流体静力及主动控制式活动衬垫轴承的制作方法

专利名称：流体静力及主动控制式活动衬垫轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及衬垫型轴承，此类轴承特别但并非仅能适合低温场合。本轴承属于流体静力式活动衬垫轴承。
用于深冷(亦即极低温度)场合的衬垫型轴承处于一系列独特的操作状况之下。此类轴承必须工作于范围为华氏负200度至负300度的温度中，而且所使用的流体一般具有很低的粘性。因此，设计用于深冷场合(诸如用于外层空间的泵机)的轴承确实困难。
已知的流体静力轴承包括一类其中衬垫可活动或“浮动”于轴承两个相对活动部分之间的界限内的轴承。以往，在此类轴承中，衬垫容纳于两个相对活动部分之一的一腔室或囊室之中，操作时由作用于腔室或囊室的底座与衬垫的内端面之间的流体压力将其压向另一活动部分。已经发现，为了获得流体静力轴承可接受的操作，让个别泵单独供输每一轴承囊室，或为所有或一组轴承囊室而引入一共有泵是很适宜的，在此情况中，每一个别轴承囊室首先具有一液压阻力，从而，某一轴承囊室内的压力下降不致对由同一泵进给的其它各轴承囊室的进液有不利的影响。由于有通道通过衬垫，轴承表面的流体压力也因此作用于衬垫的外端面，所以必须安排内端面的有效面积大于外端面的，以致在流体静力轴承操作时有一差动力量朝外驱策衬垫。
人们曾经试图将传统的流体静力轴承用于低温场合。此类传统的流体静力轴承一般包括各个单独的衬垫，它们相对于底座滑动。然而这些零件的相对滑动会导致枢轴处的磨损。其次，由于此类滑动，将难以用接触密封防止传统的流体静力轴承内的泄漏。这一点在涉及使用低粘度流体静力轴承的一些应用场合中，诸如深冷应用场合，尤其真确。
在更一般的意义上，本发明广泛地涉及活动衬垫轴承。因此，本申请人先前的轴承设计构成了本发明的起点。在此意义上，本发明涉及有时也称为活动衬垫轴承的流体静力轴承，以及制造此种轴承的方法。大致上此等轴承的安装方式是，能够活动以便让一楔形润滑剂薄膜形成于相对活动的各部分之间。由于过量的液体会造成不希望有的摩擦以及动力损失，液体厚度最好是恰恰足以支撑最大负载。楔的形成为最佳时正是如此。重要的是，此衬垫应以枢转或摇摆式动作绕着位于衬垫表面的中心移位，同时轴承摩擦力倾向于打开此楔。在楔的形成为最佳时，此楔横过整个衬垫端面而伸展。此外，此楔要形成于尽可能最低的速度时，而于轴开始旋转之际立刻形成最为理想。
所谓倾斜衬垫径向轴承(tilt-pad radial bearing)，因其突出的稳定特性，按照最为普遍适用的设计，用于要求最大转子动力稳定性的各种机器之中。因此，在寻求高度稳定轴承的设计时，它已成为用以度量其它径向轴承的标准。已经发现的其于工业中既作为原始装备又作为售后替换件的大量应用可以证实此种倾斜衬垫轴承受到普遍的欢迎。其应用范围从诸如涡轮机增压机和压缩机等小型高速机器到诸如蒸汽涡轮机和发电机等特大型设备。在各衬垫自由地绕着其各自枢转点倾斜时，所出现的交联刚性(cross-coupled stiffness)减小现象是高转子动力稳定性(rotordynamic stability)产生的原因。这样就削弱了油膜的减稳切向力(destabilizing tangential oil film forces)，这种力能在装有传统的固定性结构轴承的机器中诱发灾难性的次同步震动(subsynchronous vibration)。由于甚多机器易受此类轴承诱发的不稳定性的影响，所以高品质倾斜衬垫轴承已有大量的需求。
由于存在甚多活动部件和制造公差，所以该倾斜衬垫的设计在所有的轴颈轴承设计中最为复杂并难以制造。其设计的复杂性从组成轴承所需要的高度机加工部件的数量上就可看出。在外壳、枢轴和衬垫的组装总成中的间隙公差是累加的，需要高度制造精确性以产生可接受的径向轴间隙。在高径向负载下，衬垫枢轴摩擦也可导致过早磨耗甚至疲劳破坏，这会扩大间隙并增大转子动态失衡响应。所有这些需求结合起来使得倾斜衬垫轴承成为需要对设计、制造和取材给予最大注意的一种轴承。
在已知的径向衬垫型轴承中显示出需要拥有精细的各公差值，因为业已确信，有必要在轴承及被支撑的转动物体之间提供一精确确定的公差，以便让轴承衬垫的适当偏转形成流体动力楔。精细公差值的需求在气体润滑轴承的制造上尤其困难。气体润滑轴承的另一问题是，流体薄膜在高速度下会发生破损。这些问题已经限制了气体润滑流体动力轴承的使用。
此外，流体动力径向轴承在重要用途上尚有一需求，即必需保持轴的置中性。目前，在不能让轴浮动于一径向封套中的应用场合，例如机械式密封，要使用转动元件轴承。在转动元件型轴承中，由于轴实际上维持在与外壳的固体接触状态之中，轴的置中性不成问题。在传统的流体动力轴承中，轴是以一所谓径向封套(radial envelope)的间隙同外壳分开，而在操作时轴被支撑于一流体薄膜上。由于在传统的流体动力轴承内轴与轴承表面间受间隙所分隔，所以在操作中轴的中心易于浮动或漂移。例如，在机械式密封内轴的上述活动将导致所谓“轴跑偏”问题，使机械式密封的操作失效。因而提出了已普遍使用的倾斜衬垫轴承作为代换方案。
这种企图集中在提供简单的轴承结构却能超越更复杂的倾斜衬垫轴承的性能。例如米契尔(Michell)在“润滑原理和应用”一书第180至181页中，讨论了一具有多衬垫的轴承，其中各衬垫在一环状构件上作弹性枢转，这些衬垫形成为与环形构件成一体的各个部分。这种结构显示出极为刚硬，因为支撑衬垫的颈部周向尺寸至少是大到颈部径向尺寸的两倍。
美国专利第2，424，028号公开了一种有两个个别部分经由螺栓连接的轴承构件，下面的部分配置一些分段，而上面部分是连续的。
美国专利第3，107，955号公开了一种轴承的范例，该轴承具有梁件以安装轴承衬垫，衬垫以枢转或摆动式动作绕着位于衬垫表面前面的中心移位。如同甚多先有技术的轴承一般，此轴承只是基于衬垫偏转的二维模式。因此，并未取得最佳楔形。
在美国专利第2，137，487号中公开了一种流体动力式活动衬垫轴承，这种轴承借助其衬垫沿着球形表面滑动以形成其流体动力楔。在很多状况中，此衬垫卡住而不能形成相应的楔。在美国专利第3，930，691号中，藉一些弹性体产生摇动，但这些弹性体易于被污染及劣化。
美国专利第4，099，799号公开了一种非单一悬臂所安装的弹性衬垫气体轴承。该轴承采用一衬垫安装于一矩形悬臂梁上以产生衬垫端面和转轴之间的润滑楔。止推轴承和径向或轴颈轴承两者也都提到了。
在美国专利第4，496，251号中公开了一种衬垫，可随腹板状带条而偏转，因此在相对活动的部分之间形成一楔形润滑剂薄膜。使用三个间隔开的带条必然限制了柔性并容易妨碍倾斜动作。
美国专利第4，515，486号公开了包含若干轴承衬垫的流体动力止推和轴颈轴承，衬垫各有一端面构件和一支撑构件，此等构件是分开的，由弹性材料粘合在一起。
美国专利第4，526，482号公开了主要用于全过程润滑场合的流体动力轴承，亦即，是用来在液体中工作的轴承。此流体动力轴制有一承载表面的中央部分，该部分较轴承的其余部分更为柔顺，因此，可在负载下变形并形成带压的液体囊室以承载高负载。
在美国专利第4，676，688号中，人们也注意到，各轴承衬垫至少以一个腿柱与支撑构件隔开，该腿柱可在三个方向上提供挠性。为了在动作平面内提供挠性，各腿柱朝内倾斜而成一锥形，锥的顶点或交点置于衬垫表面的前面。各腿柱有一截面模量，在所希望的活动方向上比较小，以作为对不对中现象的补偿。这些技巧可应用于轴颈轴承和止推轴承两者。虽然该专利表示了这一技术中的明显进步，然而其仍有某些缺点。此类缺点之一为支撑结构以及轴承衬垫的刚性，此刚性可抑制衬垫表面的变形。此外，此轴承结构并非单一的整体。
最后两个专利特别令人感兴趣，由于它们表明，无论止推和轴颈轴承之间固有的和显著的差异如何，在流体动力轴颈轴承和流体动力止推轴承之间仍有某些概念上的相似之处。
先有技术的流体动力轴承经常因液体泄漏而造成液体薄膜的破坏。在径向轴承中，泄漏主要发生在轴承衬垫表面的轴向两端处。在止推轴承中，由于液体上离心力作用的结果，泄漏主要发生在衬垫表面的外圆周周边处。在形成最佳楔隙时，流体的泄漏可减至最少。
现代众多最进步的涡轮机，尤其在高速和低轴承负载下运转的涡轮机，需要依赖倾斜衬垫颈轴承的优良稳定特性防止转子动力不稳定现象。到目前为止，倾斜衬垫轴承设计上的复杂性已排除了在许多小型、高容量应用场合中的使用。在这些场合，成本和大小甚为重要。
本发明公开了一种衬垫型轴承，它具有许多倾斜衬垫轴承的转子动力优点而无多件结构的复杂性。此衬垫型轴承，最好是单件式的，能以单独一根厚壁管料或一圆筒形颈轴制成，这根管料已经加工成或制成带有小的沟槽和开缝、孔眼或切口，它们穿过轴承壁或位于轴承壁上，以形成一可挠曲的颈衬垫或止推衬垫和一支撑结构。此衬垫和支撑结构最好设计成当轴转动时在衬垫表面和轴之间形成渐窄楔隙(converging wedge)的形状，可以通过变更衬垫形状、支撑结构或此两者而达到此目的。特别是，可以变更衬垫以包括沟槽、切口、轨条和凹槽来获得在负载下所希望有的变形。支撑结构可以设计得支撑衬垫以高达六个的自由度活动(亦即+X、-X、+Y、-Y、+Z和-Z方向上的移动或运动，以及绕着X、Y和Z轴线的转动)，以便优化流体动力楔的成形。
虽然本文中所揭示的轴承在结构和操作上主要是流体动力型的，但这种轴承的性能在某些应用中，例如低温用途，可以藉形成流体静力举升作用(hydrostatic lift)而予以改进。因此，依据本发明，此流体静力举升作用的原理被应用于流体动力轴承，除了别的以外，用以减少流体动态生成压力的需要。更具体地说，加压流体可直接供入每一轴承衬垫的中心以形成流体静力举升作用并便于轴承的操作。
在本发明的流体静力轴承中，衬垫可与外壳或支撑构件作成一整体单件。这样作可以(除了别的以外)通过简化轴承的制造公差大大简化流体静力轴承的构造。更具体地说，在可将若干散离部分结合成整体单件时，就没有必要对于每一特定部分要求不同的公差，而只需要给一个部分以一个单一的公差。这样就避免了公差积累问题。
此外，采用整体构造可容许直接于轴承内形成流体静力进液通道。这将不再需要挠性管件以进给加压流体至流体静力凹槽，从而减少成本并增进其可靠程度和工作性能。此外，可免除滑动表面之间的密封需求。
