个部件的奇数可有利于使轴承部件从旋转机器的自然频率谐波中去谐。较高载荷或较大大小要求会增加推力轴承10的所需轴承面积。当轴承面积增加时，间隔物16、轴承箔片18和缓冲箔片20的数目通常增加以便限制由任何单组部件所抵抗的载荷部分。在其它应用中，大小限制可能要求减少部件数目。因此，本领域技术人员应理解， 本发明将适用于具有更多或更少间隔物和箔片的其它推力轴承。

图2是推力轴承10的平面图，在这个图中可以更好地理解轴承箔片18的构型。每个轴承箔片18具有由内径、外径、厚度和夹角界定的弧形形状，其形成中心线与轴线12一致的圆环的一个区段。每个轴承箔片18具有大致上相同的弧形形状。轴承箔片18的内径和外径延伸至环形板14的相应内部环形边缘和外部环形边缘。每个轴承箔片18在单个径向延伸末端26处附接至环形板14，施加圆周载荷以使得它将张力施加于轴承箔片18上。通常，轴承箔片18由可承受在操作期间施加于推力轴承10上的温度载荷和结构载荷的多种金属材料中的一种构造而成。合适的金属材料包括AMS 5598。每个轴承箔片18相对较薄，具有大于或等于0.004英寸并且小于或等于0.006英寸的厚度，但是可使用其它厚度。

在一些实施方案中并且如以下更详细论述，径向分割线27标记了轴承箔片18具有最大轴向位移的位置，其可进一步与推力转子(未示出)协作以形成液力流体膜。每个径向分割线27与轴承箔片18相关联并且每个径向分割线27与轴线12相交。

环形板14在分别实施于附接突舌22、22a和22b中的开槽24、24a、24b和24c处啮合固定的结构(未示出)。开槽24、24a和24b的构型适于与具体旋转机器紧密配合，而额外开槽24c可与开槽24和24a一起使用以便与不同旋转机器紧密配合。任一组合中的开槽24、24a、24b和24c之间的间隔不相等，以使得推力轴承10只可在一个定向中组装至旋转机器，从而提供防出错特征。举例来说，开槽24、24a和24b之间的角间隔可由角度A1、A2和A3来界定。同样地，开槽24、24a和24c之间的角间隔可由角度A3、A4和A5来界定。在第一布置中，A1不等于A3并且A2不等于A3，同时A1、A2与A3的和等于360度。在第二布置中，A3、A4和A5不相等，同时A3、A4与A5的和等于360度。因为在第一布置或第二布置中的任一种中，所述角度中的至少一些不相等，所以推力轴承10只可以安 装成轴承箔片18背对固定的结构(未示出)。虽然角度不相等，但是选择在平均角度加或减20度内的角度以使得开槽24、24a和24b以及开槽24、24a和24c大约相等间隔是有利的。这种间隔允许圆周载荷在开槽24、24a和24b(或24c)之间更均匀分布。举例来说，如图2中所示出的三个开槽可减少每个开槽24、24a和24b所抵抗的圆周载荷部分，因此，本领域技术人员应理解，环形板14可具有超过三个开槽24、24a和24b。附接突舌22、22a和22b的大小被设定来容纳开槽24、24a、24b和24c，附接突舌22、22a和22b的尺寸是使用本领域熟知的工程实践来选择的。

图3是推力轴承10的平面图，在这个图中可以更好地理解缓冲箔片20的构型。每个缓冲箔片20是波纹形的并且具有由内径、外径、厚度和波纹轮廓界定的弧形形状。每个缓冲箔片20的弧形形状具有与轴线12一致的中心线并且与相应轴承箔片18(未在图3中示出)相反地定位，如展示每个对应轴承箔片18(未在图3中示出)的划分的隐藏分割线28所指示。每个缓冲箔片20在单个末端30处附接至环形板14，末端30被定向以使得圆周载荷倾向于使每个缓冲箔片20与环形板14处于张力下。末端30还被定向以使用来将缓冲箔片20附接至环形板14的方法所导致的变形最小化。在一些实施方案中，末端30并非径向的(如图3中示出)并且与对应轴承箔片18的隐藏分割线28不一致。这种布置使附接轴承箔片18(未示出)和缓冲箔片20所导致的环形板14的变形最小化。每个缓冲箔片20的内径和外径不延伸至环形板14的内部边缘和外部边缘，而是改为在缓冲箔片20的内径和外径与环形板14的相应内部边缘和外部边缘之间形成间隙。缓冲箔片20也是由可承受在操作期间施加于推力轴承10上的温度载荷和结构载荷的多种金属材料中的一种构造而成。合适的金属材料包括AMS 5598。通常，构成缓冲箔片20的箔片坯料大于或等于0.002英寸并且小于或等于0.006英寸。优选地，缓冲箔片20的厚度是0.003英寸，但是与轴承箔片18一样，可使用其它厚度。

