本發(fā)明涉及一種異形微型階梯軸承。

背景技術(shù)：

軸承是用來支承軸類零件的重要機(jī)械部件，分滑動軸承和滾動軸承兩種。對于軸承有以下主要性能要求：支承精度、支承剛度、低摩擦系數(shù)和耐磨損。這就要求軸承是一種很精密的機(jī)械部件，還要求它有足夠大的承載能力。為了達(dá)到好的減摩和耐磨性能，還需要軸承具有較好的潤滑性能。發(fā)展至今，雖然軸承技術(shù)比較成熟，但均建立在傳統(tǒng)的潤滑理論基礎(chǔ)上。目前，滾動軸承和滑動軸承各應(yīng)用于不同場合，各有其優(yōu)勢。由于本發(fā)明涉及的是滑動軸承，現(xiàn)將現(xiàn)有滑動軸承類型和技術(shù)歸納如下：

從潤滑機(jī)理上，滑動軸承分為混合摩擦滑動軸承和流體潤滑滑動軸承兩種。前者依靠邊界吸附膜和流體動壓效應(yīng)實現(xiàn)潤滑，用于低速、輕載和不重要場合；后者依靠流體膜實現(xiàn)潤滑，用于重要場合，應(yīng)用更為廣泛。流體潤滑滑動軸承是滑動軸承的主體，又分為流體動壓潤滑滑動軸承和流體靜壓潤滑滑動軸承兩種。流體靜壓潤滑滑動軸承依靠外界液壓系統(tǒng)供油，靠油壓支承載荷，靠液壓油進(jìn)行潤滑，制造精度高、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本較高，用于要求支承剛度大、支承精度高和承載能力大的重要場合。流體動壓潤滑滑動軸承依靠流體動壓效應(yīng)實現(xiàn)潤滑，具有結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低、性能較好的優(yōu)點，是一種應(yīng)用更為廣泛和常見的滑動軸承。它又分為流體動壓潤滑向心滑動軸承和流體動壓潤滑推力滑動軸承兩種。前者用于支承徑向載荷，后者用于支承軸向載荷。以下介紹現(xiàn)有主要流體動壓潤滑推力滑動軸承類型及其特點。

一、傾斜平面瓦塊軸承，這種軸承如圖1所示。它依靠上下兩表面間形成的收斂間隙和這兩個表面間的相對運動實現(xiàn)流體動壓效應(yīng)，從而實現(xiàn)潤滑。這種軸承有較大承載能力，有較好減摩和耐磨性能。

這種軸承分成兩種，一種是上表面和下表面均不能繞支點轉(zhuǎn)動的固定瓦塊軸承，另一種是其中一個表面可繞支點轉(zhuǎn)動的可傾瓦塊軸承。在良好設(shè)計下，可傾瓦塊軸承比固定瓦塊軸承有更大的承載能力。

二、鋸齒形瓦塊軸承，這種軸承如圖2所示。它的工作和潤滑機(jī)理同上一種軸承。在相同條件下它的承載能力比上一種軸承低得多。

三、斜面平臺瓦塊軸承，這種軸承如圖3所示。它的工作和潤滑機(jī)理同上兩種軸承。在相同工況下它的最大承載量比傾斜平面固定瓦塊軸承的最大承載量高出20%。

四、瑞利階梯軸承，這種軸承如圖4所示。它的工作和潤滑機(jī)理同前面軸承。相比于前面三種軸承，在相同工況下它的最大承載量最高，比傾斜平面固定瓦塊軸承的最大承載量高出28%。