按照本发明的另一观点，在挠性衬垫支撑下面的腔穴可作为一种主动控制装置(active control device)。提供至此腔穴的压力能导致减小轴承的安装或装配间隙，从而提供较佳的减振和定心能力。在衬垫内的预负载可依此方式予以主动控制。此衬垫具有一限制装置，最好是细螺纹螺钉形式，用以防止发生负预负载状况。
轴承间隙的主动控制使得有可能在很大的温度范围内使用轴承。对于某些低温涡轮膨胀机以及现代高性能、高效率的涡轮机，这是甚为理想的。具有流体静力进液的腔穴也能提供挤压膜减振作用，并能使轴承吸收震动型负载。
因此，本发明可允许在轻载液膜和气体轴承中精确控制预负载和轴承安装间隙。此间隙可在制造后予以调整以使轴承特性与被支撑的转子相协调。这种调整是通过细螺纹螺钉作出的。螺钉会推动衬垫向内，改变轴承间隙和预负载。
本发明也涉及模块式轴承(modular bearing)构造，其中衬垫与支撑构件分别制成。此衬垫和支撑可以直接固定，以便能发挥一接近倾斜衬垫的作用而不致发生两部分的相对位移。使用该模块式构造对于成本和性能二者均有益处。
在一实施例中，本发明的衬垫型轴承包括多个沿周向分隔的衬垫，各以一单一沿径向伸展的带条而支撑于外壳上。一孔眼或通道穿过此带条和/或衬垫，以便在液槽和衬垫的中央(最好是带凹槽的)区域之间提供流通，从而高压液体可被迫通过此孔眼提供一流体静升力于衬垫的中央区域。
本发明轴承的衬垫、支撑带条和外壳可以整体制成一单件。一可供选择方式是，这些构件可以制成为分体件，而依据本发明的另一方面，它们彼此可以以螺纹相接合，以便可解脱地相互固定。这样允许作模块式型构造，又允许轴承作细调或精密调整。在现今的最佳范例中，挠性支柱是模块式的，而非与衬垫呈整体。这种支柱结构允许在此技术领域内有互换性。此外，它允许使用较柔顺的衬垫材料，而同时使用一强固的高耐久极限钢柱作支撑。
支柱可以是任何形状或圆形并能在两个方向上弯曲。支柱或支撑带条能沿圆周方向弯曲以提供较佳的稳定性，同时它可沿轴向弯曲以提供与偏转轴的较佳地对准。此外，一具有可调整的刚性的定心弹簧和挤压膜减振器可以装设于外壳内。
在挠性枢轴或径向支撑带条装接于外壳时，它即可容易被用作流体静力举升系统的一部分。在此一构造中，由于流体静力进液可以直接通过衬垫侧缘或通过支柱引入，所以不需要高压软管。
本发明的轴承可以作三维设计以形成高达六个自由度的变位，以便任何时候均能确保形成最佳的楔隙。明确地说，已经发现，在流体动力楔具有若干特性时，流体动力轴承可工作得最为有效。特别是，此楔应该跨越整个衬垫表面而延伸;此楔于任何时候均应该有一适当厚度;此楔构形应该是可将流体泄漏减至最少;此楔应当调配不对中现象，以致轴承的主轴线与轴的轴线共于一直线上或大体呈平行;以及此楔应该在尽可能的最低速度时形成，以防止对楔形成表面的损坏，这种损坏一般是由于低速时轴与衬垫表面接触而发生的。
关于流体薄膜的厚度，应当了解，最佳厚度随负载而变化。在高或重负载下，需要一较厚的流体膜以适当地支撑此负载。不过，较厚的膜会增加摩擦和动力损失。因此，轴承最好是设计得可以形成在最大负载时为支撑轴所必需的最小厚度。
支撑结构以单一整体为宜，并包含支撑短截、梁、和/或连接于外壳的膜片，在轴颈轴承中，或者在止推轴承中，此外壳有时是由轴承的沿径向最外部分形成的。
本发明人已发现，在甚多特殊用途诸如高速用途中，必须对包含轴或转子、流体动力润滑膜和轴承等的整个系统的动力柔性进行检测和评估。在使用有限元模型的该系统的计算机分析中，业已确定，必须将整个轴承视为一完全弹性的构件，即此构件在操作负载下会改变形状。通过机加工处理基本结构或多或少地添加些柔性所获得的轴承特性能提供稳定的低摩擦操作于广大的操作范围。业已发现若干变量将大大影响轴承的操作特性。其中最重要的变量是制作于轴承中的孔眼、开缝或切口以及沟槽所形成的衬垫和支撑构件的形状、大小、位置和材料特性(例如，弹性模数等)。其中支撑构件的形状尤其重要。同时，配置流体背衬(fiuid backing)于挠曲构件可获得高度阻尼(damping)，从而更增加系统的稳定性。在某些情况下，此种阻尼已经取代了在油膜存在于轴承的壳套和外壳之间时所出现的二次挤压膜减振作用。
有关气体或空气润滑的偏转衬垫轴承(deflection pad bearings)，本发明人也发现有负载或速度超过气膜能力的情况。在这种情况下，必须添加液体润滑剂进入渐窄楔隙而勿需提供一液槽或液池。本发明提供一种轴承，通过必需时提供液体润滑剂的办法解决这一问题。
本发明轴承的一实施例包括一衬垫，它可改变形状并活动于任何方向中(亦即，其支撑方式允许六个自由度的活动)。此轴承可有一内装减振系统，最好是具有单一或单件结构用于大批量低成本制造。本发明的轴颈轴承可装入一较小的封套内(亦即，外壳外径和衬垫内径之间的空间)。
虽然本发明的轴承能设计成轴承以高至六个的自由度变位，但这种柔性并非经常需要或希望要。对于要求更大稳定性的用途，轴承衬垫可以被支撑成少于六个自由度。
依照本发明的一种轴承包含一些在其中央处作枢转的衬垫，是自一实心青铜圆盘通过电火花加工工艺(EDM)加工的。支撑结构包含支撑每一衬垫的单一狭窄腹板，以充分的径向刚性支撑轴负载而不会变成过度应力的，同时仍提供足够转动(倾斜)柔性以具备倾斜衬垫性能。
用于各个场合的支撑结构形态的优化设计可排除高应力并确保长使用寿命。没有活动部分可因免除衬垫枢转接触应力而免除枢转磨损以及耐用性问题。除了最后的轴承孔公差外，制造公差则全然地完全消除，从而简化了制造程序。电火花机加工制造工艺对小量制造场合有效率且精确，但对大量制造场合，则或者用铸造、挤制，或者用锻造，如本文所述。
为了在使用单一带条支撑衬垫的单件设计中获得可变的衬垫几何形状，带条必须具有足够的柔性，以使衬垫随转轴所施加的负载而偏转。此一特性，即挠曲偏转，显著地把本发明与其它液膜轴承区别开来。衬垫随负载挠曲和偏转的能力可让交联刚性接近于零，就象使用倾斜衬垫轴承一样。这将确保稳定的操作。腹板大小取决于特定用途中施加的负载，以及随轴承的具体用途和材料构成而变化的其它一些参数。特定用途中的转动刚性值是根据稳定性分析确定的，在该分析中刚性予以变化直至到达某一范围为止，而在此范围内转动柔性可提供比得上倾斜衬垫轴承的性能。倾斜衬垫轴承可倾斜并在绕着轴颈对称的油膜内建立一压力。本发明的轴承也可倾斜，但其倾斜并非由于与一般倾斜衬垫轴承中一样的滚动作用。不同的是本发明的轴承中的倾斜是由于腹板部分的柔性，它可让衬垫偏转或倾斜并适应所施加的负载。虽然各具体尺寸取决于特定用途，但按常规，带条在径向的长度应当大于在周向的宽度。
自本发明的轴承设计可得到的另一理想特性是，可以获得范围较窄的预负载。倾斜衬垫轴承因受公差积累之苦而导致预负载范围很宽。此一范围随轴承尺寸减小而增大。不过，本发明的单件式轴承可以制造得具有较精细的公差。部分原因是，各部件相互的相对位置在单件式设计中是，各部件相互的相对位置在单件式设计中是固定的。从而，公差不是累加性的。
根据本发明，在轴承衬垫和被支撑的轴段之间可以不再需要精细公差，办法是，规定轴承的尺寸以消除轴承衬垫和被支撑的轴段之间的空隙，而同时规定支撑结构的尺寸，使得轴承的径向(轴颈轴承情况下)或轴向(止推轴承情况下)刚性少于相应的支撑性流体的流体膜刚性。无论是整个衬垫还是仅其一部分均可预偏置而与轴接触。例如，使用柔性极大的轴承时，可能希望将整个轴承衬垫作预扭转使其与轴接触。另一方面，在某些情况中，更为有利的是，仅将轴承衬垫的尾缘作预扭转使其与轴接触，以便形成一流体动力楔。因此，本发明的轴承可以设计成在其安装于轴上时有一干涉配合。
在一实施例中，随着轴承被迫装在轴上，衬垫支撑结构些微偏转以形成一渐窄楔，而在安装好的静态位置上，在尾缘处轴承衬垫和轴之间相接触。在轴承设计得可提供承受静态负载的楔形的情况中，衬垫和轴之间的适当空隙在轴刚一转动时就可凭藉流体膜的刚性在瞬时建立。这是因为流体膜进入楔隙并建立液体压力而促使轴和衬垫分开。特别是，相对较硬的流体促使相对较软的梁支撑结构偏转，直至支撑结构的刚性等于液膜的刚性为止。流体膜的瞬间形成可保护轴承衬垫表面不受损坏，这种损坏会在与轴之间有直接接触的低起动速度时发生。
上文提及的一类干涉配合轴承在机加工公差方面允许有大得多的变差。例如，在干涉配合中可以设计成具有较大(例如0.003英寸)变差而在楔上只造成轻微的冲击。这一点对气体润滑轴承特别重要，其中各种另外的轴承形态则需要非常精密的机加工以达到良好的操作。本发明放宽了这种对机加工的需求。本发明提供一种特殊支撑结构，特别良好地适合于干涉配合用途。此一支撑结构必须能在负载下提供良好支撑，还在静止时提供尾缘接触。为了达到这一点，作用于尾缘处的负载所产生的力矩应该起到把衬垫从轴转开的作用。以此方式设计的轴承可用来精确地将轴置中，并保持轴在适当位置中直至启动为止。
本发明也涉及一种改进的可变结构衬垫轴承，它能较时下所用轴承提供在操作速度范围内的更佳的轴定心，而仍可保持良好的转子动力稳定性。确切地说，本发明提供一种新颖的轴承设计，其中传统的轴承的稳定特性得到保持，同时也提供更佳的轴定心特性。
轴承构造就是引用于本文中作为参考的、本申请人早先于1991年10月30日提出的美国专利申请第07/785005号中所说明的一类偏转衬垫轴承。至少某些轴承衬垫配有允许轴承衬垫在静止时接触轴的支撑结构。这些在静止时与轴接触的轴承衬垫可保持轴处于适当的置中位置上。悬臂式置中衬垫以零间隙开始，并在流体动态压力下快速扩大至一较大的操作间隙。各个较大的在中央处作枢转的衬垫给出低枢转刚性和高径向刚性以减低不平衡响应而保持稳定。对此一轴承结构的研究业已显示，此一单件式轴颈轴承，它包括由单一带条支撑的衬垫，能提供比得上倾斜衬垫轴承的有利的转子动力稳定性，而却没有多件式设计的成本和复杂性。带条内所引起的应力，既来自颈轴径向负载，也来自衬垫倾斜动作，远远低于材料疲劳极限，因而能确保长期使用寿命。这主要是由于操作期间由衬垫横移所引起的倾斜摆动很小，把相应的引发应力限制至不足重视的值。
根据本发明可以考虑许多制造本发明轴承的方法。某一特定制造方法的选定主要取决于所要制造的特定轴承的量以及所用的材料。在小量应用中，或者在希望生产原型用于试验和/或生产模具或类似物时，轴承最好是用金属圆筒形坯料制造，诸如厚壁管料或其它颈轴，它们经机加工形成径向和/或端面、孔眼或沟槽，并且或者经由数控电火花制造技术，或者经由数控激光切割技术，以及数控水射流切割技术制成径向切口或开缝。在中等产量中，本发明的轴承最好是使用根据本发明的模铸造法而予以制造。在大量应用中，本发明的轴承可以使用广泛不同的材料，诸如塑料、陶瓷、粉状或非粉状金属以及复合材料来制造。在大量应用中，许多制造方法，包括注射模塑、铸造、粉末金属模铸以及挤制，均可采用而成本不高。本发明的轴承可用易于模制的形状制成。