如参照图4进一步论述，缓冲箔片20具有波纹，峰间高度大体 上大于或等于0.015英寸并且小于或等于0.030英寸。优选地，缓冲箔片20的峰间高度大于或等于0.020英寸并且小于或等于0.025英寸。可选择大体上纵向方向上的各个峰之间的距离或间距以获得特定弹簧钢度，所述弹簧钢度经选择并且取决于施加于推力轴承10上的轴向载荷和推力轴承10的组装要求。如果在安装时，推力轴承10将预加载荷施加于配合零件上，并且在操作时，缓冲箔片20不会完全压缩，那么可获得合适的弹簧钢度。这个布置允许推力轴承10具有预加载荷，同时在推力轴承10操作时仍然提供一些轴向阻尼。不足的弹簧刚度将导致缓冲箔片20在载荷下屈服，从而压扁波纹形轮廓。在一些实施方案中，各个峰之间的距离可以大于或等于0.060英寸并且小于或等于0.0180英寸。此外，各个峰之间的距离可根据波纹模式来变化以便定制弹簧钢度。

图4是推力轴承14的部分端视图，其示出轴承部件与推力轴承10的额外特征之间的关系。先前图中的参考数字涉及图4中的相同部件。

例如，轴承箔片18可具有施加至其相对于环形板14的向外面(或有时称为承载面)的减摩材料32。减摩材料32具有小于轴承箔片18的摩擦系数的静态和动态摩擦系数。在一些实施方案中，材料32是具有0.03与0.10之间的静态摩擦系数的聚四氟乙烯(PTFE)。在推力转子(图5示出)相对于推力轴承10的旋转不足以形成液力流体膜，从而导致推力转子直接承载于轴承箔片18上时，减摩材料32减少对轴承箔片18的磨损。减摩材料32可具有小于或等于16微英寸的表面光洁度(算术平均表面光洁度)。

轴承箔片18也可具有曲率，这个曲率使轴承箔片18的一部分在轴向上位移以促进形成液力流体膜并减少轴承箔片18在径向上的变形。轴承箔片18的曲率在径向分割线27处形成峰以使得轴承箔片18具有相对于环形板14的最大高度H。在一些实施方案中，最大高度H被制造为大于或等于0.015英寸并且小于或等于0.030英寸。在 将轴承箔片18附接至环形板14之后，最大高度H可压缩至大约0.010英寸。

缓冲箔片20具有波纹轮廓，这个波纹轮廓可包括一系列恒定的波纹峰和谷，或如图4中示出，一系列主峰33和次峰34。在一个实施方案中，波纹轮廓可包括相对于环形板14的轴向高度大于或等于0.015英寸并且小于或等于0.030英寸的主峰33。波纹轮廓的次峰相对于环形板14的轴向高度可大于或等于0.010英寸并且小于或等于0.015英寸。波纹轮廓可为线性的并且可在如图4中示出的从缓冲箔片末端30发生位移的位置处具有交替的主峰33和次峰34，线性波纹轮廓是在大体上周向上定向。相邻于末端30，可使用轴向高度比其余主峰33小大约0.005英寸的额外主峰33来帮助液力空气膜形成。

间隔物16可具有有助于形成液力流体膜的形状。通常，间隔物16具有大于或等于0.003英寸并且小于或等于0.005英寸的最大轴向厚度。优选地，间隔物16的轴向厚度为大约0.004英寸，但是间隔物16可实施为具有更厚的轴向厚度。

轴承箔片18和缓冲箔片20各自具有分别与径向延伸末端26和缓冲箔片末端30相反的自由末端35和36。自由末端35和36允许箔片18和20的热移动和机械移动，这可以增加推力轴承10的使用寿命。