根據(jù)傳統(tǒng)流體潤滑理論，圖1-圖4所示傳統(tǒng)軸承均依賴兩固體表面間形成的收斂楔形間隙，在運動表面帶動下，潤滑油從收斂楔形間隙的大截面帶進(jìn)去，從它的小截面帶出來，從而使?jié)櫥驮谑諗啃ㄐ伍g隙中受到擠壓進(jìn)而產(chǎn)生油壓，潤滑膜就具備承載能力，從而形成流體動壓潤滑軸承。按照傳統(tǒng)流體潤滑理論，兩固體表面間形成的發(fā)散楔形間隙中是不可能形成流體動壓潤滑油膜的，這時就不可能形成軸承。因為此時在運動表面帶動下，潤滑油從發(fā)散楔形間隙的小截面帶進(jìn)去，而從它的大截面被帶出來，這樣潤滑油在發(fā)散楔形間隙中就不會受到擠壓，也就不會產(chǎn)生油壓，不具備承載能力，不能形成潤滑油膜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種異形微型階梯軸承，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的被傳統(tǒng)流體潤滑理論所限制的問題；因為按照傳統(tǒng)流體潤滑理論，潤滑油從發(fā)散楔形間隙的小截面帶進(jìn)去，而從它的大截面被帶出來，潤滑油在這樣的間隙中沒有被擠壓，也就不能形成油壓，不具備承載能力，這就帶來發(fā)散楔形間隙中不能形成潤滑油膜的問題。本發(fā)明著眼于解決這種技術(shù)問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種異形微型階梯軸承，包括配對的靜止平板和運動平板，靜止平板具有階梯狀表面，靜止平板包括依次設(shè)置的凸出表面和凹入表面，運動平板采用平坦表面，配對的靜止平板和運動平板的工作表面相互平行，在靜止平板的凸出表面上涂覆以一親油涂層，在靜止平板的凹入表面上涂覆以一憎油涂層，運動平板的運動方向為由靜止平板的凸出表面指向靜止平板的凹入表面，靜止平板的凸出表面與運動平板的表面間隙小于靜止平板的凹入表面與運動平板的表面間隙，這兩塊配對的靜止平板和運動平板之間的間隙中充滿潤滑油，且這兩塊配對的靜止平板和運動平板的工作表面之間的間隙為納米量級，以使這兩平板間隙中的潤滑油與靜止平板工作表面的物理吸附功能發(fā)揮作用，這樣，這兩塊配對的靜止平板和運動平板就形成了異形微型階梯軸承。

進(jìn)一步地，靜止平板的階梯狀表面的階梯高度滿足，軸承入口區(qū)的表面間隙hi即靜止平板的凸出表面與運動平板的表面間隙，滿足，且。

進(jìn)一步地，運動平板和靜止平板均為鋼制平板，靜止平板的凸出表面上親油涂層為二氧化鈦涂層，靜止平板的凹入表面上憎油涂層為氟碳涂層，潤滑油為普通石蠟油，潤滑油粘度為。

進(jìn)一步地，運動平板的工作表面上不涂覆涂層。

本發(fā)明的有益效果是：該種異形微型階梯軸承，運用物理吸附技術(shù)，采用表面涂層方法設(shè)計出一種異形微型階梯軸承。本發(fā)明軸承適用于軸承入口區(qū)表面間隙小于軸承出口區(qū)表面間隙的場合，這是傳統(tǒng)階梯軸承達(dá)不到的。本發(fā)明軸承結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本低廉，具有一定的承載能力，具有良好的潤滑油膜，能起到較好的減摩耐磨效果，在精密機(jī)械或微小型機(jī)械設(shè)備上作支撐部件用。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的傾斜平面瓦塊軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是現(xiàn)有的鋸齒形瓦塊軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是現(xiàn)有的斜面平臺瓦塊軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是現(xiàn)有的瑞利階梯軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例異形微型階梯軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例異形微型階梯軸承的潤滑壓力分布圖；

圖7當(dāng)和l1=l2時不同靜止平板表面涂層特性下本軸承無量綱承載量w（=）與軸承入口區(qū)表面間隙hi關(guān)系曲線圖；

圖8當(dāng)和l1=l2時不同靜止平板表面涂層特性下本軸承無量綱承載量w（=）與軸承靜止平板工作表面上階梯高度的關(guān)系曲線。

其中，u：運動平板相對于靜止平板的運動速度，w：支承載荷，l1:靜止平板上凸出表面的寬度，l2:靜止平板上凹入表面的寬度，：軸承階梯高度，hi：軸承中“i”子區(qū)即入口區(qū)的表面間隙或潤滑油膜厚度，ho：軸承中“ii”子區(qū)即出口區(qū)的表面間隙或潤滑油膜厚度；

其中，1-靜止平板，2-運動平板，3-親油涂層，4-憎油涂層，5-潤滑油。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

實施例

一種異形微型階梯軸承，包括配對的靜止平板1和運動平板2，靜止平板1具有階梯狀表面，靜止平板1包括依次設(shè)置的凸出表面和凹入表面，運動平板2采用平坦表面，配對的靜止平板1和運動平板2的工作表面相互平行，在靜止平板1的凸出表面上涂覆以一親油涂層3，在靜止平板1的凹入表面上涂覆以一憎油涂層4，運動平板2的運動方向為由靜止平板1的凸出表面指向靜止平板1的凹入表面，靜止平板1的凸出表面與運動平板2的表面間隙小于靜止平板1的凹入表面與運動平板2的表面間隙，這兩塊配對的靜止平板1和運動平板2之間的間隙中充滿潤滑油5，且這兩塊配對的靜止平板1和運動平板2的工作表面之間的間隙為納米量級，以使這兩平板間隙中的潤滑油5與靜止平板1工作表面的物理吸附功能發(fā)揮作用，這樣，這兩塊配對的靜止平板1和運動平板2就形成了異形微型階梯軸承。靜止平板1的階梯狀表面的階梯高度滿足，軸承入口區(qū)的表面間隙hi即靜止平板1的凸出表面與運動平板2的表面間隙，滿足，且。

