气体轴承及其制造方法

本发明涉及一种气体轴承(特别是空气轴承)和一种用于制造该气体轴承的方法，并且特别涉及一种借助于(预应力的)滑动薄片的气动转子轴承装置。

背景技术：

空气轴承或气体轴承一般用于高速转子(高达每分钟180000转)，以尽量减少摩擦。这种高速的轴承装置只能通过空气轴承来实现，其中，共同转动的空气形成一个缓冲层，转子固定在缓冲层上。

图5a和5b示出了包括壳体510、转子520、至少一个所谓的顶部薄片530和至少一个缓冲薄片540的传统的空气轴承。例如，顶部薄片530可以形成如图5a所示的单个元件。顶部薄片530还可以包括多个顶部薄片，例如图5b中所示的那些，这些顶部薄片随后彼此相邻地配置(沿着转子520的角运动)。例如，顶部薄片530可以通过紧固元件532连接到壳体510，并且相对部分在转子520和缓冲薄片540之间自由浮动。缓冲薄片540用于缓冲转子520的径向冲击。因此，它们被用作减震器或缓冲器，以使转子520尽可能位于壳体510的开口的中心。

当转子520以非常高的速度(每分钟几个10000转)旋转时，夹带的空气导致在转子520和顶部薄片530之间形成气隙或气垫，使得转子520保持浮动在中心位置。因此，转子520的旋转导致转子520提起顶部薄片530，从而显著减小摩擦阻力，之后仅存在空气摩擦。顶部薄片530和缓冲薄片540用作非旋转转子520的支撑，或者如前所述，当发生意外的径向冲击时用作阻尼器。

这些传统的空气轴承装置的缺点是，它们的制造和装配非常复杂，因此需要额外的成本。此外，由于存在许多未精确定义或难以定义的部件接触对，这些空气轴承装置的可预测性较差。

因此，需要更简单、制造成本更低的其他解决方案，但仍能提供与传统的空气轴承相当的支撑。

技术实现要素：

这些问题的至少一部分是通过根据权利要求1的空气轴承和根据权利要求10的制造方法来解决的。从属权利要求涉及独立权利要求的对象的有利的进一步实施例。

实施例涉及用于以非接触方式支撑可旋转元件的气体轴承。气体轴承包括具有用于容纳可旋转元件的开口的壳体和至少两个滑动薄片。滑动薄片不重叠地配置在开口的内侧上，并且每个滑动薄片具有用于支撑在壳体上的第一端部部分和第二端部部分。滑动薄片配置为仅通过第一端部部分和第二端部部分径向支撑相对于壳体的可旋转元件，其中第二端部部分提供与内侧的摩擦接触，并且第一端部部分被固定到壳体。

在本发明的上下文中，术语“可旋转元件”旨在被广泛地解释为包括尤其转子、轴、轴颈或任何其它旋转元件。可旋转元件的径向冲击定义为外部作用力或振动导致力垂直于可旋转元件的旋转轴(即垂直于可旋转元件的轴向轴)作用。可旋转元件可由每个滑动薄片至少部分地支撑以抵抗这种径向冲击。气体轴承尤其意指空气轴承，即使本发明并不旨在限于空气且可包括其它气体介质。

方向定义如下：轴向平行于可旋转元件的旋转轴，并且在垂直于旋转轴的横截面视图中径向指向远离旋转轴的方向。切线方向垂直于轴向和径向。

滑动薄片沿可旋转元件和壳体之间的切线方向依次排列，其中它们可以彼此邻接。因此，端部代表切线方向上的两个边缘处的区域，当克服摩擦力时，第二端部部分可相对于壳体移动。

虽然空气轴承的工作原理已经可以使用两个滑动薄片，但具有两个以上的滑动薄片是特别有利的。例如，可旋转元件的中心由三个或四个滑动薄片实现。然而，滑动薄片的数量不应受到限制。例如，可旋转元件可由滑动薄片保持在端部之间的区域中。