图5是安装条件下的推力轴承10的透视图。推力轴承10布置于外壳37与推力转子38之间。外壳37是固定的并且附加有定位销39，这些定位销39在开槽24、24a和24b处啮合推力轴承10。推力转子38可围绕轴线12旋转并且包括轴杆40和圆盘42。圆盘42可与轴杆40整体地形成或者可以是附加至轴杆40的独立部件。圆盘42包括推力轴承表面44，表面44涂有如铬镀层的抗磨材料。在一些实施方案中，铬镀层表面光洁度小于或等于8微英寸(算术平均表面光洁度)。

虽然推力轴承10通常安装于旋转部件与固定部件之间，但是它 也可安装于其中第一部件具有相对于第二部件的旋转速度的两个部件之间。要求推力轴承10与第一旋转部件之间的相对旋转来在轴承箔片18与第一旋转部件之间形成液力流体膜。

在从轴杆40朝向推力轴承10观察时，推力转子38在顺时针方向上旋转。推力转子38的顺时针旋转将周向力施加于推力轴承10上以使得轴承箔片18和缓冲箔片20(未在图5中示出)处于张力下。换句话说，推力转子38针对每个轴承箔片18从径向延伸末端26朝向相反自由末端35旋转。要求推力轴承10与推力转子38之间的相对旋转来在轴承箔片18与推力转子38之间形成液力流体膜。虽然推力轴承10被描述为与推力转子38紧密配合并且被构型来用于顺时针旋转，但是通过将轴承箔片18的与径向延伸末端26相反的末端附接至环形板14，推力轴承10可被构型来用于推力转子38的逆时针旋转。

图6是展示随着推力转子38与推力轴承10之间的相对旋转速度而变化的推力轴承10上的圆周载荷或扭矩的图。参看图6，旋转速度沿着水平轴线增加，而圆周载荷沿着垂直轴线增加。推力轴承10的操作可参照以下三个旋转速度区域来描述：硬接触区域46、液力流体膜区域48和高速区域50。在硬接触区域46中，推力轴承10不具有液力流体膜。在没有液力流体膜的情况下，涂有减摩材料32的轴承箔片18与圆盘42的轴承表面44直接接触。随着推力转子38与推力轴承10之间的相对旋转增加，圆周载荷接近最大值。一旦推力转子38与推力轴承10之间的相对旋转接近最小值，液力流体膜在轴承箔片18与推力转子38之间形成。随着相对旋转速度增加，液力流体膜的压力增加，从而导致圆周载荷随后降低。随着相对旋转速度接近最优值，圆周载荷接近最小值。高速区域50是由圆周载荷随着旋转速度增加而逐步增加来表示。通常，液力流体是空气或润滑油。在图1中展示的实施方案中，液力流体是空气。液力流体膜轴承的一些优点包括在较高旋转速度下增加的轴向载荷能力，这是由增加的流体膜压力和最小接触造成的。

图7是描述制造推力轴承10的方法52的流程图。制造推力轴承10的方法52包括步骤54、56、58、60和62。步骤54包括形成环形板14，环形板14具有附接至环形板14的一个面的间隔物16。步骤56和58包括形成两个或更多个轴承箔片18和两个或更多个缓冲箔片20。步骤60包括将缓冲箔片20接合至环形板14的第二侧。步骤62包括将轴承箔片接合至环形板14的相反第一侧。在轴承箔片18之前将缓冲箔片20接合至环形板14防止在轴承箔片18上使用减摩材料32时损坏减摩材料32(参见图4)。每个缓冲箔片20与对应轴承箔片18相关联。

可使用化学蚀刻方法来形成环形板14，其中温度调节型蚀刻化学品移除材料以产生环形板14的形状。通过使用化学蚀刻方法来形成环形板14相比使用EDM方法具有优点，因为化学蚀刻不会在暴露于化学蚀刻化学品的边缘上产生毛刺，从而移除减少使用寿命的裂纹部位的来源。

可使用焊接方法将轴承箔片18和缓冲箔片20附接至环形板14。一些焊接方法将热量输入至环形板14中，从而导致变形。推力轴承10的变形导致轴承箔片18的形状变化并且可妨碍形成液力流体膜。然而在使用电阻焊接技术时，可减少热量导致的变形，从而保持轴承箔片18和推力轴承10的预期几何形状。