简言之，本发明涉及流体动力径向轴承和流体静力轴承，它比习知的轴承性能显著地更佳，而制造成本只是各种具竞争力的轴承的几分之一。
以下，将结合附图对本发明作详细说明，附图中

图1A为根据本发明的一种倾斜衬垫轴承的侧视图;
图1B为根据本发明的另一种倾斜衬垫轴承的侧视图;
图1C为根据本发明的液体动力轴承的侧视图;
图1D为一倾斜支撑的轴承衬垫的侧视图，显示在负载下衬垫的倾斜;
图1E为现有技术的倾斜衬垫轴承的衬垫的侧视图;
图2为依照图1内说明的范例而制成的单一衬垫的示意图;
图2A为轴颈轴承的剖视图，说明具体实施本发明的一种形态的一扇形部分;
图3为图2的衬垫的边缘视图，说明此衬垫在支撑结构已负载的状况下的取向;
图4为依照本发明所制成的轴颈轴承的第二范例的一扇形部分的剖视图;
图5为图4的单一衬垫的局部剖视图;
图5A为图4的轴承的一改型的部分透视图;
图5B为图4所显示的轴承的一改型的透视图;
图6为图4的轴承的端视图;
图7为一梁的扭转变位的略图，很大地被放大;
图8为一轴颈轴承的剖视图，说明轴承的一种范例，体现了包括两根梁的本发明的各种特性;
图9为图1的衬垫的一边缘视图，说明衬垫表面的局部变位而无支撑结构的复位，大大地放大了;
图10为图8的衬垫的一边缘视图，说明支撑结构在已负载情况下衬垫的取向;
图10A为图8的衬垫的一边缘视图，说明大大地放大后衬垫表面的局部变位;
图11A和11B为机加工之前圆柱轴颈或坯料的横截面图;
图12A和12B为机加工后的轴颈或坯料的横截面图;
图13A和13B为另一已机加工的轴颈或坯料的横截面图;
图14A和14B为改型后已机加工的轴颈或坯料的横截面图;
图14C和14D为自图14A和14B的改型后已机加工的轴颈或坯料所制造的轴承的横截面图;
图15为一倾斜衬垫轴承的侧视图，局部剖视，此轴承具有符合本发明的定心弹簧和挤压膜减振器;
图16，如所指出，为图15的详细视图;
图17为一具有有效间隙和减振控制的倾斜衬垫轴承的详图;
图18为类似于图17的倾斜衬垫轴承的侧视图，但还包括限制装置;
图18A为图18的轴承的详图;
图19为一具有定向润滑的倾斜衬垫轴承的侧视图，局部剖视;
图20为沿着图19内所示直线的图19的轴承的一轴向剖面;
图21为倾斜衬垫轴承的具有截面细节的一侧向剖面，其中带条或支撑是模块式的，不与衬垫成整体;
图22为沿着图21内所示的直线的轴向剖面;
图23为用于图21内的轴承的衬垫和支撑的侧向剖面细节图;
图24为图23所示的衬垫和支撑的轴向剖面;
图25为具有液体静力举升作用的倾斜衬垫轴承的侧视图，局部剖视;
图26为沿着图25内所示的直线的轴向剖面;
图27为具有液体静力举升作用的另一倾斜衬垫轴承的具有附加剖视细节的侧向剖面;
图28为沿着图27内所示的直线的一轴向剖面;
图29，如所指出，为图27的详图;
图30为具有液体静力举升作用的整体单件式倾斜衬垫轴承的侧视图;
图31为依照本发明的另一轴颈轴承构造的侧视图;
图31A为图31内所示的轴承的一部分的径向横截面;
图32为依照本发明的另一轴颈轴承构造的侧视图;
图32A为图32的轴承的径向横截面;
图32B为图32的轴承的透视图;
图33为依照本发明的另一轴颈轴承构造的侧视图;
图33A为图33的轴承外周边的部分细节;
图33B为图33的轴承的横截面;
图33C为图33的轴承的另一横截面;
图34为依照本发明的另一轴颈轴承构造的侧视图;
图34A为图34的轴承外周边的部分细节;
图34B为图34的轴承的横截面;
图34C为图34的轴承的另一横截面;
图34D为图34的轴承的另一横截面;
图35为依照本发明的一自润滑轴承的一侧视图;
图35A为图35的轴承的横截面;
图36为一轴颈轴承衬垫的透视图，以箭头指示供顶部、边缘和侧面视图用的边线;
图37为一轴颈轴承衬垫的侧视图，具有在两边缘上做成的径向切口;
图38为图37的轴颈轴承衬垫的顶视图;
图39为具有锥形边缘的轴颈轴承轴承衬垫的侧视图;
图40为一轴颈或径向轴承衬垫的边缘透视图，此衬垫配有侧向边缘轨条于其轴向边缘上;
图41为一轴颈或径向轴承衬垫的边缘侧视图，此衬垫具有形成于底部接近两侧处的沟槽;
图42为径向或轴颈轴承的衬垫的侧视图，其中各个衬垫由衬垫界定槽沟所界定;
图43为带有由虚线所示的底部凹槽的径向轴承衬垫的侧视图;
图44为具有多个底凹部槽的径向或轴颈轴承衬垫的顶视图，凹槽接近每一边缘形成，如虚线所示;
图45为一供径向轴承用的轴承衬垫的顶视图;
图46为图45的轴承衬垫的侧视图;
图47为图45的轴承衬垫的顶视图。
在以一种可以了解的方式描述本发明的轴承时，把轴承构造说成是由一圆筒形坯料借助于设置槽沟、开缝、孔眼以及其它开口于圆筒形坯料内而制成的，是很有助益的。如以下所指出的，这往往是一种制造一原型轴承有用的技术。不过，提及圆筒形坯料主要是想有助于对本发明的了解。应当指出，虽然本发明的许多轴承可自一圆筒形坯料制造，但并不必需要使其中任何一个均须如此制造。其实，轴承可以按若干方式制造，其中有些方式将于下文中作讨论。
虽然本发明提供了一种轴承结构，该结构可以设计得使衬垫可以在六个方向上自由活动，但这种活动自由度并非总是需要的。例如，在传统式斜垫轴承中，参看图1E，各个衬垫仅须绕着一平行于转子的轴线倾斜或旋转。一种习知的摇动枢轴衬垫有接近零的旋转枢轴刚性。此崩轴承是以提供适合需要的性能而著名的，但其价格太贵且难以适合各个用途。使用本发明的轴承时，上述作用和性能均可重现，当然其价格却远较摇动枢轴衬垫轴承便宜。
本发明也涉及单体式轴承，用来在盛满润滑剂的环境中作为倾斜衬垫轴承使用。具体地说，本发明人已经发现，昂贵的多件式摇动枢轴衬垫轴承的性能可以在一单件式轴承中重现，其中衬垫被支撑于单一薄腹板上。此一衬垫的枢轴刚性由支撑腹板厚度来决定。当此腹板厚度充分地小时，如图1D中所表明的那样，倾斜衬垫性能就会产生。
腹板厚度的效应一般用主应力和交联刚性来表述。交联刚性是一技术术语，可以看作对倾斜阻力的一种计量。当倾斜刚性下降时，交联关系渐近趋零，按照定义即产生倾斜衬垫的性能。在高衬垫倾斜刚性情况下，此交联作用渐近地趋向高的(负的)固定性结构值，导致极低的稳定度，亦即固定性结构轴承的特征。本质系数从不对称(不相等)固定性结构值轻微地变化至对称(相等)值，亦即在衬垫之间具有负载的四衬垫倾斜衬垫轴承的特征。
总之，试验和分析已经显示，本发明的单件式倾斜衬垫轴承展示出在高倾斜刚性时具有固定性结构性能，而在低倾斜刚性时具有倾斜衬垫、可变性结构性能。中间刚性反映出从固定性结构性能至倾斜衬垫性能的转变。因此，腹板厚度必须选得够薄以展示倾斜衬垫稳定性而不会因轴负载或倾斜应力而变成应力过度。倾斜应力是较低的，因为在使用过程中由衬垫所转动的倾斜角非常小。
从本发明的轴承的设计可得到的另一理想特性是，可以获得较窄的预负载范围。倾斜衬垫轴承因公差积累而遭致很大范围的预负载。轴承尺寸减小时此范围增大。不过，本发明的单体式轴承可以很小的公差制造。这部分地由于以下事实，即彼此相关的各部件的位置在单件式设计中是固定的。因此，公差是不累加的。
图1A说明依照本发明的倾斜衬垫轴承的一种形态。此轴承设计得能在盛满液体的环境之中使用。使用中，衬垫倾斜以便能加压于液体。如图所示，此轴承包括五个隔开的轴承衬垫31。轴承衬垫的数量自然可以改变以适合任何特殊用途。轴承衬垫31各自经由单一薄腹板状的带条37而被支撑于轴承外壳30上。如图所示，此带条有一径向长度显著地超过其周向宽度。
在所说明的实施例中，腹板37装设于衬垫31的周向的中线上，能使轴承支撑轴转动于顺时针或反时针方向，亦即，轴承是双向的。腹板37大致上径向地伸展于衬垫与轴承外壳之间。轴承可以是借助于电火花加工方法机加工实心青铜圆盘而制成，但并非必需。依据本发明，腹板37必须以足够的径向刚性支撑衬垫以承受轴负载而不会变成应力过度，而同时提供足够的转动(倾斜)柔性以展示倾斜衬垫性能。虽然腹板厚度的可接受范围因用途而有有不同，但本发明人已经发现，腹板厚度至少应小于腹板的径向长度。如果腹板太薄，则将应力过度而轴承将被毁坏。另一方面，如腹板太厚，则衬垫将不再能起倾斜衬垫的作用，而代之以，或是作用于过渡状态中，或是作用如固定性结构衬垫。当然，因倾斜而产生的应力也应当在疲劳极限内以避免疲劳破坏。疲劳极限定义为一种许用应力，低于此应力时可以有无限次数的循环。其它可影响性能的事实包括热效应和衬垫表面挠曲。供各种用途使用的支撑结构形态的优化设计可排除高应力而确保长寿命。如前指出，倾斜角度小可使应力最小。没有活动部件可消除枢轴磨损，而由于消除枢轴衬垫接触应力保证了耐久性。除最后轴承内径外所有制造公差均可完全免除，因而简化制造程序。电火花机加工制造方法对小批量应用场合既有效又精确，而大批量应用场合则可使用铸造、模制、挤制或锻压，本文中要有所讨论。
图1D和图1E显示本发明的倾斜衬垫轴承的倾斜衬垫作用(图1D)与传统的倾斜衬垫结构(图1E)的比较。如图所示，本发明的简单单件式倾斜衬垫轴承构造的枢转方式实质上与传统的枢轴承相同。再者，用于成功地重现倾斜衬垫轴承的性能的关键性设计特征在于提供了适当的腹板厚度。
应当指出，图1A表明一种极为简单的轴承，目的在于简单地重现枢轴衬垫轴承的性能。不过，与本发明的教益相一致，如果希望时此轴承构造可进一步地变更以提供附加的柔性。例如，端面槽沟可以在轴承的任何一侧设置，以减小腹板的轴向厚度，以便能加强衬垫扭转能力以适应轴的不对中状况。此外，轴承外壳的外周边可制成带有槽沟或突起以增加衬垫的径向柔性，使衬垫能在径向活动。
依照本发明的一项观点，与图1A相关联所说明的一类倾斜衬垫轴承，例如，可以装设一定心弹簧和挤压膜减振器而不改变此类轴承的整体单件式的本质。可以配置单独一些调整螺钉以调整减振和弹簧特性，并依照目前最佳实施例可有效地控制轴承预负载。