運動平板2和靜止平板1均為鋼制平板，靜止平板1的凸出表面上親油涂層3為二氧化鈦涂層，靜止平板1的凹入表面上憎油涂層4為氟碳涂層，潤滑油5為普通石蠟油，潤滑油5粘度為。運動平板2的工作表面上不涂覆涂層。

實施例的一種運用物理吸附技術(shù)的異形微型階梯軸承，與傳統(tǒng)流體潤滑理論相悖，這種軸承兩接觸表面間形成發(fā)散的楔形間隙。與圖4所示傳統(tǒng)階梯軸承相反，這種軸承入口區(qū)的表面間隙小于它的出口區(qū)的表面間隙。按照傳統(tǒng)流體潤滑理論，這種軸承應(yīng)當(dāng)是不成立的，因為潤滑油5從發(fā)散楔形間隙的小截面帶進(jìn)去，而從它的大截面被帶出來，潤滑油5在這樣的間隙中沒有被擠壓，也就不能形成油壓，不具備承載能力。但是，如果在這種軸承入口區(qū)的靜止接觸表面上涂以具有較強物理吸附能力的親油涂層3，而在本軸承的出口區(qū)靜止接觸表面上涂以具有較弱物理吸附能力的憎油涂層4。當(dāng)本軸承的兩表面間隙處于納米量級時，由于本軸承入口區(qū)和出口區(qū)的靜止接觸表面對潤滑油5的不同物理吸附作用，在運動表面帶動下使得流入本軸承入口區(qū)小截面的潤滑油5流量反而大于流出出口區(qū)大截面的潤滑油5流量，從而使得潤滑油5在這樣的發(fā)散楔形間隙中也能受到擠壓進(jìn)而產(chǎn)生油壓，潤滑油5膜就具備承載能力。這樣就形成實施例所指的異形微型階梯軸承。

實施例在一塊靜止的具有階梯狀表面（工作表面）的平板的凸出表面上涂覆以一親油的具有較強物理吸附能力的涂層，在該平板的凹入表面上涂覆以一憎油的具有弱物理吸附能力的涂層。另一塊具有平坦表面（工作表面）的運動平板2與該靜止平板1配對，使這兩塊平板的工作表面相互平行。運動平板2的工作表面上不涂覆涂層（但不排除涂覆涂層）。運動平板2的運動方向為由靜止平板1的凸出表面指向靜止平板1的凹入表面。這兩塊配對平板之間的間隙中充滿潤滑油5，這兩塊配對平板的工作表面之間的間隙為納米量級，以使這兩平板間隙中的潤滑油5與靜止平板1工作表面的物理吸附功能發(fā)揮作用。這樣，這兩塊配對的平板就形成了實施例所指的一種異形微型階梯軸承。圖5給出實施例設(shè)計的軸承。

圖5為實施例設(shè)計的軸承。圖5中，u：運動平板2相對于靜止平板1的運動速度，w：支承載荷，l1:靜止平板1上凸出表面的寬度，l2:靜止平板1上凹入表面的寬度，：軸承階梯高度，hi：軸承中“i”子區(qū)即入口區(qū)的表面間隙或潤滑油5膜厚度，ho：軸承中“ii”子區(qū)即出口區(qū)的表面間隙或潤滑油5膜厚度。潤滑油5和靜止平板1凸出表面上親油涂層3間具有較強物理吸附，潤滑油5和靜止平板1凹入表面上憎油涂層4間具有弱物理吸附。圖5中，，，且。

實施例中，運動平板2和靜止平板1均為鋼制平板，具有階梯狀表面（工作表面）靜止平板1的凸出表面上涂層為親油的二氧化鈦涂層，靜止平板1的凹入表面上涂層為憎油的氟碳涂層。潤滑油5為普通石蠟油，潤滑油5粘度為。潤滑油5與二氧化鈦涂層間有較強的物理吸附，潤滑油5與氟碳涂層間物理吸附弱。運動平板2的運動速度為u=0.001m/s，靜止平板1具有階梯狀表面的階梯高度為。（1）當(dāng)l1=l2=1mm，hi=4nm時，得到的實施例軸承單位長度量綱承載量為w=12n/m。（2）當(dāng)l1=l2=1mm，hi=5nm時，得到的實施例軸承單位長度量綱承載量為w=30n/m。（3）當(dāng)l1=l2=1mm，hi=6nm時，得到的實施例軸承單位長度量綱承載量為w=20n/m。