可选地，滑动薄片中的至少一个形成为多层，其中各个层在相同侧或相对侧连接到壳体。因此，各个层可以在可旋转元件的径向冲击期间一起弯曲或保持彼此。

实施例还涉及一种用于以非接触方式支撑可旋转元件的空气轴承，其具有壳体，该壳体具有用于容纳可旋转元件的开口和多个多层滑动薄片。在该实施例中，每个多层滑动薄片与开口的内侧上的相邻的多层滑动薄片不重叠地配置，其中多层滑动薄片的各个层均通过第一端部部分和相对的第二端部部分连接到壳体。端部与多层滑动薄片的另一层或与壳体摩擦接触。此外，沿着面向可旋转元件的表面，多层滑动薄片的每一层在径向截面中形成圆的段或圆段或弧。

特别地，多个多层滑动薄片可以一个在另一个顶部上配置，其中相对于壳体的最大支撑力将由第一端部部分和第二端部部分施加(因为没有在中心提供进一步的支撑)。

为了获得最有效的支撑，摩擦接触的摩擦系数(摩擦系数)可以通过至少一个以下特征来增加：

第二端部部分和/或开口的内侧涂覆有涂层，该涂层包含能增大摩擦系数的材料；

第二端部部分和/或开口的内侧具有增加的粗糙度；

第二端部部分具有轮廓以增加与开口的内侧的摩擦；

第二端部部分在径向横截面视图中(沿切线方向)成角度以形成用于相对于开口的内侧的摩擦接触的增大的接触角。

滑动薄片末端的特定轮廓可包括：例如，曲线、狭缝、角、齿、尖端等。

壳体中的开口也可能偏离圆形，以便与圆形相比增加到内侧的接触角。

增大的接触角会导致力的垂直分量(垂直作用在壳体或内侧上)也增大，从而导致更高的摩擦力和摩擦功。

可选地，为了增加至少一个滑动薄片的刚度，至少一个滑动薄片(或层)的厚度可以在第一端部部分和第二端部部分之间变化。这增加了对径向作用力的支撑效果。

可选地，第一端部部分与壳体的连接包括以下连接中的至少一个：焊接连接、焊接连接、粘合连接、第一端部部分至少部分地插入壳体的凹部中。

实施例还涉及一种转子悬架，其具有如前所述的空气轴承和可插入壳体开口中的可旋转元件，使得滑动薄片设置在可旋转元件和壳体之间，以支撑相对于壳体径向作用在可旋转元件上的力，并以增加的转速形成气垫。

可选地，至少两个滑动薄片是可交换的，以根据其刚度并取决于可旋转元件和预期的径向冲击来选择至少两个滑动薄片。该选择旨在确保可旋转元件可靠地保持在壳体的开口的中心，同时，在旋转运动期间(以所需速度)在至少两个滑动薄片和可旋转元件之间形成气隙。例如，可交换的滑动薄片可以插入壳体中的凹槽或凹部中。

实施例还涉及一种制造用于以非接触方式支撑可旋转元件的空气轴承的方法。该方法包括：

提供具有用于容纳可旋转元件的开口的壳体；

在开口的内侧的第一端部部分和第二端部部分之间配置至少两个以弧形方式延伸的单层或多层滑动薄片，且相邻的滑动薄片不重叠，其中第一端部部分相对于壳体切线方向不可移动，并且第二端部部分提供与壳体或多层滑动薄片的其他层的摩擦接触；和

将可旋转元件插入开口中，使得至少两个滑动薄片配置在可旋转元件和壳体之间。

反过来，可旋转元件仅需要经由第一端部部分和第二端部部分相对于壳体径向支撑。

滑动薄片的弯曲和壳体的优化几何形状意味着滑动薄片在内侧的冲击角增大，从而垂直作用在内侧的力增大。这可以增大摩擦力，从而增加大支撑力。它也可以用来调整摩擦路径。

可选地，配置滑动薄片包括将滑动薄片固定地连接到壳体或形成与壳体的可释放连接。

根据进一步的实施例，滑动薄片配置在可旋转元件和壳体之间的预应力下。也可以通过选定的预应力调整空气轴承的支撑力。

还可能的是，对于所有滑动薄片，不均匀地选择单个滑动薄片的刚度或预应力相同，但例如，在位于底部垂直的薄片(或多层滑动薄片的某些层)中提供了更高的刚度。例如，如果预期某个特定方向上会产生某些径向冲击或径向力，从而使滑动薄片在该方向具有特别高的刚度，则这可能很有用。然而，也可以选择所有滑动薄片具有相同的设计，并且仅配置在开口内的不同角度区域。