如图15和图16所示，此轴承在结构上类似于图1A所示。此轴承包括多个沿周向隔开的衬垫31、一外壳30和支撑衬垫31于外壳30上的多个薄腹板或支柱37。在图示实施例中，腹板37很薄，以便提供小的倾斜刚性。如上述，此一支撑可极接近地重现多件式倾斜衬垫轴承的性能。此外，此腹板37被支撑于一薄膜片301上，而此薄膜片则由短式梁302支撑于每一周向终端上。自图15和图16显而易见，膜片301和支撑短梁302可以在外壳30内作出切口而形成，这在本文别处有所说明。当然，其它形态的膜片结构亦可使用，以及其它减振器构造亦可使用，但所示实施例是目前最佳的。外壳30主体与薄膜片301之间的空隙300g装满一种不可压缩的流体，诸如油。膜片的沿径向上下活动以压挤膜减振器的方式予以减振。此外，由于其支撑于短梁302上，膜片301为腹板37以及支承于腹板上的衬垫31提供一弹簧般的支撑。因此，示于图15和图16的总体结构类似于带有定心弹簧和挤压膜减振器的倾斜衬垫轴承。再者，所有这些均装设于一单一的单件式轴承结构内，亦即，一种结构，其中的衬垫、支撑带条或支柱以及壳均作为一单件整体地制成。
通过配置单独一些螺钉32，如图15和图16内所示，可设置一止动装置以允许调整轴承内的预负载。螺钉32可以沿周向偏置并收进至广大范围内的各个位置，以允许振动或热胀时衬垫31的径向活动。如果螺钉32放置于中间，如图所示，它将限制径向活动并让此轴承在挤压膜效应状态下工作。示于图15和图16的一类轴承构造对极高速轴承应用场合和用作气体轴承时非常有用。
图17显示一种类似于图15所示的轴承，但包括一主动控制装置。明确地说，此实施例包括一通道30p，穿过底座制成，并与减振空隙300g相连通。这样会允许流体向减振空隙300g的供输和压力得到主动控制。通过增加流经通道30p进入减振空隙300g的流体压力，薄膜片301可以径向地朝内移动。反之，通过减小经由通道30p输入减振空隙300g的流体压力，可使膜片301还原至其静止位置。这样，经由通道30p供输的流体压力即可造成轴承安装或装配间隙减小，因而提供较好的减振和定心能力。进而，衬垫内的预负载可以以这种方式主动控制。
图18和图18A显示图17所示轴承结构的另一改型，其中主动控制的轴承装设一限制装置以防止负预负载状况发生。事实上，这是本发明现行的最佳实施例。图18A显示的实施例在一切主要方面均类似于图17所示轴承结构，但以类似于图16所示方式设置的细牙螺钉形式的限制装置除外。为了给细牙螺钉32让出空间，流体输送通道30p沿周向偏置如图18所示。正如图17的实施例的情况一样，示于图18的轴承可藉变动经由流体输送通道30p输至减振空隙300g的流体压力而主动地予以控制。此压力能促使轴承安装或装配间隙减小，从而提供较好的减振和定心能力。衬垫内的预负载可以此方式作主动控制。由于轴承具有细牙螺钉32形式的限制装置，所以有可能防止负预负载状况发生。再者，轴承间隙的主动控制可容许轴承在广大的温度范围内使用。这特别适合于在现代高性能、高效率的涡轮机器中的低温涡轮膨胀机应用场合。
凭藉图15-图18A中所示轴承的设计，有可能精确地控制预负载和轴承侧向间隙，以及轻载液膜和气体轴承。此间隙可于制造后予以调整，以使轴承特性与被支撑的转子相一致。例如，这种调整可经由示于图16和图18的细牙螺钉32完成。此螺钉可推动衬垫向内移动而改变轴承间隙和预负载。
示于图1A的倾斜衬垫轴承构造的另一变型结合图19和图20的实施例予以说明。如图所示，此倾斜衬垫轴承有轴承衬垫31、外壳30和支持每一衬垫31于沿径向伸展的单一腹板37的上各个衬垫31，并配备定向润滑。更明确地说，并如附图所示，沿径向伸展的喷嘴30n装设于每对相邻衬垫31之间。此喷嘴30n沿径向向内延伸至一点，此点相对于衬垫31表面稍微向外。沿径向延伸的润滑剂通道30p在每一喷嘴30n内制成。此外，外壳30设有一环状润滑剂室30c。如附图所示，形成于每一喷嘴30n内的通道30p与环状润滑剂室30c连通。
图20所示最为清楚，轴承总成的轴向两端是密封的，诸如藉端面密封30c以螺钉固定于外壳30上。不过，再次地说明，轴承的主要构成部分，亦即衬垫支撑37、外壳30和喷嘴30n是作为一单件而整体地制成的。操作时，喷嘴30n用于作定向润滑，亦即把润滑剂射向轴承衬垫的前缘。在压力下提供给环状润滑剂室30c内的润滑剂将被迫通过通道30p进入紧邻每一衬垫31的前缘的区域。由于喷嘴与轴承为一整体，所以喷嘴30n变成松脱以及干扰衬垫的操作或者接触由衬垫所支撑的轴等的任何可能性均被消除。
借助于提供定向润滑，由切口所形成的衬垫和外壳之间的窄小间隙(图19所示最为清楚)可提供减振作用。这将消除任何衬垫颤动问题，如自附图明显可见。再者，此切口可用电火花机加工方法或任何其它用以产生充分窄小的间隙的技术制成。
在图19和图20的实施例中，外壳30如图示是由两个分别的半外壳构成的。在某些情况下这将简化在长轴上面的装配，或者用于在其它不希望将轴塞入轴承的情况下。不过，即使是图19和图20的剖分式装配，衬垫31、支撑腹板37和外壳30都成一整体。这种沿轴向剖分的构造特别有利于图21和图22所示的并在以下予以说明的一类模块式构造，由于它允许比较易于接近轴承的内部以便于装配。
本文所揭示的任何轴承衬垫构形，如果需要，可用作模块系统的一部分。例如，要做到这一点，可把衬垫部分和支撑结构做成个别的可连接件以及/或者配置一种用以可分离地固定此支撑结构于托架或外壳的装置。明确地说，本文所说明的轴承衬垫中，衬垫部分可以与支撑部分分别制成并配备一连接器，此连接器与支撑部分内的辅助连接器协作以可分离地或不可分离地在制造期间固定衬垫部分于支撑部分以形成一轴承衬垫。
例如，在图21-图24所示的实施例中(以下要予以说明)，此连接器采取在支撑支柱37p上端形成的螺纹形式。辅助螺孔即螺钉接纳部分制成于衬垫31之内。如此，衬垫31能可分离地拧入支撑支柱37p以形成被支撑于单一支柱上的轴承衬垫。当然，任何熟知的辅助连接器均可用以连接衬垫或带条部分于支撑部分。此外，衬垫可以或是可分离地固定，亦即以能够按通常方式重复地分离和再固定的方式固定，或是不可分离地固定于衬垫部分。例如，衬垫可以压装于支撑部分上;衬垫可以凸轮锁紧方式锁于支撑部分上(不可分离);衬垫可以键连于支撑部分上(可分离);衬垫可以扣闩装配于支撑部分上(通常不可分离)。当一种聚合物或橡胶希望用作衬垫部分时，可以模制或直接制成于支撑结构上。
分别地制成衬垫和支撑支柱或带条或其它支撑结构会提供超过早先熟知的整体构造的一些可观的优点。例如，不同的衬垫部分可与任何特定的支撑部分相联结，使标准衬垫部分和标准支撑部分可以组合起来以提供适合于多种用途的极为多种多样的轴承衬垫。从而，通过供给标准轴承衬垫部分的预定数量X以及标准支撑部分的预定数量Y，轴承衬垫的X乘以Y的变型即可构成。依此，实质上任何所要的性能特征均可获得。这种模块系统的通用性通过使用安装于外壳的弹簧梁而可进一步地增加，如下文中所述。这些外壳也可以是以流体减振的。标准衬垫部分和支撑部分可依照形状、材料和大小而变化以产生所要的性能特征。例如，衬垫可以用聚合材料、金属、陶瓷或复合材料制成。衬垫的形状通常是出于制造和性能的考虑加以确定的。任何所要形状的制造在衬垫分开制作时比较容易。例如，即使在整个轴承不能模制时，衬垫也可以压制或模制。目前的最佳构形示于附图。
模块式倾斜衬垫构造的一种形式示于图21和图22。如此实施例中所示，此轴承再次地包括衬垫31，藉一沿径向伸展的单一构件支撑于外壳30上。不过，在此情况中，支撑采取支柱37p的形式，支柱是模块式的，不与衬垫31结成整体。此支柱的设计可允许在此领域中支撑支柱的互换性。此外，此一设计可容许使用较为柔软和较为薄弱的衬垫材料，而同时使用强固的有高耐久极限的钢支柱37p供支撑之用。此柱可以是任何形状或者可以是圆形的，因而，如果需要，此柱可在周向和轴向两个方向上挠曲。更明确地说，支柱37p能沿周向挠曲，正如前述的带条37，以提供更好的稳定性。此外，支柱37p能沿轴向挠曲，以提供与所支撑的轴的更好对中。
图23和图24说明支柱37p对衬垫31的连接。如图中所示，支柱37p可以螺纹拧入衬垫。当然，其它形式的可拆分和锁定连接方法也可使用。图21和图22所示最为清楚，支柱37p可以借助调整螺钉37a固定于外壳上。
虽然前文中所述的轴承都是流体动力式的，但在某些用途中，借助于提供流体静力举升作用，轴承的性能可以改进。本发明的轴承可以改型以提供流体静力举升作用。这方面将结合图25至图30作进一步讨论。
在图25和图26所示的实施例中，类似于图1A中的倾斜衬垫轴承是带有流体静力举升作用的。此轴承再次包括多个沿周向隔开的、借助薄腹板37支撑于外壳30上的衬垫31。再者，如果需要，外壳30可以沿轴向剖分开来如图所示。
此轴承藉供输加压流体至衬垫31的中央区域(最好是带凹槽的)而形成流体静力举升作用。衬垫31藉单一腹板37对外壳30的接合简化了流体静力流体向衬垫表面的输送。特别是，采用这一类型的轴承，不需要高压软管。流体静力进给通道31Hf可引向如图25和图26所示的衬垫一侧，或者通过如图27、28、29和30所示的支柱37p或腹板37。
图27至图29说明倾斜衬垫轴承的另一实施例，它也具有流体静力举升能力。图示的轴承非常类似于图21至图24所示轴承，但是穿过支撑支柱37p和衬垫31的流体静力进给通道31Hf的配置除外。图29所示最为清楚，流体静力进给通道实际上沿径向伸展穿过支撑支柱37p的中央并终止于形成于衬垫31表面上的扩展的流体静力凹槽31Hr之内。流体静力进给通道31Hf的端部对置于流体静力凹槽31Hr，与一环状液体槽道30c呈流体连通。工作时，加压流体静力流体通过环状槽道30c提供至每一沿周向隔开的流体静力进给通道31Hf。此加压流体流过流体静力流体进给通道31Hf抵达流体静力凹槽31Hr，以便配合轴承的工作而提供流体静力举升作用。由于在所示的实施例中流体静力进给通道31Hf通过柱37p的中央，所以把支柱37p连接于外壳30的螺钉是偏置的，而支柱的底部是扩宽的。
图30显示依照本发明的流体静力轴承的另一实施例。在此实施例中，轴承衬垫31、支撑带条37和外壳30作为单件呈整体地制成。除此之外，图30所示的构造类似于图27至图29所示者。明确地说，流体静力进给通道31Hf沿径向穿过每一支撑带条37，以便在环状槽道30c和流体静力凹槽31Hr之间形成流体连通，而凹槽则形成于轴承衬垫31的每一区间的衬垫表面。