與傳統(tǒng)階梯軸承相比，實施例軸承屬一種異形階梯軸承，它的入口區(qū)的軸承表面間隙低于它的出口區(qū)的軸承表面間隙；實施例軸承屬于微型軸承，在軸承表面間隙處于1nm量級時工作。實施例軸承具有一定承載能力，應(yīng)用于精密設(shè)備或微小型設(shè)備上，勝任特定的工作場合，解決了普通軸承不能解決的技術(shù)問題。

實施例的異形微型階梯軸承，由一塊靜止的具有階梯狀表面的平板和另一塊表面平整的運動平板2組成本軸承；平板由各種牌號鋼材制成，但不排除使用其它材料制成。

如圖5所示，具有階梯狀表面（工作表面）靜止平板1的凸出表面上涂覆有親油涂層3，它的凹入表面上涂覆有憎油涂層4。運動平板2平整的工作表面上不涂覆涂層，但不排除涂覆涂層。靜止平板1工作表面和運動平板2工作表面間充滿潤滑油5。使運動平板2工作表面與靜止平板1工作表面相互平行，運動平板2的運動方向為從靜止平板1的凸出表面指向靜止平板1的凹入表面。靜止平板1工作表面的階梯高度滿足，軸承入口區(qū)表面間隙hi滿足，且。

實施例的原理如下：

根據(jù)以往建立的界面吸附理論，由于實施例軸承“i”子區(qū)中潤滑油5與靜止平板1表面上涂層的相互作用強度大于“ii”子區(qū)中潤滑油5與靜止平板1表面上涂層的相互作用強度，在較小時，即使在“i”子區(qū)中表面間隙hi小于“ii”子區(qū)中表面間隙ho情況下，由于潤滑油5在涂層表面的吸附、有序定向和固化作用，本軸承“i”子區(qū)中由軸承運動平板2表面牽引運動產(chǎn)生的潤滑油5質(zhì)量流量（即潤滑油5couette流動流量）大于軸承“ii”子區(qū)中由軸承運動平板2表面牽引運動產(chǎn)生的潤滑油5質(zhì)量流量，由于實施例軸承中潤滑油5從“i”子區(qū)流向“ii”子區(qū)，若本軸承的兩平板間隙中無潤滑壓力建立，則由軸承運動平板2表面牽引運動產(chǎn)生的潤滑油5流動使?jié)櫥?在本軸承的兩平板間隙中不斷匯聚形成擠壓從而形成油壓即潤滑壓力，也就是說，在本軸承中必然能形成潤滑壓力，形成的潤滑壓力使?jié)櫥?產(chǎn)生壓力梯度流動（即poiseuille流動），潤滑油5的壓力梯度流動使流過兩平板間隙的潤滑油5質(zhì)量流量處處相等，從而滿足了潤滑油5流動連續(xù)性。實施例軸承的壓力分布如圖6所示。圖6實施例軸承中潤滑壓力分布圖?？v坐標(biāo)為潤滑壓力。

圖7給出和l1=l2時不同靜止平板1表面涂層特性下本軸承無量綱承載量w（=）與軸承入口區(qū)表面間隙hi關(guān)系曲線。圖7的圖標(biāo)中，w-m指潤滑油5與軸承出口區(qū)靜止平板1表面上涂層間物理吸附弱而潤滑油5與軸承入口區(qū)靜止平板1表面上涂層間物理吸附的強度為中等水平，w-s指潤滑油5與軸承出口區(qū)靜止平板1表面上涂層間物理吸附弱而潤滑油5與軸承入口區(qū)靜止平板1表面上涂層間物理吸附強，m-s指潤滑油5與軸承出口區(qū)靜止平板1表面上涂層間物理吸附強度為中等水平而潤滑油5與軸承入口區(qū)靜止平板1表面上涂層間物理吸附強。從圖7中看出，w-s情形下本軸承承載能力最大，w-m情形下本軸承承載能力最??；任何一種情形下，存在一個最優(yōu)的hi值使軸承承載量達(dá)到最大。

圖8給出和l1=l2時不同靜止平板1表面涂層特性下本軸承無量綱承載量w（=）與軸承靜止平板1工作表面上階梯高度的關(guān)系曲線。圖8中，w-m、w-s和m-s的含義分別與圖7中的相同。從圖8可見，隨著的增大，本軸承承載量迅速下降，尤其對于w-m情形更是如此。

實施例的異形微型階梯軸承，運用物理吸附技術(shù)，采用表面涂層方法設(shè)計出一種異形微型階梯軸承。實施例軸承適用于軸承入口區(qū)表面間隙小于軸承出口區(qū)表面間隙的場合，這是傳統(tǒng)階梯軸承達(dá)不到的。實施例軸承結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本低廉，具有一定的承載能力，具有良好的潤滑油5膜，能起到較好的減摩耐磨效果，在精密機(jī)械或微小型機(jī)械設(shè)備上作支撐部件用。