附图说明

基于以下详细描述和不同示例性实施例的附图，将更好地理解本发明的示例性实施例，然而，不应将其理解为将公开内容限制于特定实施例，相反它们仅用于解释和理解。

图1示出了根据本发明实施例的空气轴承。

图2a-2d示出了本发明的实施例，其通过调节摩擦接触实现了抵抗可旋转元件相对于壳体的径向冲击的期望稳定性。

图3a-3c示出了所使用的滑动薄片的进一步实施例。

图4a-4d示出了用于将单层或多层滑动薄片的第一端部部分连接到壳体的实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于以非接触方式支撑可旋转元件(特别是高速转子)的空气轴承。空气轴承包括具有用于容纳可旋转元件50的开口的壳体100和在开口的内侧110上沿切线方向不重叠地配置至少两个滑动薄片200(优选三个或四个)。滑动薄片200为弧形(非波浪形)且每个滑动薄片200包括用于支撑在壳体100上的第一端部部分210和第二端部部分220。滑动薄片200配置为相对于壳体100，仅通过第一端部部分210和第二端部部分220来径向支撑可旋转元件50，其中可旋转元件50接触滑动薄片200，例如在第一端部部分210和第二端部部分220之间。

第二端部部分220提供与开口的内侧110的摩擦接触，并且因此可相对于壳体100移动。第一端部部分210可固定地连接到壳体100，或与壳体100正接触(例如，接合壳体100中的凹槽或凹部，见下面图4a和4b；也可以想到更复杂的连接形式，例如，l形或t形，见下面图4c和4d)，使得第一端部部分210不可能沿内侧110相对移动。

应当理解，只要可旋转元件50尚未相对于壳体100旋转，可旋转元件50与滑动薄片200的至少一个(或全部)接触。然而，随着可旋转元件50的转速增加，空气被夹带在滑动薄片200和可旋转元件50之间，迫使滑动薄片200从可旋转元件50处远离，并在滑动薄片200和可旋转元件50之间产生气垫。因此，空气与可旋转元件50的粘附在非常高的速度下产生气膜或气垫，使可旋转元件50从滑动薄片200上提起。通常，这种效果仅在每分钟10000转或每分钟100000转以上时发生。例如，这些空气轴承可用于高达每分钟200000转的旋转。

为了对可旋转元件的冲击或径向运动提供可靠的阻尼保护，滑动薄片200的特性，例如预应力或几何形状或与壳体100的耦合，是重要的且必须根据实际应用进行设置。

在下文中，描述了可以在实施例中实施以实现期望的阻尼保护的各种措施。

图2a到2d示出了本发明的实施例，其通过调整摩擦接触来实现抑制可旋转元件50相对于壳体100的径向冲击的期望稳定性。例如，滑动薄片200和壳体100之间的高摩擦系数意味着滑动薄片200能够更好地抑制径向冲击，因为较高的摩擦使得滑动薄片200难以相对于壳体100移动。

在图2a中，示出了第二端部部分220具有例如涂层221的实施例，该涂层221具有相对于壳体100增加摩擦系数的效果，壳体的内侧110可以具有增加滑动薄片200和壳体100之间的摩擦系数的涂层111。两个涂层221、111也可以相互匹配，以实现最大可能的摩擦或匹配。如果在涂层111、221的区域中形成具有增加的粗糙度的表面，则可以实现相同的效果。

图2b示出了滑动薄片200的实施例，其中第二端部部分220具有适于增加滑动薄片200和内侧110之间的摩擦的表面结构/轮廓222。例如，表面结构222可以包括波形截面、凹痕、齿状突起、或其他导致摩擦增加的结构。滑动薄片200也可以适当地薄，使得在端部形成锐边，从而产生高接触压力和高摩擦。

图2c示出了本发明的一个实施例，其中第二端部部分220相对于滑动薄片200的剩余部分成角度。这导致滑动薄片200的端部与内侧110形成更大的接触角α。接触角越大α，径向冲击期间垂直作用在内侧110上的分力越大。接触角也可用于设置摩擦路径。垂直力分量与摩擦力相关，使得可以通过第二端部部分220的经适配的倒角来调整摩擦力。