在本发明的经过改型以提供流体静力举升作用的任何轴承中，流体静力举升作用的基本原理是，引进一抗压液膜于衬垫和轴表面之间以防止两表面之间的直接接触。为了达成流体静力效应，希望配置一扩展的流体静力凹槽31Hr，如图27至图29所示。这是因为，总的流体静作用力是压力和流体压力作用其上的面积两者的函数。作用于轴上的此流体静作用力可通过提供一较大的承受流体压力的表面面积而增大。显而易见，流体静力凹槽的配置会增大高压流体作用的表面面积，因而增大总流体静作用力。
最后，可以指望，为某些用途来组合本发明的流体静力和减振特性是有好处的。这一点可藉提供一减振间隙或空穴与流体静力进给通道和凹槽相组合而完成。这将使轴承能够吸收震动类型的负载。
本发明的轴承已经结合据信是提出权利要求的本发明的最佳使用模式，亦即低温用途，在本文中作了说明。不过，本发明并不局限于用于这种场合。相反，本发明可应用于其它流体静力轴承场合，以及轴承间隙的主动控制和流体减振很有助益的其它场合。
图1B说明依照本发明的另一倾斜衬垫轴承。此轴承结构，除少许几点外，类似于图1A所示的轴承结构。第一，腹板31沿周向偏置，使轴承事实上设计得可支撑转轴仅在一个方向上转动。因为这种支撑对每一转动方向是不同的，所以衬垫的倾斜特性将随之变化而仅在一个方向上能适当地工作。示于图1B的轴承包括六个沿周向隔开的轴承衬垫31。再次地，每一衬垫支撑于单一的沿径向伸展的薄腹板37上。腹板则支撑于轴承外壳30上。再次地，极为重要的是，腹板37要充分厚以避免倾斜应力，但也要充分地薄，以使衬垫作为倾斜衬垫而不是作为固定性结构衬垫而倾斜。如图所示，带条有一长度超过其周向宽度。在图1B所示的实施例中，轴承外壳30装有沿径向伸展的油润滑通道30o，以便允许润滑剂流入轴承外壳。油润滑通道30o最好设置于两邻近衬垫之间，如图1B所示。
依照本发明的另一观点，一锥形止推台面31T装设于轴承外壳30上，以承受操作时发生的小量推力负载。例如，在轴承用于一行星齿轮装置中时，其中小量推力负载因设置行星齿轮轴而发生时，这样做可能是必要的。此止推台面31T应当最好是沿着轴承在周向上分隔开来。与图1A的实施例一样，图1B的实施例包括简单的枢转型腹板。不过，再次地，此支撑结构可以变更以提供附加柔性，如本文所述。
现在请参看图2、2A和图3，其中所示结构是轴颈轴承总成的一扇形段，内中制有沟槽和开缝，以便构成一外壳10和多个沿周向配置的轴承衬垫12，每一衬垫由一支持结构支撑，此结构包括外壳、一梁14和一短截部分16。此轴承并不对称于衬垫的周向中线13a(图3)。
于是，所示轴承是一种单向径向轴承，亦即，它适合于沿径向支撑转轴，使其仅在一个方向上转动。在所示实施例中，此轴承支撑转轴5，使其只在逆时针方向(由箭头所示)转动。另一方面，如果轴承对称于衬垫中线，它将具有能力支撑转轴5，使其在反时针和顺时针的任一方向上转动，亦即，此轴承会是双向的。
每一轴承衬垫12包括一前缘15和一尾缘17。前缘定义为，当轴连续转动时其圆周上的一点最先接近的那个边缘。类似地，尾缘定义为，当轴连续转动时轴上的同一点沿周向后来接近的那个边缘。当轴5转动于一适当方向上时，它在液膜上从前缘开始，滑过轴承衬垫，再脱离尾缘。当短截部分16支撑轴承衬垫12，因而任何负载时，在衬垫12周向中线13a和尾缘170之间的一点16a(图3)处，最好是更靠近中线13a处，可以获得最佳性能。梁14也应当绕着一点14a枢转，此点的角度位置是在前缘和尾缘之间，以致由于梁14的挠曲，尾缘17向内偏转。当然，偏转的程度，除了别的以外，还取决于梁的形状和形成于轴承内的切口或开缝的长度。
现在请参看图2和图3，可见衬垫12带有一精确端面13，它基本上对应于轴的外径的半径或圆弧，此轴由衬垫经由液膜予以支撑，而每一衬垫由沿轴向延伸的和径向延伸的各边缘予以界定。沿轴向延伸的边缘包括前缘和尾缘。在图3中，梁14显示于一静态位置(实线)和一偏转位置(虚线)之中。支撑结构的基本构造，如图1所示，是利用穿过壁部的细小开缝或切口而产生的。一般这些开缝或径向切口的宽度在0.002英寸至0.125英寸之间。偏转的程度，除了别的以外，可以通过改变切口的长度而予以改变。较长切口提供一较长力臂，会产生较大偏转。较短切口产生具有较小柔性和较高承载能力的梁。在选择切口或开缝的长度时，必须小心谨慎以避免共振。
借助于如图所示的梁14的终端位置，绕着连接点16a的向下偏转将产生衬垫12尾缘17的向内移动、前缘15的向外移动以及衬垫12的些微变平，如自图9的虚线可见。偏转的结果是，衬垫端面13和轴5的外表面之间的空隙(流体流经此间隙)变成楔形，以产生众所熟知的流体动力支撑效应。
理想的是，尾缘和轴之间的间距对前缘和轴之间的间距之比值在1∶2至1∶5之间。换言之，前缘和轴之间的间距应该是尾缘和轴之间的间距的2至5倍。对于任何特殊用途为了达到这一理想的间距或楔形比值，必须选定适当的偏转变量，包括这一单件的数量、大小、位置、形状和材料特性。一种计算机辅助有限元分析已证明是优化这些变量的最有效手段。计算机辅助分析特别适用于诸如上述类型的轴承，这类轴承允许在所有六个方向上活动(六自由度)。
流体动力轴承的性能中最重要的考虑问题是，被支撑的转动轴和轴承衬垫表面之间的空间形状(一般是渐窄楔形)。由于被支撑的轴的表面形状基本上不变的，因而在流体动力轴承的设计中最重要的考虑问题则是，在负载下的衬垫表面的形状。负载下衬垫表面的形状主要取决于两个因素衬垫本身的形状和衬垫支撑结构的构造和位置。为说明这一点，各种不同支撑结构的设计将首先讨论，随后再是各种不同衬垫设计的讨论。必须强调，本文中所揭示的各种不同支撑结构可与本文中所揭示的任何衬垫形状一起使用，以及，本文中所使用的衬垫形状可与本文中所揭示的任何支撑结构一起使用。
参看图4和图5，该图显示引用本发明特征的一种轴承的第二个说明性范例，其中此轴承制有开缝或切口以及沟槽来形成一轴承外壳30，带有一轴承衬垫32藉支撑结构而被支撑于外壳，支撑结构包括具有一对梁段34a、34b的梁，梁段大体上沿着离开衬垫的单一直线伸展。此外，此衬垫可以予以根切，使其仅由梁支撑于衬垫支撑表面34ps上。参看图5，可见梁34a、34b具有方便的短截梁端36、36a，它们充作梁的悬臂支撑。
从图4显然可见，图5的透视图仅显示衬垫32的一部分。完整的衬垫示于图5A和图5B中，它们显示图4所示的轴承的可能改型。各附图清楚地表明，衬垫支撑表面34ps位于离尾缘37比离前缘35较近的地方。采用这种构造，如图7所示，梁的扭曲将发生在梁的中部并产生如图所示的扭转挠曲。再次地，主要的柔性是由穿过轴承外壳壁部的微小切口或开缝形成的。这些切口提供轴承衬垫以六个自由度(亦即，此衬垫可在+X、-X、+Y、-Y、+Z和-Z方向上平移以及绕着X、Y和Z轴线转动)，而且目的在于优化流体动力楔的形成。如果这些切口或开缝在穿透之前即终止以形成梁段34a和34b，衬垫32就会由一连续的圆筒形膜片34m支撑，如图5A所示。此膜片充作一流体减振器，衬垫32支撑其上。切口的终止会发生在图4的A点和B点。膜片的柔性，与液体润滑剂相结合，可提供一种变更减振作用并把衬垫与外壳隔离的装置。减振采取阻尼器的形式，它展示高减振特性。
如图5B所示，通过由A和B点向下伸展切口或开缝，此梁即可较图5所示更简单地构成。
在此情况下，轴承被支撑住作简单的挠性转动，亦即支撑在单一的沿径向延伸的梁上。如前所述，此构造非常适合于某些用途。应当指出，采用此一构造，梁在径向方向上会些许地较长于其宽度，以确保充分的柔性。
参看图8，该图显示引用本发明特征的一种轴承的另一说明性范例。在此范例中，设有内部开缝或切口以形成一根梁式支持结构上的梁。明确地说，此轴承制作得带有沟槽和开缝或切口以形成一衬垫40，衬垫则藉梁42和44而由一外壳支撑。此衬垫于支撑短截40a和40b处连接此梁。梁至外壳的结构在支撑短截46和48处。再次地，此轴承包含窄小切口或开缝，这些切口如图示是穿过轴承壁切割出来的。在衬垫表面下面的切口或开缝60引进了附加的柔性，以致衬垫在负载下会改变形状以形成一翼面供引进润滑剂之用。从而，作为两点支撑的梁上梁，其结果是，衬垫可充作一弹簧状的膜片。
图10A显示负载下衬垫40的偏转形状。如附图(放大的)所示，此衬垫被制成并被支撑使得可以在负载下偏转成一翼面形状。此翼面戏剧性地改进了性能。自附图显而易见，此衬垫具有在X、Y和Z方向上位移的能力，以及绕着X、Y和Z轴线转动的能力，亦即此衬垫有六个自由度。再者，此结构允许构成最佳的流体动力楔形。
参看图9，此图显示出衬垫50端面的局部固有挠曲，在该处衬垫在负载下变扁平。这种挠曲与图3和图10所示的支撑结构的偏转是结合在一起的，但数值较小。最终结果是图3和图10中所示的形状，但是端面曲度已经微微地变扁平了。
图31和图31A表明依照本发明的轴颈轴承的另一范例。图31和图31A所示的轴承结构不同于前述的轴颈轴承结构，因为此轴承是双向的，亦即，此轴承能够支撑一轴，使其在顺时针或反时针任一方向旋转，如在图31中所见。因为衬垫对称于其中线，所以轴承是双向的，此中线定义为，通过轴承主轴线606和衬垫的几何中心沿径向延伸的直线。就像前述的轴颈轴承一样，图31和图31A的轴承制成为带有多个径向和周向的窄缝，以形成多个沿周向隔开的轴承衬垫632。
用于每一轴承衬垫632的支撑结构有几分类似于用于图8所示轴颈轴承的支撑结构。具体地说，每一轴承衬垫632由一梁支撑结构在两个衬垫支撑表面632ps处予以支撑。在每一衬垫支撑表面632ps处连接于轴承衬垫的梁网格是相同的，造成轴承的对称构造，使轴承成为双向的。为了简化叙述，只是在一个衬垫支撑表面处支撑轴承的梁网格将作描述，因为其它衬垫支撑表面是以完全相同方式被支撑的。从而，如图31所示，一通常沿径向延伸的第一梁640在衬垫支撑表面632ps处连接于轴承衬垫632。一通常沿周向的第二梁642连接于梁640的径向最外端。一通常沿径向的第三梁644自梁642沿径向向内延伸。一通常沿周向的第四梁646自梁644沿径向的最内部分延伸。一通常沿径向的第五梁648自梁644沿径向向外延伸至支撑结构的外壳部分。概括而言，图31所示轴承的每一轴承衬垫632由十根梁和轴承外壳支撑。其次，如下所述，在支撑结构的外壳部分内，藉形成沿径向延伸而沿周向分隔的沟槽或连续延伸的周向沟槽，此支撑结构的外壳部分即能设计成起到多个梁或膜的作用。还应当指出，像图8的轴承一样，衬垫的表面下所形成的切口或开缝会引进附加柔性，因此在负载下此衬垫会改变形状，以形成一翼面用作引入润滑剂。因此，作为梁两点支撑上的梁，结果是，衬垫作用如弹簧状的膜。