轴承箔片18可由单块箔片坯料形成，从而减少制造推力轴承10的成本并且改进效率。首先，选择厚度合适的一块扁平箔片坯料并且用减摩材料32对其进行涂布。将减摩材料32磨光以改进表面光洁度并且获得每个轴承箔片18的最终厚度。接下来，使用模冲压方法从扁平箔片坯料冲压出具有弧形形状的轴承箔片18。然后，每个轴承箔片18接收相对于径向分割线27的曲率。最后，从径向延伸末端26移除减摩材料32的一部分，并且使用电阻焊接方法将轴承箔片18附接至环形板14。

可能实施方案的讨论

以下是本发明的可能实施方案的非排他性描述。

液体动压推力轴承具有环形板、多个轴承箔片和多个缓冲箔片。环形板具有第一面和与第一面相反的第二面。多个轴承箔片具有弧形形状并且接合至环形板的第一面。多个缓冲箔片具有波纹形、弧形形状并且接合至环形板的第二面。

另外和/或可选地，液体动压推力轴承可任选地包括以下特征、构型和/或额外部件中的任何一个或多个：

前述液体动压推力轴承的另一个实施方案，其中多个轴承箔片可在每个轴承箔片的单个径向延伸末端处接合至环形板的第一面。

前述液体动压推力轴承中的任一个的另一个实施方案，其中多个缓冲箔片可在每个缓冲箔片的单个末端处接合至环形板的第二面。

前述液体动压推力轴承中的任一个的另一个实施方案，其中多个轴承箔片中的每一个可具有施加至轴承箔片的面的减摩材料。

前述液体动压推力轴承中的任一个的另一个实施方案，其中减摩材料是聚四氟乙烯。

前述液体动压推力轴承中的任一个的另一个实施方案，其中多个轴承箔片可具有相对于每个轴承箔片的径向延伸平面的曲率。曲率可使每个轴承箔片在径向延伸平面处位移。

前述液体动压推力轴承中的任一个的另一个实施方案，其中多个缓冲箔片可具有由一个次波纹和一个主波纹界定的重复波纹模式。

前述液体动压推力轴承中的任一个的另一个实施方案，其中相对于缓冲箔片的单个末端的前两个次波纹和前两个主波纹可在轴向高度上小于缓冲箔片的其余次波纹和主波纹。

前述液体动压推力轴承中的任一个的另一个实施方案可以还包括外壳、多个锁定元件、轴杆和圆盘。多个锁定元件可附加至外壳并且可啮合环形板。轴杆可相对于外壳旋转。圆盘可同心接合至轴杆的第一末端。圆盘可具有粘合至圆盘的轴承面的抗磨材料并且可设置成使得多个轴承箔片接触所述抗磨材料。

制造液体动压推力轴承的方法包括：形成环形板，形成多个弧形轴承箔片，形成多个弧形和波纹形缓冲箔片，将多个缓冲箔片接合至环形板的第二面，以及将多个轴承箔片接合至环形板的第一面。环形板的第一面可与环形板的第二面相反。多个轴承箔片中的每一个可与多个间隔物中的一个相关联，并且多个缓冲箔片中的每一个可对应于相反轴承箔片。

另外和/或可选地，制造液体动压推力轴承的方法可任选地包括以下特征、构型和/或额外部件中的任何一个或多个：

前述方法的另一个实施方案，其中通过化学蚀刻方法形成环形板和多个间隔物。

前述方法中的任一种的另一个实施方案，其中可通过以下从箔片坯料形成多个轴承箔片：将减摩材料粘合至箔片坯料的一例，磨光减摩材料以获得箔片厚度，以及从箔片坯料中分离出多个弧形轴承箔片。

前述方法中的任一种的另一个实施方案，其中每个轴承箔片可具有在每个轴承箔片的径向延伸平面处形成峰的曲率。

前述方法中的任一种的另一个实施方案，其中可通过电阻焊接方法将多个轴承箔片和多个缓冲箔片在每个箔片的单个末端处接合至环形板。

虽然已经参照示例性实施方案来描述本发明，但是本领域的技术人员应理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变并 且可用等效物取代其要素。另外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可以做出许多修改来使具体的情况或材料适应本发明的教义。因此，旨在使得本发明不限于所公开的具体实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。