图2d示出了空气轴承的另一个实施例，其中壳体100中的开口不是圆形的——即使可旋转元件50仍然具有圆形横截面。根据本实施例，改变壳体100中的开口，使得交会角α与圆形的开口相比，第二端部部分220和内侧110之间变得更大或被调整到期望值，以便相对于圆形的开口，尤其是增大摩擦力(或其所必需的力分量)或摩擦路径。

因此，图2a到2d的实施例可用于调整(尤其是增大)摩擦系数。

图3a至3c示出了所使用的滑动薄片200、300的进一步示例性实施例，其也可用于更好地缓冲径向冲击。

为此，图3a的示例性实施例使用具有多层滑动薄片300，其中滑动薄片300的所有层配置在彼此的顶部并且固定在壳体100的同一侧上，例如，各层的第一端部部分310均位于沿切线方向的同一侧上。

在图3b中，示出了一个示例性实施例，其中滑动薄片300中的至少一个具有多层，其中各个层在此处固定地连接到相对侧的壳体100。以两层为例。然而，也可以有两个以上的层，它们任意地(例如交替地)在一侧或另一侧(相对于切向)连接到壳体。各层之间的摩擦可通过涂层和/或表面粗糙度来调整。

图3c示出了本发明的示例性实施例，其中，滑动薄片200、300(单层或多层)中的至少一个具有可变的厚度，以便更好地缓冲可旋转元件50的径向冲击，而滑动金属薄片200、300不会在端部之间的区域中与内侧110接触。

这里本次只示出一个滑动薄片200、300。为简单起见，省略了其他滑动薄片。它们可以以类似的方式形成。不同的滑动薄片200、300的组合也是可能的。

此外，在这些示例性实施例中，第一端部部分210、310可以通过例如焊接触点、粘合触点、焊接触点连接到壳体100。也可以将第一端部部分210、310滑入壳体中的相应凹槽中，或者使用铆钉或螺钉连接作为紧固件。

图4a至4d示出了用于将单层或多层滑动薄片200、300的第一端部部分210、310连接到壳体100上的实施例。在所示的示例性实施例中，滑动薄片200、300的第一端部部分210、310接合壳体100的对应的凹部、凹槽或凹口，以提供对壳体的滑动薄片200、300(或其层)的牢固保持。

这里，有多种方法可以在壳体100中形成凹部，例如，可以如图4a所示形成圆形凹部。可选地，还可以选择正方形或四边形，如图4b所示。图4c示出了具有l形接合的实施例，图4d示出了与壳体100的t形接合的示例。对于两个示例性实施例，滑动薄片200、300可以沿轴向插入凹部中。在插入之后，滑动薄片200、300可以相应地固定(例如通过锁定装置)。这些凹部提供了滑动薄片200、300可以容易地交换的优点，使得滑动薄片200、300可以根据需要特别地选择。

本发明的示例性实施例的优点可以概括如下：

可以省略传统的空气轴承中使用的缓冲薄片。相反，使用单层或多层薄片200、300。这使得生产更容易并节省了成本。

轴承功能仅由改进的滑动薄片200、300提供，其中改进是通过有效地增加薄片的刚度来实现的。

类似地，薄片200、300可被预加应力并将其压入壳体的相应的开口中。这样可以吸收较大的径向冲击。

可以通过调整薄片200、300和壳体100之间的摩擦力来实现径向运动的阻尼。

单个组件之间定义的相互作用会导致更好的可预测性。

在说明书、权利要求书和附图中公开的本发明的特征对于单独地和以任何组合实施本发明可能是必不可少的。

附图标记列表

50、520可旋转元件/转子；

100具有开口的壳体；

110开口的内侧；

111、221涂层；

200、300滑动薄片(单层或多层)；

210、310滑动薄片或它们的层的第一端部部分；

220、320滑动薄片或它们的层的第二端部部分；

222端部部分的边缘轮廓；

510传统的壳体；

530传统的顶部薄片；

540传统的缓冲薄片；

532薄片附接件；

α第二端部部分对壳体的冲击角。