图31A和图31的径向横截面，显示第三梁644、轴承衬垫632和外壳。
图32、32A和32B说明依照本发明的另一轴颈轴承构造。此轴承构造不同于前述轴承构造，因为轴承衬垫和支撑结构是由形成于一圆筒形坯料上的较大沟槽和开口构成的。通常，这一类型的构造可能是靠铣磨坯料而制成的，而不是象前述实施例那样，靠电火花机加工或其它用以制成微小沟槽的技术。图32所示轴承构造的优点是，在需要极小轴承的用途中，与例如图1和图8的构造所需要的按比例说较小切口和开口相比，为制成图32、32A和32B中所示类型的轴承所需要的按比例说较大切口和开口易于精确地制出。此外，较大的沟槽或开口通常易于模塑或压挤。由较大切口所形成的轴承还发现可以用于需要具有刚强轴承衬垫支撑结构的极大轴承的用途。
图32所示的轴承衬垫对称于其衬垫中线706A。因此此轴承是双向的。此外，图32B的透视图所示最为清楚，此轴承具有一连续的截面，不带隐蔽开口。因此它是易于挤压的和易于模制的。当然，此支撑结构也可通过在截面内提供不连续性而予以改变，例如，提供沿径向延伸的周向沟槽或非对称设置的沿径向延伸的开口以改变支撑结构，并借此改变操作特性。此轴承的主轴线为706。
如图32所示，此轴承包含多个沿周向分隔的轴承衬垫732。每一轴承衬垫732由一支撑结构支撑，此支撑结构包括一对大致为径向的梁740，在衬垫支撑表面处连接于轴承衬垫732。一通常沿圆周向延伸的第二梁742支撑每一梁740。梁742以悬臂方式连接于外壳或支撑短截744。在此轴承中，梁740可视为主要支撑结构;梁742可视为辅助支撑结构;以及梁744可视为第三支撑结构。
图32所示的第二梁742是借助于在支撑结构的外壳内制成多个沿径向延伸的周向沟槽750而形成的。为了保持此双向轴承的对称性，这些沟槽是以相同于轴承衬垫732的周向分隔的方式围绕中线706A而沿周向分隔开来。当然，类似的沿周向分隔的径向沟槽可以设置在任何以前的轴承构造之中。例如，如前面指出，图31和图31A所示的轴承结构的周边内可以作出这种沟槽，以提供进一步的梁状支撑。
图32A是图32所示轴承的一部分的径向横截面。在此横截面中，可以看到轴承衬垫732和第一梁740。
图32B是图32中轴承的透视图，应当指出，尽管轴承的周边、圆周形和圆筒形各部分画成有几分呈片段状以突出其曲率，但这些折曲表面事实上是连续弯曲的。
图33表明依照本发明的一种轴颈轴承构造。像图32的轴承一样，图33的轴承是由按比例说较大沟槽和开缝形成的。具体地说，多个等距离分隔的沿径向延伸的周向沟槽形成了多个沿周向分隔的轴承衬垫832。轴承衬垫832进一步由一对沿轴向延伸的周向沟槽界定，这些沟槽从圆筒形坯料的各平面端面对称地延伸，在图33B和图33C内最为清楚可见，其中这些沟槽是用参考代号834和835表示的。此轴承支撑结构是由前述结构特征以及多个沿周向分隔的对称配置的浅孔838和多个沿周向分隔的对称配置的深孔837形成的。因为“隐蔽”孔837、838的存在，图33的轴承构造是不可压挤成形的，也不可在简单的两片式模具中从事模制，亦即是不易模制的。
图33A所示最为清楚，深孔837交叉轴向沟槽836，以便为每一轴承衬垫形成支撑结构。此支撑结构进一步由从圆筒形坯料的外周边延伸的周向沟槽839所界定。
参考图33至图33C即可了解，上述各构件的设置为轴承衬垫832提供了支撑结构，包括直接支撑衬垫的一梁840，亦即一主要支撑结构;两个连续梁882，亦即一第三支撑结构;和一辅助支撑结构，包含多个部分地由孔837和838界定的、连接梁840至连续梁882的梁。
因为图33至图33C所示的轴承支撑结构不对称于从主轴承806延伸的衬垫中线，所以它是单向的。其此，像图32的轴承一样，此轴承特别适合于需要极小轴承的用途，因为形成此轴承及其支撑结构的按比例说较大沟槽和孔眼更易制造。
图34和图34A至图34B表明依照本发明的另一轴颈轴承构造。图34的轴承构造类似于图33者，因轴承衬垫及其支撑结构是由按比例说较大沟槽和孔眼形成的。如图所示，轴承衬垫932的支撑结构像轴承衬垫832的支撑结构一样。具体地说，虽然每一轴承衬垫932的支撑结构完全相同，但此支撑结构关于每一轴承衬垫并不是对称的。因此，图34所示的轴承是单向的。况且，因为支撑结构包括“隐蔽”开口，所以此轴承是既不可挤制也不可在简单的两片式模具中模制的。
如附图所示，此轴承支撑结构包含具有一对梁状构件940的主要支撑结构，这些构件连接于轴承衬垫932并且部分地由对称配置的开口942界定。在轴承外周边上所形成的周向浅槽形成了具有一对连续的梁状构件982的第三支撑结构。具有用以连接梁940至连续梁982的梁-膜网格960的辅助支撑结构是由设置多个对称配置的较大孔眼944、对称配置的较小孔眼946以及非对称配置的较小孔眼948而形成的。凭藉非对称配置的孔眼948的设置，此支撑结构在那些孔眼的方向上更具有柔性，并从而向该方向偏移。
过去，流体动力轴承的衬垫形状曾经是以制造方便作主导。就止推轴承而言，传统上这就意味着，以扇形衬垫来使支撑面积最大，或者在申请人早期的美国专利第4676668号的情况中，以圆形衬垫供低成本制造用。就径向轴承而言，使用过具有简单圆筒形截面形状的衬垫。在许多状况中，此类传统的衬垫形状能被支撑以获得最佳效果。不过，本发明人业已发现，重要的性能特征可藉变更传统的衬垫形状而获得。从而支撑结构可以简化，而在某些状况中，甚至可以免除。
一典型径向轴承衬垫的范例显示于图36内。用于顶视图T、透视图E和侧视图S的观察方向分别由标有T、E和S的箭头指明。
对传统的径向衬垫形状的各种不同改动将在后面讨论。应当理解的是，对衬垫形状的任何这类改动均可相组合地或者单独地使用。同时，这些变更可以较为容易地适用于其形状不同于所说明的特定衬垫形状的衬垫。此外，衬垫可能是对称形状以容许双向操作，或者是非对称的，以提供取决于转动方向的不同操作状况。下面所讨论的经过改动的衬垫形状可与任何支撑结构相组合地使用，包括在适当地方所说明的用途之中的那些支撑结构，或者，在以适当的组合使用时，这些衬垫形状可以一起免去对偏转式支撑结构的需要。
对一般衬垫形状的首先可能的变更示于图37至图38。
此一变更基于有限元分析，它表明，在某些情况下，增大润滑剂进入处的边缘(前缘)长度可改进轴承性能。尤其是，加长此一边缘可使更多的润滑剂引向衬垫中心。为达到此一效果，一径向切口可制成于衬垫表面上以加长前缘。此切口可以制作得或是完全通过此衬垫，或是部分地通过此衬垫表面以便在衬垫表面内提供一凹槽。应当牢记的是，此类径向切口的设置会减少衬垫的承载表面。因此，存在一种损失，即较多的润滑剂，但是较少的承载表面。
图37和图38分别显示在每一边缘处做出径向切口32c而形成的径向轴承衬垫32的侧视和顶视图。径向切口32c的设置增加了进入衬垫中心的润滑剂量，但同时减少了衬垫的承载表面面积。示于图37和图38的径向轴承具有双向衬垫，因为在每一边缘内做出径向切口32c而使它是对称的。
图39表明对基本衬垫形状的另一可能变更。明确地说，轴承衬垫的前缘做成锥形会造成入口弯度增大。这将容许更多的润滑剂进入轴和衬垫之间的空间，从而增加衬垫的承载能力。使用计算机作复杂的有限元分析，可预估获得最佳润滑剂流量所需的弯度大小。
图39显示在其每一边缘处形成一锥形32T以容许双向操作的径向轴承衬垫32的侧视图。
基本衬垫形状也可借助于在衬垫的侧缘上配置轨条而予以变更，以致在负载下此衬垫偏转以形成一槽道，此槽道可保持润滑剂于衬垫端面而尽量减少端部或侧面的泄漏。
衬垫形状如此变更的范例示于图40。图40显示一径向或轴颈轴承32，装有侧向边缘轨条32r于其轴向边缘上。负载下衬垫的偏转，再次地大为放大之后，以虚线表明。由此放大范例可显然可见，此衬垫于负载下变形后形成一润滑剂保持槽道以防止润滑剂沿着轴承的轴向两端泄漏。
如前面参考图39所曾指出，有时希望增大轴承衬垫的前缘入口弯度。用以达成或增强此一所要效果的另一经过变更的轴承衬垫形状示于图41。明确地说，前缘做成锥形之外或取代它的方法是，可在衬垫下侧的下缘上接近前缘处做出沟槽以促使前缘弯度增大而同时保持一较为扁平的平面。图41显示一径向轴承衬垫32，具有沟槽32g形成于靠近各侧缘的外表面上。
流体动力衬垫设计上的另一考虑是，衬垫本身可以借助于迳直地设置沟槽以界定各个衬垫而自一单一构件制成。图42说明一圆筒形体如何经由界定沟槽32p于其径向内表面上的衬垫的设置而被分割成为各个轴颈衬垫32。
特殊衬垫形状设计上的一最后考虑是在衬垫上设置底部凹槽。明确地说，底部凹槽的设置可促使以有一些像图40所示的方式来形成槽道，并允许像图39所示锥形结构那样构成入口弯度。用于单向操作的在衬垫内形成底部凹槽的范例示于图43。唯一的差异是，此衬垫可能制成为具有锥形剖面。
图43显示一径向轴承衬垫32，配置一底部凹槽32b于其一边缘上。同样，这是一种单向轴承。
图44表明类似于那些示于图43中的轴承衬垫构形，区别是，底部凹槽32b设置于轴承衬垫的两边缘处以便能容许双向操作。明确地说，图44内此径向轴承衬垫32包括在其每一缘处的底部凹槽32b。再者，这些凹槽要比图43所示单向轴承内所设置的凹槽短一点。
如前所曾指出，任何特殊用途的衬垫形状的设计要视该用途的需求而定。前述各项结构变更和考虑可单独使用或组合使用。
图45显示具有径向切口32c形成于其各边缘内以增加前缘长度的轴颈或径向轴承衬垫32的顶视图。这样会增加润滑剂传送至轴承衬垫表面的份量。
图46显示图45的轴承衬垫32的侧视图。由这一视图可能看到径向切口32c形成于衬垫的顶部表面上、锥度32t形成于衬垫的底部边缘、底部凹槽32b形成于衬垫的底边上、沟槽32g形成于衬垫的底边上以及轨条32r自衬垫的底表面沿径向向外伸展。
图47显示图45和图46的轴承衬垫的底视图，其中底部轨条32r、沟槽32g和底部凹槽32p明显可见。如有需要，具有示于图45和图46的一类衬垫的轴承可以自一单件制成，而藉如图42所示的衬垫界定沟槽使衬垫相互分隔。
本发明的一个重要方面是揭示了可以机加工的各种轴承形状，亦即，使用一般可用的机加工技术加工一件厚壁管料或类似的圆筒形轴颈而能产生的轴承形状。此类轴承的特征是，它们是经由孔、开缝和沟槽的设置而自一件厚壁管料或类似的圆筒形轴颈制成的。此类轴承的优点是，易于制造原型并易在于试验后更改原型。当然，在轴承要作大量生产时，例如使用模制或铸造技术时，不同的制造考虑可导致不同的形状。重要的是要认识到，形状上的改变会影响轴承的性能。
另一制造考虑在于容易模制。当然，本发明的大部分轴承构造是可以由某种模压技术来模制的。不过，只有某些形状是可以在一简单的两件式模具中，亦即一种不包括彷形板的模具中，用注射法模制的。本发明的轴承的另一优点是，轴承能以可容易模制的形状来建造，这些形状定义为可以利用一简单的两件式模具作注射模压。一种可容易模制的形状通常的特征在于，没有需要彷形板用于模塑的隐蔽空穴。例如，就径向轴承而言，一种可容易模制的形状包括在内和外径内没有沿径向延伸的沟槽，以及轴向截面连续。示于图32、32A和32B中的轴承是可容易模制的径向或轴颈轴承的示例。
在某些气体或空气润滑式偏转衬垫轴承中，存在着负载或速度超过空气薄膜能力的情况。在这些情况中，必需引进液态润滑剂进入渐窄楔隙中而不装设液槽或液池。图35和图35A表明用以达成此目的的轴承构造。特别是，这些附图表明符合本发明的另一重要方面的一种新颖自润滑偏转衬垫轴承。此轴承基本上是本文所述的一类偏转衬垫轴承，只是变更为包括润滑塑料在其各种开口之内。
用于此轴承内的塑料是传统的可浇铸的多孔塑料，在浸入润滑液时，它具有吸收这种液体的能力。一种此类塑料以商标名称POREX出售。一般而言，多孔塑料可藉注射空气进入塑胶材料内以形成孔隙而由各种不同的塑料制成。特别是，液体是以类似吸油绳的方式被吸入多孔塑料并由塑料保持就位的。
润滑式偏转衬垫轴承的制成方法是，采用上文所述类型的传统的轴颈式、止推式或径向和止推组合式偏转衬垫轴承，并沿着和深入各偏转构件之间的空间浇铸或注射传统的多孔塑料。如此制作的结果是，在操作期间，轴的运动以及各偏转构件的压缩促使润滑液体脱离多孔塑料并被吸入渐窄楔隙的前缘。充满液体的楔的形成大大地增加了轴承的负载和速度能力。在液体越过衬垫表面之后、离开尾缘之前被多孔塑料重新吸收。
本发明的一个重要方面是一般轴承材料与多孔塑料相结合的复合结构。由于这种复合，有可能利用两种材料各自的独特特性。更具体地说，单是传统的多孔塑料会成为劣质偏转衬垫轴承材料，因为塑料中的孔隙是实实在在的空白，对形成很薄的液膜是不利的。另一方面，不带孔隙的传统的塑料或金属轴承材料没有在任何较大程度上吸收润滑剂的能力。然而，通过以上述方式使用两种材料即可获得有效的自润滑流体动力轴承。其次，一般轴承材料与可吸收润滑剂的多孔塑料配合使用还会得出一些复合效果。例如，轴承表面的复位有助于迫使液态润滑剂进入前缘。此外，轴承表面的槽道状或润滑剂持留状变形有助于容纳液体。
图35和图35A显示本发明的自润滑偏转衬垫轴承的范例。特别是，这些附图所显示的轴承类似于先前所述的轴承，但已经变更以包括吸液多孔塑料充填于偏转构件之间的空间。在某种程度上，此轴承起着骨架部分的作用，而多孔塑料部分起着保持和释放的润滑剂海绵的作用。
特别是，图35和图35A显示一自润滑轴承具有基底轴承结构，它基本上与图32和图32A所示的轴承相同。不过，图35的轴承结构作了如下变更，即多孔塑料已填入轴承之间的开口和支撑结构内的开口，而这些开口是与轴承衬垫732之间的空间相连通的。当然，在轴承衬垫下面的空间也可以填满多孔塑料。不过，除非该多孔塑料与轴承衬垫表面之间相通，否则此类多孔塑料区域的设置将会是毫无效果的。
自润滑偏转衬垫轴承的制造包括三个一般步骤。第一，基础轴承或骨架部分由一般轴承材料制成。第二，多孔塑料经注射进入轴承结构内的所要空间中。为了制造方便，塑料注射进入不带润滑剂的轴承。最后，轴承连同已注入所要空间内的多孔塑料一起装填液体润滑剂。为了恰当地用液体润滑剂装填塑料，必须自一边将润滑剂注入。液体内的汇合现象将造成一未填满的内部部分。这是由于不能容许孔隙自一边通气所促成的。
安装于轴上时，本发明的轴承可设计成具有干涉配合，这样随着轴承被迫置于轴上，衬垫稍微地偏转，以便在其固定的安装位置上形成一渐窄楔隙。尾缘轴承衬垫与轴接触。在启动的瞬间，流体膜进入楔隙并集结流体压力而促使轴和衬垫隔开。因此，依照本发明的另一重要观点，本发明的轴承可以如此设计并定出尺寸，即当轴静止时轴承尾缘与有待支撑的轴部接触。
图1C显示“三衬垫强制置中式偏转衬垫轴承”的侧视图，此类轴承用于转动轴的漂浮现象必须减至最少或予以消除的一类用途中。如图1C所示，此轴承包括两种不同类型的衬垫示于32处的周向短衬垫以及示于31处的周向长衬垫。短衬垫32起着弹性对中衬垫的作用，这种衬垫以零间隙亦即与轴接触开始，并在流体动力压力下以设计速度扩张至一较大的操作间隙。较大的绕正中心作枢转的衬垫31对微弱的不平衡响应提供低枢转刚性和高径向刚性并保持稳定。
较大的绕正中心枢转的衬垫31的操作类似于结合图1A和图1B所述的倾斜类型衬垫。衬垫31由单一的带条37支撑以便只在附图所示平面内具有柔性。不过，至关重要的是，带条要薄得以致实际上对枢转不给予阻力。至少，带条的径向长度应超过其周向宽度。本质上，较大衬垫31具有的支撑结构37，它就只容许衬垫31枢转。众所周知，像这样的单纯枢转构造会在运转速度下提供适当的支撑。
为了在启动时确保轴适当的置中和支撑，较小衬垫32具有更具柔性的支撑结构。明确地说，衬垫32的支撑结构包括一呈短截轴状的主要支撑部分371、呈硕长周向梁372状的辅助支撑部分以及连接辅助支撑部分372于轴承30底座或外周边的呈短截轴状的第三支撑部分373。因为梁372的硕长特性，任何作用于衬垫32表面上的力量可导致围绕枢转点(pp)的枢转，如图1C所示。这一枢转点(pp)沿周向位于轴承衬垫32的尾缘32t之外。于是，作用在轴承衬垫32上的任何力量将造成沿图1C所示的方向所产生的力矩(M)。此将确保，在静态状况下，衬垫32和轴之间的接触只发生在衬垫的尾缘处。这样，即使在静力状态下也可形成完好的楔隙。
此外，轴和每一衬垫32的每一尾缘的接触共同保持轴心于适当位置。因此，启动时流体动力效应立刻产生，同时轴会正确置中而其跑偏情形不会发生。因此，这种流体动力轴承不像已知的流体动力轴承，它能用于不允许有的轴的浮动的用途中，例如，用于空隙型的机械端面密封。流体动力轴承相对于滚动元件型轴承的优点已如上述。另一个重要优点发生于高速情况下，此时滚动元件轴承承受急剧磨损，而流体动力轴承因为没有轴对衬垫的接触，所以不带磨损地执行其任务。
显示于图1C内的特殊轴承构造包括两种类型的衬垫支撑结构。这会形成极为多样的支撑状况。不过，应当理解，轴承可能被如此设计，即每一衬垫以相同方式支撑。如果轴要求置中，那么每一支撑结构应该像轴承衬垫32的支撑结构一样地设计，因此由静力负载所造成的枢转以图1C所示的方式发生在衬垫尾缘之外，使得在静力负载下此衬垫偏转至仅使其尾缘接触轴的地步。这将确保形成完好的楔隙并同时适当地将轴置中。
数量小时，本文所揭示的轴承最好用电火花机加工法或激光切割法制造。显示于附图中的双线是金属极棒或光束的实际路径，一般直径是0.002～0.060英寸(0.50至1.52毫米)。流入电火花机加工制出的路径内的润滑剂起着流体减振器的作用，它在共振频率下可减小任何振动或不稳定性。在上述情况中，在连续的圆筒形膜形成时，其减振作用采取像阻尼油缸的形式而展示高减振特性。设计上的一项重大考虑是，支撑结构的长度和方向要定得可提供如图3所示的朝内偏转。同时，衬垫本身在负载方向上的微小挠曲，如图9所示，会导致偏心率改变，进一步改进轴承性能。在Faires的“机械零件的设计”一书中指出，轴承中心和轴的中心之间的距离称为轴承的偏心率。这一名词对精于轴承设计的人是熟知的。采用调整或变更轴承构形或结构的刚性，特别是梁的刚性，以适应特殊的轴承用途的此项新颖方法，最佳性能是易于获得的。新近的计算机分析业已展示，实际上任何刚性或偏转均可实现。
如前所指出，在制造小批量的本发明轴承或其原型时，轴承最好用电火花机加工法或激光切割法制作。此小批量或原型通常用金属制造。不过，在需要某种特殊轴承的大批量生产时，诸如注射模压、浇铸、粉末金属模铸或挤制等其它制造方法更为经济。与此类制造方法相关连，采用塑料、陶瓷、粉末金属或复合材料以制成本发明的轴承可能更为经济。无疑，诸如注射模压、浇铸、带烧结和压挤的粉末金属模铸等都是充分为人熟知的，其过程勿需在此详述。同样，原型轴承一旦制成时，供轴承大量生产用的模具或类似品的生产方法，对精于模塑或浇铸技术的人来说，也是众所周知的。此外，应当了解，仅仅某些类型的本发明的轴承才适于以大批量经由挤压制成。通常是那些仅仅经由设置周向沟槽和径向及周向切口或开缝(它们沿轴向透过整个轴承)而制成的轴承，亦即那些具有不变的，或者说，可挤制的横截面的轴承。
依照本发明的另一方面，一新颖的熔模铸造法经发现特别有用于中等数量的制造，例如少于5000只轴承。依照这一制造方法，熔模铸造程序的第一步骤是原型轴承的制造。如上所述并详述如下，此原型可以用很多方式制造，但最好是通过机加工一件厚壁管料或类似的圆筒形轴颈从事制造。在较大的轴承中，此圆筒形轴颈一般是使用车床作机加工以制成端面和周向沟槽，并使用铣床作机加工以制成轴向和径向孔眼。在机加工较小的圆筒形轴颈时，诸如水射流切割、激光和金属极棒电火花技术等通常更为合适。不过，在任一应用中，轴颈一般都经车制和铣制以形成较大的沟槽。
在原型轴承制成之后，可能希望测试一下此原型以证实轴承能以预定方式执行功能。由于此一测试的结果，可能需要改进或精制此原型以获得所要的效果。
一旦获得令人满意的原型，即制成原型的橡胶模具。一般，此一步骤包括埋入此原型于熔化橡胶之中，并让橡胶固化以便形成原型的橡胶模具。封裹原型的橡胶随后劈开，取出原型以产生敞开的橡胶模具。
一旦获得橡胶模具，就用于制成一蜡铸件。此步骤一般包括把熔蜡注入橡胶模具并让蜡硬化以形成轴承的蜡铸件。
获得蜡铸件之后，就用来制成石膏模具。此步骤一般包括埋入此蜡铸件于石膏之中，让石膏在蜡铸件周围硬化以形成石膏模具。
此石膏模具随后即可用来制作轴承，具体地说，熔化的轴承材料，诸如青铜，注入石膏模具以便熔化并从模具中排出蜡铸件。如此，石膏模具就填满了熔化的轴承材料，而熔化的蜡则自石膏模具排出。
熔化的轴承材料被容许硬化之后，石膏模具从轴承周围移除，一轴承即可获得。
因为这一制造方法涉及蜡铸件的牺牲，所以称为熔模铸造或失蜡铸造。
尽管上述熔模或失蜡铸造方法涉及蜡铸件的牺牲以及橡胶及石膏模具的制作，并且劳动强度十分之大，但是在需要中等数量的例如少于5000只的特殊轴承时，经证实还是具有成本效益的。适于少量轴承需求的这一方法的成本效益是基于以下事实，即用于此一方法中的模具比起注射模塑或粉末金属铸造所需要的复杂模具要便宜得多。
如前面所指出，在生产根据本发明的轴承的熔模铸造方法中，(事实上在任何方法中)第一步骤是原型轴承的生产。依照本发明的另一方面，本发明的比较复杂的轴颈轴承和止推轴承可以利用各种简单的制造技术制成。类似的技术既可用于止推轴承，也可用于轴颈轴承。
考虑到以上所述，说明一下经由电火花制造和机加工的使用以制造单一轴颈轴承的方法就可以认为是充分的了。可以认为，此类制造方法的说明将显示出可以多么容易地获得本发明的较复杂轴承形状。
每一轴承最初具有带圆柱形孔眼的圆筒形坯料形状，如图11A和图11B所示。此坯料随后经机加工以形成一径向润滑流体沟槽，如图12A和图12B所示。对于某些用途，希望进一步加工此坯料以具有端面沟槽，这些沟槽最好是对称地配置在轴承的径向端面上，如图13A和图13B所示。此类端面沟槽的设置最终会产生一易于扭转变形的轴承。虽然显示于图13A和图13B内的沟槽是圆柱形的，但也可配置锥形沟槽，如图14A和图14B所示。如以下明显可见，这样所产生的轴承，由于各支撑梁的斜向对准而展现出改进的偏转特性。在此应当指出;各支撑梁最好是如图14A内所见沿着汇聚于轴的中线附近一点的各条直线形成锥度。这将确保，由于为整个系统形成作用中心而使挠曲围绕轴的中线发生，因而衬垫可以对轴的不对中作出调整。本质上，支撑梁的锥度促使轴承以类似于球面轴承的方式起作用，这是由于支承力量集中于单独一点上，围绕这一点，轴可在所有方向上枢转以纠正任何不对中。图14A内的箭头说明变位的作用线。
具有图12A和图14A所示这类横截面的轴承在保持流体动力液体方面特别有效。因为此轴承衬垫在靠近轴承衬垫的轴向终端处被支撑，而轴承衬垫的中央部分并不直接被支撑。由于此一构造，轴承衬垫的支撑方式使能在负载下变形而形成一液体保持凹坑，亦即此轴承衬垫的中央部分沿径向地朝外偏移。这将大大地减少流体泄漏。当然，凹坑形成的程度要视轴承衬垫和支撑结构的相对尺寸而定。较大的液体保持凹坑可通过配置较薄轴承衬垫表面以及在轴承衬垫的轴向最终两端支撑此衬垫表面而获得。
当圆筒形坯料适当地机加工之后，如图12A和图12B、图13A和图13B以及图14A和图14B所示，径向和/或周向开缝或沟槽沿着加工坯料的径向端面制成以形成轴承衬垫、梁支撑和外壳。图14C和图14D表明此类沟槽制成在图14A和图14B的加工坯料内。在制造少量轴承或用于模具制造的轴承原型时，切口或开缝最好是经由电火花制造方法或用激光制成。机加工圆筒形坯料以获得示于图12A和图12B、图13A和图13B、图14A和图14B等图中的形态或类似的形状，均可通过传统的机床，诸如车床或类似的机床来完成。
本发明的轴承的性能特征出自轴承衬垫的有关形状、大小、位置和材料特性，以及在加工坯料内制成的孔眼和切口或开缝所构成的梁支撑。这些参数主要是由制成在轴承内的径向和周向孔眼、切口或开缝的尺寸和位置(连同在其中制有孔眼或开缝以形成轴承的加工坯料的形状一起)来确定。
如前所指出，虽然本发明轴承的制作涉及机加工方法时最易了解，但数量较大时最好是经由本发明的熔模铸造法制造，而在更大规模地生产本发明所设想的轴承时，经由注射模塑、铸造、粉末金属模铸、挤制或类似方法可能会更经济地得以实现。
自一管状圆筒形坯料挤制大量轴承时，径向润滑流体沟槽，如图12A和图12B所示，可以于挤制之前沿着管状圆筒形坯料的全长形成。不过，如果希望在轴承中有端面沟槽时，它们可以在从已经挤制和已经机加工的胚料上将各个轴承切分之后个别地形成。因此，挤压法或许不是生产需要具有端面沟槽以增强扭转柔性的轴承的最佳方法。
为了要在一单件式设计中利用单一带条支撑其衬垫以获得可变化的衬垫几何形状，此带条必须具有足够的柔性，以致衬垫可随着转动轴施加的负载而转动，如图1D所示。这一挠曲转动特性把本发明同其它流体薄膜轴承显著区别开来。衬垫随着负载挠曲和旋转的能力可让交联刚性象倾斜衬垫轴承一样地接近零。这将确保稳定的操作。腹板尺寸要视在各特殊用途中所施加的负载以及其它参数而定，这些参数根据轴承的特定用途和材料构造而变化。在一特殊用途中转动刚性值是由稳定性分析决定的，在此分析中此刚性予以改变直至达到某一范围，在此范围中转动柔性可提供比得上倾斜衬垫轴承的性能。倾斜衬垫轴承可在油膜内倾斜并集结压力，此油膜对称地围绕着轴颈。本发明的轴承也可倾斜，但其倾斜并非像在一般倾斜衬垫轴承内那样由于滚动作用而产生。不同的是，在本发明的轴承中的倾斜是由于腹板部分的柔性，它允许衬垫转动或倾斜以适应施加的负载。虽然具体尺寸取决于具体用途，但按常规此带条在径向的长度应当大于周向的宽度。
权利要求
1.一轴承，在一个包括一轴和一液体供应源、以及一用于加压此液体以便支撑此轴转动于一加压液膜上的流体动力液膜轴承的组件中，此轴承包括多个基本上沿周向绕轴分隔的轴承衬垫，一轴承外壳沿径向伸展于轴承衬垫外面并包围此轴承衬垫，以及多个数量与轴承衬垫数量相等的薄腹板，各腹板支撑在形成于外壳内的一膜片上，并沿径向延伸于衬垫之一和轴承外壳内的膜片之间，以便支撑此衬垫作枢转活动，每一腹板有一径向长度和一周向宽度，此径向长度大于周向宽度；因而在负载下，此腹板弯曲，使得衬垫相对于轴发生倾斜，以致形成一渐窄楔隙于轴和衬垫表面之间，此渐窄楔隙促使液体受压，以形成一加压液膜于轴和衬垫之间。
2.如权利要求1所述的轴承，还包括一限制装置以防止负数预负载情况的发生。
3.如权利要求1所述的轴承，其中每一膜片被支撑在一狭窄减振空隙上面，此空隙充填以流体，并且还包含流体输送通路穿过此外壳，并与减振空隙相连通，以进行衬垫位置和减振特性的主动控制。
4.一轴承，在一个包括一轴和一液体供应源、以及一用以支撑一轴作转动的单件式流体动力液膜轴承的组件中，此轴承包括一基本上为圆筒形的轴承外壳，外壳上设置切口和沟槽以形成多个沿周向分隔的轴承衬垫，以及单一的沿径向伸展的腹板连接各轴承衬垫至轴承外壳，每一腹板充分地薄，能使轴承衬垫在负载下偏转以形成一渐窄楔隙于衬垫和转动轴之间，以加压此液体并保持一对称的压力分布;一沿径向伸展的喷嘴设置在每一对相邻的衬垫之间，每一喷嘴沿径向朝向延伸至一点，此点在衬垫表面的仅仅稍许外面处，以及一润滑剂通道形成于每一喷嘴内，每一润滑剂通道与润滑剂供应源相通。
5.一轴承，在一个包括一轴和一液体供应源、以及一用以加压此液体以便支撑此轴转动于一加压液膜上的流体薄膜轴承的组件中，此轴承包括多个基本上沿周向围绕此轴而分隔的轴承衬垫，一轴承外壳沿径向伸展于轴承衬垫的外面并包围此轴承衬垫，以及至少一个支撑构件形成于外壳内并伸展于衬垫之一和轴承外壳之间，以便支撑此衬垫作活动，因而在负载下，支撑移动并使衬垫相对于轴移动;以及一流体静力进给通道形成于轴承内并使加压流体供应源和轴承衬垫表面之间连通。
6.如权利要求5所述的轴承，其中支撑此轴承衬垫的支撑构件包含一单一薄腹板，它沿径向伸展于衬垫之一和外壳之间，以支撑此衬垫作枢转活动。
7.如权利要求6所述的轴承，其中此流体静力进给通道通过单一薄腹板而沿径向延伸至被腹板所支撑的衬垫的表面。
8.如权利要求5所述的轴承，其中每一轴承衬垫有一衬垫表面面向转动轴、一支撑表面面向支撑结构、一前缘、一尾缘和两个侧缘，其中一径向切口端面形成于前缘内以加长此前缘。
9.如权利要求5所述的轴承，其中该轴承衬垫端面有中心线，以及该支撑部分在该中心线和该尾缘之间的一点处支撑该轴承衬垫。
10.如权利要求5所述的轴承，其中此轴承有一可易于模制的形状。
11.如权利要求5所述的轴承，还包括一多孔塑料物质充填在轴承衬垫之间的空间，此多孔塑料物质填装以润滑剂，以致至少一个轴承衬垫和支撑结构的偏转会促使多孔塑料物质释放润滑剂至轴承衬垫表面上。
12.如权利要求5所述的轴承，其中此轴承是双向的，因此它包括两个前缘和两个尾缘。
13.如权利要求5所述的轴承，其中每一轴承衬垫的支撑表面朝向前缘呈锥形，因此，该衬垫在其前缘处较轴承衬垫的中央为薄，以增加轴承衬垫前缘的柔性。
14.如权利要求5所述的轴承，还包括一沟槽，此沟槽形成在每一轴承衬垫的支撑表面内接近轴承衬垫的前缘处，以在支撑表面的方向上增加轴承衬垫的柔性。
15.如权利要求5所述的轴承，还包括一底部凹槽形成在每一轴承衬垫的支撑表面内，此凹槽与两侧缘间隔开，并自轴承衬垫的前缘延伸展，以在负载下此衬垫变形而形成润滑剂保持槽道并增大前缘的弯度。
16.一种支撑一旋转轴的流体动力轴承，此轴承包括多个分隔的轴承衬垫以及一支撑结构用以支撑此轴承衬垫，每一轴承衬垫有一面向旋转轴的衬垫表面、一面向支撑结构的支撑表面、一前缘、一尾缘和两个侧缘，其中一单一薄腹板设置在轴承衬垫的支撑表面上，自支撑表面沿径向朝外伸展至支撑结构，以支撑此轴承衬垫在支撑结构上，因此，在负载下该衬垫可作枢转;此腹板是与轴承衬垫分开制作的，并靠螺纹拧入轴承衬垫。
17.如权利要求16所述的轴承，其中每一轴承衬垫的支撑表面朝向前缘呈锥形，因此该轴承衬垫的前缘较轴承衬垫的中央区为薄。
18.如权利要求16所述的轴承，其中一沟槽形成于支撑表面内靠近轴承衬垫的前缘处，此沟槽延伸于轴承衬垫的两侧缘之间朝向衬垫表面，以便增大前缘在背离被支撑轴的那一面的柔性。
19.如权利要求16所述的轴承，其中一凹槽形成于每一轴承衬垫的支撑表面内，此凹槽与两侧缘间隔开并自轴承衬垫的前缘延伸，以形成轴承衬垫的根切区，轴承衬垫未作根切的部分与支撑结构接触，因此在负载下，此轴承衬垫的根切区朝向支撑结构且背离被支撑轴地偏移，以形成润滑剂保持凹坑并使润滑剂能进入前缘。
全文摘要
一种具有流体静力支撑特性的单件式流体动力轴承。轴承的衬垫被支撑于单一薄腹板上以可在一支撑结构上作枢转活动，支撑结构可包括一个或多个似梁构件。此轴承具有流体静力及主动控制性质。在衬垫支撑膜片下面设置的腔穴可以用作主动控制装置。压力可促使轴承的安装或装配间隙减小，从而提供较好的减振和对中能力。衬垫内的预负载可以此方式作主动控制。此衬垫还可有一限制装置以防止发生负的预载荷情况。
文档编号F16C33/10GK1111327SQ94115410
公开日1995年11月8日 申请日期1994年8月17日 优先权日1993年8月17日
发明者拉塞尔·D·艾德, 福尔德·Y·蔡德安 申请人:拉塞尔·D·艾达, Kmc有限公司